FIBRAS OPTICAS. Springer-Verlag. 8 de abril de Berlin Heidelberg NewYork London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest

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1 C esar Orlando Torres Moreno Doctor en Ciencias F ³sica Lorenzo Mattos V asquez Magister en Inform atica Grupo de Optica E inform atica Departamento de F ³sica Universidad Popular del Cesar FIBRAS OPTICAS 8 de abril de 2009 Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest

2 Indice General 1. FIBRA OPTICA ::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: INTRODUCCION VENTAJASDELATECNOLOGIADELAFIBRAOPTICA PRIMEROSEXPERIMENTOSDEGUIADODELALUZ Fuentesluminosas Problemasenelmaterial Instalaci on Ampli cadores opticos TEORIA DE PROPAGACI ON :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: INTRODUCCION ANGULOCRITICO TABLADEINDICESDEREFRACCION TIPOSDEFIBRASOPTICAS Cabledeestructuraholgada Cabledeestructuraajustada Cableblindado Clasi caci on de las bras opticas PREPARACIONDELAFIBRA Geometr ³adela bra Cortedela bra Medidas de par ametros geom etricos Medici on utilizando t ecnicas deimagen Mediciones experimentales de las bras opticas Conclusiones OBTENCI ON EXPERIMENTAL DE PAR AMETROS GEOM ETRICOS Introducci on Metodolog ³a Obtenci on experimental del per l Gaussiano del haz l aser que viaja a trav es de una bra opticamonomodo PROPIEDADES DE LA FIBRA OPTICA :::::::::::::::::::::::::::::::::: INTRODUCCION Atenuaci on Medida de la atenuaci on Medida experimental de la atenuaci on Dispersi on Propiedades opticas Per l de ³ndice de refracci on Apertura Num erica(na) Medidadelaaperturanum erica(na) Potenciadeacoplamiento porcentaje de acoplamientos t ³picos... 44

3 II Indice General 4. FIBRAS OPTICAS. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: PRINCIPIOSDEGUIASDEONDAENFIBRASOPTICAS MODOS DE PROPAGACI ON EN UNA FIBRA OPTICA DE INDICE DE PER- FILESCALONADO Introducci on Ecuaci on en gu ³as de onda cil ³ndrica Representaci on digital de los modos de propagaci on en una bra optica Obtenci on experimental de los modos de propagaci on de una bra optica de ³ndicedeper lescalonado Conclusiones transmisi on bidireccional a trav es de bra utilizando el protocolo Ethernet Introducci on DISE NO ~ Y DESCRIPCI ON DEL M ODULO Interconexi onconlaetapadecontrol Etapa optica Etapadecontrol EtapaFuentedePoder RESULTADOS CONCLUSI ON EMPALMES Y CONEXION DE FIBRAS OPTICAS ::::::::::::::::::::::: INTRODUCCION T ecnicasdeempalme Empalme por fusi on Empalme mec anico Propiedades de transmisi on de la bra optica Atenuaci on OTDR AnchodeBanda Dispersi on intermodal o modal Dispersi onintramodal OPTIMIZACI ON DE ENLACES CON FIBRAS OPTICAS Introducci on Caracterizaci on De Las Fuentes De Emisi on AcopleFuente-Fibra MICROPOSICIONADOR Y FUSIONADOR DE FIBRAS OPTICAS Dise~nodelprototipomicroposicionadoryfusionador Controldedescargadealtovoltaje Procedimiento de fusi on Conclusiones PROPIEDADES FISICAS DE LA FIBRA OPTICA :::::::::::::::::::::::: INTRODUCCION ModulodeYoung CargadeRotura Alargamientoenelpuntoderotura Coe ciente de dilataci on Propiedades geom etricas Pruebas mec anicas sobre un cable optico Prueba de tensi on Prueba de compresi on Pruebadeimpacto Pruebadedoblado... 97

4 Indice General III Prueba de torsi on Medicionesexperimentales CONVERSION ELECTRICA - OPTICA ::::::::::::::::::::::::::::::::::: INTRODUCCION EMISORESYRECEPTORESOPTICOS Emisores opticos Receptores opticos Fotodetector FotodetectoresPIN FotodetectoresdeAvalanchaAPD C alculo de enlace bra optica C alculodelcable C alculodelmargen Ancho de banda en bras de ³ndicegradual Dispersi on de bra optica monomodo Red de computadores utilizando bra optica Sensores basados en bra optica Dise~no e implementaci on de un sensor por modulaci on de intensidad a bra optica Sensordeproximidad Sensor interferom etrico basado en bra optica Propagaci on de un pulso a trav es de una bra opticamultimodo...119

5 Indice General 1 Agradecimientos La optica en las actuales circunstancias juega un papel de trascendental importancia en el desarrollo de la ciencia, lo cual ha provocado el surgimiento de nuevas tem aticas de trabajo; las cuales abarcan el estudio, desarrollo y aplicaci on de los principios b asicos de la optica en temas tan diversos como las bras opticas, dispositivos optoelectr onicos, procesado de im agenes y otros campos que han posibilitado ubicar a esta disciplina como una de las m as promisorias en el contexto del futuro de la humanidad. El presente texto est a dirigido a Estudiantes de ultimo a~no de pregrado y de postgrado en Ciencias e Ingeniera; en particular a estudiantes de Electr onica. Como tal el prop osito del texto es complementar y ampliar la formaci on te orico experimental de los estudiantes en el campo de la optica mediante un trabajo profundo y detallado de los fundamentos b asicos de esta area de trabajo en el dominio de la representaci on espacio frecuencial. Asi mismo busca en los eventuales lectores estudiar detalladamente los diferentes principios b asicos de la optica y aplicarlos en algunos campos de la ciencia; establecer los fundamentos b asicos en la l ³nea de profundizaci on de optica que apoyen el desarrollo de proyectos de investigaci on cient ³ ca y tecnol ogica y nalmente desarrollar e implementar estrategias de integraci on interdisciplinaria a trav es de actividades de investigaci on entre los estudiantes. Los autores queremos agradecer a los estudiantes de Ingenier ³a Electr onica por habernos permitido acceder a su formaci on por medio de los cursos orientados en las electivas de Optoelectr onica y que hacen parte integral del plan de estudios del programa de Ingenier ³a Electr onica que se ofrece en la Universidad Popular del Cesar en Valledupar (Cesar - Colombia); su participaci on en las actividades realizadas en el aula de clase y por fuera de ella, han enrriquecido los contenidos de este texto, del mismo modo debemos resaltar la colaboraci on de todos los miembros del Grupo de Optica e Inform atica LOI de la misma Universidad por haber colaborado en las m ultples tareas que implica la elaboraci on de un libro de esta naturaleza. Agradecemos especialmente a la Universidad Popular del Cesar el apoyo brindado, a la Vicerrector ³a de Investigaciones por todo el apoyo incondicional prestado, as ³ como al personal administrativo de la misma dependencia por soportar con paciencia nuestras solicitudes y peticiones constantes. Finalmente queremos agradecer a nuestras familias esposas e hijos, quienes con su compa~n ³a y apoyo permanente hicieron que todo nos resultara menos dif ³cil. A ellos dedicamos estas notas. Valledupar, Colombia C esar Torres M. y Lorenzo Mattos V. Septiembre de 2008

6 2 Indice General Dedicatoria El autor quiere agradecer a los estudiantes de Ingenier ³a Electr onica por haberle permitido acceder a su formaci on por medio de los cursos orientados en las electivas de Optoelectr onica y que hacen parte integral del plan de estudios del programa de Ingenier ³a Electr onica que se ofrece en la Universidad Popular del Cesar en Valledupar (Cesar - Colombia); su participaci on en las actividades realizadas en el aula de clase y por fuera de ella, han enrriquecido los contenidos de este texto, del mismo modo debo resaltar la colaboraci on de todos los miembros del Grupo de Optica e Inform atica LOI de la misma Universidad por haber colaborado en las m ultples tareas que implica la elaboraci on de un libro de esta naturaleza. Agradezco especialmente a la Universidad Popular del Cesar el apoyo nanciero brindado, a la Vicerrector ³a de Investigaciones por todo el apoyo incondicional prestado, as ³ como al personal administrativo de la misma dependencia por soportar con paciencia mis solicitudes y peticiones constantes. Finalmente quiero agradecer a mi familia; esposa e hijos, quienes con su compa~n ³a y apoyo permanente hicieron que todo me resultara menos dif ³cil. A ellos dedico estas notas. Valledupar, Colombia C esar Torres M. Marzo de 2007

7 Indice General 3 Prefacio El presente libro de optica est a dise~nado de tal forma que el lector pueda familiarizarse de manera r apida y sencilla con los m etodos matem aticos de la descomposici on de funciones aplicando las t ecnicas de Fourier. Por qu e escribimos el libro? Existe una amplia bibliograf ³a sobre optica, an alisis de se~nales y procesamiento de se~nales, pero a lo largo de nuestra experiencia primero como estudiantes y despu es como docentes en este campo nos hemos encontrado con los siguientes problemas: libros muy generales que omiten la rigurosidad matem atica; textos muy espec ³ cos que solo tratan una tem atica; las revistas especializadas existentes solo ofrecen una informaci on especi ca que necesita ser ampliada. Estos problemas requieren de diversas fuentes bibliogr a cas, que no siempre son accesibles en el momento deseado y que requieren de una s ³ntesis o fusi on de ideas y enfoques. Esto nos llevo a abordar esta problem atica, mediante la elaboraci on del presente texto. Qui en utilizara el libro? Es un texto dirigido a un amplio sector de personas que de un modo u otro tengan alg un compromiso o inter es en tem atica, para los profesionales que desarrollan investigaci on en el campo de la optica, por rigurosidad en la tem atica tratada. Para los docentes porque pueden utilizarlo como texto gu ³a en campo de la optica; Para los estudiantes de cualquier escuela, facultad, centros de estudios, grupos de investigaci on, donde se ventile el tema de optica de Fourier. El libro est a abierto para profesionales y docentes en las areas de an alisis y tratamiento de se~nales. Para una mejor comprensi on del texto es indispensable una formaci on b asica en funciones especiales en matem aticas, una formaci on en an alisis y tratamiento de se~nales, aunque con dedicaci on e inter es en el tema se puede comprender su contenido. Cu ales son los objetivos del libro?: Introducir al lector en los aspectos fundamentales de la optica, con su rigurosidad matem atica. Proporcionar una visi on general de la optica de Fourier, para sus aplicaciones en ciencias e ingenier ³a. Organizaci on del libro El texto est a dividido en 7 cap ³tulos. Cada cap ³tulo comienza introduciendo al lector en el contenido del mismo, se presentan algunos ejemplos que refuerzan la teor ³a y el lector debe desarrollar tareas, donde aplique lo estudiado. Valledupar, Colombia C esar Torres M. y Lorenzo Mattos V. Septiembre, 2008

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9 1. FIBRA OPTICA 1.1 INTRODUCCION El primer intento de utilizar la luz como soporte para una transmisi on fue realizado por Alexander Graham Bell, en el a~no Utiliz o un haz de luz para llevar informaci on, pero se evidenci o que la transmisi on de las ondas de luz por la atm osfera de la tierra no es pr actica debido a que el vapor de agua, oxigeno y part ³culas en el aire absorben y aten uan las se~nales en las frecuencias de luz. Se ha buscado entonces la forma de transmitir usando una l ³nea de transmisi on de alta con abilidad que no reciba perturbaciones desde el exterior, una gu ³a de bra llamada Fibra optica la cual transmite informaci on lum ³nica. La bra optica puede decirse que fue obtenida en 1951, con una atenuaci on de 1000 db/km. (al incrementar la distancia 3 metros la potencia de luz disminu ³a ), estas p erdidas restring ³a, las transmisiones opticas a distancias cortas. En 1970, la compa~n ³a de CORNING GLASS de Estados Unidos fabric o un prototipo de bra optica de baja perdida, con 20 db/km. Luego se consiguieron bras de 7 db/km. (1972), 2.5 db/km. (1973), 0.47 db/km. (1976), 0.2 db/km. (1979). Por tanto a nalesdelosa~nos 70 y a principios de los 80, el avance tecnol ogico en la fabricaci on de cables opticos y el desarrollo de fuentes de luz y detectores, abrieron la puerta al desarrollo de sistemas de comunicaci on de bra optica de alta calidad, alta capacidad y e ciencia. Este desarrollo se vio apoyado por diodos emisores de luz LEDs, Fotodiodos y LASER (ampli caci on de luz por emisi on estimulada de radiaci on). La Fibra optica es una varilla delgada y exible de vidrio u otro material transparente con un ³ndice de refracci on alto, constituida de material diel ectrico (material que no tiene conductividad comovidrioopl astico), es capaz de concentrar, guiar y transmitir la luz con muy pocas p erdidas incluso cuando est e curvada. Est a formada por dos cilindros conc entricos, el interior llamado n ucleo

10 6 1. FIBRA OPTICA (se construye de elevad ³sima pureza con el prop osito de obtener una m ³nima atenuaci on) y el exterior llamado revestimiento que cubre el contorno (se construye con requisitos menos rigurosos), ambos tienen diferente ³ndice de refracci on ( n 2 del revestimiento es de 0.2 a 0.3 El di ametro exterior del revestimiento es de 0.1 mm. aproximadamente y el di ametro del n ucleo que transmite la luz es pr oximo a10 o 50micr ometros. Adicionalmente incluye una cubierta externa adecuada para cada uso llamado recubrimiento. 1.2 VENTAJAS DE LA TECNOLOGIA DE LA FIBRA OPTICA Baja Atenuaci on. Las bras opticas son el medio f ³sico con menor atenuaci on. Por lo tanto se pueden establecer enlaces directos sin repetidores, de 100 a 200 Km. con el consiguiente aumento de la abilidad y econom ³a en los equipamientos. Gran ancho de banda. La capacidad de transmisi on es muy elevada, adem as pueden propagarse simult aneamente ondas opticas de varias longitudes de onda que se traduce en un mayor rendimiento de los sistemas. De hecho 2 bras opticas ser ³an capaces de transportar, todas las conversaciones telef onicas de un pa ³s, con equipos de transmisi on capaces de manejar tal cantidad de informaci on (entre 100 MHz/Km a 10 GHz/Km). Peso y tama~no reducidos. El di ametro de una bra optica es similar al de un cabello humano. Un cable de 64 bras opticas, tiene un di ametrototalde15a20mm.yunpesomediode250 Kg/km. Si comparamos estos valores con los de un cable de 900 pares calibre 0.4 (peso 4,000 Kg/Km y di ametro 40 a 50 mm ) se observan ventajas de facilidad y costo de instalaci on, siendo ventajoso su uso en sistemas de ductos congestionados, cuartos de computadoras o el interior de aviones. Gran exibilidad y recursos disponibles. Los cables de bra optica se pueden construir totalmente con materiales diel ectricos, la materia prima utilizada en la fabricaci on es el di oxido de silicio (Si0 2 ) que es uno de los recursos m as abundantes en la super cie terrestre. Aislamiento el ectrico entre terminales. Al no existir componentes met alicos (conductores de electricidad) no se producen inducciones de corriente en el cable, por tanto pueden ser instalados en lugares donde existen peligros de cortes el ectricos.

11 1.3 PRIMEROS EXPERIMENTOS DE GUIADO DE LA LUZ 7 Ausencia de radiaci on emitida. Las bras opticas transmiten luz y no emiten radiaciones electromagn eticas que puedan interferir con equipos electr onicos, tampoco se ve afectada por radiaciones emitidas por otros medios, por lo tanto constituyen el medio m as seguro para transmitir informaci on de muy alta calidad sin degradaci on. Costo y mantenimiento. El costo de los cables de bra optica y la tecnolog ³a asociada con su instalaci on ha ca ³do dr asticamente en los ultimos a~nos. Hoy en d ³a, el costo de construcci on de una planta de bra optica es comparable con una planta de cobre. Adem as, los costos de mantenimiento de una planta de bra optica son muy inferiores a los de una planta de cobre. Sin embargo si el requerimiento de capacidad de informaci on es bajo la bra optica puede ser de mayor costo. Las se~nales se pueden transmitir a trav es de zonas el ectricamente ruidosas con muy bajo ³ndice de error y sin interferencias el ectricas. Las caracter ³sticas de transmisi on son pr acticamente inalterables debido a los cambios de temperatura, siendo innecesarios y/o simpli cadas la ecualizaci on y compensaci on de las variaciones en tales propiedades. Se mantiene estable entre -40 y 200 C. Por tanto dependiendo de los requerimientos de comunicaci on la bra optica puede constituir el mejor sistema. Desventajas de la bra optica. Elcostodela bras olo se justi ca cuando su gran capacidad de ancho de banda y baja atenuaci on son requeridos. Para bajo ancho de banda puede ser una soluci on mucho m as costosa que el conductor de cobre. La bra optica no transmite energ ³a el ectrica, esto limita su aplicaci on donde el terminal de recepci on debe ser energizado desde una l ³nea el ectrica. La energ ³a debe proveerse por conductores separados. Las mol eculas de hidr ogeno pueden difundirse en las bras de silicio y producir cambios en la atenuaci on.elaguacorroelasuper ciedelvidrioyresultaserelmecanismom as importante para el envejecimiento de la bra optica. Poca normativa internacional sobre algunos aspectos referentes a los par ametros de los componentes, calidad de la transmisi on y pruebas. 1.3 PRIMEROS EXPERIMENTOS DE GUIADO DE LA LUZ Colladon (en G enova en 1841). Tyndall (colaborador de Farady) realiz o un experimento parecido en Londres, En La historia reconoce a Tyndall como el descubridor del efecto de la re exi on

12 8 1. FIBRA OPTICA total, por muchos intentos que hizo Colladon para reivindicar su anterior experimento. Figura 1.1. Experimento de Tyndall Bell presenta el fot ofono en 1880, basado en las propiedades del selenio: Var ³a su resistencia con la luz. Patente US de William Wheeler (1881) para la iluminaci on de recintos mediante tuber ³as de vidrio recubiertas con una pel ³cula Met alica. No emplea re exi on total sino solo re exi on sobre una super cie met alica. En esa epoca, conseguir fuentes de luz era complicado, y parec ³a m as sencillo tener una sola fuente y distribuir la luz, que poner una fuente en cada dependencia que se necesite iluminar Fuentes luminosas En la d ecada de 1880 hubo una gran proliferaci on de fuentes iluminadas. Las primeras en una exposici on de Londres de Luz producida por arcos el ectricos, coloreada por ltros, y orientada al chorro de agua mediante lentes. La luz inicialmente rodeaba el chorro, hasta que una parte quedaba con nada en su interior. En 1887 otra exposici on en Manchester. Las mas exitosas, en la Exposici on Universal de Paris de A principios del siglo XX se insertan bras de vidrio en los vestidos para darles brillo. En 1927 Clarence Weston Hansell, director de la RCA (Radio Corporation of America), solicita una patente sobre transmisi on de im agenes a trav es de bras. Gener o mas de 300 patentes a lo largo de su vida, casi todas en el campo de la radio. Tambi en en 1930 Heinrich Lamm (m edico Alem an), transmite las primeras Im agenes a trav es de un mazo de bras. Utiliza este sistema con pacientes. No le es aceptada una patente, por haber una previa parecida, de Hansell.

13 1.3 PRIMEROS EXPERIMENTOS DE GUIADO DE LA LUZ 9 Abraham Van Heel, profesor de optica en la universidad de Delf (Holanda), trabaja en un periscopio de submarino basado en un mazo de bras, para Alemania, despu es de la Segunda Guerra Mundial. Colabora con Brian OBrien, presidente de la Optical Society of America, y hacen las siguientes dos propuestas: Poner una cubierta a las bras, para que no pase la luz de unas a otras cuando se toquen. Se proponen aceites como cubierta. Si construir una bra es muy dif ³cil, a~nadir adem as la cubierta, Imposible. Si se desordenan las bras en su mitad, y se corta el mazo en dos trozos, sirve para codi car im agenes. Por este proyecto estuvo muy interesada la CIA, hastaquesedescubri o, que si siempre se encripta con el mismo algoritmo, el sistema es muy vulnerable. En 1951 Harold H. Hopkins (Imperial College de Londres)) animado por un medico, se plantea desarrollar un Endoscopio. Consigue nanciacion y contrata a Narinder S. Kapany para hacer la tesis en ese tema. Construyen un endoscopio de 1,2 metros de largo con bras de 20¹m Publican un articulo de gran trascendencia: H.H.Hopkins and N.S.Kapany: "A exible berscope, using static scanning". Nature 173, pp (jan. 2, 1954). Basil Hirschowitz, medico de origen Sudafricano, formado en Londres y trabajando en Michigan, lee el articulo previo y se entusiasma por la idea. Contrata a Lawrence Curtiss y se ponen a desarrollar. En 1956 deciden poner una cubierta a las bras. Curtiss es el primero en construir una bra con cubierta. El 28 de Diciembre de 1956 hicieron una patente sobre el Endoscopio. El 6 de Mayo de 1957 otra sobre la bra con cubierta. El 18 de Febrero de 1957 lo prueba Hirschowitz con el primer paciente, despu es de que d ³as antes lo haya probado consigo mismo. El 1960 ACMI Ltd. produce los primeros endoscopios comerciales. Este es el sistema que se ha utilizado hasta la llegada de los diminutos sistemas de v ³deo. El primer endoscopio con esta tecnolog ³a apareci o En Entre 1960, aparici on del L aser de Rubi de Maiman, y 1970, Maurer presenta bras utiles, aparecen numerosas especulaciones para transmitir la luz. Ojo, las bras utilizadas en endoscopia, sirven para transmitir la luz a un metro, no m as. Transmisi on por el aire: muy dependiente de las condiciones climatol ogicas, ATT quiere sistemas de comunicaci on que est en fuera de servicio menos de una hora al a~no.en Bell Labs (1966) propuesta de tubo hueco con lentes para evitar que el haz incidiese en las paredes. Llegan a hacer una prueba con un tubo de 15cm de di ametro, y longitud de 970 mts. Muy optimistas calculan espaciado de lentes cada 840 mts, y de ampli cadores cada

14 10 1. FIBRA OPTICA 650Km. Problemas de inestabilidad: cambios de temperatura, vibraciones, doblar el tubo. Trabajos de George Hockham y Charles Kao en Standard Telecommunication Laboratories. Dada la potencia de los emisores, y la sensibilidad de los detectores opticos, disponemos un margen de 40db, para la atenuaci on del medio. Las comunicaciones opticas ser ³an rentables con ampli cadores espaciados cada 2Km, por lo que se necesitan bras con atenuaciones de 20db/Km. El elemento masadecuadoeselcristal, ylapreguntaes: Sepuede llegar con el cristal a estos niveles?. Entonces el cristal mas puro ten ³a atenuaciones de 1000db/Km, porque nadie hab ³a tenido necesidades de mayores purezas, y por lo tanto claridades Problemas en el material Re exi on en las super cies, solo se produce una al principio y otra al nal, irrelevante. Scattering: dispersi on de la luz, por choques con los atomos del cristal. En un primer estudio calcul o valores menores de 5db/Km, posteriores estudios lo pusieron en 1dB/km. Absorci on de la luz por impurezas. La pregunta es: se pueden reducir Las impurezas hasta llegar a un nivel de atenuaci on aceptable. Kao no entiende de cristal y no la sabe responder. Prof. Rawson del She±eld Institute of Glass Technology dijo que s ³ eraposible. Art ³culo: K.C.Kao and G.A.Hockham Dielectric- bre surface waveguides for optical frequencies Proceedings IEE 113 pp (Julio de 1966) El art ³culo fue enviado en Noviembre de La bra optica interesa mucho al ejercito. Explosiones nucleares producen fuertes campos, que inducen fuertes corrientes en los cables electricos, que deterioran los equipos a los que estan conectados, ademas en casos como aviones las longitudes de bra necesaria son cortas; se pueden permitir mayores atenuaciones. Zen-ichi Kiyasu y Jun-ichi Nishizawa proponen en 1966 la bra de Indice gradual. Grandes ventajas: Disminuye la dispersion del pulso, entre 100 y 1000 veces. Es mas facil de acoplar a los laseres que la monomodo, por ser su diametro mayor. En 1969 consiguen perdidas de 100db/Km. A nales de los sesenta, son muchos los que persiguen bras de baja atenuaci on, pero es Robert Maurer y sus colaboradores, en la Corning Glass, quienes primero lo consiguen. Donal Keck, Robert Maurer y Peter Schultz despu es de haber conseguido las bras de baja atenuaci on.

15 1.3 PRIMEROS EXPERIMENTOS DE GUIADO DE LA LUZ 11 Corning es una empresa de gran experiencia en tecnolog ³a del vidrio. Utilizan silice fundida, el proceso que puede producir material m as puro. Otros no ten ³an hornos de su ciente potencia para llegar a esas temperaturas. El vidrio puro tiene un ³ndice de refracci on muy bajo, para formar el n ucleo hay que doparlo. Las primeras bras con titanio, despu es con germanio. El titanio tiene una estructura muy distinta del silicio, y daba muchos problemas. Art ³culo: F.P.Kapron, D.B.Keck and R.D.Maurer Radiation losses in glass optical waveguides Conference on Trunk Telecommunications by Guided Weawes (IEE, Londres, 1970, pp ) Instalaci on El primer sistema de bra optica real lo instal o lapolic ³a de Dorset, poblaci on del Sur de Inglaterra, e1975. En esas fechas el estado del arte de la tecnolog ³a era: 850nm, 2db/km, ³ndice gradual, decenas de Mbits/seg., separaci on entre repetidores de 10Km. Los operadores telef onicos quer ³an equipos seguros, ables, y las comunicaciones opticas ten ³an que demostrar su abilidad con el tiempo es el a~no del despegue de las comunicaciones opticas. ATT une 3 edi cios en Chicago con un cable de 2.6Km. La Post O±ce hace diferentes instalaciones en el Reino Unido. En pocos meses se pasa de 8.4MBits/seg. a 140 Mbits/seg. Apertura de la segunda y tercera ventanas (investigacion): Los dos problemas de la atenuacion son: Absorcion (depende del material) y Scattering (disminuye cuando aumenta) Por encima de 850nm aumentaba tanto la atenuacion que eclipsaba las mejoras del Scattering. Se calcula que en 1300 nm la dispersion es nula. Problema de atenuacion: atomos de H y O, procedentes de trazas de agua del proceso de fusion. En 1975 se consiguen bras con 80 partes de agua por billon. Supone atenuaciones de 0.5db/Km y dispersion nula en 1.300nm. El problema es que no habia laseres a esa. En 1976 se decubre la tercera ventana, y en 1978 se presentan bras monomodo con 0.2db/km a 1550 nm. La segunda generaci on de tecnolog ³a (instalaci on): Basada en bra de ³ndice gradual a nm. Altenermenoratenuaci on y menor dispersi on, se pod ³a, sobre todo, aumentar la distancia entre repetidores hasta unos 30Km. Muy interesante para areas rurales, donde se pretende no ampli car entre la central y el usuario. Instalaciones entre 1978 y 1982 aprox. A principios de los 80 la telefon ³a del Reino Unido, pasa a la Brtish Telecom y comienza a hacer pruebas con monomodo, con muy buenos resultados:

16 12 1. FIBRA OPTICA 1980: 1300nm, 140Mbits/seg, 49Km. 1982: 1300nm, 566Mbits/seg, 62Km. 1982: 1550nm, 140Mbits/seg, 91Km. Velocidad menor, porque la dispersi on es mayor. En 1983 pasa a instalar monomodo. En cambio AAT sigue con la bra de ³ndice gradual, piensa que la monomodo solo tiene sentido para cables transatl anticos Ampli cadores opticos Hasta su llegada, los repetidores estaban basados en conversi on optico-el ectrico, regeneraci on y vuelta a convertir el ectrico- optico. Basados en emisi on estimulada, los primeros como un l aser sin resonador. El bombeo se hac ³a con corriente. En 1987, Dave Payne de la Universidad de Southamton desarrolla un ampli cador optico de bra, dopada con erbio. EDFA (Erbium Doped FiberAmpli- er). El bombeo se hace con luz. Fibras dopadas de 10 a 30 mts. Solo disponibles para tercera ventana. Resuelve el problema atenuacion pero no dispersion. Soluciones: Cuidar mucho la dispersion, bras dispersion desplazada. Intercalar tramos bra dispersion positiva y negativa. Intercalar algun ampli cador electrico, entre los optico. Sistemas WDM Wavelength-division multiplexing. Por una misma bra se envian varios canales con distintas. Separacion entre canales de 10 a 100 GHz. constante en la frecuencia, no en. Solucion di cil sin ampli cadores optico: En repetidores de deberia separar cada una de las, regenerar la senal y volver a mezclas. Cables trasatl anticos Europa-Am erica del norte. Los cables telegr a cos no requer ³an ampli- caci on intermedia, los telef onicos si. Las primeras v alvulas no soportaban la presi on del fondo del mar. V alvulas utiles desarrolladas durante la Segunda Guerra Mundial. Las primeras comunicaciones telef onicas trasatl anticas, v ³a radio. En 1956 se tiende el primer cable trasatl antico (TAT-1), 36 canales telef onicos, 3.100Kms, 51 repetidores. El primer repetidor transistorizado se instal o en se instala el TAT-6, maximo nivel tecnologico a nivel de cable coaxial. a~nade canales de voz a los ya existentes. 12Mhz. En 1983 se tiende el TAT-7 de iguales caracteristicas que el anterior. Ultimo coaxial el TAT-8, mono modo a 1.300nm, dos pares de bras a 280Mbits/seg, equivalente a canales telefonicos. El lado Americano lo desarrolla ATT con ampli cadores cada 65Km. El Europeo STL con repetidores cada 40Km. Ojo, canales de menos de 64Kbits/seg el TAT-9,10,11, 1550nm, dispersion desplazada, distancia entre repetidores 140Km. Dos pares de bras a 560Mbits/seg TAT-12, dos pares de bras a 5Gbits/seg.,

17 1.3 PRIMEROS EXPERIMENTOS DE GUIADO DE LA LUZ 13 ampli cadores opticos separados 45Km., en 1999 se acopla en tierra 3, capacidad a 15Gbits/seg TAT-14, cuatro pares de bras, a 10Gbits/seg. Con 16, total 160Gbits.

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19 2. TEORIA DE PROPAGACI ON 2.1 INTRODUCCION La propagaci on se realiza cuando un rayo de luz ingresa al n ucleo de la bra optica y dentro de el se producen sucesivas re exiones en la super cie de separaci on n ucleo revestimiento. Figura 2.1. Secci on transversal de una bra optica La condici on m as importante para que la bra optica pueda con nar la luz en el n ucleo y guiarla es: n 1 >n 2 (2.1) Para describir los mecanismos de propagaci on se usar a la optica geom etrica. Se basa en que la luz se considera como rayos angostos, donde la re exi on ocurre en la frontera de dos materiales de ³ndices de refracci on diferentes. En el vac ³o lasondaselectromagn eticas se propagan con la velocidad de la luz km/seg. En el aire se puede aproximar a: c = 300; 000km=seg:. Si se tiene un material con distinto ³ndice de refracci on al del aire, su velocidad ser a ligeramente distinta a la de la luz dependiente de n v = c n (2.2)

20 16 2. TEORIA DE PROPAGACI ON Relaci on que puede escribirse n = c v (2.3) donde: c, es la velocidad de la luz ( m/s) en el aire. v, es la velocidad de la luz en un material especi co. n es el ³ndice de refracci on. Cuando un rayo incide en la frontera entre dos medios con diferentes ³ndices de refracci on, el rayo incidente ser a refractado con distinto angulo, seg un la ley de refracci on de Snell sin μ 1 sin μ 2 = v 1 v 2 (2.4) n 1, ³ndice de refracci on del material 1 (adimensional); n 2, ³ndice de refracci on del material 2 (adimensional) μ 1 es el angulo de incidencia (grados), μ 2 es el angulo de refracci on (grados); v 1 es la velocidad en el material 1 y v 2 es la velocidad en el material 2. La representaci on de la Ley de Snell se muestra en la gura que se encuentra a continuaci on. Figura 2.2. Ley de Snell En la frontera, el haz incidente se refracta hacia la normal o lejos de ella, dependiendo si n 1 es menor o mayor que n 2. Esto implica que si un rayo ingresa de un medio menos denso ( ³ndice refractivo m as bajo) a otro m as denso ( ³ndice refractivo mas alto) (n1 <n2), elrayoserefracta conun angulo menor con respecto a la perpendicular de la frontera. En el caso contrario cuando un rayo incide de un medio m as denso hacia otro menos denso, el rayo se refracta con un angulo mayor con respecto a la perpendicular de la frontera.