UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER UIS MÓDULO I INTRODUCCIÓN A LAS FIBRAS ÓPTICAS NOMBRE CÓDIGO GRUPO FECHA

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1 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER UIS ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES INFORME INFORME DE DE LABORATORIO DE FIBRA DE FIBRA ÓPTICA ÓPTICA MÓDULO I INTRODUCCIÓN A LAS FIBRAS ÓPTICAS NOMBRE CÓDIGO GRUPO FECHA 1. OBJETIVOS Localizar y caracterizar los diferentes bloques de circuitos en el tablero COMUNICACIONES CON FIBRA ÓPTICA. Definir las partes básicas del enlace de comunicaciones con fibra óptica. Verificar la operación de un enlace de comunicación análogo y digital. 2. MARCO TEÓRICO Historia Durante los últimos veinte años, una revolución ha ido cambiando el mundo de las comunicaciones. Revolución basada en la substitución de los cables de cobre por finas hebras de vidrio que transportan impulsos de luz. Desde tiempos antiguos como en la antigua Grecia y los fenicios, la luz se ha empleado para comunicar a distancia, es decir, se acostumbraba reflejar la luz del sol con espejos para poder enviar mensajes de una torre a otra. Aunque las técnicas utilizadas en ese entonces eran muy lentas, engorrosas y poco prácticas, debido a que la comunicación era limitada por condiciones atmosféricas (al transmitir luz de lluvia o niebla estas pueden obstruir el enlace rápidamente) y a operaciones de visibilidad directa (no había forma de hacer llegar la luz a dos puntos que no estuvieran uno enfrente del otro). Esta Técnica ha perdurado hasta la era moderna con algunas variaciones claro está, ya que con el tiempo, la luz del sol ha sido reemplazada por luz artificial y la señal de encendido y apagado ha llegado a ser más estructurada, de forma que asemeja al código Morse. Los militares por ejemplo, usan todavía una versión de esta técnica para algunas comunicaciones de baja velocidad entre barcos. Y sería la dificultad de implementar comunicaciones entre largas distancias por medio de luz, que no involucraran visibilidad directa lo que motivó a que tras la invención del láser en 1958, se llevarán a cabo estudios sobre comunicación luminosa por el aire, cambiando la luz del sol por el rayo láser debido a su banda estrecha de radiación de luz que se puede curvar mediante espejos. Sin embargo, como la comunicación por aire seguía siendo impráctica debido a que se requería visibilidad directa, los experimentos continuaron, pero ahora utilizando material vítreo como medio de propagación debido a su naturaleza constante y sobre todo a que éste no era afectado por variaciones medioambientales. Y fue así como en 1970 se descubre la primera fibra óptica de bajas pérdidas. Fibra que se fabricó de sílice con 250 micras de diámetro (similar a un cabello humano), se utilizó para la propagación de luz en el laboratorio. Este fue el comienzo de la fibra óptica!. Transmisión básica Las fibras ópticas involucran transmisión de información mediante luz a lo largo de fibras transparentes hechas de vidrio o plástico. Una fuente de luz modula un diodo emisor de luz (LED) o un láser, que se enciende, apaga o varía su intensidad, de tal manera que representa la señal eléctrica de entrada que contiene la información. 1/8

2 La luz modulada se acopla a una fibra óptica a través de la cual se propaga la luz. En el receptor, un detector óptico recibe la señal modulada desde el otro extremo de la fibra y la convierte en una señal eléctrica casi idéntica a la señal de entrada. Existen tres técnicas para la transmisión de luz. Estas son: modulación digital, modulación analógica y modulación digital con conversión analógica-digital. Modulación digital. Convierte la señal digital de entrada en una secuencia similar codificada en impulsos de luz (ver Fig. 1). Aplicación: Transmisión de datos entre ordenadores, debido que todas las comunicaciones entre ellos utilizan señales digitales eléctricas. convierte la señal digital a su forma analógica original (ver Fig. 3). Ventaja: Esta técnica proporciona a la señal el mismo formato que otras señales digitales y permite que se puedan agregar un gran número de señales utilizando equipamiento de multiplexado. Fig. 3 Las anteriores figuras sólo muestran la transmisión en un sentido. Sin embargo, la mayoría de los sistemas requieren comunicaciones simultáneas y completas en ambos sentidos. Por tanto se implementa un grupo idéntico de dispositivos de modulación y detección en el sentido opuesto para formar un sistema de comunicación bidireccional (ver Fig. 4) Fig. 1 Modulación analógica. Las señales analógicas (como aquellas que son usadas en la transmisión de voz y video), varían en amplitud y periodo. La modulación analógica convierte está señal eléctrica de entrada en una señal óptica cuya intensidad varía en la misma proporción (ver Fig. 2). Aplicación: Técnica relativamente barata utilizada a menudo en aplicaciones con módems de fibra óptica. Fig. 2 Modulación digital con conversión A/D. Las señales analógicas también se pueden convertir a un formato digital utilizando un conversor analógicodigital antes de la etapa de modulación. Así en la fibra óptica se propagan señales luminosas digitales. En el otro extremo la señal de luz digital es convertida a una señal digital eléctrica mediante un detector. Luego un segundo conversor D/A Ventajas Fig. 4 Gran capacidad. La fibra óptica tiene la capacidad de transmitir grandes cantidades de información. Si comparamos su capacidad, un cable de fibra óptica de 2 cms. de radio puede contener hasta 200 fibras ópticas y puede soportar de conversaciones simultáneas mientras que un gran cable multipar puede llevar sólo 500, uno coaxial y un enlace de radio por microondas o satélite puede llevar hasta conversaciones. Tamaño y peso. Un cable de fibra óptica tiene un diámetro mucho más pequeño y es mucho más ligero que un cable de cobre de capacidad similar. Esto la hace fácil de instalar. 2/8

3 Interferencia eléctrica. La fibra óptica no se ve afectada por interferencia electromagnética (EMI) o por interferencia de radiofrecuencia (RFI), y no genera por si misma interferencia. La fibra óptica está también libre de conversaciones cruzadas. Incluso si una fibra óptica radiara, no podría ser recapturada por otra fibra óptica. Aislamiento. La fibra óptica es un dieléctrico. Las fibras de vidrio eliminan la necesidad de corrientes eléctricas para el camino de la comunicación. Puede eliminar además la interferencia originada por las corrientes a tierra o por descargas eléctricas en las líneas de comunicación ocasionadas por rayos o fallas eléctricas. Seguridad. Una fibra óptica no se puede intervenir por medio de mecanismos eléctricos convencionales como conducción superficial o inducción electromagnética, y es muy difícil de pinchar óptimamente. Los rayos luminosos viajan por el centro de la fibra y pocos o ninguno pueden escapar. Incluso si la intervención resultara un éxito, se podría detectar monitorizando la señal recibida al final de la fibra. En cambio, las señales de comunicación vía satélite o radio se pueden intervenir fácilmente para su decodificación. Fiabilidad y mantenimiento. La fibra óptica es un medio constante y no envejece. Los enlaces de fibra óptica bien diseñados son inmunes a condiciones adversas humedad y temperatura. Tanto así que se pueden utilizar como cables subacuáticos. Ella también tiene una larga vida de servicio, estimada en más de treinta años para algunos cables. El mantenimiento que requiere un sistema de fibra óptica es menor que el de un sistema convencional, debido a que se requieren pocos repetidores electrónicos; no hay cobre que se pueda corroer en el cable ni que pueda causar la pérdida o intermitencia de señales; además de que el cable no se ve afectado por cortocircuitos, sobretensiones o electricidad estática. Versatilidad. Los sistemas de comunicaciones por fibra óptica son los más adecuados para la mayoría de los formatos de comunicaciones de datos, voz y video. Estos sistemas son adecuados para RS232, RS422, V.35, Ethernet, Arenet, FDI, T1, T2, T3, Sonet, 2/4 cable de voz, señal E&M, vídeo compuesto y muchos más. Expansión. Los sistemas de fibra óptica bien diseñados se pueden expandir fácilmente. Un sistema diseñado para transmisión de datos a baja velocidad, por ejemplo T1 (1.544 Mbps), se puede transformar en un sistema de velocidad más alta, OC-12 (622 Mbps), cambiando sólo la electrónica asociada y no el cable de fibra óptica, este puede ser el mismo. Regeneración de la señal. La tecnología presente puede suministrar comunicaciones por fibra óptica más allá de los 70 kms. antes de que se requiera regenerar la señal, la cual puede extenderse a 150 kms. usando amplificadores láser. El ahorro en el costo del repetidor intermedio, así como su mantenimiento es sustancial debido a que un enlace con cable convencional requiere repetidores cada pocos kilómetros. Desventajas Conversión electro-óptica. Antes de conectar una señal eléctrica de comunicación a una fibra óptica, la señal debe convertirse al espectro luminoso (850, 1310 ó 1550 nm.). Esto se realiza por medios electrónicos en el extremo del transmisor, el cuál le da un formato propio a la señal y la convierte en una señal óptica usando un LED o un láser de estado sólido. Luego la señal se propaga por la fibra óptica y en el extremo del receptor la señal debe ser convertida de vuelta a señal eléctrica. El costo de esta conversión asociado a la electrónica debe ser considerado en cualquier proyecto. Caminos homogéneos. Se necesita un camino físico recto para el cable de fibra óptica. El cable se puede enterrar directamente, situar en tubos o disponer de cables aéreos a lo largo de caminos homogéneos. Instalación especial. Debido a que la fibra óptica es predominantemente vidrio de sílice, son necesarias técnicas especiales para la ingeniería e instalación de los enlaces. Así como también se 3/8

4 requiere de un equipo adecuado par probar y poner en servicio estas instalaciones. interactiva, el banco en casa o el sistema de trabajo oficina en casa. Reparaciones. Un cable de fibra óptica que se daña es difícil de reparar. El procedimiento de reparación requiere de un equipo de técnicos con mucha destreza y habilidad en el manejo del equipamiento. En algunas situaciones puede ser necesario reparar el cable entero. Aplicaciones Un cable de fibra óptica se usa frecuentemente como medio de comunicación para muchas aplicaciones diferentes como: Compañías Telefónicas. Utilizan fibra óptica para comunicar sus oficinas centrales (ver Fig. 5). A futuro: Llevar la fibra directamente a las casa para transmisiones de videoteléfono de alta calidad, debido a que ésta proporciona un enlace de alta calidad y seguridad para tráfico de voz, video y datos. Fig. 6 Centros ordenadores. Utilizan fibra óptica para sus redes de área local (RAL) de comunicaciones de datos de alta velocidad. (Ver Fig. 7). Fig. 5 Compañías de televisión por cable. Están desplegando cable de fibra óptica para llevar señales de alta calidad desde su centro cabecera hasta los centros de distribución (ver Fig. 6). La fibra óptica mejora la calidad de las señales de televisión y aumenta el número de canales disponibles. A futuro: Llegar con la fibra hasta los hogares para brindar nuevos servicios como la televisión Fig. 7 En esta área hay muchas aplicaciones diferentes. Las autopistas de información de alta velocidad como la interfaz de datos distribuidos por fibra (FDDI), el modo de transferencia asíncrono (ATM), o Sonet, se encuentran disponibles para proporcionar una conectividad vertebral entre varias redes. Estas tecnologías ofrecen beneficios como altas velocidades de transmisión de datos, 4/8

5 incremento en las distancias de enlace y comunicaciones seguras y fidedignas. Compañías de negocios. Debido a que la fibra óptica representa una inversión rentable, está siendo instalada en áreas metropolitanas (ver Fig. 8). De este modo los negocios pueden ahora estar distribuidos geográficamente pero permanecer conectados y estar en todo momento disponibles. Los bancos, por ejemplo, pueden tener todas sus sucursales conectadas a altas velocidades para todo tipo de transacciones. Fig. 8. La industria. Utiliza las comunicaciones vía fibra óptica para mejorar la fiabilidad y capacidad de las transmisiones de datos y control. Aprovechan la ventaja de que las fibras ópticas son inmunes a interferencias eléctricas provocadas por grandes motores, conmutadores, luces y otros dispositivos que se encuentran comúnmente en entornos industriales (ver Fig. 9). Fig EQUIPO REQUERIDO Tablero de circuitos COMUNICACIONES CON FIBRA ÓPTICA. Fibra óptica de cristal de 1 metro (con conector ST en cada extremo, color naranja y marcada 62,5/125 ). Multímetro. Generador de ondas. Osciloscopio digital de doble señal. 4. PRECAUSIONES NECESARIAS 1. No vea directamente a ninguno de los diodos emisores de luz o el extremo de una fibra óptica conectada a ellos, ya que puede causar daños directamente al ojo incluso si la luz es invisible. 2. La flexión excesiva del cable de fibra óptica puede causar su fractura o daño irreparable. Por favor, utilice curvas ligeras y evite flexiones innecesarias. 5. PROCEDIMIENTO Transmisión de una señal analógica por la fibra óptica. 1. Localice el bloque de circuitos FUENTE DE POTENCIA y ajuste las derivaciones de +5V y 5V a sus posiciones analógicas. 2. De ENCENDIDO al tablero. 3. Ajuste en el generador de señales una onda senoidal de 1 Vpp y 1 Khz. 4. Localice el bloque de circuitos EMISOR ANALÓGICO y conecte el generador de señales entre los terminales ENT-T y TIE (tierra). 5. Ahora coloque la punta del canal 1 del osciloscopio en el conector SAL-T. PRECAUCION : La flexión excesiva de la fibra óptica puede causar su fractura o daño irreparable. Por favor, utilice curvas ligeras y EVITE DOBLAMIENTOS INNECESARIAS EN SU MANEJO. 6. Localice el bloque de circuitos EMISOR DE FIBRA ÓPTICA, con mucho cuidado inserte la 5/8

6 fibra óptica de cristal de 1 metro (con conector ST en cada extremo, color naranja y marcada 62,5/125 ). 7. El cátodo y el ánodo del EMISOR DE FIBRA ÓPTICA deben ser configurados mediante la colocación de un conector tipo puente en la posición analógico. 8. Localice el bloque de circuitos FOTOTRANSISTOR y ajuste GAMA a la posición ALTO. 9. Con un extremo de la fibra óptica en el fototransistor y el canal 2 del osciloscopio conectado al EMISOR del fototransistor, conteste: 9.1. Qué tipo de forma de onda puede observar en el canal 2 del osciloscopio? a. Una onda senoidal. b. Una onda cuadrada. c. Una onda triangular. d. No existe forma de onda. 10. Retire la fibra óptica del fototransistor y conteste: Qué forma de onda observa ahora en el canal 2 del osciloscopio? a. Una onda senoidal. b. Una onda cuadrada. c. Una onda triangular. d. No existe forma de onda definida. 11. Retire todas las conexiones del bloque de circuitos FOTOTRANSISTOR. 12. Localice el bloque de circuitos RECEPTOR DE FIBRA ÓPTICA y configúrelo colocando un conector tipo puente en la posición analógico e Inserte la fibra óptica de cristal tomando las precauciones necesarias. 13. Localice el bloque de circuitos RECEPTOR ANALÓGICO y conecte el canal 2 del osciloscopio a SAL-R. 14. Ajustando el potenciómetro de GANANCIA del receptor analógico, obtenga una onda senoidal de 1 Vpp en el canal 2 del osciloscopio. Responda: Al ajus tar el potenciómetro, qué se regula en la unidad de ganancia? a. La ganancia del receptor analógico. b. La ganancia del enlace de comunicación. c. La ganancia del emisor analógico. d. La ganancia del receptor de fibra óptica. 15. Retire el generador y puntas de osciloscopio del tablero de circuitos. 16. Localice el bloque de circuitos EMISOR ANALÓGICO y utilice un conector tipo puente para unir a ENT-T con SAL. MIC 17. Localice el bloque de circuitos RECEPTOR ANALÓGICO y use un conector tipo puente para unir a SAL-R con ENT. AUDIO. 18. Localice los bloques de circuitos AMPLIFICADOR MIC y AMPLIFICADOR AUDIO, ajuste el potenciómetro de NIVEL (amplificador mic) a ¼ de vuelta y el potenciómetro de VOLUMEN (amplificador audio) al máximo. Asegúrese que la derivación de SAL. AUDIO se encuentra en ALT. 19. Usando su dedo ligeramente toque la superficie del micrófono, alternadamente o sople sobre el micrófono, si el sonido es chillante ajuste el potenciómetro de NIVEL hasta que desaparezca el chillido Puede escucharse en la bocina? a. Si. b. No. 20. Retire la fibra óptica del bloque de circuitos RECEPTOR DE FIBRA ÓPTICA y responda: Puede escucharse algún sonido en la bocina? a. Si. b. No. Retire todas las conexiones del tablero de circuitos. 21. Localice el bloque de circuitos FOTOTRANSISTOR y ajuste GAMA en su posición BAJO. 6/8

7 22. Conecte un extremo de la fibra óptica en el FOTOTRANSISTOR, y el otro extremo en el primer LED (de izquierda a derecha) del bloque de circuitos DIODOS EMISORES DE LUZ. 23. Conecte un Multímetro entre el terminal marcado EMISOR del FOTOTRANSISTOR y TIE. 24. Mida el nivel de voltaje DC, V RED = mv DC 25. Ajuste GAMA del FOTOTRANSISTOR a su nivel ALTO. V RED = mv DC 26. Mueva la fibra óptica del LED rojo al LED verde. V GREEN = mv DC 27. Mueva la fibra óptica del LED verde al LED infrarrojo (invisible). V INFRARED = V DC Retire todas las conexiones y apague el tablero. Transmisión de una señal digital por la fibra óptica. 1. Localice el bloque de circuitos FUENTE DE POTENCIA y ajuste las derivaciones de +5V y 5V a sus posiciones digitales. 2. De ENCENDIDO al tablero. 3. Localice el bloque de circuitos EMISOR DIGITAL y utilice un cable para unir el conector ENT. DATO y el conector TIE (tierra) ubicado en el bloque de circuitos FUENTE DE POTENCIA. 4. Conecte el canal 1 del osciloscopio al conector ENT. DATO, ajustando este canal a 2 V / div DC. 5. Localice el bloque de circuitos EMISOR DE FIBRA ÓPTICA, e inserte con mucho cuidado la fibra óptica de cristal de 1 metro (con conector ST en cada extremo, color naranja y marcada 62,5/125 ). 6. El cátodo y el ánodo del EMISOR DE FIBRA ÓPTICA deben ser configurados mediante un conector tipo puente colocado en la posición digital. 7. Localice el bloque de circuitos FOTOTRANSISTOR y ajuste GAMA a su posición ALTO 8. Con un extremo de la fibra óptica en el FOTOTRANSISTOR y el canal 2 del osciloscopio conectado al EMISOR, ajuste el canal 2 a : 2 V / div DC y responda: 8.1. Qué tipo de señal se observa en el canal 2 del osciloscopio? a. Un nivel de DC de +5V. b. Un nivel de DC de 0V. c. Una onda senoidal. d. Una onda cuadrada. 9. Mueva el cable ubicado en ENT. DATO, del conector de TIE (tierra) al conector HIGH en el bloque de circuitos FUENTE DE POTENCIA Qué tipo de señal se observa en el canal 2 del osciloscopio? a. Un nivel de DC de +5V. b. Un nivel de DC de 0V. c. Una onda senoidal. d. Una onda cuadrada. 10. Retire la fibra óptica del FOTOTRANSISTOR. NOTA: En un ambiente luminoso, puede cubrir el fototransistor con su dedo Qué tipo de señal se observa en el canal 2 del osciloscopio? a. Un nivel de DC de +5V. b. Un nivel de DC de 0V. c. Una onda senoidal. d. Una onda cuadrada. Retire todas las conexiones. 6. RESULTADOS Y DATOS EXPERIMENTALES 6.1. CALCULOS TIPO Y RESULTADOS Transmisión de una señal analógica por la fibra óptica. 1. Con los datos obtenidos en los numerales 21 al 27 responda las siguientes preguntas: 7/8

8 1.1 Cuál luz de la fuente proporciona una lectura de voltaje más alta en el fototransistor? a. Rojo. b. Verde. c. Infrarrojo. 1.2 Qué sucedió con el nivel de voltaje al momento que su derivación fue movida a su nivel ALTO? a. Disminuye. b. Aumenta. c. Desaparece. d. No cambia 1.3 Cuál es la relación de potencia entre la GAMA BAJA y ALTA? a. 100:1 b. 1:1 c. 1000:1 d. 50:1 Transmisión de una señal digital por la fibra óptica. 1. Con los datos obtenidos en el numeral 10, Qué señal lógica se observa? a. Un 0 lógico. b. Un 1 lógico. c. No existe forma de onda definida PREGUNTAS PARA RESOLVER DESPUÉS DE LA PRACTICA 8. BIBLIOGRAFÍA BOB CHOMYCZ.- Instalaciones de Fibra Óptica. Mc Graw Hill. AWI.- B. Rubio Martínez.- Introducción a la Ingeniería de la Fibra Óptica. Hildeberto Jardón Aguilar. Sistemas de Comunicaciones por Fibra Óptica. Alfaomega. Laboratorio Diseñado Por: Sarita Barbosa V. Carlos Mauricio Herrera C. Oscar Iván Aguirre V. Qué no puede ser enviado a través del enlace de comunicaciones de fibra óptica? a. Mensajes de teléfono. b. Señales de TV. c. Datos de computadora. d. Potencia eléctrica. Un fototransistor puede ser utilizado para tomar relativamente medidas de luz de? a. Potencia. b. Formas de onda. c. Frecuencia. d. Color. 7. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES 8/8