B &Z Telecom C URS O C OMUNIC A C IONES ÓPTIC A S. Ing. Eduardo Belleza Zamora RCDD BICSI Nº 10167

Transcripción

1 B &Z Telecom S.A.C. Ingeniería, Proyectos, Ins talaciones y Mantenimiento de Redes de C omunicaciones Teléfono: , byztelecom@yahoo.es C URS O C OMUNIC A C IONES ÓPTIC A S

2 B &Z Telecom S.A.C. Ingeniería, Proyectos, Ins talaciones y Mantenimiento de Redes de C omunicaciones 1 7 CapacidadD istancia (Gbps.Km) Se duplica cada año Primera Generación (Fibra Multimodo, Laser GaAs, λ =.85um) Segunda Generación (Fibra Monomodo, Laser InGaAsP, λ = 1.3um) Tercera Generación (Fibra Monomodo, Laser Monomdo, λ = 1.55um) Cuarta Generación (Amplificación Óptica, WDM) Fig Aumento del Producto BL a través de varias generaciones de los Sistemas de Comunicaciones Ópticas

3 1 Fu e n te d e In fo rma ció n Tra n smiso r E lé ctrico (Mo d u la d o r) Re ce p to r E lé ctrico (De mo d u la d o r) De stin o 2 (a) Sistema de comunicación convencional 5 Fu e n te d e Info rma ció n Tra n smisor E lé ctrico (Mo d u la d or) 4 Fu e nte Ó p tica 3 (LD) (LED) Re cep to r E lé ctrico (Demo d u la d o r) Fu e n te Ó p tica (APD) (PINPD) (b) Sistema de comunicación óptica LEYENDA Micro On d a Ca b le Mu ltip a r o Ca b le Coa xia l Ca b le d e Fib ra Óp tica E mp a lme Co n e cto r S e ñ a l Ó p tica S e ñ a l E lé ctrica Fig Sistema de Comunicaciones Convencional y Sistema de Comunicaciones por Fibra Optica De stin o

4 MENOR ATENUACION MAYORES DISTANCIAS ENTRE REPETIDORAS MAYOR ANCHO DE BANDA MULTIPLEXACION DE LONGITUD DE ONDA PEQUEÑO DIAMETRO ALTA CONFIABILIDAD GRAN CAPACIDAD DE TRANSMISION VARIEDAD DE SERVICIOS MEJORAMIENTO DEL FACTOR DE ESPACIO PESO LIVIANO FLEXIBILIDAD LIBRE DE INDUCCION BAJO COSTO EXPANSION DEL AREA DE APLICACION MEJORAMIENTO DEL MANTENIMIENTO MEJORAMIENTO DE LA INSTALACION ALTA CALIDAD FIG CARACTERISTICAS Y VENTAJAS DEL SISTEMA DE TRANSMISION POR CABLE DE FIBRA OPTICA

5 TABLA 1.1 COMPARACION ENTRE CABLES CONVENCIONALES Y CABLES DE FIBRA OPTICA TIPO DE CABLE DIÁMETRO DEL CABLE (mm) PESO DEL CABLE (Kg/m) VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN (Mb/s) SECCIÓN MÁXIMA SIN REPETIDORA (Km) CAPACIDAD TOTAL DE CANALES (CANALES POR CABLES) CAPACIDAD DE CANALES POR UNIDAD DE ÁREA (CANALES/mm2) Cable de 24 fibras monomodo (768 x 12) 815 Cable de 24 fibras multimodo de índice gradual (192 x 12) 25 Cable coaxial de 9.5 mm. 18 núcleos (768 x 9) 21 Cable Interurbano con aislamiento de polietileno celular de.9 mm, 54 pares ~4 6 (3 x 2) 1

6 U L 1. 7u m C S E O ra V da V ra V um Espectro Visible Rojo ~.7um Violeta ~.4um Radiofrecuencia Radiodifusión Onda Estándar Corta Onda Larga VHF Km 3Km 3m 3m UHF Micro onda Onda Milimétrica Infrarrojo Lejano cm.3mm Infrarrojo Ultravioleta Rayos X Rayos Gamma Rayos Cósmicos Frecuencia Hz) 3um 3nm.3nm 3pm.3pm Longitud de Onda Fig. 2.1 Espectro Electromagnético

7 Rayo Refractado Índice bajo n2 (aire) φt n2 Senφ c = n 1 n2 Índice alto n1 (vidrio) φi Rayo Incidente n1 φr φc Rayo Reflejado φi = φr Ley de Snell : n1senφ i = n2senφ t a) Reflexión Interna Parcial b) Ángulo Crítico φ > φc n2 n1 φ φ c) Reflexión Interna Total Fig. 2.2 Reflexión y Refracción de Luz

8 φ > φc n1 > n2 Re ve stimie nto n2 φ φ φ φ Núcleo n1 φ Eje de Núcleo φ Fig. 2.3 Transmisión de Luz en una Fibra Óptica Ángulo de Aceptancia Α Pérdida por Radiación Aire (n ) θa θc φ c Cono de Aceptancia Β Núcleo n 1 Revestimiento n 2 Fig. 2.4 Ángulo de Aceptancia

9 Recubrimiento b b Revestimiento Núcleo a g= Indice de refracción (n) a g=2 Indice de refracción (n) n1 n1 n2 n2 n distancia radial (r) a) Indice Escalón n 1 [1 g (r/a) ]; r<a n 1 [1 ] = n2 ; r n(r)= n distancia radial (r) b) Indice Gradual Fig. 2.5: Sección Transversal y Perfil de Indice de Refracción de las Fibras Opticas a

10 ÍNDICE ESCALÓN MONOMODO Haz de Luz ÍNDICE GRADUAL MULTIMODO Recubrimiento Núcleo Haz de Luz *1 Núcleo *1 3% *2 3% *2 Revestimiento Haz de Luz Recubrimiento Núcleo 1um MULTIMODO Revestimiento Núcleo 5um 5um *1 1% *2 *1 : Perfil de Índice de Refracción *2 : Diferencia de Índice de Refracción Relativa ( Recubrimiento ) Fig. 2.6 Tipos de Fibras Ópticas Revestimiento

11 FACTORES DE PÉRDIDA EN LA FIBRA ÓPTICA Pérdida de Acoplamiento con Fuente de Luz Presión Lateral Pérdidas de Empalme Pérdida por Dispersión de Rayleigh Pérdidas por Absorción Pérdidas de Acoplamiento con Fotodetector Pérdidas por Imperfecciones Estructurales Pérdidas por Microcurvatura Pérdidas por Curvatura

12 ATENUACIÓN DE FIBRA VS LONGITUD DE ONDA 1 Características en (1.24um) (.94um) 1 5 (1.38um) Características en 1979 Características en Pérdida por Absorción IR Pérdida de Dispersión de Rayleigh.5 Pérdida por Absorción UV 1ra Ventana 2da Ventana 3ra Ventana Longitud de Onda (um)

13 FACTORES DE DISPERSION TEMPORAL EN LAS FIBRAS OPTICAS (1) DISPERSIÓN INTERMODAL Mo d o S u p e rio r Mo d o In fe rio r Fo rma d e On d a d e l Mo d o S u p e rio r Fo rma d e O n d a d e l Mo d o In fe rio r Fib ra Mu ltimo d o In te n sid a d de Luz Tie mp o Tie mp o S e ñ a l Op tica d e En tra d a L a e n e rg ía d e lu z e s tra n sp o rta d a p o r ca d a me d io d e p ro p a g a ció n Tie mp o L a fo rma d e O n d a d e Sa lid a e s e n sa n ch a d a

14 ', 63 ( 5 6, 2 1 ' ( $ 7 ( 5, $ / 6 HxDO 2 SW LFD GH( QW UDGD 6 HxDO 2 SW LFD GH6 DO LGD ) LEUD RQRP RGR 7LHP SR 7LHP SR 1 λ : $ QFKR( VSHFW UDO 2 λ λ1 ( VSHFW URGHHQHUJ tdghod O X] GHHQW UDGD λ : ORQJ LW XGGH RQGD ËQGLFH GH 5 HIUDFFLyQ 6 HxDO 2 SW LFD GH6 DO LGD 1 2 λ λ1 λ : ORQJ LW XGGH RQGD

15 2 Dispersión Normal 1 Dispersión (ps nm1km1) Longitud de Onda 1.7 (um) Dispersión Plana Dispersión Desplazada No Nula Dispersión Desplazada

16 TIPO DE FIBRAS MONOMODO TIPO DE PERFIL TIPO DE FIBRA LONGITUD DE ONDA (um) ATENUACIÓN (db/km) LONGITUD DE ONDA DE CORTE (um) LONGITUD DE ONDA DE DISPERSIÓN CERO (um) Fibra de Dispersión Normal ~ (menor atenuación por curvatura) 1.1 ~ (atenuación optimizada) n1 n2 Revestimiento Adaptado n1 Fibra de Dispersión Normal n2 1.3 Revestimiento con Depresión n1 Fibra de Dispersión Desplazada n Perfil Gaussiano n1 Fibra de Dispersión Desplazada n Perfil Triangular n1 Fibra de Dispersión Plana n Perfil W

17 Ancho de Banda de la Fibra Optica Fibra Optica Tiempo Señal Eléctrica de Entrada E/O O/E A A1 Tiempo Señal Optica de Entrada Señal Optica de Salida Tiempo Atenuación = 2Log A (db) A 1

18 5 Cable Coaxial 4.4 mm 2 Fibra MM de Índice Escalón 1 Atenuación (db/km) 5 Cable Coaxial 9.5 mm Fibra MM de Índice Gradual.2 Fibra Monomodo Frecuencia (MHz)

19 RELACION ENTRE PARAMETROS ESTRUCTURALES Y CARACTERISTICAS DE TRANSMISION DE LA FIBRA OPTICA CARÁCTERÍSTICAS DE TRANSMISIÓN Pérdida por dispersión de Rayleigh (αf) PARÁMETROS ESTRUCTURALES Diámetro Exterior (2d) Atenuación por Macrocurvatura (αb) Atenuación por Microcurvatura (αm) Diámetro de Núcleo (2a) Atenuación por Conexión y Empalme (αs) Diferencia de Índice de refracción relativa ( ) Atenuación de Acoplamiento (αc) Perfil de Índice de refracción del núcleo (n(r)) Dispersión Temporal Ancho de Banda

20 CARACTERISTICAS DE LAS FIBRAS OPTICAS TIPO DE FIBRA ESTRUCTURA CARACTERISTICAS DE TRANSMISIÓN CARACTERISTICAS DE EMPALME Y ACOPLAMIENTO CAMPO DE APLICACION Diámetro de Núcleo/Diámetr o de Revestimiento (um) Pérdida de Transmisión db/km (longitud de onda en um) Ancho de Banda (MHzKm) Empalme Rendimiento Acoplamiento con Fuente Multimodo Índice Escalón 5/ /125 1/14 <6(.85) <1 Fácil Grande Comunicación de capacidad pequeña y enlaces cortos (comunicación entre computadores en el edificio) Multimodo Índice Gradual 5/ /125 <3(.85) <1(1.3) 1 2 Un poco fácil Mediano Comunicación de capacidad y enlaces medianos (comunicación hasta 14Mbps) Monomodo 9/125 <1(1.3) <.5(1.55) >varios millares Un poco difícil Pequeño Comunicación de gran capacidad y larga distancia (comunicación de más de 14Mbps)

21 CARACTERISTICAS DE UN CABLE DE FIBRA OPTICA MULTIMODO DE INDICE GRADUAL 5/125um (Rec. G651UITT) CARACTERISTICAS GEOMETRICAS Y OPTICAS G E O M E T R I C A S O P T I C A S CARACTERÍSTICAS ESPECIFICACIONES Diámetro del Núcleo 5um ± 3um Diámetro del Revestimiento 125um±3um Error de Concentricidad <6% No Circularidad del Núcleo <6% No circularidad del Revestimiento <2% Perfil del Índice de Refracción Parabólico Apertura Numérica.2 ó.23 Tolerancia: ±.2 del Valor Nominal

22 CARACTERISTICAS DE LOS LARGOS DE FABRICACIÓN ESPECIFICACIONES λ =.85um λ = 1.3um Máx. Mín. Máx. Mín. Coeficiente de Atenuación (db/km) Ancho de Banda (MHz.Km) >1 2 >2 2 Coeficiente de Dispersión Cromática [Ps(nm.Km)] 12 6

23 CARACTERISTICAS DE UN CABLE DE FIBRA OPTICA MONOMODO (Rec. G652, G653, G654, G655 UITT) CARACTERISTICAS FIBRA DE DISPERSION NORMAL (G652) FIBRA DE DISPERSION DESPLAZADA (G653) FIBRA DE ATENUACION OPTIMIZADA (G654) FIBRA DE DISPERSION DESPLAZADA NO NULA (G655) Diámetro de Campo Modal (um) 8.6 a 9.5 ± 1% (λ=1.31um) ± 1% (λ=1.55um) 1.5 ± 1% 8 a 11 um ± 1% Diámetro del Revestimiento (um) 125 ± ± ± ± 2 Error de concentricidad del Campo Modal (um) < 1 (λ=1.31um) < 1 (λ=1.55um) < 1 (λ=1.55um) < 1 (λ=1.55um) No Circularidad del Revestimiento < 2% < 2% < 2% < 2% Longitud de Onda de Corte (um) < 1.27 < 1.27 < 1.53 < 1.48

24 CARACTERISTICAS DE LOS LARGOS DE FABRICACION CARACTERISTICA S FIBRA DE DISPERSION NORMAL (G652) FIBRA DE DISPERSION DESPLAZADA (G653) FIBRA DE ATENUAC. OPTIMIZAD A (G654) FIBRA DE DISPERSION DESPLAZADA NO NULA (G655) λ=1.55um λ=1.31u m λ=1.55u m λ=1.31um λ=1.55um λ=1.55um Coeficiente de Atenuación (db/km) <.5 Mín.:.3.4 <.4 Mín.: <.55 <.35 Mín.: <.22 Mín.: Máximo Coeficiente de Dispersión Cromática [Ps/nm.Km] 3.5( nm ) 5.3( nm ) 2 En estudio <3.5 ( nm) <2 <.35 Mín.: <6

25 ESPECIFICACIONES DEL CABLE DE FIBRA OPTICA MULTIMODO (ANSI/EIA/TIA568 B3) CARACTERISTICAS ESPECIFICACION 62.5/125um 5/125um Gradual Gradual Diámetro de Núcleo (um) Diámetro de Revestimiento (um) Tipo de Perfil de Índice de Refracción ESPECIFICACIONES DE LOS LARGOS DE FABRICACION CARACTERISTICAS λ (nm) 62.5/125u m 5/125um 5/125um (optimizado para laser 85n.m) Coeficiente de Atenuación (db/km) Máx. 3.5 Máx. 3.5 Máx Máx. 1.5 Máx. 1.5 Máx Mín. 5 Mín. 2 Máx Mín. 5 Mín. No requerido Ancho de Banda (MHz.Km)

26 ESPECIFICACIONES DEL CABLE DE FIBRA OPTICA MONOMODO (ANSI/EIA/TIA568 B3) CARACTERISTICAS ESPECIFICACION Dispersión Normal Diámetro de Campo Modal um ±.5% (13nm) Longitud de Onda de Dispersión Cero nm Longitud de Onda de Corte < 127nm ESPECIFICACIONES DE LOS LARGOS DE FABRICACION CARACTERISTICAS CABLE EXTERIOR λ=13nm Coeficiente de Atenuación (db/km).5 Máx. CABLE INTERIOR λ=155nm λ=131nm λ=155nm.5 Máx. 1. Máx. 1. Máx.

27 Tubo Holgado 125 um 2 5 um 125 um 9 um 2 5 um Fibra Òptica 2.4 m m Recubrimiento Secundario (Nylòn) Recubrimiento Primario (Acrilato) A. Estructura Apretada B. Estructura Holgada Cubierta (PVC) 9 um 125 um 25 um 9 um 2.9 m m Miembro de Rigides de Aràmida (KEVLAR) C. Estructura Breakout

28 ESTRUCTURA BÁSICA DE CABLE DE FIBRA ÓPTICA Cubierta de Polietileno Miembro de Tensión Central Rígido Cinta de Envoltura Fibra Óptica Gel de Relleno Recubrimiento de Acrilato Tubo Holgado Recubrimiento Secundario de 9um Miembro de Tensión de Aramida Fibra Optica con Recubrimiento de Acrilato Miembro de Tensión Central Rígido Cubierta Exterior Hilo de Corte B. CABLE CON ESTRUCTURA APRETADA (Por Capas) A. CABLE TUBOS HOLGADOS Miembro de Tensión Central Rígido Fibra Optica Recubrimiento de Acrilato Recubrimiento Secundario de 9um Cubierta Exterior Miembro de Tensión de Aramida Cubierta Elastomerica de SubCable SUBCABLE Hilo de Corte C. CABLE CON FIBRAS BREAKOUT

29 Relleno Central SubGrupo de Cable Fibra Óptica Recubierta SubGrupo de Cable Miembro de Tensión de Aramida Relleno Cubierta de SubCable Cubierta Exterior Hilo de Corte Hilo de Corte Fibra Recubierta Fibra Recubierta Mie mbro de Te nsión Dielé ctrico Cubierta Exterior Cubierta Exterior Miembro de Tensión Dieléctrico Miembro Central Dieléctrico SubUnidad (6 Fibras) Miembro Central Dieléctrico Cubierta Exterior Fibra Re cu b ie rta Miembro de Tensión Dieléctrico Miembro Central Dieléctrico Hilo de Corte Hilo de Corte Cubierta Exterior SubUnidad (6 fibras) Hilo de Corte OTROS TIPOS DE FIBRA CON ESTRUCTURA APRETADA

30 CABLE DE ESTRUCTURA DE TIPO CINTA (RIBBON) Fibra Recubrimiento Primario Recubrimiento de Protección Cintas de Fibras Ancho: 1.6 mm Espesor:.45 mm Recubrimiento de Cintas Cintas de Fibras Cilindro Ranurados Miembro de Tensión Cubierta 2 Fibras (24 mm Ø) 6 Fibras (37 mm Ø)

31 ESTRUCTURA DE FIBRAS HOLGADAS Mie mb ro de Ten sión Centra l Tubo Buffe r Miembro d e Tensión 2mmØ Re lleno Interstical Cu bie rta de P E (2mm espesor) Fibras Ópticas con Compue sto E nvoltura P ar de Cobre 22AW G Envoltura de Núcleo y K LE VA R Miembro de Tensión Dieléctrico Arma dura de Cinta de A ce ro Núcleo de PE 1 mmø Hilo de Corte Cubierta In terior de PE Cubierta E xte rior de PE Plástico Extruido Fibra Óptica Miembro de Tensión Lámina de A lu minio Cubierta de PE Tubo de 12 Fibras TUBO B uffer Fibra Óp tica recubierta Compuesto de relleno

32 ESTRUCTURA DE CABLES AUTOSOPORTADOS (FIGURA 8 ) Cu b ie rta d e PE Te rmo p lá stica Me n sa je ro Die lé ctrico Me n sa je ro d e Ace ro 1 /4 " Ø Mie mb ro d e Te n sió n Ce n tra l Mie mb ro d e Rig id e z Die lé ctrico Mie mb ro d e Rig id e s (KE VL A R) Mie mb ro d e Te n sió n Ce n tra l Die lé ctrico Cu b ie rta In te rio r d e P.E. Fib ra Óp tica G ru p o s d e Fib ra s Arma d u ra d e Cin ta d e Re cu b rimie n to d e Fib ra A ce ro Co a rru g a d o (Acrila to ) Cu b ie rta Exte rio r Te rmo p lá stica Re cu b rimie n to S e cu n d a rio Cu b ie rta E xte rio r d e P.E. Tu b o Bu ffe r Re lle n o In te rsticia l Hilo d e Co rte

33 NÚMERO DE FIBRAS ÓPTICAS CAPACIDAD DE TRANSMISION Propiedades Mecánicas Límite de Esfuerzo Miembro de Tensión Corrosión Cubierta/Armadura Resistencia Neumática ESTABILIDAD Humedad Propiedades Transmisión Barrera Contra la Humedad Compuesto de Relleno Microcurvatura Facilidad de Trabajo de Instalación FACILIDAD DE IMPLEMENTACIÓN Facilidad de Trabajo de Mantenimiento Facilidad de Manipulación Método de Empalme y Terminación Facilidad de Reparación Técnica de Protección de la Fibra Estructura del Cable Conductores de Cobre

34 COMO ESPECIFICAR UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA Estructura Tipo de Fibra Tipo de Recubrimiento de Fibra Número de Fibras Estructura del Cableado Tipo de Cubierta del Cable Coeficiente de Atenuación (db/km) Características de Transmisión Ancho de Banda (MHz.Km) Coeficiente de Dispersión Cromática (Os/nm.Km) Máxima Tensión de Tracción Mínima Radio de Curvatura Resistencia al Impacto Resistencia al Aplastamiento Características Mecánicas Resistencia a la Torsión Peso del Cable Diámetro del Cable Máxima Subida Vertical Temperatura de Operación Temperatura de Almacenamiento Longitud de Vano

35 FUENTES OPTICA REQUERIMIENTOS Dimensiones compatibles con el de la fibra óptica. Linealidad en la característica de conversión electro óptica. Características de emisión compatible con las características de transmisión de la fibra óptica. Coherencia Gran capacidad de modulación. Suficiente potencia óptica de salida y eficiencia de acoplamiento. Funcionamiento estable con la temperatura. Confiabilidad (Tiempo de Vida Útil). Bajo consumo de energía. Economía. TIPOS LED (Light Emitting Diode) LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

36 E2 Estado Inicial Estado Final E1 E2 (a) Absorción E1 E2 E1 (b) Emisión Expontanea (c) Emisión Estimulada DIAGRAMA DE ESTADOS DE ENERGÍA Y PROCESO DE CONVERSIÓN OPTOELECTRÓNICA.

37 ( QHUJtDGH O RV ( O HFW URQHV %DQGDGH&RQGXFFLyQ ( ( F %DQGD3URKLELGD J ( Y %DQGDGH9DO HQFLD (O HFW UyQ + XHFR (J ( ( KI I F /λ λ = KF ( J( K& RQVW DQW HGH3 O DQN[ J RXO HVHJy[ H9 VHJ I) UHFXHQFLDGHO DRQGDO XP LQRVDHP LW LGD+ ] F9 HO RFLGDGGHO D/ X] HQHO YDFtR[ XP VHJ λ : / RQJLW XGGH2 QGDXP ( J$ P SO LW XGGHEDQGDSURKLELGDH9 ),* %$ 1 ' $ ' ( ( 1 ( 5 * Ë$ ' ( / 2 6 ( / ( & ( 6

38 LED: EL DIODO EMISOR DE LUZ Fuente de Luz Incoherente basada en una estructura de uniones de material semiconductor del tipo pn, que al ser polarizada directamente da origen a la emisión espontánea de radiación. Contacto ohmico Fotones Tipop Unión pn Tipon Electrón Hueco FIG EMISIÓN ESPONTANEA DE LUZ EN UN DIODO DE UNIÓN pn

39 Al x Ga lx As GaAs Al x Ga lx As Salida Óptica + Heterouniones p p n (a) Estructura de Capas hf (b) Diagramas de Bandas de Energía Electrón de Inyección Hueco FIG LED DE DOBLE HETEROESTRUCTURA (LEDDH)

40 ESTRUCTURA LED LED de Emisión Superficial (Tipo Burrus): Estructura donde la radiación emitida se encuentra en un plano paralelo al de la unión. Proporciona una mayor eficiencia en el confinamiento eléctrico y óptico, también como menor absorción de la radiación emitida. LED de Borde (ELED): Estructura de geometría de franjas, donde la radiación emitida se encuentra en el mismo plano de la unión. Proporciona alta radiación. LED Superluminicente: Estructura de alta potencia de salida, haz de salida direccional y anchura espectral angosta. Su estructura y propiedades son muy similares a los ELED y a los LASER de inyección.

41 XP XP HW DO L] DFLyQ Q $ O* D$ V S $ O* D$ V &DSD$ FW LYD S $ O* D$ V & DSDVGH & RQILQDP LHQW R GH3 RUW DGRUHV Q$ O* D$ V Q * D$ V 6 XEVW UDW RQ* D$ V & DSDVGH & RQILQDP LHQW R GH3 RUW DGRUHV XP D* HRP HW UtDGH) UDQM DV' + $ O * D$ V = RQDGHFRQW DFW R3 XP $ QFKR] XP / DUJ R $ LVODP LHQW RGH 6 LO LFLRXP & DSDDFW LYD,Q* D$ V3 XP 6 DOLGDGH/ X] S,Q3 XP &RQW DFW RQ Q,Q3 XP Q XP 6 XEVW UDW R7LSR XP XP E* HRP HW UtDGH) UDQM DV7UXQFDGD' + O Q* D$V3 ),* / ( ' ' ( (,6,Ï 1 ' ( %2 5 ' ( ( / ( '

42 / $ 6 ( 5 $ 3 /,),&$ &,Ï 1 ' ( / 8 =3 2 5 (,6,Ï 1 ( 6 7, 8 / $ ' $ ' ( 5 $ ',$ &,Ï 1 ) XHQW HGH/ X] DP SO LILFDGD\ FRKHUHQW HEDVDGDHQXQDHVW UXFW XUDGHXQLRQHVGHP DW HULDO VHPLFRQGXFW RUGHO W LSRSQ\ IRUP DQGRXQDFDYLGDGySW LFDUHVRQDQW HGHO W LSR) $%5 <3( SDUDSURSRUFLRQDUO DUHDO LPHQW DFLyQGHIRW RQHV\ DXP HQW DUO DHPLVLyQHVW LPXO DGD ( VSHM RGH &ULVW DO &DYLGDG) DEU\ 3HURW 3 * D$ V KI KI Q* D$ V 8 QLyQSQ 5 HJLyQ$FW LYD &RQW DFW R 2 KP LFR,QW HQVLGDG F Qλ ) UHFXHQFLD D RGRVHQOD&DYLGDG/ i VHU &XUYDGH* DQDFLD ) UHFXHQFLD E RGRV/ RQJLW XGLQDO HVHQO D6 DO LGD/ i VHU ),* / ' 2 6 / È6( 5

43 ESTRUCTURAS LASER LASER guiados por Ganancia: Estructura de geometría de franjas donde la distribución de modos ópticos a lo largo del plano de la unión es determinado por la ganancia óptica de la cavidad. Por lo general proporciona una emisión multimodo. LASER guiados por Indice: Estructura donde la distribución de modos ópticos es determinado por los índices de refracción de la capa activa y de las capas de confinamiento lateral. La emisión puede ser monomodo o multimodo. LASER MONOMODO: Estructura que proporciona una realimentación selectiva de frecuencia de manera que la perdida de la cavidad es diferentes para varios modos longitudinales. La emisión de luz contiene un solo modo longitudinal.

44 Sa lida óptica Luz + E lectrodo Espejo d e Cristal p p n (a) Estructura de Capas Electrones de I ny ección H ueco Eg 1 hf Eg 2 (b) Diagrama de Bandas de Energía In dice de Refracción Distribución de Campo Eléctrico Distancia (c) Diagrama de Índice de Refracción y Distribución de Campo Eléctrico FIG LASER DE DOBLE HETEROESTRUCTURA

45 PARAMETROS CARACTERISTICOS DE LAS FUENTES DE LUZ Longitud de Onda de Emisión (λ) Anchura espectral ( λ) Lóbulo de Emisión. Potencia Optica de Emisión. Potencia Optica Acoplada. Linealidad. Corriente Umbral (ITh) Ancho de Banda o Velocidad de Modulación. Estabilidad con la Temperatura. Confiabilidad (tiempo de vida útil).

46 LED LD Luz a. Característica de Radiación Luz b. Espectro de Emisión 8 85 (n.m.) 84 POPT 845 POPT c. Linealidad 85 (n.m.) Región de Emisión Estimulada R eg ió n d e Emisió n Esp o n tán ea I Ith I Ith: C o rrien te U mb ral Fig Características Básicas de las Fuentes de Luz

47 75 nm 125 nm S LE D E LE D Longitud de Onda (um) Fig Espectro de Salida Típicos de los LED S In Ga As P Operando en la Región de 1.3um 1. Aumento de Temperatura C.8 3 C 6 C Potencia de Salida Normalizada Longitud de Onda (um) Fig Variación con la Temperatura del Espectro de Salida Típicos de los LED S de Emisión Superficial Al, Ga, As.

48 In te n sida d Re la tiva 1 λ = 13 λ = 1 nm (a) Laser guiado por ganancia a 1.3um L o n g itu d de O nd a Re la tiva In te n sida d Re la tiva 1 λ = 8 5 n m λ =.25 n m (b) Laser guiado por ganancia a.85um L o n g itu d de O nd a Re la tiva In te n sid ad λ = 1 3 n m (c) Laser Monomodo a 1.3um nm L o n g itu d de On d a Re la tiva Fig Espectro de Salida Típicos de los Laser s

49 COMPARACION DE FUENTES DE LUZ CARACTERISTICAS MATERIAL Longitud de Onda Potencia de Salida Optica DIODO LASER (LD) DIODO EMISOR DE LUZ (LED) Al Ga As In Ga As P Al Ga As In Ga As P.8 ~.9 µm 1.2 ~ 1.6 µm.8 ~.9 µm 1.1 ~ 1.6 µm 1 ~ 3 mw ~ 1 mw 5 ~ 2 mw 1.25 mw (Láser Guiados por índice) 3 ~ 18 mw 1.2 Mw (Láser Guiados Indice) 2.4 mw (Láser BH) por Atenuación de Acoplamiento 3 ~ 5 db 3 ~ 5 db 15 ~ 2 db 15 ~ 2 db Ancho Espectral 2 ~ 3 nm 2 ~ 3 nm 25 ~ 5 nm 5 16 nm Velocidad de Modulación 3 MHz 3 MHz 5 1 MHz 3 MHz Corriente Umbral (Ith) 1 15 ma (Láser guiados por ganancia) 4 6 ma (Láser guiados por índice) 1 2 ma (Láser BH) 1 2 ma (Láser DFB) Rango de Temperatura Modulación Adaptable Tiempo de Vida Aplicación ~ 5 C ~ 8 C Digital Digital Digital, Analógico Digital, Analógico 15 horas 15 horas 17 horas 17 horas Sistema de Larga Distancia y Gran Capacidad de Transmisión Sistema de Corta Distancia y Baja Capacidad de Transmisión

50 DETECTORES OPTICOS REQUERIMIENTOS Alta sensitividad en las longitudes de onda de operación. Alta fidelidad. Alta respuesta eléctrica a la señal óptica recibida. Reducido tiempo de respuesta (Amplio Ancho de Banda). Mínimo ruido. Estabilidad en las características de funcionamiento. Pequeñas dimensiones. Bajo voltaje de polarización. Alta confiabilidad (Tiempo de Vida). Bajo Costo. TIPOS Fotodiodo PIN Fotodiodo de Avalancha APD

51 Hu e co E le ctró n Ec h f > Eg Eg (b) p n + Ev (a) p Ec (c) Re g ió n d e De fle xió n n Ev hf E F Nive l Fe rmi (a ) Fo to g e n e ra ció n d e u n P a r E le ctró n Hu e co (b ) E stru ctu ra d e u n a Un ió n p n P o la riza d a In ve rsa me n te (c) Dia g ra ma d e B a n d a s d e E n e rg ía Principios de la Detección Óptica y Operación de Fotodiodo pn

52 15 1 In Ga AsP Ge Coeficiente de Absorción Óptica (cm 1) 14 1 GaAs Si Profundidad de penetración de luz (um) In Ga As Longitud de Onda (um) Fig CURVAS DE ABSORCIÓN ÓPTICA PARA ALGUNOS MATERIALES SEMICONDUCTORES

53 FOTODIODO PIN Detector Óptico con una estructura de semiconductores compuestos de una capa tipo p, una intrinseca y otra tipo n, que genera un simple par electrónhueco por cada Fotón incidente. hf Campo E p Reg ión de Deflexión Región d e Absorción n Regió n de Difusión Carga X Fotodiodo pn hf Campo E p Reg ión de Defexión i Re gión de Ab sorción n X Carga Fotodiodo pin

54 FOTODIODO DE AVALANCHA APD Detector Optico con una estructura de semiconductores en el cual se crea una región de c am po eléc tric o elev ado de tal form a que los portadores (huecos y electrones) pueden adquirir suficiente energía para excitar nuevos pares elec tr ón huec o, produc iendo un efec to de m ultiplic ac ión. E s tos dispositivos por lo general requieren altos voltajes de polarización inversa (5V a 4V). hf Campo E n p Región de Ganancia Región de Absorción i Electrón p Carga Colisión por Ionización x Hueco Fotodiodo de Avalancha APD

55 PARAMETROS CARACTERISTICOS DE LOS DETECTORES OPTICOS Sensibilidad de longitud de onda Eficiencia cuántica r n = Número de Electrones Generados = e Número de Fotones Incidentes Responsitividad rp R = Ip.M (AW 1) Po Ip: Fotocorriente de salida en Amperios Po: Potencia Optica incidente en Watts M: Ganancia Optica (solo APD) R = nem = neλm hf hc Velocidad de Respuesta (Ancho de Banda) Bmin = 1 = Vd 2πt 2πw Bmin: Ancho de dif Banda Mínimo tdif: Tiempo de Difusión de Portadores w: Ancho de la Capa de deflexión vd: Velocidad de portadores Ancho de Banda Optico Ruido shot i2s = 2e BI I = Ip + Id Ip» Id i2s = 2e BIp Corriente de oscuridad (Id) Factor de Mulitplicación (M) VB: Tensión de ruptura n: Coeficiente dependiente del material semiconductor V: Voltaje de polarización aplicado

56 PARAMETROS CARACTERISTICOS DE LOS RECEPTORES OPTICOS Los parámetros característicos del receptor óptico son: Sensitividad Tasa de error (BER) Rango Dinámico SENSITIVIDAD Y TASA DE ERROR La sensitividad y la tasa de error están relacionados. La sensitividad de un receptor es el mínimo nivel de potencia óptica que puede detectar con una tasa de error aceptable. El BER es el número máximo de errores en la señal recibida, expresado como una fracción de la cantidad de bits transmitidos. Si la potencia de la señal recibida cae por debajo de la sensitividad del receptor, el número de bits errados aumentará por encima del valor máximo especificado para ese receptor. RANGO DINÁMICO El rango dinámico es utilizado para definir la máxima potencia óptica promedio que puede detectar un receptor para mantener una determinada tasa de error. Si el receptor recibe demasiada potencia, resultará en una distorsión de la señal y en un aumento de la tasa de error.

57 &RUULHQW HHO pfw ULFD GHVDO LGD υ $ &DQW LGDGGHO X] LQVHUW DGD &RUULHQW HGH REVFXULGDG 9% RO W DM HGHSRO DUL] DFLyQ9 D 9 %9 RO W DM HGHUXSW XUD &DUDFW HUtVW LFDVGH6 DO LGDGHO ) RW RGLRGRSQ tqlp D 3 RW HQFLD Ï SW LFD ' HW HFW DEOH %( 5 SLQ 3' $3 ' D6L λ XP / tp LW HFXi QW LFR 9 HO RFLGDGGH7UDQVP LVLy Q ELW 6 HJ tqlp D 3 RW HQFLD Ï SW LFD ' HW HFW DEOH %( 5 SLQ 3' $3' E,Q* D$V λ XP / tp LW HFXi QW LFR 9 HORFLGDGGH7UDQVP LVLy Q ELW 6 HJ &RP SDUDFLyQHQO D6HQVLW LYLGDGGH) RW RGLRGRV 3,1 \ $ 3 '

58 TABLA DE COMPARACION DE LOS DISPOSITIVOS DE DETECCION OPTICA CARACTERISTICAS APD Pequeñas Longitudes de Onda PIN Pequeñas Longitudes de Onda APD Grandes Longitudes de Onda Silicio Silicio Germanio.6 ~.9 µm.6 ~.9 µm 1 ~ 1.55µm 7% 7% 6% 95% 95% 95% 1 GHz 1 MHz 1 GHz VOLTAJE DE POLARIZACION 1 ~ 15 v 5 ~ 2 v 25 ~ 3 v TIEMPO DE VIDA > 17 horas > 17 horas > 17 horas Detección de alta sensitividad Sistema de detección simple Sistema de transmisión de gran longitud MATERIAL LONGITUD DE ONDA EFICIENCIA CUANTICA EFICIENCIA DE ACOPLAMIENTO ANCHO DE BANDA APLICACION

59 AMPLIFICADORES OPTICOS Ganancia (db) 2 Erbium Raman 15 Brillouin 1 TWSLA 5 Raman Longitud de onda de señal (um) FIG Características de Ganancia

60 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UN AMPLIFICADOR DE FIBRA Fib ra do p a d a co n Erb iu m Se ñ a l d e en tra d a Se ñ a l de sa lid a Aco p la d o r Bo mb e o ó p tico APLICACIONES POTENCIALES DE LOS AMPLIFICADORES DE FIBRA Bombeo Acoplador Sistema Transmisor Fibra activa Empalme de fibra (a) Lado de Transmisión Bombeo Sistema Sistema Fibra activa (b) Repetidora Óptica Bombeo Sistema Fibra activa Receptor (c) Preamplificador Lado Receptor

61 Electrodos de metal S a l id a Entrada de Luz ~ Sa lid a Guía de onda difundida en Litio Niobatio Fig Conmutador Electrooptico

62 CONMUTADORES ÓPTICOS I1 O1 I2 O1 I1 O1 I2 O1 Operación del Conmutador Óptico

63 APLICACIONES DEL CONMUTADOR ÓPTICO Transmisor Primario Conmutador Óptico Al Receptor Transmisor de Reserva Terminación (a) Transmisor de Reserva Transmisor Primario Conmutador Óptico Al Receptor OTDR Terminación (b) Pruebas de Sistemas Desde el transmisor Receptor Primario Conmutador Óptico Terminación Receptor de Reserva (c) Receptor de Reserva Conmutador Óptico Fibra Primaria Conmutador Óptico Transmisor Receptor (d) Fibra de Reserva Transmisor Primario Fibra de reserva Conmutador Óptico Receptor de Reserva Fibra Primaria Fibra de reserva Conmutador Óptico Receptor Primario Receptor de Reserva (e) Sistema Redundante Completo

64 REQUERIMIENTO PARA LAS CONEXIONES DE FIBRA Mínima Atenuación de Inserción. Facilidad de instalación. Repetibilidad. Consistencia. Reducido tamaño y peso. Economía.

65 FACTORES DE PÉRDIDAS EXTRINSECOS Desplazamiento Transversal Desplazamiento Longitudinal Desviación de los Ejes Calidad de los Extremos de Fibras Reflexiones de Fibras Macrocurvaturas Pérdida en el Empalme (db) 2,4 2,2 d/r 2, φ / Sen 1AN (para S/R = 1) 1,8 1,6 φ S 1,4 2R 1,2 d 1,,8,6 S/R,4,2,1,2,3,4,5,6,7,8,9 1, Desplazamiento transversal d /R Separación Longitudinal S /R Normalizados Desviación de los Ejes φ / Sen1 AN (1) Desplazamiento Fig Factores de Pérdidas Extrinsecos

66 Fig FACTORES DE PÉRDIDAS EXTRINSICOS 1,,8 θ1 k = n = 1,46 n 1, Exceso de Pérdida (db),2 n Exceso de Pérdida (db) #1 n #2 2R n d1,2 =,4%,5,4 k = n = 1.46 n n n θ2 = 1% =.7%,6,4,6 d R d θ1 + θ2 (Grado),8,1 x 1,5 1, Exceso de Pérdida (db), X (um) (2) Calidad de los Extremos de Fibras n1,3 Exceso de Pérdida (db) n n3 n2 n1 = n2 = 1,46,2,1 1, 1,2 1,4 1,6 (3) Reflexiones de Fresnel

67 Empalme Exceso de Pérdida (db) 2R Fibras de Bajas Pérdidas (2.5dB/Km) Fibras de Altas Pérdidas (3.6dB) Radio de Curvatura (mm) (4) Macrocurvaturas FIG FACTORES DE PÉRDIDA EXTRINSECAS

68 FACTORES DE PÉRDIDAS INTRINSECOS * Variación del Diámetro de la Fibra (Núcleo y Revestimiento) * Desadaptación * Elipticidad y Concentricidad del Núcleo de la Fibra * Microcurvaturas at ar at ar at Atenuación de Empalme db 3, 2, 1, T R T R T Desadaptación Radio de Núcleo Desadaptación at ar at T R T R =.6 α Atenuación de Empalme db (1) Variación del Radio de Núcleo y Desadaptación.4 α.2 R.5 =1 α. 1. R =2 α. 2.5 R= 2. Fibra de Transmisión α 3. T (2) Desadaptación α Fig Factores de Pérdidas Intrínsecas

69 (1) Establecimiento Inicial Z D C C (2) Arreglo de la superficie Transversal de la Fibra por Presión D Electrodo Fibra Fibra Electrodo Fibra Fibra Arco Eléctrico Z Y (3) Presión (4) Realización del Empalme Y: Surco V para alineamiento axial Z: Electrodo de descarga Electrodo Movimiento C: Fibra desnuda Fibra Electrodo Fibra Arco Eléctrico D: Fibra recubierta a) Un Ejemplo de la Màquina de Empalme b) Procedimiento General de Fusión Fig Mètodo de Empalme por Fusión