Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo Por: Francisco Rodríguez Castillo Diciembre del 2004

2 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo ii Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo Por: Francisco Rodríguez Castillo Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: M.Sc. Luis Diego Marín Naranjo Profesor Guía Dr. Jorge Arturo Romero Chacón Profesor Lector Ing. Jaime Cascante Vindas Profesor Lector Diciembre del 2004 ii

3 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo iii DEDICATORIA A mi familia por todo el apoyo brindado en estos años de estudio. Diciembre del 2004 iii

4 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo iv RECONOCIMIENTOS Por la ayuda y colaboración recibida durante el desarrollo de este proyecto, el agradecimiento al profesor M.Sc. Luis Diego Marín Naranjo, y a los profesores lectores Dr. Jorge Arturo Romero Chacón y Ing. Jaime Cascante Vindas por las valiosas observaciones hechas con el fin del mejoramiento de dicho proyecto. Diciembre del 2004 iv

5 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo v ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS vi ÍNDICE DE TABLAS vii NOMENCLATURA viii RESUMEN ix CAPÍTULO 1 : Introducción Objetivo General Objetivos específicos Metodología 2 CAPÍTULO 2 : Sistema de comunicación de voz por fibra óptica Fibra óptica Construcción de la fibra óptica Clasificación de la fibra óptica Características de la fibra óptica Dispositivos optoelectrónicos Dispositivos emisores de luz Diodo emisor de luz LED Diodo láser LD Dispositivos detectores de luz Fotodiodo pn Fotodiodo PIN Fotodiodo de avalancha APD Fototransistores Técnicas de multiplexación por división de longitud de onda WDM 29 CAPÍTULO 3: Enlace de comunicación óptico IFO Enlace de voz óptico para fibra óptica de plástico Transmisor Receptor 35 CAPÍTULO 4 : Modificación del sistema original para establecer la comunicación mediante fibra óptica de vidrio multimodo Prueba del enlace de voz por fibra multimodo 38 CÁPITULO 5 : Conclusiones y recomendaciones 40 BIBLIOGRAFÍA 42 ANEXOS 43 Diciembre del 2004 v

6 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo vi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Sección transversal de un cable de fibra óptica 1 5 Figura 2 Curvas de atenuación 7 Figura 3 Fibra óptica multimodo de índice escalonado 8 Figura 4 Fibra óptica multimodo de índice gradual 8 Figura 5 Fibra óptica monomodo 9 Figura 6 Gráfica de modos para una fibra de índice escalonado 3 9 Figura 7 Principio de dispersión de una señal en una fibra óptica 4 10 Figura 8 Dispersión de una señal en función de su longitud de onda 5 11 Figura 9 Atenuación en función de la longitud de onda en una fibra monomodo 6 11 Figura 10 Atenuación en función de la longitud de onda en una fibra multimodo 7 12 Figura 11 Factores de atenuación en una fibra óptica 8 13 Figura 12 Ángulo de aceptancia de una fibra óptica 9 13 Figura 13 Configuración interna de un LED Figura 14 Configuración interna de un LED Figura 15 Configuración interna de un diodo láser Figura 16 Curva característica de un diodo láser Figura 17 Efectos de la temperatura en un diodo láser Figura 18 Patrón de radiación de un LED y un diodo láser 21 Figura 19 Curva de responsitividad típica de un fotodiodo SI y un fotodetector ideal Figura 20 Responsitividad en función de la longitud de onda Figura 21 Tiempo de levantamiento de un fotodetector Figura 22 Configuración interna de un fotodiodo pn Figura 23 Curva característica de corriente-voltaje para un fotodiodo PIN Figura 25 Esquema de transmisión WDM 30 Figura 26 Transmisión en WDM 30 Figura 28 Circuito esquemático del transmisor de voz óptico Figura 29 Circuito esquemático del receptor de voz óptico Figura 30 Configuración interna de los módulos Mitel 37 Figura 31 Terminal de comunicación 1 39 Figura 32 Terminal de comunicación 2 39 Diciembre del 2004 vi

7 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo vii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Características de transmisión de medios guiados punto a punto...4 Tabla 2 Diámetros de fibra óptica más utilizados...6 Tabla 4 Materiales utilizados en la fabricación de LED`s y sus características...17 Tabla 5 Materiales para la fabricación de PIN`s y sus características...27 Tabla 6 Materiales para la fabricación de APD`s y sus características...28 Diciembre del 2004 vii

8 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo viii NOMENCLATURA n : Índice de refracción c: Velocidad de la luz en el vacío v : Velocidad de la luz en el material NA : Apertura Numérica θ : Ángulo de aceptancia E : Energía E g : Energía de brecha h : Constante de Planck f : Frecuencia λ : Longitud de onda P : Potencia óptica i : Corriente I sp : Corriente alterna pico I dc : Corriente directa P dc : Componente de potencia directa P sp : Componente de potencia alterna pico ρ : Responsitividad V : Voltaje R L : Resistencia de carga C d : Capacitancia M : Ganancia del fotodiodo V d : Voltaje reverso V BR : voltaje de quiebra reverso Diciembre del 2004 viii

9 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo ix RESUMEN En este proyecto se plantean una serie de fundamentos teóricos tanto de fibra óptica como de dispositivos optoelectrónicos, con el fin de brindar una noción básica del funcionamiento de un sistema de comunicación utilizando la fibra como canal de transmisión. Se desarrolla entonces un pequeño sistema para la transmisión de voz punto a punto, utilizando los dispositivos para enlace de voz ópticos IFO y los módulos optoelectrónicos Mitel para la multiplexación de señales en una sola fibra óptica multimodo de 62.5/125 µm. Se configuran las terminales de manera que puedan operar utilizando tanto los módulos de multiplexación, como los emisores y receptores individuales para fibra óptica de plástico y se realizan una serie de pruebas que consisten en el establecimiento de la comunicación entre las dos terminales en tramos de diferentes longitudes de fibra y así determinar cuan efectivo resulta ser el enlace. Cabe resaltar que el término efectivo se refiere a la percepción del usuario de cómo escucha la señal de audio que se emite desde la otra terminal. Diciembre del 2004 ix

10 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 1 CAPÍTULO 1: Introducción El desarrollo de nuevas tecnologías en los sistemas de comunicación ha experimentado un crecimiento acelerado en los últimos años producto de las exigencias actuales para dichos sistemas, donde se requiere transportar gran cantidad de información de forma segura y rápida. Las redes de comunicación ópticas no escapan a esta constante evolución tecnológica, por lo que recientemente el concepto de multiplexación por división de longitud de onda de espaciamiento amplio CWDM ha comenzado a ser conocido en la industria de las telecomunicaciones debido a las ventajas que presenta con respecto a la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda densa DWDM En este proyecto se implementó un sistema de comunicación de voz óptico, orientado a la introducción de las comunicaciones por fibra óptica. Además se documentan conceptos teóricos de fibra óptica, comunicaciones por fibra óptica y optoelectrónica. Para desarrollar el sistema planteado se utilizaron una serie de dispositivos optoelectrónicos, tales como tarjetas de comunicación de voz para fibra óptica de plástico y módulos de multiplexación para fibra óptica multimodo de vidrio. Se desarrolló un trabajo de laboratorio para aprender a utilizar los módulos CWDM marca Mitel y las tarjetas para comunicación de voz marca Industrial Fiber Optics, y adaptar dichos dispositivos para conformar el sistema de comunicación. Se realizaron pruebas para verificar el funcionamiento del sistema en diferentes tramos de fibra óptica multimodo de 62.5/125 µm como teléfono óptico. Diciembre del

11 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo Objetivo General Desarrollar y comprobar el correcto funcionamiento de un sistema de comunicación utilizando tarjetas para la transmisión de voz por medio de fibra de plástico adaptando un módulo CWDM para fibra óptica multimodo de vidrio Objetivos específicos Documentar los conceptos teóricos de fibra óptica, comunicaciones por fibra óptica y optoelectrónica para la realización de este sistema. Aprender a utilizar los módulos de multiplexación por longitud de onda Mitel y los dispositivos para la transmisión de voz IFO. Adaptar los módulos de multiplexación a los dispositivos de transmisión de voz en forma versátil. Verificar el funcionamiento del sistema para transmisión de voz utilizando tramos de fibra óptica multimodo 62.5/125 de diferentes longitudes. 1.2 Metodología Durante la primera etapa del proyecto se procederá a estudiar conceptos teóricos sobre fibra óptica y otros temas relacionados a las comunicaciones ópticas con el fin de documentar los conceptos teóricos que fundamentan el proyecto. La segunda etapa se basa en el trabajo de laboratorio necesario para implementar el sistema de comunicación. En la etapa final se verificará el funcionamiento del sistema entre las dos terminales utilizando tramos de fibra óptica de diferentes longitudes. Diciembre del

12 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 3 CAPÍTULO 2: Sistema de comunicación de voz por fibra óptica El objetivo principal de un sistema de comunicaciones es intercambiar información entre dos o más entidades. En su configuración más simple la comunicación entre dos terminales es llamada transmisión punto a punto; sin embargo, en la mayoría de las ocasiones este procedimiento no es válido, debido a que los dispositivos están muy alejados entre sí y no resultaría viable utilizar un enlace dedicado entre ellos, o más aún, existe un conjunto de dispositivos que necesitan conectarse con los demás en instantes de tiempo diferentes. El intercambio de datos sobre una línea de transmisión se puede clasificar como fullduplex o half-duplex. En la transmisión half-duplex solo una de las estaciones del enlace punto a punto puede transmitir, esto quiere decir que las estaciones no pueden transmitir al mismo tiempo, mientras que mediante la transmisión full-duplex las dos estaciones pueden enviar y recibir datos simultáneamente. Una red de comunicación proporciona flexibilidad y eficiencia de los recursos utilizados en la transmisión de información entre cantidades masivas de usuarios. Tradicionalmente las redes de comunicación se pueden clasificar en dos grandes categorías: Red de área local LAN Es una red de comunicaciones que interconecta varios dispositivos y proporciona un medio para el intercambio de información entre ellos. Red de área amplia WAN Es una red de comunicaciones que cubre una extensa área geográfica, requiere atravesar rutas de acceso público, y parcialmente utiliza circuitos proporcionados por una entidad proveedora de servicios de telecomunicación. Típicamente, una WAN consiste en una serie de dispositivos de conmutación interconectados. La comunicación generada por cualquier dispositivo se encaminará a través de estos nodos internos hasta alcanzar el destino. A estos nodos no les concierne el contenido Diciembre del

13 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 4 de los datos, su función es proporcionar el servicio de conmutación que transmitirá los datos de nodo en nodo hasta alcanzar su destino final. No se puede hablar de redes de comunicación y dejar de mencionar la importancia de los medios de transmisión, ya que de estos depende la capacidad y la eficiencia de la transmisión. Si se habla de capacidad de transmisión en términos de velocidad de transmisión o ancho de banda, es importante tomar en cuenta la distancia que cubre el medio de transmisión y además si este es un enlace punto a punto o un enlace multipunto. Los medios de transmisión guiados más utilizados para la transmisión de voz o datos son: el par trenzado, el cable coaxial y la fibra óptica. Tabla 1 Características de transmisión de medios guiados punto a punto Medio de transmisión Razón de datos total Ancho de banda Separación entre repetidores Par trenzado 4 Mbps 3 MHz 2 a 10 km Cable coaxial 500 Mbps 350 MHz 1 a 10 km Fibra óptica 2 Gbps 2 GHz 10 a 100 km Debido a que el sistema de comunicación que se desarrolló en el presente trabajo utiliza como medio de transmisión la fibra óptica, a continuación se presenta una descripción general de la fibra óptica y otros elementos que forman parte del sistema implementado. Diciembre del

14 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo Fibra óptica La fibra óptica es un medio flexible y extremadamente fino, capaz de conducir energía de naturaleza óptica. Presenta una serie de ventajas con respecto a otros medios de comunicación, por ejemplo: 1. Ancho de banda amplio 2. Atenuación baja 3. Inmunidad electromagnética 4. Peso liviano 5. Tamaño pequeño 6. Seguridad con respecto a su manipulación 7. Seguridad con respecto a la transmisión de datos Construcción de la fibra óptica La fibra óptica está formada por dos capas concéntricas llamadas núcleo y revestimiento, las cuales están protegidas por una cubierta hecha generalmente de polímeros la cual no afecta la propagación de la luz en la fibra. El revestimiento provee la diferencia en el índice de refracción que permite que se de la reflexión total interna de la luz a través del núcleo. El índice de refracción del revestimiento es alrededor de un 1% más bajo con respecto al índice del núcleo. Figura 1 Sección transversal de un cable de fibra óptica 1 1 Fuente: Manual The Optical Voice Link, Industrial Fiber Optics, página 20 Diciembre del

15 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 6 Las características específicas de la propagación de la luz en una fibra dependen de muchos factores como el tamaño de la fibra, la composición de la fibra y la luz incidente dentro de la fibra. Comúnmente se usan los siguientes tamaños: Tabla 2 Diámetros de fibra óptica más utilizados Núcleo (µm) Revestimiento (µm) Clasificación de la fibra óptica La fibra óptica se clasifica de dos formas: Por el tipo de material Fibra de vidrio El núcleo y el revestimiento son de vidrio, el cual está hecho de silicio fundido ultrapuro, son las más usadas en la actualidad debido a las características que presentan. Fibra de plástico Tanto el núcleo como el revestimiento son de plástico, presentan mayores pérdidas y su ancho de banda es limitado. Comúnmente estas fibras presentan un diámetro de 1000 µm, cuyo núcleo tiene un diámetro de 980 µm. Debido a sus características, esta fibra presenta grandes pérdidas si se utiliza en enlaces de larga distancia, por lo que no se utiliza en esos casos; sin embargo, puede ser muy útil y económica en aplicaciones de pequeña escala. Normalmente, se utilizan LED`s de 650 nm como emisores en los sistemas que utilizan fibra óptica de plástico POF. Diciembre del

16 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 7 Fibra de revestimiento plástico Su núcleo es de vidrio y el revestimiento es de plástico, tienen menor rendimiento que la fibra de vidrio. Figura 2 Curvas de atenuación (a) Fibra de plástico (b) Fibra de vidrio 2 Por el índice de refracción y los modos en que se propaga la señal Fibra multimodo de índice escalonado La luz se refleja a diferentes ángulos para diferentes trayectorias o modos. La longitud de la trayectoria para diferentes modos es distinta, lo que implica tiempos de desplazamiento mayores o menores dependiendo de la trayectoria seguida por el rayo, así señales que entran al mismo tiempo en la fibra salen en tiempos diferentes. El pulso óptico sufre un ensanchamiento llamado dispersión modal como resultado de los diferentes modos en la fibra. Típicamente este tipo de fibras presenta una dispersión modal de 15 a 30 ns/km. 2 Fuente: Manual The Optical Voice Link, Industrial Fiber Optics, página 19 Diciembre del

17 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 8 Figura 3 Fibra óptica multimodo de índice escalonado Fibra multimodo de índice gradual Una forma de reducir la dispersión modal es utilizando fibras de índice gradual GRIN. El núcleo de este tipo de fibras está hecho de capas concéntricas de vidrio, cada capa a partir del eje central del núcleo presenta un índice de refracción menor que la anterior, logrando que el rayo se refracte continuamente obteniéndose un patrón casi sinusoidal. Los rayos que viajan en las capas lejanas al eje central del núcleo se desplazan a velocidades mayores que los rayos que viajan en las capas cercanas al eje, como resultado de este fenómeno todos los rayos tienden a llegar al mismo tiempo al final de la fibra. El índice gradual reduce la dispersión modal a 1 ns/km o menos. Los diámetros más comunes del núcleo para estas fibras son de 50, 62.5 o 85 µm y para el revestimiento es de 125 µm, comúnmente la más usada es la de 62.5/125 µm. Figura 4 Fibra óptica multimodo de índice gradual Fibra monomodo Otra forma de reducir la dispersión modal es utilizar fibras con un núcleo más pequeño para lograr una propagación del rayo en un solo modo. Los diámetros del núcleo van desde 5 a 10 µm y el diámetro del revestimiento es de 125 µm. Diciembre del

18 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 9 Las fibras monomodo tienen un ancho de banda potencial de 50 a 100 GHz-Km, y esta capacidad está limitada por los dispositivos electrónicos y no por la fibra. El punto en el cual la fibra transmite en un solo modo depende de la longitud de onda de la señal y es llamada longitud de onda de corte. Por ejemplo una fibra monomodo operando en los 1300 nm presenta la longitud de onda de corte alrededor de los 1200 nm. Figura 5 Fibra óptica monomodo Figura 6 Gráfica de modos para una fibra de índice escalonado Características de la fibra óptica Dispersión La dispersión es el ensanchamiento que experimenta el pulso cuando se desplaza en la fibra. La dispersión limita el ancho de banda en la fibra. Los tres tipos principales de dispersión son: 3 Fuente: Libro Fiber Optic Communications, Prentice-Hall, página 116 Diciembre del

19 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 10 Dispersión modal Se debe a las diferentes trayectorias de la señal en la fibra óptica. Se presenta solo en la fibra multimodo y se puede reducir mediante tres formas: 1. Utilizar fibras cuyo núcleo tenga un diámetro pequeño, el cual permitirá la propagación de pocos modos. 2. Utilizar fibras de índice gradual las cuales evitan que la señal sufra un ensanchamiento debido al retardo de propagación de los modos. 3. Utilizar fibra monomodo, en la cual no se presenta la dispersión modal. Dispersión del material Esta se presenta debido a que las diferentes longitudes de onda viajan con diferentes velocidades a través de la fibra. La siguiente ecuación expresa la relación entre el índice de refracción del material y la velocidad de la luz en el material: c n = (1) v donde: n : índice de refracción del material c: velocidad de la luz en el vacío v: velocidad de la luz en el material Dispersión de guía de onda Este tipo de dispersión se debe a que la energía óptica que viaja tanto por el núcleo como por el revestimiento de la fibra se desplaza a diferentes velocidades como consecuencia de la leve diferencia de índices de refracción de los materiales. Figura 7 Principio de dispersión de una señal en una fibra óptica 4 4 Fuente: Documento Introduction to DWDM Technology, Cisco Systems Inc., página 2-10 Diciembre del

20 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 11 Figura 8 Dispersión de una señal en función de su longitud de onda 5 Atenuación La atenuación es la pérdida de potencia óptica de la señal cuando se desplaza en la fibra, es medida en decibels por kilómetro y los rangos van desde los 300 db/km para fibra de vidrio hasta alrededor de los 0.21 db/km en la fibra monomodo. La atenuación varía con la longitud de onda de la señal. Figura 9 Atenuación en función de la longitud de onda en una fibra monomodo 6 5 Fuente: Documento Introduction to DWDM Technology, Cisco Systems Inc., página Fuente:Libro Referencia Technician s Guide to Fiber Optics, Delmar Publishers Inc., página 63 Diciembre del

21 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 12 Figura 10 Atenuación en función de la longitud de onda en una fibra multimodo 7 Esparcimiento Scattering El esparcimiento es la pérdida de la energía óptica debido a imperfecciones en la estructura básica de la fibra. Absorción La absorción es el proceso en el cual las impurezas en la fibra absorben parte de la energía óptica la cual se disipa en pequeñas cantidades de calor. Pérdidas por micro-curvaturas Pérdidas debidas a pequeñas imperfecciones o variaciones en la interfaz entre el núcleo y el revestimiento que provocan que la luz se desvíe y no se produzca la reflexión interna. 7 Fuente:Libro Referencia Technician s Guide to Fiber Optics, Delmar Publishers Inc., página 63 Diciembre del

22 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 13 Figura 11 Factores de atenuación en una fibra óptica 8 Apertura numérica La apertura numérica (NA) es la capacidad de la fibra de captar la luz. La apertura numérica del material relaciona los índices de refracción del núcleo y del revestimiento mediante la siguiente fórmula: NA = (2) 2 2 n 1 n2 Los ángulos a los cuales se pueden propagar los rayos por la fibra forman el llamado cono de aceptancia. El cono de aceptancia se relaciona con la NA mediante la fórmula: NA = senθ (3) donde θ es la mitad del ángulo de aceptancia. Figura 12 Ángulo de aceptancia de una fibra óptica 9 8 Fuente: Documento Introduction to DWDM Technology, Cisco Systems Inc., página Fuente: Manual The Optical Voice Link, Industrial Fiber Optics, página 17 Diciembre del

23 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo Dispositivos optoelectrónicos En los sistemas de comunicación en los que se utiliza fibra óptica como medio de transporte para la información, son necesarios dispositivos que conviertan una señal eléctrica en una señal óptica y viceversa Dispositivos emisores de luz Los diodos láser y los diodos emisores de luz son los dos tipos de fuentes más utilizadas en los sistemas de comunicación por fibra óptica. A continuación se presenta una breve descripción de cada uno de ellos Diodo emisor de luz LED Un diodo emisor de luz es una unión semiconductora pn que emite luz cuando se polariza directamente. Funcionamiento Cuando se une un semiconductor tipo n con un semiconductor tipo p, se tiene que tanto los electrones libres en la región n, como los huecos libres en la región p no tienen la suficiente energía para sobrepasar la barrera de unión y desplazarse hacia la región opuesta. En este punto, la energía potencial de los huecos, siendo opuesta a la de los electrones provoca un incremento en la barrera de unión. Al aplicar un voltaje directo en la unión y agregar impurezas dopantes para proveer una mayor cantidad de electrones y huecos durante la emisión, la barrera de separación se reduce. Si la energía suplida es al menos igual que la energía en la región prohibida (cantidad de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción) los electrones libres y los huecos libres tendrán la suficiente energía para moverse en la región de unión. Cuando un electrón libre se une con un hueco libre en la barrera de unión, el electrón puede pasar a la banda de valencia. La energía perdida en la transición es convertida en energía óptica en forma de un fotón. En resumen, la emisión de un LED es causada por la recombinación de electrones y huecos que son introducidos en la unión de un semiconductor pn al aplicársele un voltaje directo. Diciembre del

24 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 15 (a) (b) (c) (a) Figura 13 Configuración interna de un LED 10 Semiconductor dopado con impurezas. (b) Doblamiento de bandas de energía. (c) LED polarizado La relación entre la energía de un fotón y la frecuencia es: donde: E: Energía (J) E = hf (4) h: Constante de Planck: x10-34 Js f: frecuencia (Hz) La longitud de onda se expresa por: 10 Fuente: Boletín Medición de la constante de Planck utilizando LED s, Universidad de Buenos Aires, página 3 Diciembre del

25 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 16 c λ = (5) f donde: λ : Longitud de onda c: velocidad de la luz en el vacío f: Frecuencia (Hz) Entonces la longitud de onda radiada se puede expresar como: hc λ = (6) E g donde: Eg : Energía de brecha (J) λ : Longitud de onda (m) Si se expresa la energía de separación en electrón volts y la longitud de onda en manómetros: λ = (7) E g Construcción Diversos materiales y aleaciones se utilizan para obtener diferentes niveles de energía en la banda prohibida. La siguiente tabla presenta algunos de los materiales usados en la fabricación de LED s, así como su longitud de onda de operación y su energía de banda prohibida. Diciembre del

26 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 17 Tabla 4 Materiales utilizados en la fabricación de LED`s y sus características Material Longitud de onda (nm) Energía de banda prohibida (ev) GaInP GaAs AlGaAs InGaAs InGaAsP Figura 14 Configuración interna de un LED 11 Una unión pn formada por un solo semiconductor se conoce como homojuntura. Un LED construido de esta forma no confina su emisión muy bien. Los fotones son radiados de los bordes de la unión y de su superficie plana, esto hace que el acople con ciertas fibras ópticas sea ineficiente. En la actualidad se construyen mejores superficies de acople para estos dispositivos, entre estas se puede mencionar la conocida como Burrus o etched web, la cual es la más utilizada en la fabricación de LED s. Características de operación de un LED La potencia óptica generada por un LED es linealmente proporcional a la corriente que circula por el dispositivo cuando es directamente polarizado. La siguiente ecuación muestra dicha relación: P = nie g (8) 11 Fuente: Libro Optoelectronics : An Introduction, Prentice-Hall, página 151 Diciembre del

27 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 18 donde: P: Potencia de salida (mw) n: Fracción de cargas que se recombinan i: Corriente (ma) Eg: Energía de banda prohibida (ev) Típicamente un LED opera alrededor de los 50 a 100 ma y requiere un voltaje de 1.2 a1.8 V. Un LED puede ser modulado analógicamente o digitalmente, como se detalla a continuació: La modulación digital se puede hacer mediante una fuente de corriente, la cual hace simplemente que el LED se encienda y se apague. La modulación analógica requiere de una componente de corriente directa para tener todo el tiempo el valor de la corriente total en la dirección de polarización directa. Sin esta componente dc, una oscilación negativa en la señal de corriente podría polarizar inversamente el diodo, apagándolo. Con base en la modulación analógica la corriente total del diodo se puede expresar como una componente de corriente directa y una componente de corriente alterna, como se establece a continuación: i = I + I senωt (9) dc sp donde: Isp: componente de corriente alterna pico de la señal Idc: componente de corriente directa La correspondiente señal de potencia óptica es por consiguiente: P = P + P senωt (10) dc donde: Psp: componente de potencia alterna pico de la señal Pdc: componente de potencia directa sp Los LED s comerciales presentan un ancho de banda relativamente pequeño. Valores típicos se hallan dentro del rango de 1 a 100 MHz. El tiempo de levantamiento (t r ) típico de un LED va de unos pocos nanosegundos hasta 250 ns. Diciembre del

28 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 19 La eficiencia de acoplamiento depende del patrón de radiación del diodo. Los emisores de superficie emiten radiación según un patrón conocido como Lambertiano. En este patrón la potencia disminuye como una función cosθ, donde θ es el ángulo entre la dirección de visión y la normal a la superficie. Los LED s son muy confiables y de larga duración si se les utiliza dentro de los límites de potencia, voltaje, corriente y temperatura especificados por el fabricante Diodo láser LD El diodo láser es otro dispositivo formado por semiconductores, pero a diferencia de los LED s, el diodo láser está confinado en una cavidad que le proporciona características muy especiales. Funcionamiento Cuando el diodo es directamente polarizado, las cargas son introducidas dentro de la capa activa donde la recombinación tiene lugar causando la emisión espontánea de fotones, caso semejante al explicado para la emisión del LED, sólo que algunas de las cargas introducidas dentro del semiconductor son estimuladas para emitir otros fotones. Si la densidad de corriente es lo suficientemente alta, entonces un gran número de cargas introducidas están disponibles para estimular la recombinación. Entonces de este modo la ganancia óptica se hace mayor. La corriente de umbral es alcanzada cuando es lo suficientemente grande como para vencer las pérdidas del diodo. En este punto, la oscilación láser ocurre. La corriente de umbral debe ser pequeña para prevenir el sobrecalentamiento del semiconductor, particularmente cuando opera de forma continua o con altos picos de potencia. Construcción La construcción de los diodos láser tiene una construcción muy similar a los diodos emisores de luz. La cavidad láser, típicamente de 300 µm, se conforma al pegar a lo largo de las caras frontal y superior del semiconductor planos cristalinos paralelos. Por medio de esto, se logra una cantidad importante de reflexión que provee la suficiente realimentación para que se presente la oscilación y se genere así la emisión estimulada. Diciembre del

29 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 20 Figura 15 Configuración interna de un diodo láser 12 Características de operación de un diodo láser La curva característica de potencia contra la corriente cuando el diodo láser se halla directamente polarizado se presenta a continuación: Figura 16 Curva característica de un diodo láser 13 La potencia de salida para un diodo láser que opera de forma continua varía típicamente de 1 mw a 10 mw. La corriente de operación es generalmente de 20 ma a 40 ma por encima de la corriente de umbral. Los diodos láser son más sensitivos a los cambios de temperatura que los LED s. Conforme aumenta la temperatura, la ganancia del diodo decrece, hasta que más corriente es requerida para que la oscilación pueda continuar, provocando un incremento de la corriente de umbral. 12 Fuente: LIbro Optoelectronics : An Introduction, Prentice-Hall, página Fuente: LIbro Optoelectronics : An Introduction, Prentice-Hall, página 212 Diciembre del

30 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 21 Figura 17 Efectos de la temperatura en un diodo láser 14 La longitud de onda de un diodo láser también depende de la temperatura. Esta se incrementa debido a la dependencia del índice de refracción del material con la temperatura. Típicamente, estos cambios son del orden de 0.3 nm/ºc. Al igual que los diodos emisores de luz los diodos láser pueden ser modulados digitalmente o analógicamente. Los diodos láser son más rápidos que los diodos emisores de luz, debido a que el tiempo de levantamiento del LED es determinado por la emisión espontánea natural del material, y el tiempo de levantamiento de un diodo láser depende del tiempo de vida de emisión estimulada. Para que se genere una ganancia, el tiempo de vida estimulado debe ser menor que el tiempo de vida espontáneo. Otra característica importante de los diodos láser es que su patrón de radiación está contenido en una región angular pequeña, haciendo el acople con la fibra más fácil y eficiente. Figura 18 Patrón de radiación de un LED y un diodo láser 14 Fuente: LIbro Optoelectronics : An Introduction, Prentice-Hall, página 220 Diciembre del

31 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo Dispositivos detectores de luz Estos dispositivos convierten la radiación óptica en señales eléctricas, sean estas de voltaje o corriente. Estos dispositivos funcionan bajo el principio de que portadores de carga libres, sean estos electrones o huecos, son generados por absorción de fotones que entran a una sección del dispositivo. Este proceso se conoce como efecto fotoeléctrico interno. Entre las propiedades más importantes de los fotodectores se pueden mencionar: Responsitividad Es la razón de la corriente de salida del detector a su potencia óptica de entrada. Sus unidades son A/W. donde: ρ : Responsitividad i : Corriente de salida del detector P : Potencia óptica de entrada i ρ = (11) P Figura 19 Curva de responsitividad típica de un fotodiodo SI y un fotodetector ideal Fuente: Libro Optoelectronics : An Introduction, Prentice-Hall, página 313 Diciembre del

32 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 23 Respuesta espectral Se refiere a la curva de la responsitividad del detector como una función de su longitud de onda. Figura 20 Responsitividad en función de la longitud de onda 16 Tiempo de levantamiento Es el tiempo para que la corriente de salida del detector cambie de un 10% a un 90% de su valor final cuando la entrada es un escalón. Figura 21 Tiempo de levantamiento de un fotodetector Fuente: Libro Technician s Guide to Fiber Optics, Delmar Publishers Inc., página Fuente: Libro Fiber Optic Communications, Prentice-Hall, página 174 Diciembre del

33 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo Fotodiodo pn El proceso básico de detección es aquel que se da cuando el diodo es inversamente polarizado, la barrera de energía potencial entre las regiones p y n se incrementa. Los electrones libres en la región n y los huecos en la región p no pueden brincarse la barrera en la medida que exista una corriente en sentido directo circulando. Debido a que no hay cargas libres en la unión, se le conoce a esta zona como región de vaciamiento. Al no haber cargas libres, su resistencia es alta, resultando que casi todo el voltaje de caída del diodo aparece a través de la unión. Si un fotón incidente es absorbido en la unión, la energía hace que un electrón pase de la banda de valencia a la banda de conducción, por lo que ahora es libre de moverse. Por consiguiente, un hueco libre queda en la banda de valencia, en la posición dejada por el electrón. Así sucesivamente más portadores de carga libres son creados por absorción de fotones. Con portadores de carga libres en movimiento se produce una corriente que fluye a través del circuito externo. Una vez que los huecos libres y los electrones se han recombinado o bien cuando alcanzan el borde de la unión, donde las fuerzas eléctricas son pequeñas, las cargas dejan de moverse, lo cual produce que ya no fluya más corriente. Cuando un fotón es absorbido en las regiones p o n fuera de la unión, un par electrón-hueco se crea, pero estas cargas libres no se moverán rápidamente debido a las fuerzas eléctricas débiles fuera de la unión. La mayoría de cargas libres se difunden lentamente a través del diodo y se recombinan antes de alcanzar la unión. Estas cargas producen una corriente despreciable, reduciendo así la responsitividad del detector. Figura 22 Configuración interna de un fotodiodo pn Fuente Optoelectronics : An Introduction, Prentice-Hall, página 313 Diciembre del

34 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 25 Los diodos pn típicos tienen tiempos de levantamiento del orden de microsegundos, haciéndolos inadecuados para sistemas de fibra de alta fidelidad Fotodiodo PIN El fotodiodo PIN es el más común de los detectores en sistemas de comunicación por fibra óptica. Posee una amplia capa semiconductora intrínseca entre las regiones p y n. Esta capa no tiene cargas libres, pero es de alta resistencia. La mayoría del voltaje aplicado es sobre esta capa, generando fuerzas eléctricas fuertes dentro de ella. También existe una alta probabilidad de que los fotones sean absorbidos en ella en lugar de ser absorbidos en las capas p y n; esto mejora la eficiencia y la velocidad relativa con respecto al fotodiodo Características de operación de un fotodiodo PIN Cuando el fotodiodo es polarizado inversamente se dice que opera en modo fotoconductivo, es decir, la corriente de salida es proporcional a la potencia óptica. Cuando no se provee de un voltaje reverso, el diodo se halla en conexión directa y se dice que opera en modo fotovoltaico. En comunicaciones por fibra óptica los detectores operan en modo fotoconductivo. A continuación se presentan las curvas de corriente-voltaje típicas para un fotodiodo PIN. Figura 23 Curva característica de corriente-voltaje para un fotodiodo PIN Fuente: Libro Fiber Optic Communications, Prentice-Hall, página 180 Diciembre del

35 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 26 Aún cuando no hay potencia óptica presente, una pequeña corriente inversa fluye a través del diodo cuando se halla polarizado inversamente; esta es la llamada corriente de oscuridad I D. La corriente de oscuridad es causada por la generación térmica de portadores de carga libres en el diodo. Por ser de origen térmico, se incrementa rápidamente con el aumento de temperatura, al punto de duplicarse por cada aumento de 10 C con respecto a la temperatura ambiente. El rango de valores típicos para la corriente de oscuridad va desde unos pocos nanoamperios hasta un orden de cientos de ellos. Por lo general, los fotodetectores de silicio son los que presentan el valor de corriente de oscuridad más bajo y los de germanio los valores más altos. La saturación, se refiere al estado de operación donde la potencia óptica de entrada es mayor que la corriente de salida y el voltaje no puede seguir la entrada de forma lineal. Cuando el diodo está saturado, el detector responde a los cambios de entrada óptica un poco más lentamente, provocando distorsiones de la señal y disminuyendo los tiempos de respuesta en el receptor, limitando su ancho de banda. La relación idónea entre el voltaje de salida y la potencia óptica es: V = Pρ (12) R L donde: V : Voltaje de salida (V) P : Potencia de salida (mw) ρ : Responsitividad del dispositivo (A/W) R L : Resistencia de carga (Ω) Por otra parte, la velocidad de respuesta de un fotodetector está limitada por lo que se denomina el tiempo de transición, que es el tiempo que le toma a los portadores de carga libres atravesar la capa de vaciamiento. En un diodo PIN la longitud de la región de vaciamiento es justo el ancho de la capa intrínseca. La velocidad de los portadores de carga libres es linealmente proporcional a la magnitud del voltaje reverso, por lo que los voltajes demasiado elevados disminuyen el tiempo de transición. El tiempo de levantamiento en estos dispositivos depende de la capacitancia de unión y de la resistencia de carga, como se expresa en la siguiente fórmula: t = 2. 19R C (13) r L d Diciembre del

36 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 27 El ancho de banda se calcula como: f 1 3 db = (14) 2πR LCd donde: R L : Resistencia de carga (Ω) C d : Capacitancia del dispositivo (pf) Los fotodiodos diseñados para aplicaciones de alta velocidad tienen capacitancias de pocos pico-faradios. La velocidad de respuesta puede estar limitada por el tiempo de transición o por el tiempo de levantamiento, el que sea mayor. Valores de tiempo de levantamiento para fotodetectores PIN son del orden de 0.5 a 10 ns. La siguiente tabla resume algunas características de los fotodiodos PIN dependiendo del tipo de material del que están hechos. Tabla 5 Materiales para la fabricación de PIN`s y sus características Material Longitud de onda (nm) Longitud de onda pico (nm) Tiempo de levantamiento (ns) Responsitividad (A/W) Corriente de oscuridad (na) Silicio Germanio InGaAs Fotodiodo de avalancha APD El fotodiodo de avalancha es un detector de unión semiconductor, que tiene alta ganancia interna y que presenta una responsitividad más alta que un fotodiodo pn o un fotodiodo PIN. Cuando un fotón es absorbido en la región de vaciamiento, crea un electrón libre y un hueco libre. Las fuertes fuerzas eléctricas que se generan en esta región causan que estas cargas libres que ahora existen se aceleren, ganando energía cinética. Cuando estas cargas aceleradas chocan con átomos neutros, se crean pares electrón-hueco adicionales que usan parte de su energía cinética para hacer que los electrones crucen la banda de energía. Una Diciembre del

37 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 28 carga acelerada puede generar varias cargas secundarias nuevas y estas cargas pueden generar otras, así sucesivamente generando una mayor cantidad de pares electrón-hueco. Características de operación de un fotodiodo de avalancha Los fotodiodos de avalancha son usualmente variaciones de los fotodiodos PIN, principalmente en cuanto a valores de ganancia se refiere. Esta se puede expresar como: 1 M = Vd 1 V donde: M : Ganancia del fotodiodo V d : Voltaje reverso aplicado (V) V BR : Voltaje de quiebra reverso (V) n : Parámetro empírico (mayor que la unidad) BR n (15) Al igual que el fotodiodo PIN la velocidad de respuesta del APD está limitada por el tiempo de transición de los portadores de carga y por la constante de tiempo RC. Tiempos de levantamiento del orden de 100 ps se pueden obtener con diodos de avalancha de silicio o germanio. La siguiente tabla resume algunas características de los APD`s dependiendo del tipo de material del que están hechos. Material Tabla 6 Materiales para la fabricación de APD`s y sus características Longitud de onda (nm) Tiempo de levantamiento (ns) Responsitividad (A/W) Corriente de oscuridad (na) Ganancia Silicio Germanio Ingaes Diciembre del

38 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo Fototransistores Un fototransistor es una combinación integrada de fotodiodo y transistor bipolar sensible a la luz donde la base recibe la radiación óptica. Existen transistores de efecto de campo FET, que son muy sensibles a la luz. La corriente inducida por el efecto fotoeléctrico es la corriente de base del transistor. El fototransistor no solo convierte la luz en una señal eléctrica, sino que también la amplifica. A causa de esta amplificación presenta mayor ganancia que un fotodiodo; sin embargo, es de un ancho de banda más limitado. Los fototransistores se construyen con silicio o germanio, similarmente a cualquier tipo de transistor bipolar, además se les adhieren otros materiales llamados impurezas o dopantes. Existen tanto fototransistores NPN como PNP. Debido a que la radiación es la que dispara la base del transistor, y no una corriente aplicada eléctricamente, usualmente la patilla correspondiente a la base no se incluye en el transistor. El método de construcción es el de difusión por medio del cual, los dopantes penetran la superficie sólida del silicio. Sobre una superficie sobre la cual ya ha ocurrido la difusión, se pueden realizar difusiones posteriores, creando capas de dopantes en el material. La parte exterior del fototransistor está hecha de un material llamado epoxy, que es una resina que permite el ingreso de radiación hacia la base del transistor. 2.3 Técnicas de multiplexación por división de longitud de onda WDM El ancho de banda de una conexión de fibra óptica se puede incrementar transmitiendo datos más rápidamente o transmitiendo diversas longitudes de onda en una única fibra, conocida como WDM. El WDM se consigue usando un multiplexor para combinar longitudes de onda viajando por diferentes fibras hacia una sola fibra. El receptor de la conexión utiliza un demultiplexor que separa las longitudes de onda y las dirige hacia diferentes fibras que finalizan en diferentes receptores. El espacio entre las longitudes de onda individuales transmitidas a través de la misma fibra sirve de base para diferenciar entre DWDM y CWDM. Diciembre del

39 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 30 Figura 25 Esquema de transmisión WDM En sus inicios la técnica de WDM usaba dos longitudes de onda extensamente espaciadas en las regiones de 1310 nm y 1550 nm, llamada WDM de banda amplia. La siguiente figura muestra esta simple configuración de WDM, donde una fibra se usa para transmitir y la otra para recibir. Figura 26 Transmisión en WDM A principios de 1990 surgió una segunda generación llamada WDM de banda estrecha, en la cual se usaban de 2 a 8 canales, los cuales fueron separados en un intervalo de 400 GHz en la ventana de 1550 nm. A mediados de 1990 emergió el sistema de DWDM con una capacidad de 16 a 40 canales con una separación de 100 a 200 GHz, y a finales de esa década el sistema se desarrolló al punto de soportar de 64 a 160 canales paralelos en intervalos de 50 a 25 GHz. Recientemente la técnica CWDM se ha convertido en una alternativa de bajo costo para las necesidades de transporte de información. El CWDM es cada vez más ampliamente Diciembre del

40 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 31 aceptado como una importante arquitectura de transporte. A diferencia de DWDM, los sistemas basados en tecnología CWDM usan láser de realimentación distribuida DBF no enfriado y fibra óptica de banda ancha. Estas tecnologías proporcionan varias ventajas a los sistemas CWDM como un menor consumo energético, tamaño inferior y costos más bajos. La disponibilidad comercial de los sistemas CWDM que ofrecen estos beneficios hacen de esta tecnología una alternativa viable a los sistemas DWDM para muchas aplicaciones de redes de área metropolitana y redes de acceso. Los sistemas DWDM usan típicamente separaciones de longitudes de onda de 200 GHz (1.6nm), 100 GHz (0.8nm) o 50 GHz (0.4nm) con futuros sistemas en proyecto para tener incluso espacios más estrechos. Las longitudes de onda operativas en sistemas DWDM están definidas según una escala de frecuencias estandarizada, desarrollada por la Unión Internacional de Telecomunicación. Los lásers DBF se usan como fuentes en sistemas DWDM. La longitud de onda deriva aproximadamente 0.08nm/ºC con temperatura. Los lásers DBF se enfrían para estabilizar la longitud de onda y evitar que varíe fuera de la banda de los filtros de los multiplexores y los demultiplexores cuando la temperatura fluctúa en los sistemas DWDM. Los sistemas CWDM usan láser DBF sin peltier ni termistor. Son específicos para operar desde 0ºC hasta 70ºC con la longitud de onda del láser variando aproximadamente 6 nm sobre este rango. Esta longitud de onda varía acompañada de la variación de longitud de onda del láser hasta +/-3nm debido a los procesos de fabricación de éste, lo que produce una variación total de aproximadamente 12nm. La banda del filtro óptico y el espaciado entre canales tiene que ser suficientemente ancho para acomodar la variación del ancho de la portadora de los lásers no refrigerados de los sistemas CWDM. El espaciado entre portadoras de estos sistemas es típicamente de 20 nm. El sistema CWDM ofrece algunas ventajas claves sobre los sistemas DWDM para aplicaciones que requieren hasta 18 o menos canales. Estos beneficios incluyen costos, requerimientos de energía y espacio. Diciembre del

41 IE-0502 Desarrollo de un sistema CWDM comunicador de voz por fibra óptica multimodo 32 CAPÍTULO 3: Enlace de comunicación óptico IFO 3.1 Enlace de voz óptico para fibra óptica de plástico Este sistema consta de dos terminales cada una con un transmisor y un receptor por medio de los cuales se establece una comunicación punto a punto. Cabe resaltar que para establecer una comunicación entre dos individuos se necesitan dos canales de transmisión, debido a que el receptor y el emisor de cada terminal están separados, es decir, se necesitan dos fibras ópticas para enlazar cada pareja emisor-receptor del sistema. Figura 27 Enlace punto a punto mediante dos fibras ópticas de plástico A continuación se analizarán cada una de las etapas del circuito transmisor y el circuito receptor Transmisor Un simple transmisor óptico está formado típicamente por un buffer, un amplificador y una fuente óptica. El seguidor de voltaje provee una conexión eléctrica y un aislamiento entre el amplificador y el sistema eléctrico que suple los datos. La señal de salida del amplificador alimenta al LED que genera el patrón de datos recibidos en una señal óptica. Diciembre del