Dr. Charles K. Kao premio Nobel de Fisica 2009: El nacimiento de las comunicaciones por fibra óptica.

Transcripción

1 Dr. Charles K. Kao premio Nobel de Fisica 2009: El nacimiento de las comunicaciones por fibra óptica. José Luis Cruz. Facultad de Física. F 11 de Febrero de

2 Nobel 2

3 Nacido en Shanghai en Doctorado en Ingeniería Eléctrica por el University College (Londres 1965) como estudiante externo de los laboratorios de la Standard Telephones and Cables Company (actual NORTEL). Profesor del Departamento de Electrónica de la Chinese University of Hong Kong en ITT Corporation en Vicechancellor of Chinese University of Hong Kong 1987 a

4 Las comunicaciones. Medio de Transporte + Información 4

5 Medio de transporte: Ondas Electromagnéticas. ticas. V= Km/s Una vuelta a la tierra por el ecuador en 0.13 segundos 5

6 La Información Información analógica Amplitud información analogica -moduladora- 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, TIEMPO Onda electromagnética AMPLITUD CAMPOS 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6 Información digital -0,8-1, TIEMPO Amplitud información Digital -moduladora- 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Tiempo 6

7 Modulación: Amplitud modulada Frecuencia Modulada (también fase) 1,0 0,5 Analógica FM analógica 0,0-0,5-1, Tiempo 1,0 1,0 0,5 0,5 Digital AM digital 0,0-0,5 FM digital 0,0-0,5-1,0-1, Tiempo Tiempo 7

8 Espectro de frecuencias: Onda sin modular: 1,0 0,8 AMPLITUD CAMPOS 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6 Transformada Fourrier ω 0 Frecuencia de la onda. -0,8-1, TIEMPO ω 0 ω Onda modulada: ω 0 Ω ω 0 ω 0 +Ω ω ω 0 Frecuencia de la portadora. Ω Frecuencia de la moduladora Ancho de banda 8

9 Bloques de un sistema de comunicación: Generador Modulador Guía ondas Detector 1,0 0,8 AMPLITUD CAMPOS 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6 1,0-0,8-1,0 0,8 Amplitud información Digital -moduladora ,6 TIEMPO 0,4 0,2 0, Tiempo V~ Km/s AM digital 1,0 0,5 0,0-0,5-1, Tiempo Tiempo Amplitud información Digital -moduladora- 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 9

10 Retos un sistema de comunicación: Llevar la información lo más lejos posible. Transportar la mayor cantidad de información posible. 10

11 Limitaciones de las guías : 1º Atenuación: α E r ( z, t) = E r o e e α z j( ωt β ( ω) z) Guía ondas z Señal Ruido 11

12 2º Dispersión: β(ω) E r ( z, t) = E r o e e α z j( ωt β ( ω) z) ω 0 Ω ω 0 ω 0 +Ω ω β(ω 0 Ω) β(ω 0 ) β(ω 0 +Ω) Diferentes frecuencias ω 0 Ω ω 0 ω 0 +Ω Diferentes retrasos de grupo (tiempo de transito) τ(ω 0 Ω) τ(ω 0 ) τ(ω 0 +Ω) Guía ondas Detector z 12

13 1966 Propuesta de Charles Kao: 1º Llevar la portadora a frecuencia ópticas del espectro. J. Lytollis, K.O. Kao, G.I. Turner, Infrared Optical Communication systems, Infrared Physics, 1968, 8, pp , Standar telecocom laboratoies, UK 13

14 2º Usar como guía fibras ópticas de sílice fundida. K.O. Kao, G.A. Hockman, Dielectric fiber surface waveguides for optical frequencies, Proc. IEE, 1966, 133 (7), pp Standar telecocom laboratories, UK 14

15 Qué es la fibra óptica? Núcleo (SiO 2 +GeO 2 ) Cubierta (SiO 2 ) Fibra Índice Núcleo Cubierta Radio 15

16 10μm 125μm 16

17 1979 Primeras fibras de características modernas: Pequeñas pérdidas: Pequeña dispersión: 1.2μm 1.3μm 1.5μm 1.3μm 1.5μm T. Miya et al, Ultimate low-loss single-mode fibre at 1.55μm, Electronics Letters, 1979, 15, pp 106. (Nipon telegraph&telephone corporation, Tokay) J.P. Pocholle et al, Determination of modal dispersion in monomode fibers, Electronics Letters, 1983, 19, pp (Thomson-CSF, Orsay) 17

18 Pequeñas pérdidas: Pequeña dispersión: 1Gb/s P in = 1mW L = 50Km P out = 0 1mW Δt in =250ps 50Km Δt out =280ps 1 Gb/s 18

19 Origen de las pérdidas: O Modos vibracionales del Si0 2 y del Ge0 2 O Si/ Ge O O Modos vibracionales del grupo OH Si/ Ge O O O Difusion Rayleigh: Variaciones locales de la constante dieléctrica en el vidrio amorfo (1/λ 4 ) H O 19

20 Origen de la dispersión: Dispersión de la guía: las condiciones de contorno de los campos hacen β no sea lineal con ω. Dispersión del material: El índice de refración del vidrio es función de la frecuencia. Núcleo Cubierta β = ω μ ε ( 1 2 ( ω)/ V( ω ) 1/ 2 0 0n1 Δu ) n 1 = f ( ω) Dispersión total 20

21 Largas Distancias: Necesidad de amplificar. 21

22 Amplificadores de Fibra óptica: Fibras dopadas con tierras raras 22

23 Amplificación en fibra monomodo (Erbio): Bombeo 980nm Señal 1550nm Er 3+ 4 I 11/2 4 I 13/2 e - 4 I 15/2 23

24 Amplificación en comunicaciones: Bombeo Señal amplificada Señal de entrada 1550nm 50Km fibra telecomunicación 4m fibra amplificadora 50Km fibra telecomunicación 24

25 Largas Distancias: Necesidad de compensar dispersion. 25

26 Fibra estándar de telecomunicación: Índice Núcleo Cubierta Dispersión Estándar Radio 1.30μm 1.55μm Fibra de dispersión desplazada: Índice Núcleo Anillo Cubierta Dispersión Estándar Dispersion desplazada Radio μm 1.55μm

27 Fibra compensadora de dispersión: Índice Núcleo Anillo Cubierta Dispersión Estándar Dispersion desplazada Compensadora Radio 1.55μm 1.60μm 27

28 Compensación de dispersion en comunicaciones: Bits de entrada 1550nm Bits deformados 50Km fibra dispersion positiva Bits reformados ~10Km fibra dispersion negativa 50Km fibra dispersion positiva 28

29 Incrementando la capacidad de datos: Banda de amplificación del Erbio Multiplexación en longitud de onda: Dispersión Atenuación Dispersión Atenuación ~30 nm ~0 1nm Longitud de Onda Longitud de Onda Múltiples canales 29 Evitar dispersión cero

30 Claves en la comunicación por fibra: Pocas pérdidas. Pequeña dispersión. Amplificación. Compensación de dispersión. Multiplexación en longitud de onda. 30

31 TAT-14 Cable System Operativo desde 2001 Longitud Km. Dos rutas (Norte y Sur). Cuatro pares de fibra por ruta. 40 canales por fibra G=3 2Tb/s 10=Gb/s por canal. 31

32 Cronología y Futuro: 32

33 Fibras para el futuro: Fibras micorestructuradas 33

34 Otros desarrollos: Laseres de Fibra Diodo de bombeo hν WDM Red de Bragg 99% Red de Bragg 10% Fibra dopada con Tierras Raras (Er, Yb, Nd, Ho ) Emision laser hν Laseres de Potencia Laseres de Pulsados 34

35 Gracias por su atención. 35