Qué causa la distorsión de los pulsos de entrada?

Transcripción

1 250 Distorsión en Fibras Opticas: En todas las fibras ópticas ocurre la distorsión de los pulsos de entrada. Esto es, los pulsos de entrada se ensanchan al pasar a través de la fibra, llegando al punto extremo que puede aumentar el intersymbol interference (ISI). Qué causa la distorsión de los pulsos de entrada? Tal y como muestra la anterior figura, la luz que entra a la fibra tiene múltiples modos de propagación, unos de bajo orden y otros de alto orden.

2 251 Como los modos de alto orden rebotan más veces antes de llegar al punto final, recorren una mayor distancia y se demorarán en llegar un poco de tiempo más que los modos de bajo orden. Esto es, los modos de bajo orden llegan antes que los modos de alto orden. Por esto es que los pulsos se distorsionan. Cuando hay varios pulsos al éstos ensancharse es posible que el receiver experimente intersymbol interference (ISI) y se confunda al discriminar entre 0 s y 1 s. A mayor velocidad de transmisión (i.e. mayor bit rate), mayor será la distorsión producida por la fibra óptica. Mucho más que la atenuación, la distorsión es un factor mucho más importante al limitar la velocidad máxima de transmisión en una fibra óptica. La distorsión es más fuerte en los multimode step index fiber que en los graded index fiber y no existe en los single mode fibers.

3 252 Dispersión en Fibra Optica: Además de la distorsión, al igual que todas las líneas de transmisión, la fibra óptica también presenta dispersión. Esto es, que no todos los componentes de frecuencia, o no todos los largos de onda, viajan o se propagan a la misma velocidad a través del medio. La dispersión, al igual que la distorsión, hace que los pulsos de entrada se ensanchen. Contrario a la distorsión, la dispersión afecta a todos los tipos de fibra, incluyendo las single mode. Existen 3 mecanismos de dispersión en la fibra óptica: material dispersion, waveguide dispersion, y chromatic dispersion. Material Dispersion: La velocidad de la luz a través de un medio como una fibra óptica es función del índice de refracción. Mientras más alto sea el índice de refracción, más lento viaja el haz de luz. El índice de refracción a su vez es función del largo de onda. La luz que se le inyecta a una fibra óptica nunca a va ser completamente pura a un sólo largo de onda. Siempre va a ocupar una banda de largos de onda.

4 253 Por supuesto, si utilizamos como transmisor un laser, el cual va a tener una mayor pureza espectral de largos de onda que un light emitting diode (LED), entonces podemos reducir el componente de material dispersion. Waveguide Dispersion: Para cada frecuencia (o largo de onda), la velocidad de la luz varía con la geometría de la guía de onda. Esto es, por cuestiones estrictamente geométrica, para cada largo de onda la velocidad tiene variaciones en función de la geometría de la fibra. Este efecto hace que se ensanchen los pulsos. Sin embargo, este efecto no es tan importante como el de material dispersion. Chromatic Dispersion: Toda fuente de luz, aún la de los lasers, incluirá múltiples largos de onda. Cada largo de onda viaja a una velocidad distinta, produciendo el chromatic dispersion. En las fibra single mode hay una banda de largos de onda, entre los 1300 nm y los 1600 nm en que el material dispersion y el waveguide dispersion son iguales en magnitud y opuestos en amplitud, produciendo una dispersión total que se aproxima a cero. Estas son las regiones típicas de operación para las fibras ópticas single mode.

5 254 Atenuación en la Fibra Optica: Hay dos mecanismos de atenuación. Estos son absorbción y scattering. Ocurre absorbción cuando la luz cambia a calor dentro del core de la fibra. Esto es causado por impurezas y la presencia de iones en las fibras, aún en las más puras de cristal. Ocurre scattering cuando del core se escapa energía de luz. Esto es causado por variaciones en la densidad y composición de los materiales en el core. Las pérdidas por absorbción y scattering se minimizan en la ventana comprendida entre los 1300 y los 1500 nm de largo de onda. Es muy conveniente que en esta misma ventana de largos de onda también se minimiza la dispersión en las fibras single mode. Tipos de Fibra Optica: Hay 3 clasificaciones principales para las fibras ópticas: a. multimode, step-index b. multimode, graded-index c. single-mode

6 255 En los multimode step index fibers la transición en índice de refracción entre el core y el cladding es abrupta. Esto es, no es una transición gradual. El core es de un índice de refracción más alto que el del cladding. La transición entre índices de refracción se asemeja a un salto unitario (i.e. step function). Los graded index fibers tienen una transición gradual en el índice de refracción al ir del core al cladding. El índice de refracción disminuye en forma continua según aumenta la distancia radial desde el centro del core. Según muestra la figura, la variación en el índice de refracción es en forma parabólica.

7 256 En la figura también se puede observar cómo los rayos de luz se van curveando según cambia el índice de refracción del medio. El graded-index fiber presenta menos distorsión que el step-index fiber. Los rayos de luz recorren una mayor distancia, pero dada la disminución en el índice de refracción según se alejan del centro del core, viajan más rápido. En la fibra óptica single mode tan sólo hay un modo de propagación. Para lograrlo, el numerical aperture tiene que ser menor, resultando en una fibra óptica más cara, pero con la ventaja que ofrece menor distorsión, permite aumentar el bit rate, y lograr una mayor separación entre repetidores. A altos bit rates es afectada por el chromatic dispersion en donde los distintos componentes de largos de onda viajan a distintas velocidades. Generalmente se utiliza fibra óptica single mode para aplicaciones de video y para circuitos de larga distancia.