DPTO. ELECTRÓNICA, AUTOMÁTICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL. OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 1

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1 DPTO. ELECTRÓNICA, AUTOMÁTICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 1

2 Tema 2 FIBRAS ÓPTICAS 2.1. Introducción La aparición de la fibra óptica Transmisión básica Ventajas y desventajas de los sistemas de comunicación por fibra óptica Aplicaciones de las fibras ópticas 2.2. Principios físicos del conductor de fibra óptica El espectro electromagnético Propagación de la luz Reflexión total 2.3. Estructura de una fibra Composición de una fibra óptica Transmisión de la luz en una fibra Fibras ópticas 2.4. Perfiles de los conductores de fibra óptica Perfil escalonado Perfil gradual Perfil múltiple OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 2

3 Tema 2 FIBRAS ÓPTICAS 2.5. Dispersión Distorsión modal Dispersión del material Dispersión de guía - onda 2.6. Atenuación en las fibras ópticas Mecanismos intrínsecos Mecanismos extrínsecos Características de la atenuación 2.7. Conexión de fibras ópticas Pérdidas intrínsecas Pérdidas extrínsecas 2.9. Cable de fibras ópticas OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 3

4 FIBRAS ÓPTICAS OBJETIVO Se hace el estudio de cómo se propaga la luz por el interior de una fibra. Se analizan los distintos tipos de fibras existentes y se muestran sus propiedades físicas. Se plantean los fenómenos de dispersión que conducen a limitaciones en la velocidad de transmisión de señales. Se muestran algunas de las propiedades que tienen las uniones entre fibra y los tipos de pérdidas que pueden surgir al unir distintas fibras entre sí o a otros componentes optoelectónicos OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 4

5 Transmisión básica OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 5

6 Aplicación Sistema de comunicación óptica Pulsos luminosos Codificador Fuente de luz Fibra óptica Circuitos de conmutación Repetidores Pulsos luminosos Detector y amplificador Regenerador Decodifi cador OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 6

7 Ventajas y desventajas de los sistemas de comunicación por fibra óptica Ventajas Ancho de banda Versatilidad (datos, voz, video) Protección de la información e inmunidad ante las interferencias. Seguridad Características físicas Materias primas. Mantenimiento Aislamiento eléctrico Baja distorsión Bajas pérdidas Expansión Desventajas Repetidores para el cobre Repetidores para el cobre Conversión electro-óptica Caminos homogéneos Instalación especial Reparación Tecnología. Costo de los equipos Repetidores para la fibra óptica OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 7

8 Capacidad de transmisión Multiplexado por división en el tiempo. TDM Transmisión por satélite Cable coaxial Fibra óptica Capacidad potencial inexplorada Capacidad de transmisión (bps) Cable trenzado (cables telefónicos) Capacidad de principios de los noventa Capacidad necesaria para: Llamada telefónica: 64 Kbps Canal de TV: 100 Mbps Transmisión de música: 620 Kbps Velocidad de modulación del LED < 5 GHz Velocidad de modulación de Laser < 30 GHz OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 8

9 Aplicaciones de la fibra óptica Internet Redes Telefonía Otras aplicaciones OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 9

10 Redes OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 10

11 El espectro electromagnético OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 11

12 c = λf θ t Transmitida Luz refractada k t n 2 Onda evanescente k i n > n θ 1 2 i θ i k r θ c θ c θ i >θ c Luz incidente Luz reflectada (a (b) (c) ) θ i < θ c θ i = θ c θ i > θ c Reflexión interna total TIR La luz que va de un medio mas denso a otro menos denso, dependiendo del ángulo de incidencia θ i respecto del ángulo crítico θ C, el cual está determinado por la relación de los índices de refracción, puede ser transmitida (refractada) o reflejada TIR OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 12

13 Construcción de una fibra óptica El material empleado en núcleo y revestimiento es vidrio (sílice o plástico). El recubrimiento es de plástico No se puede separar núcleo y revestimiento con herramientas mecánicas El núcleo tiene un índice de refracción un poco mayor que el del revestimiento OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 13

14 F.O. multimodo de salto de índice Tipos de fibras ópticas F.O. monomodo de salto de índice F.O. multimodo de gradiente de índice OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 14

15 Tipos de fibras ópticas Fibra monomodo Fibra multimodo OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 15

16 Guía de ondas plana Luz Luz Luz n 2 n 2 Luz n 1 > n 2 Una guía plana de ondas tiene una región central rectangular de índice de refracción n 1, entre dos regiones de índice de refracción n 2, de forma tal que n 1 > n 2 Se considera que la guía onda es una lámina dieléctrica planoparalela, infinita y delgada. Está iluminada por un extremo con una fuente de luz monocromática OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 16

17 a) Fibra sin recubrimiento Teoría de rayos ϕ ϕ b) Fibra recubierta ϕ m ϕ m OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 17

18 Ángulo de máx aceptancia Rayo perdido n 2 θ < θ c B cubierta Rayo parcialmente perdido n 0 n 1 θ > θ c Rayo guiado σ < σ m Eje de la fibra núcleo A A B σ > σ m El ángulo de máxima aceptación σ m a la entrada de la fibra, define un cono de revolución alrededor del eje z, de forma que todo rayo que se inyecte a la fibra dentro de él será guiado por la fibra. Cualquier rayo (A) que cumpla que σ < σ m, será guiado por la fibra, mientras que los rayos (B) que entren con un ángulo σ > σ m penetrará en la cubierta y se perderá. OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 18

19 Trayectorias de los rayos para los dos extremos del ángulo de aceptancia n 2 cubierta σ=0 σ σ m n 0 n 1 θ θ C ϕ m Eje de la fibra Rayo guiado núcleo θ θ c L/cos ϕ m L π ϕ m = θ C 2 A B σ σ m OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 19

20 Guía de ondas plana λ B Luz n 2 y κ E θ k 1 A β θ θ d=2a n 1 x z C n 2 La propagación de las ondas en un medio homogéneo e isótropo se suele representar por una línea recta que indica la dirección de propagación de la energía (línea roja). Esta dirección es perpendicular a las superficies de igual fase de onda que se propaga y a estas superficies se les llama frentes de onda (líneas puntos azules) OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 20

21 Rayos paralelos que se reflejan múltiples veces dentro de una guía de ondas plana Dos ondas arbitrarias que están inicialmente en fase, pueden permanecer en fase después de múltiples reflexiones. En el caso de que no permanezcan en fase, la superposición de las ondas dará lugar a interferencias destructivas. La energía luminosa es cada vez menor y no se propaga a través de la guía. OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 21

22 Obtención gráfica de modos en una guía de ondas Cálculo realizado para d/λ 0 =1,2, n 1 =1,6, n 2 =1,39 y polarización perperdicular al plano de incidencia OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 22

23 Campos TE y TM (a) Modo TE (b) Modo TM y B // B y θ θ E // E y θ θ B z E E z B O z x (hacia dentro del papel) Los modos pueden ser clasificador en como (a) campo transversal eléctrico (TE) y (b) campo transversal magnético (TM) OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 23

24 Diagrama β- ω kn 1 kn 2 Los modos guiados pueden visualizarse gráficamente en un diagrama de la constante de propagación β frente a la frecuencia ω. Las curvas de los distintos modos aparecen delimitadas por dos rectas, por encima de kn 1 existe una zona prohibida y por debajo de kn 2 los modos dejan de ser guiados y aparece una zona de modos radiativos. OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 24

25 Modos para una guía de ondas plana tan(ak 1 cosθ m mπ/2) m =1 m =0 f(θ m ) θ c θ m OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 25

26 Interferencias entre dos ondas A n 2 Centro de la guía 1 E 2 θ k θ A C a y y π 2θ a x y z OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 26

27 Distribución de los modos TE y Campo de onda evanescente (cae exponencialmente) n 2 cubierta Campo de la guía de ondas E(y) E(y,z,t) = E(y)cos(ω t β 0 z) m= 0 m= 1 m= 2 núcleo 2a n 1 Luz n 2 cubierta Modelo del campo eléctrico TE de los tres primeros modos (m=0,1,2) de las ondas a lo largo de la fibra óptica. Obsérvese la diferencia en la penetración del campo dentro de la cubierta OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 27

28 Propagación de la luz en la guía de ondas Modo de orden mayor Modo de orden menor Pulso de luz Cubierta Intensidad Núcleo Ensanchamiento del pulso de luz Intensidad Axial Δτ 0 t t En la propagación de la luz en una guía de ondas, el puso entrante a la guía se separa en distintos modos que se propagan en la guía a distintas velocidades. Al final de la guía, los modos se combinan para constituir el pulso de la luz de salida el cual es más ancho que el de entrada OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 28

29 Fibra monomodo y multimodo Fibra monomodo o MMF 10 μm 125 μm Fibra multimodo o SMF Solamente se puede propagar un modo No existe dispersión modal Transmisión monomodo solamente cuando λ > λc 125 μm 50 μm cubierta recubrimiento Un modo curso de un rayo en una fibra óptica Cada modo = cierta cantidad de energía óptica Una fibra multimodo puede contener más de 1000 modos (número de modos M V 2 /2) OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 29

30 Tipos de perfiles g =1: perfil triangular g = 2: perfil parabólico g : perfil escalonado La propagación de los modos en el conductor de fibra óptica depende de la forma del perfil de índice de refracción n = n ( r ), que presenta una variación que es función exponencial del radio: n ( r ) = n r 1 1 2Δ a n ( r ) = n 2 = cte para r < a para r > a OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 30 g

31 Rayos meridionales y oblicuos Los rayos meridionales son aquellos que se propagan en el plano que contiene el eje central de la guía de fibra óptica Los rayos oblicuos o skew se transmiten formando trayectorias helicoidales, no se propagan en un único plano OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 31

32 Modos naturales e híbridos Conjunto de patrones de campo llamados modos naturales que pueden ser completamente transversales (TE y TM) o pueden tener componentes longitudinales (modos híbridos HE y EH). Los modos naturales no existen en el interior de la fibra sino que se combinan dando lugar a los modos linealmente polarizados OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 32

33 Modos en una fibra índice de modo de un cierto modo: n = OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 33 β k 0

34 Modos linealmente polarizados en una fibra Conducción débil cuando Δ << 1: Los modos en el núcleo se comportan como ondas TEM Resolviendo las ecuaciones de Maxwell, suponiendo que E z y H z 0: modos linealmente polarizados LP. (LP 01 =HE 11 ) (a) Campo eléctrico del modo fundamental (b) Intensidad del modo fundamental LP 01 (c) Intensidad del LP 11 (d) Intensidad del LP 21 núcleo cubierta E E 01 r Distribución del campo eléctrico del modo fundamental en el plano transversal al eje z de la fibra. La intensidad es mayor en el centro de la fibra OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 34

35 Constante de propagación normalizada b vs V 1 b b = ( β k) n n n LP 01 LP 11 LP 21 LP V Constante de propagación normalizada b, en función del parámetro V para un fibra de salto de índice y varios modos LP OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 35

36 F.O. de perfil escalonado o salto de índice La fibra óptica de perfil escalonado o salto de índice mantiene un índice de refracción constante tanto en el núcleo como en el revestimiento. 2 Número total de modos: V M = 2 OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 36

37 Dispersión modal en una fibra de salto de índice OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 37

38 Fibra óptica de índice gradual Un perfil gradual o perfil exponencial con exponente g = 2 se define por: n ( r ) = n r 1 1 2Δ a n ( r ) = n 2 = cte V Número total de modos: M = 4 para r < a para r > a OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 38 g 2

39 Diagrama fase-espacio F.O.con perfil gradual F.O. perfil escalonado OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 39

40 Dispersión cromática M(λ) en función de la longitud de onda λ para una F.O monomodo M(λ) ps nm Km λ(nm) 1 sin desplazamiento de la dispersión 2 con desplazamiento de la dispersión 3 con dispersión plana OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 40

41 Perfiles de F.O monomodo Clase 1 sin desplazamiento de la dispersión Perfil escalonado normal Escalonado con índice de refracción rebajado en el recubrimiento Clase 2 con desplazamiento de la dispersión Clase 3 con dispersión plana Perfil segmentado con núcleo triangular Perfil triangular Segmentado con doble escalón del índice de refracción en el recubrimiento Perfil segmentado con cuatro escalones del OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 Perfil W índice de refracción en el recubrimiento 41

42 Dispersión Emisor Entrada Pulsos de luz muy estrechos Cubierta v g (λ 1 ) Núcleo v g (λ 2 ) Salida Intensidad Intensidad Intensidad Espectro, Δλ Ensanchamiento Δτ λ λ λ 1 o 2 λ 0 t τ t Todas las fuentes de excitación son inherentemente no-monocromáticas y emiten dentro de un espectro Δλ de longitudes de onda. Las ondas con diferentes longitudes de onda en el vacío viajan a diferentes velocidades de propagación debido a la dependencia de la longitud de onda con el índice de refracción n 1. Las ondas llegan al final de la fibra en tiempos diferentes y el pulso de salida se ensancha OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 42

43 Dispersión temporal OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 43

44 Dispersión Δτ total = Δτ 2 mod + Δτ 2 cr = Δτ 2 mod + ( Δτ + Δτ ) 2 m g OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 44

45 Coeficiente de dispersión Coeficiente de dispersión (ps-km -1 nm -1 ) D m D m +D w 0-10 λ 0 D w λ(μm) Coeficiente de dispersión del material D m para una F.O cuyo núcleo es de Si O 2, coeficiente de dispersión de la guía onda D w para a =4,2μm y coeficiente de dispersión cromática D cr = D m + D w, función de la longitud de onda en el espacio libre λ OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 45

46 Dispersión de guía onda y y Cubierta λ 1 > λ c λ 2 > λ 1 v g1 Núcleo v g2 > v g1 ω 1 < ω cut-of f ω 2 < ω 1 E(y) Cubierta Cuanto mayor es λ, tanto mas se incrementa la penetración desde el núcleo al recubrimiento del modo fundamental LP 01. Por tanto una fracción luminosa del modo fundamental se propaga por el recubrimiento en el que n 2 <n 1, dando una mayor velocidad de este modo. OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 46

47 V[d 2 (bv)/dv 2 ] vs parámetro V para una fibra de salto de índice 1.5 Vd 2 dv (bv) Parámetro V OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 47

48 Dispersión de Modo Polarización (PMD) Las imperfecciones del núcleo provocan que diferentes polarizaciones de la misma longitud de onda viajen a diferente velocidad. Su efecto suele ser importante a partir de 5 Gb/s. Se mide en ps/km. n 1 x // x n 1 y // y E y Intensidad t Pulso de luz de salida z Δτ Núcleo E E y x E x Δτ = Extensión del pulso t E Pulso de luz de entrada Suponga que el índice refracción del núcleo tiene valores diferentes a lo largo de dos direcciones ortogonales que corresponden a la dirección de oscilación de campo eléctrico (las polarizaciones). Se pueden tomar los ejes x e y a lo largo de estas direcciones. Una luz de la entrada viajará a lo largo de la fibra con polarizaciones E X y E Y que tienen las velocidades de grupo diferentes y llega a la salida en los momentos diferentes OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 48

49 Atenuación Atenuación de la luz en la dirección de la propagación Intensidad del campo eléctrico y magnético decrece exponencialmente con z: E Medio k z Por consecuencia, el número de onda es complejo: k = β+jα α depende fuertemente de la longitud de onda OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 49

50 Absorción Causas de la atenuación Absorción UV (estimulación de electrones por fotones con UV) Absorción IR 10E10 db/km)(vibración de moléculas) Absorción por hidrógeno (OH-)(armónicos del Absorción por impurezas Esparcimiento (scattering): Rayleigh scattering (proporcional con λ -4 ) por fluctuaciones en la composición y anisotropía de vidrio No se puede evitar Dispersión (scattering) en todas direcciones Dependiente de la longitud de onda Defectos físicos Microcurvaturas (microbending): pequeñas irregularidades Macrocurvaturas (macrobending): R<R C OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 50

51 Atenuación 10 5 Atenuación de la fibra, db/km Scattering Rayleigh Absorción ultravioleta Pico de absorción -OH 1550 nm 1310 nm absorción infrarroja Longitud de onda (µm) Primera ventana de transmisión cercanías del infrarrojo (alrededor de 850 nm) Segunda ventana de transmisión 1,3 μm Perdidas de 0,5 a 1 db/km Tercera ventana de transmisión 1,55 μm Perdidas de ~ 0,2 db/km OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 51

52 Atenuación espectral OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 52

53 Sccattering de Rayleigh Partícula dieléctrica de dimensión menor que la longitud onda Onda incidente Onda de salida Onda dispersada Scattering Rayleigh debida a la polarización de una pequeña partícula dieléctrica de menor dimensión que la longitud de onda OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 53

54 Absorción por presencia de impurezas db/km ,8 0,95 1,0 1,2 1,38 1,6 Longitud de onda (μm) OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 54

55 Atenuación en fibra óptica 2,0 Primera ventana 0,85 μm Segunda ventana 1,30 μm Tercera ventana 1,55 μm Cuarta ventana 1,62 μm 1,8 Atenuación (db/km) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 Los picos corresponden a absorción producida por el ión hidroxilo, OH - OH - OH - OH - 0,2 Luz visible 0 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 Luz infrarroja Longitud de onda (μm) Uso de WDM OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 55

56 Pérdidas por curvaturas Macrocurvatura : radio de curvatura muy superior a las dimensiones del núcleo Microcurvatura : radio de curvatura comparable a las dimensiones del núcleo de la fibra. OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 56

57 Pérdidas por curvatura OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 57

58 Ventanas de la Fibra Óptica La aplicación determinará el tipo de ventana. La fibra óptica no es igualmente transparente a todas las λ (longitudes de onda); hay cuatro ventanas en las que es más transparente: Ventana 1ª 2ª (banda S) 3ª (banda C) λ (nm) Atenuac. (db/km) 2,3 0,5 0,28 Alcance (Km) Costo optoelectrónica Medio Elevado LAN (GE) LAN (GE, 10GE), WAN (SONET) LAN (GE, 10GE), WAN (SONET,WDM) GE: Gigabit Ethernet 10GE: 10 Gigabit Ethernet Ethernet (también conocido como estándar IEEE 802.3) es un estándar de transmisión de datos para redes de área local WDM: multiplexación por división de longitud de onda SONET: red óptica síncrona OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 58 Bajo Usos

59 Distancia máxima entre segmentos Longitud de onda Tipo de fibra núcleo/cubierta Máxima distancia entre segmentos (Km) 0,1 0, Aplicación 850 nm 1310 nm 1550 nm 100/140μm 85/125μm 52,5/125μm 50/125μm 62,5/125μm 60/125μm 9/125μm 9/125μm Multimodo Monomodo Telecomunicaciones LAN Industria OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 59

60 Pérdidas intrínsecas Radios de núcleos diferentes Aperturas numéricas diferentes Perfiles de índice diferentes OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 60

61 Pérdidas extrínsecas Desalineamiento lateral Área común Núcleo de la fibra receptora Núcleo de la fibra emisora Desalineamiento longitudinal Desalineamiento angular OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 61

62 Elementos generales de un cable de F.O Tipos de revestimiento Elementos estructurales OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 62

63 Cables comerciales OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 63

64 Fibra Multimodo Fibra Multimodo, 4 Filamentos para interiores cubierta PVC. Fibra Multimodo, 12 a 144 filamentos con armadura de acero para exteriores. OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 64

65 Fibra Monomodo de enlace Fibra Monomodo, tipo Jumper duplex (2 filamentos) Diagrama transversal OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 65

66 Cables TKT y PKP OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 66

67 Problema 1 OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 67

68 Problema 2 OPTOELECTRÓNICA-ELAI - Tema 2 68