TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN DE SEÑALES A TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN DE SEÑALES A TRAVÉS DE FIBRA ÓPTICATRAVÉS DE FIBRA ÓPTICA

TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN DE SEÑALES A TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN DE SEÑALES A TRAVÉS DE FIBRA ÓPTICATRAVÉS DE FIBRA ÓPTICA

Tx: transmisor óptico (LED o Diodo Laser)Tx: transmisor óptico (LED o Diodo Laser)

Rx: receptor óptico (Diodo PIN o APD)Rx: receptor óptico (Diodo PIN o APD)

R: regeneradorR: regenerador

RR

TxTxEmpalmeEmpalme EmpalmeEmpalme

RxRxRxRx TxTx

FibraFibra FibraFibra FibraFibra FibraFibra

REPETIDORREPETIDOR

VENTAJAS DE LA FIBRAVENTAJAS DE LA FIBRAVENTAJAS DE LA FIBRAVENTAJAS DE LA FIBRA

•Bajas pérdidas de transmisiónBajas pérdidas de transmisión

•Amplio Ancho de BandaAmplio Ancho de Banda

•Inmunidad a la interferencias electromagnéticasInmunidad a la interferencias electromagnéticas

•Aislamiento conductivoAislamiento conductivo

•Bajo peso y dimensiones reducidasBajo peso y dimensiones reducidas

ÓPTICA GEOMÉTRICAÓPTICA GEOMÉTRICAÓPTICA GEOMÉTRICAÓPTICA GEOMÉTRICA

norm

norm

al

al

22

norm

norm

al

al

cc

NormalNormal al plano de separación de los medios al plano de separación de los medios

norm

norm

al

al

11>> cc 33

Ley de Snell:Ley de Snell:

1 sin 1 2 sin 2

11> > 22

2222 22

11< < 22

Ángulo crítico:Ángulo crítico: Reflexión total:Reflexión total:

sin c 2

1

11<< cc

1 3

: índice de refracción relativo al vacío: índice de refracción relativo al vacío

c

vf

11> > 22 11> > 22

22

11

22

CONO DE ACEPTACIÓNCONO DE ACEPTACIÓNCONO DE ACEPTACIÓNCONO DE ACEPTACIÓN

0 (< 1)

1 (> 2)

2

Normal a la Normal a la frontera núcleo-recubrimientofrontera núcleo-recubrimiento

Norm

al a la

Norm

al a la

fron

tera

air

e-

fron

tera

air

e-

nú

cle

on

úcle

o

AA

BB

núcleonúcleo

recubrimientorecubrimiento

CC

Sección Sección inicial de la inicial de la

fibrafibra

c

2

1

12 2

2

Triángulo (ficticio) que representa la relación entre índices de refracción y ángulo crítico

sin c 2

1

0máx

Cono de AceptaciónCono de Aceptación

cos c 1

2 22

1

Definición de ángulo crítico

sin 0máx 1

0cos c

0máx arcsin1

2 22

0

1 90º sin 0 1

0cos

0

1

APERTURA NUMÉRICAAPERTURA NUMÉRICAAPERTURA NUMÉRICAAPERTURA NUMÉRICA

Si la zona de inyección del haz de luz es aire, entonces Si la zona de inyección del haz de luz es aire, entonces 0 = 1 y la AN:

AN 12 2

2

sin 0máx 1

2 22

0

AN sin 0máx AN1

2 22

0

DIFERENCIA NORMALIZADA ENTRE LOS ÍNDICES DIFERENCIA NORMALIZADA ENTRE LOS ÍNDICES DE REFRACCIÓN DEL NÚCLEO Y DEL DE REFRACCIÓN DEL NÚCLEO Y DEL

RECUBRIMIENTORECUBRIMIENTO

DIFERENCIA NORMALIZADA ENTRE LOS ÍNDICES DIFERENCIA NORMALIZADA ENTRE LOS ÍNDICES DE REFRACCIÓN DEL NÚCLEO Y DEL DE REFRACCIÓN DEL NÚCLEO Y DEL

RECUBRIMIENTORECUBRIMIENTO

n1 n2

n1

TIPOS DE FIBRATIPOS DE FIBRATIPOS DE FIBRATIPOS DE FIBRA

dndn dndn

drdr drdr

dcdc dcdc

0

1

0

12

0

1

2

3

0

1

2

3

0máx

0

1

2

3

ÍNDICE ESCALONADO E ÍNDICE GRADUALÍNDICE ESCALONADO E ÍNDICE GRADUALÍNDICE ESCALONADO E ÍNDICE GRADUALÍNDICE ESCALONADO E ÍNDICE GRADUAL

MODOS DE PROPAGACIÓNMODOS DE PROPAGACIÓNMODOS DE PROPAGACIÓNMODOS DE PROPAGACIÓN

Frente de onda

Frente de onda

Frente de onda

Frente de onda

n n (n entero positivo)

(n entero positivo)

AA

BBCC

DD

dd

n n = AB cos(2 = AB cos(2 ))

d = AB sin(d = AB sin() )

cos(2 cos(2 ) / sin() / sin() = n ) = n / d / d

PUNTO DE VISTA ÓPTICOPUNTO DE VISTA ÓPTICO

Solo los ángulos que que determinan valores de determinan valores de n enterosn enteros positivos determinarán modos que se propagan en la fibra

MODOS DE PROPAGACIÓNMODOS DE PROPAGACIÓNMODOS DE PROPAGACIÓNMODOS DE PROPAGACIÓN

PUNTO DE VISTA ELECTROMAGNÉTICOPUNTO DE VISTA ELECTROMAGNÉTICO

X

Y

Z

E

Hx

Onda TEM

XX

YY

ZZ

EEtt EEzz

HEHE1111 TETE00

11

TMTM00

11

Modos transversales Modos transversales (Primeros dos superiores)(Primeros dos superiores)

Modo híbrido Modo híbrido (dominante)(dominante)

EEtt EEzz

EEtt EEzz

Modos Transversales Eléctricos (TE): EModos Transversales Eléctricos (TE): Ett , H , Htt , H, Hzz

Modos transversales Magnéticos (TM): EModos transversales Magnéticos (TM): Ett , , EEzz, H, Htt

Modos Híbridos (HE o EH): EModos Híbridos (HE o EH): Ett , E , Ezz , H , Ht t , H, Hzz

Sección Sección de fase de fase

constantconstantee

MODOS DE PROPAGACIÓNMODOS DE PROPAGACIÓNMODOS DE PROPAGACIÓNMODOS DE PROPAGACIÓN

PUNTO DE VISTA ELECTROMAGNÉTICOPUNTO DE VISTA ELECTROMAGNÉTICO

FRECUENCIA DE CORTE FRECUENCIA DE CORTE

NORMALIZADA NORMALIZADA VV::

V d

1

2 22 V d

AN

Números Números nn de modos soportados de modos soportados por la fibra de índice escalonado por la fibra de índice escalonado

(solo V elevados) (solo V elevados)

nenteroV

2

2

FIBRA MONOMODO (se propaga sólo el modo FIBRA MONOMODO (se propaga sólo el modo dominante HEdominante HE1111))V < 2.405 : diámetro del núcleo muy pequeño, AN pequeña, V < 2.405 : diámetro del núcleo muy pequeño, AN pequeña, relativamente granderelativamente grande

0máx

PÉRDIDASPÉRDIDASPÉRDIDASPÉRDIDAS

1.1. Dispersión de Dispersión de RayleighRayleigh

2.2. Absorción Absorción ultravioletaultravioleta

3.3. Absorción infrarojaAbsorción infraroja

4.4. Absorción iónica Absorción iónica OHOH--

5.5. Modos dispersosModos dispersos

6.6. Acoplamiento Acoplamiento modalmodal

7.7. CurvaturasCurvaturas

1.1. Dispersión de Dispersión de RayleighRayleigh

2.2. Absorción Absorción ultravioletaultravioleta

3.3. Absorción infrarojaAbsorción infraroja

4.4. Absorción iónica Absorción iónica OHOH--

5.5. Modos dispersosModos dispersos

6.6. Acoplamiento Acoplamiento modalmodal

7.7. CurvaturasCurvaturas

0

1

2

3

4

5

6

7

o (m)

Ate

nu

ació

n (

dB

/km

)A

ten

uació

n (

dB

/km

)

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

Cola UV

Dispersión de Rayleigh

Resonancias OH-

Cola IR

ESPECTRO DE ATENUACIÓNESPECTRO DE ATENUACIÓNESPECTRO DE ATENUACIÓNESPECTRO DE ATENUACIÓN

0

1

2

3

4

5

6

7

o ( m)

Ate

nu

ació

n (

dB

/km

)A

ten

uació

n (

dB

/km

)

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

1540-1610 nm1540-1610 nm810-850 nm810-850 nm 1220-1340 nm1220-1340 nm

2

DIS

PER

SIÓ

N I

NTER

MO

DA

LD

ISP

ER

SIÓ

N I

NTER

MO

DA

LD

ISP

ER

SIÓ

N I

NTER

MO

DA

LD

ISP

ER

SIÓ

N I

NTER

MO

DA

L

00 tt

AA

tt00tt

A/2A/2

A/3A/3

A/6A/6

m1m1

m2m2

m3m3

tt00

tt

p A/2p A/2

pp A/3A/3

P A/6P A/6

m1m1

m2m2

m3m3

3

tt

00

tt ii

p Ap A

EnviadoEnviado RecibidoRecibido

ii = índice de dispersión intermodal = índice de dispersión intermodal

CÁLCULO DEL ÍNDICE DE DISPERSIÓN INTERMODALCÁLCULO DEL ÍNDICE DE DISPERSIÓN INTERMODAL

cc

AA

BBCC

dd

ABCB

sin c

AB CB CB1

sin c 1

zCB CB1 2

2

zCB CB

1

z z

1

z vf i

ie z1

c

1

Dispersión intermodal para fibra de índice escalonadoDispersión intermodal para fibra de índice escalonado2

ig

z 1

8cPara fibras de índice gradual:Para fibras de índice gradual:

Longitud total de la fibra = zLongitud total de la fibra = z

0.6 0.65 0.70

0.2

0.4

0.6

0.8

1

I ( )

((m)m)

=20 =20 nmm (200 (200 Å)Å)

DISPERSIÓN CROMÁTICA DISPERSIÓN CROMÁTICA c c : : mm , , ww

DISPERSIÓN CROMÁTICA DISPERSIÓN CROMÁTICA c c : : mm , , ww

mm DDmm

Dm z o

c

2nd

d

2

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 -2

00

-1

60

-1

20

-8

0

–40

0

4

0

Dm ps/nm–km

o ( m)

Silicio

puro

Silicio

puro

Silicio co

ntaminado

Silicio co

ntaminado

Dispersión del material Dispersión del material mm Dispersión del material Dispersión del material mm

I(I())

Dispersión de Guía de Onda Dispersión de Guía de Onda wwDispersión de Guía de Onda Dispersión de Guía de Onda ww

Para cualquier modo, las velocidades de las componentes frecuenciales en una fibra dependen del cociente:

En donde d es el diámetro del núcleo. Cualquier variación de (por el hecho que la fuente no es perfectamente monocromática) produce una variación de estas velocidades y por ende dispersión.

dd

DISPERSIÓN POR MODO DE POLARIZACIÓNDISPERSIÓN POR MODO DE POLARIZACIÓNPP

DISPERSIÓN POR MODO DE POLARIZACIÓNDISPERSIÓN POR MODO DE POLARIZACIÓNPP

En las fibras monomodo se propaga solamente el modo En las fibras monomodo se propaga solamente el modo HEHE1111 que sin embargo está constituido por dos modos que sin embargo está constituido por dos modos degenerados polarizados ortogonalmente. Estos modos degenerados polarizados ortogonalmente. Estos modos se propagan con la misma velocidad de grupo solo si la se propagan con la misma velocidad de grupo solo si la fibra es perfectamente circular. Cualquier desviación de fibra es perfectamente circular. Cualquier desviación de esta condición (por defectos de fabricación, esfuerzos esta condición (por defectos de fabricación, esfuerzos mecánicos, envejecimiento etc.) produce una mecánicos, envejecimiento etc.) produce una anisotropía del medio, en el sentido que este presentará anisotropía del medio, en el sentido que este presentará índices de refracción ligeramente diferentes según el índices de refracción ligeramente diferentes según el eje tranversal considerado. eje tranversal considerado. Los modos constituyentes el HELos modos constituyentes el HE1111 polarizados polarizados ortogonalmente entre sí según los ejes transversales, ortogonalmente entre sí según los ejes transversales, experimentarán índices de refracción diferentes y por experimentarán índices de refracción diferentes y por ende sus velocidades se diferenciarán, produciéndose ende sus velocidades se diferenciarán, produciéndose dispersión.dispersión.

DISPERSIÓN POR TIEMPO DE BAJADA DEL DISPERSIÓN POR TIEMPO DE BAJADA DEL TRANSMISOR Y DEL RECEPTORTRANSMISOR Y DEL RECEPTOR

TR TR RERE

DISPERSIÓN POR TIEMPO DE BAJADA DEL DISPERSIÓN POR TIEMPO DE BAJADA DEL TRANSMISOR Y DEL RECEPTORTRANSMISOR Y DEL RECEPTOR

TR TR RERE

00 tt

AA

DISPERSIÓN TOTALDISPERSIÓN TOTALDISPERSIÓN TOTALDISPERSIÓN TOTAL

p t( )

t

p t( )

t

tt

00

r

tt

11 1100UP-NRZUP-NRZ

En generalEn general, la dispersión debida a la fibra es, la dispersión debida a la fibra es::

f i2 c

2 p2 ps

km

La dispersión total, incluyendo los retardos de transmisor y receptor es:La dispersión total, incluyendo los retardos de transmisor y receptor es:

r 1.1 TR2 RE

2 f z 2 ps

MÁXIMA DISPERSIÓN PERMITIDA: 70% MÁXIMA DISPERSIÓN PERMITIDA: 70% MÁXIMA DISPERSIÓN PERMITIDA: 70% MÁXIMA DISPERSIÓN PERMITIDA: 70%

tt00

11 00UP-NRZUP-NRZ

máx=0.7 Tb

tt

=Tb

tt00

11 00UP-RZUP-RZ

máx=0.7 Tb/2

=Tb/2

Tb

tt

máxmáx=0.7/Vt=0.7/Vt

VtVtmáxmáx=0.7/ =0.7/

máxmáx=0.35/Vt=0.35/Vt

VtVtmáxmáx=0.35/ =0.35/

VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN x DISTANCIA (PVD)VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN x DISTANCIA (PVD)VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN x DISTANCIA (PVD)VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN x DISTANCIA (PVD)Es una Es una constanteconstante que se considera un factor de mérito de la fibra. que se considera un factor de mérito de la fibra.

DISEÑO DE UN ENLACE TÍPICODISEÑO DE UN ENLACE TÍPICODISEÑO DE UN ENLACE TÍPICODISEÑO DE UN ENLACE TÍPICO

RR

TxTxEmpalmeEmpalme EmpalmeEmpalme

RxRxRxRx TxTx

FibraFibra FibraFibra FibraFibra FibraFibra

REPETIDORREPETIDOR

ZZ

¿ Cuál es la máxima longitud ¿ Cuál es la máxima longitud ZZ del del enlace ? La limitación puede enlace ? La limitación puede depender de las pérdidas o de la depender de las pérdidas o de la dispersión del pulso (código RZ)dispersión del pulso (código RZ)Puerto ópticoPuerto óptico Puerto ópticoPuerto óptico

PVDPVD VVttx Zx Z

RZ (Slew Rate=50%)RZ (Slew Rate=50%)PVD0.35

f1 km

NRZNRZPVD0.70

f1 km

Balance de pérdidasBalance de pérdidas Balance de dispersión (RZ)Balance de dispersión (RZ)

PLD 0dBm

PAPD 37 dBm

GEDFA 30dB

Pop 6.75dB

Empalme 0.1dB

Pf 0.2dB

km

Margen 6dB

La fibra está disponible en rieles de La fibra está disponible en rieles de 1 km. Si llamamos 1 km. Si llamamos nn el número de el número de empalmes necesarios (que vienen a empalmes necesarios (que vienen a coincidir con los km, es decir Z), coincidir con los km, es decir Z), tenemos:tenemos:PAPDMargen PLD 2Pop Pf n Empalmen GEDFA

nn 158.33158.33

Z = 158 kmZ = 158 km

Vt 50Mb

s

1550nm

Gb

skmPVD 5

TR 200ps

RE 300ps

0.35

Vt 11.67ns

f0.35

PVD

ns f 0.07km

Z

2

1.12

TR2 RE

2

f2

ZZ 151.43151.43kmkm

(Potencia transmitida)

(Sensibilidad receptor)

(Ganancia Ampl.)

(Pérdidas puertosópticos)

(Pérdidas empalmes)

(Pérdidas fibra)

WDM (WDM (Wave División Wave División Multiplexing)Multiplexing)

WDM (WDM (Wave División Wave División Multiplexing)Multiplexing)

1980:1980: 2 canales2 canales1310 nm, 1550 nm1310 nm, 1550 nmWideband WDMWideband WDM

1990:1990: 2-8 canales2-8 canalesVentana 1530-1610 nmVentana 1530-1610 nmEspaciamiento 400 GHZEspaciamiento 400 GHZNarrowband WDMNarrowband WDM2.5 Gb/s por canal2.5 Gb/s por canal

1996:1996: 16-40 canales16-40 canalesVentana 1530-1610 nmVentana 1530-1610 nmEspaciamiento 100-200 Espaciamiento 100-200

GHzGHzDWDM (Dense WDM)DWDM (Dense WDM)2.5-10 Gb/s por canal2.5-10 Gb/s por canal

1999:1999: 64-160 canales64-160 canalesVentana 1530-1610 nmVentana 1530-1610 nmEspaciamiento 25-50 GHzEspaciamiento 25-50 GHzDWDM (Dense WDM)DWDM (Dense WDM)2.5-10 Gb/s por canal2.5-10 Gb/s por canal

200?:200?: 128-256 canales128-256 canalesUDWDM (Ultra Dense UDWDM (Ultra Dense

WDM)WDM)10-40 Gb/s por canal10-40 Gb/s por canal

MultiplexerMultiplexer Óptico Óptico

DemultiplexerDemultiplexer Óptico Óptico

ESTÁNDAR ITU G.692ESTÁNDAR ITU G.692Interfaces Ópticas para Sistemas Multicanal Interfaces Ópticas para Sistemas Multicanal

con Amplificadores Ópticos con Amplificadores Ópticos

ESTÁNDAR ITU G.692ESTÁNDAR ITU G.692Interfaces Ópticas para Sistemas Multicanal Interfaces Ópticas para Sistemas Multicanal

con Amplificadores Ópticos con Amplificadores Ópticos

• Rango: 1530-1565 nm Rango: 1530-1565 nm • Número de canales: 4-8-16-32Número de canales: 4-8-16-32• Espaciamiento mínimo 0,8 nm (Espaciamiento mínimo 0,8 nm ( 100 GHz) 100 GHz)• Se prohiben espaciamientos desiguales Se prohiben espaciamientos desiguales • Máxima distancia sin amplificadores: 160 Máxima distancia sin amplificadores: 160 kmkm• Máxima distancia con amp. ópticos: 640 Máxima distancia con amp. ópticos: 640 kmkm• de referencia: 1553,5 nm (193,1 THz)de referencia: 1553,5 nm (193,1 THz)• Canales de superv.: 1310-1480-1510-1532 Canales de superv.: 1310-1480-1510-1532 nmnm

1530 1534 1538 1542 1546 1550 1554 1558 1562

113232

11

3232 11.. .. 3232

MultiplexerMultiplexer

32 canales32 canales

0

1

2

3

4

o (m)

Ate

nu

ació

n (

dB

/km

)A

ten

uació

n (

dB

/km

)

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

1530-1610 nm1530-1610 nm

LOS 32 CANALES VISTOS CONTRA EL LOS 32 CANALES VISTOS CONTRA EL ESPECTRO DE ATENUACIÓN DE LA FIBRAESPECTRO DE ATENUACIÓN DE LA FIBRA

LOS 32 CANALES VISTOS CONTRA EL LOS 32 CANALES VISTOS CONTRA EL ESPECTRO DE ATENUACIÓN DE LA FIBRAESPECTRO DE ATENUACIÓN DE LA FIBRA

Suponiendo que cada canal transporta 2.5 Gb/seg, entonces la fibra en Suponiendo que cada canal transporta 2.5 Gb/seg, entonces la fibra en total transporta 2.5x32=80 Gb/s. total transporta 2.5x32=80 Gb/s. ¿ Cuántas conversaciones telefónicas simultáneas representa ¿ Cuántas conversaciones telefónicas simultáneas representa semejante velocidad de transmisión ? semejante velocidad de transmisión ? En el sistema PCM AT&T D1D de 24 canales, se transmiten 8 bit por En el sistema PCM AT&T D1D de 24 canales, se transmiten 8 bit por muestra por canal, constituyendóse un muestra por canal, constituyendóse un frame frame de 8x24+1 bit de de 8x24+1 bit de identificación del identificación del frame frame = 193 bit per = 193 bit per frame.frame. El teorema de muestreo El teorema de muestreo establece que a un canal telefónico de 4 kHz deben tomársele 8000 establece que a un canal telefónico de 4 kHz deben tomársele 8000 muestras al segundo: esto significa que cada muestras al segundo: esto significa que cada frameframe debe repetirse debe repetirse 8000 veces al segundo, lo cual representa una velocidad de 8000 veces al segundo, lo cual representa una velocidad de transmisión de 8000x193=1.544 Mb/s.transmisión de 8000x193=1.544 Mb/s.De manera que el sistema maneja:De manera que el sistema maneja:

Lo cual significa:Lo cual significa:

80000

1.5445.18 10

4 Frames simultáneos

5.18 104 24 1.24 10

6 Canales telefónicos simultáneos

CAPACIDAD DEL SISTEMACAPACIDAD DEL SISTEMACAPACIDAD DEL SISTEMACAPACIDAD DEL SISTEMA

ENLACE WDMENLACE WDMENLACE WDMENLACE WDM

11

NN

LL11

LL22

LLNN

22

11

NN

DD11

DD22

DDNN

22

MuxMux

BoosterBooster ILAILA PreamplifierPreamplifier

DemuxDemux

FibraFibra FibraFibra

L L = Transmisor de Diodo Laser= Transmisor de Diodo Laser

Mux, DemuxMux, Demux=Multiplexer, Demultiplexer ópticos (prismas, rejillas de =Multiplexer, Demultiplexer ópticos (prismas, rejillas de difracción, etc.)difracción, etc.)

Booster, ILA (Booster, ILA (Intermediate Line AmplifierIntermediate Line Amplifier), Preamplifier), Preamplifier: Amplificadores : Amplificadores ópticos (ópticos (Erbium Doped Fiber AmplifierErbium Doped Fiber Amplifier))

DD = Receptor APD ( = Receptor APD (Avalanche Photo DiodeAvalanche Photo Diode) )