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EL CANAL ÓPTICO: LA FIBRA EL CANAL ÓPTICO: LA FIBRA EL CANAL ÓPTICO: LA FIBRA EL CANAL ÓPTICO: LA FIBRA
ContenidoContenido
1.1.-- Composición de la fibra óptica.Composición de la fibra óptica.
22..-- Propagación de la luz.Propagación de la luz.p gp g
33..-- Modos de propagación en la fibra.Modos de propagación en la fibra.4.4.-- Atenuación en la fibra.Atenuación en la fibra.5.5.-- Dispersión y propagación de pulsos.Dispersión y propagación de pulsos.6.6.-- Cables de fibra óptica.Cables de fibra óptica.
COMUNICACIONES ÓPTICASCOMUNICACIONES ÓPTICASTema 2 de:Tema 2 de:
Úl i difi ióEdison Coimbra G.Edison Coimbra G.
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Última modificación:6 de enero de 2010
L fib ó ti t t d 3 é t i difi
1.1.-- Composición Composición de la fibra ópticade la fibra óptica
La fibra óptica esta compuesta de 3 capas concéntricas que difieren en propiedades.
Color (Color (coatingcoating)) Es un buffer o recubrimiento de 2233 Color (Color (coatingcoating)). Es un buffer o recubrimiento de
plástico que sirve como amortiguador para proteger de daños al núcleo y la cladding .
Revestimiento (Revestimiento (claddingcladding)).Es un tubo de cristal o plástico, de distinta densidad óptica (n) que el
ú l Si fi
33
núcleo. Sirve para confinar la luz en el núcleo.
11Núcleo (Núcleo (corecore).). Es un hilo de cristal o plástico que conduce la luz. De 8 a 100 μm de diámetro
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100 μm de diámetro.
L fib ó ti ti di i i il l d l b ll h 75 La fibra óptica tiene dimensiones similares a la del cabello humano: 75 μm
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Ventanas ópticas Ventanas ópticas de transmisión de transmisión
Las fibras operan dentro de un intervalo de frecuencias de luz
Luz Luz visiblevisible
intervalo de frecuencias de luz amplio. Las longitudes de onda más comunes son 850, 1.300 y 1.550 nm.
1a.ventana óptica
Las fibras tienen una atenuación mínima en estas longitudes de ondafrecuencias.
InfrarrojoInfrarrojo
2a.ventana óptica
3a ventana óptica3a.ventana óptica
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2.2.-- Propagación Propagación de la luzde la luzLa luz viaja en línea recta mientras se mueve La luz viaja en línea recta mientras se mueve a través de un medio uniforme.
Pero si el rayo de luz entra de repente a otro medio menos denso, cambia de dirección, sufre una refracción sufre una refracción.
Si el ángulo de incidencia es igual que el ángulo crítico (θ1 = θC), el rayo se propaga sobre la superficie.
Si el ángulo de incidencia es mayor que el g y qángulo crítico (θ1 > θC), el rayo se refleja y viaja de nuevo a la sustancia más densa. El ángulo de reflexión es igual al incidente.
El ángulo crítico es una propiedad del medio, y su valor difiere de un medio a otro.
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El cambio de dirección de la luz al pasar de un medio menos denso a otro más denso, se debe a que su velocidad aumenta Con la luz es común especificar el índice de índice de
El índice de refracciónEl índice de refracción
debe a que su velocidad aumenta. Con la luz, es común especificar el índice de índice de refracciónrefracción en vez de la velocidad en el medio.
n índice de refracción del medio.c 300.000 km/h. Velocidad de la luz en el espacio libre.v Velocidad de la luz en el medio. En km/h.r permitividad relativa del medio.
Valores para sustancias comunes
Ley de refracción de SnellLey de refracción de Snell
En el año 1626 se formula la Ley de Snell que establece la relación entre los ángulos de y q gincidencia y de refracción de un rayo que incide en la frontera entre dos medios con diferentes índices de refracción.
n1 índice de refracción del medio 1.n2 índice de refracción del medio 2.θ1 Ángulo de incidencia. En º.1 gθ2 Ángulo de refracción. En º.
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Usan la reflexión interna total para llevar la l é d l
¿Cómo trabajan las fibras ópticas?¿Cómo trabajan las fibras ópticas?
luz a través de un canal.
Un núcleo de cristal o plástico se rodea con un revestimiento de cristal menos denso.
La diferencia de densidad debe ser tal que el rayo de luz que se mueve por el núcleo sea reflejadopor el revestimiento en lugar de ser refractado.
La fuente de luz se puede posicionar de diversas maneras para que la luz entre a la fibra a diferentes ángulos.
El rayo A entra en forma perpendicular a la superficie del
El rayo B tiene un ángulo de incidencia menor que el ángulo crítico. Se produce la refracción
perpendicular a la superficie del extremo. Viaja en forma directa.
Los rayos C y D tienen ángulos de incidencia mayores que el crítico. Se produce la reflexión interna total Los rayos rebotan
Se produce la refracción.
la reflexión interna total. Los rayos rebotan entre las superficies hasta que salen por el otro extremo de la fibra.
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Apertura numéricaApertura numérica
En la práctica, la fuente de luz se coloca de tal modo que todos los rayos de luz entren por d ió i iun cono de aceptación Imaginario.
Si el ángulo del cono de aceptación tomado a aceptación, tomado a
partir del eje de la fibra, es igual que el ángulo
crítico de la fibra (θC), los rayos de luz se reflejarán
i internamente y se propagarán por la fibra.
El cono de aceptación define la apertura numérica NA de la fibra Este es un número
NA apertura numérica de la fibra
El cono de aceptación define la apertura numérica NA de la fibra . Este es un número menor que 1 que proporciona alguna indicación del intervalo de ángulos dentro del cual trabajará la fibra.
NA apertura numérica de la fibra. θc Ángulo crítico. En º. n1 índice de refracción del medio 1.n2 índice de refracción del medio 2.
Las NA para las fibras Las NA para las fibras varían de 0.1 a 0.5.
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3.3.-- Modos de propagación en la fibraModos de propagación en la fibraLa tecnología actual proporciona dos modos de propagación de la luz a lo largo de canales g p p p p g gópticos: multimodo y monomodo, cada uno de los cuales necesita fibras con características distintas (diferentes tipos de fibras).
A su vez, el multimodo se implementa de dos maneras: índice implementa de dos maneras: índice escalonado e índice gradual.
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Fibra multimodo MM de índice escalonadoFibra multimodo MM de índice escalonado
Los rayos de luz toman diferentes caminos (modos). Llegan a a destino en diferentes tiempos.
Impulso de entrada Impulso de
lidentrada
salida
Se produce la di ió d l dispersión modal que limita la velocidad de transmisión.
La densidad del núcleo permanece constante desde el centro hasta los bordes.
En la frontera hay un cambio abrupto a una densidad más baja.
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Fibra multimodo MM de índice gradualFibra multimodo MM de índice gradual
Los rayos de luz se mueven a diferentes velocidades. Llegan a a destino casi al mismo tiempo.
Impulso de entrada Impulso de
salidasalida
Se produce una menor dispersión modal. Es d spe s ó oda sapta para transmisiones cortas.
La densidad es mayor en el centro del núcleo y decrece gradualmente hasta los bordes.
En la frontera el cambio es suave hacia una densidad más baja.
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Fibra monomodo SMFibra monomodo SM
Los rayos de luz siguen un único camino. Llegan a a destino al mismo tiempo.
Impulso de entrada
Impulso de salidaentrada salida
Se elimina la di ió d l E dispersión modal. Es apta para transmisiones de larga distancia.
Se fabrica con un núcleo de diámetro mucho más pequeño que el de las MM y con una densidad (n) sustancialmente menor.
Esta menor densidad da como resultado un ángulo crítico casi igual que 90º para hacer que los rayos sean casi horizontales.
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Características de fibras multimodo MMCaracterísticas de fibras multimodo MM
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Características de fibras monomodo SMCaracterísticas de fibras monomodo SM
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La atenuaciónatenuación es el factor fundamental que limita el rendimiento de los sistemas de
4.4.-- Atenuación en la fibraAtenuación en la fibraq
comunicación por fibra. Atenuación se refiera a la pérdida de energía de luz al viajar el pulso de luz de un extremo a otro.
La amplitud del pulso del pulso
(brillo) será mucho más
baja en el otro extremo de la
fibfibra.
La atenuación es causada por varios factores que se clasifican en 2 categorías: I í íIntrínsecos y extrínsecos.
La pérdida de potencia óptica en una fibra se
mide e dB y dB/km. mide e dB y dB/km. Una pérdida del 50% de la potencia de entrada
equivale a 3 dB. 14www.coimbraweb.com
Atenuación intrínsecaAtenuación intrínseca
Es inherente a la fibra. La causa son las impurezas del vidrio o las estructuras heterogéneas que se forman durante el proceso de fabricación.
La pérdida por absorción se produce porque la luz es absorbida debido a las propiedades químicas o impurezas naturales en el vidrio,
La pérdida por difusión pérdida por difusión se produce cuando el rayo de luz choca contra una impureza o una estructura heterogénea y se dispersa
impurezas naturales en el vidrio, transformándose en calor.
La absorción representa entre el 3 y5% de la atenuación de una fibra.
(difunde) en todas las direcciones.
Se conoce como Difusión de Rayleigh y representa cerca del 96% de la atenuación de una fibra.
Algo de luz es reflejada hacia la fuente de luz. Esta propiedad es usada por el instrumento OTDR para realizar pruebas en la fibra.
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Espectro de la curva de atenuaciónEspectro de la curva de atenuación
El espectro de la curva de atenuación (en dB/km) de una típica fibra óptica hecha de silicio tiene 3 características principalessilicio tiene 3 características principales.
Tendencia a disminuir la atenuación conforme se incrementa . (Difusión de Rayleigh).
Atenuación alta en picos de absorción asociados con el ión hidroxilo OH- (pico de agua)
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22 Atenuación alta en picos de absorción asociados con el ión hidroxilo OH (pico de agua).
Tendencia a incrementar la atenuación a las > 1.600 nm, debido a las pérdidas inducidas por la absorción del silicio.
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33
En las ventanas de transmisión se En las ventanas de transmisión se obtienen atenuaciones mínimas.
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Atenuación extrínsecaAtenuación extrínseca
Una curva en la fibra puede afectar al ángulo crítico en esa área p gespecifica. Como resultado, parte de la luz que viaja por el núcleo se refracta, produciéndose la pérdida de potencia.
MacrocurvaturaMacrocurvatura . Ocurre cuando se curvan demasiado los cables. Para
prevenir esta pérdida, se especifica un radio de curvatura mínimo para los
bl d fib cables de fibra.
MicrocurvaturaMicrocurvatura. Los cambios en la temperatura o el estiramiento durante
el jalado del cable, pueden producir pequeñas fisuras (mIcrocurvaturas) en el núcleo, que provocan que los rayos
de luz se refracten de luz se refracten.
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Distancias máximas alcanzadasDistancias máximas alcanzadas
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5.5.-- Dispersión y propagación de pulsosDispersión y propagación de pulsos
Cuando un pulso Cuando un pulso de luz viaja a lo largo de una fibra, no sólo se atenúa sino también se di ( dispersa (se ensancha) en el tiempo.
La dispersión limita la tasa de datos porque a altas tasas los pulsos de luz se distorsionanLa dispersión limita la tasa de datos, porque a altas tasas, los pulsos de luz se distorsionany se ensanchan, solapándose unos con otros y haciéndose indistinguibles para el receptor.
La dispersión ocurre debido a que la velocidad de la luz a través de la fibra depende del modo de propagación y de la longitud de onda de la señal. Las diferencias en velocidad son
ñ d i il l t ió l l l it dpequeñas, pero de manera similar a la atenuación, se acumula con la longitud.
De una manera simple, la dispersión mide el ensanchamiento del pulso por unidad de distancia: en ps/km.
Modal
Tipos de dispersiónTipos de dispersión
Guía - ondaTransmisión multimodo
Dependencia del n y de la
Cromática Modo de polarización PMDDependencia del n y de la
Polarización del pulso y asimetría de la fibra
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Dispersión modalDispersión modal
Causada por la diferencia
En fibras MMEn fibras MM
pen los tiempos de propagación de los rayos de luz que toman diferentes trayectorias por una fibra una fibra.
Ocurre en fibras multimodo. Una de índice escalonado
tiene la dispersión más alta.
Dispersión cromáticaDispersión cromática
Ocurre porque el índice de f ió d fib í
En fibras SMEn fibras SM
refracción de una fibra varía con la longitud de onda de la luz en la fibra.
Una fuente de luz está Una fuente de luz está compuesta de un espectro de más de una , por tanto, los rayos de diferente viajan a diferentes velocidades, dando como resultado un ensanchamiento del pulso.
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Dispersión guía Dispersión guía -- ondaonda
Tiene su origen en el ancho espectral de la fuente de luz y en el hecho de que los campos lé i é i f d l d l i d h l l ddi
En fibras SMEn fibras SM
eléctrico y magnético que forman parte de un pulso de luz se extienden hasta el cladding.
A mayor , mayor la penetración de la onda en el cladding, donde el índice de refracción es menor, por lo que durante el tiempo que la onda comparte entre el núcleo y el cladding viaja más rápido que las más cortas confinadas en el núcleo, produciéndose la dispersión.
Dispersión por modo de polarización PMDDispersión por modo de polarización PMD En fibras SMEn fibras SM
La dispersión guía-onda es despreciable, excepto cerca del cero de la dispersión cromática.
Dispersión por modo de polarización PMDDispersión por modo de polarización PMD
Se debe a que núcleo de la fibra no es perfectamente redondo.
b as Sb as S
C d l l i j fib SM ti 2 Cuando la luz viaja por una fibra SM, tiene 2 modos de polarización que viajan en ejes perpendiculares uno del otro. En una fibra ideal las 2 polarizaciones se propagarían a la misma velocidad de fase; pero cualquier ; p qasimetría, curvatura o torsión hace que las 2 polarizaciones se propaguen a diferentes velocidades, debido a pequeñas diferencias en el índice de refracción, produciéndose la dispersión por polarización PMD
La PMD es significativa solo ldispersión por polarización PMD. para enlaces que tienen una
velocidad superior a 10 Gbps.
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A la FO desnuda (núcleo + revestimiento + color) se le agregan protecciones adicionales
6.6.-- Cables de fibra ópticaCables de fibra óptica
contra esfuerzos de tracción, aplastamiento y humedad. El revestimiento primario que le da el color a cada fibra (coating) sirve además como una primera protección.
Cables para ductos o aéreosCables para ductos o aéreos
Furukawa
SIECOR
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Cables aéreos Cables aéreos autosoportadosautosoportados
Cables de interconexión e interioresCables de interconexión e interiores
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Código de colores para identificación numéricaCódigo de colores para identificación numérica
Para identificar cada fibra y cada grupo de fibras contenidas en los tubos buffer Para identificar cada fibra y cada grupo de fibras contenidas en los tubos buffer se utilizan diversos códigos de colores que varían de un fabricante a otro:
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Utilización del código de colores Utilización del código de colores -- EjemploEjemplo
En el caso de cables Furukawa, el código utilizado es el mismo que el de En el caso de cables Furukawa, el código utilizado es el mismo que el de Pirelli/Alcatel. La Tabla especifica el número de fibras por tubo.
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