Ingenieria Optica Tema5 - toyba.unizar.estoyba.unizar.es/Ingenieria Optica_files/Ingenieria_Optica_Tema5.pdf · Una fibra óptica es una guía de ondas cilíndrica altamente flexible

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Ingeniería Óptica

Tema 5: Uso de la óptica para transmitiry almacenar información

¤ Transmitir información: comunicaciones ópticas¤ Almacenar información: sistemas ópticos¤ El CD: soporte¤ El CD: lector¤ Otros sistemas: CD-R, CD-RW, DVD, magneto-ópticos

Ingeniería ÓpticaTema 5: Transmitir y almacenar información usando la óptica

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Transmitir informaciónLa óptica se ha utilizado desde siempre para transmitir información a

distancia. Podemos pensar en torres de vigilancia, utilización de banderas y, mástarde, iluminación mediante signos como el morse. Pero tras la utilización deondas electromagnéticas a través del aire (radiofrecuencia) o del cable (telégrafoy teléfono) la óptica quedó en desuso.

Ate

nu

ació

n (

dB

/km

)

Frecuencia

0.2 dB/km!!

Años después, a mediados delos 70, se valoró la posibilidadde utilizar la óptica otra vezcomo herramienta fundamen-tal para la transmisión degrandes cantidades de infor-mación a largas distancias. Larazón fundamental reside enque la atenuación de los cablesde cobre aumenta de formanotable con el ancho de bandaque transportan. Una guíaóptica puede resolver esasituación, como se ve en lafigura.


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¿Cuánto ancho de banda necesito?

64 kbit/s64 kbit/s64 kbit/s64 kbit/s64 kbit/s64 kbit/s64 kbit/s64 kbit/s




2 Mb/s

2 Mb/s2 Mb/s2 Mb/s

8 Mb/2

8 Mb/28 Mb/28 Mb/2 Etc.

Cuantas más llamadas multiplexo, mayores la tasa de transmisión que ha detransportarse a algún sitio, y por tantomayor es el ancho de banda necesario.

Podemos considerar que elancho de banda necesario paratransportar una señal de xbit/s es x Hz (aprox.)

La multiplexación de llamadas en el tiempo (TDM) es la forma de podercompartir el medio físico.

Hasta 10 Gb/s

Cada vez, debido a la aparición de internet, se necesita más ancho de banda->mayor importancia van a tener los sistemas de comunicaciones ópticas


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Sistema de comunicaciones ópticas

LUZEmisor Canal óptico

Detector

Un sistema de comunicaciones ópticas está formado por un sistema emisor, uncanal óptico y un sistema receptor. El sistema emisor está formado por fuentesde semiconductor (láseres de semiconductor y LEDs) ya que son las únicasfuentes cuya potencia óptica se puede modular fácilmente con una señaleléctrica. El canal óptico está formado generalmente por fibra óptica, aunquetambién puede utilizarse la atmósfera (comunicaciones ópticas no guiadas).Finalmente el sistema receptor está formado por un fotodiodo (que convierte laseñal óptica en eléctrica) seguido de la electrónica adecuada para la amplificacióny filtrado de la señal.

Hemos de darnos cuenta que los sistemas de comunicaciones ópticas sólo seutilizan por la posibilidad de utilizar fibras ópticas, que tienen muy pocaatenuación y dicha atenuación no depende del ancho de banda.


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Ventajas del uso de la óptica para transmitirinformación

•Baja atenuación, dada por la fibra óptica. Las señales ópticas sólo seatenúan debido a la difusión de la luz en el material, pero la luz no sesale de la fibra, no se radia. Esto permite enviar señales a largasdistancias.

•Alto ancho de banda, dado que la frecuencia de portadora de la luzes muy alta y permite altas frecuencias de modulación. Para lograr unaalto ancho de banda de transmisión se precisa que las fuentes puedanmodularse y que las fibras soporten la modulación. Ambas cosas secumplen en un sistema de comunicaciones ópticas hasta 10 Gb/s.

•Ausencia de diafonía, ya que la luz no se sale de la fibra

•Bajo Peso y Pequeño Tamaño si lo comparamos con el del cable decobre: para llevar tanta información como la fibra se precisan cientos depares de cobre que forman cables grandes y pesados.

•Inmunidad ante interferencias electromagnéticas. Las fibrasestán hechas de vidrio, que es un material totalmente aislante a lasseñales eléctricas.


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Fibras ópticasHemos visto que la mayor parte de lasventajas de utilizar la óptica para transmitirinformación es debido a las propiedades de lafibra óptica.

Una fibra óptica es una guía de ondas cilíndrica altamente flexible y realizadade tal forma que la potencia óptica se propaga mayoritariamente por unaregión de índice más alto que los alrededores que llamaremos núcleo. Almaterial que rodea el núcleo lo denominaremos cubierta (o cladding).

Existen muchas clases de fibras ópticas con múltiples aplicaciones. Se puedendividir en base a los materiales de fabricación (vidrio, plástico), tamaños(monomodo, multimodo), aplicaciones (comunicaciones, sensores,iluminación), etc.Para comunicaciones ópticas hay básicamente dos tipos de fibras: lamultimodo y la monomodo. Ambas están fabricadas con óxido de silicio(vidrio) de alta pureza y la diferencia de índices entre núcleo y cladding esmuy pequeña.


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Guiado óptico

!c"

a

n1

n2

n1

θi = θr

n1 sen θi = n2 sen θt

x

yzn1

n2

Haz incidente Haz reflejado

Haz transmitido

θiθr

θt

θi θr

θt

n1

n2

n1 < n2

θi > θt

θi θr

θt

n1

n2

n1 > n2

θi < θt

!!"

#$$%

&=

1

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n

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1

2

20 nnnNAa

!== "

Apertura numérica

Reflexión total


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Fibras ópticas en comunicaciones

a

b

Revestimiento:Oxido de Silicio

1ª Protección:

dos capas de acrilato

Perfiles de índice de refracción

Salto de índice Gradiente de índice

a

b

n1

n2b

a

n1n2

Distancia radial

125 mm

10 mm

monomodo

125 mm

50 ó 62.5 mm

multimodo(salto de índice) (gradiente de índice)

Núcleo: Oxidode Silicio+Ge2O3


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Fuentes de luz

Tan importante como tener un medio con baja atenuación es tener una fuentede luz capaz de ser modulada a altas tasas de transmisión. Los láseres desemiconductor pueden ser modulados (encendidos y apagados) a tasas dehasta 10 Gb/s.

La longitud de onda de emisión de los láseres deben coincidir con aquella queminimiza la atenuación de las fibras ópticas. Las potencias introducidas en lasfibras son del orden de los mW.

1700 nm 1550 nm 1310 nm 850 nm

102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 10220

Frecuencia (Hz)

Espectro visible

UV Rayos X

RayosGamma

RayosCósmicos

Infrarrojolejano

Infrarrojo

Microondas

UHFVHF

OndasCortas

OndasLargas

1ª VENTANA2ª VENTANA3ª VENTANA4ª VENTANA


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Sistemas de comunicaciones ópticas Larga distancia (alta capacidad de transmisión de información). Conecta

sistemas que están separados distancias de decenas e incluso centenas dekilómetros. Transporta gran cantidad de información. Es el sistema típico decomunicaciones ópticas

Metropolitanas (alta-media capacidad, corta-media distancia). Conectanodos dentro de una ciudad. La separación entre ellos no es muy alta (unpar de decenas de kilómetros como máximo). Transporta gran cantidad deinformación y muchos datos.

LAN (corta distancia, media-baja capacidad). Conecta nodos en un entornode campus, cuya separación no es mayor de algunos kilómetros. Lacapacidad no es muy alta y transmite sobre todo datos.

CATV (corta-media distancia, media-alta capacidad). Es un tipo de reddiferente a las otras, en el sentido de que no hay enlaces punto a punto sinoque se trata de una red de distribución. Las distancias entre nodos no sonmuy grandes (como las metropolitanas) y el ancho de banda exigido eselevado.

Radio sobre fibra (corta distancia, media-alta capacidad). Conectaestaciones base con nodos de concentración. La distancia es muy corta, perola capacidad es alta (no de datos, pero sí de la portadora)

Todas transmiten información digital excepto CATV y radio sobre fibra


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Transporte óptico: enlaces submarinos

Cuando hacemos una llamada aUSA o cuando nos conectamosa una página web en Atlantanuestros datos pasan por unafibra óptica submarina (enlacesde + de 5000 km)

Hay una gran cantidad deenlaces de este tipo que tienenuna gran capacidad: se reducenlos precios de llamadastelefónicas internacionales.


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Uso de la óptica para almacenar información

Hasta finales de los 80 la única forma de almacenar la información era utilizarmateriales magnéticos. Con la aparición del láser de semiconductor se abrió latecnología del almacenamiento óptico.De todas formas, el almacenamiento magnético no se ha estancado: los nuevosHD tienen capacidades de más de 160GB (!!). Pero la fuerza del almacenamientoóptico, como veremos, es la facilidad de replicación.

El efecto en que se basa el almacenamiento óptico es la posibilidad de focalizarun haz de luz en un área muy pequeña. Dicha área depende básicamente de ladifracción.

A menor λ, mejorfocalización


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Tipos de almacenamiento óptico

Los tipos de almacenamiento óptico son dos: los basados en reflexión óptica ylos basados en efectos magnetoópticos.

En los primeros se trata de focalizar un haz de luz sobre un medio material querefleja la luz más o menos de acuerdo a la forma en la que está fabricado elsoporte, normalmente por la existencia de zonas de diferente índice derefracción que dan lugar a diferentes reflectividades. Entre ellos podemos citarel CD (soporte, sólo lectura), el lector de CD’s, el grabador de CD’s que precisasoportes tales como el CD-R o el CD-RW, y el DVD (soporte, sólo lectura), ellector de DVD’s, el grabador de DVD’s que precisa soportes tales como el DVD-R o el DVD-RW.

En los segundos, se trata de tener un material magnético en el que se puedaleer y escribir información utilizando la óptica. En el caso de la escritura seescribe magnéticamente en regiones en las que focaliza un haz de luz. El casode la lectura es más complejo pues se basa en la capacidad del materialmagnético de rotar ligeramente la polarización de la luz, por lo que la luzreflejada en este material tiene propiedades diferentes dependiendo de si hasido grabado un dato o no. Sus aplicaciones más importantes han sido lossistemas de almacenamiento de datos (JAZZ) y el mini-DISC.


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El CD (Compact Disc)

El CD es el primer sistema de almacenamiento óptico que vio la luz. La historiaes bien conocida: Phillips tenía la idea (y la patentó) de poder crear un sistemade almacenamiento óptico basado en el grabado de ‘agujeros’ (llamemosles asíde momento) en un soporte plástico. Posteriormente se leería con un láser desemiconductor esos agujeros. Pero Phillips tenía un problema: no dominaba elaspecto electrónico y, sobre todo, de corrección de errores. Por eso pidió ayudapara el desarrollo del aparato y la encontró en SONY. Entre los dos desarrollaronel CD y su lector a principios de los 80 (curiosamente, SONY sacó su prototipoun mes antes que Phillips). Hoy en día el lector de CD’s es un producto deconsmumo más cuyo precio parece ridículo en comparación a la maravillatecnológica desde el punto de vista óptico y de señal que realmente es.

Dentro de lo que llamamos tecnología de almacenamiento óptico se precisa unsoporte plástico donde está grabada la información, un lector que sea capaz dedistinguir qué hay grabado en el soporte y electrónica de decodificación ycorrección de errores. Hablaremos a continuación de cada una de estas partes.


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CD’s: el soporteEl soporte es un disco de plástico de unos 12 cm de diámetro con un agujerocentral de 15 mm. Estas dimensiones permiten, con el tamaño de los ‘pits’,almacenar el equivalente a 74 minutos de música o 650 MB de datos.

Los ‘pits’ son rebajes sobre la cara del discode plástico que dan lugar a variaciones deintensidad en la luz reflejada sobre el disco.Están dispuestos en espiral comenzandodesde el interior hacia el exterior dejandoun espaciamiento entre dos líneas de 1.6micras lo que origina que al mirar un CDaparezca un patrón parecido al de una redde difracción (curiosidad: si esta espiral sepusiera recta mediría más de 5km). Los‘pits’ tienen longitudes desde 0.8 a 3.3micras.

Sobre el plásticose deposita unacapa de aluminiopara aumentar lareflectividad.


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CD’s: el soporte

Diámetro del disco 120 mmEspesor del disco 1.2 mmDiámetro del agujero central 15 mmÁrea de programa 25 ~ 58 mm (desde el centro)Densidad de datos 683 Mb/in2 = 1Mb/mm2

Velocidad lineal 1.2 a 1.4 m/sVelocidad de rotación 500 a 200 r.p.m.Distancia entre pistas 1.6 µmTamaño del pit 0.11 x 0.5 x 0.8 a 3.3 µmÍndice de refracción del plástico 1.55Longitud de onda central 780 nm


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CD’s: cómo se lee, cuestión de fase

Para entender completamente cómo se graba o se regraba un CD hay queconocer una cuestión básica: la diferencia en la reflexión entre ‘1’ y ‘0’ es debidaa la aparición de interferencias constructiva o destructiva en la cara del disco.

ConstructivaDestructiva

Se consigue a través de la diferencia de fase adicional que la luz que sepropaga dentro del CD encuentra desde un ‘valle’ a un ‘monte’. El diseño delos pits de un CD está cuidadosamente escogido para que con el índice derefracción del plástico y a la longitud de onda del láser la diferencia de fasesea π.

Pit


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CD’s: protección frente a errores

En el diseño del soporte CD existe una protección de los datos y de la lectura deestos a través de dos esquemas: uno óptico y otro electrónico. Desde el puntode vista óptico los datos quedan protegidos por la capa plástica de 1.2 mm, peroademás esta capa y la focalización hace que aunque existan arañazos o polvo enesta cara de plástico los datos se sigan leyendo de forma fiable (efecto dedesenfoque)

Por otra parte la fiabilidad de la lectura de los bits está garantizada por sistemasdigitales de detección y corrección de errores, basados en detección de paridad,interleaving (mezclado de datos) y modulación EFM (que será explicada mejormás adelante). Estos sistemas pueden corregir errores muy graves en los bits.


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CD’s: cómo se fabrican

La auténtica gran ventaja de los CD’s es la facilidad de replicación


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CD’s: cómo van los datosLos datos que salen de la digitalización del sonido, se introducen en 2 bytes yhay 2 canales estéreo, por lo que cada punto digitalizado ‘pesa’ 32 bits. 6puntos forman una trama, que contiene 192 bits. Los sistemas de correcciónde errores (paridad e introducción de nuevos bits para interleaving) introducen256 bits extra (!). Además, se realiza una modulación de los datos llamadaEFM (Eigth to Fourteen Modulation) que por cada byte obtiene 14 bits. El totalde trama, que estaba formada por 192 bits tiene ahora 588 bits.

La modulación EFM hace que no hayatransisiciones 1010.. muy rápidas queharía que el tamaño de los pits fueramuy pequeño. De hecho, con lamodulación EFM nunca puede habermenos de dos ceros ni más de 10 (3T a11T). Por ejemplo, un 10 digital es enbinario 0000 1010 y con modulaciónEFM 1001 0001 0000 00.

Démonos cuenta de que en un CD cabe mucho más de 650MB… pero son datosde control y corrección de errores!


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CD’s: el lectorEl lector de CD’s es un pequeño banco ópticoque intenta extraer la información que llevael disco. Para ello hace focalizar un haz deluz proviniente de un láser de semiconductorsobre la cara del disco (como ya sabemos).

En primer lugar el haz pasa a través de undivisor de haz dependiente de la polariza-ción, de forma que a la ida el haz pasa haciael disco, pasa a continuación a través de unalámina λ/4 que convierte la polarización encircular y que hace que, finalmente, y trasreflejarse en el disco, a la vuelta lapolarización haya girado 90º y se dirija haciael sistema de detección.

Lo complicado es hacer que el haz de luzsiga la espiral sin saltar a la pista de al lado(tracking lateral) y que el haz focalice en lacara interior del disco con precisión de ½micra (tracking de focalización). Veremos acontinuación estos sistemas.


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Lector de CD’s


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CD’s: tracking de focalizaciónEste sistema hace uso de una lente con astigmatismo y un detector de cuadrante.La precisión tiene que ser mejor de ½ micra.


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CD’s: tracking de pista

Correcto

Fuera de track


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CD’s: cómo se graba un CD-R ó CD-RW

Disco grabable

En lo que respecta al lector, no cambia nada… por lo que todo debe estardentro del soporte (disco). La idea de hacer agujeros dentro de un disco notiene mucho sentido, por que el material eliminado debería ir a algún sitio yporque no se podrían regrabar los discos. La idea es diferente, la idea esconseguir cambiar algún elemento de algunas zonas utilizando materiales queal ser calentados cambian de estado. En el caso de los CD-R lo que se tiene esun dye, o material que cambia de color cuando es sometido a algún procesofísico o químico. Al calentarlo con un láser (de escritura) se cambia bien elíndice o la transmisión de esa zona.

Cambiando el índice podemos llevar una zona deinterferencia positiva a negativa. En el caso delos CD-RW es más complicado porque queremosque el proceso sea reversible.

Existen, no obstante unos materiales quepermiten pasar de estado cristalino a amorfo deforma reversible, lo cual modificaría el índice derefracción y, por tanto, la reflectividad del discoen las zonas en que se grabara.


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El CD-RW

Los discos deben llevar hecha deantemano la espiral de control parasaber dónde escribir los datos.


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DVD’s: un CD en pequeñito…por dentroAumentando la NA de la lente y disminuyendo la longitud de onda se hamultiplicado la capacidad del disco un factor 7. Gracias a esto la cantidad deinformación almacenada es mayor con el mismo tamaño. Longitudes de ondamás pequeñas darán lugar a mayores densidades de pit y por tanto mayorcapacidad del disco.

CD DVD


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Información que cabe en un DVD


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Nuevas formas de leer de un disco

Los DVDs admiten una forma de lectura en dos capas que permite el efectodesenfoque comentado anteriormente. Lo complicado es grabarlo en DVD-R…


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MagnetoópticosLos sistemas de grabación-lectura magnetoópticosson más complicados y no han tenido el éxito de lossistemas reflectivos. Aunque la grabación es sencilla(se graba magnéticamente sólo en aquellas zonascalentadas por un láser) la lectura es complicada, yaque un haz láser que refleja en el materialmagnético sufre una pequeña rotación (de apenas2º) en el plano de polarización. Detectar esapequeña variación y obtener una adecuada SNR noes sencillo, pero los sistemas magnetoópticos hanfuncionado en los últimos años sin problemas.

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