Fibras Óptica

Transmisión de datos. Emisores y receptores. Ancho de banda. Atenuación. Ancho de banda. Atenuación. Cableado. Internet

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Fibras ópticas:

Una única onda monocromática, no puede transmitir información, porque no se pueden marcar en ella puntos de referencia. En una fibra óptica, la información se transmite mediante pulsos de luz. Un pulso de luz, es un paquete de ondas.

Introducción: Una onda electromagnética es una onda transversal, o sea que la perturvación de los campos eléctrico y magnético es perpendicular a la dirección de propagación. Si llamamos “s” a la dirección de propagación, “E” al vector campo eléctrico, y “H” al vector de campo magnético, entonces al plano E-s se le denomina plano de vibración, y al plano H-s plano de polarización. Fibras Óptica

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Si se superponen ondas de distintas frecuencias, con la misma dirección de propagación, se forman lo que se denomina grupos de ondas, que son la resultande de las interferencias de todas las ondas que forman el grupo.

Paquetes de ondas: Un paquete de ondas, es un grupo de ondas en el que la distribución de las frecuencias de las ondas que lo forman es de tipo gausiano, centrado en una frecuencia central cuya amplitud es máxima, y que las amplitudes relativas de las ondas que forman el paquete disminuyen muy rápidamente a medida que la frecuencia se aleja de la frecuencia central.

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Un paquete de ondas, define un único pulso, que constituye una señal óptica. La longitud de un pulso, depende de su composición espectral (espectro de frecuencias de las ondas que forman el pulso): Un espectro con pocas frecuencias, dará un pulso ancho, y uno con muchas frecuencias (espectros continuos) dará un pulso estrecho y bien definido.

Se llama longitud de coherencia (L0) a la longitud del pulso, y tiempo de coherencia (t0=c / L0) al tiempo que tarda el pulso en pasar por un punto. En función de estos parámetros, la anchura espectral de un pulso viene dada por la expresión ( = 1/ t0).

Conceptos básicos de óptica:

  • Longitud de onda: Es la distancia entre dos puntos consecutivos de una onda electromagnética, que en un instante dado tienen la misma fase.

  • Frecuencia: Es la cantidad de longitudes de onda que pasan por un punto dado en un segundo.

  • Indice de refracción de un medio es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en dicho medio.

  • Dispersión cromática: Variación del índice de refracción de un mismo medio de propagación para ondas con diferentes longitudes de onda.

  • Ángulo de incidencia: Es el ángulo que forman la trayectoria de un rayo de luz y la perpendicular a la superficie de separación entre dos medios con diferente índice de refracción.

  • Refraccion: Desviación que sufre un rayo de luz en su trayectoria al atravesar la superficie separadora de dos medios con índices de refracción diferentes.

  • Ángulo límite: Es el ángulo de incidencia para el cuál el rayo refractado sale con una trayectoria paralela a la superficie separadora de los dos medios.

  • Reflexión total: Cuando el ángulo de incidencia de un rayo es mayor que el ángulo límite, toda la energía del rayo se refleja en la superficie separadora de los dos medios.

  • Camino óptico: Es el producto de la longitud recorrida por un rayo en un medio, por el índice de refracción de dicho medio, o puede definirse de manera equivalente como el producto de la velocidad de la luz en el vacío, por el tiempo que tarda el rayo en recorrer la verdadera trayectoria.

  • Frente de ondas: Superficie virtual perpendicular a las trayectorias de los rayosde luz.

  • Diferencia de fase: Diferencia entre los estados angulares de dos ondas en un punto o instante dado.

  • Interferencia: Cuando en una región del espacio se superponen dos o más ondas de igual intensidad con sus vectores eléctricos paralelos (trayectorias iguales), la intensidad de la onda manifestada en dicha región, depende de la diferencia de fase entre las ondas, pudiendo darse cualquier valor entre cero (si las ondas tienen una diferencia de fase de  radianes) y la suma de sus amplituses respectivas (si la diferencia de fase es cero, o sea, que “están en fase”).

Propagación de un paquete de ondas en un medio dispersivo: Todos los medios materiales son en mayor o menor medida dispersivos. El único medio no dispersivo es el vacío. De todas las ondas de diferentes frecuencias que forman un paquete de ondas, cada una se propaga con diferente velocidad de fase en un medio dispersivo. Entonces, no hay en el tiempo ni en el espacio, otro punto distinto del de partida, en el que todas las ondas que forman el paquete se encuentren en fase, lo que provoca que el grupo se deforme al propagarse. Únicamente si el intervalo de frecuencias de las ondas que forman el grupo es muy estrecho, se obtiene una velocidad de grupo constante.

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Pérdidas de energía (absorción y difusión): Cuando una onda electromagnética atraviesa la materia, su campo eléctrico E actúa sobre las cargas (átomos) que la forman. La energía que se pierde es debido al movimiento que induce la onda en las partículas, y se pierde en forma de “rozamiento”, que provoca calor en el medio. A este fenómeno se le denomina absorción, y es el responsable de la atenuación que sufre la señal al propagarse. Además, puede que la onda induzca movimientos oscilatorios en las cargas, que entonces radiarán con la misma frecuencia que la luz incidente, a costa de su energía, pero en todas las direcciones. A este fenómeno se le denomina difusión, y es el causante de la distorsión de la señal que se propaga, ya que es selectiva respecto a la frecuencia de la onda.

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Guías de ondas: Una guía de ondas, es un dispositivo mediante el cual, la luz se ve obligada a seguir trayectorias determinadas sin la necesidad de lentes. La acción constriyente, la realizan las paredes de las guías en el caso de las fibras ópticas.

En la figura se aprecia como los frentes de onda P-Q y L-H son frentes paralelos, pero que han seguido trayectorias diferentes hasta alcanzar su posición, por lo que sus caminos ópticos son diferentes (han tardado diferente tiempo en llegar), por lo que entre ellos existe un determinado desfase. La onda que ha realizado más reflexiones, llega con retraso con respecto a la que llega directamente. Además, en cada reflexión en la pared de la fibra, la onda realiza un salto de fase de  radianes, por lo que la diferencia de fase total entre las dos ondas, será la suma de ambos desfases.

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Dentro de la fibra, se producen infinidad de reflexiones, que producen la superposición de infinitas ondas, que darán una resultante interferencial. A lo largo de la guía (fibra) sólo se pueden propagar los pulsos por reflexiones totales sucesivas, aquellas ondas cuyo ángulo de incidencia en las reflexiones sea mayor que el ángulo límite, y que además, la resultante interferencial no se anule, o sea, que los diferentes frentes de onda estén desfasados en un número entero de vueltas (una vuelta son 2 radianes), o sea  = m·2, m = 0, 1, 2, ...

Modos de propagación: Por lo tanto sólo un número discreto de ondas (no continuo) podrán propagarse indefinidamente a lo largo de la fibra, sin desaparecer. Son estas ondas que son capaces de propagarse indefinidamente las llamadas modos de propagación. Además, la condición de interferencia constructiva  = m·2, no se puede cumplir simultáneamente para las componentes eléctrica y magnética de una onda dada, ya que si se cumple para una, no puede cumplirse para la otra (que se anulará), por lo que sólo puede propagarse uno de los dos modos: Modos transversales eléctricos (TE), o modos transversales magnéticos (TM).

Fibras monomodo y multimodo: Dependiendo del espesor de la guía (diámetro de la fibra), su índice de refracción, el índice de refracción del medio que las rodea, y de la longitud de onda de la luz que se propaga, las fibras se pueden clasificar en fibras monomodo, si sólo es capaz de propagarse por ella el modo fundamental (m = 0), o multimodo si son capaces de propagarse por ella más modos (m = 0, 1, 2, ...)

Confinamiento de los modos en la fibra óptica: Los modos de orden mayor, están menos confinados en el interior de la fibra que los modos de orden inferior. Que un modo de propagación esté más o menos confinado significa que su atenuación al propagarse en la fibra sea mayor o menor, entendiéndose que un modo que no es capaz de propagarse por ella, no está confinado en la fibra, y su energía se pierde.

Si una fibra es multimodo:

  • Para valores fijos de los índices de refracción y la longitud de onda de la luz que se transmite, si se va disminuyendo paulatinamente el diámetro de la fibra, el modo de mayor orden irá quedando menos confinado en el interior de la fibra hasta desaparecer. Si se sigue disminuyendo el diámetro, van desapareciendo los modos de órdenes cada vez menores sucesivamente, hasta que la fibra se convierte en monomodo.

  • Para valores fijos de los índices de refracción y del diámetro de la fibra, el número de modos que la fibra es capaz de transmitir, irá disminuyendo a medida que aumenta la longitud de onda de la luz, hasta un valor límite c (longitud de onda de corte), por encima del cual la fibra será monomodo.

  • Además, cuanto más distintos son los índices de refracción de la fibra y del medio que la rodea, es menor el diámetro que hace que la fibra sea monomodo, por lo que es aconsejable que tengan valores próximos, para que el espesor de fibra monomodo no sea excesivamente pequeño. Para ello, se recubre las fibras de un material con un índice de refracción muy cercano (siempre menor) al de la guía de ondas.

Ejemplo:

 = 1m (infrarrojo), n1 = 1.5, n2 = 1.49 Espesor monomodo < 2.89 m

 = 1m (infrarrojo), n1 = 1.5, n2 = 1.499 Espesor monomodo < 9.13 m

Dispersión en fibras ópticas:

  • Dispersión intermodal: (En fibras multimodo)

Consideremos un pulso de luz que recorre una fibra de longitud L. El tiempo que el pulso tarda en recorrerla será: t = L / vg. La energía del pulso se reparte entre los distintos modos que se propagan por la fibra (m = 0, 1, 2, ...). Como la velocidad del grupo es distinta para cada modo, y también lo es el camino óptico que recorre cada modo, los distintos modos llegarán al final de la fibra en instantes distintos. Como el pulso de salida es la suma de todos los modos, el resultado es un pulso ensanchado.

Como solución se fabrican fibras con nucleo cuyo índice de refracción no es constante, para que los caminos ópticos de todos los rayos sean bastante iguales. Esto se consigue haciendo que las trayectorias más largas, pasen por zonas de la fibra en las que el índice de refracción sea menor, por lo que pasarán más rápido.

Para eliminar totalmente la dispersión intermodal, la única solución definitiva es utilizar fibras monomodo.

  • Dispersión intramodal: Es debida al cambio de índice de refracción en función de la longitud de onda de las ondas que componen un pulso (dispersión cromática) para cada modo de propagación.

Aplicación de las fibras ópticas a la telecomunicación:

La información se transmite mediante pulsos de luz, que se obtienen modulando en amplitud un emisor, que puede ser un laser de inyección o un LED.

Por ejemplo, para la comunicación telefónica digital, la señal de voltaje que sale del micrófono, se muestrea a una frecuencia doble de la máxima de la que se tenga que emitir (teorema de Ninquist). Entonces, se convierte cada muestra a un código binario de 8 bits (256 posibles valores diferentes), y se emiten los bits (ceros y unos) en forma de pulsos de luz. Al otro extremo de la fibra, se convierten los pulsos de luz de nuevo a pulsos eléctricos mediante fotodetectores, y se reconstruye la señal analógica de voltaje a partir de los pulsos, llevándola al auricular del receptor.

Como el tiempo entre dos muestreos de señal en el micrófono del emisor, es mucho mayor que el que ocupa la emisión de los pulsos de cada muestra, se pueden unir (multiplexar) varias transmisiones simultáneamente por una misma fibra. Al otro extremo de la fibra, habrá que separar las señales correspondientes a cada comunicación (demultiplexación).

Entonces, las fibras ópticas se pueden clasificar en función del número de líneas que permiten transmitir simultáneamente:

Nº de Orden

Nº de líneas

Vt (Mbps)

1

30

2

2

120

8

3

480

34

4

1920

140

5

7620

565

  • Las fibras de órdenes 1 y 2 son utilizadas para conectar a los abonados de la red telefónica con las centrales telefónicas urbanas.

  • Las fibras de órdenes 3 y 4 son utilizadas para conectarse entre sí las centrales telefónicas urbanas dentro de una misma ciudad.

  • Las fibras de órdenes 4 y 5 son utilizadas para conectar centrales telefónicas de distintas ciudades.

  • Ventajas de las fibras ópticas:

    • Debido al pequeñísimo grosor de las fibras ópticas (del orden de unas micras), se pueden introducir unas 100 en un tubo del mismo grosor que los cables coaxiales de más alta capacidad, lo que las hace unas 1000 veces más capaces que éstos.

    • Se pueden transmitir por una fibra diferentes longitudes de onda (multiplexación de longitudes de onda), lo que multiplica por miles la capacidad de los cables coaxiales.

    • Se produce menor atenuación en la señal, por lo que la distancia entre repetidores es bastante mayor (10 - 100 km) que en los cables eléctricos, por lo que las conexiones abonado - central, y entre centrales de la misma ciudad no necesitan repetidor.

    • No se ven afectadas por perturvaciones eléctricas o magnéticas como los cables convencionales, ya que la señal propagada es óptica.

    Inconvenientes de las fibras ópticas:

    • Debido a que no se pueden reparar, en caso de ser dañadas han de sustituirse.

    Dispositivos:

  • Fuentes de luz: Deben ser miniaturizables, y su frecuencia de emisión ha de poder ser modificada. Cuando la fuente de luz no está directamente acoplada a la fibra a través del circuito integrado, el haz ha de ser focalizado mediante lentes adecuadas (objetivos de microscopio o lentes grin). También se emplean prismas, redes de difracción y sobretodo, acopladores direccionales para pasar luz de una fibra a otra.

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      Laser de inyección o diodo laser (LD): Se utiliza para alimentar fibras monomodo, debido a su gran monocromaticidad (anchura espectral reducida), y a que su frecuencia de modulación puede ser muy elevada.

    • Potencia de salida: 20 mW.

    • Frecuencia de modulación: Hasta 10 GHz.

    • Anchura espectral: 0.7 nm.

    • Fotodiodo emisor de luz (LED): Se utiliza en fibras multimodo.

    • Potencia de salida: 1 mW.

    • Frecuencia de modulación: Hasta 50 MHz.

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      Anchura espectral: 50 nm.

  • Fotodetectores: Al final de la transmisión, la señal luminosa tiene que ser detenida y convertida en corriente eléctrica, siempre dévil, que amplificada actúe sobre los auriculares o altavoces, o sobre los correspondientes elementos del sistema al que sirva la comunicación. Los fotodetectores utilizados son los fotodiodos:

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      Un fotodiodo no es más que una unión p-n, en la que se diferencian tres regiones: La zona de deplexión, que es la región de la unión, en la que ya no quedan portadores de carga y que por lo tanto se comporta como una barrera aislante. Y las regiones p, y n, que quedan cargadas negativa y positivamente, produciéndose entre las dos regiones un campo eléctrico E en el sentido np. Cuando la zona de unión se ilumina con fotones cuya energía h es mayor que la del gap (diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción de un semiconductor), en la zona de unión se crea un par electrón-hueco. El electrón pasa a la banda de conducción, y si se cierra el circuito exterior, se producirá una corriente cuya intensidad será proporcional al número de pares creado, y por tanto al flujo de luz recibido.

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      Fotodiodos PIN: El fotodiodo p-i-n, consta de tres regiones: p, n, y una región “i” no dopada. La situación es la misma que en el caso de un fotodiodo normal, salvo que la zona de deplexión aquí, se estiende a lo largo de toda la región i, por lo que la superficie de sensible a la luz es mucho más ancha, y puede producir mayor cantidad de corriente.

    • Fotodiodos de avalancha (APD): Son detectores p-n que se alimentan en sentido inverso a altos voltajes (entre 40 y 400 V, frente a los 8 o 10 V con que se alimentan los PIN), y producen un efecto multiplicador, debido a que los electrones producidos, sufren una fuerte aceleración devida a la tensión, y producen debido a los choques con el material nuevos electrones libres, que a su vez multiplican el efecto. Un solo electrón puede dar lugar a 100 electrones por el efecto de cascada o avalancha. Mientras que en los fotodiodos ordinarios la respuesta es de unos 0.5 a 0.8 amperios por watio de luz, en los de avalancha puede ser de unos 25 a 100 amperios por watio de luz recibido.

    • Fototransistores: Las uniones p-n-p o n-p-n con un montaje adecuado, al ser iluminadas, producen corrientes que el mismo dispositivo amplifica. Su principal característica es su rapidez de respuesta, detectando variaciones periódicas de la intensidad con frecuencias del orden de 1010 Hz. Además son sensibles, manejables y se polarizan a bajos voltajes. Pueden fabricarse con técnicas de circuitos integrados de formatos tan pequeños, que se consiguen mosaicos de fotodetectores con altísimas densidades propias para la construcción de retinas artificiales en robótica.

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    Conmutadores: Permiten o impiden la transferencia de luz de una fibra a otra. El mecanismo es el siguiente: Si se colocan dos fibras muy próximas durante un trayecto de longitud L, tal que la luz llega solo por una de ellas, si al final del trayecto toda la luz sale por la segunda fibra, la luz habrá sido transferida de una fibra a otra. Si sobre cada fibra se coloca una placa conductora en la región del acoplamiento, y entre las placas se establece una diferencia de potencial, las dos fibras estarán atravesadas por el campo eléctrico E en sentidos opuestos, por lo que en una fibra crecerá el índice de refracción, y en la otra disminuirá. Fijando L, y ajustando el voltaje adecuadamente, es posible variar los parámetros de las fibras, haciendo que la transferencia se realice o no.

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    Moduladores: La modulación más utilizada es la modulación en amplitud, y se realiza mediante una guía en gorma de doble Y. La amplitud de la señal de la fibra antes del dispositivo, se divide en dos partes iguales, que se separan por los dos brazos de la Y (punto A en la figura). Si al llegar al punto de unión (punto B), ambas señales han recorrido los mismos caminos ópticos, la señal original se reconstruirá, pero si la diferencia de caminos es  /2, por la fibra no saldrá luz alguna. Como en el caso de los conmutadores, se recubre la parte de cada brazo con una placa metálica, y se establece una diferencia de potencial entre las dos placas, con lo cual en un brazo aumentará el índice, y en el otro disminuirá. Si se hace que V tome los valores 0 y el valor que produce una diferencia de caminos de  /2 alternativamente, a la salida del dispositivo saldrán alternativamente intensidades 0 e I0, que pueden utilizarse para transmitir en sistema binario.

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    Multiplexadores: Cada señal que se desea multiplexar, se modula con portadoras de diferentes longitudes de onda, y se introducen en la fibra mediante acoplamiento direccional. Al otro extremo de la línea, se separan las diferentes comunicaciones mediante una red de difracción (normalmente de efecto electroóptico), y se envían cada una por su línea. Si la comunicación es digitalizada, cada slot de información (cantidad fija de bits) lleva un identificador de a qué comunicación pertenece, y la demultiplexación se realiza de manera lógica, no física, esto es, que se analiza cada trama de bits que llega al receptor, y éste separa cada línea por su camino.

  • Repetidores: Tiene como misión reforzar y purificar la señal debilitada por la distancia recorrida.

    • Puede hacerse por vía electrónica haciendo una detección de la señal luminosa, convirtiéndola en señal eléctrica y amplificándola por vía electrónica. Esta señal, una vez filtrada, se utiliza para modular un laser que introduce de nuevo la señal luminosa en la fibra.

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      Otro método es por medio de fibras activas: La energía necesaria para la amplificación la suministra un laser, que produce bombeo en la fibra dopada, cuya luz se introduce en la fibra por acoplamiento direccional. A la salida, se depura la señal por medio de filtros. La longitud de las fibras activas utilizadas suele ser de entre una y unas decenas de metros, y las ganancias que se consiguen son del orden de 30 dB.

    Investigación y desarrollo en sistemas de fibras ópticas:

    Por las fibras ópticas viajan ondas electromagnéticas, cuyo espectro de frecuencias no está aprovechado en absoluto. Por ejemplo, si lo que se desea es aumentar la capacidad de transmisión de una fibra óptica, ¿por qué no aumentar la frecuencia de las ondas para conseguir mayor densidad de información? Las frecuencias utilizadas hasta ahora están todas en el espectro del visible (aproximadamente 1014 Hz), si se utilizaran frecuencias de ondas pertenecientes al espectro del ultravioleta o aún más, podría aumentarse la capacidad de las fibras. En la práctica esto no es todavía posible, no porque la fibra no acepte mayores frecuencias en las ondas transmitidas, sino porque los dispositivos fotodetectores más rápidos, no son capaces de trabajar a frecuencias mayores. Los mecanismos de respuesta de los semiconductores con la tecnología actual no son capaces de superar la cota de los 10 Gbps, cota que además queda reducida por el efecto que la dispersión causa en el ensanchamiento de los pulsos y que reduce el número de ellos que pueden transmitirse sin que haya solapamiento.

    Bibliografía:

    • OPTICA, Justiniano Casas.

    Introducción a las telecomunicaciones - Tema 5: Medios físicos de transmisión.

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