FIBRA OPTICA SISTEMA DE COMUNICACIONES
CURSO: 6°año Electrónica
PROFESOR: Herrera Mario
INTEGRANTES: Saavedra Emilce Cari Gloria Fernández Gastón Subelza Jimena Caliva Eliana
Índice
Introducción Que es una fibra óptica Ventajas que posee la fibra óptica Desventajas que tiene la fibra óptica Frecuencia a la que transmite la fibra óptica Transmisión o propagación de la energía en una fibra óptica Tipos de fibras ópticas Perdidas en la fibra óptica o señal atenuada Tipos de fibra óptica, diferencias entre unas y otras Composición o construcción de la fibra óptica Apertura numérica Angulo de apertura Índice de refracción Importancia en los conceptos de reflexión y refracción
Fibra óptica
INTRODUCCION: historia La historia de la fibra óptica comienza cuando el físico irlandés John Tyndall descubrió que la luz podía viajar dentro de un material en curva (agua) por la reflexión interna total. Este principio fue utilizado en su época para iluminar corrientes del agua en fuentes públicas. En 1952, el físico Narinder Singh Kapany, apoyándose en los estudios de John Tyndall, realizó experimentos que condujeron a la invención de la fibra óptica. El 22 de abril de 1977, General Telephone and Electronics envió la primera transmisión telefónica a través de óptica de fibra, en 6 Mbit/s, en Long Beach, California. El amplificador que marco un antes y un después en el uso de la fibra óptica en conexiones interurbanas, reduciendo el coste de ellas, fue el amplificador de fibra dopada con Erbio inventado por David Payne de la universidad de Southampton, y Emmanuel Desurvire en los laboratorios de Bell. A los cuales les fue entregada, en 1988, la medalla Benjamin Franklin
DEFINICION DE FIBRA ÓPTICA: La fibra óptica es un tipo de línea de transmisión utilizado en redes de datos y en telefonías, en otras palabras podemos decir que con fibra óptica nos referimos a un tipo de material que ha sido especialmente diseñado para asegurar mayor velocidad y seguridad en el área de las telecomunicación. La fibra óptica no es más que un conjunto numeroso de hilos transparentes, normalmente hechos de vidrio o de plástico.
VENTAJAS QUE POSEE LA FIBRA ÓPTICA: La principal ventaja que nos proporciona una fibra óptica es su ancho de banda muy grande, hay sistemas de multiplexación que permiten enviar 32 haces de luz a una velocidad de 10Gb/s cada uno por una misma fibra, dando lugar a una velocidad total de 320Gb/s. Menos costosa: Es más barato por unidad de longitud que el alambre de cobre, haciendo que las compañías de telecomunicaciones tengan que invertir menos en el cableado que si fuesen cables normales, de esta forma también pueden tener un servicio más económico para el cliente. Menos degradación de la señal: la pérdida de señal en fibra óptica es significativamente menor que en el alambre de cobre. No Inflamable: Al no pasar electricidad a través de fibras ópticas, no hay riesgo de incendios. Ligera: Un cable óptico pesa menos que un cable de alambre de cobre de la misma longitud. Flexible: Por ser flexible y poder transmitir y recibir luz, se utilizan en muchas cámaras fotográficas digitales flexibles para varios propósitos: - Medicina: En los endoscopios y laparoscopias - Mecánica: En la inspección de tuberías y motores (en aviones, cohetes, carros, etc.) Señales digitales: Las fibras ópticas son ideales para transmitir información digital, ya que dependen solamente de que haya luz o no la haya, por eso son muy utilizadas en las redes de computadoras.
DESVENTAJAS QUE TIENE LA FIBRA ÓPTICA: A pesar de las ventajas antes enumeradas, la fibra óptica presenta una serie de desventajas frente a otros medios de transmisión, siendo las más relevantes las siguientes: - La fragilidad de las fibras. - Necesidad de usar transmisores y receptores más caros - Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de rotura del cable. - No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios. - La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctricaóptica. - La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas. - No existen memorias ópticas.
FRECUENCIA A LA QUE TRANSMITE LA FIBRA ÓPTIC A: El estándar ISO/IEC (std) 11801 define cuatro tipos de fibras ópticas para las diversas clases de aplicaciones de redes de edificio. El ISO/IEC std 11801 o std 24702 define tres tipos de fibra óptica multimodo (OM1, OM2 y OM3) y dos tipos de monomodo (OS1 y OS2). Estas designaciones también están encontrando aceptación en el mercado norteamericano y se enumeran en el documento2 TIA-568-C.3. La siguiente tabla proporciona una breve descripción de las principales características de estos tipos de fibra
Las fibras multimodo antiguas con un índice de ancho de banda en desbordamiento por debajo de 200 MHz•km no están incluidas en esta tabla y ya no se recomiendan en el diseño de nuevas instalaciones. La designación OM3 describe el cable de fibra óptica multimodo optimizado para láser de gran ancho de banda. Entre los diferentes
estándares de transmisión para Ethernet a 10 Gbps sobre fibra óptica, 10GBASE-SR (la transmisión en serie de 10 Gigabits por segundo con VCSEL de longitud de onda corta [850nm]) es la implementación más económica en las redes de área local de edificios, en los centros de datos o en las redes de almacenamiento. Y para esta aplicación, OM3 es el tipo de cable de fibra óptica preferido. Los fabricantes de fibra óptica han desarrollado fibras multimodo optimizadas para láser con características de ancho de banda modal mejores que las especificaciones del tipo OM3. Esto puede llevar a la adopción de una clasificación ‘OM4’ con un ancho de banda de láser efectivo propuesto en el rango de 3.500 a 4.700 MHz•km. OS2 se conoce comúnmente como fibra monomodo de “bajo pico de agua” y se caracteriza por tener un bajo coeficiente de atenuación en la banda de 1383 nm
TRANSMICION O PROPAGACION DE LA ENERGIA EN UNA FIBRA OPTICA: La transmisión de datos por fibra óptica puede ser analógica o digital, aunque es mayormente digital. Las redes informáticas y de telefonía son digitales, la televisión por cable actualmente es analógica pero está migrando a digital, y los sistemas de CCTV posiblemente también lo hagan. Tanto las transmisiones analógicas como las digitales tienen algunos parámetros comunes y diferencias importantes. Para ambos tipos de transmisión, el margen de pérdida óptica o el presupuesto de potencia óptica es lo más importante. Las transmisiones de datos analógicas se prueban mediante la medición de la relación señalruido para determinar el margen de enlace, mientras que las transmisiones digitales utilizan la tasa de bits erróneos para medir el rendimiento. Ambas transmisiones deben probarse sobre todo el ancho de banda especificado para la operación; sin embargo, actualmente la mayoría de los enlaces son específicos para una aplicación de red, como CATV AM o monitores a color RGB para transmisiones analógicas y SONET, Ethernet o canal de fibra para transmisiones digitales.
TIPOS DE FIBRAS OPTICAS: Fibra Multimodo: Los rayos de luz sólo pueden ingresar al núcleo si el ángulo está comprendido en la
apertura numérica de la fibra. Asimismo, una vez que los rayos han ingresado al núcleo de la fibra, hay un número limitado de recorridos ópticos que puede seguir un rayo de luz a través de la fibra. Estos recorridos ópticos reciben el nombre de modos. Si el diámetro del núcleo de la fibra es lo suficientemente grande como para permitir varios trayectos que la luz pueda recorrer a lo largo de la fibra, esta fibra recibe el nombre de fibra "multimodo".
Dentro de esta encontramos otros tipos como: Fibra Óptica Multimodo de Índice Escalón (Step Index): Son aquellas en las cuales el valor del índice de refracción en el núcleo permanece siempre constante y mayor que el valor del revestimiento.
Fibra Óptica Multimodo de Índice Gradual (Graded Index Core): Este tipo de fibra consiste de un núcleo cuyo índice de refracción varía con la distancia a lo largo del eje, con el objetivo de disminuir los efectos de la dispersión modal. Al igual que la fibra de índice escalón, el núcleo esta rodeado por el vidrio del cladding ó revestimiento de menor índice refractivo.
Fibra Monomodo: La mayor diferencia entre la fibra monomodo y la multimodo es que la monomodo
permite que un solo modo de luz se propague a través del núcleo de menor diámetro de la fibra óptica. El núcleo de una fibra monomodo tiene de ocho a diez micrones de diámetro. Los más comunes son los núcleos de nueve micrones. La marca 9/125 que aparece en el revestimiento de la fibra monomodo indica que el núcleo de la fibra tiene un diámetro de 9 micrones y que el revestimiento que lo envuelve tiene 125 micrones de diámetro. En una fibra monomodo se utiliza un láser infrarrojo como fuente de luz. El rayo de luz que el láser genera, ingresa al núcleo en
un ángulo de 90 grados. Como consecuencia, los rayos de luz que transportan datos en una fibra monomodo son básicamente transmitidos en línea recta directamente por el centro del núcleo.
PERDIDAS EN LA FIBRA ÓPTICA O SEÑAL ATENUADA: La dispersión modal y la dispersión cromática limitan el ancho de banda y con ello la velocidad de los datos, debido al ensanchamiento que provocan en los pulsos. A mayor longitud de la fibra mayor ensanchamiento. A diferencia de los cables de cobre, la atenuación en la fibra óptica no se incrementa con la frecuencia, esta es constante dentro del rango frecuencia utilizable o ventana. La atenuación es proporcional a la longitud de la fibra y depende de las λ propagadas. Hay que tener presente que en las fibras multimodo no puede hablarse de atenuación en el mismo sentido que en un portador metálico, debido a que la potencia óptica se distribuye entre los diferentes modos de propagación, que presentan diferentes atenuaciones. Las pérdidas que se producen en unafibra óptica se pueden agrupar en dos grandes grupos pérdidas intrínsecas y pérdidas extrínsecas, las cuales se pueden subdividir de la forma siguiente: PÉRDIDAS INTRINSECAS - Son propias de la fibra - Dependen de Su construcción - No se pueden eliminar Dentro de este tipo de pérdidas hay:
- Absorción: - Picos de absorción en infrarrojos y ultravioletas, se trata de energía que se transforma en calor. Dispersión por efecto de Rayleigh - Fluctuaciones en la composición del vidrio, serán fluctuaciones en el índice de refracción originadas por la agitación térmica (serán del orden de la λ). - Es proporcional a λ-4 PÉRDIDAS EXTRÍNSECAS -No son propias de la fibra -Dependen del proceso de producción A este tipo de pérdidas pertenecen: - Impurezas: -Hidrogeno -Algunos iones metálicos - Sobre todo a los grupos OH que se producen durante la fabricación, estos son los más difíciles de eliminar. Presentan picos de absorción a 950, 1250 y 1380 nm - Defectos Físicos. -Irregularidades geométricas - Curvaturas originadas, por ejemplo, por la fatiga estática que se produce si se guarda durante mucho tiempo en bobinados, o bien ocasionadas en la fase de instalación. Conviene que el radio de curvatura sea más grande a 10 veces el radio de la fibra. -Microcurvaturas,
es decir, irregularidades geométricas entre el núcleo y el revestimiento. Son pérdidas por radiación. -Microfisuras causadas por: - Fatiga - Presión - Humedad
: TIPOS DE FIBRA ÓPTICA, DIFERENCIAS ENTRE UNAS Y OTRAS: Una fibra óptica multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un modo o camino. El hecho de que se propaguen más de un modo supone que no llegan todos a la vez al final de la fibra por lo que se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1 km, ya que este efecto supone un problema a la hora de utilizarlas para mayores distancias. Además son fáciles y económicas a la hora de diseñarlas. En este tipo de fibra el diámetro del núcleo suele ser de 50 o 62.5 µm y el diámetro del revestimiento de 125 µm. Debido a que el tamaño del núcleo es grande, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión, es decir, que permite la utilización de electrónica de bajo costo. La propagación de los modos de este tipo de fibra es diferente según el tipo de índice de refracción del núcleo:
Salto de índice: el índice es constante en todo el núcleo, lo que da lugar a una gran dispersión modal.
Gradiente de índice: el índice es diferente ya que el núcleo está formado por diferentes materiales. En este caso la dispersión modal es menor.
Por esto que acabamos de ver, como la fibra multimodo soporta más de un modo de propagación se ve limitada por la dispersión modal. Por otro lado, conviene señalar que las características de las fibras multimodo dependen radicalmente de las condiciones de inyección de potencia (de la excitación de modos).
En las fibras monomodo solo se propaga un modo de luz. El diámetro del revestimiento es de 125 µm, igual que en las multimodo. Sin embargo el diámetro del núcleo es mucho menor, de unas 9 µm. Este hecho hace que su transmisión sea paralela al eje de la fibra y que, a diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias y transmitir elevadas tasas de información. A continuación podemos ver la comparación entre los dos tipos de propagación en la fibra multimodo así como la propagación en la fibra monomodo:
Las fibras monomodo se utilizan con mayor frecuencia en la investigación científica de alta precisión debido a que la luz se propague por un solo modo hace que sea más fácil enfocar correctamente. Para distinguir ambos tipos de fibra se suelen utilizar ‘chaquetas de colores’. La norma TIA-598C recomienda, para aplicaciones civiles, el uso de una chaqueta amarilla para la fibra monomodo y de la naranja u otro color para la multimodo, dependiendo del tipo.
COMPOSICIÓN O CONTRUCCIÓN DE LA FIBRA ÓPTICA: En general, un cable de fibra óptica se compone de cinco partes. Estas partes son: el núcleo, el revestimiento, un amortiguador, un material resistente y un revestimiento exterior:
Núcleo: El núcleo es el elemento que transmite la luz y se encuentra en el centro de la fibra óptica. Todas las señales luminosas viajan a través del núcleo. El núcleo es, en general, vidrio fabricado de una combinación de dióxido de silicio (sílice), cuarzo fundido o plástico. Tiene un diámetro de 50 o 62,5 µm para la fibra multimodo y 9µm para la fibra monomodo. Revestimiento: Recubre a cada una de las fibras del núcleo, está fabricado con sílice pero con un índice de refracción menor que el del núcleo. Los rayos de luz que se transportan a través del núcleo de la fibra se reflejan sobre el límite entre el núcleo y el revestimiento a medida que se mueven a través de la fibra por reflexión total interna. Amortiguador: Alrededor del revestimiento se encuentra un material amortiguador que es generalmente de plástico. El material amortiguador ayuda a proteger al núcleo y al revestimiento de cualquier daño. Existen dos diseños básicos para cable. Son los diseños de cable de amortiguación estrecha y de tubo libre.
Material Resistente: El material resistente rodea al amortiguador, evitando que el cable de fibra óptica se estire cuando los encargados de la instalación tiran de él. El material utilizado es, en general, Kevlar, el mismo material que se utiliza para fabricar los chalecos a prueba de bala. Revestimiento Exterior: Éste es el último elemento. El revestimiento exterior rodea al cable para así proteger la fibra de abrasión, solventes, corrosión, humedad, etc, es decir asegura la protección mecánica de la fibra.
APERTURA NUMERICA: Como ya hemos visto, se guía sin pérdidas únicamente la luz que incide a la inter fase con un ángulo mayor que el ángulo crítico. Esta limitación condiciona el ángulo de entrada (llamado a veces aceptancia) de la radiación por el extremo de la guía: observando la figura Fund.5, se comprueba que el ángulo crítico θc determina un ángulo máximo de aceptación αm, por encima del cual la luz introducida en la guíaonda no se guía. El seno de ese ángulo recibe el nombre de apertura numérica (AN), y es un parámetro fundamental que caracteriza una
fibra óptica o guíaonda plana. De la propia definición de ángulo crítico aplicando la ley de Snell resulta que
ANGULO DE APERTURA:
INDICE DE REFRACCIÓN: La energía de la luz de un rayo incidente que no se refleja entra en el material. El rayo entrante se dobla en ángulo desviándose de su trayecto original. Este rayo recibe el nombre de rayo refractado. El grado en que se dobla el rayo de luz incidente depende del ángulo que forma el rayo incidente al llegar a la superficie del material y de las distintas velocidades a la que la luz viaja a través de las dos sustancias.
La densidad óptica del material determina la desviación de los rayos de luz en el vidrio. La densidad óptica se refiere a cuánto la velocidad del rayo de luz disminuye al atravesar una sustancia. Cuanto mayor es la densidad óptica del material, más se desacelera la luz en relación a su velocidad en el vacío. El índice de refracción (η) se define como la velocidad de la luz en el vacío dividido por la velocidad de la luz en el medio.
Por lo tanto, la medida de la densidad óptica de un material es el índice de refracción de ese material. Un material con un alto índice de refracción es ópticamente más denso y desacelera más la luz que un material con menor índice de refracción. Si el rayo de luz parte de una sustancia, entrando a una sustancia cuyo índice de refracción es mayor, el rayo refractado se desvía hacia la normal. Si el rayo de luz parte de una sustancia, entrando a una sustancia cuyo índice de refracción es menor, el rayo refractado se desvía en sentido contrario de la normal. Considere un rayo de luz que pasa con un ángulo que no es de 90 grados por el límite entre un vidrio y un diamante como se muestra en el gráfico 1.6b.
El vidrio tiene un índice de refracción de aproximadamente 1,523. El diamante tiene un índice de refracción de aproximadamente 2,419. Por lo tanto, el rayo que continúa
su trayecto por el diamante se desviará hacia la normal. Cuando ese rayo de luz cruce el límite entre el diamante y el aire con un ángulo que no sea de 90 grados, se desviará alejándose de la normal. La razón de esto es que el aire tiene un índice de refracción menor, cerca de 1,000 menos que el índice de refracción del diamante. Esta desviación de los rayos de luz en los límites de dos sustancias es la razón por la que los rayos de luz pueden recorrer una fibra óptica aun cuando la fibra tome la forma de un círculo.
IMPORTANCIA EN LOS CONCEPTOS DE REFLEXION Y REFRACCION:
Aplicaciones Su uso es muy variado: desde comunicaciones digitales y joyas, pasando por sensores y llegando a usos decorativos, como árboles de Navidad, veladores y otros elementos similares. Aplicaciones de la fibra monomodo: Cables submarinos, cables interurbanos, etc.
1998 joya en Fibra óptica, oro blanco y diamantes ganadora de una competencia de diseño en Tokio.
Comunicaciones con fibra óptica La fibra óptica se emplea como medio de transmisión en redes de telecomunicaciones ya que por su flexibilidad los conductores ópticos pueden agruparse formando cables. Las fibras usadas en este campo son de plástico o de vidrio y algunas veces de los dos tipos. Por la baja atenuación que tienen, las fibras de vidrio son utilizadas en medios interurbanos.
Sensores de fibra óptica Las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores para medir: tensión, temperatura, presión y otros parámetros. Su tamaño pequeño y el hecho de que por ellas no circula corriente eléctrica les dan ciertas ventajas respecto a los sensores eléctricos. Las fibras ópticas se utilizan como hidrófonos para los sismos o aplicaciones de sonar. Se han desarrollado sistemas hidrofónicos con más de 100 sensores usando la fibra óptica. Los hidrófonos son usados por la industria de petróleo así como las marinas de guerra de algunos países. La compañía alemana Sennheiser desarrolló un micrófono que trabaja con láser y fibras ópticas. Se han desarrollado sensores de fibra óptica para el temperatura y presión de pozos petrolíferos. Estos sensores pueden trabajar a mayores temperaturas que los sensores de semiconductores. Otro uso de la fibra óptica como un sensor es el giróscopo de fibra óptica que usa el Boeing 767 y el uso en microsensores del hidrógeno.
Iluminación Otro uso que se le da a la fibra óptica es la iluminación de cualquier espacio. En los últimos años las fibras ópticas han empezado a ser muy utilizadas debido a las ventajas que este tipo de iluminación representa:
Ausencia de electricidad y calor: Esto se debe a que la fibra sólo tiene la capacidad de transmitir los haces de luz, además de que la lámpara que ilumina la fibra no está en contacto directo con la misma. Se puede cambiar el color de la iluminación sin necesidad de cambiar la lámpara: Esto se debe a que la fibra puede transportar el haz de luz de cualquier color sin importar el color de la fibra. Por medio de fibras, con una sola lámpara se puede hacer una iluminación más amplia : Esto es debido a que con una lámpara se puede iluminar varias fibras y colocarlas en diferentes lugares.
Más usos de la fibra óptica
Se puede usar como una guía de onda en aplicaciones médicas o industriales en las que es necesario guiar un haz de luz hasta un blanco que no se encuentra en la línea de visión.
La fibra óptica se puede emplear como sensor para medir tensiones, temperatura, presión así como otros parámetros. Es posible usar latiguillos de fibra junto con lentes para fabricar instrumentos de visualización largos y delgados llamados endoscopios. Los endoscopios se usan en medicina para visualizar objetos a través de un agujero pequeño. Los endoscopios industriales se usan para propósitos similares, como por ejemplo, para inspeccionar el interior de turbinas. Las fibras ópticas se han empleado también para usos decorativos incluyendo iluminación, árboles de Navidad. Líneas de abonado Las fibras ópticas son muy usadas en el campo de la iluminación. Para edificios donde la luz puede ser recogida en la azotea y ser llevada mediante fibra óptica a cualquier parte del edificio. Se emplea como componente en la confección del hormigón translúcido, invención creada por el arquitecto húngaro Ron Losonczi, que consiste en una mezcla de hormigón y fibra óptica formando un nuevo material que ofrece la resistencia del hormigón pero adicionalmente, presenta la particularidad de dejar traspasar la luz de par en par.
.Ángulo crítico y reflexión total Si se examina la ley de Snell, se comprueba fácilmente que un haz luminoso con cualquier ángulo de incidencia puede desdoblarse en una parte reflejada y otra transmitida, siempre que el índice de refracción del medio incidente sea inferior al del medio transmitido.
En caso contrario (Figura Fund.4), si se aumenta paulatinamente el ángulo se alcanza un ángulos superiores se produce un fenómeno denominado reflexión total interna. No existe componente transmitida y –lo que resulta fundamental para Comunicaciones Ópticas–no se producen pérdidas en la reflexión.