DEBER DE NTICS FISEI Nombre: José Campos Nivel: 2A Electrónica Fecha: 29/05/2016 FIBRA ÓPTICA El rápido crecimiento de la industria de las telecomunicaciones durante la última década ha estimulado el desarrollo y constantes mejoras en la tecnología de las fibras ópticas. Muchos elementos ópticos como las fuentes y detectores ópticos, así como una gran diversidad de dispositivos completamente a fibra óptica como acopladores, multiplexores, amplificadores, filtros sintonizables, se han convertido en elementos críticos en este crecimiento. Esta tendencia ha hecho que los sesores a fibra óptica se vuelvan más competitivos frente a los sensores tradicionales. El ámbito de los sensores a fibra óptica se ha visto beneficiado de este crecimiento de la industria, haciéndolos más asequibles en diversos sectores productivos [1]. Algunas características que han sido decisivas al momento de impulsar la investigación de los sensores a fibra óptica son las ventajas únicas que estos ofrecen, como su inmunidad a interferencia electromagnética, su bajo peso y volumen, su larga vida y la capacidad de multiplexación, entre otras. (Bulevas, Cardona, González, & Jessie, 2011) RWA - ROUTING WAVELENGTH ASSIGNMENT Las redes WDM están formadas por conmutadores ópticos, denominados OXC (Optical Cross Connect) o nodos, enlazados por fibras ópticas, que tienen características que permiten diferentes longitudes transitando simultáneamente, es decir fibras ópticas de baja dispersión para controlar los fenómenos no lineales. Dependiendo de la tecnología de estos conmutadores pueden conmutar fibras, longitudes de onda, bandas de longitudes de onda, canales de tiempo TDM [(Fukuda et al., 2014; Gu et al., 2015)]. Las rutas están formadas por enlaces (e) adyacentes que dependerá del origen y destino de la solicitud. En la ecuación 1, se puede observar la ruta 0 (R0) cuyo origen y destino es el nodo 4 y 9 respectivamente, formada por cuatro enlaces. (1) Los LP se forman al asociar una ruta (R) con una longitud de Onda (λ), esto se puede observar en la ecuación 2. (2) (Rodriguez, Ramirez, & Chahuan, 2015)
Atenuación y dispersión en fibras ópticas La potencia de una señal que se propaga a través de una fibra es exponencialmente proporcional al coeficiente de atenuación (α) y a la longitud de la fibra. Por tanto, si se inyecta una señal de potencia P0, la potencia óptica a una distancia l del inicio de la fibra será: La atenuación es un parámetro característico de la fibra que depende de la longitud de onda. A 1550 nm se consiguen las atenuaciones más bajas (en torno a 0.2 dB/Km), por lo que es la ventana en la que se trabaja habitualmente en telecomunicaciones. Como se ilustra en la figura 1.1, la atenuación depende de la longitud de onda y es causa de varios factores como la absorción del material, la curvatura de la fibra, la dispersión elástica (Rayleigh) o inelástica (Raman o Brillouin) entre otros. La figura 1.1 muestra la atenuación típica de una fibra en función de la longitud de onda. La dispersión elástica es un factor determinante en la atenuación de la fibra, decreciendo su intensidad según aumenta la longitud de onda. Cuando tiene lugar la dispersión elástica no se produce cambio de frecuencia en los fotones dispersados, siendo fundamentalmente motivado por inhomogeneidades presentes en el núcleo de la fibra. (Ullán, 2013) Interfaces para transmisión de largo alcance o de transporte Una de las opciones más utilizadas para transmisión de largo alcance son los sistemas WDM (Wavelength Division Multiplexing), cuya estructura básica se muestra en la Figura 3. Retos en la transmisión de 40/100Gb/s sobre fibra óptica Revista en telecomunicaciones e informática, Vol. 1, No. 2 (2011) 27 Las señales ópticas generadas por N Txs (Transmisores) con una longitud de onda Ȝi son multiplexados en una sola fibra óptica usando un multiplexor WDM (mux). Actuando como un filtro pasa banda óptico para cada canal, un mux limita el ancho espectral de un formato de modulación para evitar la diafonía WDM con los canales vecinos. Después de transmitir sobre una serie de tramos de fibra óptica y OAs (Optical Amplifiers) espaciadas periódicamente, los canales WDM se separan usando un de-multiplexor WDM (demux) y luego se detecta cada canal Rx (Receptor). El demux otra vez actúa como un filtro pasa bandas óptico para cada canal y así suprimir ambas interferencias, la de canales WDM vecinos y los ruidos de los OAs. Cada portadora óptica forma un canal óptico que podrá ser tratado independientemente del resto de canales que comparten el medio (fibra óptica) y contener diferente tipo de tráfico. De esta manera se puede multiplicar el ancho de banda efectivo de la fibra óptica, así como facilitar comunicaciones bidireccionales. (Fernando, 2011) Introducción: la espectroscopía Raman y los pigmentos Desde la aparición del láser en la década de los años 60 son conocidas sus múltiples aplicaciones en, prácticamente, todos los ámbitos de la vida, desde la medicina a la medición del tiempo, o desde la bioingeniería a las comunicaciones submarinas por fibra óptica. A pesar de ello, una aplicación poco conocida es la que se refiere a la utilización del láser en el ámbito del Patrimonio Cultural, aunque sí es cierto que en el mundo de la restauración de bienes inmuebles patrimoniales empieza a ser aceptado que con un láser S3-134 7ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’11 - 2 - P.FERRER et al.
pulsado se pueden limpiar superficies pétreas (laser cleaning). Pero es menos conocido que con un láser continuo, un monocromador y un detector CCD se puede determinar la composición molecular de cualquier material, lo cual, en esencia, es el principio de la espectroscopía Raman [1] (fig. 1). Si el material analizado fuese un pigmento, deduciremos enseguida la potencialidad que tiene esta metodología en el análisis de obras de arte. Fig. 1: Diagrama de bloques de un sistema de espectroscopía Raman con fibra óptica utilizado en análisis de pigmentos. Existen muchos tipos de pigmentos y varias formas de clasificarlos. Por ejemplo, pueden ser de origen mineral, animal o vegetal, siendo los primeros los más abundantes y, por ello, los más utilizados a lo largo de la historia. El cinabrio, el lapislázuli, los hematites, la azurita o la calcita son algunos de ellos. Pero también pueden ser clasificados según si su origen es natural (se encuentra en la naturaleza) o artificial, es decir, fabricado por el ser humano a partir de un momento concreto. Por ejemplo, el azul de Prusia (químicamente ferrocianuro férrico) fue descubierto por Diesbach en Berlín en 1704; a partir de 1730 su empleo era común en las paletas de todos los pintores. Los blancos de titanio (dióxido de titanio) se inventaron después de la 1ª Guerra Mundial y desplazaron de forma progresiva al antiguo blanco de plomo a partir de los años 20. [2,3] El espectro Raman de un pigmento contiene su información molecular. Este conocimiento es fundamental en el mundo de la conservación y restauración de obras de arte, entre otras razones, para evitar el uso de nuevos pigmentos que podrían ser químicamente incompatibles con los originales. Por otra parte, en muchas ocasiones nos encontramos con obras anónimas de las cuales no se conoce, por falta de documentación, ni su origen ni su autoría. El conjunto de espectros Raman nos permite conocer la paleta completa utilizada por el autor y, con ello, acercarnos a la escuela y periodo histórico correspondientes a ese conjunto de pigmentos identificados en laboratorio. Este trabajo interdisciplinar es importantísimo en la catalogación objetiva del patrimonio y, por supuesto, en la detección de posibles falsificaciones, caso que por desgracia, es muy frecuente en entornos comerciales. (Ferrer, Ruiz, Bretiman, & López, 2011) Sistemas RoF que operan en la banda de las MMW Los sistemas de RoF transmiten señales de radio a través de la fibra óptica directamente hasta la BS. Cuando existen varias BS, un dispositivo pasivo, conocido como divisor (splitter) [6], divide la señal a las BS, como se observa en la figura 1: Figura 1. Sistema de radio sobre fibra Una de las ventajas más importantes de la tecnología RoF es la habilidad de concentrar lo más costoso del equipo de alta frecuencia en un lugar central u oficina central (CO, Central Office), lo cual permite la instalación del equipo restante en un lugar distante, debido a su sencillez, bajo peso, Hacia la próxima generación de sistemas de Radio sobre Fibra de banda ancha: retos tecnológicos en la banda de las ondas milimétricas Ingeniería & Desarrollo. Universidad del Norte. 29(2): 242-265, 2011 247 tamaño reducido y bajo consumo de potencia [6]. Entre otras ventajas adicionales se destaca el gran ancho de banda que proporciona la fibra en el transporte de señales de radiofrecuencia (RF). También el aumento de la flexibilidad operacional y el potencial para reutilizar o compartir entre una cantidad determinada de usuarios los servicios
implementados [7]. Con los sistemas de RoF, las BSs solo son utilizadas para realizar la conversión opto-eléctrica, por lo que su configuración es más simple e independiente del protocolo y del formato de modulación [8]. Hoy en día, la implementación y uso de servicios basados en IP se está llevando a cabo con conexiones de forma más inalámbrica, donde los usuarios finales por medio de sus teléfonos inteligentes acceden a internet y usan algún tipo de servicio [2]. En la figura 2 se muestra una red heterogénea de banda ancha de próxima generación para diversos servicios. (Granada, 2011)
Consideremos la ecuacion´ i µ ∂φ ∂z∗ + 1 vg ∂φ ∂t ¶ + 1 2 k 00 ∂ 2φ ∂t2 − i 6 k 000 ∂ 3φ ∂t3 + (1 − ζk0) iωα 2k0 φ − (1 − ζk0) βω2 0 (2k0) 3 |φ| 2 φ + µ 1 − ζk0 2 ¶ ζk2 0φ = 0, (1) en donde i = √ −1. Esta ecuacion se deduce en el trabajo de ´ Zamorano [1]. La Ec. (1) describe la propagacion de pulsos ´ en una fibra optica quiral, dispersiva y no lineal. El an ´ alisis ´ de cada termino es el siguiente [1]: ´ El primer termino representa la evoluci ´ on del pulso con ´ la distancia. El segundo, tercero y cuarto terminos representan la ´ dispersion de la fibra ´ optica. ´ k0 = 1/vg y k” corresponden a la dispersion crom ´ atica; ´ k 0 indica que el pulso se mueve con la velocidad de grupo (vg), mientras que la dispersion de la velocidad de grupo (GVD) est ´ a re- ´ presentada por k 00, la cual altera las fases relativas de las componentes frecuenciales del pulso produciendo su ensanchamiento temporal. k” es nulo en la region´ de 1.3 µm. Para valores de λ inferiores a 1.3 µm, k 00 es positivo (region de dispersi ´ on normal) y para valores ´ superiores a 1.3 µm, k 00 es negativo (region de disper- ´ sion an ´ omala). ´ k 000 representa la pendiente de la GVD, tambien denominada dispersi ´ on c ´ ubica y corresponde ´ a una dispersion de alto orden; importante en pulsos ´ ultra cortos y en la segunda ventana optica donde ´ k” es nulo (region de 1.3 ´ µm). La dispersion c ´ ubica, adem ´ as, ´ es importante en fibras con dispersion desplazada a la ´ region de 1.5 ´ µm. El quinto termino est ´ a asociado con la atenuaci ´ on de la ´ fibra (α), en este caso siendo ponderadas esas perdidas ´ por la quiralidad de la fibra. |φ| 2 φ representa los efectos no lineales, y se deben al efecto Kerr, el cual se caracteriza por tener un ´ındice de refraccion dependiente de la intensidad del campo ´ aplicado. Un ´ındice de este tipo, para el caso de fibras opticas, significa que se tiene un desplazamienlo de fa- ´ se dependienle de la intensidad y como los cambios temporales de fase son tambien cambios temporales de ´ frecuencia, se tiene que las no linealidades tipo Kerr pueden alterar y ensanchar el espectro de frecuencia de pulso. Este termino tambi ´ en depende de la quiralidad ´ de la fibra. El ultimo t ´ ermino est ´ a asociado netamente a la quirali- ´ dad de la fibra. Con el fin de facilitar la solucion de la ecuaci ´ on de pro- ´ pagacion, se introduce el siguiente cambio de variables ´ t 0 = t − z ∗ vg , z0 = z ∗ , (2) 422 A.H. SALAS AND J.E CASTILLO de modo que el sistema referencial original sera´ t = t 0 + z ∗ vg , z∗ = z 0 (3) y tendremos que la Ec. (1) toma la forma i ∂φ ∂z0 + 1 2 k 00 ∂ 2φ ∂t02 − i 1 6 k 000 ∂ 3φ ∂t03 + i αω0 2k0 (1 − ζk0)φ − βω2 0 (2k0) 3 (1 − ζk0)|φ| 2 φ + ζk2 0 µ 1 − ζk0 2 ¶ φ = 0. (A, 2011)
Radiación solar La energía de la radiación solar se distribuye desigualmente en las distintas longitudes de onda del espectro. Esta energía solar en el espacio se distribuye con más fuerza en la longitud de onda del espectro visible por el ojo humano. El pico de intensidad se obtiene aproximadamente en 550 nm de longitud de onda que corresponde al verdeamarillo.ii Al atravesar la atmósfera terrestre, la radiación solar sufre una serie de interacciones con los componentes de ésta, produciéndose los efectos siguientes: • Absorción de la radiación solar en ciertas longitudes de onda originada fundamentalmente por la acción de las moléculas de agua y de dióxido de carbono. • Dispersión de la radiación solar motivada por las siguientes causas: la acción de las nubes, el polvo existente en la atmósfera y las moléculas de los componentes de la atmósfera En el siguiente esquema se pueden ver los (Sánchez, 2013) En los sistemas de comunicaciones por fibra óptica, las largas distancias involucradas y la utilización de técnicas de multiplexación como WDM (Wavelength Division Multiplexing), hacen que los efectos no lineales sean cada vez más importantes, de ahí la necesidad de estudiarlos y analizarlos, a fin de identificar los métodos y técnicas para evitarlos, corregirlos o compensarlos en el caso que se presenten de manera inevitable. Los efectos no lineales se producen en todo dieléctrico, esencialmente originados por niveles de potencia excesivos aplicados a ellos, que provocan la presencia de campos electromagnéticos intensos. Al ser la fibra óptica un medio de esta naturaleza, no está exenta de que al estar expuesta a potencias ópticas grandes se presenten efectos no lineales. Dentro de los efectos no lineales, éstos se pueden categorizar en dos grupos: aquellos relacionados a la dependencia del índice de refracción del núcleo de la fibra óptica con la potencia de los pulsos transmitidos, que provocan una modulación de fase; y, aquellos relacionados con los fenómenos de scattering estimulado y que conducen a una disminución del nivel de potencia. En este trabajo se estudia y simula a estos últimos. El objetivo fundamental de estudiar y simular los efectos no lineales de scattering, es determinar, para los diferentes tipos de fibras ópticas, cuáles son los parámetros críticos a partir de los cuales se presentan efectos no lineales indeseables, a fin de operan bajo estas condiciones críticas y evitar la presencia de estos fenómenos degenerativos de la calidad de la transmisión. (H, P, & M, 2013) En la actualidad las redes de Bragg grabadas en fibra óptica (FBG) son ampliamente utilizadas en la fabricación de diferentes tipos de dispositivos empleados tanto en el área de las comunicaciones ópticas como en el ámbito industrial. Entre sus principales aplicaciones pueden mencionarse filtros sintonizables para multiplexado en longitud de onda, ecualizadores de ganancia en amplificadores ópticos, compensadores de dispersión, estabilizadores en longitud de onda de la emisión de láseres semiconductores, procesamiento fotónico de señales, tomografía óptica coherente para generación de imágenes biomédicas, etc. (Preciado et al., 2007; Dai et al., 2006; Capmany et al., 2005; Choi et al. 2005). También son empleadas como elementos de realimentación de la
cavidad en el desarrollo de láseres continuos o pulsados de fibra óptica (Andrés, et al., 2008). Asimismo, son extensamente utilizadas en aplicaciones de sensado remoto que incluyen el monitoreo de estructuras civiles (puentes, edificios, carreteras, etc.), el testeo no destructivo en procesos de fabricación, la evaluación de diferentes parámetros en la industria automotriz y aeroespacial (esfuerzo, temperatura, presión, vibraciones, desplazamiento, etc.), en ambientes peligrosos o corrosivos (pozos de extracción de petróleo, industria petroquímica, etc.), entre otras (Optical-fibre sensors, en Nature Photonics, 2008). Los sensores basados en redes de Bragg grabadas en fibra óptica, son considerablemente sensibles y traducen directamente el parámetro sensado en variaciones de sus características espectrales. (Russo, Noriega, & Duchowicz, 2011) En la actualidad nuevos medios de transmision han surgido bajo las necesidades del hombre en estar comunicado. La fibra optica se encuentra en una etapa de evolucion; desde su entrada en el mercado comercial en los anos 70 se ha desarrollado y se ha convertido en la protagonista de las telecomunicaciones, redes de voz y datos. Este trabajo, presenta los conceptos, normas y criterios basicos necesarios para el desarrollo de una red de fibra optica OPGW a traves de Lineas Electricas de 230kv, tomando como ejemplo el diseno requerido por una empresa estatal y la necesidad de un sistema redundante entre sus sedes administrativas. La utilizacion del cable de guarda de las lineas electricas, permiten el mejor medio alambrico de interconexion a grandes distancias sin altas inversiones en su ruteo." (Martínez, 2015)
Bibliografía Bulevas, C., Cardona, G., González, V., & Jessie, T. (2011). Aplicaciones De Sensores Basados En Redes De Bragg En Fibra Óptica En Estructuras Civiles . Revista Colombiana de Física, Vol. 43 , 929-932. Rodriguez, A., Ramirez, L., & Chahuan, J. (2015). Nueva Generación de Heurísticas para Redes de Fibra Óptica WDM (Wavelength División Multiplexing) bajo Tráfico Dinamico. Inf. tecnol. vol.26 no.5 La Serena . Ullán, Á. (2013). Contribuciones basadas en la dispersión estimulada de Brillouin en fibras ópticas para sensores distribuidos y láseres. Universidad de Cantabria . Fernando, D. (2011). Retos en la transmisión de 40/100Gb/s sobre fibra óptica. Revista en Telecomunicaciones e Informática, Vol. 1 , 23 - 60. Ferrer, P., Ruiz, S., Bretiman, M., & López, A. (2011). Última tecnología en espectroscopía Raman con fibra óptica: aplicación al análisis científico no invasivo de obras de arte. Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones , 1-6.
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