Fibra óptica

Republica Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para le Educacion Superior I.U.P “Santiago Mariño” Maturin – Edo – Monagas

Profesor: Cristóbal Espinoza

Realizado por: Rubén González C.I: 25.453.370

Mayo 2016

La Historia de la comunicación por la fibra óptica.

Es relativamente corta. En 1977, se instaló un sistema de prueba en Inglaterra; dos años después, se producían ya cantidades importantes de pedidos de este material.

Antes, en 1959, como o derivación de los estudios en física enfocados a la óptica, se descubrió una nueva utilización de la luz, a la que se denominó rayo láser, que fue aplicado a las telecomunicaciones con el fin que los mensajes se transmitieran a velocidades inusitadas y con amplia cobertura. Sin embargo esta utilización del láser era muy limitada debido a que no existían los conductos y canales adecuados para hacer viajar las ondas electromagnéticas provocadas por la lluvia de fotones originados en la fuente denominada láser.

Fue entonces cuando los científicos y técnicos especializados en óptica dirigieron sus esfuerzos a la producción de un ducto o canal, conocido hoy como la fibra óptica. En 1966 surgió la propuesta de utilizar una guía óptica para la comunicación.

Esta forma de usar la luz como portadora de información se puede explicar de la siguiente manera: Se trata en realidad de una onda electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, con la única diferencia que la longitud de las ondas es del orden de micrómetros en lugar de metros o centímetros.

Como portadora de Información En poco más de 10 años la fibra óptica se ha convertido en una de las tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión de información. Este novedoso material vino a revolucionar los procesos de las telecomunicaciones en todos los sentidos, desde lograr una mayor velocidad en la transmisión y disminuir casi en su totalidad los ruidos y las interferencias hasta multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía telefónica.

Las fibras ópticas son filamentos de vidrio de alta pureza extremadamente compactos: El grosor de una fibra es similar a la de un cabello humano. Fabricadas a alta temperatura con base en silicio, su proceso de elaboración es controlado por medio de computadoras, para permitir que el índice de refracción de su núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las desviaciones, entre sus principales características se puede mencionar que son compactas, ligeras, con bajas pérdidas de señal, amplia capacidad de transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a que son inmunes a las interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia. Las fibras ópticas no conducen señales eléctricas por lo tanto son ideales para incorporarse en cables sin ningún componente conductivo y pueden usarse en condiciones peligrosas de alta tensión. Tienen la capacidad de tolerar altas diferencias de potencial sin ningún circuito adicional de protección y no hay problemas debido a los cortos circuitos Tienen un gran ancho de banda, que puede ser utilizado para incrementar la capacidad de transmisión con el fin de reducir el costo por canal; De esta forma es considerable el ahorro en volumen en relación con los cables de cobre.

Con un cable de seis fibras se puede transportar la señal de más de cinco mil canales o líneas principales, mientras que se requiere de 10,000 pares de cable de cobre convencional para brindar servicio a ese mismo número de usuarios, con la desventaja que este último medio ocupa un gran espacio en los ductos y requiere de grandes volúmenes de material, lo que también eleva los costos. Comparado con el sistema convencional de cables de cobre donde la atenuación de sus señas, (Decremento o reducción de la onda o frecuencia) es de tal magnitud que requieren de repetidores cada dos kilómetros para regenerar la transmisión, en el sistema de fibra óptica se pueden instalar tramos de hasta 70 km. Sin que halla necesidad de recurrir a repetidores lo que también hace más económico y de fácil mantenimiento este material.

Originalmente, la fibra óptica fue propuesta como medio de transmisión debido a su enorme ancho de banda; sin embargo, con el tiempo se ha planteado para un amplio rango de aplicaciones además de la telefonía, automatización industrial, computación, sistemas de televisión por cable y transmisión de información de imágenes astronómicas de alta resolución entre otros En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en energía óptica o en luminosa, por ello se le considera el componente activo de este proceso. Una vez que es transmitida la señal luminosa por las minúsculas fibras, en otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que se le denomina detector óptico o receptor, cuya misión consiste en transformar la señal luminosa en energía electromagnética, similar a la señal original. El sistema básico de transmisión se compone en este orden, de señal de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector óptico, línea de fibra óptica (primer tramo) empalme, línea de fibra óptica (segundo tramo), corrector óptico, receptor, amplificador y señal de salida.

En resumen, se puede decir que este proceso de comunicación, la fibra óptica funciona como medio de transportación de la señal luminosa, generado por el transmisor de LED'S (diodos emisores de luz) y lasers.

Los diodos emisores de luz y los diodos lasers son fuentes adecuadas para la transmisión mediante fibra óptica, debido a que su salida se puede controlar rápidamente por medio de una corriente de polarización. Además su pequeño tamaño, su luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje necesario para manejarlos son características atractivas.

Estructura de la Fibra Óptica Estructura ajustadas: está formado por un tubito de plástico o vaina en cuyo interior se encuentra alojado, en forma estable, el conductor de fibra óptica. La vaina debe ser fácil de manejar de forma similar a un cuadrete o un par coaxial. Pueden ser cables tanto monofibra, como multifibra. Sus aplicaciones más frecuentes son: cortas distancias, instalaciones en campus, instalaciones en interiores, instalaciones bajo tubo, montaje de conectores directos y montaje de latiguillos.

Estructura holgada: en lugar de un solo conductor se introducen de dos a doce conductores de fibras ópticas en una cubierta algo más grande que la vaina del caso anterior, de ésta forma los conductores de fibra no se encuentran ajustados a la vaina. Además se suele recubrir todo el conjunto con un gel para que no penetre el agua en caso de rotura del cable. Principalmente se dividen en cables multifibras armados (antihumedad y antirroedores con fleje de acero) y cables multifibra dieléctrico (cable totalmente dieléctrico).

Como aplicaciones más importantes tenemos conexiones a largas distancias e instalaciones en exteriores

.

Transmisión de la Fibra Óptica Los sistemas de transmisión de fibra óptica utilizan enlaces de datos que funcionan de forma similar a la que se ilustra en el diagrama de arriba. Cada enlace de fibra consta de un transmisor en un extremo de la fibra y de un receptor en el otro. La mayoría de los sistemas operan transmitiendo en una dirección a través de una fibra y en la dirección opuesta a través de otra fibra para así tener una transmisión bidireccional. Es posible transmitir en ambas direcciones a través de una sola fibra pero se necesitan acopladores para hacerlo, y la fibra es menos costosa que ellos. Una red FTTH óptica pasiva (PON) es el único sistema que utiliza transmisión bidireccional sobre una sola fibra porque su arquitectura de red ya utiliza acopladores como base.

La mayoría de los sistemas utilizan un "transceiver" que incluye tanto un transmisor como un receptor en un sólo módulo. El transmisor toma un impulso eléctrico y lo convierte en una salida óptica a partir de un diodo láser o un LED. La luz del transmisor se acopla a la fibra con un conector y se transmite a través de la red de cables de fibra óptica. La luz del final de la fibra se acopla al receptor, donde un detector convierte la luz en una señal eléctrica que luego se acondiciona de forma tal que pueda utilizarse en el equipo receptor.

Las señales analógicas son continuamente variables y la información contenida en ellas está en la amplitud de la señal con respecto al tiempo. Las señales digitales se muestrean a intervalos de tiempo regulares y la amplitud se convierte a bytes digitales, por lo tanto la información es un número digital. Las señales analógicas son la forma más común de transmisión de datos, pero sufren degradación por el ruido presente en el sistema de transmisión. Debido a que la señal analógica se atenúa en un cable, la relación señal-ruido empeora y en consecuencia la calidad de la señal se degrada. Las señales digitales pueden transmitirse en largas distancias sin que se degraden ya que son menos sensibles al ruido.

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 señal-ruido 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.

Diseño Generalmente, el diseño de los transceivers es estándar para que múltiples fuentes puedan conectarse al equipo de transmisión. Los módulos se conectan a un conector dúplex en un extremo óptico y a una interfaz eléctrica estándar en el otro extremo. Los transceivers reciben alimentación de los equipos en los que están integrados.

Fuentes para transmisores ópticos Las fuentes utilizadas para transmisores ópticos deben cumplir con varios criterios: operar en la longitud de onda adecuada, ser pasibles de modularse lo suficientemente rápido para transmitir datos y poder acoplarse de forma eficiente a la fibra.

Comúnmente se utilizan cuatro tipos de fuentes: LED, láser fabry-perot (FP), láser de retroalimentación distribuida (DFB) y láser de cavidad vertical y emisión superficial (VCSEL). Todos ellos convierten las señales eléctricas en señales ópticas, pero son muy diferentes entre sí. Los tres son minúsculos dispositivos semiconductores (chips). Los LED y VCSEL se fabrican sobre pastillas de material semiconductor para que puedan emitir luz desde la superficie del chip, mientras que los láser F-P y DFB emiten luz desde el lateral del chip, desde una cavidad del láser creada en el medio del chip.

Los LED tienen una potencia disponible mucho menor que los láser y su patrón divergente y amplio de salida de la luz hace que sea más difícil que se acoplen a las fibras, por lo que se pueden utilizar sólo con fibras multimodo. Los láser tienen un patrón de salida de la luz menor y más estrecho, por lo que se pueden acoplar fácilmente a fibras monomodo, lo que los hace ideales para transmisiones de alta velocidad en larga distancia. Los LED tienen un ancho de banda menor que los láser y su uso se limita a sistemas que operan a 250 MHz o 200 Mb/s aproximadamente.

Por otro lado, los láser tienen una capacidad de ancho banda muy elevada, por lo que pueden ser útiles en 10 GHz o 10 Gb/s.

Debido al método en el que son fabricados, los LED y VCSEL son más económicos. Los láser son más costosos porque es más difícil crear la cavidad del láser dentro del dispositivo, y recién se podrá probar si el láser funciona correctamente cuando el chip esté separado de la pastilla del material semiconductor y tenga cada extremo revestido.

Atenuación de la Fibra Óptica Significa la disminución de potencia de la señal óptica, en proporción inversa a la longitud de fibra. La unidad utilizada para medir la atenuación en una fibra óptica es el decibel (dB).

La atenuación de la fibra se expresa en dB/Km. Este valor significa la pérdida de luz en un Km. Los factores que influyen en la atenuación se pueden agrupar en dos.

Factores propios.- Podemos destacar fundamentalmente dos.

Las pérdidas por absorción del material de la fibra, son debido a impurezas tales como iones metálicos, níquel variado (OH)- , etc. ya que absorben la luz y la convierten en calor. El vidrio ultra puro usado para fabricar las fibras ópticas es aproximadamente 99.9999% puro. Aún así, las pérdidas por absorción entre 1 y 1000 dB/Km son típicas.

Las pérdidas por dispersión (esparcimiento) se manifiestan como reflexiones del material, debido a las irregularidades microscópicas ocasionadas durante el proceso de fabricación y cuando un rayo de luz se está propagando choca contra estas impurezas y se dispersa y refleja.

Dentro de estas pérdidas tenemos Pérdidas por difusión debido a fluctuaciones térmicas del índice de refracción.

Imperfecciones de la fibra, particularmente en la unión núcleo-revestimiento, variaciones geométricas del núcleo en el diámetro Impurezas y burbujas en el núcleo Impurezas de materiales fluorescentes Pérdidas de radiación debido a micro curvaturas, cambios repetitivos en el radio de curvatura del eje de la fibra Factores externos.- El principal factor que afecta son las deformaciones mecánicas. Dentro de estas las más importantes son las curvaturas, esto conduce a la pérdida de luz por que algunos rayos no sufren la reflexión total y se escapan del núcleo.

Las curvas a las que son sometidas las fibras ópticas se pueden clasificar en macro curvaturas (radio del orden de 1cm o más) y micro curvaturas (el eje de la fibra se desplaza unas decenas de micra sobre una longitud de unos pocos milímetros).

Para obtener una representación visual de las características de atenuación de una fibra óptica a lo largo de toda su longitud se utiliza un reflectómetro óptico en el dominio en tiempo (OTDR). El OTDR dibuja esta característica en su pantalla de forma gráfica, mostrando las distancias sobre el eje X y la atenuación sobre el eje Y. A través de esta pantalla se puede determinar información tal como la atenuación de la fibra, las pérdidas en los empalmes, las pérdidas en los conectores y la localización de las anomalías.

El ensayo mediante el OTDR es el único método disponible para determinar la localización exacta de las roturas de la fibra óptica en una instalación de cable óptico ya instalado y cuyo recubrimiento externo no presenta anomalías visibles. Es el mejor método para localizar pérdidas motivadas por empalmes individuales, por conectores, o por cualquier anomalía en puntos concretos de la instalación de un sistema. Permite determinar si un empalme está dentro de las especificaciones o si se requiere rehacerla.

Cuando está operando el OTDR envía un corto impulso de luz a través de la fibra y mide el tiempo requerido para que los impulsos reflejados retornen de nuevo al OTDR

El Ruido de la Fibra Optica El cable de fibra óptica no se ve afectado por las fuentes de ruido externo que causan problemas en los medios de cobre porque la luz externa no puede ingresar a la fibra salvo en el

extremo del transmisor. El manto está cubierto por un material amortiguador y una chaqueta exterior que impide que la luz entre o abandone el cable. Además, la transmisión de la luz en la fibra de un cable no genera interferencia que afecte la transmisión en cualquier otra fibra. Esto significa que la fibra no tiene el problema de diafonía que sí tienen los medios de cobre. De hecho, la calidad de los enlaces de fibra óptica es tan buena que los estándares recientes para Gigabit y 10 Gigabit Ethernet establecen distancias de transmisión que superan de lejos el tradicional alcance de 2 kilómetros de la Ethernet original. La transmisión por fibra óptica permite que se utilice el protocolo de Ethernet en las Redes de Área Metropolitana (MANs) y en las Redes de Área Amplia (WAN).

Aunque la fibra es el mejor de todos los medios de transmisión a la hora de transportar grandes cantidades de datos a grandes distancias, la fibra también presenta dificultades. Cuando la luz viaja a través de la fibra, se pierde parte de la energía de la luz. Cuanto mayor es la distancia a la que se envía una señal a través de una fibra, más fuerza pierde la señal. Esta atenuación de la señal se debe a diversos factores implícitos en la naturaleza de la fibra en sí. El factor más importante es la dispersión. La dispersión de la luz dentro de una fibra es producida por defectos microscópicos en la uniformidad (distorsiones) de la fibra que reflejan y dispersan parte de la energía de la luz.

La absorción es otra causa de pérdida de la energía de la luz. Cuando un rayo de luz choca algunos tipos de impurezas químicas dentro de una fibra, estas impurezas absorben parte de la energía. Esta energía de la luz se convierte en una pequeña cantidad de energía calórica. La absorción hace que la señal luminosa sea un poco más débil.

Dispersion Se denomina dispersión al fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas; por ejemplo, a las ondas sonoras que se desplazan a través de la atmósfera, a las ondas de radio que atraviesan el espacio interestelar o a la luz que atraviesa el agua, el vidrio o el aire.

Se habla de dispersión, en términos generales, como el estado de un sólido o de un gas cuando contienen otro cuerpo uniformemente repartido en su masa (equivalente a la noción de disolución, que concierne a los líquidos).

Cuando un haz de luz blanca procedente del sol atraviesa un prisma de cristal, las distintas radiaciones monocromáticas son tanto más desviadas por la refracción cuanto menor es su longitud de onda. De esta manera, los rayos rojos son menos desviados que los violáceos y el haz primitivo de luz blanca, así ensanchado por el prisma, se convierte en un espectro electromagnético en el cual las radiaciones coloreadas se hallan expuestas sin solución de continuidad, en el orden de su longitud de onda, que es el de los siete colores ya propuestos por Isaac Newton: violeta, índigo, azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo (Así como, en ambos extremos del espectro, el ultravioleta y el infrarrojo, que no son directamente visibles por el ojo

humano, pero que impresionan las placas fotográficas). Es sabido desde la antigüedad que la luz solar, al pasar por cristales transparentes o joyas de varias clases, produce brillantes colores.

Amplificación de la Fibra Óptica Los dos principales tipos de amplificadores ópticos son: los SOAs, Semiconductor Optical Amplifiers, y los DFAs, Doped-Fiber Amplifiers.

El fundamento de un amplificador óptico es el proceso de emisión estimulada al igual que en un láser. Su estructura es similar a la de un láser salvo que no posee una realimentación para evitar que el dispositivo oscile, de forma que puede elevar el nivel de potencia de la señal pero no generar una señal óptica coherente. En la siguiente figura se muestra un esquema del funcionamiento de un amplificador básico

Una fuente de bombeo inyecta una energía en la zona activa del amplificador. Esta energía es absorbida por los electrones que incrementan sus niveles de energía produciéndose la inversión de población. Al ser alcanzados estos electrones por los fotones de la señal óptica de entrada caen a unos niveles energéticos más bajos dando lugar a un nuevo fotón, esto es el proceso de emisión estimulada, produciéndose así la amplificación de la señal.

La amplificación se produce dentro de un rango de frecuencias que dependen del material, así como su estructura.

En los SOA la zona activa esta construida con aleaciones de elementos semiconductores como el fósforo, el indio, el galio y el arsénico. En los DFA es un núcleo de fibra óptica dopada con iones de tierras raras como el Erbio (Er), el Praseodimio (Pr), el Iterbio (Yb) o el Neodimio (Nd).

Amplificadores Ópticos de Semiconductor La estructura de un SOA Semiconductor Optical Amplifiers , es muy similar a la de un láser semiconductor pero sin la realimentación que hace que éste oscile. Según como se evite esta oscilación se tienen tres subtipos de amplificadores.

Amplificadores de enganche por inyección . Son los menos empleados y consisten en láseres de semiconductor polarizados por encima del umbral que se emplea para amplificar una señal óptica de entrada.

Amplificador Fabry-Perot (FP) . Su estructura es básicamente como la de un láser de FabryPerot pero polarizado por debajo del umbral impidiendo así su oscilación. Su principal inconveniente es su respuesta en frecuencia, que al igual que un filtro de Fabry-Perot consiste en una serie de bandas de paso espaciadas periódicamente.

Amplificador de onda viajera (TWSLA, Travelling Wave SLA ) . En el se eliminan las reflectividades de los espejos de salida de la cavidad, evitando así la realimentación de la señal, por lo que la amplificación se produce por el paso de la señal un sola vez por el dispositivo. Este amplificador se suele alargar con respecto a los diodos laseres convencionales para aumentar la ganancia.

El amplificador de onda viajera es el tipo de SOA más empleado en la actualidad debido a sus prestaciones en saturación, ancho de banda y ruido. Su estructura consiste en una unión pn polarizada en directa con los extremos de la zona activa recubiertos con un material antirreflectante, como se muestra en la siguiente figura.

EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier El EDFA es el amplificador de fibra dopada más empleado en la actualidad, ya que es posible amplificar señales en la tercera ventana (1550nm). El motivo puede deducirse del diagrama de niveles del erbio.

Se puede ver en el diagrama de niveles de energía del erbio que la transición entre los niveles 4I13/2 y 4I15/2 corresponde a una longitud de onda comprendida entre 1530nm y 1560nm aprox.

Luego al provocar una inversión de población entre dichos niveles se puede amplificar señales en la tercera ventana. El primer nivel excitado, 4I13/2 , desde el que las frecuencias de transición se corresponden con la tercera ventana, tiene un tiempo de vida medio de unos 10ms, mientras que en los dos superiores es de 0.001ms, por lo que el nivel 4I13/2 es un estado metaestable. Por lo tanto todo ión que llegue a estos niveles por medio del bombeo acabara cayendo al nivel 4I13/2 por emisión espontánea, y a su vez cara al nivel fundamental por emisión estimulada, produciéndose así la amplificación.

Al dopar con iones de erbio el núcleo de una fibra óptica se provoca un ensanchamiento de las bandas de transición. Esto a su vez provoca un ensanchamiento considerable del rango de longitudes de onda que pueden ser amplificadas. Este efecto puede mejorarse añadiendo al núcleo, aluminio y óxido de germanio.

Las dos longitudes de onda de bombeo más adecuadas son 1480nm (mediante un diodo láser de InGaAsP) y 980nm (mediante un diodo láser de InGaAs). El empleo de una u otra longitud de onda depende de ciertas características del proceso de absorción en cada uno de estos niveles, derivadas de los diferentes tipos de ruido al que pueden originarse, de la disponibilidad de las

fuentes de bombeo o de la saturación de ganancia. El bombeo a 1480nm supone un amplificador más ruidoso pero más inmune a la saturación de ganancia. Mientras que el bombeo a 980nm proporciona un amplificador con prestaciones de ruido excelentes pero es más proclive a la saturación de ganancia. En ambos casos es posible obtener ganancias entre 30 y 50 dB. Comunicaciones de la Fibra Óptica La comunicación por fibra óptica es un método de transmisión de información de un lugar a otro enviando señales de luz a través de fibra óptica. La luz en forma de ondas electromagnéticas viajeras es modulada para transmitir información. Desarrollados en la década de 1970, los sistemas de comunicación de fibra óptica han revolucionado la industria de las telecomunicaciones y han desempeñado un papel importante en el advenimiento de la era de la información. Debido a sus ventajas sobre la transmisión eléctrica, la fibra óptica ha sustituido en gran medida las comunicaciones mediante cables de cobre en las redes del mundo desarrollado.

El proceso de comunicación mediante fibra óptica implica los siguientes pasos: creación de la señal óptica mediante el uso de un transmisor; transmisión de la señal a lo largo de la fibra, garantizando que la señal no sea demasiado débil ni distorsionada; recepción de la señal, lo que consiste en la conversión de ésta en una señal eléctrica.