sistemas de transmisión Ópticos 01

SISTEMAS DE TRANSMISIÓN ÓPTICOSINSTRUCTOR: VLADIMIR SÁNCHEZ P., M.SC.

¿Qué se transmite en sistemas de telecomunicaciones?

Voz

Datos

Video

Audio

Transferir información de un punto a otro

Rápido

Preciso

Seguridad

Escalabilidad

Lo deseable

Conmutable

Multiples capacidades de transmisión

Económico

Esquema genérico: Vista física

Source EncoderModulator/

transmitter

Receiver/

demodulator Decoder Receiver

Link

Cable

Microwave

Other wireless

Light

Smoke signals

Esquema genérico: Vista lógica

Source Interface Interface Receiver

Packet-switched network

¿Por qué redes ópticas?

Tiempos antiguos, Bell, LASER.

Capacidades actuales.

Comparación con otros medios de transmisión.

Aplicaciones

Redes ópticas y electrónicas

Modulator

Input signal Connector Optional optical amplifier

Amplifier Decoder

Output signal

Optical fiber Optical fiber

Light

Wavelength = 800-1600 nm

Electricity Electricity

Light source

Detector

Modulator

Input signal

Amplifier Decoder

Output signal

Electromagnetic Radiation Frequency = 100 Kz to 30 GHz Electricity Electricity

Trans-mitter

Detector Receiver

CSU/DSU

Input signal Optional repeater amplifier

CSU/DSU

Output signal

T1, T45 cable T1, T45 cable

Electricity

Op

tica

lE

lect

ron

icW

irel

ess

Transmisión básica en fibra

No es comunicación electrónica.

Transmisión básica en fibra

Una cadena de datos de bits en forma eléctrica se modula , codificando los datos para transmitirlos por fibra.

Una Fuente de luz es conducida por el modulador para ser conducida por la fibra.

La luz viaja por la fibra.

En el receptor la luz es detectada y convertida en forma eléctrica.

La señal es amplificada, aislando cambios de estado y problema de temporización.

En el dispositivo final se hace uso de la información recibida.

Transmisión básica en fibra

¿Cómo influiría el tipo de modulación a la señal de entrada/salida y cómo actuaría la luz en la guía de onda?

¿Esta transmisión puede ser bidireccional?

Algunas ventajas

Tamaño y peso

Capacidad de información

Interferencia electromagnética

Seguridad

Fiabilidad y mantenimiento

Expansión

Regeneración de señal

Algunas desventajas

Conversión óptica-eléctrica

Caminos homogéneos

Instalaciones especiales

Reparaciones

Agentes externos*

Expansión de redes de fibra óptica

http://www.submarinecablemap.com/

Terminología

o Lambda (): longitud de onda de la luz.

o SONET: Synchronous Optical Network—tecnología de transporte que enfatiza la seguridad en las transmisión sobre fibra.

o Fotónica: Relación de uso de dispositivos de luz en vez de electrónicos.

o Decibel (db): Unidad de pérdida o ganancia de potencia con respecto a la fuente. Calculado como 10 log10 (P/Pref)

Relación con Modelo TCP/IP

Relación con Modelo TCP/IP

Espectro electromagnético

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Espectro visible, experimento de Newton

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Tipos de ondas

Longitudinal (ondas sonoras)

19

Tipos de ondas

Transversales (luz u ondas vía guía)

http://www.educaplus.org/play-127-Ondas-longitudinales-y-transversales.html

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Ondas de luz

La luz visible varia de la siguiente manera:

Longitud de onda azul: ~330 nm = 0.33 mm = 0.00033 mm

Longitud de onda roja: ~770 nm = 0.77 mm = 0.00077 mm

Comparación:

◦ El sonido varia de 1.7 cm to 20 m

◦ El orificio de una aguja esta entre 0.1 mm = 100 mm = 100,000 nm

◦ Un virus esta entre los 20-400 nm

Longitud más

grande (rojo)Longitud

menor (azul)

21

Sensitividad a la vista del ser humano

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Espectro, rango de colores

23

Espectro en la cercanía de la luz visible

Primera en 850 nm◦ Primera desarrollada, usada solo para

comunicación a corta distancia en fibra multimodo.

Segunda (Banda O) en 1310 nm(1260-1310 nm)◦ Baja atenuación comparada a la ventana de

850.

Siete regiones, llamadas “ventanas”, caen en longitud de ondas

infrarrojas, de baja atenuación en vidrio.

Tercera (Banda C) en 1550 nm(1530-1565 nm)– Superior a las dos anteriores.

Cuarta (Banda L) en 1625 nm(1565-1625) nm– Bajo desarrollo.

Otras bandas:

– E band (1360-1460 nm) – S band (1460-1530 nm) – U band (1625-1675 nm)

24

Espectro en la cercanía de la luz visible

25

Espectro en la cercanía de la luz visible

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Principios básicos ópticos

Propagación de la luz

Polarización

Reflexión

Refracción

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Luz como tipo de radiaciónE = cB

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Propagación de la luz

29

Propagación de ondas

Demo

https://www.youtube.com/watch?v=Fu-aYnRkUgg

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Polarización

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Demo

http://ccnsb05-iiith.virtual-labs.ac.in/exp2/index.html

Polarización

https://www.youtube.com/watch?v=E9qpbt0v5Hw

https://www.youtube.com/watch?v=xiZ7vDisDKw

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PolarizaciónCampos rotan a medida que la onda se propaga

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Relaciones básicasFrecuencia n or f (Hz or cycles/second)

Frecuencia angular w = 2pf

Longitud de onda (m, cm, nm)

Número de onda k (sin dimensión), proporcional al # de ondas por unidad de longitud

Periodo T (segundos)

Amplitud A

Velocidad v (m/seg)

v = f

k = 2p/

Propagación de ondas:

y(x,t) = A sin (kx-kvt) = A sin (kx – wt)

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Reflexión

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Refracción

Demo

Ocurre cuando la luz entra a un medio con diferente velocidad.

– Se dobla en eje vertical si la velocidad es menor al nuevo

medio.

– Se dobla lejos del eje vertical si la velocidad es mayor en el

nuevo medio

Índice de refracción, denotado por n, esta dado por:

n = velocidad de la luz en el vacío/velocidad de la luz en el medio > 1

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Incident medium,

ni

qr

Incident ray

Refracted ray

refraction

medium, nr

qi

Snell’s Law for Light Entering a

Denser Medium

Incident medium,

ni

qr

Incident ray

Refracted ray

refraction

medium, nr

qi

Snell’s Law for Light Entering a

Less Dense Medium

Refracción

37

Ley de Snell

rrii nn sinsin

Refracción

38

n2 < n1

n1

Refracción de la luz

39

Refracción y reflexión interna total

40

Reflexión interna total

Critical Angle for Refraction Total Internal Reflection, qi > qcr

Reflected ray

Incident medium,

ni

qi

Incident ray

refraction medium,

nr < ni

Incident medium,

ni

qcr

Incident ray

Refracted ray

qr=90o

refraction medium,

nr < ni

41

Demo

https://www.youtube.com/watch?v=BMG8Stpn1uc

Reflexión interna total

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Construcción de fibra óptica

n2 < n1

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Construcción de fibra óptica

44

Propagación de luz en una fibra de vidrio

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Reflexión interna total en cables de fibra

Note que en el caso de la fibra óptica, el revestimiento no es conductor

Por ende, campos eléctricos y magnéticos de las ondas de luz penetran en ella cierta distancia.

Corte brusco se asume para un haz de luz en óptica geométrica.

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DispersiónExperimentos de Newton ilustraban la dispersión de la luz generadas por el Sol en un espectro(y recombinación en una luz blanca).

La luz del Sol consiste en una mezcla de diferentes longitudes de onda.

Un medio dispersivo es uno en el cual diferentes longitudes de onda de luz tienen ligeramentediferentes índices de refracción.

Una copa de cristal es un medio dispersivo dado que el índice de refracción de luz violeta esmayor que el de la luz roja.Aberración cromática.

Fabricantes de vidrio óptico habitualmente especifican el índice de refracción de un material para luzamarilla de sodio (Línea D).

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Dependencia del índice de refracción sobre

El índice de refracción no es constante.

Dado que el índice de refracción es determinado por la velocidad de la luz en el medio, se deduce que la velocidad de la luz en el medio es función de .

◦ Longitudes de ondas menores viajan a menor velocidad debido a que el índice de refracción es grande.

◦ Esto dará lugar a la dispersión de la información que es transmitida por las ondas de luz (llevándolas mas lejos).

◦ “Material de dispersión”

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Dependencia del índice de refracción sobre

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Dispersión de guía de onda La luz viaja tanto en el núcleo como en el revestimiento interno a

velocidades ligeramente diferentes (mas rápido en el revestimiento).

Efectos opuestos en el material and la dispersión de guía de onda.

Puede ser balanceado para permitir cero dispersión a una longitud de onda en particular, entre 1310nm and 1650 nm.

Este efecto total es denominado “dispersión cromática”.

Dispersión

50

Efecto de dispersión cromática

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Interferencia de dos fuentes especificas◦ Se origina porque ondas de dos fuentes están en fase o fuera de fase,

dependiendo de la posición y distancia entre las mismas.

◦ Da lugar a una serie de alternancia de bandas claras y oscuras en destino a distancias fijas desde la fuente.

Relaciones básicas◦ Máxima en ángulo q dado por d sin q = m, m = 0, 1, 2…

◦ Mínima en ángulo q dado por d sin q = (m+1/2), m = 0, 1, 2…

Interferencia y difracción

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Interferencia: Experimento de Young

Nota: Principio con el que funciona el Laser

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Intensidad de patrones de interferencia

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Intensidad de patrones de interferencia

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InterferenciaRelaciones básicas

◦ Máxima del ángulo q dado por d sin q = m, m = 0, 1, 2…

◦ Mínima del ángulo q dado por d sin q = (m+1/2), m = 0, 1, 2…

Para luz roja a 650 nm, d = 0.2 mm = 2 x 10-4 m◦ Máxima del ángulo q = 0.00325 radianes = 0.186o

Para luz roja de 650 nm, d = 0.1 mm = 1 x 10-4 m◦ Máxima del ángulo q = 0.0065 radians = 0.372o

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Interferencia

◦ Calcular q

◦ Por trigonometría, y/D = tan q ~ q, de tal manera que y ~ Dq

◦ Para d=0.2 mm, D=10 m, de la diapositiva previa, q=0.00325, distancia al primer máximo y= 3.25 cm

◦ Para d= 0.1 mm, D=10 m, de la diapositiva previa, q=0.0065, distancia al primer máximo y= 6.5 cm

Laser

D

qy

Primer máximo

(m=1)

Distancia entre

aberturas=d

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Cancelación de reflexión de luz en fronteras

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Cancelación de reflexión de luz en fronteras

59

Cancelación de reflexión de luz en fronteras

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Difracción

Origen

Naturaleza de la onda en limites definidos.

Es significante cuando la apertura ~ o cuando grandes aumentos están involucrados.Grandes aumentos amplifican los problemas.

En ultima instancia, limitación de resolución a través de microscopios.

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Cálculo en las relaciones de difracción

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Difracción

Opening ~ Opening >>

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Basic relationships◦ d sin q = m, m = 1, 2, 3, 4 gives angles of minimum intensity

◦ Solving for angle q, q = sin-1(m/a)

◦ I = I0 [sin (j/2)/(j /2)]2

◦ j =(2p/) a sin q

If a << , then angles for first several minima large

Note that if a >> , then angles for first several minima (m=1, 2…) very small

Difracción

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Recordar y/D = tan q, de tal manera que y = D tan q

Para luz roja de 650 nm, apertura a = 0.1 mm = 1 x 10-4 m◦ Angulo computado, q = sin-1(m/a) = sin-1(1 x 650 x 10-9/10-4) = sin-1(6.5 x 10-3) 0.0065 radianes

◦ Primer mínimo en q = 0.0065 radianes = 0.3724o

◦ Con D = 10 m, la distancia al primer mínimo y = (10m)(tan 0.0065) 10m x 0.00655 = 0.065 m = 6.5 cm

Laser

D

qy

Primer mínimoa

Difracción

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Patrón de difracción

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Rejillas de difracciónVarios números de líneas para amplificar los efectos de difracción.

Resultado: Dar forma a las máximas y mínimas de difracción.

◦ Importante: cambios de patrón para luz repetitiva; bandas oscuras con poca perdida de intensidad.

¿Para qué?

Proveer una manera de separar longitudes de onda de luz (y la información que se transmite).

More lines

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Estas rejilla se especifican en numero de líneas por nm.

Cálculos de máximos para rejillas de difracción sigue a la formula de interferencia de dos hendiduras, dado que las rejillas se visualizan como una larga fila de hendiduras.

◦ Recordar d sin q = m, donde la separación de hendidura es d = 1 / línea por mm

◦ Esto da el ángulo de la mth máxima.

◦ Proyección sobre objetivo a una distancia D daría y mD/d

◦ Mantener las distancias a las mismas unidades (mm, cm, o m)

Laser

D

qy

Primera máxima

Rejillas de difracción

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Ejemplo: 500 l/mm => d = 1/500 = 2 x 10-6 m

Si = 650 nm, D = 10 m, m = 1

Luego y = mD / d = 1 x 650 x 10-9 x 10/(2 x 10-6) = 3.25 m

Mezcla de azul y rojo incidentes en una rejilla de difracción.

Rejillas de difracción

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Dispersión (Scattering)Definición

◦ Los fotones interactúan con los materiales en un medio de propagación.

No lineal—no existe compensación◦ Problemas se superan en base a una fibra mejorada.

◦ Impurezas en la fibra: La luz egresa de la fibra o es absorbida en ángulos grandes.

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Tres tipos◦ Rayleigh: Causada por pequeñas variaciones en la densidad del vidrio debido a enfriamiento.

◦Variaciones menores a 1 conllevan a dispersión.

◦ Dispersión estimulada Brillouin (Stimulated Brillouin Scattering, SBS): dispersión de luz “a espaldas” del transmisor.

◦ Causada por vibraciones mecánicas en fibra, lo cual puede inducir a cambios en índice de refracción (RI).

◦ Resultado: La fibra se convierte en rejilla de difracción.

◦ Problema en niveles amplios de potencia, ancho de líneas estrecha (Problema a potencias > 100 mW)

◦ Dispersión estimulada Raman (Stimulated Raman scattering, SRS): similar a SBS◦ Origen molecular en vez de vibraciones acústicas.

◦ Problema con múltiples longitudes de onda a altas potencias.

Dispersión (Scattering)

Métodos de modulación

¿Necesidad de la modular?

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On-Off Keying (OOK) — Más empleado

Codificación Multiestado (multinivel)

AM

FSK

PSK

PolSK (Polarity shift keying): Solo trabaja con luz

Métodos de modulación

Métodos de modulación

On-off keyingLa forma más sencilla de ASK

Portadora tiene dos estados, 0 o 1.

On-Off keying (variantes)Non-return to Zero (NRZ)

Non-return to Zero Inverted (NRZ-I)

Return to Zero (RZ)

Codificación Multinivel

•Referida como Pulse Amplitude Modulation (PAM)

•Características: Mayor transmisión en menor tiempo

•Diferentes niveles

Forma de pulso y ancho de banda

¿Que pasaría si los pulsos fueran perfectamente?

◦ Serie de Fourier para una onda cuadrad de longitud 1

1

4 1 4 sin(6 ) sin(10 ) sin(14 ) sin(18 )( ) sin 2 sin 2

2 1 3 5 7 9n

x x x xf x n x x

n

p p p p p p

p p

Ancho de canal de pulsos cuadrados > 10x frecuencia

◦ Consecuencia: Impondría carga intolerable para el receptor.

◦ 1 GHz de pulso cuadrado requeriría 10 GHz de respuesta de frecuencia.

◦ Requeriría también mayor espaciamiento de canal.

◦ La modulación generalmente requiere ancho de canal de = 2 x frecuencia contenida

◦ Por ende 10 GHz de pulso requerirá 200 GHz de ancho de canal en la portadora.

◦ En 1550 nm, se requeriría al menos 2.4 nm de ancho de canal.

◦ Solo se podrían ingresar unas 10 longitudes de onda en la banda de 1520-1560 nm

◦ (¿Practicidad en estos tiempos?)

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Forma de pulso y ancho de banda

Uso de forma de pulsos Gaussianos◦ ¿Duración de tiempo?

◦ Mucho más eficiente en el uso de ancho de banda.

◦ ¿Cuál podría ser el “contra”?

Forma de pulso y ancho de banda

Portadora modulada

80

Detección

81