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trasmision opticaTRANSCRIPT
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EL MEDIO DE
TRANSMISION PTICO:
LA FIBRA PTICA
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Objetivo
1.- Sistemas pticos de comunicacin.
MEDIOS PTICAS
Tema :
Describir el estado del arte de la comunicacin por
fibra ptica. Explicar cmo se propaga la luz en una
fibra y la operacin de los 3 tipos de fibra,
comparando su desempeo.
Contenido
2.- La fibra ptica.
4.- Modos de propagacin en la fibra ptica.
5.- Cable de fibra ptica.
3.- Naturaleza de la luz.
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1.- Sistemas pticos de comunicacin
Se puede transmitir luz por una fibra ptica
Sistema ptico bidireccional
Los pulsos digitales se convierten a pulsos de luz
Transmisor (LED, lser)
Fibra de bajas prdidas MM o SM
Informacin
a transmitir
Detector de luz (PIN, APD)
Un sistema ptico bidireccional se forma implementando un segundo grupo idntico de dispositivos de
modulacin y deteccin en sentido opuesto.
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Sistema
ptico
bsico
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Capacidad de los sistemas pticos
Visin de la tecnologa ptica
Estado del arte al 2011
No existe un mejor medio fsico conocido que la fibra ptica, y ninguna seal fuente mejor que la
luz para resolver los nuevos y emergentes requerimientos de transmisin" la fibra ptica es un medio de propagacin a prueba de futuro (Editorial Revista IEEE, marzo 2000).
Un lser es capaz de emitir 1016 fotones/s.
Un buen fotodetector distingue un bit 1 con 10 fotones
Por tanto, se dispone de una capacidad de
transmisin de 1015 bps es decir, 1 Pbps.
Esta capacidad de transmisin (ancho de banda) est limitada slo por la tecnologa
disponible de generacin y de recepcin de la seal.
Adems, la distancia de transmisin es significativamente grande por la baja atenuacin que
presenta la fibra. Una seal ptica se transmite a lo largo de muchos km sin necesidad de
regeneracin.
La fibra tiene un ancho
de banda ilimitado.
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Desarrollo de las tecnologas pticas
Garantizan al acceso a altas velocidades
Alta
s v
elo
cid
ad
es e
n e
l a
cce
so
La red de transporte ptica muy pronto superar los 400 Gbps.
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Redes de fibra ptica en el mundo
Crecimiento a nivel mundial
Cables
pticos
submarinos
Al 2011 sobrepasan los
100 millones de km.
La ocupacin del total de fibras no sobrepasa el 20%
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Redes de fibra ptica en Amrica Latina
Existen varios proveedores de red
Cable submarino de fibra ptica
Proyecto Nautilus. Redes pticas en Colombia.
Los dueos son empresas proveedoras de fibra.
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Redes de fibra ptica en una ciudad
En Santa Marta
Anillos pticos
de Movistar
Otros operadores como Tigo y Claro tambin tienen anillos pticos.
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Aplicaciones de los sistemas pticos
Redes troncales
Redes HFC
Los cables de fibra ptica se encuentran en las redes troncales (redes de transporte) porque
su gran ancho de banda es rentable frente al costo. Actualmente, con multiplexacin por longitud
de onda densa (DWDM), se pueden transportar datos a una velocidad de 160 Gbps. La red
SONET/SDH proporciona esta troncal.
Las compaas de TV por cable usan una combinacin de fibra ptica y de cable coaxial, creando
una red hbrida HFC. Las fibras proporcionan la estructura troncal mientras que el coaxial
proporciona la conexin a los domicilios de los usuarios. Esta configuracin es rentable porque el
bajo ancho de banda que necesita el usuario an no justifica plenamente el uso de fibra ptica.
Las redes de rea local (LAN) como las 100Base-FX (Fast Ethernet) y 1000Base-X tambin
usan cables de fibra ptica.
Las empresas de telecomunicaciones estn definiendo avanzadas redes convergentes basadas
en IP, que permiten ofrecer ms servicios sobre la misma infraestructura. Entre las tecnologas ms
interesantes que estn permitiendo esta convergencia cabe destacar, en la parte del bucle de
abonado, a GPON (Gigabit Passive Optical Network), la tecnologa de acceso mediante fibra ptica
con arquitectura punto a multipunto.
Redes LAN
Redes de acceso
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2.- La fibra ptica
Qu es la fibra ptica?
Qu tan gruesa es la fibra?
Es un hilo de vidrio y plstico compuesto por 3 capas concntricas que difieren en propiedades.
Ncleo (core). Es un hilo de vidrio
fabricado con SiO2. Conduce la luz. De
8 a 62,5 m de dimetro.
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2 Revestimiento (cladding). Es un tubo
de vidrio fabricado con SiO2, de distinta
densidad ptica que el ncleo. Confina
la luz dentro del ncleo. De 125 m de dimetro.
3 Color (coating). Es un buffer o
amortiguador de plstico. Protege al
ncleo y al revestimiento de cualquier
dao. De 245 m de dimetro.
Tiene dimensiones similares a la del cabello
humano que tiene un dimetro de 75 m.
Por ser dielctrica, el ruido
electromagntico no le afecta.
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Diseo bsico de una fibra ptica
Cmo trabaja la fibra ptica?
El rayo de luz se enciende y se apaga para
transportar datos por una fibra (1s y 0s).
El rayo ingresa al ncleo y debe permanecer
en l hasta que llegue al otro extremo.
El rayo no debe refractarse en el revestimiento
porque eso significara perder parte de su
energa.
Es necesario, por tanto, lograr un diseo de fibra en el que:
El revestimiento acte como un espejo para el rayo de luz.
Y el ncleo se comporte como una gua de ondas para el
rayo de luz.
Las leyes de reflexin y de refraccin orientan cmo disear una fibra que
gue las ondas de luz con una mnima prdida de energa:
El ncleo debe tener una densidad ptica mayor que la del revestimiento
para que ocurra el fenmeno de la reflexin interna total.
Cmo disear una fibra ptica?
El revestimiento confina la luz en el ncleo.
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ndice de refraccin de las sustancias
Modelo de rayo de luz
Valores para sustancias comunes
La densidad ptica de una sustancia se refiere a cunto la velocidad del rayo de luz disminuye al
atravesarla. Cuanto mayor sea, ms se desacelera la luz en relacin a su velocidad en el vaco.
n = ndice de refraccin de la sustancia.
c = 300.000 km/s. Velocidad de la luz en el vaco.
v = velocidad de la luz en la sustancia. En km/s.
r = permitividad relativa de la sustancia.
Las ondas electromagnticas, como la luz, se alejan de la fuente
viajando en lneas rectas. Estas lneas reciben el nombre de rayos.
El ndice de refraccin (n) de una sustancia se define
como la velocidad de la luz en el vaco dividido por la
velocidad de la luz en esa sustancia.
En el vidrio, es posible aumentar el ndice de
refraccin agregndole productos qumicos. Si
se produce un vidrio muy puro, se reduce el
ndice de refraccin.
En el vaco, la luz viaja a 300.000 km/s, pero en otras sustancias
como el aire, el agua y el vidrio, lo hace a menores velocidades
debido a que pticamente son ms densas.
La medida de la densidad ptica es el ndice de refraccin
Una sustancia con mayor n es ms densa y desacelera ms la luz.
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Reflexin y refraccin de la luz en la fibra ptica
Leyes de reflexin y de refraccin de la luz
Ley de Refraccin de Snell
En 1626 se formula la Ley de Snell que establece la relacin
entre los ngulos de incidencia y de refraccin de un rayo
que incide en la frontera entre dos sustancias con diferentes
ndices de refraccin.
n1 = ndice de refraccin de la sustancia 1.
n2 = ndice de refraccin de la sustancia 2.
1 = ngulo de incidencia. En .
2 = ngulo de refraccin. En .
Cuando un rayo de luz (rayo incidente) toca la frontera entre
2 sustancias de distinta densidad, se divide en 2 partes:
1 Una parte se refleja a la primera sustancia (rayo reflejado), con un ngulo de reflexin igual al ngulo de
incidencia.
La energa restante cruza la frontera y penetra a la segunda sustancia (rayo refractado), pero
se desva de su trayecto original con un ngulo de refraccin que depende del ngulo de
incidencia y de los ndice de refraccin de las dos sustancias.
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La luz al pasar a un medio menos
denso aumenta su velocidad
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ngulo crtico de la fibra ptica - Ejercicios
Ejercicio 1
Ley de Snell. Una fibra tiene un ndice de refraccin de 1.6 para el
ncleo y 1.4 para el revestimiento. Si el rayo incidente toca la frontera
con un ngulo de incidencia de 30, calcule el ngulo de refraccin
con el que se desva el rayo en el revestimiento.
Respuesta.- 2 = 34,8. El rayo se refracta; al entrar al otro medio menos denso, aumenta su velocidad y cambia de
direccin.
Ejercicio 2
ngulo crtico. Una fibra tiene un ndice de refraccin de 1.6 para el
ncleo y 1.4 para el revestimiento. Calcule el ngulo de incidencia
(ngulo crtico) con el cual el rayo debe tocar la frontera para que el
rayo refractado se propague a lo largo de dicha la frontera.
Respuesta.- 1 = C = 61. El ngulo crtico se calcula para un ngulo de refraccin 2 = 90.
Ejercicio 3
Reflexin interna total. Una fibra tiene un ndice de refraccin de 1.6
para el ncleo y 1.4 para el revestimiento. Si el rayo incidente toca la
frontera con un ngulo de incidencia de 70, calcule el ngulo de
reflexin del rayo reflejado en el ncleo.
Respuesta.- 2 = 70. Para ngulos de incidencia mayores que el ngulo crtico (1 > C), el rayo se refleja en la sustancia ms densa con un ngulo de reflexin igual al incidente.
Se produce la reflexin interna total.
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Reflexin interna total en la fibra ptica
El ncleo debe tener un ndice de refraccin
mayor que el del revestimiento (n1 n2).
Condiciones para la reflexin interna total
Si se cumplen estas dos condiciones, toda la luz
que incide en la fibra se refleja dentro de ella; se
produce la reflexin interna total, que es la base
sobre la que se construye una fibra ptica.
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2 El ngulo de incidencia del rayo de luz debe ser mayor que el ngulo crtico para el ncleo y su
revestimiento (1 > C),
Entonces, se produce la reflexin interna total
La reflexin interna total hace que los rayos de
luz dentro de la fibra reboten en el lmite entre el
ncleo y el revestimiento y que continen su
recorrido hacia el otro extremo de la fibra.
La luz sigue un trayecto en zigzag
a lo largo del ncleo de la fibra.
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Apertura numrica de la fibra ptica
La apertura numrica (NA) del ncleo
es el rango de ngulos de incidencia de
los rayos de luz que ingresan a la fibra y
que se reflejan internamente.
Para que se produzca la reflexin interna total en una fibra, se debe controlar el ngulo de
incidencia de los rayos de luz que entran al ncleo. Este control se efecta restringiendo la
apertura numrica.
La fuente de luz se debe posicionar de
tal modo que todos los rayos entren por
un cono de aceptacin imaginario.
NA = apertura numrica de la fibra.
a = ngulo de aceptacin. En .
n1 = ndice de refraccin del ncleo.
n2 = ndice de refraccin del revestimiento.
Cmo controlar el ngulo de incidencia?
Qu es la apertura numrica?
La NA tpica para las fibras vara entre 0.1 y 0.5.
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La fibra ptica - Ejercicios
Apertura numrica. Calcule la apertura numrica y el
ngulo de aceptacin mxima (a partir de eje de la fibra)
para una fibra que tiene un ndice de refraccin de 1.6 para
el ncleo y 1.4 para el revestimiento.
Respuesta.- NA = 0.77
Caractersticas de la fibra. Los ndices de refraccin del ncleo y del
revestimiento de una fibra ptica son de 1.5 y 1.45, respectivamente. Calcule:
a) La velocidad de la luz en el ncleo.
b) El ngulo crtico para un rayo que se mueve del ncleo al revestimiento.
c) La apertura numrica de la fibra.
d) El ngulo mximo (a partir del eje de la fibra) en el que se acepta la luz
Respuesta.-
a) 200.000 km/s
a = 50,8
b) 75
c) 0,384
d) 22,6
Ejercicio 4
Ejercicio 5
Ejercicio 7
Diseo de fibra. Suponga que lo han contratado para disear una fibra ptica. Cuenta, para ello, con dos
tipos de vidrio: uno A con un ndice de refraccin de 1.3 y otro B con 1.5. Determine cul vidrio debe utilizar
como ncleo y cul como revestimiento y calcule la apertura numrica que tendr la fibra.
Reflexin interna total . Qu es la reflexin
interna total? En qu circunstancias ocurre?
Respuesta.- Cuando el ngulo de incidencia
es mayor que el crtico.
Ejercicio 6
Respuesta.- Ncleo: vidrio B y revestimiento: vidrio A.
NA = 0.75 La apertura numrica la
especifica el fabricante.
Los rayos que entran por el cono se propagan por la fibra.
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3.- Naturaleza de la luz
Qu es la luz?
El espectro electromagntico
La luz es un tipo de energa electromagntica. Cuando una carga elctrica se mueve hacia
adelante y hacia atrs, produce una energa electromagntica.
Esta energa, en forma de ondas, puede viajar
por el vaco, el aire y algunos materiales como
el vidrio. Una propiedad importante de toda
onda de energa es la longitud de onda ().
Las ondas de radio, las microondas, la luz visible, los rayos X y los rayos gama parecen ser muy
diferentes; sin embargo, todos son tipos de energa electromagntica. Si se ordenan desde la
mayor longitud de onda hasta la menor, o desde la menor frecuencia de la onda a la mayor, se crea
un continuo denominado espectro electromagntico.
A mayor frecuencia de la onda, menor longitud de onda
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Longitud de onda de las ondas electromagnticas
La longitud de onda y la frecuencia de la onda
La longitud de onda es determinada por la frecuencia a la que la carga elctrica que genera la
onda se mueve hacia adelante y hacia atrs. Si la carga se mueve lentamente, la longitud de onda
es larga, si se mueve rpidamente, la longitud de onda es ms corta.
Como todas las ondas electromagnticas se generan de la misma manera, comparten muchas
propiedades: todas viajan a 300.000 km/s en el vaco. Esta es tambin la velocidad de la luz.
v = velocidad. En m/s.
d = distancia. En m.
t = tiempo. En s.
La relacin entre la frecuencia a la que se genera la onda, la longitud de onda y la velocidad de
propagacin de la onda en el vaco es la siguiente:
c = velocidad de la luz. 300.000 km/s.
= longitud de onda. En m.
T = periodo. En s.
f = frecuencia. En Hz.
Longitud de onda. Una longitud de onda utilizada comnmente en comunicacin ptica es de 1550 nm.
Calcule la frecuencia que corresponde a esta longitud de onda, suponiendo propagacin en el vaco.
Respuesta.- f = 193,6 THz
Ejercicio 8
En comunicacin ptica se prefiere identificar
a las ondas por su longitud de onda.
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La luz visible e invisible
La luz blanca es la combinacin de todos los colores
El ojo humano percibe solo la energa electromagntica de longitudes de onda de entre 400 y 750 nm,
por eso esta energa recibe el nombre de luz visible.
Las longitudes de onda invisibles al ojo humano se
utilizan para transmitir datos a travs de una fibra.
Estas longitudes de onda son ms largas que la de
la luz roja y reciben el nombre de luz infrarroja. Se
identifican 3 ventanas de operacin.
Las longitudes de onda de luz ms largas (de 750
nm), se perciben como el color rojo, las ms
cortas (de 400 nm) como el color violeta.
La luz invisible para transmitir datos
Para transmitir datos se utilizan longitudes
de onda de 859, 1310 y 1550 nm.
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Ventanas de operacin en la fibra ptica
Para generar estas longitudes de onda se utilizan
los diodos LED y los diodos lser, que emiten
luz de un solo color (monocromticos).
Comparacin entre fuentes de luz
Con los lser se puede transmitir datos a mayor
distancia porque son ms directivos, concentran ms
la potencia de luz.
Longitudes de onda operativas en una fibra
Entre una fuente convencional
y un LED o lser. Entre una un LED y un lser.
Las longitudes de onda operativas en una fibra
son de 850 nm, 1310 nm y 1550 nm.
Se seleccionaron estas longitudes de onda
porque se transmiten ms fcilmente que otras
por la fibra y presentan una atenuacin menor.
Se las conoce como ventanas de operacin.
850 nm y
1310 nm 1310 nm y
1550 nm
Hay una cuarta ventana en desarrollo, de 1625 nm.
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4.- Modos de propagacin en la fibra ptica Cmo se propaga la luz en una fibra?
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Los rayos de luz ingresan al ncleo si el ngulo est comprendido en la apertura numrica de la
fibra. En el ncleo, hay un nmero limitado de trayectos que puede seguir un rayo de luz. Estos
trayectos reciben el nombre de modos.
Por otro lado, la
fibra monomodo
tiene un ncleo tan
pequeo que
permite que los
rayos de luz viajen
por un solo
trayecto.
Si el dimetro del
ncleo es tan grande
como para permitir
varios trayectos, esta
fibra recibe el nombre
de fibra multimodo.
La multimodo MM se usa en distancias cortas. La monomodo SM se usa en largas distancias.
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Fibras multimodo MM de ndice escalonado
Los rayos de luz viajan por diferentes trayectos (modos)
Los rayos de luz (generados por LED) viajan por diferentes trayectos, por eso llegan
a destino en diferentes tiempos. En el extremo se recibe un pulso largo y dbil.
El ncleo tiene un ndice de refraccin constante, desde el centro hasta sus bordes. En la
frontera el cambio es abrupto (escalonado) a un ndice de refraccin menor.
Se produce la dispersin modal,
que limita la velocidad de datos.
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Los pulsos de luz se solapan
unos con otros y el receptor no los
puede distinguir.
Los modos son trayectos de luz. Esta fibra ya no se utiliza.
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Fibras multimodo MM de ndice gradual
Se produce una
menor dispersin
modal que limita la
velocidad de datos,
aunque es apta para
transmisiones
cortas.
Los rayos de luz (generados por LED o lser) viajan por diferentes trayectos; a
mayor velocidad en el rea externa del ncleo, por eso llegan a destino casi al
mismo tiempo. En el extremo de la fibra se recibe un fuerte flash de luz.
El ncleo tiene un ndice de refraccin mayor en el centro y decrece gradualmente hasta sus
bordes, por tanto, el rea externa del ncleo es pticamente menos densa que en el centro y la
luz puede viajar ms rpidamente por esta rea externa.
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Los rayos de luz viajan por diferentes trayectos (modos)
Los modos son trayectos de luz. Se utiliza en redes LAN y en la industria.
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Fibras monomodo SM
Los rayos de luz siguen un nico trayecto
Siguen un nico trayecto de luz.
Se elimina la
dispersin modal.
Es apta para
transmisiones a
altas velocidades y
larga distancia.
Los rayos de luz (generados por lser), ingresan al ncleo en un ngulo de 90,
por eso viajan en un solo trayecto por el centro del ncleo y llegan a destino al
mismo tiempo. En el extremo de la fibra se recibe un fuerte flash de luz.
El ncleo tiene un dimetro muy pequeo que solo permite un trayecto de luz.
24 Se utiliza en redes de larga distancia.
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Especificaciones de fibra ptica
Fibras multimodo. Fibras monomodo.
25 Son especificaciones de la UIT-T
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5.- Cable de fibra ptica
Cmo se construye un cable de fibra ptica?
Estructura del cable
A la fibra ptica desnuda (ncleo +
revestimiento + color) se le agregan
protecciones adicionales contra
esfuerzos de traccin, aplastamiento y
humedad.
Existen 2 diseos bsicos para cable.
El de tubo ajustado (Tight Buffer),
utilizado para instalaciones en
interior de edificios, para redes
LAN.
El de tubo holgado (Loose Tube)
utilizado para instalaciones en
exteriores.
Cables para tendidos externos
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Cdigo de colores para identificar fibras pticas
Cmo se identifican las fibras en un cable?
Para identificar cada fibra y cada grupo de fibras contenidas en los tubos buffer se utiliza un
cdigo de colores que varan de un fabricante a otro:
Siemens/Corning utiliza 8 colores. Pirelli/Alcatel utiliza 12 colores.
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Agrupacin de fibras pticas en un cable
Cmo se agrupan las fibras en un cable?
Se las agrupa en tubos, tal como indica la tabla, especificando el
nmero de fibras por tubo para cables Furukawa.
El cdigo utilizado es el mismo de Pirelli/Alcatel, de 12 colores.
Un cable con 4 tubos tiene 24 fibras.
Los cables Furukawa tienen hasta 72 fibras.