COMUNICACIONES ÓPTICAS
UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS. 1.1 Ratas de información básicas de las redes. 1.2 Evolución de las comunicaciones ópticas. 1.3 Elementos de un enlace de transmisión de fibra óptica.
Ratas de información básicas de las redes. Los asuntos de velocidad y de capacidad están determinados por una cantidad de factores, rendimiento, evitar los cuellos de botella es un objetivo importante. La transmisión por red está regulada por el enlace más lento. Los factores que afectan la entrega por red incluyen: • Capacidad de transporte (ancho de banda) de la red de área local; • Ancho de banda de la conexión a Internet; • Velocidad y capacidad del servidor de red; • Tasa de velocidad de lectura y transferencia de datos de los dispositivos de almacenamiento; • Tamaño de archivo; • Demanda de usuarios en un momento dado; • Cantidad de tráfico que compita en la red (en todos los niveles de red); • Tiempo requerido para autenticación y otros chequeos de seguridad; • Capacidades de la computadora del usuario final, incluyendo: – Velocidad del CPU; – Memoria Ram / disco; – Velocidad de la conexión a Internet.
Tasa de Bits, siendo también conocida como Velocidad de Transferencia, es básicamente la rapidez con la que se pueden comunicar dos dispositivos digitales mediante un sistema dado de transmisión de datos. Un término relativo a este es el de Ancho de Banda, siendo éste dado por la cantidad de información o datos que es capaz de enviar o recibir utilizando una Conexión de Red que se mantiene constante, en un período de tiempo determinado, correspondiendo entonces a medidas de Bits por Segundo y sus correspondientes derivaciones. Esta tasa de transferencia es entonces referida a la velocidad en que se pueden enviar estos datos a través de un Ancho de Banda Real, siendo generalmente una proporción inferior a la capacidad que se posee, teniendo distintos factores de incidencia, que varían desde la Topología de la Red establecida, hasta las aptitudes que tiene el Equipo donde nos estamos comunicando (Condiciones de Energía, Congestión en la Red, Servidor disponible, componentes de Hardware, entre otros.)
El Ancho de Banda Teórico entonces es un concepto que es la base del diseño de la red a establecer, en contraste con la Tasa de Transferencia que nunca es mayor a esta capacidad por las limitaciones que describimos, además de las tecnologías que son empleadas en la comunicación. La Tasa de Transferencia de Bits es entonces medida con las unidades de Bit por Segundo (que podemos encontrar expresa como bit/s; b/s; y la más frecuente bps) teniendo como obligación en cada acrónimo o abreviatura la expresión de la “b” como minúscula, para evitar la confusión con el Byte por segundo (B/s) Para poder realizar la conversión entonces simplemente debemos multiplicar la cantidad de bits por 8 (ya que 1 Byte = 8 bits) Tal como en Matemática, si bien ésta es la unidad, para evitar escribir números de grandes cifras, se utilizan distintos múltiplos, con excepción del Byte, que para realizar las conversiones debemos dividir al número base por cada 1024 unidades, siendo entonces un Kilobyte el correspondiente a 1024 Bytes.
Ratas de información básicas de las redes Tipo de Red
Velocidad en MB/seg. 1250
OC-48 (Red de banda ancha Abilene)
300
1000BaseT Ethernet
125
vBNS (Red de banda ancha NSF/MCI)
77,8
FDDI Ethernet 100BaseT DS-3 (T-3) Ethernet 10BaseT
12,5 12,5 5,6 1,25
OC-192
Cable módem (hacia el usuario)
0,2-0,5
ADSL (hacia el usuario) DS-1 (T-1) ISDN (uso residencial) Módem v.90
0,19 -1 0,19 0,018 0,007
t (tiempo en segundos) = cantidad de megabytes en el archivo ÷ (velocidad de transmisión (en MB/seg) x 0,8)
Las más rápidas de estas redes sólo se utilizan para las redes de banda ancha de Internet más importantes. El nivel que le sigue son redes de área local, mientras que las más lentas son servicios para el usuario final. Las velocidades presentadas son máximos teóricos, que rara vez se encuentran en las instalaciones verdaderas, si llegaran a encontrarse. La red más rápida es casi 175.000 veces más rápida que la más lenta. Al conocer la velocidad de transmisión de una red es posible calcular el tiempo aproximado que le tomará atravesarla a un archivo de cualquier tamaño en particular utilizando esta fórmula: t (tiempo en segundos) = cantidad de megabytes en el archivo ÷ (velocidad de transmisión (en MB/seg) x 0,8) Ejemplo: Un archivo de 1 MB teóricamente puede pasar a través de una red Ethernet 10BaseT en 1 / (1,25 x 0,8) = 1 segundo. El 0,8 toma en cuenta que el 80% de la velocidad calculada es aproximadamente la mejor que se puede esperar encontrar en la realidad. Dado que la mayoría de las redes comparten el ancho de banda entre usuarios, cuanto más tráfico manejen, tanto menor será la velocidad total de transmisión. Cuando se satura, el rendimiento puede disminuir radicalmente.
Evolución de las comunicaciones ópticas. 1958 – Tras la invención del láser en se iniciaron los experimentos para la trasmisión de la luz a través de un medio vítreo, el que se prefirió al aire por su naturaleza constante y porque no se veía afectado por variaciones medioambientales. 1970 – Se descubrió la primera FO de bajas pérdidas, hecha de sílice de 250 micras de diámetro. A mediado de los ‘70 Corning desarrollo el primer cable de FO comercial. 1980 – Bell anuncia instalación de 611 millas de FO en su corredor y en las Olimpíadas se uso FO para transmitir señales de televisión. Hoy – Velocidades de trasmisión por encima de los 2 Tbps que se traduce en 60.000 llamadas telefónicas simultaneas. Un cable de 200 FO puede portar 6.000.000 de llamadas mientras que un cable de cobre similar 10.000. A medida que madura ésta revolución luminosa, podemos esperar un servicio mejor y más amplio para las crecientes necesidades.
Elementos de un enlace de transmisión de fibra óptica. La señal de información a trasmitir se amplifica, se entrega y controla una fuente de luz (diodo LED o LASER) encendiéndola y apagándola
en una secuencia codificada particular o variando su intensidad. El transmisor convierte la ondas electromagnéticas en ondas de luz. Con ayuda de un conector óptico la luz se acopla a una FO que envía la señal y la guía a lo largo de la distancia de comunicación. Al extremo receptor de la FO hay otro conector óptico que entrega la
señal al detector que decodifica la luz y convierte la señal luminosa en ondas electromagnéticas, las amplifica, obteniéndose así la información de la señal en su destino.
Elementos de un Enlace
¿Qué tipo de usos tiene la fibra óptica? -Internet
-Televisión por cable -Transmisión de vídeo -Telefonía Si se compara la fibra óptica con los cables de cobre, la fibra tiene una atenuación mucho menor. La fibra óptica necesita de
repetidoras más o menos cada 70 Km, comparado con 2 Km. en el caso del cobre. Mejorando significativamente los costos de mantenimiento.
UNIDAD 2: FIBRAS ÓPTICAS. 2.1 Naturaleza de la luz: Polarizaciones lineal, elíptica y circular. Naturaleza cuántica de la luz. 2.2 Leyes ópticas básicas y definiciones. 2.3 Modos de fibras ópticas y configuraciones: Tipos de fibras. 2.4 Rayos y modos. Estructura de fibra índice escalón. 2.5 Representación de rayos ópticos. 2.6 Representación de onda en una guía de onda de cavidad. 2.7 Teoría de modos para guías de onda circulares: Descripción general de modos, conceptos claves. 2.8 Ecuaciones de: Maxwell, de guía de onda, de onda para fibras índice escalón, modales. 2.9 Modos en fibras índices escalón. Modos linealmente polarizados. Flujo de potencia en fibras índice escalón. 2.10 Fibras monomodo: Diámetro de campo modal. Propagación de modos. 2.11 Estructura de fibras índice gradual. Materiales para fibra y métodos de fabricación. Cables de fibra óptica.
Naturaleza de la luz En 1864 el físico y matemático Inglés J.C.Maxwell publicó la teoría electromagnética de la luz, en ella predecía la existencia de ondas electromagnéticas que se propagaban con una velocidad de 3 x 108 m/s, obtenida a partir de las leyes de la electricidad y magnetismo y que coincidía con el valor de la velocidad propagación de la luz. La comprobación experimental de la existencia de ondas electromagnética fue efectuada en 1887 por el físico alemán Hertz quien utilizando circuitos eléctricos generó y detectó dichas ondas. Las ondas electromagnéticas son ondas armónicas transversales, constituidas por la oscilación de dos campos, uno eléctrico y otro magnético, de direcciones perpendiculares, siendo ambos a su vez perpendiculares a la dirección de propagación, que se propagan en el vacío a la velocidad de la luz. La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal, como postuló Einstein en 1905. En 1963 el National Bureau of Standards oficialmente fija la velocidad de la radiación electromagnética en el vacío en 299.792,8 km/s. Para la mayoría de las aplicaciones, la velocidad de las ondas electromagnéticas es aproximadamente 300 000 km/s. La onda electromagnética está caracterizada por la magnitud frecuencia o por la magnitud longitud de onda en el vacío (λ), relacionadas entre si por la velocidad de la luz en el vacío c.
Naturaleza de la luz Isaac Newton (1642-1726), en 1704 presento en su obra Óptica el modelo corpuscular de la luz. Suponía que la luz estaba constituida por partículas materiales, emitidas a gran velocidad por los cuerpos y al propagarse lo hacían en línea recta constituyendo los rayos de luz. En 1900 Max Plank, para obtener la ley de radiación del cuerpo negro, supuso que la emisión de luz no es de forma continua sino por cuantos discretos. La teoría cuántica de Plank permitió que en 1905, que A.Einstein explicara el efecto fotoeléctrico y llamó fotones a los corpúsculos luminosos. El fotón al igual que otras partículas lleva consigo energía y momento desde la fuente, pero a diferencia de otras partículas, tales como protones o electrones, no posee masa en reposo. Se puede decir que los fotones de las diversas radiaciones se distinguen entre si por su energía proporcional a la frecuencia de la onda considerada. Se aceptaba que la luz se comportaba como una onda electromagnética en los fenómenos de propagación, y como un corpúsculo en los fenómenos de emisión, absorción e interacción con la materia. La luz tiene una doble naturaleza, corpuscular y ondulatoria y en cada fenómeno concreto se manifiesta como onda o como corpúsculo. La complementariedad de los aspectos ondulatorio y corpuscular fue puesta de manifiesto por Luis de Broglie (premio Nóbel en 1929).
Polarización de la Luz La luz en la forma de una onda plana en el espacio, se dice que está linealmente polarizada. La luz es una onda electromagnética transversal, pero la luz natural por lo general no está polarizada, todos los planos de propagación son igualmente probables. Si la luz está compuesta de dos ondas planas de igual amplitud pero con una diferencia de fase de 90°, entonces se dice que la luz está polarizada circularmente. Si las dos ondas planas tienen diferente amplitud y están desfasadas entre sí 90°, o si el desfase es distinto de 90°, la luz se dice que está polarizada elípticamente.
Clasificación de la Óptica: La óptica es la parte de la física que estudia los fenómenos relacionados con la luz. Se puede clasificar en: Óptica geométrica: Se ocupa de la propagación de la luz por el método de los rayos luminosos. Estudia la luz sin tener en cuenta su naturaleza. Permite explicar la propagación rectilínea, la reflexión y la refracción de la luz. La óptica geométrica es la parte de la óptica que trata, a partir de representaciones geométricas de los cambios de dirección que experimentan los rayos luminosos en los distintos fenómenos de reflexión y refracción
Óptica física: Estudia el comportamiento de la luz desde el punto de vista de la teoría de ondas, permite explicar los fenómenos de interferencia, difracción y polarización. Óptica cuántica: Estudia los procesos en los que se produce interacción de la luz con la materia.
Leyes básicas de la óptica Ley de propagación: la luz viaja en línea recta a la velocidad de 299.800 km/s. La dirección a lo largo de la cual se propagan las ondas de luz se denomina rayo de luz. Ley de la reflexión: Es el cambio de dirección que experimenta un rayo luminoso al chocar con la superficie de un objeto. Ocurre cuando un rayo incide sobre una superficie plana, pulida y lisa y rebota hacia el mismo medio. Ley de la refracción: a diferencia de la reflexión el rayo de luz pasa hacia el otro medio. La cantidad de luz reflejada o refractada por un cuerpo depende de: •La naturaleza de la superficie (composición, estructura, densidad, color, entre otras) •La textura de la superficie (plana, rugosa, regular, irregular, opaca, pulida) •La longitud de onda de la luz, y de si está o no polarizada. •El ángulo de incidencia de la luz sobre la superficie.
Refleccion Total
Indice de Refraccion =
Velocidad en el Espacio Velocidad en el Material
Vacio Aire Agua Fibra optica
1 1.0003 1.33 1.457
Propagación de la luz en guías de onda En la mayoría de las aplicaciones ópticas, los haces ópticos son confinados lateralmente a una región finita del espacio. Se utilizan elementos ópticos especiales para confinar estos haces y permitir la propagación de dichos modos ópticos. Una de las estructuras más utilizadas es la estructura multicapa o de guía de onda. La guía de onda o FO puede estar formada por materiales cristalinos o no cristalinos. La principal causa de la rápida extensión en el mundo de las comunicaciones de la fibra óptica ha sido que sus propiedades son muy superiores a las de los cables metálicos. La salida de generadores ópticos como el diodo láser (LD) o los LEDs debe acoplarse a la fibra óptica. Existen tres categorías de fibras ópticas dependiendo del material utilizado en su fabricación: silicatos, vidrio y plástico. Las fibras de silicatos están hechas con adición de apropiados óxidos metálicos para el ajuste fino del índice de refracción. Las guías de vidrio se fabrican a partir de vidrios de alta estabilidad química. Las guías de plástico tienen una mayor atenuación que las de silicatos o vidrio.
La fibra óptica es una guía de onda cilíndrica a través de la cual se propaga la onda óptica. Su estructura básica es un núcleo central y una capa de recubrimiento exterior. El núcleo es un cilindro de material dieléctrico transparente de índice de refracción nr1 y el recubrimiento es una fina capa dieléctrica de índice nr2. Existen varias clasificaciones de las fibras ópticas dependiendo del perfil de índices y del tamaño del núcleo. El tamaño del núcleo es el que determina cuantos modos se pueden propagar por la fibra. Un cable óptico consiste en un agrupamiento de fibras ópticas.
Tipos de Fibra Óptica
Fibra óptica monomodo Esta fibra óptica es la más delgada y sólo permite viajar al rayo óptico central. No sufre el problema de atenuación de las fibras multimodo, por lo que logra transmisiones a distancias mayores. Su inconveniente es que es difícil de construir, manipular y es más costosa. Fibra óptica multimodo índice gradual En este tipo de fibra óptica, el núcleo está constituido de varias capas concéntricas de material óptico con diferentes índices de refracción, causando que el rayo de luz de refracte poco a poco mientras viaja por el núcleo, pareciendo que el rayo se curva como se ve en el próximo gráfico. En estas fibras el número de rayos ópticos diferentes que viajan es menor que en el caso de la fibra multimodo índice escalonado y por lo tanto, su distancia de propagación es mayor. Tiene una banda de transmisión de 100 MHz a 1 GHz.
Tipos de Fibra Óptica
UNIDAD 3: DEGRADACIÓN DE SEÑAL EN FIBRAS ÓPTICAS. 3.1 Atenuación: Unidades de atenuación. Absorción. Pérdidas por dispersión y curvatura. Pérdidas en el núcleo y en el revestimiento. 3.2 Distorsión de señales en guías de onda ópticas: determinación de la capacidad de información. Retardo de grupo. Dispersión de material y de guía de onda. Distorsión de señal en fibras monomodo. Dispersión por polarización de modo. Distorsión intermodal. 3.3 Ensanchamiento de pulso en fibras de índice gradual. 3.4 Acople de modos. 3.5 Optimización de diseño de fibras monomodo: Perfiles de índice de refracción. Longitud de onda de corte. 3.6 Cálculo de dispersión. Diámetro de campo modal. Pérdidas por curvatura.
06 – 04 – 2013
UNIDAD 4: FUENTES ÓPTICAS. 4.1 Tópicos de física de semiconductores: Bandas de energía. 4.2 Materiales intrínsecos y extrínsecos. Uniones p-n. Bandas de energía directas e indirectas. 4.3 Diodos emisores de luz LEDs: Estructura. Materiales para fuentes de luz. Eficiencia cuántica y potencia. Modulación. 4.4 Diodos láser: Modos de un diodo láser y condiciones de disparo. Ecuaciones de rata de emisión. 4.5 Eficiencia cuántica externa. Frecuencia de resonancia. Estructura y patrones de radiación. Láser monomodo. Modulación de diodos láser. Efectos de la temperatura. 4.6 Linealidad de la fuente de luz.
27 – 04 – 2013
UNIDAD 5: LANZAMIENTO Y ACOPLE DE POTENCIA. 5.1 Lanzamiento de potencia fuente – fibra: patrón de emisión de la fuente. Cálculo del acople de potencia. Lanzamiento de potencia versus longitud de onda. Apertura numérica de equilibrio. 5.2 Esquema de lentes para mejorar el acople. 5.3 Uniones fibra a fibra: Desalineamientos mecánicos. Pérdidas relacionadas a la fibra. Preparación de la fibra. 5.4 Acople de LEDs a fibras monomodo. 5.5 Empalmes: Técnicas de empalme. Empalmes en fibras monomodo. 5.6 Conectores: Tipos, conectores para fibras monomodo. Pérdidas por retorno.
04 – 05 – 2013
UNIDAD 6: FOTO DETECTORES. 6.1 Principios físicos: Fotodetectores PIN y de Avalancha. 6.2 Ruido en el fotodetector: Fuentes de ruido. Relación señal a ruido. 6.3 Respuesta en tiempo del detector. 6.4 Ruido de multiplicación de avalancha. 6.5 Efecto de la temperatura en la ganancia de avalancha. 6.6 Comparación de fotodetectores.
18 – 05 – 2013
UNIDAD 7: OPERACIÓN DEL RECEPTOR ÓPTICO. 7.1 Fundamentos: transmisión de señal digital. 7.2 Fuentes de error. 7.3 Configuración del receptor. 7.4 Representación de la transformada de Fourier. 7.5 Desempeño del receptor digital: Probabilidad de error. Límite cuántico. 7.6 Receptores análogos.
18 – 05 – 2013
UNIDAD 8: SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DIGITAL. 8.1 Enlaces punto a punto: Consideraciones del sistema. Presupuestos de potencia y de ancho de banda. Distancia de transmisión de la primera ventana. Distancia de transmisión para enlaces monomodo. 8.2 Efectos del ruido en el desempeño del sistema: Ruido modal. Ruido de partición de modo. “Chirrido”. Ruido de reflexión.
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UNIDAD 9: SISTEMAS DE ANALÓGICOS. 9.1 Descripción general. 9.2 Relación portadora a ruido: potencia de portadora. Ruido del fotodetector y preamplificador. Intensidad relativa de ruido RIN. Condiciones limitantes. 9.3 Técnicas de transmisión multicanal: Modulaciones multicanal de amplitud y frecuencia. Multiplexado de subportadora.
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UNIDAD 10: CONCEPTOS Y COMPONENTES DE MULTIPLEXADO POR LONGITUD DE ONDA (WDM). 10.1 Principios operacionales. 10.2 Componentes pasivos: Acopladores de fibra y de guía de onda. 10.3 Representación de matrices de dispersión. 10.4 Acopladores estrella. Multiplexor interferómetro de MachZehnder. 10.5 Filtros de rejilla. Dispositivos basados en arreglo de fase. 10.6 Fuentes sintonizables. 10.7 Filtros sintonizables.
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UNIDAD 11: AMPLIFICADORES ÓPTICOS. 11.1 Aplicaciones básicas y Tipos. 11.2 Amplificadores ópticos semiconductores. 11.3 Amplificadores de fibras dopadas con erbio EDFA: Mecanismo de amplificación. Arquitectura. 11.4 Eficiencia y ganancia. 11.5 Ruido del amplificador. 11.6 Aplicaciones: Amplificadores de potencia, de línea, preamplificadores. Operaciones multicanal.
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UNIDAD 12: REDES ÓPTICAS. 12.1 Fundamentos de Redes: Topologías. 12.2 Desempeño de Arquitecturas de bus lineal pasivo y estrella. 12.3 SONET/SDH: Formatos de transmisión y velocidad. Interfaces ópticas. Anillos SONET/SDH. 12.4 Redes WDM Broadcast and Select: Redes de salto simple o multisalto. 12.5 Redes de deslizamiento multisalto. 12.6 Redes enrutadas por longitud de onda: conectores ópticos cruzados. Evaluación de desempeño de la conversión de longitud de onda 12.7 Efectos no lineales en el desempeño de la red: Longitud y área efectiva. Dispersión estimulada de Raman y de Brillouin. Modulación de autofase y de fase cruzada. Mezclado de cuatro ondas. Administración de dispersión. 12.8 Desempeño de sistemas WDM con EDFA: Ancho de banda del enlace. Requerimientos de potencia para un BER específico. Crosstalk. 12.9 Solitons: Pulsos. Parámetros. Ancho y espaciado. 12.10 CDMA óptico. 12.11 Redes de elevada capacidad: WDM de elevada capacidad. TDM óptico de bit intercalado. TDM óptico de ventana de tiempo. 22 – 06 – 2013
Proyecto: Fecha de entrega: 29 – 06 – 2013 Diseñe un sistema de comunicación por fibra óptica para comunicar la sede de la Unefa Canalizaciones con la sede de Los Teques, teniendo en cuenta que se realizarán empalmes cada 5Km del tendido, seleccione y describa: 1. La tecnología de transmisión a utilizar (ATM, SDH, PDH, MPLS, entre otras) 2. Transmisor. 3. Receptor. 4. FO. 5. Cajas de Empalme. 6. ODF. 7. Conectores. 8. Halle el Balance de Potencia del sistema y determine si el enlace es factible y si requiere amplificador o no. 9. Realice un presupuesto del sistema indicando costos, marcas, modelos, fabricantes y cantidades. 10.Seleccione el Tipo de Tendido mas óptimo de acuerdo a la geografía del enlace.
