Curso fibra optica.pdf

Universidad de Oviedo

Curso:

Fibra Óptica

Juan Carlos Campo Rodríguez. Area de Tecnología Electrónica

INDICE

La Fibra Óptica El Espectro Leyes de la Refracción Elementos de la Fibra Apertura numérica Tipos de Fibras Propagación de la luz Características Característi cass de las Fibras Característica Atenuación Pérdidas por Absorción Pérdidas por Dispersión Otras fuentes de Pérdidas Las Ventanas Dispersión Modal Dispersión Cromática

La Fibra Óptica

ATE

El Espectro

Longitud de onda en µm 0.39

a t e l o i v a r t l U

0.78

a l t u e z l o A i V

e o l d l r i e r a V m A

a j n a r a N

o j o R

Región Visible

o n a c r e C . f n I

3

30 1000

o i d e M . f n I

o n a j e L . f n I

o i d a r e d s a d n O

Infrarrojo

La región más interesante es el Infrarrojo Cercano

El Espectro

La Fibra Óptica

ATE

Leyes de la refracción 1ª Ley Normal

Substancia 1 Índice de refracción n1

Rayo incidente Superficie de separación entre ambas substancias Substancia 2 Índice de refracción n2

Rayo refractado

2ª Ley Índice de refracción n1

Normal Rayo incidente

θa

Rayo refractado

Índice de refracción n2

θb

senθ a senθ c

=

n2 n1

Leyes de la refracción

La Fibra Óptica

ATE

Índice de refracción n2 Corteza

Núcleo



Ángulo límite

Corteza θc

Núcleo Rayo de luz


Elementos de la fibra

La Fibra Óptica

ATE

Apertura Numérica Índice de refracción n2

θc

Ángulo límite

θc

θa

Núcleo

Rayo de luz Corteza

Rayo de luz en ángulo mayor que el límite


AN = n0 senθ a =

2 2 n1 − n2

Apertura Numérica

ATE Fibras de salto de índice y de índice gradual Fibra de salto de índice

Núcleo Índice de refracción n1

Fibra de índice gradual

Corteza Índice de refracción n1

n ó i c c a r f n1 e r e d e c i d n2 n Í

Trayectorias de los rayos en los distintos tipos de fibras Corteza Núcleo Rayo de luz

Fibra de salto de índice

Fibra de índice gradual

Tipos de Fibras

La Fibra Óptica

ATE

Propagación de la luz en la fibra: Los MODOS

Primeros modos de propagación de la luz en una fibra Frecuencia característica

V =

Si V<2.4 Si V>2.4

2 ⋅ π

λ

⋅ a 2 ⋅ AN 2

Monomodo Multimodo

Efecto muy pernicioso: Dispersión modal

Propagación de la Luz

La Fibra Óptica

ATE

Atenuación Pérdida de la potencia de la luz a medida que se transmite a lo largo de la fibra a( λ ) =

1

L

⋅10 ⋅ log

Pe Ps

( dB / km )

Ps: Potencia luminosa de salida Pe: Potencia luminosa de entrada L: Longitud del tramo de fibra óptica

Causas: - Pérdidas por Absorción - Pérdidas por Dispersión (Scattering) - Otras fuentes de pérdidas 100 ) B d ( n ó i c a u n e t A

10 1 0.1

0.01

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Longitud de onda (µm)

1.8

Características de las fibras: Atenuación

La Fibra Óptica

ATE

Atenuación (Pérdidas por Absorción) Atenuación debida a la interacción luz-materia Absorción intrínseca 100 ) B d ( n ó i c a u n e t A

10 1 0.1

Absorción ultravioleta Absorción infrarroja

0.01 0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Longitud de onda (µm) Absorción extrínseca 103 ) B d ( n ó i c a u n e t A

102 101 100 10-1

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6


1.8


La Fibra Óptica

ATE

Atenuación (Pérdidas por Dispersión de Rayleigh) Inversamente proporcionales a la cuarta potencia de la longitud de onda 100 ) B d ( n ó i c a u n e t A

10 1 0.1

Dispersión de Rayleigh

0.01 0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Longitud de onda (µm) Dependen también del material Tipo de Material

Sílice Silicato potásico Borosilicato sódico Silicato de sodio y calcio

Pérdidas debido a la dispersión Rayleigh (dB/Km) a 850 nm 1.2 0.7 2.3 0.8


La Fibra Óptica

ATE

Atenuación (Otras fuentes de pérdidas) Microcurvaturas Corteza Núcleo

Radiación

100 ) B d ( n ó i c a u n e t A

10 1 Imperfecciones 0.1 0.01 0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Longitud de onda (µm) Pérdidas de origen mecánico


La Fibra Óptica

ATE

Las Ventanas 2ª Ventana 1ª Ventana

3ª Ventana

100 ) B 10 d ( n ó i c a u n 1 e t A

0.1 0.01 0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8


1ª Ventana

850 nm

2ª Ventana

1300 nm

3ª Ventana

1550 nm


La Fibra Óptica

ATE

Dispersión Modal Distorsión en la forma de onda debido a los diferentes trayectorias que siguen los rayos de luz en la fibra

Corteza Núcleo Impulso de luz a la entrada

Impulso de luz a la salida

Ángulo límite

Rayo Axial Rayo Propagado según el ángulo límite

θc

Núcleo

Corteza

Características de las fibras:Dispersión Modal

La Fibra Óptica

ATE

Dispersión Cromática Variación de la velocidad de una radiación cuando se propaga a través de un medio tal que el índice de refracción varía para cada longitud de onda Se expresa en ps/km.nm

200

150 ) m n . m k / s p ( a c i t á m o r c n ó i s r e p s i D

100 1.55

µ m

50


0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

-50

-100

1.27

µ m

Trabajando en segunda y tercera ventana puede anularse con la modal

Características de las fibras: Dispersión Cromát.

INDICE

Fabricación de Fibras Fabricación de la Preforma Métodos por fusión del vidrio Métodos a partir de ladeposición del vidrio a partir de la fase gaseosa Método OVD Método VAD Método MCVD Método PCVD Estirado

Fabricación de las fibras

ATE

Fabricación de las fibras ópticas La mayor parte de los métodos se basan en la fabricación de una preforma y posterior estirado Fabricación de la preforma: Método por fusión de vidrio

Gas inerte

Tuberías de alimentación

Crisoles de platino

Vidrios en estado de fusión

Horno

Salida de la fibra

Método del doble crisol • Es un método relativamente antiguo • La atenuación de la fibra es elevada

Método Doble Crisol


ATE

Fabricación de las fibras ópticas Fabricación de la preforma: Métodos basados en la deposición de vidrio a partir de la fase gaseosa Método OVD (Outside Vapor Deposition) Vapores: SiCl4, GeCl4, O2

Quemador

Preforma Preforma Horno

Varilla

Obtención de la preforma

Método OVD


ATE

Fabricación de las fibras ópticas Método VAD (Vapor Axial Deposition) Preforma de Vidrio

Horno

Preforma porosa Quemador

Vapores: SiCl4, GeCl4, O2 Método MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) Capa porosa Tubo de vidrio Capa de vidrio

Quemador

Métodos VAD Y MCVD


ATE

Método PCVD (Plasma Activated Chemical Vapor Deposition) Equipo de microondas Capa de Vidrio A la bomba

Gases

Horno fijo

Tubo de cuarzo

Estirado de la fibra Dispositivo de avance Preforma Horno Control de diámetro Fibra óptica Bobina de enrollado

Capa protectora Rodillos trefiladores Control de resistencia

Métodos PCVD y Estirado de la Fibra

INDICE

Conductores de Fibras Introducción Tipos de cables Cables comerciales

Conductores de fibras

ATE

Conductores de fibras El objetivo es mantener al conductor de fibra óptica estable frente a las influencias externas dentro de los límites mecánicos admisibles Fibras de aramida

Conductor de fibra óptica

Vaina protectora

Tipos de conductores •Huecos •Rellenos Conductores por grupos

Fibras de aramida


Vaina protectora

Introducción


ATE

Conductores de fibra El alma son el conjunto de los elementos de trenzado, los elementos de soporte y tracción y la envoltura que cubre a todos estos elementos Cable con una capa Alma del cable

Vaina

Cable con dos capas

Tipos de Cables

Conductores de fibras Conductores de fibra Cable de capas con conductores por grupos

Cable por grupos

Tipos de Cables

ATE


ATE

Cable ranurado Plástico extruido Conductor de fibra óptica

Cubierta exterior

Elemento de tracción

Vaina del cable De polietileno De PVC De plásticos fluorados Libres de Halógenos Armaduras Para cables submarinos, minas, cables aéreos autoportantes protección contra roedores, etc. Se utiliza aramida o acero Para la protección contra roedores: flejes de acero

Tipos de Cables


ATE


Fibra óptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta secundaria

Ejemplos Comerciales


ATE

Cable con dos capas Relleno central

Fibra óptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta exterior dePVC Cordón

Cable con dos capas Relleno central

Fibra óptica

Fibra óptica

Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria

Subcable Cubierta exterior de PVC

Aramida Cubierta secundaria

Cordón

Cable con conductores por grupos Relleno central Cable por grupos Relleno Recubrimiento exterior dePVC Cordón

Fibra óptica

Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta secundaria Cordón


Conductores de fibras Cable aéreo

Elemento de resistencia

Aramida

Relleno Fibra óptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Recubrimiento exterior Cordón

Cable armado

Cubierta interior Armado de acero Cubierta exterior Cordón

Cable submarino


ATE

INDICE

Conectores y Adaptadores Introducción Conectores Adaptadores Fuentes de pérdidas en conectores Conector SMA Conector ST Conector FC Conector Bicónico Conector SC Comparación entre conectores Tipos de Pulido

Conectores y Adaptadores

ATE

Fibra óptica

CONECTOR

Ferrule ADAPTADOR Protección para deformación Casquillo de engaste Recubrimiento de PVC

Ferrule

Caja conector Cubierta protectora

Ferrule metálica

Ferrule cerámica

Introducción


ATE

Adaptadores Adaptador Ferrule Fibra

Fibra

Lente

Acoplamiento directo

Acoplamiento de haz expandido

Pérdidas de inserción

Pi = 10 ⋅ log

Pe Ps

( dB )

Pe: Potencia luminosa de entrada Ps: Potencia luminosa de salida Pérdidas de reflexión

Pr Pr ef = 10 ⋅ log ( dB ) Pe Pe: Potencia luminosa de entrada Pr: Potencia luminosa reflejada

Introducción


ATE

Fuentes de pérdidas en los conectores

5 D

3

4

S

D

3

2 0.5 AN

2

0.2 AN 1 0.15 AN .1

.2

.3

.4

1

.5

0

Razón S/D

10

20

30

40

50

Distancia D (mm)

4 5

D L

3

4

d D

3

2

2 1 1

.1

.2

.3

.4

0

.5

0.1

0.2

0.3

Desplazamiento axial d (mm)

Razón L/D 5 1.5

D

θ

4 0.2 AN

1

θ D

3

0.15 AN 2

.5

0.5 AN

1

2

3

4

1

5

0

Desplazamiento angular (grados)

Introducción

5

10

Desplazamiento angular

15

Conectores y Adaptadores Conector SMA

• • • • • • • •

Llamado FSMA Surge a mediados de los 70 Similar a un conector de RF Existen dos modelos: el 905 y el 906 Buenas características mecánicas Elevadas pérdidas de inserción Aplicaciones multimodo Actualmente en desuso

Conectores SMA

ATE


ATE

Conector ST Adaptadores ST

Aspecto del conector y adaptador

Conectores ST y ST push-pull

• • • • • •

Mediados de los 80 por ATT Similar al conector BNC Resistente a vibraciones Retención insegura frente a tirones Ferrule cerámica, en general El más utilizado en aplicaciones multimodo

Conectores ST

Conectores y Adaptadores Conector FC

Conectores FC y adaptadores

• • • • • •

Años 80, NTT Aplicaciones monomodo Ferrule cerámica Adaptador cerámico o metálica Enclavamiento por rosca Evolucionó al pulido FC/PC (Polishing Convex)

Conectores FC

ATE

Conectores y Adaptadores Conector Bicónico

• • • •

Buen alineamiento fibra-fibra Aplicaciones mono y multimodo Conector caro Actualmente en desuso

Conectores bicónicos

ATE


ATE

Conector SC

Conectores SC y adaptador

Conectores SC doble y simple

• • • • • • •

Años 90 por NTT Posibilidad de conexiones dobles y múltiples Tipo push-pull Ferrule cerámica en general Aplicaciones mono y multimodo Recomendado por la normativa americana Tiende al pulido APC

Conectores SC


SMA ST FC Bicónico SC

Tipo fibra µm núcleo/ µm corteza 50, 62.5, 85, 100 9/125 62.5/125 50,85,100/140 9/125 50/125 Mon/Mul. 9/125 50/125

ATE

Pérdidas inserción dB 0,4

Pérdidas Retorno dB mín.

Rango de Temp. ºC -60/+125

Tracción Cable/con. N 100

0.2 0.3

30

-40/+80

200

0.15/0.25 0.25 0.4 0.15/0.25 0.25

30,40,50, 60

-40/+85

200

-20/+60 -20/70

100 100

30,40,50, 60

Comparación entre los diferentes conectores APLICACIONES Multimodo Multimodo Monomodo FC Multimodo Monomodo Bicónico Multimodo Monomodo SC Multimodo Monomodo

Televisión por cable

SMA ST

•

•

Telefonía

Redes de área locales (LAN)

• •

• • •

•

•

• •

•

• •

• •

Aplicaciones principales de los diferentes conectores

Comparación entre conectores


ATE

Tipos de pulido

El pulido influye decisivamente en las pérdidas por inserción y en las pérdidas de retorno

• Pulido Plano • Pulido PC, SPC y UPC • Pulido APC

Contacto plano

Contacto PC y SPC

Contacto APC

Fibra

Ferrule

• El pulido PC y el APC se utilizan fundamentalmente para aplicaciones monomodo

Tipos de pulido

INDICE

Empalmes Introducción Empalmes mediante fusionadora Supervisión directa del núcleo Inyección local y supervisión local Inyección y supervisión remota Empalmes mecánicos

Empalmes

ATE

Fusionadora Métodos

• Supervisión directa del núcleo de la fibra • Inyección local y supervisión local • Inyección de luz y supervisión remota

Supervisión directa del núcleo de la fibra

1 Alineado de las fibras

2 Prefusión para la limpieza

3 Fusión

Fusión de la fibra mediante arco eléctrico

Aspecto de la fusionadora

Empalmes mediante fusionadora

Empalmes

ATE

Fusionadora • Supervisión directa del núcleo de la fibra • Inyección local y supervisión local • Inyección de luz y supervisión remota

Métodos

Inyección de luz y detección local Fibra 1

Fibra 1

Emisor de luz Conductor de fibra de núcleo grueso

Fotodiodo

Fusionadora de inyección y supervisión local, controlada con microprocesador

Empalmes mediante fusionadora

Empalmes

ATE

Empalmes mecánicos Empalmes mecánicos simples

Empalmes mecánicos múltiples

Empalmes mecánicos

INDICE

Otros equipos de F.O. Acopladores Multiplexores Conmutadores Atenuadores Aisladores Medidores de Potencia Óptica Localizadores de Fibras Reflectómetros Cajas de empalmes

Otros equipos de F.O.

ATE

Acopladores Elementos para la interconexión en redes de fibra óptica. Se utilizan para la supervisión, derivación, distribución, combinación, etc., de señales ópticas Acoplador en T

Espejo semirreflectante Entrada

Salida 1

Salida 2

Acoplador de lente Grin

Espejo semirreflectante

Salida 1

Acopladores

Entrada

Salida 1


ATE

Multiplexores Son acopladores pasivos selectivos a la longitud de onda

Transmisor 1 longitud de onda λ1

Fibra óptica por la que circula λ1, λ2, λ3.

Receptor 1 longitud de onda λ1

Transmisor 2 longitud de onda

Receptor 2 longitud de onda

λ2

λ2

Transmisor 3 longitud de onda

Acoplador

Demultiplexor

λ3

Receptor 3 longitud de onda λ3

Multiplexores

Otros equipos de F.O. Multiplexores

Estructuras de multiplexores

Multiplexores

ATE


ATE

Conmutadores Ópticos Existen dos tipos: electromecánico y electroóptico

T R Int. óptico

Int. óptico

Entrada

Fuente de luz GND

GND

Estado normal

Int. óptico

Int. óptico

T R

T R

Salida

Entrada

Detector

Fuente de luz

T R

Terminal by-passed

Salida

Detector

GND

+5VDC

Estado by-pass

Conmutadores ópticos


ATE

Atenuadores Introducen una atenuación determinada en el sistema de fibra óptica

Luz reflejada

Luz incidente

Cristal

Luz transmitida

Película metálica

Atenuadores

Otros equipos de F.O. Aisladores Permiten la transmisión de la luz en un solo sentido

Fotografía de un aislador

Esquema de un aislador

Se utilizan para evitar la luz reflejada

Aisladores

ATE


ATE

Medidores de potencia óptica Permiten localizar fallos en fibras de poca longitud

Fotografía de un medidor de potencia

Localizadores de fibras Permiten detectar determinadas frecuencias sin interrumpir la fibra

Fotografía de un medidor de potencia

Medidores de potencia y localizadores


ATE

Reflectómetros Sirven para la medida de la atenuación de la fibra, la medida de la longitud de la fibra y la localización de rupturas

Fuente de luz

Sistema óptico

Dispositivo de acoplamiento

Sistema óptico

Fibra a medir

Sistema óptico

Detector óptico Osciloscopio

Amplificador

Procesador de señales

Sistema de representación de datos

Esquema de los elementos de un relectómetro Se fundamenta en medir la luz retroesparcida

Reflectómetros


ATE

Reflectómetros dB

(I)

(V)

Va

(II)

Vb

(III)

(IV)

L

Longitud

Curva típica obtenida con un reflectómetro

Fotografía de un reflectómetro

Reflectómetros

Otros equipos de F.O. Caja Ca jass de emp empal alme mess Sirven para proteger las zonas de empalmes de fibras

Fotografía de diversas cajas de empalmes

Cajas de empalmes

ATE

INDICE

Otras aplicaciones de F.O. Introducción Multiplexores Conmutadores Atenuadores Aisladores Medidores de Potencia Óptica Localizadores de Fibras Reflectómetros Cajas de empalmes

Otras aplicaciones de F.O.

Propiedades de la fibra que justifican las diversas aplicaciones

TRANSPARENCIA: Observación e iluminación de superficies normalmente inaccesibles. SENSIBILIDAD A FACTORES EXTERNOS: Factores externos pueden modificar algún parámetro del haz de luz. FLEXIBILIDAD: Permite introducir las fibras en zonas de difícil acceso. INSENSIBILIDAD A RADIACIONES NUCLEARES: Útil en aplicaciones militares PEQUEÑO DIÁMETRO: Permite acceso a lugares difíciles. PESO REDUCIDO

Introducción

ATE


ATE

El endoscopio

Sirven para la observación de zonas de difícil acceso Elementos que lo constituyen FUENTE DE LUZ: Halógena o de cuarzo. HAZ DE FIBRAS : Unas para iluminar, otras para “ver” ELEMENTOS ÓPTICOS

Aplicaciones basadas en la transparencia


ATE

Aplicaciones del endoscopio Inspección de motores y turbinas

En el control de calidad de los procesos de fabricación se realiza el análisis de las oquedades provocadas por burbujas de aire atrapadas en el proceso. Medicina

Laringoscopios, brocoscopios, gastroscopios, etc. Una fibra se encarga de transportar la luz al interior del organismo y la otra la imagen. Los campos generales de actuación son: Diagnóstico Terapéutico Postoperatorio Análisis remoto de muestras

Se dispone de un haz de fibras: Parte del haz lleva luz y el resto recoge la luz reflejada. A continuación se compararan y se pueden determinar determinados parámetros



ATE

Reproducción tridimensional de imágenes

Se divide el haz en varios grupos, cada uno para un plano. Por superposición de planos es posible reproducir la imagen Una aplicación más sencilla es la lectura de tarjetas perforadas Medicna

Laringoscopios, brocoscopios, gastroscopios, etc. Una fibra se encarga de transportar la luz al interior del organismo y la otra la imagen. Los campos generales de actuación son: Diagnóstico Terapéutico Postoperatorio Análisis remoto de muestras

Se dispone de un haz de fibras: Parte del haz lleva luz y el resto recoge la luz reflejada. A continuación se compararan y se pueden determinar determinados parámetros



ATE

Conmutadores

Constan de una fibra partida en cuyo espacio de separación se inserta: Un material de transparencia variable Un elemento móvil Medidas de contaminación y reflexión

La mayor parte de los compuestos se caracterizan por un espectro en las zonas infrarroja o ultravioleta que permite detectar su concentración

Aplicaciones basadas en la radiación del extremo


ATE

Detectores de nivel

Presentan como problema la suciedad

Aplicaciones basadas en la radiación del extremo

Otras aplicaciones de F.O. Sensores Ventajas Insensibilidad a perturbaciones electromagnéticas Aislamiento galvánico Químicamente inertes Adecuados para medios inflamables Flexibilidad Pequeño peso Débil atenuación Gran ancho de banda Precisión Estabilidad Difícil intercepción

Sensores

ATE


ATE

Sensores interferométricos

Espejo fijo Espejo móvil Transductor

LASER

DETECTOR

LASER

Acoplador

Interferómetro de Michelson

Espejo fijo

DETECTOR

Transductor Interferómetro de Michelson realizado con fibra

Sensores


ATE

Sensores interferométricos

Espejo fijo DETECTOR

Espejo móvil LASER

Interferómetro de Mach-Zehnder

LASER

Acoplador

T r a n s d u c t o r

Acoplador

D

D

Transductor Interferómetro de MachZehnder realizado con fibra

Sensores

Otras aplicaciones de F.O. Sensores de presión Mediante reflexión

Sensores de presión

ATE

Otras aplicaciones de F.O. Sensores de presión Esterillas de reflexión

Detección de proximidad de máquinas peligrosas Sensor de contacto en parachoques Detección de impactos (pelotas de tenis)

El hidrófono

Transforma oscilaciones sonoras en un medio líquido Exiten dos posibilidades de medida: Mediante técnicas interferométricas Mediante técnicas ecométricas

Sensores de presión

ATE


ATE

Sensores de temperatura Existen diferentes tipos en función el hecho en que están basados

1. El Núcleo y la envoltura varían de modo distinto su índice de refracción al cambiar la temperatura. Al aumentar la temperatura, disminuye la diferencia de índices y llega menor luz 2. Utilizando métodos interferométricos 3. Utilizando la fibra como guía de luz y midiendo en la zona del infrarrojo Medidas de campo magnético

Se basan en la variación del plano de polarización de la luz Otra posibilidad es utilizar técnicas interferométricas

Sensores de temperatura y campos el.-mag.

Curso fibra optica.pdf

Recommend Documents