PREGUNTAS CAPITULO 11 NOMBRE: GABRIEL CACHUMBA CURSO: 9no “C” FECHA: 2017/07/04
11-1. Defina un sistema de fibra óptica. Es un sistema electrónico de comunicaciones que usa la luz como portador de información.
11-2. ¿Cuál es la relación entre capacidad de información infor mación y amplitud de banda? La capacidad de conducción de información de un sistema electrónico de comunicaciones es directamente proporcional a su amplitud de banda. Para fines de comparación, se acostumbra expresar el ancho de banda de un sistema analógico de comunicaciones comunicaciones como un porcentaje de la frecuencia de su portadora.
11-3. ¿Qué desarrollo, en 1951, fue un gran avance en el campo de la óptica de fibras? ¿Y en 1960? En 1951, A. C. S. van Heel de Holanda, y H. H. Hopkins y N. S. Kapany de Inglaterra experimentaron con transmisión de luz a través de haces de fibras. Sus estudios condujeron al desarrollo del fibroscopio flexible, que se usa mucho en el campo de la medicina. Kapany fue quien acuño el término “fibra óptica” en 1956. El láser (de light amplification by stimulated emission of radiation, amplificación de luz por emisión estimulada estimulada de radiación) fue fue inventado en 1960.
11-4. Describa las ventajas y desventajas de los cables de fibra óptica y los cables metálicos. Ventajas de los sistemas de fibra óptica 1. 2. 3. 4. 5.
Mayor capacidad de información Inmunidad a la diafonía Inmunidad a la interferencia i nterferencia por estática Inmunidad al ambiente Seguridad: los cables ópticos son más seguros y fáciles de instalar y mantener que los cables metálicos 6. Seguridad: las fibras ópticas son más seguras que los cables metálicos 7. Duran más: aunque todavía no se ha demostrado, se anticipa que los sistemas de fibra óptica durarán más que las instalaciones metálicas
8. Economía: el costo de los cables de fibra óptica es, aproximadamente, igual al de los cables metálicos
Desventajas de los sistemas de fibra óptica 1. Costos de interconexión: los sistemas de fibra óptica son virtualmente inútiles por sí mismos. 2. Resistencia: las fibras ópticas de por sí tienen una resistencia bastante menor a la tensión que los cables coaxiales. 3. Potencia eléctrica remota: a veces es necesario llevar energía eléctrica a un equipo remoto de interconexión o de regeneración. 4. No están demostrados: los sistemas de cable de fibra óptica son relativamente nuevos, y no han tenido el tiempo suficiente para demostrar su confiabilidad. 5. Herramientas, equipo y adiestramiento especializados: las fibras ópticas requieren herramientas especiales para empalmar y reparar cables, y equipos especiales de prueba para hacer medidas rutinarias.
11-5. Describa las unidades constructivas primarias de un sistema de fibra óptica.
11-6. Describa las diferencias entre los cables de fibra de vidrio y de fibra de plástico. Las fibras de plástico tienen varias ventajas sobre las de vidrio. La primera es que las de plástico son más flexibles y, en consecuencia, más robustas que el vidrio. Son fáciles de instalar, pueden resistir mejor los esfuerzos, son menos costosas y pesan 60% menos que el vidrio. La desventaja de las fibras de plástico es su alta atenuación característica: no propagan la luz con tanta eficiencia como el vidrio. En consecuencia, las fibras de plástico se limitan a tramos relativamente cortos, como por ejemplo dentro de un solo edificio o un complejo de edificios. Las fibras con núcleos de vidrio tienen bajas atenuaciones características; sin embargo, las fibras PCS son un poco mejores que las SCS. Las fibras PCS también se afectan menos por la radiación y, en consecuencia, tienen mucho más atractivo en las aplicaciones militares. Las fibras SCS tienen las mejores características de propagación y son más fáciles de terminar que las PCS. Desafortunadamente, los cables SCS son los menos robustos y son más susceptibles a aumentos de atenuación cuando están expuestos a la radiación.
11.7. Describa, en forma breve, la construcción de un cable de fibra óptica. De acuerdo con la configuración, el cable puede consistir de un núcleo, un revestimiento, un tubo protector, amortiguadores, miembros resistentes y uno o más forros o chaquetas de protección.
11-8. Defina los siguientes términos: velocidad de propagación, refracción e índice de refracción. Velocidad de propagación La energía electromagnética, como la luz, recorre aproximadamente 300,000,000 m/s en el espacio libre. También, la velocidad de propagación es igual para todas las frecuencias de luz en el espacio libre.
Refracción Un rayo de luz se refracta al pasar de un material de determinada densidad a un material menos denso. En realidad, el rayo de luz no se dobla, sino que cambia de dirección en la interfaz.
Índice de refracción La cantidad de desviación o refracción que sucede en la interfaz de dos materiales de distintas densidades se puede predecir bastante bien, y depende del índice de refracción de los dos materiales.
11-9. Enuncie la ley de Snell de la refracción y describa su importancia en los cables de fibra óptica. La forma en que reacciona una onda electromagnética cuando llega a la interfaz entre dos materiales transmisores que tienen distintos índices de refracción se describe con la ley de Snell. La ley de Snell establece que:
y como el índice de refracción de un material es igual a la raíz cuadrada de su constante dieléctrica,
11-10. Defina qué es el ángulo crítico. El ángulo crítico se define como el ángulo de incidencia mínimo en el cual un rayo de luz puede llegar a la interfaz entre dos medios y tener un ángulo de refracción de 90° o mayor.
11-11. Describa qué quiere decir modo de operación y perfil de índice. En la terminología de fibras ópticas, la palabra modo simplemente quiere decir camino. El perfil índice de una fibra óptica es una representación gráfica del índice de refracción en la sección transversal de la fibra.
11-12. Describa un cable de fibra de índice escalonado, y uno de índice graduado. Una fibra de índice escalonado tiene un núcleo central con índice de refracción uniforme. Este núcleo está rodeado por un revestimiento externo con índice de refracción uniforme, pero menor que el del núcleo central, por lo que en una fibra de índice escalonado hay un cambio abrupto de índice de refracción en la interfaz entre núcleo y revestimiento. En una fibra de índice graduado no hay revestimiento, y el índice de refracción del núcleo no es uniforme; es máximo en el centro y disminuye en forma gradual de acuerdo con la distancia hacia la orilla externa.
11-13. Describa las ventajas y desventajas del índice escalonado, el índice graduado, la propagación unimodal y la propagación multimodal. Fibra unimodal de índice escalonado Ventajas 1. Hay dispersión mínima. Como todos los rayos que se propagan por la fibra toman aproximadamente la misma trayectoria, tardan aproximadamente el mismo tiempo para recorrer el cable. 2. Debido a la gran exactitud de reproducción de los pulsos transmitidos en el extremo de recepción, son posibles mayores anchos de banda y mayores capacidades de transmisión de información con las fibras unimodales de índice escalonado que con los otros tipos de fibra. Desventajas
1. Debido a que el núcleo central es muy pequeño, es difícil acoplar la luz hacia adentro y hacia afuera de esta clase de fibra. La abertura de la fuente a la fibra es la más pequeña de todos los tipos de fibra. 2. También debido al pequeño núcleo central, se requiere una fuente luminosa muy direccional, como por ejemplo un láser, para acoplar la luz en una fibra unimodal de índice escalonado. 3. Las fibras unimodales de índice escalonado son costosas y difíciles de fabricar.
Fibra multimodal de índice escalonado Ventajas 1. Las fibras multimodales de índice escalonado son poco costosas, y su fabricación es sencilla. 2. Es fácil acoplar la luz hacia adentro y hacia afuera de las fibras multimodales de índice escalonado; tienen una abertura grande de la fuente a la fibra. Desventajas 1. Los rayos luminosos siguen muchas trayectorias distintas por la fibra, lo que da como resultado grandes diferencias en sus tiempos de propagación. 2. El ancho de banda y la capacidad de transferencia de información posibles con este tipo de cables es menor que con los demás tipos. Fibra multimodal de índice graduado. En esencia, este tipo de fibra no tiene ventajas ni desventajas sobresalientes. Las fibras multimodales de índice escalonado son más fáciles de acoplar la luz que les entra y que les sale, en comparación con las fibras unimodales de índice escalonado, pero más difíciles de acoplar en comparación con las multimodales de índice escalonado.
11-14. ¿Por qué es imposible la propagación unimodal en las fibras de índice graduado? Porque estas fibras se caracterizan por un núcleo central cuyo índice de refracción es no uniforme, es máximo en el centro y disminuye en forma gradual hacia la orilla externa. La luz se propaga por esta clase de fibras por refracción. Al propagarse un rayo de luz en dirección diagonal por el núcleo hacia el centro, pasa continuamente de una fase menos densa a una más densa. En consecuencia, los rayos luminosos se refractan en forma constante, y eso produce su deflexión continua.
11-16. ¿Qué son el ángulo de aceptación y el cono de aceptación para un cable de fibra?
A θ ent se le llama ángulo de aceptación, o medio ángulo del cono de aceptación. Define
al ángulo máximo que pueden formar los rayos luminosos externos al llegar a la interfaz aire-fibra para poder propagarse por la fibra, con una respuesta no mayor de 10 dB menos que el valor máximo. En la fig. 11-17a se ve el ángulo de aceptación. Al girar este ángulo en torno al eje de la fibra se obtiene el cono de aceptación de la entrada de la fibra, que se ve en la fig. 1117b.
11-17. Defina qué es abertura numérica. La abertura numérica (NA) se relaciona en forma estrecha con el ángulo de aceptación y es la figura de mérito que se suele usar para medir la magnitud del ángulo de aceptación.
11-18. Haga una lista de las pérdidas asociadas con los cables de fibra, y descríbalas en forma breve. 1. Pérdidas por absorción. La pérdida por absorción en las fibras ópticas es análoga a la disipación de potencia en los cables de cobre; las impurezas en la fibra absorben la luz y la convierten en calor. 2. Pérdidas por dispersión en material o de Rayleigh. Durante el proceso de manufactura, el hilo se trefila formando fibras largas de un diámetro muy pequeño. Durante ese proceso, el vidrio se encuentra en un estado plástico: ni sólido ni líquido. La tensión aplicada al vidrio durante ese proceso hace que en el enfriamiento se desarrollen irregularidades submicroscópicas, que se incorporan a la fibra en
forma permanente. Cuando los rayos de luz que se están propagando por una fibra chocan con una de esas impurezas, se difractan. La difracción hace que la luz se disperse o se abra en muchas direcciones. 3. Dispersión cromática, o de longitudes de onda. El índice de refracción de un material depende de la longitud de onda. Los diodos emisores de luz (LED) emiten luz que contiene una combinación de longitudes de onda. Cada una de ellas, en la señal de luz compuesta, viaja a distinta velocidad. En consecuencia, los rayos de luz que emite al mismo tiempo un LED y se propagan por una fibra óptica no llegan al extremo opuesto al mismo tiempo. Esto da como resultado una señal recibida distorsionada; la distorsión se llama distorsión cromática. 4. Pérdidas por radiación. Las pérdidas por radiación se deben principalmente a pequeños cambios de dirección y dobleces de la fibra. 5. Dispersión modal. La dispersión modal, o ensanchamiento del pulso se debe a la diferencia en los tiempos de propagación de rayos de luz que van por diferentes trayectorias en una fibra. 6. Pérdidas por acoplamiento. En los cables de fibra pueden presentarse pérdidas por acoplamiento en cualquiera de los tres tipos siguientes de uniones ópticas: conexiones de fuente luminosa a fibra, conexiones de fibra a fibra y conexiones de fibra a fotodetector.
11-19. ¿Qué es el ensanchamiento de pulso? La relación entre tiempo y energía de un pulso de luz al propagarse por un cable de fibra. Se aprecia que al propagarse el pulso por la fibra, los rayos de luz que forman el pulso se reparten en el tiempo, y eso causa una reducción correspondiente de la amplitud del pulso y un estiramiento de su ancho. A esto se le llama ensanchamiento de pulso o dispersión de ancho de pulso, y causa errores en la transmisión digital.
11-20. Defina la constante de ensanchamiento de pulso. La diferencia entre los tiempos absolutos de demora de los rayos de luz más rápidos y más lentos que se propagan por una fibra de longitud unitaria se llama constante de ensanchamiento del pulso ( Δt).
11-21. Haga una lista de las diversas pérdidas por acoplamiento, y descríbalas en forma breve.
Desalineamiento lateral . Es el desplazamiento lateral o axial entre dos tramos de cables de fibra adjuntos. Desalineamiento de entrehierro . A veces se llama separación entre extremos. Cuando se hacen empalmes en fibras ópticas, las fibras se deben tocar realmente. Mientras más alejadas queden, la pérdida de luz será mayor. Si dos fibras se unen con un conector, los extremos no se deben tocar, porque al frotarse entre sí en el conector se podrían dañar una o las dos fibras.
Desalineamiento angular . A veces se llama desplazamiento angular. Si el desplazamiento angular es menor que 2°, la pérdida será menor que 0.5 dB. Acabado superficial imperfecto . Los extremos de las dos fibras adjuntas deben estar muy pulidos y asentar entre sí. Si los extremos de las fibras están menos de 3° fuera de la perpendicular, las pérdidas serán menores que 0.5 dB. 11-22. Describa en forma breve el funcionamiento de un diodo emisor de luz. Los LED emiten luz por emisión espontánea: la luz se emite como resultado de la recombinación de electrones con huecos. Cuando tienen polarización directa, los portadores minoritarios se inyectan a través de la unión p-n. Una vez atravesada la unión, esos portadores minoritarios se recombinan con portadores mayoritarios y desprenden energía en forma de luz. Este proceso es esencialmente el mismo que en un diodo semiconduc tor convencional, pero en los LED se eligen ciertos materiales semiconductores y dopantes tales que el proceso es radiativo; esto es, que se produce un fotón.
11-24. Describa en forma breve el funcionamiento de un diodo de láser de inyección. El diodo de láser de inyección (ILD, de injection laser diode) se parece al LED. De hecho, por debajo de cierta corriente umbral, un ILD funciona en forma parecida a un LED. Arriba de la corriente de umbral, un ILD oscila y se produce la emisión láser. Al pasar la corriente por un diodo de unión p-n de polarización directa, se emite luz por emisión espontánea, a una frecuencia determinada por la banda prohibida del material semiconductor. Cuando se llega a determinado valor de la corriente, la cantidad de portadores minoritarios y de fotones que se producen en ambos lados de la unión p-n llega a un valor en el que comienzan a chocar con portadores minoritarios ya excitados. Esto causa un aumento en el nivel de la energía de ionización y hace que los portadores sean inestable. Al suceder eso, un portador normal se recombina con un portador del tipo contrario a un valor de la energía que es mayor que su valor normal antes del choque. En el proceso se crean dos fotones; uno es estimulado por otro. En esencia, se
realiza una ganancia en la cantidad de fotones. Para que eso suceda se requiere una gran corriente directa que pueda suministrar muchos portadores (huecos y electrones).
11-25. ¿Qué es el efecto láser? La fabricación de un ILD se parece a la de un LED, excepto que los extremos están muy pulidos. Los extremos con acabado de espejo atrapan los fotones en la región activa y, al reflejarse de un lado a otro, estimulan a electrones libres, para recombinarse con huecos a un valor de energía mayor que el normal. Éste es el proceso llamado láser, o estimulación de emisión.
11-26. Describa las ventajas y desventajas de los ILD y los LED. 1. Como los ILD tienen una distribución de irradiación más dirigida, es más fácil de acoplar su luz en una fibra óptica. Esto reduce las pérdidas por acoplamiento y permite usar fibras más pequeñas. 2. La potencia radiante de salida de un ILD es mayor que la de un LED. Una potencia normal de salida de un ILD es 5 mW (7 dBm), en comparación con 0.5 mW ( – 3 dBm) para los LED. Eso permite que los ILD proporcionen una mayor potencia de activación, y usarlos en sistemas que funcionen a través de mayores distancias. 3. Los ILD se pueden usar a frecuencias mayores de bits que los LED. 4. Los ILD generan luz monocromática, lo cual reduce la dispersión cromática o de longitudes de onda.
11-27. Describa en forma breve la función de un fotodiodo. La luz entra al dispositivo a través de una ventana muy pequeña y cae sobre el material intrínseco carente de portadores. El material intrínseco se hace lo suficientemente grueso como para que la mayoría de los fotones que entren al dispositivo queden absorbidos por esta capa. En esencia, el fotodiodo PIN funciona exactamente al contrario que un LED. La mayoría de los fotones quedan absorbidos por electrones de la banda de valencia del material intrínseco. Cuando se absorben los fotones agregan la energía suficiente para generar portadores en la región de agotamiento, y permiten el paso de la corriente por el dispositivo.
11-28. Describa el efecto fotoeléctrico. La luz que entra por la ventana de un diodo PIN se absorbe en el material intrínseco y agrega la energía suficiente para hacer que los electrones pasen de la banda de valencia a la banda de conducción. El aumento en la cantidad de electrones que pasan a la banda de conducción produce un aumento en la cantidad de huecos en la banda de valencia. Para hacer que la corriente pase por un fotodiodo, se debe absorber luz de la energía suficiente para comunicar a los electrones de valencia la energía suficiente para que
salten la banda prohibida. La banda prohibida, para el silicio, es 1.12 eV (electrón volts).
11-29. Explique la diferencia entre un diodo PIN y un APD. A diferencia de los diodos PIN, los APD operan a tensiones inversas lo suficientemente elevadas como para que el campo eléctrico (en la zona p-n) acelere los pares electrón – hueco (generados térmicamente), para generar más pares. Esto mediante colisiones con otros átomos que componen la estructura cristalina del semiconductor. Las colisiones ionizan los átomos, produciéndose nuevos pares electrón-hueco. Esta ionización por impacto nos determina la ganancia interna del dispositivo o ganancia de avalancha.
11-30. Haga una lista de las características primarias de los detectores de luz y descríbalas. Responsividad. Es una medida de la eficiencia de conversión de un fotodetector. Es la relación de la corriente de salida de un fotodiodo entre la potencia óptica que le entra, y tiene unidades de amperes/watt. 2. Corriente oscura. La corriente oscura es la corriente de reposo que pasa por un fotodiodo cuando no hay entrada luminosa. 3. Tiempo de tránsito. Es el tiempo que tarda un portador inducido por la luz en cruzar la región de agotamiento. 4. Respuesta espectral. Es el intervalo de longitudes de onda que se puede usar con determinado fotodiodo. 5. Sensibilidad a la luz. En esencia, esta sensibilidad es la potencia óptica mínima que puede recibir un detector para producir una señal eléctrica útil de salida.
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