EL MEDIO DE

TRANSMISION PTICO:

LA FIBRA PTICA

1

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.

2

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.

1

2

3

Sistema

ptico

bsico

3

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.

4

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.

1

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.

2

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.

1

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.

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.

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.

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.

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.

Especificaciones de fibra ptica

Fibras multimodo. Fibras monomodo.

25 Son especificaciones de la UIT-T

26

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.