Sistemas de Comunicaciones Ópticas

7/23/2019 Sistemas de Comunicaciones pticas

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TELECOMUNICACIONES

Unidad 6ComunicacionespticasIng. Jorge Edgar Rojas

Magdaleno

Rosario Snchez Arellano


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Sistemas de comunicaciones pticas.Un sistema de comunicaciones pticas est constituido fundamentalmente por un

transmisor ptico, un canal de transmisin de fibra ptica y un receptor.

El transmisor ptico incluye la fuente de informacin analgica o digital, elcircuito modulador y la fuente ptica.El canal introduce ruido y distorsin.El repetidor recibe la seal atenuada y distorsionada y la regenera a lasalida.El receptor incluye el fotodetector y circuitos asociados para recuperar laseal original (demoduladores, decodificadores filtros.


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El objetivo de todo sistema de comunicaciones es la transmisin de la mayorcantidad de informacin en el menor tiempo posible, lo que implica que lainvestigacin en este campo se concentre ms en los sistemas de comunicacionesde alta velocidad.

Sistemas analgicos.


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La seal de entrada es una funcin continua del tiempo y puede ser deaudio, video o variaciones continas de algn proceso fsico (presin,temperatura etc.).Las seales de audio y video generalmente modulan una portadora de RFen amplitud (AM), frecuencia (FM) o fase (PM).

Estas seales modulan la intensidad luminosa de la fuente, ya sea demanera directa, haciendo variar la corriente a travs del diodo lser, o bien,utilizando moduladores externos.En el extremo receptor la seal se detecta, amplifica y demodula.El filtro pasabajas permite seleccionar nicamente las frecuencias tiles dela seal.En un sistema de comunicaciones analgico, el objetivo es transmitir unaseal sin distorsin significativa, esto quiere decir que la forma de la seal,a la salida del sistema, debe permanecer como una rplica de la sealoriginal.

Sistemas digitales.

La, fuente de informacin debe estar en algn formato de seal digital,NRZ, RZ, HDB etc.Las seales digitales se obtienen mediante el muestreo, cuantificacin ycodificacin de seales analgicas, o bien, son seales de naturalezadiscreta, como los datos de computadora.El circuito de modulacin del lser realiza la conversin de voltaje acorriente para modular la intensidad luminosa, de acuerdo con lasvariaciones de la seal.En el extremo receptor, la seal se detecta y amplifica, normalmente serequiere el filtro de ecualizacin para regenerar los pulsos recibidos; de


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sta seal se extrae el reloj, que se utiliza en el circuito de decisin paradeterminar el nivel correspondiente a cada pulso sincronizado.

Actualmente los sistemas de comunicacin digital son los de mayordesarrollo, y esta tendencia es generalizada, tanto para sistemas de fibraptica, como para sistemas de RF.

Las principales ventajas que ofrecen las tcnicas digitales son, entre otras:

Una mayor calidad de transmisin.

Fibras pticas.La fibra ptica es un medio de transmisin, empleado habitualmente en redes dedatos, consistente en un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales

plsticos, por el que se envan pulsos de luz que representan los datos atransmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por elinterior de la fibra con un ngulo de reflexin por encima del ngulo lmite dereflexin total, en funcin de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser lser o unled.

AplicacionesSu uso es muy variado: desde comunicaciones digitales y joyas, pasando porsensores y llegando a usos decorativos, como rboles de Navidad, veladores yotros elementos similares. Aplicaciones de la fibra monomodo: Cables

submarinos, cables interurbanos, etc.

Comunicaciones con fibra ptica

La fibra ptica se emplea como medio de transmisin en redes detelecomunicaciones ya que por su flexibilidad los conductores pticos puedenagruparse formando cables. Las fibras usadas en este campo son de plstico o devidrio y algunas veces de los dos tipos. Por la baja atenuacin que tienen, lasfibras de vidrio son utilizadas en medios interurbanos.

Sensores de fibra ptica

Las fibras pticas se pueden utilizar como sensores para medir: tensin,temperatura, presin y otros parmetros. Su tamao pequeo y el hecho de quepor ellas no circula corriente elctrica les dan ciertas ventajas respecto a lossensores elctricos.

Las fibras pticas se utilizan como hidrfonos para los sismos o aplicaciones desonar. Se han desarrollado sistemas hidrofnicos con ms de 100 sensoresusando la fibra ptica. Los hidrfonos son usados por la industria de petrleo as


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como las marinas de guerra de algunos pases. La compaa alemana Sennheiserdesarroll un micrfono que trabaja con lser y fibras pticas.

Se han desarrollado sensores de fibra ptica para el temperatura y presin depozos petrolferos. Estos sensores pueden trabajar a mayores temperaturas quelos sensores de semiconductores.

Otro uso de la fibra ptica como un sensor es el girscopo de fibra ptica que usael Boeing 767 y el uso en micro sensores del hidrgeno.

Iluminacin

Otro uso que le podemos dar a la fibra ptica es la iluminacin de cualquierespacio. En los ltimos aos las fibras pticas han empezado a ser muy utilizadasdebido a las ventajas que este tipo de iluminacin representa.

Entre las ventajas de la iluminacin por fibra podemos mencionar:

Ausencia de electricidad y calor: Esto se debe a que la fibra slotiene la capacidad de transmitir los haces de luz, adems de que lalmpara que ilumina la fibra no est en contacto directo con lamisma.

Se puede cambiar el color de la iluminacin sin necesidad decambiar la lmpara: Esto se debe a que la fibra puede transportar elhaz de luz de cualquier color sin importar el color de la fibra.

Por medio de fibras, con una sola lmpara se puede hacer una

iluminacin ms amplia: Esto es debido a que con una lmpara sepuede iluminar varias fibras y colocarlas en diferentes lugares.

Caractersticas


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Las caractersticas ms destacables de la fibra ptica en la actualidad son:

Cobertura ms resistente: La cubierta contiene un 25% ms materialque las cubiertas convencionales.

Uso dual (interior y exterior): La resistencia al agua y emisiones

ultravioleta, la cubierta resistente y el funcionamiento ambientalextendido de la fibra ptica contribuyen a una mayor confiabilidaddurante el tiempo de vida de la fibra.

Mayor proteccin en lugares hmedos: Se combate la intrusin de lahumedad en el interior de la fibra con mltiples capas de proteccinalrededor de sta, lo que proporciona a la fibra, una mayor vida til yconfiabilidad en lugares hmedos.

Ventajas

Una banda de paso muy ancha, lo que permite flujos muy elevados (del

orden del Ghz). Pequeo tamao, por lo tanto ocupa poco espacio. Gran flexibilidad, el radio de curvatura puede ser inferior a 1 cm, lo que

facilita la instalacin enormemente. Gran ligereza, el peso es del orden de algunos gramos por kilmetro, lo

que resulta unas nueve veces menos que el de un cable convencional. Inmunidad total a las perturbaciones de origen electromagntico, lo que

implica una calidad de transmisin muy buena, ya que la seal es inmune alas tormentas, chisporroteo...

Gran seguridad: la intrusin en una fibra ptica es fcilmente detectable

por el debilitamiento de la energa lumnica en recepcin, adems, no radianada, lo que es particularmente interesante para aplicaciones querequieren alto nivel de confidencialidad.

No produce interferencias.

Insensibilidad a los parsitos, lo que es una propiedad principalmenteutilizada en los medios industriales fuertemente perturbados (por ejemplo,


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en los tneles del metro). Esta propiedad tambin permite la coexistenciapor los mismos conductos de cables pticos no metlicos con los cables deenerga elctrica.

Atenuacin muy pequea independiente de la frecuencia, lo que permitesalvar distancias importantes sin elementos activos intermedios. Puede

proporcionar comunicaciones hasta los 70 km. antes de que sea necesarioregenerar la seal, adems, puede extenderse a 150 km. utilizandoamplificadores lser.

Gran resistencia mecnica (resistencia a la traccin, lo que facilita lainstalacin).

Resistencia al calor, fro, corrosin. Facilidad para localizar los cortes gracias a un proceso basado en la

telemetra, lo que permite detectar rpidamente el lugar y posteriorreparacin de la avera, simplificando la labor de mantenimiento.

Con un coste menor respecto al cobre.

Factores ambientales.

Desventajas La alta fragilidad de las fibras. Necesidad de usar transmisores y receptores ms costosos. Los empalmes entre fibras son difciles de realizar, especialmente en el

campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable. No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios. La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversin

elctrica-ptica. La fibra ptica convencional no puede transmitir potencias elevadas.2 No existen memorias pticas. La fibra ptica no transmite energa elctrica, esto limita su aplicacin

donde el terminal de recepcin debe ser energizado desde una lneaelctrica. La energa debe proveerse por conductores separados.

Las molculas de hidrgeno pueden difundirse en las fibras de silicio yproducir cambios en la atenuacin. El agua corroe la superficie del vidrio yresulta ser el mecanismo ms importante para el envejecimiento de la fibraptica.

Incipiente normativa internacional sobre algunos aspectos referentes a losparmetros de los componentes, calidad de la transmisin y pruebas.

Clasificacin.Adems se suelen clasificar segn el nmero de modos que soportan. Por locomentado en el prrafo anterior, parece claro que se puede reducir el problemade la dispersin haciendo que la fibra ptica trabaje con un solo modo. Sin


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embargo esta solucin acarrea algunos problemas adicionales que se comentanseguidamente. Los tipos de fibras ms comunes.

Fibras multimodo.El trmino multimodo indica que pueden ser guiados muchos modos o rayosluminosos, cada uno de los cuales sigue un camino diferente dentro de la fibraptica. Este efecto hace que su ancho de banda sea inferior al de las fibrasmonomodo. Por el contrario los dispositivos utilizados con las multimodo tienen uncoste inferior (LED). Este tipo de fibras son las preferidas para comunicaciones enpequeas distancias, hasta 10 Km.

Desventajas Son mucho ms limitado en tanto la velocidad y la distancia. Por ejemplo, la

velocidad mxima de un cable multimodo es de 10 GB.

Hasta 2 kilmetros, slo es capaz de transmitir a 100Mbit. Ms all de eso,

su velocidad de transferencia se convierte en insignificante.

Ventajas Son menos costosos de operar, instalar y mantener que los cables

monomodo.

Fibra monomodo.Una fibra monomodo es una fibra ptica en la que slo se propaga un modo deluz. Se logra reduciendo el dimetro del ncleo de la fibra hasta un tamao (8,3 a10 micrones) que slo permite un modo de propagacin. Su transmisin esparalela al eje de la fibra. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras


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monomodo permiten alcanzar grandes distancias (hasta 400 km mximo,mediante un lser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de informacin(decenas de Gbit/s).

Desventajas. Cable monomodo es ms caro de producir y operar que el cable

multimodo, pero es mucho ms rpido. Los lseres que los cables monomodo requieren son muy caros, y

slo se pueden utilizar con un cable a la vez. Esta dependencia de los lseres significa que el cable de modo

nico es menos verstil que multimodo, y est limitado en susaplicaciones.

Ventajas El cable monomodo es capaz de transmitir datos a velocidades de hasta

40GB a travs de cientos de kilmetros con poca prdida de integridad. A grandes distancias, a los miles de kilmetros, este tipo de cable puede

enviar datos a velocidades de hasta 10 GB.

Laser.Es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecnica cuntica, la emisin inducidao estimulada, para generar un haz de luz coherente tanto espacial como


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temporalmente.

Elementos bsicos de un lser.

1. Medio activo con ganancia ptica2. Energa de bombeo para el lser

3. Espejo de alta reflectancia

4. Espejo de acoplamiento o salida

5. Emisin del haz lser

Caractersticas. Unacavidad ptica resonante. Acoplador, que tiene una reflectancia menor y que permite la salida de la

radiacin laser de la cavidad. Dentro de esta cavidad resonante se sita unmedio activo con ganancia

ptica, que puede ser slido, lquido o gaseoso. Cavidad lser. La cavidad ptica resonante conocida tambin como

cavidad lser existe en la gran mayora de los dispositivos lser y sirve paramantener la luz circulando a travs del medio activo el mayor nmero deveces posible.

Medio activo. El medio activo es el medio material donde se produce laamplificacin ptica.

BombeoPara que el medio activo pueda amplificar la radiacin, es necesario excitarsus niveles electrnicos o vibracionales de alguna manera.

Clasificacin.
http://es.wikipedia.org/wiki/Cavidad_opticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Medio_activohttp://es.wikipedia.org/wiki/Medio_activohttp://es.wikipedia.org/wiki/Cavidad_optica


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Clasificacin de lseres segn UNE EN 60825-1 /A2-2002

Segn la peligrosidad de los lseres y en funcin del Lmite de Emisin Accesible(LEA) se pueden clasificar los lseres en las siguientes categoras de riesgo:

Clase 1: Seguros en condiciones razonables de utilizacin. Clase 1M: Como la Clase 1, pero no seguros cuando se miran a travs de

instrumentos pticos como lupas o binoculares. Clase 2: Lseres visibles (400 a 700 nm). Los reflejos de aversin

protegen el ojo aunque se utilicen con instrumentos pticos. Clase 2M: Como la Clase 2, pero no seguros cuando se utilizan

instrumentos pticos. Clase 3R: Lseres cuya visin directa es potencialmente peligrosa pero el

riesgo es menor y necesitan menos requisitos de fabricacin y medidas

de control que la Clase 3B. Clase 3B: La visin directa del haz es siempre peligrosa, mientras que la

reflexin difusa es normalmente segura. Clase 4: La exposicin directa de ojos y piel siempre es peligrosa y la

reflexin difusa normalmente tambin. Pueden originar incendios yexplosiones.

Tipos de lseres.

Atendiendo a la naturaleza de su medio activo, podemos clasificar losdispositivos lser en:

Semiconductores.

Diodos Laser: Usados en punteros lser, impresoras lser, yreproductores de CD, DVD, Blu-Ray, HD-DVD.

Lser de punto cuntico, un tipo de lser semiconductor que usa puntoscunticos como el medio activo en su regin de emisin de luz. Gas

Lser de helio-nen, o lser HeNe, es un tipo de lser de gas que utiliza

como medio activo una mezcla gaseosa de helio y nen. Los lseres dehelio-nen emiten, habitualmente, a una longitud de onda de 633 nm, luzvisible de color rojo. Son un tipo de lser habitual en laboratoriosdocentes o en el caso de lseres estabilizados, en aplicaciones demetrologa de alta precisin

Lser de dixido de carbono, emite en el infrarrojo lejano a 10.6 m.


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Aplicaciones del lser en la vida cotidiana

Telecomunicaciones: comunicaciones pticas (fibra ptica), Radio Over

Fiber. Medicina: operaciones sin sangre, tratamientos quirrgicos, ayudas a la

cicatrizacin de heridas, tratamientos de piedras en el rin, operacionesde vista, operaciones odontolgicas.

Industria: cortado, guiado de maquinaria y robots de fabricacin,mediciones de distancias precisas mediante lser.

Defensa: Guiado de misiles balsticos, alternativa al radar, cegando a lastropas enemigas. En el caso del Tactical High Energy Laser se estempezando a usar el lser como destructor de blancos.

Ingeniera civil: guiado de mquinas tuneladoras en tneles, diferentes

aplicaciones en la topografa como mediciones de distancias en lugaresinaccesibles o realizacin de un modelo digital del terreno (MDT). Arquitectura: catalogacin de patrimonio. Arqueolgico: documentacin. Investigacin: espectroscopia, interferometra lser, LIDAR,

distanciometra. Desarrollos en productos comerciales: impresoras lser, CD, ratones

pticos, lectores de cdigo de barras, punteros lser, termmetros,hologramas, aplicaciones en iluminacin de espectculos.

Tratamientos cosmticos y ciruga esttica: tratamientos de Acn,

celulitis, tratamiento de las estras, depilacin.

TRANSMISORES Y RECEPTORESPTICOS.En las comunicaciones a travs de fibras pticas los transmisores yreceptores pticos son los dispositivos encargados de tomar la sealelctrica en forma de voltaje o corriente y convertirla en una seal luminosacon el objetivo de transportar informacin a travs de la fibra.

Diodos LED

Son fuentes de luz con emisin espontnea o natural (no coherente), son diodossemiconductores de unin p-n que para emitir luz se polarizan directamente.


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En la figura anterior vemos la representacin caracterstica de potenciaptica- corriente de polarizacin.

Diodos LASER (LD)

Son fuentes de luz coherente de emisin estimulada con espejos semireflejantes formando una cavidad resonante, la cual sirve para realizar laretroalimentacin ptica, as como el elemento de selectividad (igual fase yfrecuencia).

La emisin del LD es siempre de perfil, estos tienen una corriente de umbraly a niveles de corriente arriba del umbral la luz emitida es coherente, y aniveles menores al umbral el LD emite luz incoherente como un LED.

La figura muestra una comparacin de los espectros emitidos por un LED yun LD.


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Receptor ptico

El propsito del receptor ptico es extraer la informacin contenida en unaportadora ptica que incide en el fotodetector.

El propsito del receptor ptico es extraer la informacin contenida en unaportadora ptica que incide en el fotodetector. En los sistemas de transmisinanalgica el receptor debe amplificar la salida del fotodetector y despusmodularla para obtener la informacin. En los sistemas de transmisin digital


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el receptor debe producir una secuencia de pulsos (unos y ceros) quecontienen la informacin del mensaje transmitido.

Fotodetector:

Convierte la potencia ptica incidente en corriente elctrica, esta corriente es

muy dbil por lo que debe amplificarse.

Las caractersticas principales que debe tener son:

Sensibilidad alta a la longitud de onda de operacin.

Contribucin mnima al ruido total del receptor.

Ancho de banda grande (respuesta rpida).

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