Unidad 6Comunicaciones ópticas

1. Unidad 6
Comunicaciones ópticas
Alumnos:

2. 6.1 Principio de óptica

3. La óptica es una disciplina científica derivada
de la física, encargada del estudio de la luz y
sus distintos fenómenos que son de gran
interés para la física.

4. Alexander Graham Bell, en 1880, experimentó
con un aparato al que llamo fotófono.

5. El fotófono era un dispositivo formado con
espejos y detectores de selenio, que transmitía
ondas sonoras sobre un rayo de luz.

6. Hasta principios de la década de 1950 que se
hicieron avances sustanciales en el campo de las
fibras ópticas.
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.

7. A mediados de la década de 1990, las redes
ópticas para voz y datos era lugar común en
Estados Unidos y en gran parte del mundo.

8. 6.2 Sistemas de comunicaciones ópticas

9. Un sistema de comunicaciones ópticas está constituido
fundamentalmente por un transmisor óptico, un canal de transmisión
de fibra óptica y un receptor. Si el sistema es utilizado para comunicar
puntos separados por grandes distancias, es necesario incluir
repetidores de señal, dependiendo de las pérdidas en el canal a lo largo
de la distancia de enlace.

12. El desarrollo de sistemas de comunicaciones ópticas de alta velocidad puede
explicarse por la evolución de cuatro generaciones de tecnología.
La primera generación entró en operación a mediados de la década de los
70, utilizaba fibras ópticas multimodo y operaba con luz en longitudes de
onda alrededor de 0.85 μm.
La segunda generación entró en operación alrededor de 1982 y continúa
funcionando, ésta utiliza longitudes de onda de 1.3 μm. Este cambio
permitió una distancia de transmisión más grande, y por tanto, la
eliminación de muchos repetidores en el trayecto de la señal. Estos sistemas
operan con fibras ópticas monomodo.

13. La tercera generación, está disponible desde 1985, también utiliza
fibras ópticas monomodo, sólo que a longitudes de onda cercana a
1.55 μm. La atenuación en las fibras de silicio es mínima a esa longitud
de onda.
La cuarta generación utiliza técnicas ópticas coherentes. Todas estas
generación para mejorar su rendimiento, técnicas de multicanalización
y componentes en tecnología de óptica integrada.

14. Arquitectura de las comunicaciones ópticas
Los sistemas de comunicaciones se describen brevemente como:
• Analógicos
• Digitales

15. Sistemas Analógicos
La señal de entrada es una función continua del tiempo y puede ser de
audio, video o variaciones continúas de algún proceso físico (presión,
temperatura etc.). Las señales de audio y video generalmente modulan
una portadora de RF en amplitud (AM), frecuencia (FM) o fase (PM).

17. Sistemas digitales
La fuente de información debe estar en algún formato de señal digital, NRZ, RZ,
HDB etc.
Las señales digitales se obtienen mediante el muestreo, cuantificación y
codificación de señales analógicas, o bien, son señales de naturaleza discreta, como
los datos de computadora.

19. 6.3 Fibras ópticas

20. ¿QUÉ ES?
Es un medio de transmisión,
empleado habitualmente en redes de datos,
consistente en un hilo muy fino de material
transparente, vidrio o materiales plásticos,
por el que se envían pulsos de luz que
representan los datos a transmitir.

21. Ventajas
• Una banda de paso muy ancha, lo que permite flujos muy elevados (del orden del Ghz).
• Pequeño tamaño, por lo tanto ocupa poco espacio.
• Gran flexibilidad, el radio de curvatura puede ser inferior a 1 cm, lo que facilita la instalación enormemente.
• Gran ligereza, el peso es del orden de algunos gramos por kilómetro, lo que resulta unas nueve
veces menos que el de un cable convencional.
• Inmunidad total a las perturbaciones de origen electromagnético, lo que implica una calidad de transmisión
muy buena, ya que la señal es inmune a las tormentas, chisporroteo...
• Gran seguridad: la intrusión en una fibra óptica es fácilmente detectable por el debilitamiento de la energía
lumínica en recepción, además, no radia nada, lo que es particularmente interesante para aplicaciones
que requieren alto nivel de confidencialidad.

22. Desventajas
• La alta fragilidad de las fibras.
• Necesidad de usar transmisores y receptores más costosos.
• Los empalmes entre fibras son difíciles 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 conversión.

23. Un poco de historia
El 22 de abril de 1977, General Telephone and Electronics envió la primera transmisión
telefónica a través de fibra óptica, en 6 Mbit/s, en Long Beach, California.
En 1980, las mejores fibras eran tan transparentes que una señal podía atravesar 240 kilómetros
de fibra antes de debilitarse hasta ser indetectable. Y en ese mismo año AT&T presentó a la
Comisión Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos un proyecto de un sistema de 978 kilómetros
que conectaría las principales ciudades del corredor que iba de Boston a Washington D. C.
Fue así como la fibra óptica fue incursionando en las telecomunicaciones y atribuyéndose mayor
auge hasta llegar a ser utilizada con un medio de propagación del internet.

24. Su uso es muy variado: desde comunicaciones digitales, pasando por sensores y llegando a usos decorativos,
como árboles de Navidad, veladores y otros elementos similares.
Partiendo de que la fibra óptica transmite luz, todas las aplicaciones que se basan
en la luminosidad (bien sea por falta de esta, por difícil acceso, con fines
decorativos o búsqueda de precisión) tiene cabida este campo.
Campos tales como las telecomunicaciones, medicina, arqueología,
prácticas militares, mecánica y vigilancia se benefician de las
cualidades de este herramienta óptica.
Aplicaciones

25. Las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores para medir: deformación, temperatura, presión, humedad,
campos eléctricos y magnéticos, gases, vibraciones y otros parámetros. Su tamaño pequeño y el hecho de que
por ellas no circula corriente eléctrica les dan ciertas ventajas respecto a los sensores eléctricos.
Las fibras ópticas se utilizan como hidrófono para los sismos o aplicaciones de sonar.
Sensores de fibra óptica

26. Los sistemas sensores fotónicos por fibra óptica
tienen o pueden tener cuatro partes fundamentales:
• El sensor o transductor.
• El interrogador, que emite y recibe la señal óptica.
• El cable óptico.
• Acopladores, multiplexores, amplificadores o conmutadores ópticos(opcional).

27. Tipos de fibra óptica
Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior
de una fibra se denominan modos de propagación. Y según el modo de
propagación tendremos dos tipos de fibra óptica: multimodo y
monomodo.

28. Multimodo
Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de
un modo o camino.
Esto supone que no llegan todos a la vez. Una fibra multimodo puede tener más de mil
modos de propagación de luz.
Las fibras multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia (-450m).
Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra
multimodo:
• Índice escalonado: en este tipo de fibra, el núcleo tiene un índice de refracción
constante en toda la sección cilíndrica, tiene alta dispersión modal.
• Índice gradual: mientras en este tipo, el índice de refracción no es constante, tiene
menor dispersión modal y el núcleo se constituye de distintos materiales.

29. • Además, según el sistema ISO 11801 para clasificación de fibras multimodo
según su ancho de banda se incluye el +pichar (multimodo sobre láser) a
los ya existentes OM1 y OM2 (multimodo sobre LED).
• OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan
LED como emisores
• OM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan
LED como emisores
• OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet (300 m), usan
láser (VCSEL) como emisores.

30. Multimodo

31. Monomodo
Una fibra monomodo es en la que sólo se propaga un modo de luz.
Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño
(8,3 a 10 micrones) que sólo permite un modo de propagación. Su
transmisión es paralela al eje de la fibra.
A diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten
alcanzar grandes distancias (+450 m hasta 400 km máximo, mediante
un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información
(decenas de Gbit/s).

32. Micras
El micrómetro, micrón o micra es una unidad de longitud equivalente a
una milésima parte de un milímetro. Su símbolo es µm. Su nombre
proviene del griego μικρός (micrós), neutro de μικρόν (micrón):
pequeño.

33. 6.4 Láser

34. LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,
amplificación de luz por emisión estimulada de radiación.
Es un dispositivo que emite luz (radiación electromagnética)
a través de un proceso conocido como emisión estimulada.

35. El primer láser fue demostrado el 16 de mayo
de 1960 mas su primera aplicación en la vida
cotidiana de la población en general fue en el
supermercado de código de barras escáner,
introducido en 1974.

36. Un láser típico consta de tres elementos básicos de
operación
• Cavidad láser
• Medio activo
• Bombeo

37. Cavidad laser
Existe en la gran mayoría de los dispositivos láser y sirve para
mantener la luz circulando a través del medio activo el mayor
número de veces posible.

38. Medio activo
El medio activo es donde ocurren los procesos de excitación
(electrónica o de estados vibracionales) mediante bombeo de
energía, emisión espontánea y emisión estimulada de
radiación.

39. Bombeo
Para que el medio activo pueda amplificar la
radiación, es necesario excitar sus niveles
electrónicos o vibracionales de alguna manera.

41. Aplicaciones
• Productos Comercialess
(cd’s, dvd’s, ratones ópticos, impresoras láser, etc)
• Medicina
(capaz de cortar tejidos, se utiliza en cirugías, cicatrización, etc)
• Tecnología militar
(se utilizaba para guiar misiles, aviónes, etc)

42. 6.5 transmisores y receptores ópticos

43. Transmisor
Dispositivo capaz de convertir la señal eléctrica en señal óptica y en enviarla
hacia la fibra óptica.
Utiliza señales portadoras de altas frecuencias (sistemas de ondas luminosas)
Alrededor de 200 THz. Y su ancho de banda de la onda moduladora puede ser
un muy pequeño porcentaje de la frecuencia de la onda portadora.
La fibra óptica es usada como línea de transmisión.

44. TRANSMISIÓN

45. TRANSCEPTORES (Small form-factor pluggable)
• Transmisor y Receptor en un solo módulo.
• Sirve de interfaz entre un equipo de comunicación(switch, router,
conversor de medios) y un enlace por fibra óptica.

46. LASER
1.Radiación
electromagnética.
2.Emisión estimulada
3.Luz coherente.
4.Mas rápido
5.Potencia de salida
mayor modulación a
altas velocidades, GHz.

48. LEDS - LIGHT-EMITTING DIODES
1. Proporcionan un ancho de
banda de hasta 10 Gbps a
través de longitudes de
enlace de hasta 550 m.
2. Velocidad de 10 a 100
Mbit/s.
3. Potencia de entrada menor
que 10 dBm.
4. Mayor tiempo de vida
5. Emisión incoherente

50. Receptor Óptico
Convierte la señal óptica proveniente de la fibra óptica en la
señal eléctrica original.
Consiste en:
• Acoplador, fotodetector y un demodulador.

53. 6.6 Comunicación por infrarrojo

54. Introducción
Los enlaces infrarrojos se encuentran
limitados por el espacio y los
obstáculos. la longitud de onda de
los rayos infrarrojos es muy pequeña
(850-900 nm)

55. La única manera de que las señales infrarrojas se pudieran captar sin
permiso, es a través de las ventanas, pero si estas se cubren con
persianas o cortinas se evitaría tal situación de inseguridad, sin la
necesidad de los complicados algoritmos de cifrado utilizados en los
sistemas de RF

56. Clasificación de los sistemas infrarrojos
El primer criterio es el grado de direccionalidad del transmisor y del
receptor, así podemos encontrar enlaces dirigidos y enlaces no
dirigidos.

57. Los enlaces dirigidos
Emplean transmisores y receptores altamente
direccionales, los cuales deben apuntar uno al
otro o hacia un área común (generalmente en
el techo) para establecer el enlace.

58. Enlaces no dirigidos
En ellos se emplean transmisores y receptores de gran
ángulo, disminuyendo así la necesidad de tal apuntamiento.
En los enlaces directos se maximiza la eficiencia de potencia,
ya que esta se dirige en un rango muy pequeño de
direcciones, y por lo mismo se minimizan las pérdidas de
propagación y la recepción de ruido causado por la luz
ambiental. Al ser mínima la necesidad de apuntamiento, en
un enlace no dirigido se facilita su reconfiguración.

59. Sistemas IR punto a punto
En un enlace punto a punto, el transmisor concentra su
potencia en una pequeña región del espacio, por lo cual, para
una potencia dada, este sistema es el que mayor distancia
puede alcanzar.
De una manera parecida, el receptor capta luz infrarroja solo
de una pequeña región del espacio, produciéndose así un
mínimo de distorsión por multitrayectorias y de ruido causado
por las fuentes de luz ambiental.

60. Sistema IR casi -difuso
En el modo casi-difuso, el tipo de emisión es radial; esto es, la emisión
se produce en todas direcciones, al contrario que en el modo punto a
punto. Para conseguir esto, lo que se hace es transmitir hacia distintas
superficies reflectantes, las cuales redirigirán el haz de luz hacia la/s
estación/es receptora/s. De esta forma, se rompe la limitación
impuesta en el modo punto a punto de la direccionalidad del enlace. En
función de cómo sea esta superficie reflectante, podemos distinguir
dos tipos de reflexión: pasiva y activa.

61. En función de cómo sea esta superficie reflectante, podemos distinguir
dos tipos de reflexión: pasiva y activa.
En la reflexión pasiva, la superficie reflectante simplemente refleja la
señal, debido a las cualidades reflexivas del material.
En la reflexión activa, por el contrario, el medio reflectante no sólo
refleja la señal, sino que además la amplifica. En este caso, el medio
reflectante se conoce como satélite.
Destacar que, mientras la reflexión pasiva es más flexible y barata,
requiere de una mayor potencia de emisión por parte de las estaciones,
debido al hecho de no contar con etapa repetidora.

62. Sistemas IR difusos.
Los sistemas IR difusos son los más fáciles de utilizar y
también los más robustos, no se requiere apuntar tanto
al transmisor como al receptor, ni se requiere que haya
línea de vista entre estos.