Estudiante Wladimir González, CI:27243678

1. Estudiante:
González Wladimir, CI: 27243678
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACION
UNIVERSITARIA, CIENCIAY TECNOLOGIA
I.U.P. “SANTIAGO MARIÑO”
EXTENSION-MATURIN
Fibra óptica en comunicaciones
Maturín, 20 de Junio de 2019
Profesor:
Cristóbal Espinoza

2. TransmisoresÓpticos
PRINCIPIO DE EMISIÓN DE LUZ Y
ESPECTRO DE EMISIÓN.
Desde el siglo XVII, época en
la cual Newton demostró que la luz
solar está formada de diversos
componentes de color que al
volver a combinarlos producen
la luz blanca, los físicos y químicos
ya habían estudiado las
características de los espectros de
emisión, es decir, los espectros
continuos o de líneas de radiación
emitida por las sustancias. Es posible observar un espectro
de emisión de una sustancia al "energizar" una muestra de
material mediante energía térmica o, bien, con alguna otra
forma de energía (tal como una descarga eléctrica de alto
voltaje si esa sustancia es gaseosa).
Los espectros de emisión de los sólidos calentados
tienen una característica común con el espectro solar:
ambos son continuos; esto es, todas las longitudes de onda
de la luz visible están representadas en estos espectros.
Por su parte, los espectros de emisión de los átomos en
fase gaseosa no muestran una distribución continua de
longitudes de onda del rojo al violeta; más bien, los átomos
producen líneas brillantes en distintas partes del espectro
visible. Estos espectros de líneas corresponden a la
emisión de la luz sólo a ciertas longitudes de onda.
Cada elemento tiene un espectro de emisión único.
Las líneas características de un espectro atómico se
emplean en el análisis químico para identificar átomos
desconocidos, de la misma forma en que las huellas
digitales sirven para identificar a una persona. Cuando las
líneas del espectro de emisión de un elemento conocido
coinciden exactamente con las líneas del espectro de
emisión de una muestra desconocida, es posible establecer
la identidad de esta muestra. Aunque ya se sabía que este
procedimiento sería útil en el análisis químico, el origen de
estas líneas se desconocía a principios del siglo XX.

3. Diodos emisores de
luz (LED)
Un LED o un diodo emisor de luz es un
dispositivo semiconductor que emite luz
debido al efecto electroluminiscente. Un LED
es básicamente un diodo de unión PN y
cuando se aplica voltaje al LED, los
electrones y los agujeros se recombinan en la
unión PN y liberan energía en forma de luz
(fotones).
El símbolo eléctrico de un LED es
similar al de un Diodo de unión PN.
La luz emitida por
un LED es
generalmente
monocromático, es
decir, de un solo color y
el color depende del
intervalo de banda de
energía del
semiconductor.
Los diodos emisores de luz pueden fabricarse
para emitir todas las longitudes de onda del
espectro visible, es decir, del rojo (620 nm a
750 nm) azul-violeta (380nm a 490nm).
Los diodos emisores de luz hoy en
día se encuentran en casi todas partes.
Se pueden encontrar LEDs en
automóviles, bicicletas, farolas,
iluminación del hogar, iluminación de
oficinas, teléfonos móviles, televisores y
muchos más.
Tomando como referencia un led que
comúnmente podemos encontrar o comprar en
cualquier tienda de electrónica, podemos
observar que consta de 10 partes.
Un ejemplo para determinar su
eficiencia es la emisión de calor que emiten,
se debe considerar que el calor es energía
que perdemos y lo que nosotros deseamos
en este caso es luz, por lo tanto entre menor
sea la energía que perdamos en forma de
calor y se aproveche en dar luz se consigue
un ahorro de energía.

4. Oscilador Laser
El oscilador láser es
esencialmente una cavidad
resonante operando a
frecuencias ópticas. El material
láser almacena energía por la
lámpara de excitación. Esta
energía vuelve al haz por
emisión estimulada con lo que
la energía de éste aumenta. La
cavidad óptica está limitada por
dos espejos extremos que
reflejan la radiación óptica a la
cavidad, realizándose así una
realimentación óptica. La
oscilación es mantenida de ida
y vuelta hasta que las pérdidas
son inferiores a las ganancias.
La lámpara de bombeo
invierte la población electrónica
en el material láser. El sistema
comienza a oscilar con el
disparo por cierta radiación
espontánea emitida a lo largo
del eje del láser. Esta radiación
es amplificada y una fracción
sale por el espejo parcialmente
reflector.
La parte reflejada es
amplificada otra vez por la
radiación estimulada al volver a
pasar por el material. Este
proceso se repetirá hasta que la
ganancia no doble pero iguale o
exceda a las perdidas.
En un resonador óptico,
tal como una cavidad láser, no
todas las frecuencias pueden
oscilar. Es exactamente el
mismo caso que aparece en
microondas. Pero hay una
diferencia esencial, que
mientras en estas la longitud de
longitud de onda de la radiación es
del mismo orden de magnitud que
la cavidad, en la cavidad láser las
dimensiones de esta son mucho
mayores que las de la radiación.
Ya que, para ondas ópticas, un
gran número de semilongitudes de
onda puede existir en la cavidad.
Un posterior
requerimiento para que
pueda existir un determinado
modo es que la ganancia
neta de la cavidad en la
longitud de onda resonante,
exceda a la unidad. Un
examen rápido de esta
condición resonante indicará
que otro modo, cerca del
primero, pero de longitud de
onda ligeramente inferior
pueda existir también.
Esto sería solo cierto para
superficies infinitas de los espejos.
Debido a sus dimensiones finitas,
ya, que tienen bordes aparecerán
perdidas por difracción, que
habrán de ser consideradas.
Debido a ellas, más las de
reflexión y absorción, unos modos
tendrán más ganancia que otros,
con lo que aparecen ventajas de
Modos en la
cavidad laser
unos sobre otros. Los más
desfavorecidos desaparecerán tras
unos cuantos pases por el medio
resonador mientras los otros serán
los que consigan ganancia.
Finalmente debemos hacer
notar que debido a las pequeñas
pérdidas por difracción, la mayor
parte de las pérdidas provendrán de
la reflectividad finita de los espejos .
Y con ello todos los modos de la
cavidad confocal tendrán el mismo.
En un láser, los modos
permitidos que podrán oscilar
dependerán de la c característica de
ganancia del medio láser en función
de la longitud de onda, que depende
a su vez de la anchura de línea de
fluorescencia de la transición láser.
Si los modos están separados, el
modo que este más próximo al
centro tendrá la ganancia mayor.
Cualquier modo que caiga fuera de
la línea de fluorescencia no oscilará
debido a su pequeña ganancia.

5. Fibra Monomodal
El cable de modo único
es un solo soporte de fibra de
vidrio con un diámetro de 8,3 a
10 micras que tiene un modo
de transmisión. Fibra
monomodo con un diámetro
relativamente estrecho, a
través del cual sólo un modo
se propagará típicamente 1310
o 1550nm. Los sinónimos son
monomodo de fibra óptica,
monomodo de fibra, guía
monomodo de onda óptica,
uni-modo de fibra.
Fibra Multimodal
La fibra monomodo le da una
velocidad de transmisión más alta y
hasta 50 veces más distancia que
multimodo, pero también cuesta
más. La fibra monomodo tiene un
núcleo mucho más pequeño que el
multimodo. El núcleo pequeño y la
única onda de luz prácticamente
eliminan cualquier distorsión que
podría resultar de los pulsos de luz
superpuestos, proporcionando la
menor atenuación de señal y las
velocidades de transmisión más
altas de cualquier tipo de cable de
fibra.
El cable multimodo está hecho
de fibras de vidrio, con diámetros
comunes en el rango de 50 a 100
micrones para el componente de
transporte ligero (el tamaño más
común es 62.5). POF es un nuevo
cable basado en plástico que
promete un rendimiento similar al
cable de vidrio en recorridos muy
cortos, pero a un costo menor.
La fibra multimodo le da un
alto ancho de banda a altas
velocidades en distancias medias.
Las ondas de luz se dispersan en
numerosos caminos, o modos, a
medida que viajan a través del
núcleo del cable, típicamente 850 o
1300 nm. datos poco clara e
incompleta.
Los diámetros típicos de
núcleo de fibra multimodo son 50,
62,5 y 100 micrómetros. Sin
embargo, en tramos de cable
largos (más de 3000 pies [914.4
ml], múltiples trayectorias de luz
pueden causar distorsión de la
señal en el extremo receptor, lo
que resulta en una transmisión de
Un láser reflector de Bragg
distribuido ( DBR ) es un tipo de
diodo láser de una sola
frecuencia. Otros tipos prácticos
Laser DBR
sintonizable
de diodos láser de una sola
frecuencia incluyen los láseres
DFB y los láseres de diodos de
cavidad externa. La estructura
láser DBR está fabricada con
características de superficie que
definen una guía de onda de
cresta monolítica de modo único.
que se ejecuta en toda la longitud del
dispositivo. Una cavidad resonante se
define por un espejo DBR altamente
reflectante en un extremo y una faceta
de salida escindida de baja
reflectividad en el otro extremo.
Dentro de la cavidad hay una parte de
la cresta de ganancia, donde se
inyecta la corriente para producir
un modo de láser espacial único.
El espejo DBR está diseñado
para reflejar un solo modo
longitudinal. Como resultado, el
láser opera en un solo modo
espacial y longitudinal

6. El rendimiento de la fibra óptica es el ancho de
banda, o la capacidad de transportar información de la
fibra y su velocidad se expresa en bits, las señales se
pueden enviar a distancia sin que un bit interfiera con el bit
anterior o posterior, el ancho de banda se expresa en MHz
por Km.
Para predecir mejor el ancho de banda de las fibras
multimodo convencionales cuando se utilizan con fuentes
de luz LED, la industria emplea un método llamado Ancho
de Banda en Desbordamiento, los LEDs producen una luz
uniforme de salida que llena por completo el núcleo de la
fibra óptica y utiliza todos sus modos de funcionamiento.
Los LEDs no se modulan rápido para transmitir los
mil millones o más de pulsos por segundo necesarios para
velocidades de datos Gbps. Una fuente de luz común para
soportar las velocidades de transmisión Gigabit en
aplicaciones de redes ópticas en edificios es la VCSEL
(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) a una longitud de
onda de 850 µm. A diferencia de un LED, la salida de luz
de un VCSEL no es uniforme, cambia de VCSEL a VCSEL
a través del extremo de la fibra óptica, como resultado, los
láseres no utilizan todos los modos en fibra multimodo
sino más bien un conjunto restringido de modos.
Rendimiento Óptico Longitud de onda espectral
Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética
del conjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto, el
espectro electromagnético o simplemente espectro es la radiación
electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de
absorción) una sustancia cualquiera, ya sea en la Tierra o en el espacio
estelar. En este sentido, el espectro sirve para identificar cualquier
sustancia. Es como una huella dactilar de un cuerpo cualquiera. Los
espectros se pueden observar mediante espectroscopios, con los cuales,
además, se pueden medir la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad
de la radiación. Las ondas electromagnéticas consisten en 2 ondas que
oscilan perpendicularmente la una de la otra. Una de las ondas es un
campo magnético que oscila; la otra, un campo eléctrico que oscila.

7. Detectores Ópticos
PRINCIPIO DE ABSORCIÓN OPTICA.
En 1913, Niels Bohr (1885-1962) propuso la estructura del átomo de hidrógeno, los
electrones se encuentran en las órbitas cuantificadas (modelo de Bohr). El electrón
externo viaje a una cierta distancia, en las capas de la piel de cebolla alrededor del
núcleo. Bohr muestra que este electrón puede hacer ciertos pasos de una capa
cuantificada a otra. Para que el electrón situado en la capa alta, salta en la capa interior,
necesita una energía igual a la diferencia de energía entre las dos capas cuantificadas. Si
las energías implicadas son moderados, sólo los electrones exteriores de la nube de
electrones son afectos. Un haz de luz es una onda que se propaga como un conjunto de
partículas que se conoce como fotones. La cantidad de energía transportada por la
energía del fotón se llama quanta de energía. Cuando el fotón llega al átomo, el átomo
absorbe el fotón y vamos a ver una línea de absorción.
El electrón que ha cambiado de capa no está en un estado estable y se verá a volver a
su capa original. Cuando el electrón vuelve a su capa original, un fotón es emitido, el
átomo pierde energía y vamos a ver una línea de emisión. El electrón es devuelto a su
capa original y recuperó su energía de estado fundamental transmitiendo la energía que
hubo recibido, igual a la diferencia de energía entre las dos capas cuantificados. Los
desplazamientos de los electrones de una capa a otra, harán hincapié en las líneas de
absorción y emisión espectral.
Luz, onda, partículas, energía y materia están vinculados en este fenómeno de absorción
y de emisión atómica. El átomo es el resultado de la interacción entre un núcleo y los
electrones, en otras palabras, se trata de un sistema enlazado de partículas que tiene
energía. Cuando no hay entrada de energía o pérdida de energía, la materia reacciona
absorbiendo o emitiendo una onda de luz.

8. Un Receptor Óptico se compone de un detector y de los
circuitos necesarios asociados que lo capaciten para funcionar
en un sistema de comunicaciones ópticas, transformando
señales de frecuencias ópticas a frecuencias inferiores.
Los receptores ópticos son dispositivos que transforman
las señales ópticas en señales eléctricas, en concreto es el
fotodetector el encargado de esta transformación. Una
configuración básica es el receptor de detección directa, el
fotodetector convierte el flujo de los fotones incidentes en un
flujo de electrones. Después esta corriente es amplificada y
procesada.
Receptor óptico con detección directa
Diagrama de bloques de
receptores de detección directa El fotodiodo PIN es el detector más importante utilizado en los
sistemas de comunicación óptica. Es relativamente fácil de fabricar,
altamente fiable, tiene bajo ruido y es compatible con circuitos
amplificadores de baja tensión. Además, es sensible a un gran ancho de
banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia. Unas zonas p y n
altamente conductivas junto a otra intrínseca poco conductiva, caracterizan
al diodo PIN. Los fotones entran a la zona intrínseca generando pares
electrón-hueco. El diodo se polariza inversamente con el fin de que las
cargas generadas en la zona intrínseca sean aceleradas por el campo
eléctrico presente.
Fotodiodo PIN

9. Fotodiodo de Avalancha
Los fotodiodos APD son 10 veces más sensibles que
los diodos PIN y requieren de menos amplificación
adicional. Su desventaja radica en los tiempos de transición
son muy largos y su vida útil es muy corta.
A diferencia de los diodos PIN los APD operan a
tensiones inversas lo suficientemente elevadas como para
que cuando los portadores sean en el campo eléctrico,
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.
Componentes de ruido del receptor
Hay 3 tipos principales de ruido en un fotodetector:
 Ruido cuántico o de impacto de la fotocorriente generada: este ruido
se debe a la llegada aleatoria de fotones al fotodetector y de esta
manera a la generación y colecta aleatoria de electrones.
 Ruido de impacto de la corriente de obscuridad: este es debido a los
pares electrón hueco que son generados térmicamente en la unión pn
del fotodiodo. En un APD estos son multiplicados por el mecanismo de
avalancha. En realidad, es achacable en parte a la radiación de fondo
(o sea, que no es del todo “oscura”).
 Ruido térmico o Johnson: Es debido a fluctuaciones espontáneas
derivadas de interacciones de tipo térmico. Es el típico ruido de una
resistencia eléctrica, producido por las vibraciones de los iones de la
red cristalina, y las oscilaciones de los electrones libres del medio.
Fotodiodo PIN
Fotodiodo APD

10. El parámetro más simple de caracterización de un detector
es su rendimiento cuántico o eficiencia cuántica. La eficiencia
cuántica, al igual que el coeficiente de absorción, depende de la
longitud de onda de la luz. Además, al relacionar dos cantidades
numéricas, no tiene en cuenta el rendimiento energético: si por
cada fotón incidente, cualquiera que sea su energía, se produce
un electrón, el rendimiento cuántico de conversión es la unidad.
En un fotodetector, la potencia óptica se transforma en
corriente (y no potencia) eléctrica; esta idea tiene una gran
importancia, como se verá posteriormente. Para incluir la
energíadel fotón se utiliza otro parámetro de caracterización,
llamado responsividad.
La Responsividad na medida de la eficiencia de conversión
de un fotodetector. Es la relación de corriente de salida de un
fotodiodo a la potencia óptica de entrada y su unidad de medida
es amperes/watts. La respuesta generalmente se da para una
longitud de onda o frecuencia especifica.
El tiempo de respuesta del receptor es el tiempo que
requiere un portador inducido con luz para viajar a través de la
región de agotamiento o vaciamiento. Este parámetro determina
la máxima razón de bit posible con un fotodiodo específico.
Sensibilidad y rendimiento
cuántico del receptor.Tiempo de
respuesta
Otro parámetro relevante para la caracterización de
fotodetectores es el Desempeño BER (Bit error rate) o Tasa de
error de bits. En realidad se trata de un parámetro del sistema,
pero condiciona grandemente el detector. En COPT se suele
utilizar como referencia un BER < 10–9, es decir, un bit erróneo
por cada Gb recibido.
Desempeño BER

11. Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor
normal, sólo que puede trabajar maneras diferentes:
– Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo
común)
– Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento
hace las veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).
Se pueden utilizar las dos en forma simultáneamente,
aunque este componente se utiliza principalmente con la patita de
la base sin conectar (IB = 0).
La corriente de base total es igual a corriente de base (modo
común) + corriente de base (por iluminación): IBT = IB + IP.
Si es necesario aumentar la sensibilidad de este transitor, debido a
la baja iluminación, se puede incrementar la corriente de base (IB), con
ayuda de polarización externa. El circuito equivalente es un transistor
común con un fotodiodo conectado entre la base y el colector, con el
cátodo del fotodiodo conectado al colector del transistor y el ánodo a la
base.
Este componente es muy utilizado en aplicaciones donde la
detección de iluminación es muy importante. Como el fotodiodo, tiene un
tiempo de respuesta muy corto, y si lo conectamos como se muestra en el
diagrama anterior, tenemos un semiconductor de rápida respuesta a la
iluminación y de gran capacidad de entrega de corriente.
En el gráfico anterior se puede ver el circuito equivalente. Se
observa que está compuesto por un fotodiodo y un transistor. La corriente
que entrega el fotodiodo y circula hacia la base del transistor se amplifica β
veces, y es la corriente que puede entregar el fototransistor. Esta corriente
es la corriente colector-emisor del transistor
Fototransistor

12. Tal y como su nombre lo indica, los Amplificadores
ópticos son aquellos que a través de un proceso pueden
amplificar una señal de entrada sin la necesidad de
transforma previamente en una señal eléctrica, estos son
usados en conjunto con los láseres para obtener la señal a
amplificar.
La única desventaja de los Amplificadores ópticos
es que la señal amplificada no posee en muchas ocasiones
una señal óptica coherente, sin embargo esto puede ser
resuelto fácilmente utilizando otros elementos externos al
amplificador.
Actualmente existen varias clases de amplificadores ópticos, sin
embargo todos recaen en 2 tipos los cuales son: Amplificadores de fibra
dopada con erbio (EDFA) y Amplificadores ópticos de semiconductor
(Semiconductor optical amplifier, SOA).
Amplificadores ópticos
Amplificadores de fibra dopada
Estos tipos de amplificadores usan lo que se conoce como fibra
dopada, este tipo de fibras posee compuestos de tierras de difícil
adquisición, como la mayoría de amplificadores se requiere de un bombeo
externo proveniente de un láser e onda continua a una frecuencia óptica
ligeramente superior a la que amplifican. Las longitudes de onda de
bombeo suelen entrar en un rango de 980 nm a 1480 nm (siendo estas las
más comunes). Para obtener mejores resultados con estos tipos de
amplificadores se recomienda realizarse el procedimiento en la misma
dirección que la señal.

13. Los amplificadores ópticos de semiconductor poseen un diseño y
estructura muy similar a los láseres Fabru-Perot, sin embargo la diferencia
radica en que estos optoacopladores poseen superficies antireflectantes
en sus extremos, esto es beneficioso ya que al poseer un recubrimiento de
ese material se evita que el amplificador se comporte como un láser.
Amplificadores ópticos de
semiconductores (SOA)
En su momento este amplificador llego para suplir a los
amplificadores EDFA, esto debido a su bajo costo, a su tamaño reducido, a
su tipo de bombeo y puede ser combinado con otros dispositivos para
añadirle nuevas características. Para alta potencia de salida, se utilizan
amplificadores ópticos con estructura cónica. El rango de longitud de onda
es de 633 nm a 1480 nm.
El amplificador óptico de semiconductor suele ser de un
tamaño reducido y el bombeo se implementa de forma eléctrica,
además el costo es mucho menor que un EDFA y puede ser
integrado con otros dispositivos (láseres, moduladores).
El nombre de este amplificador se da por que su proceso de
amplificar la señal óptica se rige en el efecto Raman, esata es una
gran diferencia con respecto a los amplificadores SOA y EDFAs,
debido a que los Raman basan su funcionamiento en la interacción
no lineal entre la señal óptica y la señal de bombeo.
Amplificadores de fibra Raman
Otra diferencia con respecto a los amplificadores SOA y
EDFAs, es que la señal de bombeo puede mandar de manera
lineal o contradireccional, en los amplificadores Raman es más
común el bombeo contradireccional puesto que esto evita la
amplificación de componentes no lineales.

14. Sea el amplificador del tipo que sea (discreto, monolítico, un simple
transistor) se puede utilizar el siguiente modelo:
Ruido en amplificadores
En es una fuente de ruido de voltaje, e In es una fuente de ruido de
corriente.
Normalmente los transistores bipolares tienen menos ruido de
voltaje y mayor ruido de corriente que los Jfet. Los mosfet tienen un ruido
de corriente ínfimo, pero un ruido de voltaje bastante elevado.
Ésto es un artificio para calcular luego todo el nivel de ruido de
manera más cómoda. Hay que recordar que el ruido se amplifica, y que
acada elemento aporta su parte de ruido, por lo que es mejor cuanto
menos halla, y en cuantas menos etapas se amplifique una señal.
Conviene comentar que el ruido de voltaje se divide por raíz de n,
siendo n el número de amplificadores colocados en paralelo. Como
contrapartido, el ruido de corriente se multiplica por raíz de n en ese
mismo caso.
Esto se deduce de las leyes de Kirchoff y del circuito
anterior, junto a la suma de densidades de ruido.