Fibra optica y transmisores opticos

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAREPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIOS DE PODER POPULAR PARA LAMINISTERIOS DE PODER POPULAR PARA LA
EDUCACIÓN SUPERIOR UNIVERSITARIA,EDUCACIÓN SUPERIOR UNIVERSITARIA,
CIENCIA Y TECNOLOGÍACIENCIA Y TECNOLOGÍA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICOINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”“SANTIAGO MARIÑO”
EXTENSIÓN MATURÍNEXTENSIÓN MATURÍN

LA FIBRA ÓPTICA , TRANSMISORES OPTICOSLA FIBRA ÓPTICA , TRANSMISORES OPTICOS
(ELECTIVA V)(ELECTIVA V)




Autor:Autor: Edgar ColmenaresEdgar Colmenares
C.I:C.I:1617454416174544
Maturín, Marzo de 2019Maturín, Marzo de 2019

La Fibra Óptica.La Fibra Óptica.

Geometría de la fibra óptica.
Una fibra óptica consiste en dos regiones concéntricas. La región interna es un Una fibra óptica consiste en dos regiones concéntricas. La región interna es un
filamento transparente llamado núcleo, cuyo diámetro suele estar comprendido entre 8 y 600 filamento transparente llamado núcleo, cuyo diámetro suele estar comprendido entre 8 y 600
micras dependiendo del tipo de fibra óptica, y su índice de refracción es superior a la región micras dependiendo del tipo de fibra óptica, y su índice de refracción es superior a la región
externa. La región exterior consiste de un revestimiento de cuarzo o plástico al igual que el externa. La región exterior consiste de un revestimiento de cuarzo o plástico al igual que el
núcleo. Resultando que la luz inyectada en un extremo de la fibra, dentro de un determinado núcleo. Resultando que la luz inyectada en un extremo de la fibra, dentro de un determinado
ángulo conocido como abertura numérica, es totalmente reflejada cada vez que incide en límite ángulo conocido como abertura numérica, es totalmente reflejada cada vez que incide en límite
del núcleo/revestimiento. La luz continua reflejándose múltiples veces a través de la fibra por esta del núcleo/revestimiento. La luz continua reflejándose múltiples veces a través de la fibra por esta
reflexión interna total, hasta que sale por el otro extremo (Figura ). reflexión interna total, hasta que sale por el otro extremo (Figura ).
Fig- Geometría de la fibra óptica: Apertura Numérica, Ángulo y Cono de Aceptancia.

PROPAGACION DE LA LUZ EN LA FIBRA OPTICA.
¿Cómo es posible que la luz viaje por dentro de un cable de fibra óptica? Que lo¿Cómo es posible que la luz viaje por dentro de un cable de fibra óptica? Que lo
haga tan rápido, sin interferencias y casi sin perder energía en decenas dehaga tan rápido, sin interferencias y casi sin perder energía en decenas de
kilómetros…kilómetros…
Pues los responsables son dos Pues los responsables son dos efectos ópticosefectos ópticos llamados refracción y reflexión. llamados refracción y reflexión.
importantes en el campo de la importantes en el campo de la fibra ópticafibra óptica, y es que sin ellos, no existiría la , y es que sin ellos, no existiría la
comunicación sobre este medio.comunicación sobre este medio.
Reflexión: una parte de los rayos
rebotan sobre el nuevo material y
salen reflejados o despedidos con
un ángulo igual al incidente.
Refracción: el resto de rayos se
transmiten hacia el interior del
material.
La luz reflejada y refractada

PROPAGACION PROPAGACION DE LA LUZ EN LA FIBRA OPTICA. LA LUZ EN LA FIBRA OPTICA.
¿Cuántos rayos se refractan o se reflejan? Pues depende del índice de¿Cuántos rayos se refractan o se reflejan? Pues depende del índice de
refracción del material.refracción del material.
El índice de refracción
Como podrás pensar, no todas las sustancias
disponen de la misma densidad, esto hace
que los índices de refracción de las ondas
electromagnéticas cambien. ¿Cuánto? La
relación entre la velocidad de propagación de
la luz en el espacio vacío y la de dentro de un
material, se denomina índice de refracción y
nos permite predecir qué grado de reflexión
habrá:
Donde:
•c: es la velocidad de la luz en el espacio libre
•v: es la velocidad de la luz en determinado
material
Algunos índices de refracción de sustancias
conocidas:
•Vacío: 1
•Aire: 1,0002926
•Agua: 1,3330
•Vidrio: 1,52
•Diamante: 2,43
•Silicio: 4,01

PROPAGACION DE LA LUZ EN LA FIBRA OPTICA.PROPAGACION DE LA LUZ EN LA FIBRA OPTICA.
Ángulo crítico y reflexión totalÁngulo crítico y reflexión total
Cuando la luz pasa de un material con mayor índice de refracción a un Cuando la luz pasa de un material con mayor índice de refracción a un
medio con menor índice, existe un medio con menor índice, existe un ángulo críticoángulo crítico en el que la onda refractada en el que la onda refractada
(verde en la imagen) tiene un ángulo de (verde en la imagen) tiene un ángulo de 90º90ºrespecto a la normal (línea negra respecto a la normal (línea negra
discontinua). Este es un punto límite, porque ni se produce reflexión ni se discontinua). Este es un punto límite, porque ni se produce reflexión ni se
produce refracción, la onda viajaría entre ambas superficies, sin salir de una, ni produce refracción, la onda viajaría entre ambas superficies, sin salir de una, ni
penetrar en la otra:penetrar en la otra:

PROPAGACION DE LA LUZ EN LA FIBRA OPTICA.PROPAGACION DE LA LUZ EN LA FIBRA OPTICA.
Si a partir de este punto crítico, seguimos incrementando el ángulo de Si a partir de este punto crítico, seguimos incrementando el ángulo de
incidencia, la onda rebota totalmente, en un fenómeno llamado incidencia, la onda rebota totalmente, en un fenómeno llamado reflexión totalreflexión total, ,
sin penetrar en el otro material:sin penetrar en el otro material:

OPTICA GEOMETRICAOPTICA GEOMETRICA
El estudio de las imágenes, producidas por refracción o por reflexión de la luz se El estudio de las imágenes, producidas por refracción o por reflexión de la luz se
llama óptica geométrica. La óptica geométrica se ocupa de las trayectorias de los rayos llama óptica geométrica. La óptica geométrica se ocupa de las trayectorias de los rayos
luminosos, despreciando los efectos de la luz como movimiento ondulatorio, como las luminosos, despreciando los efectos de la luz como movimiento ondulatorio, como las
interferencias. Estos efectos se pueden despreciar cuando el tamaño la longitud de onda interferencias. Estos efectos se pueden despreciar cuando el tamaño la longitud de onda
es muy pequeña en comparación de los objetos que la luz encuentra a su paso.es muy pequeña en comparación de los objetos que la luz encuentra a su paso.
Para estudiar la posición de una imagen con respecto a un objeto se utilizan las siguientes Para estudiar la posición de una imagen con respecto a un objeto se utilizan las siguientes
definiciones:definiciones:
•Eje óptico. Eje de abscisas perpendicular al
plano refractor. El sentido positivo se toma
a la derecha al plano refractor, que es el
sentido de avance de la luz.
•Espacio objeto. Espacio que queda a la
izquierda del dioptrio.
•Espacio imagen. Espacio que queda a la
derecha del dioptrio.

OPTICA ONDULATORIAOPTICA ONDULATORIA
   Principio de Huyghens–Fresnel. Dentro del modelo ondulatorio de la propagación Principio de Huyghens–Fresnel. Dentro del modelo ondulatorio de la propagación
de la luz, es, a su vez, un modelo que permite analizar muchos fenómenos ondulatorios en de la luz, es, a su vez, un modelo que permite analizar muchos fenómenos ondulatorios en
forma muy sencilla. Durante la propagación de la luz, cada punto de un frente de onda se forma muy sencilla. Durante la propagación de la luz, cada punto de un frente de onda se
comporta como un emisor de ondas esféricas secundarias.  comporta como un emisor de ondas esféricas secundarias.
A partir del principio de Huygens puede demostrarse la ley de la
refracción. Supongamos que un frente de onda avanza hacia la superficie refractante
que separados tomando los rayos normales a los frentes de onda  se deduce  la
siguiente ecuación:

TIPOS DE FIBRA Y CABLES OPTICOSTIPOS DE FIBRA Y CABLES OPTICOS
El núcleo tiene un diámetro más grande, de forma que
múltiples rayos de luz pueden propagarse con diferentes
trayectorias y velocidades.
Fibra Óptica Multimodo

También llamadas unimodo o unimodales. El núcleo es tan
pequeño como para que la luz sólo pueda seguir una única
trayectoria (modo) de propagación.
Fibra Óptica Monomodo

Pues que la luz siempre estaría pasando de un material menos
denso a otro más denso y los rayos se refractarían en forma constante,
en una especie de trayectorias curvas:
Fibras de índice graduado

La reflexión total es la base de la comunicación de las fibras ópticas
de índices escalonados. En ellas se dispone un núcleo de vidrio y un aislante
que lo recubre, los índices de refracción de ambos están diseñados para producir
una reflexión total de los rayos de luz, de forma que las ondas son contenidas en
el cable y viajan a largas distancias:
Fibras de índice escalonado

Cable libre de gel, hasta 12 fibras
Algunos tipos de cables de fibra óptica para ser utilizados en
instalaciones que combinan tramos interiores con tramos exteriores.
Cable no armado con tubo holgado
multifibra

Cable armado con fibra de vidrio y con tubo holgado,
hasta 24 fibras
Cable TWINTUBE armado con fibra de vidrio y con tubo holgado,
hasta 24 fibras

Características de las fibras ópticas:Características de las fibras ópticas:
Representa las Pérdidas de Potencia luminosa por unidad de
longitud y están expresadas en dB/km, a partir de la relación:
a = (10/L) log (Po/ PL)
Donde:
a es el coeficiente de atenuación.
L = la longitud de la fibra en kilómetros.
Po = la potencia luminosa de entrada a la fibra.
PL = la potencia luminosa de salida de la fibra.
Atenuación:

Representa el ensanchamiento y la distorsión de los pulsos transmitidos.
Haciéndose indistinguibles para el fotoreceptor. La dispersión es función de la
longitud de fibra; cuando mayor sea su longitud mayor será su efecto. Afecta el
ancho de banda del sistema y por ende a la velocidad (bits/seg) y a la capacidad
de transmisión (Número de canales a transmitir).
Dispersión:

Entre los efectos no lineales: Modulación de Fase Inducida (SPM Self Phase
Modulation), Modulación de Fase Cruzada (CPM Cross Phase Modulation), Mezcla
de Cuarta Onda (FWM Four WaveMixing), Dispersión Estimulada de Raman (SRS
Stimulated Raman Scattering) y Dispersión Estimulada de Brillouin (SBS
Stimulated Brillouin Scattering).
Modulación de Fase Inducida (SPM): Se presenta debido a que el índice de
refracción de la fibra tiene un componente que depende de la intensidad de la
señal; este índice de refracción no lineal induce un desplazamiento de fase que es
proporcional a la intensidad del pulso.
Modulación de Fase Cruzada (XPM): Se genera cuando dos o más canales
ópticos son transmitidos simultáneamente a través de la fibra óptica, usando la
técnica de WDM, debido a que el índice de refracción efectivo, para una onda
incidente, no solo depende de la intensidad de esa onda, sino también de la
intensidad de cualquier otra onda que se copropague a través del canal, debido a
la interacción entre ellas.

Mezcla de Cuarta Onda (FWM): Cuando dos o más señales ópticas de
frecuencias centrales diferentes (diferentes Canales WDM) se propagan en una
fibra, se puede dar una mezcla de señales que puede generar nuevos
componentes de interferencia de la señal óptica; esto debido a la dependencia del
índice de refracción de la fibra con la potencia de la señal, lo que causa un medio
no lineal de propagación y crea Coincidencia de Fase.
Dispersión Estimulada de Raman (SRS): La dispersión estimulada de Raman
genera transferencia de energía de los canales de mayor frecuencia a los canales
de menor frecuencia;
Dispersión Estimulada de Brillouin (SBS): La dispersión estimulada de
Brillouin puede ocurrir a menores niveles de potencia de entrada que los
necesarios para que se presente la dispersión estimulada de Raman. Se presenta
por la generación de una onda llamada onda de Stokes, que se propaga en
dirección opuesta a la dirección de propagación de la onda incidente y tiene una
frecuencia menor a la de la luz incidente.

Transmisores Ópticos.Transmisores Ópticos.

Principio de emisión deemisión de luz. Espectros de emisión.. Espectros de emisión.
La luz está formada por un conjunto de ondas electromagnéticas que son
detectadas por el sistema de visión humana. Cubren la parte del espectro electromagnético
que se extiende desde 380 nm (violeta) hasta 740 nm (rojo). Para detectar la luz nuestros ojos
tienen una células sensibles a estas radiaciones denominadas conos: conos S con un máximo
de sensibilidad en el azul (430 nm), conos M con un máximo en el verde (530 nm) y conos L
con un máximo en el rojo (560 nm). También disponen de unas células fotosensibles
denominadas bastones con un máximo de sensibilidad en 510 nm y que sirven para ver en
condiciones de muy poca intensidad de luz.

Principio de emisión deemisión de luz. Espectros de emisión.. Espectros de emisión.
400.000 ac: el hombre ya controla el fuego (cuevas prehistóricas Peking)
13.000 ac: lámparas primitivas con musgo y grasa animal (cuevas de Lascaux, Francia)
4500 ac: lámparas de aceite (de cerámica en el periodo calcolítico)
900: El persa Zakariya Razy inventa la lámpara de keroseno
1792: W. Murdoch experimenta con lámparas de gas
1800: Volta inventa la batería. La primera tecnología de iluminación eléctrica se desarrolló
durante el siglo XIX en base a lámparas de arco eléctrico y lámparas incandescentes usando
baterias de Volta.
1880: Thomas Edison obtuvo una patente de lámpara incandescente, mejorando inventos
previos de Humphry Davy, 1809, y otros. Era de 16 W y duraba 1500 horas. Independientemente,
se desarrollaron lámparas incandescentes en Alemania, Goebel, 1855 y Rusia, Lodygin 1874.
 1926: Edmun Germer obtiene la patente del tubo fluorescente, mejorando inventos previos sobre
esta tecnología (Geissler, 1856, Tesla 1893, Moore, 1894, Hewitt,1901).
1962: Nick Holonyak crea el primer LED visible. 1995: Shuji Nakamura inventa el LED azul y
empieza la iluminación con LEDs.
Hitos en el Desarrollo de las Tecnología de las Fuentes de Luz

El diodo emisor de luz o LED es uno de los dispositivos fotónicos más sencillos y tiene
importantes aplicaciones tanto para visualización como para generar señales ópticas en
comunicaciones. Comparado con el diodo láser (LD) su fabricación es mucho más sencilla pues no
requiere una cavidad óptica especial para su funcionamiento. Aunque sus desventajas son una baja
señal óptica, un espectro muy ancho y de luz no coherente y una respuesta bastante lenta.
La simplicidad del LED lo hace muy atractivo como componente para la visualización y las
aplicaciones de comunicación. El LED puede operar hasta frecuencias de modulación de 1GHz. La
anchura espectral de la señal óptica de un LED es del orden de kBT lo que se traduce en un margen
de longitudes de onda entre 200Å -300Å a temperatura ambiente. Aunque esto es un espectro
bastante amplio, para el ojo humano representa un solo color. Como aplicación reciente cabe destacar
la utilización de LEDs como luces traseras en vehículos y en semáforos.
Diodos emisores de luz (LED).

Modos en la cavidad láser.Modos en la cavidad láser.
a) Reproducción de los modos transversales en la cavidad óptica.
b) Frentes de onda en la cavidad óptica.
c) Cuatro modos transversales de orden bajo en la cavidad transversa:
los modos y sus campos.
d) Modelos de Intensidad en los modos de c).

El oscilador láser:El oscilador láser:
Un láser (de la sigla inglesa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,
amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) es un dispositivo que utiliza un efecto de la
mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente tanto espacial
como temporalmente. La coherencia espacial se corresponde con la capacidad de un haz para permanecer
con un pequeño tamaño al transmitirse por el vacío en largas distancias y la coherencia temporal se
relaciona con la capacidad para concentrar la emisión en un rango espectral muy estrecho.
Es decir, es un dispositivo que emite luz (radiación electromagnética) a través de un proceso
conocido como emisión estimulada. El término láser es un acrónimo para la amplificación de luz por
emisión estimulada de radiación. La luz láser es generalmente coherente, lo que significa que la luz es
emitida en un estrecho de baja divergencia del haz, o se puede convertir en una con la ayuda de
componentes ópticos tales como lentes.

Láseres monomodo y multimodo, láser DBR sintonizable.Láseres monomodo y multimodo, láser DBR sintonizable.
Los láser de Fabry-Perot presentan una serie de desventajas, pues aunque
se diseñen para que sólo un único modo longitudinal verifique la condición de ganancia
umbral, en la práctica existen varios modos cuya ganancia es ligeramente inferior a la
umbral en ausencia de modulación, de forma que al modular el láser adquieren
ganancia suficiente para emitir radiación estimulada.
Láser monomodo
Tipos de Láseres monomodo
Láser de cavidad cortada y acoplada (C3)
Láser de realimentación distribuida (DFB)
Láser de pozos cuánticos (SQW)
Láser de emisión superficial (SELDs )
Láser de cavidad vertical (VCSEL)

Tipos de Láseres monomodoTipos de Láseres monomodo
Un láser de este tipo consiste básicamente en dos láseres Fabry-
Perot independientes acoplados ópticamente entre sí, de forma que su
separación es de unas 5 μm.
Láser de cavidad cortada y acoplada (C3)Láser de cavidad cortada y acoplada (C3)

El láser DFB, acrónimo de la denominación anglosajona Distributed
FeedBack laser, se obtiene al incorporar una red de difracción de Bragg a la zona
activa del dispositivo:
a)Estructura de realimentación distribuida (DFB).
b)Salida de la emisión umbral ideal.
c) Salida típica espectral de un Láser DFB.
Láser de realimentación distribuida (DFB)

Si los pozos cuánticos se colocan en una unión pn de un diodo
láser, permiten concentrar en capas muy finas los electrones y huecos,
consiguiendo una eficaz recombinación de éstos que disminuye
considerablemente la intensidad umbral.
Láser de pozos cuánticos (SQW)

Uno de los problemas de los SQW es que a causa de tener una
región activa tan estrecha el confinamiento óptico es muy pobre, lo que da
lugar a altas pérdidas y a la negación de las ventajas potenciales de una
corriente umbral baja. Para reducir estos problemas se usa el láser de
múltiples pozos cuánticos ó MQW
Láser de pozos cuánticos múltiples (MQW)Láser de pozos cuánticos múltiples (MQW)

La cavidad resonante está colocada perpendicularmente al plano
de la capa activa. La luz resonará entre los espejos situados en la parte
superior e inferior con lo que los fotones sólo pasarán a través de una
muy pequeña longitud de la capa activa
Láser de cavidad vertical (VCSEL)Láser de cavidad vertical (VCSEL)

El láser DBR, acrónimo de Distributed Bragg Reflector laser, es similar al
láser de Fabry- Perot, con la diferencia de que incorpora espejos selectivos en
frecuencia implementados por medio de reflectores Bragg a ambos lados de la
cavidad. Dichos reflectores seleccionarán una de entre las frecuencias de
oscilación de la cavidad activa.
Láser DBR sintonizable
El láser DBR, acrónimo de Distributed Bragg Reflector laser, es similar al
láser de Fabry- Perot, con la diferencia de que incorpora espejos selectivos en
frecuencia implementados por medio de reflectores Bragg a ambos lados de la
cavidad. Dichos reflectores seleccionarán una de entre las frecuencias de
oscilación de la cavidad activa.

Bloque de alimentación RF.Bloque de alimentación RF.
La Fig. muestra una fotografía y un esquema de las conexiones del diodo láser a
la alimentación en corriente. Los pins del diodo láser fueron soldados a un conector SMA,
para conectarlo a la salida de un Bias-T modelo ZX85-12G+ de Mini-Circuits electronics. El
Bias-T permite combinar una señal modulada en alta frecuencia (RF) con la señal de
corriente continua (DC), requerida para que funcione el VCSEL. Si en el Bias-T no se
conecta la entrada RF, a la salida se obtiene una señal DC. Si se conecta la entrada RF, la
salida es la señal modulada RF+DC. La entrada DC del Bias-T es la señal de salida de la
fuente de corriente, que llega al conector D-SUB 9 ubicado en la tapa posterior del soporte
del láser.

Rendimiento óptico,Rendimiento óptico,
Los láseres se atacan en corriente directa, como los LEDs. Su curva característica
potencia óptica – corriente no es lineal, sin embargo. Un LD típico muestra a bajas corrientes
un comportamiento lineal, aunque con poca eficiencia de conversión. Por encima de una
corriente umbral, se produce un brusco aumento de la potencia emitida. Este aumento se da
cuando el dispositivo comienza a tener ganancia óptica, es decir, cuando empieza a
comportarse como láser (hasta ese momento, su comportamiento era el de un LED.
El consumo de potencia eléctrica, es más elevado que en los LED, pero
aún así es moderado. La eficiencia de potencia, esto es, la potencia óptica
entregada, entre la potencia consumida, suele rondar el 50%. Se pueden integrar
con relativa facilidad.

Tiempo de respuesta.Tiempo de respuesta.
La salida óptica del diodo láser debe ser modulada para que sea útil para
transmitir información. La forma más inmediata de hacerlo es la modulación directa
en la que se modula la corriente que circula por el diodo láser. Dependiendo de la
aplicación, podemos subdividir la modulación en tres grandes categorías
Fig. Tres diferentes categorías de modulación empleadas para modulación directa en
láseres.

Longitud de onda espectral.Longitud de onda espectral.
• Es la suma de tres fenómenos:
Emisión espontánea original
Curva de ganancia en un rango más pequeño
 λ’s que sobreviven en la cavidad
Espectro de un diodo láser FP
• El término “coherencia” está relacionado con la
anchura espectral
• Valores típicos: σλ = 1 .. 3nm

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