PRESENTACIÓN CONCERNIENTE A LAS FIBRAS ÓPTICAS Y TRANSMISORES ÓPTICOS

1. Republica Bolivariana de Venezuela.
Ministerio del Poder Popular Para La Educación
Universitaria, Ciencia y Tecnología.
Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño”.
Maturín, Estado Monagas.
Autor:
Amaiz, Luis
.
Tutor: Ing. Cristóbal Mendoza
Maturín, Febrero 2019.

2. Introducción
En esencia, un sistema óptico de comunicaciones es un sistema electrónico
de comunicaciones que usa luz como portador de información. Sin embargo,
es difícil e impráctico propagar ondas luminosas por la atmosfera terrestre.
En consecuencia, los sistemas de comunicaciones con fibra óptica usan fibras
de vidrio o de plástico para “contener” las ondas luminosas y guiarlas en una
forma similar a como las ondas electromagnéticas son guiadas en una guía
de ondas. La optoelectrónica es la rama de la electrónica que estudia la
transmisión de luz a través de fibras ultra puras, que se suelen fabricar con
vidrio o con plástico.
La capacidad de conducción de información de un sistema electrónico de
comunicaciones es directamente proporcional a su amplitud de banda. Para
fines de comparación, se acostumbra a expresar el ancho de banda de un
sistema analógico de comunicaciones como un porcentaje de la frecuencia
de su portadora. A esto se le llama a veces relación de utilización del ancho
de banda.

3. Geometría De La Fibra Óptica
El esfuerzo total de frecuencias electromagnéticas se muestra en la siguiente
figura:
Se puede ver que ese espectro de frecuencias va desde las subsónicas (unos
cuantos Hertz) hasta los rayos cósmicos (1022Hz). El espectro de frecuencias
luminosas se puede dividir en tres bandas generales:
1. Infrarrojo: banda de longitudes de onda de luz demasiado grandes para que
las vea el ojo humano.
2. Visible: banda de longitudes de onda de luz a las que responde el ojo
humano.
3. Ultravioleta: banda de longitudes de onda de luz que son demasiados
cortas para que las vea el ojo humano.
Cuando se manejan ondas electromagnéticas de mayor frecuencia, como las
luminosas, se acostumbran usar unidades de longitud de ondas y no de
frecuencia. La longitud de onda es la distancia que ocupa en el espacio un ciclo
de una onda electromagnética. La longitud de onda depende de la frecuencia
de onda y de la velocidad de la luz. La relación matemática correspondiente
es:
λ= c / ƒ

5. en donde
- λ = longitud de onda (metros/ciclo)
- c = velocidad de la luz (300,000,000 metros por
segundo)
- ƒ = frecuencia ( Hertz)
con las frecuencias luminosas, la longitud de onda se suele
expresar en micrones o micras (1micron =1 micrómetro) o en
nanómetro= 10-9 metros, o 0.001 micrón). Sin embargo,
cuando se describe el espectro visible, la unidad Angstrom (Aº)
se ha usado con frecuencia para expresar longitudes de onda (1
Aº =10-10 metros, o 0.0001 micrón)

6. Tipos de fibra Óptica
En esencia hay tres variedades de fibra óptica que se usan en la
actualidad. Las tres se fabrican con vidrio, plástico o una
combinación de vidrio y plástico. Esas variedades son:
1. Núcleo y forro de plástico.
2. Núcleo de vidrio con forro de plástico (llamado con frecuencia fibra
PCS, plastic-clad silica o sílice revestido con plástico).
3. Núcleo de vidrio y forro de vidrio (llamado con frecuencias SCS,
silica-clad silica o sílice revestido con sílice).

7. Construcción Del Cable Óptico.
Hay muchos diseños distintos de cables, en la actualidad. En la siguiente
figura muestra ejemplos de varias configuraciones de cables de fibra óptica.
De acuerdo con la configuración, el cable puede consistir de un núcleo, un
revestimiento, un tubo protector, amortiguadores, miembros resistentes y
uno o mas forros o chaquetas de protección.
Propagación De La Luz ATravés De Una Fibra Óptica
La luz se puede propagar por un cable de fibra óptica por reflexión
o por refracción. La forma en que se propague depende del modo
de propagación y del perfil de índices de la fibra.

8. Modo De Propagación
En la terminología de fibras ópticas, la palabra modo simplemente
quiere decir camino. Si solo hay una trayectoria, se llama modo
único o unimodal. Si hay mas de una trayectoria se llama modo
multiple o multimodal.
Transmisores Ópticos
La física de la luz.
Aunque se pueda analizar por completo el funcionamiento de las
fibras ópticas aplicando las ecuaciones de las leyes de Maxwell, es
una forma complicada por necesidad. Para las mayorías de las
aplicaciones practicas, se puede usar el trazado geométricos de
ondas en lugar de las ecuaciones de Maxwell. Con el trazado de
rayos se obtienen resultados con exactitud suficiente.

9. Un átomo tiene varios niveles de energía, o estados; el mínimo nivel es el
estado fundamental, un nivel de energía mayor que el estado fundamental
se llama estado excitado. Sin un átomo que tiene un nivel de energía decae
a un nivel inferior, la perdida de energía (en electrón volts), se emite en
forma del fotón. La energía del fotón es igual entre las diferencia de las
energías de los dos niveles. El proceso de decaer de un nivel de energía a
otro se llama decaimiento espontaneo o emisión espontanea.
Los átomos pueden irradiarse mediante una fuente luminosa cuya energía
sea igual a la diferencia entre el estado fundamental y otro nivel de energía.
Esto puede hacer que un electron cambie de uno a otro nivel de energía.,
absorbiendo energía luminosa. El proceso de pasar de uno a otro nivel de
energía se llama absorción. Cuando se hace la transición de un nivel a otro,
el átomo absorbe un paquete de energía llamado foton. Este proceso se
parece al de la emisión. La energía absorbida o emitida (el foton) es igual a
la diferencia entre los niveles de energía, esto es

10. E2 - E1= EP
En donde también EP es la energía del foton.También,
EP = hƒ
siendo
- H =constante de Planck= 6.625 ×10-34 J-s
- ƒ = frecuencia de la luz emitida (hertz)
también, la energía de los fotones se puede expresar en términos de
longitud de onda.
EP= hƒ
= hc/λ
Transmisores Ópticos

11. Velocidad De Propagación
La energía electromagnética, como la luz, recorre aproximadamente
300,000,000 m/s en el espacio libre. También la velocidad de
propagación es igual para todas las frecuencias de luz en el espacio
libre. Sin embargo se ha demostrado que en materiales mas densos
que el espacio libre, la velocidad se reduce.
Refracción
La refracción se presenta en la interfaz entre el aire y el vidrio. Las
longitudes de onda del violeta se refractan mas, y las del rojo se
refractan menos. Esta separación espectral de la luz blanca se llama
refracción prismatica. Es el fenómeno que producen. los arco íris: las
gotitas de agua en la atmosfera funcionan como prismas pequeños que
dividen la luz blanca del sol en las distintas longitudes de onda y crean
un espectro visibles de colores

12. Índice De Refracción
La cantidad de desviación o refracción que sucede en la interfaz de dos
materiales de distintas densidades se puede predecir bastante bien, y
dependen del índice de refracción de los materiales. Este índice de
refracción no es mas que la relación de la velocidad de propagación de
un rayo de luz en el espacio libre, entre la velocidad de propagación del
rayo en determinado material. La ecuación correspondiente es
N=c/v
En la que
- c=velocidad de la luz en el espacio libre (300,000,000 metros
por segundo)
- v= velocidad de la luz en determinado material (metros por
segundo)
- aunque el índice de refracción también es una función de la
frecuencia, la variación, en la mayoría de las aplicaciones, es
insignificante y en consecuencia se omite de esta descripción. Los
índices de refracción de varios materiales comunes aparecen en la
siguiente tabla.

13. Diodos Emisores De La Luz
Un diodo emisor de luz (LED, por light-emitting diode) es un diodo de unión p-n
fabricado siempre con un material semiconductor como el arseniuro de aluminio y
galio (AlGaAs) o el arseniuro fosfuro de galio (GaAsP). Los LED emiten luz por
emisión espontanea: la luz se emite como resultado de la recombinación de
electrones con hueco. Cuando tienen polarización directa, los portadores
minoritarios se inyectan a través de la unión p-n. una vez atravesada la unión, esos
portadores minoritarios se recombinan con portadores mayoritarios y desprenden
energía en forma de luz. Este proceso es esencialmente el mismo que en un diodo
semiconductor convencional, pero en los LED se eligen cierto materiales
semiconductores y dopantes tales que el proceso es radioactivo; esto es, que se
produce un fotón. Este es un cuanto de energía de onda electromagnética

14. Los fotones son partículas que viajan a la velocidad de la luz, pero que
en reposo no tienen masa. En los diodos de semiconductores
convencionales (por ejemplo, de germanio y de silicio) el proceso es
principalmente no reactivo, y no se generan fotones. La banda prohibida
del material que se utiliza para fabricar un LED determina el color de la
luz que emite, y si la luz es visible al ojo humano.
Diodos Emisores De La Luz

15. Un transmisor óptico es un dispositivo que su función principal es la
conversión de la señal eléctrica de entrada en su correspondiente
señal óptica y acoplarla a la fibra óptica que sirve como medio de
transmisión.
Transmisor Óptico
Fundamentos Del Diodo Láser
• La emisión espontánea “en equilibrio térmico” es
Despreciable y la estimulada, ¡1018 veces menor! (Einstein, 1917)
• El diodo Láser es una estructura que fomenta la
emisión estimulada eficiente mediante:
Aporte de energía: inyección de corriente
Aporte de electrones y huecos juntos: unión pn
Polarización en directo
Material adecuado
Inversión de población
Confinamiento óptico

16. Espectros de emisión del diodo láser medidos bajo diferentes
condiciones (ver graficas en pagina siguiente).
a) La corriente del diodo láser se mantuvo constante mientras se
variaba su temperatura de operación.
b) b) La temperatura del diodo láser se mantuvo constante mientras
se modificaba su potencia de salida. La banda de emisión del
diodo láser tomando en cuenta el ancho a media altura (FWHM) es
de 1.5nm, sin embargo, a una temperatura de operación de 25°C,
el centro de esta banda se mueve desde 636 hasta 641nm
conforme la potencia óptica emitida aumenta de 40 a 250mW (P
máx@25°C =250mW),
Espectros De Emisión Del Diodo Láser

17. Espectros De Emisión Del Diodo Láser

18. Un diodo Led es un diodo que además de permitir el paso de la
corriente solo un sentido, en el sentido en el que la corriente pasa
por el diodo, este emite luz.
Cuando se conecta un diodo en el sentido que permite el paso de la
corriente se dice que está polarizado directamente.
La definición correcta será: Un diodo Led es un diodo que cuando
está polarizado directamente emite luz.
Además la palabra LED viene del ingles Light Emitting Diode que
traducido al español es Diodo Emisor de Luz.
Diodo Led(diodos Emisores De Luz)

19. Características de los Diodos Led
Tienen dos patillas de conexión una larga y otra corta. Para que pase la
corriente y emita luz se debe conectar la patilla larga al polo positivo y la
corta al negativo. En caso contrario la corriente no pasará y no emitirá luz.
En la imagen siguiente vemos un diodo led por dentro.
Los led trabajan a tensiones más o menos de 2V (dos voltios). Si queremos
conectarlos a otra tensión diferente deberemos conectar una resistencia en
serie con él para que parte de la tensión se quede en la resistencia y al led
solo le queden los 2V.
Símbolo del Diodo Led

20. Osciladores Laser
El oscilador láser es esencialmente una cavidad resonante operando a
frecuencia s ópticas. El concepto de funcionamiento es el siguiente:
El material láser r 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 extremo s que reflejan la
radiación óptica a la cavidad, realizando así una realimentación óptica. La
oscilación e s mantenida ida y vuelta hasta que la s perdidas son inferiores s a
la s ganancias. Entre esa s perdidas está la más importante: la de radiación de
salida, conseguida en uno de lo s espejo s que es parcialmente reflector .

21. Modos De La Cavidad Laser En Osciladores
En un resonador óptico, tal como una cavidad láser , no todas
l a s frecuencia s pueden oscilar . Es exactamente e el mismo o cas o que aparece
en microondas. Per o hay una diferencia esencial, que mientras en estas la
longitud de onda de la radiación e s del mismo orden de magnitud que la
cavidad, en la cavidad láser la s dimensione s de esta son mucho mayores que
las de la radiación.
Ya que, para ondas ópticas, L >> X, un gran numero de semilongitudes de onda
puede existir en la cavidad. Son todas la s que satisfacen:
Nλ/2 = L
donde n e s un numero entero. Po r ejemplo, para L = 5 cm y λ/=1μ , n = 10^5
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.

22. Modos De La Cavidad Laser En Osciladores
Un posterior requerimiento para que pueda existir un determinado
modo e s 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. Supongamos por ejemplo que la
cavidad resuena a λ1. Para una próxima , ocurrirá resonancia también
con tal que:

23. Modos De La Cavidad Laser En Osciladores

25. Un láser reflector de Bragg distribuido ( DBR ) es un tipo de diodo láser de una
sola frecuencia. Otros tipos prácticos 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. El láser emite desde la faceta de salida opuesta
al extremo DBR. El DBR se puede sintonizar continuamente en un rango de
aproximadamente 2 nm cambiando la corriente o la temperatura.
Láser Reflector De Bragg Distribuido ( DBR )

26. Un oscilador es un circuito que produce una oscilación propia de frecuencia,
forma de onda y amplitud determinadas.
Se entiende por oscilador a una etapa electrónica que, siendo alimentada con
una tensión continua, proporciona una salida periódica, que puede ser
aproximadamente sinusoidal, o cuadrada, o diente de sierra, triangular, etc. O
sea que la esencia del oscilador es “crear” una señal periódica por sí mismo, sin
que haya que aplicarle señal alguna a la entrada. Un oscilador es en esencia un
amplificador realimentado en forma inestable que produce una señal alterna de
valor pico constante y frecuencia seleccionable a voluntad. En diagrama de
bloques, un oscilador se puede representar como lo indica la figura, en donde
Ao es la ganancia del amplificador en laso abierto y es la ganancia de la red de
realimentación
Bloque De Alimentación Rf

27. 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.
Mediciones del Ancho de Banda según sus características de las fuentes de luz
que se usan para transmitir información:
• Ancho de Banda en Desbordamiento.
• Ancho de Banda Modal Restringido.
• Ancho de Banda de Láser o Ancho de Banda Modal Efectivo.
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.
El Rendimiento DeTransmisores Ópticos

29. Longitud de onda espectral de laser
Tabla 1.Datos referenciales de mediciones de ancho
espectral de varios láseres.
∆𝑓, ancho espectral;
𝜏𝑐, tiempo de coherencia;
L: longitud de fibra óptica