Revista electiva 5

FIBRA
ÓPTICA
AVANCES TECNOLÓGICOS E INFORMACIÓN
LA EFICIENCIA
DE LA FIBRA
ÓPTICA
TRANSMISORES
ÓPTICOS
DETECTORES
ÓPTICOS
AMPLIFICADORES
ÓPTICOS
Autor : Jonathan González CI:25.502.523
Editorial: PSM Santiago Mariño
Asignatura: electiva 5

Transmisores ópticos
La fibra óptica se emplea
cada vez más en la
comunicación, debido a que las
ondas de luz tienen una
frecuencia alta y la capacidad de
una señal para transportar
información aumenta con la
frecuencia. En las redes de
comunicaciones se emplean
sistemas de láser con fibra
óptica. 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.
PRINCIPIO DE EMISION DE LUZ
El principio de transmisión de
luz por fibra óptica está basado
en la reflexión interna completa,
la luz que se transmite por el
centro o
núcleo de la fibra incide sobre la
superficie externa con un ángulo
mayor que el ángulo crítico, de
esta manera la luz es reflejada
sin ninguna pérdida hacia la
parte interna de la fibra. De esta
forma la luz puede ser
transmitida a larga distancia
reflejándose miles de veces.
el núcleo de la fibra óptica está
recubierto por una capa de
vidrio con un índice de
refracción mucho menor, con la
intención de evitar pérdidas por
dispersión de luz debido a
impurezas. las reflexiones se
producen en la superficie que
separa la fibra de vidrio y el
recubrimiento, la fibra óptica no
es más que un conductor de la
luz, la luz que quede atrapada
en este conducto se propaga a la
máxima velocidad posible a lo
largo del mismo

ESPECTROS DE EMISIÓN
El espectro de emisión dice
que cada elemento tiene
tienen una distribución con
respecto a sus características
de niveles electrónicos de
energía , y como
consecuencia de este
transmite su luz con su propia
distribución de frecuencia,
eso quiere decir que ese es su
espectro de emisión cuando
este se excita .
Dicha distribución se puede
observar en el momento en
que se pasa la luz por una
prisma o mejor cuando
primero pasa por una rendija
y se ve enfocado en una
pantalla , a este arreglo de
rendija se le conoce como
espectroscopio .
DIODOS EMISORES DE LUZ El
LED
El diodo emisor de luz , es un
dispositivo semiconductor
que emite luz incoherente de
espectro reducido cuando se
polariza de forma directa la
unión PN en la cual circula por
él una corriente eléctrica .
Este fenómeno es una
forma de
electroluminiscencia , el
LED es un tipo especial de
diodo que trabaja como un
diodo común, pero que al
se r atravesado por la
corriente eléctrica, emite
luz
EL OSCILADOR
Es un sistema capaz de
crear perturbaciones o
cambios periódicos o casi
periódicos en un medio,
ya sea un medio material
(sonido) o campo
electromagnético (ondas
de radio, rayos x luz visible
y otros).
MODOS DE LA CAVIDAD LASER
La cavidad laser esta
compuesta por espejos en los
extremos del medio activo.
Existen dos tipos de modos:
Modo Longitudinal Estos
describen las ondas
estacionarias a lo largo del eje
óptico del laser.

Modo laser transversal El cual
integra una distribución
Gaussiana , esta contiene unas
características muy particulares,
tiene la mayor divergencia,
proyecta en zonas muy pequeñas
y tiene la mejor coherencia
espacial a diferencia de los otros
modo.
Los diodos láseres se divide en
dos el laser monomodo y
multimodo:
1. Laser monomodo:
es una fibra óptica en la que solo
se propaga un modo de luz.
2. Laser multimodo: es aquella
en la que lo haces de luz pueden
circular por mas de un modo o
camino. Esta fibra puede tener
mas de mil modos de
propagación de luz.
LASER MONOMODO Y MULTIMODO
LÁSER DBR SINTONIZABLE.
Las aplicaciones de red de los
láseres ajustables se pueden
dividir en dos partes:
aplicaciones estáticas y
aplicaciones dinámicas.
En aplicaciones estáticas, la
longitud de onda de un láser
sintonizable se establece durante
el uso y no cambia con el tiempo.
La aplicación estática más común
es como sustituto de los láseres
de fuente, es decir, en los
sistemas de transmisión de
multiplexación por división de
longitud de onda densa (DWDM,
por sus siglas en inglés), donde
un láser sintonizable actúa como
respaldo para múltiples láseres
de longitud de onda fija y
láseres de fuente flexible, lo que
reduce el número de líneas
Tarjetas requeridas para
soportar todas las diferentes
longitudes de onda.
RENDIMIENTO ÓPTICO
Algo muy importante en los
transmisores es el
rendimiento óptico , se dice
que un laser semiconductor
transmite luz a través de la
emisión estimulada en vez de
emisión espontanea , lo que
da como resultado unan alta
potencia de salida (~100mW)
así como otros beneficios de
la luz coherente. La salida del
laser es relativamente
direccional , lo que permite
un acoplamiento de alta
eficiencia (~50%) en fibras
monomodo. Por otra parte el
rendimiento en las
transmisiones también
depende de l diodos LED.
LONGITUD DE ONDA ESPECTRAL
El LED tiene una representación
de onda espectral integral con el
transmisor óptico , la luz del LED
es incoherente y depende del
grado o intensidad
proporcionada , en las figuras a
continuación se puede observar
la longitud de onda espectral.

Detectores ópticos
En un sistema de comunicaciones ópticas, el receptor
tiene como finalidad convertir la señal óptica en eléctrica,
amplificar esta y realizar un procesamiento posterior para
obtener la información. El detector óptico consigue la
transformación de fotones a tensión de corriente y el
amplificador posterior eleva el nivel de la señal para que pueda
procesarse con facilidad, a la vez que se introduce el mínimo
ruido posible
PRINCIPIO DE ABSORCIÓN ÓPTICA
El principal componente
de un detector óptico es una célula
fotoeléctrica, que convierte la luz
en electricidad mediante el efecto
fotoeléctrico. Estos componentes
requieren la participación de un
emisor y un receptor, el emisor se
encarga de enviar una señal en
forma de luz y el receptor esta
encargado de detectar ese haz de
luz enviado por el emisor.
Existen sensores que utilizan como
emisor la luz natural y de receptor
una fotorresistencia.
Detector de señal óptica

DIAGRAMA DE BLOQUES DE RECEPTORES DE DETECCIÓN DIRECTA.
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.
Existen dos tipos de fotodiodos usuales para recepción óptica,
fotodiodo PIN y fotodiodo de avalancha APD.
Receptor óptico con detección directa
En la siguiente figura se muestra un diagrama en bloques de
un receptor óptico, para un sistema digital con detección directa,
el componente clave es el detector de luz.
Diagrama de bloques de un receptor óptico básico con detección directa
FOTODIODO P-I-N
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.
FOTODIODOS 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.

COMPONENTES DE RUIDO DEL
RECEPTOR
El ruido es algo inherente en los
sistemas de Comunicaciones y los
Sistemas Ópticos no están libres
de ello
Para una misma potencia de señal,
la magnitud de la potencia del
ruido nos permite medir la calidad
de nuestro enlace, en cuanto a la
recepción correcta de bits.
En sistemas ópticos, existen dos
fuentes principales de ruido: el
Ruido de disparo y Ruido Térmico
SENSIBILIDAD Y RENDIMIENTO
CUÁNTICO DEL RECEPTOR.
TIEMPO DE RESPUESTA.
Los parámetros utilizados para
caracterización de foto-detectores
de materiales semiconductores
son:
Rendimiento Cuántico
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.
Sensibilidad
Relaciona la corriente
eléctrica que fluye en el
dispositivo con la potencia
óptica incidente (P), i.e.:
La responsividad aumenta
con la longitud de onda
porque los detectores
fotoeléctricos responden al
flujo de fotones en lugar
de a la potencia óptica.
Esto implica que al
aumentar la longitud de
onda, la potencia óptica
está distribuida entre más
fotones con lo que se
producen más electrones
en el dispositivo. Esta
dependencia está
delimitada por la eficiencia
cuántica que es
dependiente de la longitud
de onda.
Tiempo de respuesta
Está limitado por el tiempo
requerido para distribuir
las cargas generadas por
los fotones en la superficie
del detector (tiempo
transitorio de distribución),
y por la resistencia y la
capacitancia del dispositivo
además de los circuitos
electrónicos utilizados.

EL FOTOTRANSISTOR
Transistor el cual es activado por la
incidencia de la luz en la región de base
generando portadores en ella, el mismo
tiene una ventana que permite la entra de
luz
El fototransistor no es muy diferente a un transistor normal,
es decir, está compuesto por el mismo material semiconductor,
tienen dos junturas y las mismas tres conexiones externas:
colector, base y emisor. Por supuesto, siendo un elemento sensible
a la luz, la primera diferencia evidente es en su cápsula, que posee
una ventana o es totalmente transparente, para dejar que la luz
ingrese hasta las junturas de la pastilla semiconductora y produzca
el efecto fotoeléctrico.
Teniendo las mismas características de un transistor normal, es
posible regular su corriente de colector por medio de la corriente
de base. Y también, dentro de sus características de elemento opto
electrónico, el fototransistor conduce más o menos corriente de
colector cuando incide más o menos luz sobre sus junturas
BER
(Bit error rate) 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.
CONSIDERACIONES EN EL
DISEÑO DEL RECEPTOR
Como sucede en otros
sistemas de
comunicación, el diseño
de un receptor necesita
de ciertas especificaciones
técnicas como:
• Tipo de transmisión:
analógica o digital
• Tasa de error: BER en
sistemas digitales,
relación señal ruido y
distorsión para otros
sistemas análogicos
• Ancho de banda
necesario
• Espectro entre
repetidores
Otros aspectos son el coste y la
fiabilidad del sistema. Además, se
debe escoger entre los posibles
componentes a usar

Amplificadores
ópticos
Estos dispositivos generan una réplica de la señal de entrada pero
con mayor nivel de potencia, operando completamente en el
dominio óptico. Además pueden emplearse en otros procesos como
la conmutación, la demultiplexación, o bien en la conversión de
longitud de onda, aprovechando su comportamiento no lineal.
PRINCIPIO BÁSICO
El fundamento de un amplificador óptico es el proceso de
emisión estimulada al igual que en un láser. Su estructura es
similar a la de un láser salvo que no posee una realimentación
para evitar que el dispositivo oscile, de forma que puede elevar
el nivel de potencia de la señal pero no generar una señal óptica
coherente. Una fuente de bombeo inyecta una energía en la zona
activa del amplificador. Esta energía es absorbida por los
electrones que incrementan sus niveles de energía
produciéndose la inversión de población. Al ser alcanzados estos
electrones por los fotones de la señal óptica de entrada caen a
unos niveles energéticos más bajos dando lugar a un nuevo
fotón, esto es el proceso de emisión estimulada, produciéndose
así la amplificación de la señal.
Simulación del principio básico del amplificador

ÓPTICOS SEMICONDUCTORES (SOA)
El fundamento de este tipo de
amplificador es el mismo que el
de los EDFA, la diferencia es que
se emplea Neodimio para dopar
el núcleo de la fibra óptica, lo
que permite a este dispositivo
amplificar en la segunda ventana.
La principal desventaja es que la
ganancia es menor que con un
EDFA.
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.
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).
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
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.
AMPLIFICADORES RAMAN
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
RUIDO EN AMPLIFICADORES.
Sea el amplificador del tipo que
sea (discreto, monolítico, un
simple transistor) se puede utilizar
el siguiente modelo

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 contrapartida, el
ruido de corriente se multiplica
por raíz de n en ese mismo caso
Esto se deduce de las leyes
de Kirchhoff y del circuito
anterior, junto a la suma de
densidades de ruido.
GANANCIA DEL AMPLIFICADOR
No presenta una ganancia
uniforme con la longitud de
onda. Debido a la saturación
según crece la potencia de
entrada la ganancia disminuye
hasta llegar a un punto en que
se mantiene constante. El
máximo de ganancia se alcanza
alrededor de los 1530-
1535nm. Como puede verse
en la figura a potencias altas la
respuesta de la ganancia en
todo el rangote la banda C
(1530-1565nm) es bastante
plano lo cual no sucede a
potencia de entrada más bajas.
• Conexiones LAN-to-LAN en
Campus con velocidades de
Fast Ethernet o Gigabit
Ethernet.
• Conexiones LAN-to-LAN en
una ciudad. ejemplo, Red de
área metropolitana.
• Para cruzar una vía publica u
otras barreras imposibles
para emisor y receptor.
• Rápido acceso a servicios de
banda ancha de alta
velocidad en las redes de
fibra óptica.
• Conexión Voice-data
convergente.
• Instalación de redes
Temporales (para eventos o
para otros fines).
APLICACIONES EN SISTEMAS

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