Post on 07-Jan-2016
description
UNIVERSIDADDELASAMRICAS
REDESPTICAS
PREGRADO PROFESIONAL NOCTURNOPREGRADOPROFESIONALNOCTURNO
INGENIERAENREDESYTELECOMUNICACIONESTELECOMUNICACIONES
AgendaAgenda DiodosemisoresdeLuz DiodosLaser:Estructura,FuncionamientoA lifi d Amplificadores
Filtros ReddeDifraccin
d d b ( ) ReddeBraggenFibra(FBG) EstructurasMachZehnderEstructurasMach Zehnder EstructurasFabryPerot MultiplexoresyDemultiplexores
Sistema de Transmisin pticoSistemadeTransmisinptico
Fuente Ideal de LuzFuenteIdealdeLuz
Es un dispositivo que convierte electrones enfotones o corriente en luz a una ciertalongitud de onda
Fuente Ideal de LuzFuenteIdealdeLuz
Eslaeficienciacunticaquerepresentalacapacidaddetransformarelectronesenf tfotones
hf, medidoenJoules,eslaenergatransportadaporunfotnoscilandoalafrecuenciaf
Fuente Ideal de LuzFuenteIdealdeLuz
El campo ptico ideal es:
donde:
El campo elctrico es normalizado, as:
Fuente Ideal de LuzFuenteIdealdeLuz
Detector Ideal de LuzDetectorIdealdeLuz
Es un dispositivo que convierte fotones enelectrones (foto detector)( )
Detector Ideal de LuzDetectorIdealdeLuz
Es la eficiencia cuntica del foto detector, representa la capacidad detransformar fotones en electrones
Es la responsividad (ganancia, respuesta) del detector de luz, dado por lacantidad de corriente por vatio ptico
Detector Ideal de LuzDetectorIdealdeLuz
La Fibra ptica IdealLaFibrapticaIdeal
En general, esta solo produce retardo yatenuacin
Donde:Donde:
Fibra ptica: PrdidasFibraptica:Prdidas
Las prdidas de una fibra se obtienen de laecuacin diferencial:ecuacin diferencial:
que tiene la solucin:
donde
Las prdidas se expresa en [dB]/Km
Fibra ptica: PrdidasFibraptica:Prdidas
Las prdidas totales en [dB] a la longitud z:
entonces
i id l l i d l d l fib Lsi se considera la longitud total de la fibra z = L
donde
Fibra ptica: PrdidasFibraptica:Prdidas
La relacin general para la potencia de entrada ysalida es:salida es:
entonces
la frmula de conversin entre y dB es:
Retardo de PropagacinRetardodePropagacin
La luz toma tiempo en propagarse a lo largo dela fibra:la fibra:
donde es la velocidad de grupo. Comoresultadoresultado
El retardo como tal no altera la informacin, porlo que no se lo consideraq
Retardo de PropagacinRetardodePropagacin
El retardo en la fase de una onda de luz puedeser diferente:ser diferente:
donde es la velocidad de fase
pueden no considerarse para propsitos deevaluacin de los sistemasevaluacin de los sistemas
La Fibra ptica IdealLaFibrapticaIdeal
Idealmente 1
FormatodeInformacin:ONOFFKeying
La luz transmitida (Ej. La potencia ptica PT(t))es modulada a travs de una corriente iT(t) dees modulada a travs de una corriente iT(t) demanera que se transmita informacin
l d d d La luz es encendida y apagada para transmitir0s y 1s respectivamente
FormatodeInformacin:ONOFFKeying
Secuencia de Bit: Forma de la onda:
Fuente de Luz
Propagacin en la fibraPropagacin en la fibra
FormatodeInformacin:ONOFFKeying
Deteccin de Luz
FormatodeInformacin:ONOFFKeying
El Ruido est tambin est presente en el Sistema IdealElRuidoesttambinestpresenteenelSistemaIdeal
Ruido TrmicoRuidoTrmico
La densidad espectral producido por la La densidad espectral producido por laradiacin del ruido trmico es proporcional a:
Paraunmodoelectromagnticosimplea la frecuencia falafrecuenciaf
ConstantedeBoltzman
Ruido Trmico y Ruido CunticoRuidoTrmicoyRuidoCuntico
Fuentes de Ruido y Limite CunticoFuentesdeRuidoyLimiteCuntico Ruido termal en el receptor y ruido porp y pamplificacin: descartado por ahora
Ruido Termal: insignificante @ 193 [THz]Ruido Termal: insignificante @ 193 [THz] Sin considerar el Ruido en el Sistema: Puede unSistema Ideal tener atenuacin infinita?Sistema Ideal tener atenuacin infinita?
NODEBIDOALRUIDOCUNTICO
El campo del laser presenta un estado cunticocoherente (altamente monocromtico, todos losfotones en fase), muy parecido al campomonocromtico clsico, EXCEPTO POR:
LOSINSTANTESDEDETECCINDELFOTNSONRANDMICOS
Promedio de Fotones RecibidosPromediodeFotonesRecibidosCuantos fotones debemos esperar detectar en unptiempo t?
Una aproximacin heurstica: el flujo de energa delfotn recibida dentro del intervalo t dividido para lafotn recibida dentro del intervalo t dividido para laenerga hf transportada por un solo fotn
Esta expresin define el valor de lamedia estadsticaEsta expresin define el valor de lamedia estadstica
Distribucin de PoissonDistribucindePoissonEl arribo randmico de fotones es distribuido deacuerdo a la Distribucin Estadstica de Poisson
P t di t ib i t d ti l l di lPara esta distribucin estadstica el valor promedio y ladesviacin estndar tienen la misma expresin:
Distribucin de PoissonDistribucindePoisson
Distribucin de PoissonDistribucindePoisson
Se asume: =1 es decir que por cada fotnse genera un electrn.
Ob i l f d d 1Observamos que si al menos un fotn es detectado, se toma como 1,ningn fotn detectado significa que es un 0
Clculo de la Probabilidad de Error+ClculodelaProbabilidaddeError
La probabilidad de error de un bit se define comoLa probabilidad de error de un bit se define como:
Asumiendo igual probabilidad para los smbolostransmitidos:
Si ningn fotn es transmitido, esimposible recibir alguno
Si se transmiten fotones, esimposible no recibir nunguno
Clculo de la Probabilidad de Error+ClculodelaProbabilidaddeError
ProbabilidaddeErrorvs.Potencia+
PicoyPromedio es la Potencia ptica recibida cuando un 1 es
transmitido
La potencia recibida promedio (solo para un pulsorectangular) es:
Entonces podemos escribir
es lo que se mide con un power meter promedio
ProbabilidaddeErrorvs.Potencia+
PicoyPromedio Se puede definir un promedio de fotones por bit (sobre los
bits de informacin)
Calcular el nmero de fotones necesarios para tener unaP(e)=109 ??
SensibilidadyDistanciaMxima+
Alcanzable
Lasensibilidadeslapotenciaptica,oelnmerodefotones por bit necesarios en el receptor parafotonesporbitnecesariosenelreceptorparaobtenerunaprobabilidaddeerrordeterminada
Para sistemas pticos, la probabilidad de error requeridaest en el rango: P(e)=109 1012est en el rango: P(e)=10 . 10
El concepto de sensibilidad del sistema es bastante general El concepto de sensibilidad del sistema es bastante generaly se aplica a toda clase de sistemas pticos.
El concepto de Sensibilidad+ElconceptodeSensibilidad
Para un sistema ideal, asumiendo una P(e)=109 se pudodeterminar que el nmero de fotones por bit recibidos en elq preceptor es
Convirtiendo a potencia promedio a travs de la expresinp p p
Se obtiene
Evaluacin de la Potencia+EvaluacindelaPotencia
dBm es una unidad conveniente para el clculo de la potenciaptica a lo largo de un sistema de fibrap g
Gracias a la escala logartmica, la cada de potencia debida a laGracias a la escala logartmica, la cada de potencia debida a laatenuacin se convierte en una funcin lineal
Sensibilidad del Sistema: Ejemplo+SensibilidaddelSistema:Ejemplo
Que tan lejos se puede ir?+Quetanlejossepuedeir? La sensibilidad del sistema nos indica cuanta PotenciaLa sensibilidad del sistema nos indica cuanta Potencia
necesitamos en el receptor para obtener una P(e)determinada
El transmisor lanza a la FO una determinada cantidad depotencia ptica
En la FO, la propagacin disipa potencia Por tanto habr una mxima distancia , mas all de la cual
la potencia recibida cae por debajo de la sensibilidad delsistema
l d l bl d d d Es as que la mxima distancia alcanzable depende de:potencia transmitida, prdida de la fibra y la sensibilidaddel sistemadel sistema
Distancia Mxima Alcanzable+DistanciaMximaAlcanzable La relacin entre la potencia transmitida y la recibida es:
Dada la sensibilidad del sistema se busca: El caso lmite se presenta cuando:p
oo
Distancia Mxima Alcanzable+DistanciaMximaAlcanzable
S d b d j l M i Di i Se puede observar de mejor manera la Mxima DistanciaAlcanzable, si despejamos L
o
Para incrementar se puede:I t l t i d t i i Incrementar la potencia de transmisin
Disminuir la sensibilidad (usar un mejor receptor)i i i l i i ifi ili j Disminuir la atenuacin, esto significa utilizar una mejor
FO menor
Distancia Mxima Alcanzable+DistanciaMximaAlcanzable
D l b d bj i l De manera general y observando objetivamente laexpresin de la Mxima Distancia Alcanzable, ladependencia logartmica de respecto a ydependencia logartmica de respecto a y
hace difcil un incremento considerable (o disminucin) dela Mxima Distancia Alcanzablela Mxima Distancia Alcanzable
UnidadesUnidades
Distancia Mxima de un Sistema+DistanciaMximadeunSistema
P i id l d d P( ) d 10 9 Para un sistema ideal se conoce que, dado una P(e) de 109
EntoncesEntonces
Ejemplo:
Anlisis del Sistema: L vs R+AnlisisdelSistema:Lmax vs.RB
Alcanzar el Lmite Cuntico+AlcanzarelLmiteCuntico
f d f La fotocorriente generada por pocos fotones porbit es extremadamente baja, en el orden de los[ ][nA]
La necesidad de etapas amplificadoras hace que sepresente ruido trmico y ruido por amplificacinp y p p
Como resultado fabricantes de fotodetectores Como resultado, fabricantes de fotodetectoresfabrican receptores con una sensibilidad que varaentre 1000 y arriba de 10000 fotones por bitentre 1000 y arriba de 10000 fotones por bit
DistanciaMximaAlcanzable:+
ValoresTpicosEl l i d i l El valor tpico de sistemas reales es:
El valor tpico de sistemas reales es:
El valor tpico de es:
DistanciaMximaAlcanzable:+
ValoresTpicos
As, los principales parmetros del sistema pueden variaren diferentes magnitudesen diferentes magnitudes
Dado a los valores logartmicos para el clculo de L ladistancia mxima para sistemas que no usan amplificacindistancia mxima para sistemas que no usan amplificacinson:
Nota: Una variacin de 10 enNota: Una variacin de 10 en
Solo incrementa o reduce un valor de 50 Km si la atenuacines de 0,2 dB/Kmes de 0, d /
Diodos Emisores de Luz+DiodosEmisoresdeLuz
S i d i l d Se introducen conceptos como niveles de energa Los niveles de energa permitidos se los obtiene
resolviendo la ecuacin de Schroringer usando losresolviendo la ecuacin de Schroringer usando lospotenciales elctricos adecuados
Diodos Emisores de Luz+DiodosEmisoresdeLuz
Cuando se excitan los tomos, sta producen agujeros uhoyos (prdida de electrones) en la banda de valencia, ascomo electrones en la banda de conduccincomo electrones en la banda de conduccin,contribuyendo ambos para la conduccin
Esto posibilita las transiciones electrnicas en tomos Esto posibilita las transiciones electrnicas en tomos Se pone mucho ms nfasis en los elementos que
producen emisin o absorcin de fotonesproducen emisin o absorcin de fotones
Debido a la constitucin atmica de los elementos y confines ilustrativos y de aprendizaje, se representany p j , pnicamente dos niveles de energa. Una condicinimportante es que los elementos el mismo momento
Transicionesestimuladasy+
espontneas:CreacindeLuz
Comoseilustra,cuatromecanismosbsicosderecombinacin/generacinelectrnica(fotnemisin/absorcin)debenconsiderarseporseparado
Transicionesestimuladasy+
espontneas:CreacindeLuz
1. Recombinacin Espontnea (Emisin de fotones)
2. Generacin Estimulada (Absorcin de fotones)
3. Recombinacin Estimulada (Emisin de Fotones Coherente)
4. Recombinacin Noradioactiva
Los crculos en blanco representan estados con huecos (holes)y los crculos en negro estados con electrones
Materiales+Materiales
Amplificadores pticos+Amplificadorespticos
Un amplificador ptico es un dispositivo que amplifica laseal ptica directamente sin ningn cambio elctrico. Lal l f dluz por si misma es amplificada
En la actualidad es mayor el uso de amplificadores, quel l tidremplazan a los repetidores
Uso de repetidores, se asocia al Ruido el uso deamplificadores pticos no presenta este problemaamplificadores pticos no presenta este problema
Los amplificadores pticos son de fcil implantacin,flexibles permiten WDM y su costo es relativamenteflexibles, permiten WDM y su costo es relativamentebueno en comparacin con otras soluciones
Amplificadorespticos:+
Funcionamiento
El Pump se debe interpretar como fuentes de luztrabajando a dos longitudes de onda, las mismas que
l d f l f permiten el incremento de fotones con el fenmeno R21 EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) logra, con un
tid d d fib lifi l l ib dpequea cantidad de fibra, amplificar la seal por arriba de1000 veces (30 dB)
EDFA: Caractersticas Tcnicas+EDFA:CaractersticasTcnicas
Pumping Eficiente b l d d l Mnima sensibilidad a polarizacin
Baja insercin de prdidas Alta potencia de Salida Bajo ruido Muy alta sensibilidad Mnima distorsin y mnima interferencia cocanal (Buena
ili d i WDM)razn para ser utilizado en sistemas WDM)
Otros Amplificadores pticos+OtrosAmplificadorespticos Amplificadores pticos basados en Semiconductores Amplificadores pticos basados en Semiconductores
(Semiconductor Optical/Laser Amplifiers SOAs SLAs)
SOAs tpicos tienen un espejo con un coeficiente de SOAs tpicos tienen un espejo con un coeficiente dereflexin de 30%, as la seal tiene la opcin de reflejarsevarias veces dentro de la cavidad para lograr mayorvarias veces dentro de la cavidad para lograr mayorganancia
Filtros+Filtros Ser los utiliza principalmente para discriminar una longitud Ser los utiliza principalmente para discriminar una longitud
de onda (seal) de varias que llegan a un recepetor
En redes WDM son utilizados para verificar que sealEn redes WDM son utilizados para verificar que seal(longitud de onda) tiene asignado un path determinado
RejillasdeDifraccin:Difraction+
Gratings Es un dispositivo que refleja o refracta luz en cierta Es un dispositivo que refleja o refracta luz en cierta
cantidad dependiendo de la longitud de onda que serequieraq
RejillasdeDifraccinenFibra:In+
Fibre Bragg Gratings Es un filtro selectivo de muy bajo costo que tiene un Es un filtro selectivo de muy bajo costo, que tiene un
sinnmero de aplicaciones para reducir el costo de lasredes pticasp
Es un dispositivo que se construye con un pequeosegmento de FO monomodo, de unos pocos centmetrosg , pde longitud, se lo fabrica variando el ndice de refraccindel ncleo de forma uniforme en forma de rejilla
Cavidad Fabry Perot+CavidadFabry Perot Opera como un resonador coherente cuando la distancia Opera como un resonador coherente, cuando la distancia
entre los dos espejos es de una longitud igual a lambda/2la seal se amplifica. Las seales que no resuenan y sonp q yreflejadas hacia afuera de los espejos. Se utiliza estacavidad como lseres y filtros