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CAPITULO II

FUNDAMENTOS DE LA TRANSMISIÓN POR FIBRA

ÓPTICA

1B&Z TELECOM-SEPTIEMBRE 2014

Temas Principales

El Espectro Electromagnético: Ventanas de Transmisión Óptica.

Refracción.

Reflexión Interna Total.

Reflexión de Fresnel.

Modos de Propagación.

Tipos de Fibra Óptica: Multimodo y Monomodo.


Longitudes de ondas mas largas requieren menos energía para la propagación. Longitudes de ondas mas cortas permiten transportar mas información. Las zonas espectrales de trabajo o “ventanas” en las que se centran los desarrollos

actuales de los sistemas de transmisión por fibras ópticas son los correspondientes al infrarrojo próximo.

Las “ventanas” de transmisión son rangos de longitudes de onda que hoy son posibles de generar, transmitir y detectar con máxima eficiencia. Cada ventana esta centrada alrededor de una longitud de onda típica de operación.

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El Espectro Electromagnético (EM)

Ventana de Transmisión Longitud de Onda de Operación

800nm~900nm (1ra Ventana) 850nm

12600nm~1360nm (2da Ventana) 1300nm (Multimodo)1310nm (Monomodo)

1500nm~1600nm (3ra Ventana) 1550nm

El Espectro Electromagnético (EM)

La frecuencia y longitud de onda están relacionadas por la siguiente Ecuación.

Donde:

= Longitud de Onda, m.

v = Velocidad, m/s.

f = Frecuencia, Hz.

Ancho de banda en el dominio de la frecuencia y en el dominio de la longitud de

onda.


Teoría de Rayos (Óptica Geométrica)

La luz se considera como un rayo.

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Los rayos se propagan siguiendo una trayectoria rectilínea, a menos que sean desviados

por algún cambio en el medio.

En el vacío los rayos se propagan a una velocidad c=3x108 m/s. En cualquier otro medio,

los rayos se propagan a una velocidad inferior, determinada por:

𝑣=𝑐𝑛

Donde n : índice de refracción del medio.

El Índice de refracción es una medida de la densidad del material.

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Reflexión y Refracción de la Luz

En el plano que limita a dos medios diferentes,

una parte de la energía del rayo incidente se

refleja con un ángulo igual al ángulo de

incidencia. La otra parte de la energía del rayo

incidente se refracta (cruza de un medio al otro)

con un ángulo de refracción determinado por la

Ley de Snell:

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El rayo refractado se desvía hacia la normal

cuando pasa de un medio que tiene un índice

de refracción menor a un medio que tiene un

índice de refracción mayor.


Normal

Rayo Refractado

Rayo Reflejado

Rayo Incidente

Interface Índice bajo n2 (aire)

Índice alto n1 (vidrio)

ft

fi : Ángulo de incidencia

fr: Ángulo de Reflexión

ft: Ángulo de Refracción

fr

fi = fr

fi

a) Reflexión Interna Parcial n2 < n1

Reflexión Interna Parcial

El rayo refractado se desvía alejándose de

la normal cuando pasa de un medio que

tiene un índice de refracción mayor a un

medio que tiene un índice de refracción

menor.


Normal

Rayo Refractado

Rayo Reflejado

Rayo Incidente

Interface

Índice bajo n2 (aire)

Índice alto n1 (vidrio)

ft


fr: Ángulo de Reflexión

ft: Ángulo de Refracción

fr

fi = fr

fi

b) Reflexión Interna Parcial n1 > n2

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Donde: Фc es el ángulo critico que origina un ángulo de refracción de 90° respecto a la normal.

Ángulo Crítico

Para un determinado ángulo de incidencia

denominado «Angulo Critico», el rayo refractado

forma un ángulo de 90° con la normal (es decir

no se propaga en el segundo medio).


Normal

Rayo Incidente

Interface


Índice alto n1 (vidrio) fc

Senfc =n2/n1

Reflexión Interna Total

Cuando el ángulo de incidencia es mayor

que el ángulo crítico, el rayo se refleja

totalmente.


Normal

Rayo ReflejadoRayo

Incidente

Interface


Índice alto n1 (vidrio) frfi


fc: Ángulo Críticofi > fc

Reflexión Interna Total

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Los rayos luminosos se propagan por reflexiones internas totales sucesivas.

Se escoge el índice de refracción del núcleo mayor que la del revestimiento para reflejar

los rayos luminosos en ángulos pequeños.


Componentes de la Fibra Óptica

La luz se propaga en el núcleo.

Muchas fibras son totalmente de vidrio, pero

algunas son hechas de plástico (núcleo de

vidrio/revestimiento de plástico y todo de plástico).

La luz es atrapada en el núcleo por el revestimiento

óptico.

El recubrimiento primario protege a la fibra de la

humedad o el daño.



Núcleo

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Diámetros típicos :

Vidrio: 9 m, 50 m, 62.5 m y 100 m.

Plástico: 1000 m.

Transporta la luz a través de la fibra óptica.

Es la parte mas pequeña y mas frágil de la fibra óptica.

Hecho de vidrio o plástico.

Durante su fabricación se añaden impurezas para controlar el índice de

refracción.



Revestimiento

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Diámetros Típicos:

125 m y 140 m.

Rodea y protege el núcleo.

Tiene un índice de refracción mas bajo que el núcleo para la reflexión interna

total.

Revestimiento de vidrio fabricado con núcleo de vidrio en estado permanentemente

fundido.



Recubrimiento Primario

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Diámetros Típicos:

250 m o 500 m.

La verdadera capa protectora.

Hecho de plástico o acrilato.

Esencial para fibras totalmente de vidrio.

No contribuye a la capacidad para guiar la luz.


• Diferencia de Índice de Refracción Relativa () Es la diferencia relativa entre el índice de refracción del núcleo y el índice de refracción del revestimiento. Se expresa como:


• Perfil de Índice de RefracciónEl perfil de índice de refracción del núcleo define la forma en que varía su índice de refracción con respecto al centro de la Fibra.Se distinguen dos tipos de fibras según su perfil de índice de refracción, estos son: fibra de Índice Escalón y fibras de Índice Gradual.


Sección Transversal y Perfil de Índice de Refracción de las Fibras

Ópticas


• Angulo de Aceptancia y Apertura Numérica (AN)Es el ángulo máximo con respecto al eje de la fibra con el cual un rayo de luz puede incidir sobre la superficie frontal de la fibra para que sea propagada por reflexión interna total dentro del núcleo. Al seno (trigonométrico) del ángulo de aceptancia se le denomina APERTURA NUMERICA (AN). Determina la capacidad de captacion de luz de la fibra optica.

Reflexión de Fresnel

Reflexión de una parte de la luz incidente entre dos medios homogéneos que tienen

índices de refracción diferentes.

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Considerado como una atenuación en los sistemas de fibra óptica.

La parte de luz que se refleja se mide a través del coeficiente de reflexión de

Fresnel.

Donde: = Coeficiente de Reflexión de Fresnel.

n = índice de refracción del medio.


Modos de Propagación Trayectos potenciales que la luz puede seguir en una fibra. Desde la teoría de campos un modo

de propagación es una configuración de campo permisible para una determinada estructura de

guía de onda que satisface las ecuaciones de Maxwell y todas las condiciones de contorno. Un

modo tiene la propiedad que su distribución espacial no cambia con la propagación.

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Para obtener los modos de propagación en una fibra óptica de índice escalón, debemos

resolver las ecuaciones de onda.


Modos de Propagación Fibra Monomodo

La operación monomodo ocurre únicamente encima de una longitud de onda de corte

teórica λc dada por:

• Muchas propiedades del modo fundamental son determinadas por el alcance radial de su campo electromagnético, incluyendo perdidas en la inyección de luz, empalmes, micro-curvaturas y dispersión de guía de onda. Este alcance se mide por el diámetro de campo modal (MFD: Mode Field Diameter).

• La fracción de potencia contenida en el núcleo está dado por el factor de confinamiento “r”.

1-w es el radio de campo modal (MFD/2).• Area Efectiva del Nucleo=πw2


Dimensión del spot normalizado w/a como una función del parámetro V obtenido por fijar el modo fundamental de fibra a una distribución Gaussiana.


Tipos de Fibras Ópticas

Definido por el diámetro del núcleo y la composición del material.

Por el tipo de perfil de índice de refracción:

Escalón y Gradual.

Por el numero de modos de propagación:

Multimodo y Monomodo.



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Multimodo índice escalón

Tiene el núcleo bastante grande que

transmite múltiples modos o rayos de luz.

La luz toma muchos trayectos.

Tienen el mismo índice de refracción en

todo el núcleo, que hace que los modos se

propaguen en líneas rectas.

Algunos trayectos son mas largos, creando

dispersion modal.


*1: Perfil de Índice de Refracción*2: Diferencia de Índice de Refracción Relativa *3 : Apertura Numérica (AN): 0.20 (50/125um), 0.275 (62.5/125um).


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Multimodo índice gradual

El núcleo y el revestimiento están

separados por índices de refracción

que disminuyen gradualmente.

La velocidad de la luz aumenta

conforme se reduce el índice de

refracción.

Trayectos más largos son atravesados

en velocidades más altas, reduciendo

la dispersión modal.


*1: Perfil de Índice de Refracción*2: Diferencia de Índice de Refracción Relativa *3 : Apertura Numérica (AN): 0.20 (50/125um), 0.275 (62.5/125um).


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Monomodo índice escalón

Tiene el núcleo tan pequeño que es

posible sólo un modo de propagación.

El desempeño depende de la longitud de

onda de luz.

Parte de la luz se propaga por el

revestimiento. *1: Perfil de Índice de Refracción*2: Diferencia de Índice de Refracción Relativa *3 : Apertura Numérica (AN): 0.14 (8.3/125um).


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