Comunicaciones por Fibra Óptica (Elo-357)

Comunicaciones por Fibra Comunicaciones por Fibra ÓÓptica ptica ((EloElo--357)357)

Universidad Técnica Federico Santa MaríaDepartamento de Electrónica

2do. Semestre 2007Ricardo Olivares

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ObjetivosObjetivos

Al aprobar la asignatura el alumno:

Podrá analizar los métodos y aplicar las técnicas utilizadas para la generación, propagación y recepción de señales por fibras ópticas.

Podrá desarrollar proyectos de ingeniería de sistemas de comunicaciones por fibra óptica.

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Contenido del CursoContenido del Curso

1. Introducción1.1 Perspectiva Histórica1.2 Componentes de Sistemas de Comunicaciones Ópticas

2. Fibras Ópticas2.1 Tipos de Fibras2.2 Propagación de Ondas en Fibras Ópticas2.3 Dispersión de Fibras Monomodo2.4 Pérdidas en Fibras

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Contenido del CursoContenido del Curso

3. Efectos no lineales en fibras ópticas3.1 Esparcimiento Brillouin estimulado (SBS)3.2 Esparcimiento Raman estimulado (SRS)3.3 Automodulación de fase (SPM)3.4 Modulación de fase cruzada (XPM)3.5 Mezcla de cuatro ondas (FWM)

4. Fuentes ópticas y transmisores4.1 Diodo emisor de luz (LED)4.2 Láser semiconductor (ILD)4.3 Transmisores ópticos

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Contenido del CursoContenido del Curso

5. Detectores Ópticos, receptores y ruido5.1 Fotodiodos (PIN, APD)5.2 Receptores5.3 Ruido

6. Amplificadores ópticos6.1 Conceptos generales6.2 Amplificador a láser semiconductor (SLAs)6.3 Amplificador Raman (FRAs)6.4 Amplificador Brillouin (FBAs)6.5 Amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFAs)

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Contenido del CursoContenido del Curso

7. Sistemas de comunicaciones por solitones7.1 Solitones en fibras y sus propiedades7.2 Amplificación de solitones7.3 Estado del arte

8. Diseño y Desempeño de Sistemas de Comunicaciones Ópticas8.1 Introducción8.2 Consideraciones de diseño8.3 Diseño de sistemas8.4 Causas de penalización de potencia

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Contenido del CursoContenido del Curso

9. Sistemas de comunicaciones multicanal9.1 Multiplexing por división de tiempo (TDM)9.2 Multiplexing por división de longitud de onda (WDM)9.3 Multiplexing de subportadoras (SCM)

10. Sistemas de comunicaciones ópticas de alta capacidad y redes ópticas.10.1 Sistemas WDM por solitones.10.2 Redes ópticas ruteadas en longitud de onda.

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BibliografBibliografííaa

Apuntes/PPT de clases.

G. P. Agrawal “Fiber-Optic Communication Systems”, JohnWiley&Sons, 2002.

G. Keiser “Optical Fiber Communications”, Academic Press, 1989.

P. E. Green, “Fiber Optic Networks”, Prentice Hall, 1993.

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EvaluaciEvaluacióónn

2 Certámenes: 50% (promedio >49%)Tareas: 35%Exposición de un trabajo: 15%

Lista del ramo: lista_elo357@elo.utfsm.clInstrucciones para inscribirse en:http://www.elo.utfsm.cl/~rce/listas.html

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Comunicaciones por Fibra Comunicaciones por Fibra ÓÓpticaptica

Capítulo 1: Introducción

Universidad Técnica Federico Santa MaríaDepartamento de Electrónica

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ÍÍndicendice

1.1 Introducción

1.2 Perspectiva Histórica1.2.1 Evolución de las cinco generaciones de los SCFO1.2.2 Cables Submarinos de Fibra Óptica Instalados

1.3 Componentes de un sistema de comunicaciones por Fibra Óptica

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1.1 Introducci1.1 Introduccióónn

El propósito en los sistemas de telecomunicaciones es transmitir información entre puntos distantes:

Algunas decenas de km (enlaces de corta y mediana distancia).Varios miles de km (enlaces satelitales, enlaces transoceánicos, sistemas globales, etc).

La información es transportada por ondas electromagnéticas, cuya frecuencia (frecuencia portadora: fc) puede variar entre:

Algunos MHz (RF) Cientos de THz (enlaces ópticos).Por ejemplo:

Sistemas de cable coaxial : fc ∼ 100 MHzSistemas de microondas: fc ∼ 10 GHzComunicaciones ópticas: fc ∼ 200 THz (infra rojo visible)

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1.1 Introducci1.1 Introduccióónn

Los sistemas de comunicaciones por fibra óptica se caracterizan por emplear, como medio de transmisión, la fibra óptica. Este canal de transmisión ofrece otras ventajas:Baja atenuación: 0.2 dB/km en 1.55 µm (∼ 200 THz),

comparada con: 2.5 dB/Km a 1 MHz (en cable coaxial)50 dB/Km a 1 GHz (en cable coaxial)

Alta capacidad de transmisión de información (ancho de banda): ∼Tb/sPequeño tamaño y peso.Inmunidad a la interferencia em (EMI y EMP)Aislación eléctrica (vidrio)Confiabilidad (total confinamiento de las señales)

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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica

El uso de la luz (señales luminosas) con propósito de comunicación es tan antiguo como la historia de la humanidad:

Señales de fuego, humo (culturas aborígenes, griegos, etc)Banderas.Semáforos.

1792:Siguiendo la idea de Claude Chappe, se comienzan a enviar mensajes codificados empleando señales luminosas. Con el uso de estaciones repetidoras/regeneradoras (en el límite del alcance del ojo humano) se consiguen grandes distancias (~100 km). Para estos sistemas rudimentarios, la velocidad de transmisión (B: bit rate) es <1 b/s

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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica

1830: Telegrafía.Señales eléctricas reemplazan a las señales luminosas. Se da inicio a la era de las comunicaciones eléctricas:~ 1000 km, B ∼ 10 b/s (Código Morse señales digitales)

1876: Telefonía.Transmisión de señales analógicas por par trenzado.

1895: Descubrimiento de la radiación electromagnética por Heinrich Hertz.

1895: Primera demostración de enlace de radio por Marconi.

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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica

1940:1er sistema a cable coaxial en 3 MHz (300 canales de voz o 1 canal de TV). Las pérdidas del cable, dependientes de la frecuencia, limitan el ancho de banda de estos sistemas.

1948:1er sistema a microondas: 4 GHz (∼ 100 Mb/s)

1975:Sistema a cable coaxial operando a 274 Mb/s. Su gran limitación está en la pequeña distancia entre repetidores (∼1 km) encareciendo el sistema.

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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica

En la figura 1.1 se muestran distintas regiones del espectro electromagnético que son usadas por los sistemas de comunicaciones, y sus aplicaciones:

El espectro óptico se extiende desde los 50 nm (luz ultravioleta) hasta alrededor de los 100 um (luz infra-roja). El espectro visible va desde los 400 nm a los 700 nm.El espectro que cubre las comunicaciones por fibra óptica Va desde los 800 nm (límite con el visible) hasta alrededor de los 2.55 um (infra-rojo)

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Fig.1.1: Ejemplos de aplicaciones de sistemas de comunicaciones y su ubicación en el espectro electromagnético.

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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica

Aún cuando los sistemas de microondas permiten mayores distancias entre repetidoras, su limitación se encuentra en la máxima velocidad de transmisión de datos (B) permitido por sus frecuencias portadoras.

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Capacidad de un sistema de comunicación:

El gráfico de la Figura 1.2 muestra la evolución en el tiempo del producto BL, como consecuencia del desarrollo tecnológico de los diferentes sistemas de comunicaciones.

B velocidad de transmisión

L distancia entre repetidores

BL (bits/s) - km

1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica

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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica

Fig. 1.2 Incremento del producto BL en el tiempo. Las nuevas tecnologías son indicadas en círculos llenos.

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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica

Fue durante los años 60s, en particular después del invento del Láser (1960) y de la fibra óptica (1966), que las comunicaciones ópticas se potenciaron para posteriormente (en la década del 70) venir a incrementar en varios órdenes de magnitud el producto BL.

El desenvolvimiento simultáneo de fuentes ópticas coherentes y fibras de baja atenuación, llevaron a un rápido desarrollo de los sistemas de comunicaciones por fibra óptica (SCFO).

La Figura 1.3 muestra el progreso de estos sistemas, durante el período 1974-1992, identificando las denominadas cinco generaciones de los SCFO.

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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica

Evolución de las cinco generaciones de los sistemas de comunicaciones por fibra óptica

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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica

Incremento en la capacidad (B) de los Sistemas Ópticos después de los 80s. La aplicación comercial sigue a la investigación.

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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica

Incremento del producto BL en el período 1975-1980, a través de las varias generaciones de los SCOs.

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1.2.1 Evoluci1.2.1 Evolucióón de las cinco generaciones de los n de las cinco generaciones de los SCFOSCFO

2.4 Gb/s12000 km

Fibras Sólitons

Pulsos Sólitons1.555ª

10 Gb/s1500 km

Monomodo y baja

dispersión

Uso de EDFAs, Técnicas WDMDetc. Coherente

1.554ª

4 Gb/s100 km

MonomodoDisp. Desplaz(0.2 dB/km)

Láser Semic.monomodo

1.553ª

2 Gb/s50 km

Multimodo y Monomodo(0.5 dB/km)

Láser Semic.basado en InGaAsP

1.302ª

50-100 Mb/s sobre 10 km

Multimodo∼ 5 dB/Km

LEDs de GaAsFotodetector SiDetec. Directa

0.801ª

B-LCaracterísticasFibra

Dispositivosλ [µm]Generación

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1.2.1 Evoluci1.2.1 Evolucióón de las cinco generaciones de los n de las cinco generaciones de los SCFOSCFO

1ª Generación: Opera en 800 nm, usando fuentes ópticas basadas en GaAs, fotodetectores de silicio y fibras multimodo. Se consiguen velocidades de transmisión en el rango de 50 – 100 Mb/s, con distancias entre repetidores de alrededor de 10 km. (BL ∼ 500 [Mb/s-km])

2ª Generación: Opera en 1.3 µm, en fibras multimodo y monomodo, usando fuentes ópticas basadas en InGaAsP (laserssemiconductores). Debido a la menor atenuación en esta longitud de onda (0.5 dB/km), el espaciamiento entre repetidores es extendido a 50 km. Se consiguen velocidades de transmisión del orden de 2 Gb/s.

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1.2.1 Evoluci1.2.1 Evolucióón de las cinco generaciones de los n de las cinco generaciones de los SCFOSCFO

3ª Generación: Opera en 1.5 µm, donde la fibra exhibe la menor atenuación (∼0.2 dB/km). La limitación la presenta la considerable dispersión de la fibra en esta región. Usando fibras con dispersión desplazada y lasers semiconductores monomodo, se consiguen velocidades de transmisión de 4 Gb/s sobre distancias de más de 100 km.

4ª Generación: Se caracteriza por el uso de técnicas de multiplexing (WDM) y amplificación óptica (EDFA), que permiten aumentar la velocidad de transmisión y la distancia entre repetidores, respectivamente. El empleo de detección coherente y fibra de baja dispersión permite contrarrestar los efectos de dispersión. Se consigue transmitir a 10 Gb/s sobre distancias de más de 1500 km.

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1.2.1 Evoluci1.2.1 Evolucióón de las cinco generaciones de los n de las cinco generaciones de los SCFOSCFO

5ª Generación: Transmisión de Solitones, pulsos ópticos no-dispersivos que mantienen su forma durante la propagación, que hacen uso de la no-linealidad de la fibra para compensar los efectos de la dispersión cromática. Se ha conseguido transmitir, en laboratorio, solitones a 2.4 Gb/s sobre distancias de 12000 km.

En 1992 la capacidad de los SCFO era de 2.5 Gb/sEn 1996, con la tecnología WDM, el B fue para 40 Gb/sEn 2001 la capacidad de los sistemas DWDM excede los 1.6 Tb/s

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1.2.2 Cables Submarinos de Fibra 1.2.2 Cables Submarinos de Fibra ÓÓptica ptica InstaladosInstalados

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1.2.2 Cables Submarinos de Fibra 1.2.2 Cables Submarinos de Fibra ÓÓptica ptica InstaladosInstalados

Avances recientes y tendencias.

Durante los 2 últimos años, la capacidad de las redes ópticas submarinas han experimentado un significativo desarrollo.

Existe una red óptica global, de 250.000 km de extensión, con una capacidad para 2.56 Tb/s (64 canales WDM a 10 Gb/s, en 4 pares de fibra óptica) programada para entrar en operación a fines del 2002.

En 2001 fueron presentados trabajos en conferencias internacionales demostrando la operación de sistemas ópticos operando a 10 Tb/s.

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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de ComunicacionesSistema de ComunicacionesÓÓpticas DWDMpticas DWDM

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Como todo sistema de comunicación, éste se compone de un transmisor, un canal de comunicación (fibra óptica) y un receptor, según la disposición de la figura 1.4:

TransmisorÓptico Canal Receptor

Óptico

Entrada Salida

Fig 1.4 Sistema de comunicación óptico genérico

1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas

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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas

Transmisor óptico:

Controlador:Generalmente lo constituye la fuente de alimentación que, en ausencia de modulador externo, permite también modular la fuente óptica (control sobre la inyección de corriente) con la señal de entrada.

Controlador(alimentación)

Fuente Óptica Modulador Acoplador

Entrada(Eléctrica)

Salida(Óptica)

Fig. 1.5: Transmisor óptico

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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas

Transmisor óptico:

Fuente Óptica:Dispositivos de ley cuadrática: ∆Ielec ∆Pot.Op.Diodos emisores de luz (LED) (<-10 dBm) (multimodo)Láser semiconductor (0-10 dBm; mayor capacidad de modulación, mayor pureza espectral.)

Controlador(alimentación)

Fuente Óptica Modulador Acoplador

Entrada(Eléctrica)

Salida(Óptica)

Fig. 1.5: Transmisor óptico

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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas

Transmisor óptico:

Acoplador:

Microlentes para focalizar la luz en la entrada de la fibra.

Controlador(alimentación)

Fuente Óptica Modulador Acoplador

Entrada(Eléctrica)

Salida(Óptica)

Fig. 1.5: Transmisor óptico

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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas

Receptor óptico:

Fotodetector:Dispositivo de ley cuadrática: ∆Pot.Op ∆Ielec.Fotodiodo semiconductor PIN.Fotodiodo de Avalancha (APD) (mayor sensibilidad)[0.8-0.9] µm: Fotodetectores Si.[1.1-1.6] µm: Compuestos de InGaAs

Acoplador Fotodetector Demodulador

Controlador

Entrada(Óptica)

Salida(Eléctrica)

Fig. 1.6: Receptor óptico

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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas

Receptor óptico:

Demodulador:Dependerá de los formatos de modulación:- Heterodino u Homodino: Sist. Coherentes (ASK, FSK, PSK)- Detección Directa (IM/DD) para modulación OOK.

Acoplador Fotodetector Demodulador

Controlador

Entrada(Óptica)

Salida(Eléctrica)

Fig. 1.6: Receptor óptico

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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas

Canal: Medio de transmisión Fibra Óptica

Guías de ondas para frecuencias ópticas.En general, podrán ser del tipo:

MultimodoMultimodoMonomodoMonomodo

- Sus características estructurales (composición y geometría) determinarán sus propiedades de transmisión: Modos(configuración de líneas de campo EM)

• Índice escalonado• Índice gradual• Otro