FIBRAS OPTICAS

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FACULTAD DE INGENIERÍA
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CAPITULO 1
ASPECTOS FUNDAMENTALES DE
LA FIBRA OPTICA
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1. GENERALIDADES DE LA FIBRA
ÓPTICA
1.1 INTRODUCCIÓN.
A lo largo de la historia de la humanidad el hombre ha creado diversas
formas de comunicación, las cuales han sido muy útiles para su desarrollo personal
y social. En su necesidad de comunicarse se ha enfrentado a vencer distancias para
poder expresar sus ideas y pensamientos, la mayoría de las civilizaciones han
utilizado diversos métodos de comunicación, tales como: pinturas rupestres,
jeroglíficos, señales de humo, papiros, palomas mensajeras,), entre otros.
En la actualidad, los sistemas clásicos de comunicación utilizan señales
eléctricas soportadas por cable coaxial, radio, etc., según el tipo de aplicación. Estos
sistemas presentan algunos inconvenientes que hacen necesario buscar otras vías
para la transmisión de información. Un sistema alternativo es el uso de energía
luminosa, a través de la fibra óptica.
La transmisión de información a través de la atmósfera está limitada por las
condiciones atmosféricas que determinan la transparencia del medio y, por tanto, la
atenuación. De todas formas, la atenuación a través de la atmósfera es elevada.
Por ello es preferible evitar estas restricciones obligando a la luz a propagarse por
el interior de un canal limitado perfectamente, de forma que sus características de
propagación sean confiables, estables y tenga la capacidad de soportar las
perturbaciones que existen en el medio ambiente. Esto conlleva a la evolución hacia
los sistemas de comunicación por fibra óptica.
Los acontecimientos importantes en la evolución de los sistemas de
comunicación están resumidos en la Figura 1.1, donde se muestra el incremento
del producto BL, tasa de transmisión (bits/s) –distancia (Km), durante el lapso 18602000.
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Figura 1.1. Evolución de la capacidad de los sistemas de comunicación. Donde B es
la tasa de transmisión y L es la longitud de enlace. El incremento está definido: tasa
x distancia, expresada en bits transmitidos por segundo (bits/s) y Kilómetros (Km) –
Producto BL Vs Año.
En la segunda mitad del siglo XX se advirtió que utilizar luz como
medio de transporte de información podía incrementar significativamente la
capacidad de los sistemas de comunicación. Un Sistema de Comunicaciones es
aquél que sirve para transmitir información de un lugar a otro, ya sea que estén
separados por unos cuantos metros o por distancias intercontinentales. Los
sistemas de comunicación ópticos utilizan fibras ópticas como líneas de transmisión
su inmunidad a la interferencia ha contribuido para que éstos tengan su principal
aplicación en el sector de las telecomunicaciones a largas distancias y el incremento
de la capacidad de transmisión de los sistemas ópticos.
Un enlace de datos de fibra óptica se compone de tres elementos (Figura
1.2):
1. Una fuente de luz en un extremo (láser o un diodo emisor de luz [LED]),
incluyendo un conector u otro mecanismo de alineación para conectar a
la fibra. La fuente de luz recibirá su señal de la electrónica de apoyo para
convertir la información eléctrica a la información óptica.
2. La fibra (conectores o empalmes a partir de un punto a otro), transporta
esta luz a su destino.
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3. El detector de luz en el otro extremo con una interfaz de conector a la
fibra. El detector convierte la luz entrante a una señal eléctrica,
produciendo una copia de señal eléctrica original.
Receptor
óptico
Transmisor
óptico
FIBRA ÓPTICA
Figura 1.2. Enlace de datos de fibra óptica
Un sistema óptico de comunicaciones se diferencia de un sistema de
microondas únicamente por el rango de frecuencias de sus ondas portadoras.
Para entender este tipo de sistemas es necesario estudiar los principios que
se encuentran implícitos en ellos, por lo que es importante realizar una breve
explicación de la teoría básica de la fibra óptica que nos ayude a comprender y
evaluar los diferentes parámetros que intervienen en los enlaces de comunicaciones
ópticas.
1.2 HISTORIA DE LA FIBRA OPTICA.
Desde el inicio de los tiempos la comunicación entre los seres vivos ha sido
indispensable, tanto para la subsistencia individual como para la propia especie.
Hoy en día las telecomunicaciones engloban a todos aquellos sistemas, equipos y
métodos que facilitan la transmisión de información, generalmente por métodos
electrónicos.
A continuación se describe cronológicamente como ha sido el desarrollo que
se ha tenido en el campo de las fibras ópticas:
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 1870 Tyndall demostró que la luz podía ser conducida dentro de un chorro
de agua.
 1880 Alexander Graham Bell estudió la posibilidad de transmitir la palabra en
un rayo de luz.
 1910 Hondros y Debye estudian el aspecto de la guía de onda dieléctrica.
 1920 Shriever experimenta con la guía de onda dieléctrica.
 1934 Norman Frech hizo el primer intento de conducir la luz con fines de
aplicación, en Estados Unidos. Construyó un teléfono óptico y logra transmitir
audio a distancias muy cortas utilizando barras de vidrio rígidas.
 1954 Van Heel, Hopking y Kapany desarrollan la guía de onda dieléctrica
recubierta.
 1958 A. Schalow y Charles Hard Towne inventan el rayo láser.
 1959 T. Malman desarrolla la primera aplicación del láser en HUGHES
RESEARCH LABORATORIES.
 1962 Se desarrollan el LASER semiconductor y fotodiodos semiconductores.
 1960's Experimentos de ondas de luz para transmisión en
telecomunicaciones. Charles Kao y G. Hokman sugieren que se utilice la fibra
óptica como medio de comunicación. Para esto debería de lograrse una
atenuación de 20 db/Km contra los 1000 db/km que se tenían en el año de
1966.
 1970 La firma Corning Glass Work obtiene una fibra con atenuaciones de 20
dB/km.
 1971 Desarrollo del láser de onda continua.
 1972 El nivel de atenuación de la fibra fabricada entonces llegó a alcanzar
valores de 4 dB/km. Desarrollo de fibras con núcleo líquido.
 1973 Corning desarrolla fibra óptica con atenuación de 2 dB/km.
 1976 Se instala en Alemania una red de Servicios Integrados (ISDN), con
cobertura de 2.1 km.
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 1977 MIT desarrolla una fibra con 0.2 dB/km. Experimentos prácticos en
Canadá por Bell-Northern.
 1989 Se ha logrado fabricar Fibra Óptica con niveles de atenuación muy
bajos, del orden de 0.16 dB/km y con perfiles de índice de refracción
excelentes, lográndose por consecuencia, anchos de banda muy grandes.
Todos estos logros se deben al desarrollo acelerado en el área de fibras
ópticas, en el que se encuentran comprometidos los principales fabricantes de
equipos de telecomunicaciones en el mundo.
Las características de los elementos que forman el sistema de fibras ópticas
no solamente han alcanzado valores óptimos de rendimiento propuestos por
laboratorios de investigación, sino que son capaces de satisfacer exigentes
requisitos físicos y de confiabilidad para aplicaciones que soporten el crecimiento
de las telecomunicaciones.
1.3 GENERACIONES DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES.
Después de la segunda guerra mundial, se comenzó a estudiar la posibilidad
de usar portadoras ópticas para la transmisión de señales, lo que permitiría
aumentar significativamente el producto BL (tasa de transmisión (bits/s) –distancia
(Km)). En los años 60 surgió el láser de gas y la fibra óptica (con una atenuación de
más de 1000 dB/Km.). En los años 70, las fibras ópticas se mejoraron presentando
pérdidas de 20 dB/Km, y los diodos láseres de semiconductores de arseniuro de
galio (GaAs) funcionaban a la temperatura ambiente. A partir de ahí, los sistemas
de comunicaciones por fibra óptica comenzaron a popularizarse; de 1974 hasta hoy,
fueron desarrolladas 5 generaciones sistemáticas, cuyas principales características
se describen a continuación:
 La primera generación de los sistemas de comunicación por fibras ópticas
usaban láseres y LEDs de AlGaAs (arseniuro de galio-alumnio), como
fuentes ópticas en la región de 850 nm, fibras multimodo de índice gradual y
fotodiodos del tipo PIN y APD de Si.
 La segunda generación surgió en el inicio de los años 80. De entrada se
usaron láseres y fotodetectores de fosfato de indio (InP), En 1981, se logró
una transmisión de 2 Gb/s sobre 44 Km usando fibra monomodo. En 1987
los sistemas comerciales de la segunda generación usaban fibra monomodo,
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operaban en 1300 nm con una tasa de 1.7 Gb/s sobre una distancia de 50
km. El espaciamiento entre los repetidores de los sistemas de la segunda
generación era limitado por las todavía las altas pérdidas de la fibra (1
dB/Km.).
 En 1990, fue posible obtener sistemas comerciales de la tercera
generación. Estos sistemas operan en 1550 nm con una tasa de 2,4 Gb/s.
A través de un proyecto cuidadoso de los transmisores y receptores ópticos
es posible extender la tasa hasta 10 Gb/s. En estas velocidades una
limitación básica es la modulación directa causando el ''chirp'' (gorjeo) de la
fuente óptica. En presencia de la dispersión de la fibra esos efectos degradan
el desempeño del sistema. La mejor alternativa es usar fibras con dispersión
desplazada juntamente con láseres estrictamente monomodo.
 La cuarta generación de sistemas de comunicación por fibra óptica está
relacionada con el aumento de la capacidad de transmitir información a través
del uso de la multicanalización aprovechando el ancho de banda de la fibra
óptica; se usan dos técnicas de multiplexación por división de longitud de
onda (WDM), actualmente la primera se le llama CWDM (Multiplexación por
división en longitudes de ondas ligeras), es decir es un sistema WDM con
menos de ocho longitudes de onda activas por fibra, mientras que a la
segunda se le conoce como multiplexación por división de longitud de onda
densa (DWDM), manejando más de ocho longitudes de onda activas por
fibra.
 La quinta generación de sistemas de comunicación por fibras ópticas se
halla en estado de investigación y desarrollo. Está basada en la propagación
de “solitons”, pulsos ópticos que preservan su forma cuando se propagan en
una fibra sin pérdidas, neutralizando el efecto de la dispersión a través de la
no linealidad de la fibra.
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1.4 ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LA FIBRA ÓPTICA.
Los sistemas clásicos de comunicación utilizan señales eléctricas soportadas
por cable coaxial, radio, etc., según el tipo de aplicación. Estos sistemas presentan
algunos inconvenientes que hacen necesario buscar otras vías para la transmisión
de datos.
Los sistemas de comunicación por fibra óptica utilizan la energía luminosa
como soporte. Presentan un conjunto importante de ventajas sobre otros soportes
utilizados en la transmisión de señales analógicas y digitales. Entre ellas están:
 Gran Ancho de Banda (BW).- Lo que permite la transmisión de un gran
volumen de información.
 Coeficiente de Atenuación Bajo.- Permite realizar enlaces de mayor
longitud sin necesidad de repetidores. La atenuación depende del tipo de
fibra óptica y de la longitud de onda utilizada.
 Inmunidad a Interferencias Electromagnéticas (EMI).- La fibra óptica es
absolutamente
inmune
a
las
radio-interferencias
e
impulsos
electromagnéticos, presentando un menor índice de errores en la transmisión
de señales digitales. Esto es de gran importancia en aplicaciones de control
industrial donde se genera gran cantidad de ruido.
 Seguridad y Aislamiento Eléctrico.- En determinadas aplicaciones para
ambientes peligrosos (ambientes explosivos o inflamables) o en
electromedicina, las fibras ópticas son imprescindibles debido a la
imposibilidad de producir descargas eléctricas o chispas.
 Menor Peso y Volumen.- Comparando las fibras ópticas y los cables
coaxiales necesarios para obtener las mismas prestaciones, las primeras
ocupan un volumen muy inferior y tienen menor peso.
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 Seguridad Frente a Posibles Intervenciones de la Línea.- Aunque no es
imposible ‘pinchar’ una fibra óptica, esto es más difícil que en otros soportes
y normalmente se puede detectar la intervención.
1.4.1. FIBRA ÓPTICA.
La fibra óptica (FO) es un fino filamento de vidrio fabricado a base de material
cristalino (arena silica) excedente en la superficie terrestre. Permite la propagación
de la luz con la mínima atenuación.
Medio físico que transporta señales sobre la base de la transmisión de luz,
para que esto ocurra, se necesita que a los extremos de ésta existan dispositivos
electrónicos que de un lado envíen la información en forma de rayos de luz, y del
otro lado haya un interpretador de esta información que reciba y decodifique la
señal; la FO se compone frecuentemente de filamentos de vidrio de alta pureza,
muy delgados y flexibles, cuyo grosor es similar al de un cabello humano (de 2 a
125micras).
Puede ser definida como una rama de la óptica con división en la
comunicación, para la transmisión de la luz y frecuencias infrarrojas generadas por
un LASER o LED'S a través de fibras transparentes de vidrio o de plástico.
La FO es esencialmente un medio “transparente” para las radiaciones
electromagnéticas situadas en la banda visible y en el infrarrojo cercano. Esto quiere
decir que la atenuación que sufre la luz al circular dentro de la fibra es muy baja.
Este medio de transmisión óptico se comporta como una guía de onda, lo cual
permite la propagación de ondas electromagnéticas longitudinalmente. Es decir,
una vez que la luz es insertada por uno de los extremos de la fibra, circula siempre
en su interior reflejándose o “rebotando” contra las paredes, hasta alcanzar el
extremo opuesto. El cable de Cobre es también una guía de onda pero para
frecuencias menores.
1.4.2. ESTRUCTURA.
La fibra óptica se compone de tres partes fundamentales: Núcleo,
Recubrimiento y Revestimiento Primario (ver Figura 1.3)
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Núcleo (core). Está formado por un un hilo de
vidrio fabricado con SiO2 (óxido de silicio)a través
del cual viaja la señal luminosa. De 8 a 62,5 μm de
diámetro.
Revestimiento (cladding). Es un tubo de vidrio
fabricado con SiO2, de distinta densidad óptica
que el núcleo.
Su función es asegurar la conducción de la luz en
el interior del núcleo. Confina la luz dentro del
núcleo. De 125 μm de diámetro.
Recubrimiento (coating). Es un buffer o
amortiguador de plástico. Protege al núcleo y al
revestimiento de cualquier daño. De 245 μm de
diámetro.
Figura 1.3. Partes componentes de la Fibra Óptica.
1.4.3 TIPOS DE FIBRA.
En esencia hay tres variedades de fibra óptica en base a su composición que se
usan en la actualidad. Las tres se fabrican con vidrio, plástico o una combinación de
vidrio y plástico. Estas variedades son (la Tabla 1.1 las muestra en forma resumida):
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1. Núcleo y Revestimiento de Plástico (llamada con frecuencia fibra POF, plasticoptic fiber o fibra óptica plástico  Plástico-Plástico).
2. Núcleo de Vidrio con Revestimiento de Plástico (llamada con frecuencia fibra
PCS, plastic-clad silica o sílice revestido con plástico  Vidrio-Plástico).
3. Núcleo de Vidrio y Revestimiento de Vidrio (llamada con frecuencia SCS,
silica-clad silica o sílice revestido con sílice  Vidrio-Vidrio).
Tabla 1.1.Tipos de fibra.
Núcleo
Plástico
Vidrio
Vidrio
Revestimiento
Plástico
Plástico
Vidrio
Nota: La configuración PLASTICO- VIDRIO no cumple aspectos de física de
propagación.
En la actualidad, en Laboratorios Bell se investiga la posibilidad de usar una
cuarta variedad que usa una sustancia no silícea, el cloruro de zinc. Los
experimentos preliminares parecen indicar que esta sustancia será hasta 1000
veces más eficiente que el vidrio, su contraparte a base de sílice.
La selección de una fibra para determinada aplicación es función de los
requisitos específicos del sistema. Siempre hay compromisos basados en la
economía y la logística en una aplicación determinada.
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1.4.3.1 Fibra Plástico - Plástico.
La fibra tipo plástico-plástico, también denominada fibra óptica plástica (o
POF, por Plastic -o Polymer- Optical Fibre) es un tipo de fibra óptica hecha
esencialmente de plástico; generalmente se construye con un núcleo de
polimetilmetacrilato y un revestimiento de polímeros fluoruros. Fueron unos
investigadores coreanos del Korea Institute of Science and Technology los que
descubrieron que este tipo de fibra era una alternativa económica a la fibra óptica
tradicional (fibra de vidrio).
Una de sus características más importantes es la gran flexibilidad que tiene,
ya que soporta 20 mm de radio de curvatura, lo cual posibilita la conexión en los
hogares, contraponiéndose a la rigidez de la fibra óptica de vidrio. La fibra plástica
(al igual que las fibras de vidrio) no conduce la corriente eléctrica, y por eso puede
ser colocada también en ambientes en los que están presentes vapores o
substancias inflamables y explosivas. A continuación se detallan algunas de las
características y aplicaciones más importantes de este tipo de fibra:
Características:





Son más flexibles,
Alta atenuación,
Distancias cortas,
Bajo costo,
Pesan 60% menos que el vidrio.
Aplicaciones:
Se puede decir que su principal desventaja es su alto coeficiente de
atenuación (no propagan la luz tan eficientemente como el vidrio), por lo que sus
aplicaciones se limitan a distancias relativamente cortas, como puede ser dentro de
un solo edificio o un complejo de edificios. El diámetro del núcleo es mucho mayor
que el de las fibras multimodo construidas con vidrio, tienen una mayor dispersión
modal y por lo tanto tienen un ancho de banda muy pequeño. Además debido a que
el material plástico es mucho menos “transparente” que el núcleo de vidrio de las
fibras ópticas monomodo y multimodo, su atenuación es mucho mayor.
Aproximadamente, una atenuación de 200 dB/km; por lo que su uso está
ampliamente extendido en electrónica automovilística y aeronáutica, en
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instalaciones residenciales entre el punto de acceso (interfaz con el proveedor de
servicios) y los puntos de uso (rosetas o bases de toma). Aunque no es tan rápida
como la fibra óptica tradicional, alcanza una velocidad máxima (hasta 2,5 Gbit/s) lo
cual es un salto cualitativo con respecto al par de cobre (100 Mbit/s). También se
está usando la POF para el control industrial, la iluminación (carteles luminosos), la
medicina, las telecomunicaciones y el mercado aeroespacial, entre otras
aplicaciones.
1.4.3.2 Fibra Vidrio – Plástico
Las fibras con núcleos de vidrio tienen menores coeficientes de atenuación
que las fibras de plástico pero mayores a la tipo SCS, sin embargo son un poco
mejores que estas últimas en relación a la inmunidad a la radiación, y en
consecuencia son más atractivas para aplicaciones militares. A continuación se
detallan sus principales características y aplicaciones:
Características:
Las fibras PCS también se afectan menos por la radiación y,en
consecuencia, tienen mucho más atractivo en las aplicaciones militares.
 Atenuación moderada.
 Distancias medias.
 Costo moderado.
Aplicaciones:
 Enlaces de distribución local
1.4.3.3 Fibra Vidrio - Vidrio.
Las fibras SCS tienen el mejor coeficiente de atenuación y por lo tanto las
mejores características de propagación, siendo más fáciles de terminar (acoplar)
que las PCS; desafortunadamente las fibras tipo SCS son las menos robustas y más
susceptibles a incrementos en su atenuación cuando están expuestas a
radiaciones. A continuación se detallan sus principales características y
aplicaciones:
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Características:
 Largas distancias.
 Alto costo.
 Menor Atenuación.
Aplicaciones:
 Enlaces de comunicación de larga distancia.
Haciendo una comparación entre las fibras de vidrio y las fibras fabricadas
totalmente de plástico, estas últimas son más flexibles, más fuertes, más resistentes
a la presión, son menos pesadas, más sencillas de instalar y su costo es más bajo.
Las desventajas que las fibras de plástico presentan ante las de vidrio es que
las de plástico tienen una mayor atenuación, la propagación de luz es menos
eficiente y solo son utilizadas en redes cortas como instalaciones en un solo edificio.
Ahora bien si se hace una comparación entre la PCS y la SCS, las PCS son
una combinación de vidrio y plástico y las SCS están fabricadas en su totalidad de
vidrio. Cabe mencionar también que a las fibras PCS las afecta menos la radiación
y por lo tanto son mejores para un uso militar. Las fibras SCS tienen menor fuerza
y son más débiles al crecimiento atenuante cuando son expuestas a radiaciones.
1.4.4 VENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE FIBRA OPTICA.
Las ventajas más notables son aquéllas derivadas del gran ancho de banda
y de las bajas pérdidas de la fibra óptica. Existen otras ventajas motivadas por las
propiedades físicas de la fibra óptica. Por ejemplo, la inmunidad a la interferencia
inductiva o eléctrica, la cual la hace idónea para enlaces de telemetría o de datos
en ambientes adversos. La Tabla 1.2 nos muestra algunas propiedades y beneficios
de la fibra óptica como guía de onda.
Tabla1.2. Propiedades y Beneficios al utilizar una fibra óptica.
PROPIEDADES
Bajas Pérdidas.
BENEFICIOS
Menor Número de Repetidores.
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Alto Anchura de Banda
Pequeño Tamaño,
Flexibilidad.
Bajo costo por Canal.
Bajo
precio
y
Facilidad de Instalación y Transporte.
Resistencia a las Radiaciones
No Precisa Apantallamientos.
Inmunidad
a
Electromagnéticas.
Confiabilidad.
Interferencias
Alta Estabilidad con la Temperatura.
Vialidad como Medio de Transmisión en
Condiciones Climáticas Adversas.
Dificultad para Captar sus Emisiones.
Seguridad.
Material Dieléctrico.
Seguridad.
Diámetro Pequeño.
Liviana y Flexible.
A Diferentes Potenciales Eléctricos.
Hace posible, por ejemplo, un Sistema
de Monitoreo Novedoso y Simple para
Instalaciones de Alta Tensión.
Las
Estaciones
Transmisora
y
Receptora se conectan solamente por
Pueden ser Operadas.
medio de un Guía de Onda Óptica que
es Eléctricamente Aislada.
Las Características de Transmisión de
No se Requiere Compensación de
las Guías de Onda Óptica sólo varían
Temperatura.
levemente con la Temperatura.
Las fibras ópticas, con respecto al cobre, representa una serie de ventajas
muy importantes y significativas para los requerimientos y demandas de los
sistemas de comunicaciones actuales. A continuación se comparan algunos de los
parámetros más importantes:

ELEVADO ANCHO DE BANDA.- Con respecto a los cables de cobre pueden
transmitir gran volumen de información a alta velocidad y permiten la
conversación simultánea de un gran número de usuarios. El gran ancho de
banda que se puede disponer en una fibra óptica es hasta los 500 GHz /Km.
en algunos tipos de fibra (ver Tabla 1.3).
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Tabla1.3.Capacidad de transmisión: Par sencillo, Coaxial y fibra óptica.
Tipos de cable
Capacidad de
transmisión de
información
Conversaciones simultaneas
técnicas
Par sencillo
1 Mhz-Km
300
Coaxial
100 Mhz-Km
30,000
Fibra óptica
100 Ghz.Km (*)
30.000,000
(*) Esto ha situado al antiguo concepto de ancho de banda porque en las fibras ópticas
de ancho de banda es apropiadamente infinito y solo se encuentra limitado por las
capacidades del receptor y el transmisor
El empleo del láser y de los LEDS en la comunicación con fibra óptica abre
una ventana del espectro electromagnético en frecuencias 10 mil veces superiores
a las mayores empleadas en las transmisiones de radio, ya que la capacidad
potencial de información se incrementa de modo directamente proporcional a la
frecuencia, el láser hace que sea posible transmitir 1014 bps
 ATENUACIÓN.- Su baja atenuación hasta 0.16 db/Km, la hace un medio
de comunicación mucho muy eficiente. Esto nos permite reducir el número
de repetidores en un enlace (ver Tabla 1.4).
Tabla1.4 Atenuación respecto a los años.
Atenuación
Año
1000 dB/Km
1966
20 dB/Km
1972
4 dB/Km
1973
0.16 dB/Km
1989
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Conforme se desarrollan las técnicas de fabricación de fibras ópticas se
obtienen atenuaciones cada vez más bajas. Actualmente del orden de 0.4 dB/Km.
Para fibras monomodo, con fibras ópticas silicas, y se espera que con las fibras
ópticas a base de fluoruros se logren atenuaciones aún menores.
 INMUNIDAD A LA INTERFERENCIA ELECTROMAGNETICA.La
configuración de los campos electromagnéticos que se propagan en la fibra
óptica es tal que, en la práctica, se produce un completo aislamiento con el
exterior. Así pues, las fibras ópticas no contribuyen a interferir en otros
sistemas, y a la inversa, son inmunes a las interferencias originadas por otros
portadores.
 TAMAÑO Y FLEXIBILIDAD.- Un cable de diez fibras ópticas puede tener un
diámetro exterior de 8 a 10 mm y ofrecer la misma capacidad de información
(aunque con menos repetidores) que un cable coaxial de 10 tubos y 8 cm de
diámetro, o de 5 o 10 cables de 2000 pares de 0.8 mm. La diferencia de
tamaño repercute en el peso y la flexibilidad del cable. Dado que el material
de la fibra óptica es más ligero el ahorro económico, de instalación, y
transporte es mucho mayor.
Un cable multipar TAP 2400 pares de 3.5 Km. de largo pesa
aproximadamente 20,650 Kg. Y requiere de 800 hrs./hombre para instalarlo. Un
cable coaxial para la misma capacidad y longitud pesa aproximadamente 18,200
Kg. y requiere de 400 hrs./hombre. En cambio, un cable de fibra óptica pesa 350
Kg. Y se necesita de tan solo 88 hrs./hombre (ver Figura 1.4).
Cable Multipar
Cable Coaxial
Cable Fibra Óptica
800 horas/hombre
400 horas/hombre
88 horas/hombre
20,650 kg.
18,200 kg.
350 kg.
Figura 1.4. Comparaciones entre cable: Multipar, coaxial y fibra óptica.
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 AISLAMIENTO ELECTRICO.- Las fibras proporcionan un total aislamiento
eléctrico entre el transmisor y el receptor. Esto proporciona ciertas ventajas:
no se precisa una tierra común para el transmisor y el receptor; puede
repararse la fibra aunque los equipos no estén apagados; los cables de fibra
pueden atravesar zonas con fuertes inducciones sin peligro de descarga
eléctrica ni riesgo de que se originen corto circuitos.
 DISTANCIA ENTRE REPETIDORES.- En las líneas de cables de fibras
ópticas los repetidores se hacen menos frecuentes (ver Figura 1.5).
 En un par la velocidad máxima de transmisión de 2 Mbits/seg requiere
repetidores cada 1.5 Km. a 4 Km.
 Un coaxial a la velocidad de transmisión de 140 Mbits/seg requiere
repetidores de 4.65 Km.
 Una fibra óptica a la velocidad de transmisión de 2 Mbits/seg requiere
repetidores cada 9 Km.
 Una fibra óptica a la velocidad de transmisión de 140 Mbits/seg
requiere repetidores cada 25 Km.
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Figura 1.5. Distancia entre repetidores.
 SEGURIDAD.Puesto que las fibras ópticas no radian energía
electromagnética la señal transmitida por ellas no puede ser captada desde
el exterior. Algunas aplicaciones militares se basan en esta propiedad.
 APLICACIONES.- En la actualidad las fibras ópticas tienen toda una gama
de aplicaciones. A continuación se mencionarán las más importantes (ver
Tabla 1.5).
Tabla 1.5. Campos de aplicación y características de las fibras ópticas.
Campos de aplicación
Características
Red de T.V. por cable
Gran ancho de banda
Comunicaciones en instalaciones No hay interferencia electromagnética
de energía -eléctrica
Gran ancho de Banda sin peligro de
Control de plantas nucleares
incendio y de interferencias
electromagnéticas
Enlaces entre computadoras
Armas dirigidas
Transmisiones secretas
Sensores (Presión/Temperatura)
No existe interferencia
electromagnética
Peso pequeño y de ancho de banda
grande
Sin radiación electromagnética
Alta sensibilidad
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Perfeccionó el endoscopio, aparato
que permite explorar el cuerpo
humano
Medicina
Redes telefónicas públicas
Conexión telefónica entre islas
por medio de cable submarino
Automóviles
Gran ancho de banda
Gran ancho de banda y garantiza la
comunicación aún en condiciones
atmosférica adversas
Decrece el peso del cable e
incrementa la velocidad de transmisión
de signos al tablero.
El campo de aplicación de las fibras ópticas es muy amplio y aumenta día a
día. Algunas de las aplicaciones más importantes las encontramos en las siguientes
figuras gráficas 1.6 a),b) y c) donde se observa incrementos y descensos de
porcentajes de diversos sectores al paso de los años.
Mientras que el precio del cable de cobre aumenta cada año, en los sistemas
de fibra óptica la tendencia es a la inversa; además, la investigación en estos
campos es intensa y hay continuos progresos. Por eso es previsible que en el futuro
la importancia de la fibra óptica en todos los campos continúe creciente. En la Figura
1.6 se muestra la evolución de los porcentajes de aplicación de la fibra óptica en
diversos campos desde 1980 hasta 1990.
USO DE FIBRA EN 1980
Comercio de
comunicacion
es
54%
Consumidor
1%
Computadoras
17%
Industria
4%
Negocios e
instrumentaci
ón
Otras demandas
2%
15%
Figura 1.6.a) Uso de la fibra óptica en los ochenta.
Militar
7%
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USO DE FIBRA EN 1985
Comercio de
comunicaciones
66%
Consumidor
3%
Computadoras
10%
Industria
4%
Militar
7%
Negocios e
instrumentación
2%
Otras demandas
8%
Figura 1.6.b) Uso de las fibras óptica en los ochenta.
USO DE LA FIBRA ÓPTICA EN 1990
Consumidor
5%
Industria
3%
Comercio de
comunicaciones
69%
Otras demandas
6%
Militar
8%
Negocios e instrumentación
2%
Computadoras
7%
Figura 1.6.c).Uso de la fibra óptica en los noventa.
1.4.5 DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE FIBRA ÓPTICA.
Solo se puede utilizar en sistemas de comunicación de tasas muy elevadas
de bits. Además es demasiado difícil tener un control adecuado de la fase de una
señal óptica.
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No transfiere energía eléctrica, por tal motivo no puede ser utilizada para
energizar la terminal de recepción. Dicha terminal de recepción debe energizarse
por medio de una línea eléctrica independientemente separada del conducto óptico.
Los empalmes que se realizan para la conexión de cables de fibra óptica son
muy complejos y en caso de que el cable se rompa serán muy difíciles de reparar.
Cabe mencionar también que los empalmes causan perdidas notables si no se tiene
atención al hacer la unión entre las terminales y los equipos.
Necesidad de utilizar artefactos adicionales como lo son fuentes de luz,
transmisores, detectores, multiplexores, receptores, entre otros, dado que la forma
de transmitir es diferente a la de un sistema convencional por cobre.
No hay una estandarización de los productos, lo que plantea problemas de
compatibilidad.
Las técnicas de empalme son complejas, y necesitan de equipos costosos y
personal calificado para llevarse a cabo.
Baja robustez mecánica, por ello la fibra óptica puede ser dañada fácilmente.
Al igual que el cable de cobre, la fibra óptica puede ser deteriorada por
excavaciones, corrimiento de tierras, vandalismo y accidentes. Conviene destacar
que las fibras pueden envejecer prematuramente por humedad, migración axial,
fatiga mecánica y en algunos casos por roedores.
El costo de la fibra óptica va a ser razonable solo en los casos que se requiera
un sistema de baja atenuación y con un ancho de banda demasiado elevado.
1.5 FÍSICA DE PROPAGACIÓN.
Los aspectos fundamentales para la propagación de la luz en las fibras ópticas
son:
 Que la naturaleza del material del núcleo sea tan alta, que la atenuación se
mantenga dentro de los límites razonables.
 Que los rayos, que por una razón y otra tiendan a cambiar su dirección de
propagación, se mantengan dentro del núcleo de la fibra.
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Para entender la propagación de la luz dentro de la fibra óptica es importante
recordar algunos conceptos y teorías de óptica que a continuación se describen.
1.5.1 NATURALEZA DE LA LUZ.
La naturaleza de la luz es una cuestión que ha intrigado a los filósofos y
científicos desde tiempos muy remotos. Su comprensión es de enorme importancia,
ya que la luz es uno de los componentes esenciales que hacen posible, por ejemplo,
la vida en la tierra a través de la fotosíntesis de las plantas, o la recepción y
transmisión de información sobre objetos a nuestro alrededor y de todo el universo.
Desde la antigua Grecia se consideraba la luz como algo de naturaleza
corpuscular, eran corpúsculos que formaban el rayo luminoso. Así explicaban
fenómenos como la reflexión y refracción de la luz. En la primera mitad del siglo XVII
se describen las leyes experimentales (refracción, por Snell, en 1621. Descartes
publica su Dióptrica en 1637.)
Hasta finales del Siglo XVII fueron desarrolladas diversas teorías
científicas sobre la naturaleza de la luz para poder interpretarla. Huygens y
Newton, exponen teorías contrapuestas:
Isaac Newton: Teoría corpuscular: La luz estaba formada por corpúsculos
lanzados a gran velocidad por los cuerpos
emisores de luz.
 Partículas de masa pequeña y velocidad muy grande.
 Propagación rectilínea debido a la gran velocidad de las partículas.
 Los colores se deben a partículas de distinta masa.
 No debe producir interferencia ni difracción.
 Su velocidad será mayor en medios más densos.
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Inconvenientes:
 No fundamenta la refracción.
 No explica cómo pueden cruzarse rayos de luz sin que choquen las
partículas.
Christian Huygens: Teoría Ondulatoria: La luz se propaga como una onda
mecánica longitudinal.
 Necesita un medio ideal, el éter.
 Propagación rectilínea debido a que la frecuencia de la luz es muy alta.
 Los colores se deben a diferentes frecuencias.
 La luz debe experimentar fenómenos de interferencia y difracción,
característicos de las ondas.
 Su velocidad será menor en medios más densos.
Inconvenientes:

Al ser una onda mecánica, necesita de un medio material para poder
propagarse por el espacio entre el Sol y la Tierra.

Este medio teórico, ideal, que nadie había observado, se le llamó éter,
debía tener extrañas propiedades: mucho más rígido que el vidrio y, sin
embargo, no oponer ninguna resistencia al movimiento de los planetas.
Por razones de prestigio científico, prevaleció la teoría de Newton, dejando
olvidada la de Huygens. Hasta que Thomas Young, en 1801, confirmó la dualidad
onda-partícula de la luz, nació la física cuántica y con ella había reconciliado las dos
teorías confirmando que la luz se comportaba al mismo tiempo como una partícula
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y como una onda; Fresnel, en 1815, observa la difracción (y demuestra que las
ondas son transversales); y Foucault, en 1855, comprobó que la velocidad de la luz
en el agua es menor que en el aire. Se rescató entonces la teoría ondulatoria como
válida. [1].
El suceso más importante, relacionado con la comprensión de la naturaleza
de la luz fue el trabajo de Maxwell en 1873, se basó en los estudios de Faraday del
electromagnetismo, y concluyó que las ondas luminosas son de naturaleza
electromagnética. Una onda electromagnética se produce por la variación en algún
lugar del espacio de las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia.
A principios del siglo XX, el físico alemán Max Planck, retoma la teoría
corpuscular de la luz al introducir el concepto de cuantificación para poder explicar
la radiación emitida por cuerpos calientes. El modelo de cuantificación presupone
que la energía de la onda luminosa se presenta en paquetes de energía llamados
fotones. Albert Einstein utilizó el mismo concepto para explicar el llamado efecto
fotoeléctrico relacionado con la emisión de electrones por un metal expuesto a la
luz (ver Figura 1.7). [2]
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Figura 1.7 Teorías sobre la naturaleza de la luz.
Hoy en día se considera que existe una dualidad onda-corpúsculo en lo
referente a la naturaleza de la luz, dualidad que se extiende a todo tipo de ondas y
partículas a escala microscópica, de forma que la luz unas veces se comporta como
onda y otras como partícula. En la Figura 1.7.Se puede apreciar el resumen sobre
las diversas teorías acerca de la naturaleza de la luz. A continuación una síntesis
de cada uno de los modelos propuestos.
La naturaleza de la luz ha sido interpretada de diversas maneras:
 Como compuesta por corpúsculos que viajaban por el espacio en línea recta
(teoría corpuscular - Newton - 1670).
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 Como ondas similares a las del sonido que requerían un medio para
transportarse (el Éter- teoría Ondulatoria - Huygens - 1678, Young y
Fresnel).
 Como ondas electromagnéticas, al encontrar sus características similares a
las ondas de radio (teoría electromagnética - Maxwell - 1860).
 Como paquetes de energía llamados cuantos (El físico alemán Max Planck).
 Finalmente Broglie en 1924 unifica la teoría electromagnética y la de los
cuantos (que provienen de la ondulatoria y corpuscular) demostrando la
doble naturaleza de la luz.
1.5.2 ¿QUÉ ES LA LUZ?
La luz se define como una onda electromagnética (OEM) que está
compuesta por diminutas partículas llamadas “fotones”, es percibida por el sentido
de la vista, capaz de excitar la retina del ojo humano y en consecuencia, nos permite
ver los objetos que nos rodean.
Este conjunto de pequeñas partículas llamadas fotones que componen la luz,
teóricamente adquieren la velocidad máxima que cualquier partícula del universo
puede alcanzar en el vacío, siendo aproximadamente de 3 x 10 8 m/s. [2
Existen algunas características o propiedades de la luz, fundamentadas en
las teorías anteriormente descritas (Newton y Huygens), a continuación se
describen las más importantes para comprender la propagación de la luz dentro de
la fibra óptica:
A) Propagación rectilínea.
B) Reflexión.- Cuando la luz incide sobre una superficie lisa aquella retorna
al medio original; existen dos tipos de reflexión:
 Reflexión Especular.- Cuando en una superficie lisa, los rayos
reflejados son paralelos a los incidentes, es decir tiene la misma
dirección.
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 Reflexión Difusa.- En este caso los rayos son reflejados en distintas
direcciones debido a la rugosidad de la superficie.
La cantidad de luz reflejada por un cuerpo depende de:

La naturaleza de la superficie,

La textura de la superficie,

La longitud de onda de la luz, y de si esté o no polarizada,

El ángulo de incidencia de la luz sobre la superficie.
C) Refracción.- Fenómeno que se produce cuando un rayo de luz sufre un
quebrantamiento o desvío, cambiando su dirección, al atravesar en forma
oblicua dos medios distintos, de diferente densidad, y transparentes.
1.5.3 EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO.
La luz es considerada onda electromagnética viajera en el espacio, por lo
tanto no es distinta de otras formas de radiación (calor, ondas de radio, radiaciones
ultravioletas, etc.) Puede viajar por el vacío, el aire y algunos materiales como el
vidrio. Una propiedad importante de toda onda de energía es la longitud de onda
().Entonces es posible clasificarla dentro de un espectro (Ver Figura 1.8).
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Figura 1.8.Clasificación de las ondas electromagnéticas. En orden creciente de frecuencias (orden
decreciente de 𝝀). Hay que tener en cuenta que la frecuencia y la longitud de onda son inversamente
proporcionales
A continuación nos enfocaremos en solo una parte del espectro
electromagnético:
 La región óptica.- Donde la fibra óptica y los elementos ópticos trabajan.
Las longitudes de onda normalmente usadas en comunicaciones en las fibras
de silica están entre los 700-1600 nm (0.7-1.6mm). En el infrarrojo cercano
donde la fibra es más transparente. Las fibras de sílica y vidrio pueden
transmitir la luz visible sobre distancias cortas, y ciertas clases de fibra
(llamadas de cuarzo fundido) pueden transmitir luz cercana al ultravioleta
sobre distancias cortas. Las fibras pueden ser fabricadas con otros
materiales diferentes a la sílica de tal manera que pueden transmitir
longitudes de ondas mayores que el infrarrojo. (Ver Figura 1.9).
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Figura 1.9. Longitudes de onda utilizadas en comunicaciones ópticas. Las longitudes de onda
normalmente usadas en comunicaciones en las fibras de silica están entre los 800-1550 nm.
Las fibras ópticas trabajan arriba de 800 nm, longitudes de ondas mayores
que el infrarrojo. Una característica crítica de cualquier material transparente es su
índice de refracción
 Índice de refracción ().-Se refiere a la razón de la velocidad de la luz en
un medio diferente al vacío, es posible determinarlo mediante la relación:
=
C
V
Dónde:
 = índice de refracción.
c= velocidad de la luz (3x108 )
v= velocidad de la luz en determinado material
(1.1)
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La luz siempre es más lenta en un material que en el vacío, por lo que el
índice de refracción siempre es mayor que uno. En la tabla 1.6, podemos observar
algunos ejemplos de índices de refracción para sustancias comunes.
Tabla 2.6. Valores de índices de refracción para sustancias comunes.
SUSTANCIA

SUSTANCIA

BENCENO
DISULFURO DE
CARBONO
DIAMANTE
FLUORITA
VIDRIO CROWN
VIDRIO FLINT
1.50
1.63
GLICERINA
HIELO
1.47
1.31
2.42
1.43
1.52
1.63
CUARZO
SAL DE ROCA
AGUA
CIRCÓN
1.54
1.52
1.33
1.92
1.5.4 LEYES DE LA REFLEXIÓN Y LA REFRACCIÓN.
Las fibras ópticas basan su funcionamiento en las leyes de la reflexión y de
la refracción de la luz. Para ello se debe de tener en cuenta que cuando un rayo de
luz incide sobre la superficie de separación de dos medios transparentes distintos,
parte de la luz resulta reflejada permaneciendo en el primer medio y parte de la luz
resulta refractada, penetrando en el segundo medio.
 REFLEXION.-Es el cambio de trayectoria que experimenta un haz de luz al
incidir en una superficie reflectora.
Leyes de la reflexión:
1.- El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado, están en el mismo plano.
2.- El ángulo de incidencia 𝜃𝑖, es igual al ángulo de reflexión 𝜃𝑟. (Ver Figura
1.10)
Figura 1.10. Leyes de la reflexión.
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 REFRACCION: Es el cambio de dirección que experimenta un haz al cambiar
de un medio de propagación a otro con diferente propagación.
Leyes de la refracción:
1.- El rayo incidente, la normal, el rayo reflejado y el rayo refractado están en
el mismo plano.
2.- El ángulo de incidencia 𝜃𝑖, y el ángulo de refracción 𝜃𝑟′, están
relacionados por:
Ley de SNELL
(1.2)
𝒏𝟏 Sen (Ɵ𝒊 ) = 𝒏𝟐 sen Ɵ𝒓′ 
(Ɵ𝒕 )
 LEY DE SNELL: Cuando un haz de luz pasa a propagarse de un medio
ópticamente menos denso a otro, más denso, entonces el rayo refractado se
acerca a la normal. Si n1<n2 entonces Ɵ𝑖 >Ɵ𝑟′ . (Ver Figura 1.11)
Figura 1.11. Leyes de la refracción.
La fibra óptica está compuesta por dos capas de vidrio, cada una con distinto
índice de refracción. El índice de refracción del núcleo es mayor que el del
revestimiento, razón por la cual, y debido a la diferencia de índices de refracción, la
luz introducida al interior de la fibra se mantiene y propaga a través del núcleo. Se
produce por ende el efecto denominado de Reflexión Total.
El principio de operación de la fibra óptica está basado en el principio de la
reflexión interna total. Este principio de reflexión total es la base para el
funcionamiento de la fibra óptica.
 REFLEXIÓN INTERNA TOTAL.-Este fenómeno ocurre cuando la luz trata
de pasar de un material más denso a un menos denso es decir: n1>n2.
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 Los rayos refractados se desvían alejándose de la normal debido a la
condición anterior.
 A cierto ángulo particular de incidencia θc denominado ángulo crítico
el rayo luminoso refractado se moverá paralelo a la frontera de tal
manera que θ2 = 90°
 Para ángulos de incidencia (θc ) el haz se refleja por completo en la
frontera como si hubiese incidido en una superficie perfectamente
reflectora.
 El ángulo de incidencia que produce un ángulo de refracción = 90° se
denomina ángulo crítico.
 Se puede utilizar la ley de la refracción de Snell para determinar el
ángulo crítico y el ángulo máximo de aceptación en una fibra óptica:
 ANGULO CRÍTICO O ÁNGULO MÍNIMO DE INCIDENCIA EN UNA FIBRA
ÓPTICA.- Ángulo mínimo que garantiza reflexiones totales interna.
Depende del índice de refracción del núcleo y del revestimiento.
De la ecuación 1.2 se obtiene:

Ɵc = Arcsen ⌊1 ⌋
(1.3)
2
Dónde:
Ɵc = Ángulo crítico en la fibra óptica.
1 = índice de refracción del núcleo.
2 = índice de refracción del revestimiento.
 ANGULO MÁXIMO DE ENTRADA O ACEPTACIÓN.-Se presenta un valor
máximo de ángulo de entrada, entonces todo haz luminoso que llegue con
un ángulo menor que 𝛼Ɵ𝑀𝐴𝑋 se propaga a través de la fibra. (ec. 1.4).
Se toma la ecuación 1.2:
𝒏𝟏 Sen (Ɵ𝒊 ) = 𝒏𝟐 sen Ɵ𝒓′
(Ɵ𝒕 )
En base a la ecuación anterior se establece una ecuación para el
ángulo de aceptación:
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𝜶Ɵ𝑴𝑨𝑿 = ArcSen √𝒏𝟏 𝟐 − 𝒏𝟐 𝟐
(1.4)
Dónde:
𝜶Ɵ𝑴𝑨𝑿 =Ángulo de aceptación en la fibra óptica.
1 = índice de refracción del núcleo.
2 = índice de refracción del revestimiento.
Se puede observar en la figura siguiente un cono imaginario (cono de
aceptación) con un ángulo (ángulo de aceptación) relacionado con el ángulo crítico.
Si la luz se introduce en el extremo de fibra desde el interior de este cono, está
sujeta a la reflexión total y viaja por el núcleo.
Los Rayos de Luz con ángulo menor al ángulo crítico se pierden en el
cladding, las otras son atrapadas en el núcleo por la reflexión total de la misma. (Ver
Figura 1.12)
Figura 1.12 Angulo crítico o ángulo mínimo de incidencia en una fibra óptica.
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1.5.5 CONDICIONES DE PROPAGACIÓN DE UNA FIBRA ÓPTICA.
Mecanismos necesarios para que sea posible la propagación de la luz a
través de la fibra: [5].
1.- Si
η1= Índice de refracción del núcleo
η2= Índice de refracción del revestimiento
Para que exista propagación η1> η2.
2.- Si
θi= ángulo de incidencia
θc = ángulo crítico de reflexión
Para que exista propagación θi> θc. (Ver Figura 1.13)
Figura 1.13.Ángulo de incidencia en una fibra óptica.
Por el contrario, las condiciones necesarias para que no sea posible la
propagación de la luz a través de la fibra son las siguientes:
1.- Si
η1= Índice de refracción del núcleo
η2= Índice de refracción del revestimiento
No hay reflexiones totales internas Si η1<η2.
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2.- Si
θi= ángulo de incidencia
θc = ángulo crítico de reflexión
Si θi<θc la luz incide en el núcleo, pero en el primer punto de contacto
se produce la refracción. (Ver Figura 1.14)
Figura 1.14.Condiciones de no propagación en una fibra óptica.
1.5.6 CLASIFICACIÓN DE LAS FIBRAS ÓPTICAS
Las fibras ópticas utilizadas actualmente en el área de las
telecomunicaciones se clasifican fundamentalmente en dos grupos según el modo
de propagación: Fibras Multimodo y Fibras Monomodo.
 Modos de Propagación.-Se refiere a los caminos que sigue la luz centro
del núcleo de una fibra óptica; y se determina de acuerdo a las frecuencias
con las que se transmiten las ondas electromagnéticas.
1. Fibras Multimodo.-  se propagan más modos.
2. Fibras Monomodo.-  se propaga solo 1 modo.
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1.5.6.1 Fibras multimodo
Permiten la propagación de una gran cantidad de modos de propagación
simultáneamente. El diámetro del núcleo de este tipo de fibras suele ser 50μm ó
62.5μm, por lo que el acoplamiento de la luz es más factible, ya que es más simple
de conectar y tiene una tolerancia considerable a componentes de menor precisión.
Se usan en aplicaciones de corta distancia, menores a 2 km. [6].
Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de
fibra multimodo:
 Fibras Multimodo de índice escalonado.-En estos tipos de fibras los
distintos modos de propagación o rayos siguen distintos caminos y llegan al
otro extremo en instantes diferentes, provocando un ensanchamiento de la
señal óptica transmitida.
El núcleo tiene un índice de refracción constante es decir 𝑛2 > 𝑛1 ligeramente;
a lo largo del núcleo constante y cambia abruptamente en la frontera núcleorevestimiento. El número máximo de modos de luz que pueden existir en el
núcleo de una fibra de este tipo depende de su apertura numérica, de su
diámetro y de la longitud de onda de la luz. La propagación de la potencia
óptica en las fibras Multimodo debe considerarse como una desventaja
debido a que se generan muchas trazas y consecuentemente distintos
tiempos de tránsito (Fenómeno Fading).
La luz de un emisor es distribuida uniformemente en el cono de aceptación
de la fibra y la potencia óptica del pulso de entrada es distribuida
uniformemente en todos los modos. Debido a que cada modo tiene un tiempo
diferente de propagación (porque recorrerán distintas distancias), se
producirá el efecto siguiente: Distorsión del pulso y se tendrá un ancho de
banda limitado (Ver Figura 1.15.).
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Figura 1.15. Fibra Multimodo de índice escalonado.
En la Tabla 1.7 se muestran los principales parámetros que caracterizan a la
fibra Multimodo índice escalonado.
Tabla 1.7. Parámetros de Fibra Multimodo de Índice escalonado
Parámetro
Ancho de banda
Pérdidas
Diámetro Núcleo
Fuente
Longitud de onda λ
Valor
100MHz/Km
5 a 20 dB/Km
200 a 1000 µm
LED
660-1060
 Fibras multimodo de índice gradual.- Éste tipo de fibra consiste de un
núcleo cuyo índice de refracción no es constante, varía con la distancia a lo
largo del eje con el objetivo de disminuir los efectos de la dispersión modal y
el núcleo se constituye de distintos materiales. Debido a que la velocidad de
la luz decrece con el crecimiento del índice de refracción, la velocidad de la
luz para modos cerca del centro del núcleo es menor que en la zona cerca al
límite con la corteza. Para perfiles parabólicos del índice de refracción, el
tiempo de propagación, para varios modos es casi ecualizado, lo cual reduce
la distorsión debido a la propagación multimodo. El ancho de banda mejorado
se debe a la estructura especial de la fibra que permite un índice de refracción
distribuido. Los diámetros estándares han sido de 50 y 62.5 μm con un
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cladding de 125 μm, algunas son fabricadas con un núcleo de 82.5 μm (Ver
Figura 1.16.).
Figura 1.16. Perfil de la fibra Multimodo de índice gradual.
Las fibras de índice gradual ofrecen una buena aceptación de luz y ancho de
banda, mejor de las ofrecidas por las fibras de índice escalonado. En la tabla 1.8 se
muestran sus parámetros.
Tabla 1.8. Características para Fibra Óptica de índice graduado
Parámetros
Ancho de Banda
Pérdidas
Diámetro Núcleo
Fuente
Longitud de onda λ
Valor
4GHz/Km
0.3 a 0.5 dB/Km
8 a 10 µm
Emisores específicos
1330-1550 nm
1.5.6.2 Fibra monomodo:
Estas fibras están caracterizadas por contener un núcleo de minúsculo
diámetro, pequeña apertura numérica, baja atenuación y gran ancho de banda. Es
más compleja de implantar, construir y manipular. En la figura 1.17 muestra que
sólo pueden ser transmitidos los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje
de la fibra, por lo que se ha ganado el nombre de "monomodo" (modo de
propagación, o camino del haz luminoso, único).
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Figura 1.17. Perfil de la fibra Monomodo.
Desde que una transmisión en modo único evita la dispersión modal, el ruido
modal, y otros efectos típicos de una transmisión multimodo, esta fibra transmite
señales a mayor velocidad y es la que se ha adoptado como estándar en las
telecomunicaciones.
A continuación observaremos una tabla donde se muestran los distintos
tamaños, apertura numérica, anchos de banda y pérdidas de la fibra óptica
clasificada por el número de modos propagados. (Ver Figura 1.18.).
Figura 1.18. Distancias máxima de un enlace para distintos tipos de fibra óptica a distintas longitudes
de onda.
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1.6 PARAMETROS CARACTERÍSTICOS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS.
El método utilizado para la caracterización de las fibras ópticas se basa
en la determinación de una serie de parámetros característicos de las fibras
ópticas siempre en función del tipo específico de fibra óptica que se vaya a
caracterizar.
Los parámetros característicos de las fibras ópticas, que serán vistos a
detalle en este epígrafe, son:



Parámetros Geométricos.
Parámetros Estructurales Ópticos.
Parámetros Fundamentales de Transmisión.
A continuación se presentan los parámetros característicos en función del
comportamiento de la fibra óptica; así como sus métodos de medición.
1.6.1 PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS.
Su utilización permite determinar la distribución de los índices de
refracción de núcleo y revestimiento. Estos son constantes a lo largo de la Fibra
Óptica, dentro de las tolerancias propias de fabricación y se refieren a las
características geométricas de la misma; por lo que también son conocidos como
Parámetros Estáticos. Las recomendaciones hacia las fibras ópticas están dadas
por la UIT-T (Sector de Normalización de las Telecomunicaciones de la UIT).
La siguiente es una lista de Parámetros Geométricos que caracterizan a
una fibra óptica:








Diámetro del núcleo.
No circularidad del núcleo.
Error de concentricidad núcleo revestimiento.
Diámetro del revestimiento.
No circularidad del revestimiento.
Diámetro del recubrimiento primario.
No circularidad del recubrimiento primario.
Error de concentricidad revestimiento-recubrimiento primario.
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Los diámetros, concentricidades y circularidades son función de la
tecnología usada en la fabricación de fibras y las tolerancias correspondientes
serán una constante de la misma.
1.6.2 PARÁMETROS ESTRUCTURALES DE LAS FIBRAS ÓPTICAS
Los parámetros estructurales ópticos son los encargados de determinar, a
partir de los parámetros geométricos adoptados, el comportamiento de la fibra
óptica. De esta forma es posible determinar el número total de modos o hazes
lumínicos que pueden propagarse simultáneamente por el núcleo de la fibra óptica,
así como el rango de longitudes de onda de los mismos.
Los parámetros estructurales y las leyes en base a las cuales se determinan
éstos son:
 Apertura numérica.-Cuando se realiza al acoplamiento entre la onda
lumínica emitida por la fuente de luz y el medio utilizado para la transmisión,
fibra óptica, la onda lumínica sufre una variación en el medio de propagación,
pues tras de propagarse inicialmente por el aire, pasa a propagarse por el
núcleo de la fibra óptica. El fenómeno físico que posibilita este cambio en el
medio de propagación y el acoplamiento del haz lumínico al nuevo medio de
propagación es el de la refracción de la onda lumínica. A su vez, la viabilidad
del acoplamiento se determina por todos aquellos valores para los cuales el
valor de la onda incidente se encuentra por debajo del ángulo límite de
reflexión.
El parámetro que, conjugando estos dos fenómenos físicos, refracción y
reflexión delimita el rango de pulsos lumínicos capaces de ser acoplados y
de propagarse por el núcleo de una fibra óptica recibe el nombre de apertura
numérica.
Se define la apertura numérica de una fibra óptica como el valor numérico
del seno del máximo ángulo luz y este a su vez define al cono de aceptación
que posibilita el acoplamiento de la onda lumínica desde el exterior de la fibra
óptica hasta su interior. (Ver Figura 1.19).
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Figura 1.19. Apertura numérica.
Para acoplar al núcleo un rayo luminoso desde el exterior de la fibra (aíre con
índice de refracción n 0 =1), el ángulo (entre el rayo luminoso y el eje de la fibra) se
rige de acuerdo a la ley de refracción (ec. 1.2):
𝑆𝑒𝑛𝜃
𝜂2
=
𝑠𝑒𝑛(90° − 𝛼Ɵ𝑀𝐴𝑋 ) 𝜂1
Desarrollando:
𝑆𝑒𝑛𝜃= 𝜂1(𝑐𝑜𝑠 𝛼Ɵ𝑴𝐴𝑋 )= = 𝜂1√1 − 𝑠𝑒𝑛2 𝛼Ɵ𝑴𝐴𝑋
Se obtiene:
𝑆𝑒𝑛𝛼Ɵ𝑀𝐴𝑋 =
𝜂2
𝜂1
El máximo ángulo de acoplamiento se denomina ángulo de aceptación del
conductor de la fibra óptica y es únicamente función de los índices de aceptación
𝜂1 y 𝜂2. Al seno del ángulo de aceptación se le denomina Apertura numérica (AN)
del conductor de la fibra óptica. (Ec.1.5)
A.N =√𝑛1 2 − 𝑛2 2
(1.5)
Las aperturas numéricas de las fibras comerciales varían entre 0.1 y
0.6.Cuanto mayor sea la diferencia entre el índice del núcleo y el de la cubierta,
mayor será la apertura numérica, por lo que aumentará el número de ángulos de
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entrada que permiten la propagación de la luz.
 Aproximaciones.- Si la Diferencia de índices entre el núcleo y la cubierta es
pequeña, se utilizará un parámetro Δ , definido por:
𝜂1 2 − 𝜂2 2 𝜂1 − 𝜂2 𝜂1 − 𝜂2
=
=
2𝜂1 2
𝜂1
𝜂2
En el caso en que 𝜂1 ≈ 𝜂1 , la apertura numérica puede escribirse:
Se toma la ecuación 1.2:
A.N =√𝑛1 2 − 𝑛2 2
Desarrollando:
𝜂1 − 𝜂2
𝜂1 − 𝜂2 . 2𝜂1 2
=√
. (𝜂1 + 𝜂2 ). 𝜂1 ≈ √
= √2𝜂1 2 = 𝜂1 √2 △
𝜂1
𝜂1
Finalmente se obtiene (ec. 1.6):
A.N = 𝑛1 √2Δ
(1.6)
Dónde:
𝐴𝑁=Apertura numérica.
1 = índice de refracción del núcleo.
2 = índice de refracción del revestimiento.
Δ= diferencia de índices normalizados.
 Perfil de índice de refracción (v).-El parámetro estructural V o frecuencia
normalizada, es un parámetro adimensional que se utiliza como paso
intermedio para el cálculo del número de modos que es posible propagar por
el núcleo de una fibra óptica. Parámetro asociado con la A.N.
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A continuación se observan las fórmulas para calcular el índice de refracción
en una fibra óptica: (ec.1.7; 1.8)
Para diámetro:
V=
𝜋𝑑(𝐴.𝑁)
Para radio:
V=
(1.7)
𝜆
𝟐𝝅𝛂(𝑨.𝑵)
𝝀
(1.8)
Dónde:
V= índice de refracción en una fibra óptica.
𝐴𝑁=Apertura numérica en la fibra óptica.
d= diámetro del núcleo de la fibra óptica.
α= radio del núcleo de la fibra óptica.
𝜆= Longitud de onda.
Cualquier fibra con V<2.405 es monomodo. Esto es debido a la Curva de b
(Constante de propagación normalizada) frente a V (perfil de refracción).Para los
modos que se propagan en la fibra de SI (Perfil del índice: SI para las fibras con
salto de índice; GI para Las fibras con variación de índice) en la región monomodo
y región multimodo. (Ver Figura1.20)
Figura 1.20. Diagrama b (Constante de propagación normalizada 𝛃)-V (perfil de refracción)
-
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Obteniendo el índice de refracción es posible calcular el número de modos
de propagación en las fibras multimodo, las cuales son las que tienen más
de un modo. (ec. 1.9; 1.10)
Las fibras monomodo 1 modo de propagación.
𝑁=
𝑉2
4
𝑁=
(1.9)
𝑉2
2
(1.10)
Fibra multimodo
Fibra multimodo
Índice gradual.
Índice escalonado.
Dónde:
N= Número de modos en una fibra óptica multimodo.
𝑉=índice de refracción.
 Longitud de Onda Corte (𝝀𝒄 ).-Se define la longitud de onda de corte o
longitud de onda límite de una fibra óptica como el valor de la mínima longitud
de onda que determina el que se propague solamente el modo fundamental.
Por tanto, para los valores superiores a la longitud de onda límite, la fibra
óptica presenta un comportamiento monomodo, mientras que para los
valores inferiores a la misma, la fibra óptica presenta un comportamiento
multimodo (ec.1.11).
𝜆𝑐 =
𝜋𝑑[𝐴.𝑁]
𝑉𝑐
(1.11)
 Diámetro del campo modal.-Se define el diámetro del campo modal de una
fibra óptica monomodo como aquel valor del diámetro del núcleo de una fibra
óptica para el que la distribución lumínica o intensidad del campo óptico del
modo fundamental se reduce un 37% con respecto al valor máximo
alcanzado en el centro del núcleo de la fibra óptica.
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El valor de la distribución lumínica o intensidad del campo óptico en el centro
del núcleo de la fibra óptica, es del 100%. El diámetro del campo modal
depende directamente del parámetro estructural o perfil de índice de
refracción V y del radio del núcleo de la fibra óptica, lo que implica su
dependencia de la apertura numérica de la fibra óptica y de su longitud de
onda de trabajo.
El diámetro del campo modal, conjuntamente con la longitud de onda límite,
constituyen los dos parámetros estructurales característicos de las fibras
ópticas monomodo.
1.6.3 PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE TRANSMISIÓN.
Las características intrínsecas de la fibra óptica son las que determinan
los parámetros fundamentales de transmisión de la misma. Estos parámetros
fundamentales de transmisión son los siguientes:
 Coeficiente de Atenuación.
 Dispersión Total / Ancho de Banda.
Este último parámetro en el caso de las fibras ópticas monomodo, es la
componente de la dispersión total, denominada dispersión cromática, la que
determina fundamentalmente el ancho de banda de una fibra óptica. Y en el caso
de las fibras ópticas multimodo, es la componente de la dispersión total, de
nominada dispersión modal, la que determina fundamentalmente el ancho de
banda de una fibra óptica.
 1.5.3.1 Atenuación.-La atenuación que sufre la luz al propagarse a través
de la fibra está en función de la longitud de onda, y de impurezas e
imperfecciones de fabricación. Estas atenuaciones se han comprobado que
son mínimas a ciertas longitudes de onda, dando lugar a las ventanas de
emisión. (Ver Figura1.21)
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Figura 1.21. Atenuación que sufre la luz a propagarse a través de la fibra óptica con respecto a
longitud de onda.
Las longitudes de onda operativas en una fibra son de 850 nm, 1310 nm y
1550 nm. Se seleccionaron estas longitudes de onda porque se transmiten
más fácilmente que otras por la fibra óptica y presentan una atenuación
menor, también se les conoce como ventanas de operación. Para generar
estas longitudes de onda se utilizan los diodos LED y los diodos láser, que
emiten luz de un solo color (monocromáticos).
 Dispersión.- Existen otras causas que introduce atenuación en los pulsos
que se propagan a través de la fibra óptica; estas causas reciben el nombre
de dispersión. Se refiere a la perdida de información parcial o total que viaja
a través de una fibra óptica, debido al ensanchamiento del pulso luminoso.
Existen 3 tipos de dispersión:
 Dispersión Temporal.- Alargamiento que sufren los pulsos luminosos
que viajan a través de una fibra óptica lo cual es una limitación
para la banda pasante del sistema.se puede obtener la dispersión
temporal través de la ecuación siguiente(ec.1.12)
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ΔT=√Δ𝑇2 2 + Δ𝑇1 2
(1.12)
Obteniendo la longitud a media altura de pulso luminoso de la
ecuación 1.12 se puede adquirir la frecuencia donde el pulso se
reduce a la mitad (Banda de paso a 3 dB). (ec.1.13)
Δf =
0.35
(1.13)
ΔT
Dónde:
ΔT = longitud a media altura del pulso.
Δ𝑇1 = pulso inicial.
Δ𝑇2 = pulso de llegada.
Δf = frecuencia donde el pulso se reduce a la mitad.
 Dispersión Modal.-Se refiere a la diferencia de tiempos de llegada
que presentan los modos de propagación al recorrer una longitud de
fibra dada.
Existen dos tipos de modos de propagación:
 Modo de orden bajo.- Viaje casi en línea recta.
 Modo de orden elevado.- Gran cantidad de reflexiones.
Para obtener la trayectoria más larga, se usa la siguiente ecuación
(ec.1.14):
𝒏
𝑇𝑟𝑎𝑦 = 𝒏𝟏 𝐿
𝟐
(1.14)
Y para el tiempo de recorrido se presenta de dos maneras:
Para tiempo más corto (ec.1.15):
𝒕𝟏 =
𝒏𝟏 𝑳
𝒄
(1.15)
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Para tiempo más largo (ec.1.16):
𝒕𝟐 =
𝒏𝟏 𝑳𝑴𝑨𝑿
(1.16)
𝑪
Dónde:
𝑳𝑀𝐴𝑋 = Longitud máxima de la fibra.
Dispersión modal ( tm)
Cuando se da la diferencia entre n1 y n2:
𝒕𝒎 =
𝒏𝟏
𝒄
𝑳
(1.17)
Cuando se da la A. N.
𝒕𝒎 =
𝑳
𝟐𝑪𝒏𝟏
(𝑨. 𝑵. )²
(1.18)
Dónde:
A.N= Apertura numérica.
L= Longitud de la fibra.
1 = índice de refracción del núcleo.
Δ= diferencia de índices normalizados
c= velocidad de luz (3x108 )
 Dispersión Cromática.- Variaciones que sufren los modos de
propagación a través de la fibra debido a las diferentes velocidades
de propagación para cada longitud de onda.(ec.1.19)
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𝒕𝒄 =
𝝀∗𝝀 𝒅²𝒏𝟏
𝑪
[
𝒅𝝀²
] 𝝀𝒐 ∗ 𝑳
(1.19)
Dónde:
o = longitud de onda central de la fuente.
L=Longitud de la fibra óptica.
 = longitud de onda.
 = ancho de banda espectral de la fuente (media intensidad)
Segunda derivada del índice del núcleo en relación con la longitud de
onda calculada a la λo (valor del fabricante) Por ejemplo:
 4x10-2 Led de GaAs
 4x10-3 D. Láser
[
𝒅²𝒏𝟏
] 𝝀𝒐
𝒅𝝀²
Obteniendo la dispersión cromática (ec.1.19) y la dispersión modal se
obtiene el Retardo total (𝒕𝒕 ) (ec.1.20).
𝒕𝒕 = √𝒕𝒎² + 𝒕𝒄²
Donde el retardo depende principalmente de  tm (ec.1.17)
(1.20)
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CAPÍTULO 2
SISTEMAS DE COMUNICACIÓN
POR FIBRA ÓPTICA
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La luz en forma de ondas electromagnéticas viajeras es modulada para
transmitir información. Desarrollados en la década de 1970, los sistemas de
comunicación de fibra óptica han revolucionado la industria de las
telecomunicaciones y han desempeñado un papel importante en el advenimiento de
la era de la información. Debido a sus ventajas sobre la transmisión eléctrica, la fibra
óptica ha sustituido en gran medida las comunicaciones mediante cables de cobre
en las redes del mundo desarrollado.
2.1. PRINCIPIOS GENERALES DE LOS SISTEMAS DE FIBRA ÓPTICA.
La comunicación por fibra óptica es un método de transmisión/recepción de
información de un lugar a otro enviando señales de luz a través de un medio físico
conocido como “fibra óptica”. Desarrollados en la década de 1970, los sistemas de
comunicación de fibra óptica han revolucionado la industria de las
telecomunicaciones y han desempeñado un papel importante en el advenimiento de
la era de la información. Debido a sus ventajas sobre la transmisión eléctrica, la fibra
óptica ha sustituido en gran medida las comunicaciones mediante cables de cobre
en las redes globales de comunicación. Como se mencionó, los sistemas de fibras
ópticas funcionan enviando información por medio de rayos de luz, en la Figura 2.1
se puede observar la estructura general de este procedimiento. El transmisor está
formado por un dispositivo foto-emisor (puede ser LED, LD), que convierte los
impulsos eléctricos en señal óptica (rayos de luz); un canal óptico por dónde la
señal óptica transita (fibra óptica); y un receptor donde se encuentra el dispositivo
foto-detector que vuelve a transformar la señal luminosa en impulsos eléctricos.
En su forma más elemental un sistema de comunicación por fibra consta de
los siguientes elementos.
Transmisor
Drive
Señal de
entrada
Señal óptica
Fuente
LED
LD
Receptor
Señal
Original
PIN
APD
FIBRA
Figura 2.1.Diagrama de bloques de un sistema de fibras ópticas.
AMP
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2.2 ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UN SISTEMA DE FIBRA ÓPTICA.
Para describir el principio de funcionamiento de fuentes y detectores es
necesario conocer las características de energía de las uniones del material
semiconductor.
El funcionamiento de los emisores y receptores optoelectrónicos está
basado en tres procesos:
 Absorción.- Proceso que tiene lugar cuando un átomo con nivel bajo de
energía presenta una transición a un nivel superior debido a la absorción de
la energía asociada a un fotón incidente.
Figura 2.2. Absorción.
 Emisión Espontánea.- El átomo excitado en el nivel superior de energía
permanece un tiempo promedio en este estado, posteriormente en forma
espontánea sufre una nueva transición al nivel inferior originando la emisión
de luz (electroluminiscencia).
Figura 2.3. Emisión Espontánea.
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 Emisión Estimulada.- Si al átomo que se encuentra en el nivel superior de
energía se le obliga a realizar la transición antes del tiempo promedio,
mediante la estimulación proporcionada por un fotón inciden, se produce
emisión de luz de diferentes características a la emisión espontánea
(generándose amplificación).
Figura 2.4. Emisión Estimulada.
Longitud de Onda de la Luz Emitida.-Para determinar la longitud de onda
(λ) de la luz obtenida en un proceso de recombinación, se tiene (ec.2.1):
(2.1)
Eg= Ec - Ev = h f
Dónde:
Eg= Energía de la banda prohibida.
Ev= Energía de la banda de valencia.
Ec= Energía de la banda de conducción.
h = Constante de Planck (4.136 x 10−15 eV s).
f = Frecuencia de la Luz.
Frecuencia de la luz
𝐶
f= λ
Dónde:
λ = Longitud de la Onda,
(2.2)
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c = Velocidad de la Luz (3x108 m/s)
Energía de la Banda Prohibida
(2.3)
𝐶
Eg=ℎ [λ ]
Longitud de la Onda
𝐶
ó
λ = ℎ [𝐸 ]
𝑔
1.24
(2.4)
λ =[𝐸 ]
𝑔
2.2.1 FUENTES ÓPTICAS.
Las fuentes ópticas son componentes activos en un sistema de
comunicaciones por fibra óptica, cuya función es convertir la energía eléctrica en
energía óptica de manera eficiente, de modo que permita que la salida de luz sea
efectivamente inyectada o acoplada dentro de la fibra óptica.
Estos dispositivos son diodos semiconductores que operan en polarización
directa y emiten luz cuando los huecos y electrones se recombinan en la zona
activa. Estos tipos de fuentes de luz proporcionan suficiente potencia óptica
(0.005mW – 25mW) para transmitir señales a través de las fibras ópticas a varios
kilómetros. Una fuente óptica tiene como finalidad optimizar la potencia lumínica
que se entrega a la fibra óptica y permitir que la energía se propague a través de
ella sin distorsiones en el receptor; y debe tener como mínimo las siguientes
características:
a. Mínima Anchura Espectral,
b. Máxima Coherencia Espacial,
c. Potencia Óptica Suficiente.
a. La Anchura Espectral.- Está relacionada directamente con la dispersión
cromática, ya que la potencia entregada por la fuente luminosa no es
emitida en una sola longitud de onda, sino que está distribuida en distintas
longitudes alrededor de la longitud de onda central.
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La anchura espectral (), se define como la diferencia relativa en
manómetros (nm) entre los puntos donde la potencia emitida se reduce en
el 50% con relación a la máxima.
Los LED y los LD (Diodos laser) que son las fuentes ópticas usadas, tienen
anchura espectral diferente, tal y como se muestran en la Figura 2.5.
a)
b)
Figura. 2.5. a) Anchura espectral de un LED. b) Anchura espectral de un LD.
b. La Alta coherencia Espacial de la Fuente Luminosa.- Está determinada
por su patrón de radiación (configuración de la forma de propagación de la
onda luminosa en el espacio libre). Mientras más direccional sea el patrón,
más fácil será que la potencia emitida quede dentro del cono de aceptación
de la fibra, y por tanto habrá una alta eficiencia de acoplamiento entre la
fuente luminosa y el núcleo de la fibra.
En la Figura 2.6 se comparan las respuestas típicas del patrón de radiación
de un LED y un LD que definen la coherencia espacial.
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a)
b)
Figura. 2.6. Coherencia espacial de las fuentes ópticas. a) Diodo led. b) Diodo láser.
c. La Potencia o Intensidad Luminosa.- Este parámetro se puede expresar
en términos fotométricos o radiométricos. La fotometría mide las ondas
luminosas visibles al ojo humano y entonces la potencia de la luz se
describe como la densidad de flujo luminoso, cuya unidad es lúmenes por
metro cuadrado. La radiometría mide la luz en todo el espectro
electromagnético y por lo tanto la potencia óptica mide la tasa con la que
las ondas electromagnéticas transfieren energía luminosa, es decir, es el
flujo de energía luminosa que atraviesa determinado punto en un tiempo
dado.
Requerimientos:
 Dimensiones compatibles con el de la fibra,
 Linealidad en la característica de conversión electro – óptica,
 Gran capacidad de modulación,
 Modulación directa,
 Suficiente potencia óptica de salida y eficiencia de acoplamiento,
 Funcionamiento estable con la temperatura,
 Confiabilidad. (Tiempo de vida útil),
 Bajo consumo de Energía,
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 Economía,
 Tamaño y configuración óptimas para el acoplo de luz en la fibra,
 Relación lineal entre potencia emitida y corriente inyectada,
 Emitir luz a longitudes de onda idóneas para la fibra.
En esencia sólo hay dos dispositivos emisores que actualmente cumplen
satisfactoriamente con los requerimientos y se usan universalmente como
fuentes luminosas en los sistemas de comunicaciones ópticas:
 Diodos emisores de Luz (LED).
 Diodos laser de inyección (ILD, de Injection Laser Diode).
2.2.1.1 DIODO EMISOR DE LUZ (LED).
Del acrónimo del inglés Light Emiting Diode, un LED es un dispositivo de
unión semiconductora p-n, Fabricado casi 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 espontánea, la cual basa su principio de
funcionamiento en el proceso de electroluminiscencia (Figura 2.3): “la luz se emite
como resultado de la recombinación de electrones con huecos”. Cuando tienen
polarización directa, los portadores minoritarios se inyectan a través de la unión pn. 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 ciertos materiales semiconductores y dopantes tales que el proceso
es radiactivo; esto es, que se produce un fotón (Figura 2.7)). Éste es un cuanto de
energía de onda electromagnética. Los fotones son partículas que viajan a la
velocidad de la luz.
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a)
b)
Figura.2.7.LED.a) Estructura general. b) físico.
CARACTERÍSTICAS
 Requiere bajo consumo de energía para producir salida luminosa.
 Cuando se polariza directamente emite luz.
 Presenta una resistencia dinámica pequeña y debe ser excitado por una
fuente de corriente (Se coloca una resistencia serie con el LED).
 Puede ser conectado en interfaz directamente con la mayoría de los sistemas
lógicos digitales.
 Vida útil extensa (Más de 100 000Hrs).
 Baja velocidad de conmutación.
 Dimensiones reducidas y mecánicamente sólidos.
 La caída de voltaje (VF a través del LED es del orden 1.5 – 2.2v).
 La corriente (lF se encuentra entre 10m- 20 mA).
 Un diodo de silicio instalado en paralelo e inversamente protegerá al mismo
contra ruptura inversa.
FUNCIONAMIENTO
Cuando se une un semiconductor tipo “n” con un semiconductor tipo “p”, se
tiene que tanto los electrones libres en la región “n”, como los huecos libres en la
región “p” no tienen la suficiente energía para sobrepasar la barrera de unión y
desplazarse hacia la región opuesta. En este punto, la energía potencial de los
huecos, siendo opuesta a la de los electrones provoca un incremento en la barrera
de unión.
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Al aplicar un voltaje directo en la unión y agregar impurezas dopantes para
proveer una mayor cantidad de electrones y huecos durante la emisión, la barrera
de separación se reduce. Si la energía suplida es al menos igual que la energía en
la región prohibida (cantidad de energía entre la banda de valencia y la banda de
conducción) los electrones libres y los huecos libres tendrán la suficiente energía
para moverse en la región de unión.
Cuando un electrón libre se une con un hueco libre en la barrera de unión, el
electrón puede pasar a la banda de valencia. La energía perdida en la transición es
convertida en energía óptica en forma de un fotón. En resumen, la emisión de un
LED es causada por la recombinación de electrones y huecos que son introducidos
en la unión de un semiconductor PN al aplicársele un voltaje directo.
Las estructuras más sencillas de LED son:
 LED de homounión.- Una unión p-n formada con dos mezclas distintas de
igual tipo de átomos se llama estructura de homounión. La principal
desventaja de los LED de homounión es la no direccionalidad de su luz
emitida, lo que hace que sean malas opciones como fuente luminosa para
sistemas de fibra óptica.
 LED de heterounión.- Se fabrican con material semiconductor tipo p de un
conjunto de átomos, y material semiconductor tipo n, de otro conjunto, están
estratificados (normalmente dos capas) de tal manera que se amplía el efecto
de concentración. Así, se produce un dispositivo que confina a los electrones,
los huecos portadores y la luz, en un área mucho menor. La unión se suele
fabricar sobre un substrato de material de respaldo, para después
emparedarse entre contactos metálicos con los que se conecta el dispositivo
a una fuente de electricidad. Con los dispositivos de heterounión, la luz se
emite desde la orilla del material y, en consecuencia, se les llama emisores
de borde.
Los dispositivos de heterounión tienen las siguientes ventajas sobre los de
homounión:
1. El aumento de densidad de corriente genera una mancha luminosa
más brillante.
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2. La menor área emisora facilita acoplar la luz emitida a una fibra.
3. La pequeña área efectiva tiene menor capacitancia, lo que permite
usar el LED de heterounión a mayores velocidades.
CONSTRUCCIÓN
Diversos materiales y aleaciones se utilizan para obtener diferentes niveles
de energía en la banda prohibida. En la Tabla 2.1 se presentan algunos de los
materiales más usados en la fabricación de LED’s, así como su longitud de onda de
operación y su energía de banda prohibida; el color de la luz emitida por el LED
depende únicamente del material y del proceso de fabricación.
Tabla 2.1. Características de LED’s de diferentes materiales.
Material
Longitud de
onda
Color
AsGa
InGaAsP
AsGaAI
AsGaP
InGaAlP
CSi
904 nm
900-1700 nm
750 – 850 nm
590 nm
560 nm
480 nm
IR
IR
Rojo
Amarillo
Verde
Azul
Energía de
banda prohibido
(eV)
1.4
0.73 – 1.35
1.5 V
1.6 V
2.7 V
3V
APLICACIONES
 Son útiles en aplicaciones visuales y de señalización como son:
 Indicadores montados en paneles, interruptores de activación, etc.(Ver figura
2.9)
Figura.2.8. Aplicaciones del LED.
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DESVENTAJA
 Su poder de iluminación es bajo y es prácticamente, no visible en luz brillante.
 El ángulo de radiación se encuentra solamente entre 30° y 60°.
A continuación se describen los LED´s más utilizados en los sistemas de
transmisión de fibra óptica:
2.2.1.1.1 LEDS INFRARROJOS IRLED’S.
Cuando la unión es polarizada directamente, los electrones de la región “n”
se recombinarán con el exceso de huecos de material “p” en una región de
recombinación especialmente diseñada 'emparedada' que se encuentra entre los
materiales tipo “p” y “n”. Durante este proceso de recombinación se irradia energía
del dispositivo en forma de fotones. Los fotones generados serán absorbidos por la
estructura o abandonarán la superficie del dispositivo como energía radiante, como
se muestra en la Figura 2.9.
Sus fundamentos son los mismos que para los diodos LED; encontrando la
única diferencia en su espectro de radiación: la longitud de onda se sitúa fuera del
espectro visible, en el rango del infrarrojo, esto es debido a que son fabricados con
Arseniuro de Galio(GaAs) y se emplean cuando se requiere una radiación no visible.
Figura.2.9. Estructura general de un IRLED.
CARACTERÍSTICAS
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



Emite energía radiante cuando se le polariza en Directa,
Material de fabricación: Arseniuro de galio con impurificaciones de silicio,
Alta eficiencia y confiabilidad,
Las características eléctricas de IRLEDS son similares a las de otros diodos
de juntura PN.
FUNCIONAMIENTO:
Cuando la unión “p-n” polariza en forma directa, los electrones de la región
“n” se recombina con los huecos en exceso del material “p”. Durante este proceso
de recombinación se radia energía alejándose de la fuente en forma de fotones.
Existe una relación casi lineal entre el flujo radiante emitido en mW y la corriente en
sentido directo de polarización.
En la Figura 2.11 muestra las características eléctricas típicas de un diodo
emisor de luz infrarroja de bajo costo. En la Figura 2.11(a) se muestra la potencia
de salida en función de la corriente directa. Se puede ver que la potencia de salida
varía en forma lineal dentro de un amplio margen de corriente de entrada [0.5 mW
(–3 dBm) a 20 mA hasta 3.4 mW (5.3 dBm) a 140 mA]. La Figura 2.11 (b) muestra la
potencia de salida en función de la temperatura. Se aprecia que la potencia de salida
tiene una variación inversa respecto a la temperatura, dentro del intervalo de –40°
C a 80° C. La Figura 2.11 (c) muestra la potencia relativa de salida en función de la
longitud de la onda de salida. Para este ejemplo particular, la potencia máxima de
salida se alcanza a una longitud de 825 nm a la salida.
a)
b)
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c)
Figura.2.10. Características eléctricas típicas de los LED: (a) potencia de salida en función de la
corriente directa; (b) potencia de salida en función de la temperatura; (c) potencia de salida en función
de la longitud de onda.
VENTAJAS
 Su rango de cobertura es mayor con respecto a los Leds normales.
 Patrón de irradiación es más angosto que un LED, por lo tanto es más
atractivo en aplicaciones donde está presente la dispersión de la luz por parte
de un medio.
 Al trabajar en ambientes donde existen altas cantidades de luz no se
presentan problemas.
APLICACIONES (ver Figura 2.11):




Dispositivo para lector de tarjetas y cintas perforadas.
Controles remotos.
Sistema de transmisión de datos.
Alarmas contra intrusión.
Figura.2.11. Aplicaciones de un IRLED.
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2.2.1.1.2 LED´S DE ALTA RADIANCIA (HLEDS)
Para obtener LED´s de alta eficiencia es necesario modificar las
características:
Químicas.- Mediante la implementación de herramientas de material semiconductor
con diferentes niveles de energía.
 Se logra una mayor región de recombinación para portadores.
 Se obtiene una mayor eficiencia en la obtención de fotones.
Ópticas.- Se restringe la ventana de emisión a sólo una pequeña superficie de toda
la pastilla, eliminándose con esto:
 La absorción del sustrato.
 Lográndose un mejor acoplamiento a la fibra.
Con estas propiedades se obtiene las siguientes particularidades:
 Potencia de salida alta.
 Ancho de banda espectral reducido.
 Velocidad de modulación moderada.
En base a estas características se obtienen los LED’s de alta radiancia:
 LED’S de Emisión Superficial (SLED’S).
 LED’S de Emisión Lateral (ELED’S).
 LED Súper Luminiscente (SLD)
 SLED’s – LED DE EMISIÓN SUPERFICIAL (DIODO BURRUS).- La luz es
emitida a través de un pozo en la parte superior del dispositivo, el cual es
formado por un ataque de ácido, el acoplamiento del LED a la fibra es por
medio de un rabillo de fibra. Emite luz en muchas direcciones pero
concentrando la luz emitida en un área muy pequeña, lo que se conoce como
diodo de Burrus. Desarrollado para aplicaciones con necesidades altas de
velocidad de transmisión (mayores a 100Mbps). (Ver figura 2.12).
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Figura.2.12. Estructura de un LED de emisión superficial.
 ELED’s – LED DE EMISIÓN LATERAL.- El área emisora es tan solo una
porción del total de los LED’s comunes, y se encuentra a un costado del
dispositivo lo cual permite un mejor acoplamiento a la fibra. El área de
emisión está delimitada por un par de superficies reflejantes.
Presenta una superficie emisora de luz seméjate a una tira estrecha en el
mismo plano de la unión “p-n”, consiguiendo así que la luz radie de forma
transversal (ver Figura 2.13) haciéndose más directiva y las pérdidas de
acoplamiento a la fibra sean menores.
Figura.2.13. Estructura de un LED de emisión lateral.
En la Tabla 2.2 se muestra una comparación de las principales
características entre los SLEDS y los ELEDS.
Tabla 2.2: Comparativa de las características de un SLED y un ELED.
Características
Potencia óptica emitida
Direccionalidad
Patrón de radiación
Empaquetamiento
Facilidad de acoplamiento
Velocidad de conmutación
SLED
Mayor
Moderada
Ancho
Normal
Limitada
Moderada
ELED
Moderada
Moderada
Parcialmente angosto
Difícil
Mayor
Moderada
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 SLD - LED SÚPER LUMINISCENTE.- Su particularidad radica en que una
de sus caras por donde va a salir la luz es tallada y por tiene una cierta
capacidad de reflexión, la otra cara no es tallada, de manera que el efecto
laser no se presenta pero hay una cierta amplificación (ver Figura 2.14).
Figura.2.14. Estructura de un LED súper luminiscente.
2.2.1.2 DIODOS LÁSER (LD).
LÁSER es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation. Son fuentes de luz coherente de emisión estimulada con espejos semi
reflejantes formando una cavidad resonante, la cual sirve para realizar la
retroalimentación óptica, lo que posibilita una fuerte emisión estimulada así como el
elemento de selectividad (igual fase y frecuencia). El láser se caracteriza por emitir
haces luminosos estimulados y por lo tanto coherentes, lo que produce que se
aumente la potencia de salida, disminuyan los anchos espectrales y el haz de luz
sea mucho más directivo. (Ver figura 2.15)
Figura.2.15. Estructura de un LED súper luminiscente.
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FUNCIONAMIENTO
Cuando el diodo es directamente polarizado, las cargas son introducidas
dentro de la capa activa donde la recombinación tiene lugar causando la emisión
espontánea de fotones, caso semejante al explicado para la emisión del LED, sólo
que algunas de las cargas introducidas dentro del semiconductor son estimuladas
para emitir otros fotones. Si la densidad de corriente es lo suficientemente alta,
entonces un gran número de cargas introducidas están disponibles para estimular
la recombinación. Entonces de este modo la ganancia óptica se hace mayor.
La corriente de umbral es alcanzada cuando es lo suficientemente grande
como para vencer las pérdidas del diodo. En este punto, la oscilación láser ocurre.
La corriente de umbral debe ser pequeña para prevenir el sobrecalentamiento del
semiconductor, particularmente cuando opera de forma continua o con altos picos
de potencia.
CONSTRUCCIÓN
La construcción de los diodos láser tiene una construcción muy similar a los
diodos emisores de luz.
La cavidad láser, típicamente de 300 μm, se conforma al pegar a lo largo de
las caras frontal y superior del semiconductor planos cristalinos paralelos. Por medio
de esto, se logra una cantidad importante de reflexión que provee la suficiente
realimentación para que se presente la oscilación y se genere así la emisión
estimulada (ver Figura 2.16).
Figura.2.16. Configuración interna de un diodo láser.
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CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE UN DIODO LÁSER
La curva característica de potencia contra la corriente cuando el diodo láser
se halla directamente polarizado se muestra en la Figura 2.17:
Figura 2.17. Curva característica de un diodo laser.
Para que se dé el efecto laser, la cantidad de corriente debida a la
polarización debe ser mayor a la corriente de umbral. El voltaje V necesario para
polarizar la unión P-N es aproximadamente igual a Vg.
La potencia de salida para un diodo láser que opera de forma continua varía
típicamente de 1 mW a 10 mW. La corriente de operación es generalmente de 20
mA a 40 Ma por encima de la corriente de umbral.
Los diodos láser son más sensitivos a los cambios de temperatura que los
LED´s. Conforme aumenta la temperatura, la ganancia del diodo decrece, hasta que
más corriente es requerida para que la oscilación pueda continuar, provocando un
incremento de la corriente de umbral (ver Figura 2.18)
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Figura.2.18. Efectos de la temperatura en un diodo láser.
La longitud de onda de un diodo láser también depende de la temperatura.
Esta se incrementa debido a la dependencia del índice de refracción del material
con la temperatura. Típicamente, estos cambios son del orden de 0.3 nm/ºC.
Al igual que los diodos emisores de luz los diodos láser pueden ser
modulados digitalmente o analógicamente. Los diodos láser son más rápidos que
los diodos emisores de luz, debido a que el tiempo de levantamiento del LED es
determinado por la emisión espontánea natural del material, y el tiempo de
levantamiento de un diodo láser depende del tiempo de vida de emisión estimulada.
Para que se genere una ganancia, el tiempo de vida estimulado debe ser menor
que el tiempo de vida espontáneo.
Otra característica importante de los diodos láser es que su patrón de
radiación está contenido en una región angular pequeña (ver Figura 2.19), haciendo
que su acoplamiento con la fibra sea más fácil y eficiente.
Figura .2.19. Patrón de radiación de un LED y un diodo láser.
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APLICACIONES DEL DIODO LASER.- Las aplicaciones de los diodos laser son
muy variadas pero destacan: (Ver Figura 2.20)






En el campo de las comunicaciones por fibra óptica,
Reconocimiento dimensional,
Lectura de códigos de barras,
Lectura de discos compactos,
Impresoras láser,
Aplicaciones médicas (dermatología).
Figura .2.20. Aplicación de un Diodo laser Lectura de discos compactos.
DESVENTAJAS





Difíciles de usar,
Requieren retroalimentación,
Son costosos,
No se puede trabajar bajo el umbral laser,
Varía su corriente de umbral con la temperatura.
ELEMENTOS DE UN DISPOSITIVO LÁSER:
La Figura 2.21 muestra los 4 elementos necesarios en los Láseres para
producir luz coherente por emisión estimulada de radiación.
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Figura 2.21.Elementos de un láser
.
 Medio Activo.- El medio activo es una colección de átomos o moléculas que
se pueden excitar a un estado de población invertida. Los dos estados
escogidos para la transición de Láser tienen ciertas características. Los
átomos excitados deben permanecer por un tiempo relativamente largo en
alta energía para proveer fotones emitidos por emisión estimulada que por
emisión espontánea. Debe haber un método de bombeo para elevar átomos
del estado base a estados altamente poblados en altas energías.
El medio activo se considera un amplificador óptico ya que un haz coherente
que logre entrar al medio activo es amplificado por emisión estimulada hasta
que el haz incrementado alcance el otro extremo del medio activo. Esto es el
medio activo brinda ganancia óptica. El medio activo puede ser un gas, un
líquido, un sólido cristalino o una unión semiconductora.
 Mecanismos de Excitación.- El mecanismo de excitación es una fuente de
energía que estimula a los átomos en el medio activo desde un nivel de
energía bajo a uno más alto para crear inversión de población. En un Láser
de gas este es un flujo de corriente eléctrica por el medio.
 Mecanismos de Realimentación.- El mecanismo de realimentación retorna
una porción de la luz coherente al medio activo para posterior amplificación
por emisión estimulada. La cantidad de luz coherente producida depende del
grado de inversión de población y la fuerza de la señal estimulante. El
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mecanismo consiste de espejos a cada lado del medio activo y alineado de
tal forma que refleje el haz coherente y de regreso al medio activo.
 Acoplador de Salida.- El acoplador de salida permite que una porción del
haz Láser contenido entre los dos espejos deje el Láser como haz coherente.
Uno de los espejos permite que algo de luz se transmita a la longitud de onda
del Láser. La fracción que se escapa varía con el tipo de Láser.
 Acción Láser.- Cuando se activa la excitación, fluye energía al medio activo
y se crea inversión de población. Algunos fotones se emiten
incoherentemente en direcciones aleatorias y se escapan del medio pero los
que viajen a lo largo del eje producen emisión estimulada, Figura 2.22. El haz
producido se refleja entre los espejos por el medio activo y una porción deja
el acoplador de salida como el haz Láser.
Figura.2.22. Inicio del efecto en un Láser.
TIPOS DE LÁSERES
Los Láseres se clasifican de acuerdo al medio activo, el mecanismo de
excitación y duración de la salida.
 Láser de Gas.- Una gran familia de Láseres utiliza un gas o mezcla de gases
como medio activo. La excitación se logra por un flujo de corriente eléctrica
por el gas.
 Láser de Sólido Cristalino y Vidrio.- Esta familia de Láseres utiliza
materiales de vidrio o sólido cristalino, como ejemplo el rubí y neodimio.
 Láser Líquido.- Usan una solución de tintes complejos como medio activo
que son moléculas orgánicas grandes, con gran peso molecular.
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 Láser Semiconductor (Diodo).- El medio activo es la unión de
semiconductores como Arseniuro de Galio (GaAs) con materiales tipo “p”
(deficiencia de electrones que forman huecos que pueden aceptar
electrones) y tipo “n” (suministro de electrones como portadores de corriente).
Dos tabletas tipo “p” y tipo “n” se juntan para formar una unión “p-n”. Al fluir
una corriente eléctrica por la unión, los electrones se recombinan con los
huecos y se libera energía que parece como la de un LED en el visible (ver
Figura 2.23).
Figura.2.23. Láser semiconductor.
DIFERENTES ESTRUCTURAS DE LOS LÁSERES DE DIODO
Una típica construcción de la capa activa es en forma de una franja estrecha
(Geometría de Línea), confinada por los dos lados (por arriba y por abajo) con otro
material. Esta familia de láseres de diodo se denomina Láseres basados en índice.
En la Tabla 2.3 se muestran diferentes estructuras láser para el confinamiento de la
luz láser a una región específica.
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Tabla 2.3: Estructuras del Láser semiconductor.
El método de excitación es mediante una inyección de corriente debida al
voltaje de polarización en directa. Normalmente los diodos laser comerciales son
del tipo heterounión (Unión de materiales distintos) este efecto representa ciertas
ventajas con respecto a la homounión:
 Mayor ganancia óptica por unidad de volumen
 La radiación laser queda confinada en la región donde se produce la
ganancia óptica.
CARACTERÍSTICAS DEL LÁSER SEMICONDUCTOR:





Capacidad de entregar altas potencias de salidas
Pequeña dispersión
Altas velocidades de conmutación
Ancho espectral reducido
Patrón de radiación angosto.
Entre los principales tipos de diodos laser se tiene:
 FABRY PEROT.- Este diodo laser está constituido por dos espejos en los
extremos de la guía, constituyéndose en una cavidad resonante en donde la
luz es reflejada y vuelta a reflejar entre los dos espejos a ambos lados del
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semiconductor, presenta algo de inestabilidad en la potencia de salida y se
utiliza para la transmisión de datos en el retorno (ver Figura 2.24).
Figura.2.24. Diodo laser Fabry Perot.
 VCSEL (VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASER).- El láser
emisor de superficie de cavidad vertical posee espejos resonadores arriba y
abajo de la capa activa, lo que produce que la luz resuene perpendicular a la
juntura y emerja a través de un área circular en la superficie. Posee menor
corriente de umbral a la cual se presenta el efecto laser, además consume
poca potencia y tiene mayor tiempo de vida útil. Se usa comúnmente con la
fibra multimodo (ver Figura 2.25).
Figura.2.25. Diodo laser emisor de superficie de cavidad vertical.
 DFB (DISTRIBUTED FEEDBACK LASER).- En el láser de retroalimentación
distribuida la red de difracción se distribuye a lo largo de todo el medio activo.
La longitud de onda de la red determina la longitud de onda emitida por el
láser, en una línea muy fina del espectro. (ver Figura 2.26).
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Figura.2.26. Diodo laser de retroalimentación.
 DBR (DIDTRIBUTED BRAGG REFLECTOR).-El reflector de Bragg
distribuido, en este dispositivo la red de difracción está fuera de la zona
activa, en donde no circula corriente (parte pasiva de la cavidad). (ver Figura
2.27).
Figura .2.27. Diodo laser de retroalimentación.
Los diodos DFB y DBR son utilizados en fibras monomodo y son sensibles a
variaciones de temperatura.
Los LED generan luz por emisión espontánea, radiándola en todas
direcciones, por lo que un porcentaje pequeño se acopla a la fibra óptica,
normalmente del tipo multimodo. El Diodo Laser tiene construida internamente una
cavidad resonante tal, que cuando se excede la corriente de umbral se tiene una
emisión estimulada con gran amplificación de luz que se genera con alta coherencia,
la cual puede acoplarse dentro de una fibra multimodo o monomodo.
En la selección de la fuente óptica compatible con la fibra deben de tomarse
en cuenta varias características, tales como: su geometría, su atenuación como
función de la longitud de onda, su distorsión de retardo y sus características
modales. En la tabla 2.4 se pueden apreciar los parámetros a evaluar para
seleccionar un diodo laser o un led de alta radiancia:
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Tabla 2.4: Parámetros de un diodo LED y un diodo LASER.
PARÁMETROS
POTENCIA DE SALIDA
Se refiere a la potencia óptica emitida a una corriente de
excitación
PATRON DE
RADIACIÓN
Se refiere a la dispersión que sufre el haz luminoso al
abandonar la cavidad óptica y entrar en contacto con un
medio diferente.
SALIDA ESPECTRAL
VELOCIDAD DE
CONMUTACIÓN
Se refiere a la salida relativa de luz contra longitud de
onda.
Se refiere al rango de longitudes de onda emitidas por un
dispositivo, el cual define a su patrón de radiación.
Es el tiempo de respuesta del dispositivo para representar
conmutaciones de estado alto-bajo-alto.
POTENCIA LUMINOSA
VS CORRIENTE
La potencia es una función casi lineal de la corriente de
entrada.
TIEMPO DE VIDA
ESPERADO
Se dice que el tiempo de vida de un dispositivo se ha
terminado cuando su potencia pico a una condición se ha
reducido al 50%
ANCHO ESPECTRAL
A continuación se presenta una tabla comparativa entre el LED y el Láser:
Tabla 2.5: Comparativa de las características de un diodo LED y un diodo LASER.
CARACTERÍSTICAS
Potencia de salida
Corriente
Potencia de acoplamiento
Velocidad
LED
LASER
Linealmente
proporcional a la
corriente conducida
Conduce corriente de 50
a 100mA
Moderada
Lento
Proporciona a la
corriente sobre el
umbral
Corriente de Umbral
de 5 a 40mA
Alta
Rápido
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Ancho de banda
Longitudes de onda que se
pueden utilizar
Moderado
Alto
0.66 a 1.65 µm
0.78 a 1.65 µm
Tipos de fibra
Solamente multimodo
Facilidad de uso
Tiempo de vida
Costo
Fácil
Muy larga vida
Menor
Multimodo o
monomodo
Difícil
Larga Vida
Alto
La preferencia hacia un dispositivo emisor de luz respecto a otro se
determina con los requisitos económicos y de funcionamiento del sistema. El mayor
costo de los diodos de láser se compensa con una mayor eficiencia, mientras que
los diodos emisores de luz, normalmente, tienen menor costo y menor eficiencia.
2.2.2 DETECTORES ÓPTICOS
El detector es un componente ideal en un sistema de fibras ópticas; su
función es convertir la señal óptica recibida en una señal eléctrica, la cual se
amplifica antes de ser procesada.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LOS FOTODETECTORES.
Un fotón puede ser detectado por un proceso de interacción de la materia en
el que el fotón es aniquilado y su energía transformada en calor o corriente eléctrica.
Los requisitos para la ejecución y compatibilidad de detectores son muy similares a
los requisitos de la fuente de emisión.
Estos requisitos son:






Alta sensibilidad de operación.
Alta fidelidad.
Amplitud de respuesta eléctrica a la señal óptica recibida.
Tiempo de respuesta corto.
Estabilidad de las características de ejecución.
Tamaño físico del detector.
Entre las características de los fotodetectores de luz las más destacadas son:
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 Responsividad.-Es una medida de la eficiencia de conversión de un
fotodetector y es la relación de corriente de salida de un fotodiodo contra la
potencia óptica que le entra. Las unidades están dadas en amperios/vatio.
Generalmente la responsividad está asociada a una determinada longitud de
onda. Se puede calcular por medio de la ecuación 2.5:
𝑅𝑝 =
I𝑂𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛
(2.5)
Dónde:
𝐼𝑂𝑢𝑡 = Corriente de salida de un fotodiodo.
𝑃𝑖𝑛 = Potencia óptica de entrada.
𝑅𝑝 = Responsividad
 Corriente oscura.-Es la corriente de reposo que pasa por un fotodiodo
cuando no hay entrada luminosa. Se debe a portadores generados
térmicamente en el diodo. Típicas densidades de corriente oscura en
dispositivos de silicio son de 10−6a 10−7A/cm²; en InGaAs son de 10−4a 10−6
A/cm²y en Germanio de 10−3 A/cm².
 Tiempo de tránsito.-Es el tiempo que tarda un portador inducido por la luz,
en cruzar la región de agotamiento. Este parámetro determina la máxima
frecuencia posible de bits a recibir. En un diodo de silicio la velocidad de
huecos y electrones es de 8,4x104 y 4,4x104 m/s, respectivamente. Para un
ancho de la zona de agotamiento de 10μm, el tiempo de respuesta causado
por este efecto será de aproximadamente 0.1 ns.
La distorsión del ancho de pulso que sufre una señal en un receptor óptico
por las diferencias en los tiempos de propagación, se obtiene por la ecuación
2.7:
𝑡𝑝𝑤 = ∆𝑡𝑝 = ∆𝑡𝑝ℎ𝐿 − 𝑡𝑝𝐿ℎ
(2.7)
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Dónde:
𝑡𝑝𝑤 = Tiempo del ancho del pulso.
∆𝑡𝑝ℎ𝐿 = Tiempo de tránsito de alto a bajo.
𝑡𝑝𝐿ℎ = Tiempo de tránsito de bajo a alto.
 Respuesta espectral.- Es el intervalo de longitudes de onda que se puede
usar con determinado fotodiodo. En general la respuesta espectral relativa
se grafica en función de la longitud de onda.
 Sensibilidad a la luz.-Esta sensibilidad es la potencia óptica mínima que
puede recibir un detector para producir una señal eléctrica útil de salida a una
determinada longitud de onda y está dada en dBm o dBμ.
 Potencia de ruido de fondo.-El receptor genera ruido terminal en la
conexión entre la fibra y el detector óptico llamado ruido de fondo. El ruido
también puede especificarse como una potencia y corresponde a la relación
entre el voltaje de ruido típico máximo y la responsividad (ec.2.8).
𝑃𝑁 =
𝑉𝑁𝑜
𝑅𝑝
(2.8)
Dónde:
𝑃𝑁 = Potencia de ruido de fondo.
𝑅𝑝 = Responsividad.
𝑉𝑁𝑜 = voltaje de ruido típico máximo.
El fabricante especifica un valor típico máximo de voltaje de ruido para señal
nula (𝑉𝑁𝑜 ) dado en m𝑉𝑅𝑀𝑆 equivalente a 0.36 mV.
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FUNDAMENTOS DE LOS FOTODIODOS
Los fotodiodos se basan en el proceso de absorción estimulada de fotones.
Supongamos una unión pn polarizada en inversa. (Ver figura 2.28).
Fig. 2.28. Esquema de una unión pn polarizada en inversa
Al incidir un fotón sobre el semiconductor, tal que su energía (Ec.2.3)
𝐶
Eg=ℎ [λ ]
Es superior a la energía de banda prohibida (𝐸𝑔 ), éste es absorbido
generándose un par electrón-hueco. Así las longitudes de onda pueden ser
detectadas a través de la siguiente condición (ec. 2.9):
Hf ≥ 𝑬𝒈 =
𝒉𝒄
𝝀
𝟏.𝟐𝟒
≥ 𝑬𝒈  𝝀 ≤ 𝑬
𝒈 [𝒆𝑽]
(2.9)
Debido al campo eléctrico establecido por la tensión aplicada en el circuito,
los electrones y huecos se ponen en circulación dando lugar a una corriente
eléctrica. Al tener el fotodiodo polarizado en inversa el campo eléctrico interno es
más intenso, por tanto la aceleración que experimentan los pares electrones-huecos
es mayor, y la respuesta del fotodiodo ante variaciones de la potencia óptica es
mejor.
La corriente resultante 𝑰𝒑 , es proporcional a la potencia óptica incidente.
Representa la capacidad del fotodiodo de generar pares electrón-hueco por la
incidencia de una señal óptica. (ec.2.10)
Ip= Rp. Pin
(2.10)
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Dónde:
Pin = Potencia incidente.
Rp = Responsividad del fotodiodo. (A/W)
Otro parámetro importante en un fotodiodo es su ancho de banda. El ancho
de banda de un fotodiodo determina la velocidad con que responde éste ante las
variaciones de la potencia óptica incidente.
Se define el tiempo de subida del fotodetector Tr , como el intervalo de
tiempo transcurrido desde que la corriente Ip , aumenta desde el 10% hasta el 90%
de su valor final ante una variación abrupta de la potencia óptica incidente. Este
intervalo de tiempo desde la llega de un pulso de luz al fotodiodo y la aparición de
la corriente se debe al tiempo que tardan los electrones y huecos generados por la
absorción de los fotones en salir del fotodiodo al circuito.
Una buena aproximación del ancho de banda del fotodiodo en función del
tiempo de subida es la siguiente expresión: (ec.2.11).
Be =
0.35
𝑻𝒓
(2.11)
Junto con la responsividad y el ancho de banda, un tercer parámetro
importante en un fotodiodo es la corriente de oscuridad 𝑰𝒅 . Esta corriente se genera
en ausencia de una señal óptica, tiene su origen en los pares electrón-hueco
generados térmicamente. En un buen fotodiodo 𝐈𝐝 debe ser despreciable, menor de
10nA.
Existen básicamente dos tipos de fotodetectores de semiconductor, que se
emplean en los receptores ópticos para sistemas de telecomunicaciones. El primero
es comúnmente
referido como FOTODETECTOR PIN (Positive Instrinsec
Negative) y el segundo es referido como FOTODETECTOR DE AVALANCHA APD
(Avalanche Photodiode).
En aquellas aplicaciones, donde se requiere una alta sensibilidad, se
recomienda tener como receptores fotodetectores de avalancha; sin embargo los
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fotodetectores PIN, son los más comunes en los sistemas de transmisión por fibras
ópticas.
2.2.2.1 FOTODIODO PIN
Los Fotodetectores PIN o Fotodiodos PIN, son los detectores más comunes
en los sistemas de transmisión por fibras ópticas. Este diodo está conformado
por una capa intrínseca, casi pura, de material semiconductor, introducida entre la
unión de dos capas de materiales semiconductores tipo n y p. Se aplica una tensión
de polarización inversa (Ver figura 2.29).
Figura. 2.29: Cortes esquemático de un Fotodiodo p-i-n de InGaAs
La luz entra al diodo por una ventana muy pequeña y es absorbida por el
material intrínseco, el cual agrega la energía suficiente para lograr que los
electrones se muevan de la banda de valencia a la banda de conducción y se
generen portadores de carga eléctrica que permiten que una corriente fluya a través
del diodo. Los elementos más utilizados en la fabricación de este tipo de detectores
son el Germanio y últimamente se utiliza el GaAs, GaInAs, InP, con resultados muy
buenos.
Los diodos PIN requieren bajas tensiones para su funcionamiento, pero
deben utilizar buenos amplificadores. Presentan tiempos de vida relativamente
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altos. Que podrían reducir únicamente por factores externos y son los más indicados
para el uso en la segunda y tercera ventana de transmisión (1300 y 1550 nm).
Los fotodiodos p-i-n se caracterizan por su fácil fabricación, su alta fiabilidad,
bajo ruido. Su ancho de banda es muy elevado. En la tabla 2.8 se muestran los
valores de las principales características de los tres tipos de fotodiodos p-i-n más
comunes.
Tabla 2.6: características de los tipos de fotodiodo PIN.
Parámetro
Longitud de
onda
Responsividad
Eficiencia
Corriente de
oscuridad
Tiempo de
subida
Ancho de
banda
Símbolo
𝜆
Unidad
𝜇m
Si
0.4-1.1
Ge
0.8-1.8
InGaAs
1.0-1.7
R
H
𝐼𝑑
A/W
%
nA
0.4-0.6
75-90
1-10
0.5-0.7
50-55
50-500
0.6 -0.9
60-70
1-20
𝑇𝑟
Ns
0.5-1
0.1-0.5
0.05-0.5
∆𝑓
GHz
0.3-0.6
0.5-3
1-5
2.2.2.2 DIODOS DE AVALANCHA (APD)
Los Fotodetectores de Avalancha o Fotodiodos de Avalancha, son una
estructura de materiales semiconductores, ordenados en forma p-i-p-n.
Figura 2.30 Corte esquemático de un Fotodiodo APD.
La luz entra al diodo y es absorbida por la capa n, haciendo que ciertos
electrones pasen de la banda de valencia a la banda de conducción. Debido al
gran campo eléctrico generado por la polarización inversa, los electrones
adquieren velocidades muy altas y al chocar con otros electrones de otros átomos,
hacen que éstos se ionicen. Los átomos ionizados ionizan a su vez otros átomos,
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desencadenando un efecto de avalancha de corriente fotoeléctrica.
En la tabla 2.7 se comparan los valores de las principales características de
los fotodiodos de avalancha de Si, Ge e InGaAs.
Tabla 2.7: características de los tipos de fotodiodo de Avalancha.
Parámetro
Longitud de
onda
Responsividad
Ganancia APD
Corriente de
oscuridad
Tiempo de
subida
Ancho de
banda
Símbolo
Λ
Unidad
Μm
Si
0.4-1.1
Ge
0.8-1.8
InGaAs
1.0-1.7
R
M
Id
A/W
nA
80-130
100-500
0.1-1
3-30
50-20
50-500
5-20
10-40
1-5
Tr
Ns
0.1-2
0.5-0.8
0.1-0.5
∆f
GHz
0.2-1.0
0.4-0.7
1-3
Los fotodiodos APD son 10 veces más sensibles que los diodos PIN y
requieren de menos amplificación adicional. Su desventaja radica en que los
tiempos de transición son muy largos y su vida útil es muy corta. (Ver Tabla 2.8).
Tabla 2.8: Característica Comparativa entre PIN y APD.
CARACTERISTICA
COMPARATIVA
COSTO
VIDA
CAPACIDAD DE
TRANSMISIÓN
CIRCUITOS DE
POLARIZACIÓN
FOTODETECTOR
PIN
accesibles
Tiempos de vida útil
superiores a APD.
APD
Son más complejos y
por ende más caros.
muy corta
Inferiores a APD
Poseen velocidades de
respuesta mayores;
por lo que permiten
mayores tasas de
información.
Requieren Circuitos de
polarización
más
simples, pues trabajan
a menores tensiones.
Requieren Circuitos de
polarización
más
complejos.
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2.3 DISPOSITIVOS DE INTERCONEXION
Para la instalación de sistemas de fibra óptica es necesario utilizar técnicas
y dispositivos de interconexión como empalmes y conectores.
Las uniones o las terminaciones de fibra óptica se realizan de dos
maneras: 1) con conectores, que unen dos fibras para crear una unión temporaria
y/o conectar la fibra a un equipo de red; o 2) con empalmes, que crean una unión
permanente entre dos fibras. Ambos métodos de terminación deben tener dos
características principales: buen rendimiento óptico, determinado por una
atenuación baja y una reflectancia mínima, y alta resistencia mecánica. Las
terminaciones también deben ser del estilo adecuado para que sean compatibles
con el equipamiento utilizado y estén protegidas de los efectos nocivos del lugar de
instalación.
En un empalme, las pérdidas son menores que 0.01 dB. En un conector son
de 0.2 dB. La razón es que en un empalme los extremos de las fibras se tocan. En
un conector, se deja una brecha de aire para que las superficies pulidas de la fibra
no se dañen durante el proceso de conectar o desconectar, aunque existen
conectores que permiten el contacto físico (PC) de los núcleos.
En caso de que los núcleos no se empalmen perfecta y uniformemente, una
parte de la luz que sale de un núcleo no incide en el otro núcleo y se pierde. Por
tanto las pérdidas que se introducen por esta causa pueden constituir un factor muy
importante en el diseño de sistemas de transmisión, particularmente en enlaces de
telecomunicaciones de gran distancia.
2.3.1 EMPALMES
El empalme de fibra es una técnica utilizada para unir permanentemente dos
fibras ópticas en una conexión de bajas pérdidas. Existen dos técnicas.
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 EMPALME MECÁNICO.- Utiliza un conector pequeño, en forma de cilindro,
de 6 cm de largo y 1 cm de diámetro, que alinea dos fibras desnudas y las
asegura mecánicamente. Las pérdidas en este empalme son de 0.1 a 0.8 dB.
a)
b)
Figura.2.31. Empalme mecánico. a) Con gel. b) Sin gel.
 EMPALME POR FUSIÓN.-Utiliza una máquina empalmadora de fusión, que
alinea con precisión las 2 fibras y genera un pequeño arco eléctrico para
soldarlas. Las pérdidas en este empalme son menores que 0.1 dB.
Figura.2.32. Empalme por fusión.
Son empalmes permanentes que se realizan con máquinas empalmadoras
automáticas.
Figura.2.33. máquinas empalmadoras.
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 PROCESO DE EMPALME.-Con empalmadora de fusión se realizan
empalmes con pérdidas menores que 0.01 dB.
1.-Se cargan las fibras sin coating y cortadas a 90º (Ver figura 2.34).
Figura.2.34.Primer paso de empalme.
2.-Se alinean los núcleos (Ver figura 2.35).
Figura.2.35.Segundo paso de empalme.
3.-Se fusionan con un arco producido por dos electrodos (Ver figura
2.36).
Figura.2.36. Tercer paso de empalme.
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4.-Se verifica la atenuación. En este caso: 0.01 dB. (Ver figura 2.37).
Figura.2.37. cuarto paso de empalme.
 PERDIDAS DE UNION.-Los empalmes son las uniones fijas para
lograr continuidad en la fibra. Las pérdidas en los empalmes se
consideran cuando se diseña el enlace óptico. (Ver figura 2.38)
Figura.2.38. Enlace óptico.
En las fibras monomodo los problemas de empalme se encuentran
principalmente en su pequeño diámetro del núcleo Dn = 10μm, esto
exige contar con equipos y mecanismos de alineamiento de las fibras
con una mayor precisión.
Las pérdidas de acoplamiento se presentan en las uniones de:
Emisor óptico a fibra, conexiones de fibra a fibra y conexiones de fibra
a fotodetector.
Las pérdidas de unión son causadas frecuentemente por una mala
alineación lateral, mala alineación de separación, mala alineación
angular, acabados de superficie imperfectos y diferencias ya sea entre
núcleos o diferencia de índices, como los indicados en la tabla 2.9.
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Tabla 2.9: Perdidas de unión de las fibras monomodo o singular modo y multimodo gradual.
MONOMODO
GRADUAL
X= 2µm
0.74dB
X= 2µm
0.06dB
ʘ= 1º
ʘ= 1º
0.21 dB
0.03dB
𝐀 𝟏 =0.2%
𝐀 𝟐 =0.25%
0.03dB
𝐀 𝟏 =1%
𝐀 𝟐 =0.8%
0.32 dB
𝜽= 1º
𝜽= 1º
0.4dB
0.15dB
2𝐚𝟏 = 10µm
2𝐚𝟐 = 8 µm
0.02dB
2a𝟏 = 50µm
2a𝟐 = 48 µm
0.15dB
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2.3.2 CONECTORES
Los conectores son dispositivos mecánicos utilizados para recoger la mayor
cantidad de luz. Realizan la conexión del emisor y receptor óptico.
En caso de que los núcleos no se empalmen perfecta y uniformemente, una
parte de la luz que sale de un núcleo no incide en el otro núcleo y se pierde. Por
tanto las pérdidas que se introducen por esta causa pueden constituir un factor muy
importante en el diseño de sistemas de transmisión, particularmente en enlaces de
telecomunicaciones de gran distancia.
La gran mayoría de los conectores actuales tiene algunos elementos
comunes como se muestra en el conector genérico de la figura 2.39.
Figura. 2.39. Conector de fibra óptico genérico
La fibra se monta a lo largo de la férula, un cilíndro de cerámica cuyo
diámetro coincide con el diámetro del revestimiento de la fibra, cuya misión es
alinear y proteger mecánicamente a la fibra. El extremo final de la fibra llega al final
de la férula, que suele ser pulido y alisado.
El pulido de la férula es puede ser de dos formas PC, Physical Contact , o
APC, Angled Physical Contact.(Ver Figura 2.40).
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Fig. 2.40: Pulido: PC (Physical Contact ) y APC (Angled Physical Contact).
El pulido APC. La férula está montada en el cuerpo del conector que está
unido al cable de la fibra. Una carcasa protege la unión entre el conector y el cable
de la fibra. A diferencia de los conectores electrónicos la mayoría de los estándares
de conectores de fibra carece de polaridad macho/hembra.
Por ello para los conectores de fibra se acoplan a través de adaptadores. Los
conectores suelen tener un pigtail que es un cable de una sola fibra. En cualquier
tipo de conexión participan 3 componentes:
1. El conector que inyecta la potencia óptica a transmitir.
2. El adaptador que guía (deslizamiento con fricción) y que mantiene estable el
contacto alineado entre extremos sometidos a esfuerzo permanente (muelle).
3. El conector que extrae la potencia transmitida.
Dos de tales componentes, los conectores, son productos transformados, es
decir son componentes en los que la calidad de la marca del conector, por buena
que sea, puede no verse debidamente reflejada por la calidad del conector montado.
El adaptador es un componente no transformado.
La operación simultánea de éstos 3 elementos exige compatibilidad
mecánica y óptica. Cuando todos ellos son de una misma marca de fabricación, se
la entiende como Compatibilidad Horizontal (CH), y si son de distintas marcas
Compatibilidad Vertical (CV).
Para la terminación de una fibra óptica es necesario utilizar conectores o
empalmar Pigtails (cables terminados en conector) por medio de fusión. Para el
caso de conectorización se encuentran distintos tipos de conectores de acuerdo con
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el uso, de la norma mundial y de sus características, en la tabla 2.10 se puede
observar la clasificación de los diversos conectores tales como: ST, SC, SCD, FC,
LC, LCD, etc. tanto en versión monomodo como multimodo.
Tabla 2.10: Conectores universales de la fibra óptica en modo Multimodo y singular modo.
CONECTOR
PERDID
AS POR
INSERC
CIÒN
TIPO DE FIBRA
REPETIBILIDAD
SM: SingularModo.
MM: Multi-Modo
APLICACIONES
FC
0.501.00
dB
0.20 dB
SM,MM
Datacom,Teleco
mmunications
0.200.70
dB
0.20 dB
SM,MM
Fiber Optic
Network
0.15
dB
(SM)
0.20 dB
SM,MM
High Density
Interconnection
FDDI
LC
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0.10
dB
(MM)
MT-ARRAY
0.301.00
dB
0.25 dB
SM,MM
High Density
Interconnection
0.200.45
dB
0.10 dB
SM,MM
Datacom
0.200.45
dB
0.10 dB
SM,MM
Datacom
Typ
0.40
dB
(SM)
Typ
0.50
Db
(MM)
Typ 0.40 dB
(SM)
Typ 0.20 Db
(MM)
SM,MM
Inter-/ IntraBuilding,
security,Navi
SC
SC DUPLEX
ST
Actualmente, los conectores con mayor demanda en el mercado son los
siguientes:
 ST (Straight Tip).-Conector para Fibra Monomodo o Multimodo de uso
habitual en redes de datos y equipos de Networking locales.
 FC (Ferrule Connector).- Conector para Fibra Óptica Monomodo o
Multimodo de uso habitual en telefonía y CATV en formato Monomodo
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 SC (Standard Connector).- Conector para Fibra óptica Monomodo y
Multimodo con uso habitual en telefonía en formato monomodo.
Tabla 2.11: Características genéricas de los conectores ST.
En los anexos se muestran más tablas correspondientes a distintos tipos de
cable de fibra óptica con las diferentes características genéricas de acuerdo al
pulido (PC, Physical Contact , o APC, Angled Physical Contact ) que regularmente
proporcionan los fabricantes.
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TIPOS DE PÉRDIDAS EN EL CONECTOR
Todos los conectores, tanto monomodo como multimodo, se garantizan con
pérdidas máximas de inserción de 0,4 dB, con un valor típico inferior a 0,2 dB.
Existen dos tipos de pérdidas en el conector y son las siguientes:
 Pérdida por inserción.-Atenuación que agrega a un enlace la presencia de
un conector. Es del orden de 0.2 dB.
 Pérdida de retorno (o de acoplamiento).-Es la pérdida causada por la luz
reflejada. Se mide como la diferencia entre el nivel de luz reflejada y la luz
incidente. Es un valor negativo y menor que -30 dB. La pérdida se mide en
ambos sentidos, tomándose el promedio.