Tarea 3.1
Oscar J. Quinde Solórzano Universidad Israel, Sede Matriz Electrónica Digital y Telecomunicaciones – TX y RX. Quito, Ecuador.
Resumen. El presente documento pertenece al trabajo 3.1 de TX-RX, preguntas y problemas del tema “Comunicaciones en FO”.
I. Problemas:
11-3. Para una interfaz vidrio (n = 1.5)/cuarzo (n = 1.38) y un ángulo de incidencia de 35°, calcule el ángulo de refracción.
= = 1.5 35 ° = 1.38 = 0.35° 623 623 = .° 11-4. Calcule el ángulo crítico para la fibra que se menciona en el problema 11-3.
=− ( ) =− (1.1.358) =.° 11-5. Calcule el ángulo de aceptación para el cable que se menciona en el problema 11-3.
= 90° θa =90°66.92° θa =23.08° 11-6. Calcule la abertura numérica del cable que se describe en el problema 11-3.
= = √ 1.5 1.388 =.
II. Preguntas: 11-1. Defina un sistema de fibra óptica. El sistema de fibra óptica funciona enviando información por medio de rayos de luz. Están diseñados con fibras separadas para la transmisión (TX) y la recepción (RX), en los extremos se encuentran en un transmisor y un receptor de luz. El transmisor puede emplear o un diodo emisor de luz (LED) o un láser como elemento de salida. 11-2. ¿Cuál es la relación entre capacidad de información y amplitud de banda? La capacidad de conducción de información de un sistema electrónico de comunicaciones es directamente proporcional a su amplitud de banda. Para fines de comparación se acostumbra expresar el ancho de banda de un sistema analógico de comunicaciones como un porcentaje de la frecuencia de su portadora. A esto se le llama a veces relación de utilización del ancho de banda. Por ejemplo, un sistema de radiocomunicaciones de VHF trabajando a una frecuencia de portadora de 100 MHz con ancho de banda de 10 MHz. tiene una relación de utilización de ancho de banda de 10%. Un sistema de radio de microondas que funciona con una frecuencia de portadora, con una relación de utilización de ancho de banda de 10% tendría disponible 1 GHz de ancho de banda, por lo tanto se deduce que mientras mayor es la frecuencia de portadora, el ancho de banda es mayor y la capacidad de conducción de información es mayor. 11-3. ¿Qué desarrollo, en 1951, fue un gran avance en el campo de la óptica de fibras? ¿Y en 1960? ¿Y en 1970? 1951: Sus estudios condujeron al desarrollo del fibroscopio flexible. 1960: El láser amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. 1970: Se desarrolló una fibra óptica con pérdidas menores que 2dB/km. 11-4. Describa las ventajas y desventajas de los cables de fibra óptica y los cables metálicos. Ventajas: Mayor capacidad de información: Los sistemas de comunicaciones con fibra óptica tienen mayor capacidad de información que los cables metálicos, debido a los ancho de banda inherentemente mayores con las frecuencias ópticas. Seguridad: Los cables ópticos son más seguros y fáciles de instalar y mantener que los cables metálicos, debido a que las fibras de vidrio y de plástico son no conductoras, no se asocian con ellas corrientes ni voltajes eléctricos. Desventajas: Costos de interconexión: Los sistemas de fibra óptica son virtualmente inútiles por sí mismos. Resistencias: Las fibras ópticas de por si tienen una resistencia bastante menor. A la tensión que los cables coaxiales. 11-5. Describa las unidades constructivas primarias de un sistema de fibra óptica. El transmisor: Consiste en una interconexión o interfaz analógica o digital, un convertidor de voltaje a corriente, una fuente luminosa y un acoplador de luz de fuente a fibra. Receptor: Comprende un dispositivo detector acoplador de fibra a luz, un detector fotoeléctrico, un convertidor de corriente a voltaje, un amplificador y una interfaz analógica o digital. Guía de fibra: Es un cable de vidrio o plástico ultra puro. 11-6. Describa las diferencias entre los cables de fibra de vidrio y de fibra de plástico. Las fibras de plástico tienen varias ventajas sobre las de vidrio. La primera es que las de plástico son más flexibles, y por lo tanto son más robustas que las de vidrio. Son fáciles de instalar, pueden resistir mejores los refuerzos, son menos costosas y pesan 60% menos que el vidrio.
11.7. Describa, en forma breve, la construcción de un cable de fibra óptica. El cable puede consistir de un núcleo, un revestimiento, un tubo protector, amortiguadores, miembros resistentes y uno o más forros o chaquetas de protección. Dentro del tubo protector hay un compuesto de poliuretano que encapsula, o sella, a la fibra, y evita la penetración del agua. 11-8. Defina los siguientes términos: velocidad de propagación, refracción e índice de refracción. Velocidad de propagación: La energía electromagnética, como la luz, recorre aproximadamente 3000000000m/s en el espacio libre. La velocidad de propagación es igual para todas las frecuencias de luz en el espacio libre. En materiales más densos que el espacio libre, todas las frecuencias de la luz no se propagan con la misma velocidad. Refracción: Se refracta un rayo de la luz al pasar de un material de determinada densidad a un material menos denso. Por ejemplo la refracción se presenta en la interfaz entre aire y vidrio. Índice de refracción: La cantidad de desviación o refracción que sucede en la interfaz de dos materiales de distintas densidades se puede predecir bastante bien y depende del índice de refracción de los dos materiales. 11-9. Enuncie la ley de Snell de la refracción y describa su importancia en los cables de fibra óptica. La ley de Snell establece que: En donde: = índice de refracción del material 1 (adimensional). = índice de refracción del material 2 (adimensional). =ángulo de incidencia (grados). =ángulo de refracción (grados). En la interfaz se puede refractar el rayo incidente hacia la normal, o alejándose de ella. Dependiendo si menos o mayor que .
=
es
11-10. Defina qué es el ángulo crítico. Se define como el ángulo de incidencia mínimo en el cual un rayo de luz puede llegar a la interfaz entre dos medios y tener un ángulo de refracción de 90° o mayor. Esta definición solo se aplica cuando el rayo de luz pasa de un medio más denso a uno menos denso. 11-11. Describa qué quiere decir modo de operación y perfil de índice. Modo de propagación: En la terminología de fibras ópticas la palabra modo significa camino. Si solo hay una trayectoria que pueda tenerla luz por el cable se llama modo único o unimodal. Si hay más de una trayectoria se llama domo múltiple o multimodal. Perfil de índice: Es una representación gráfica del índice de refracción en la sección transversal de la fibra .El índice de refracción se grafica en el eje horizontal y el eje de la distancia radial al centro es el vertical. 11-12. Describa un cable de fibra de índice escalonado, y uno de índice graduado. Índice escalonado: Tiene un núcleo central con índice de refracción uniforme. Este núcleo esta rodeado por un revestimiento externo con índice de refracción uniforme, pero menor que el de núcleo central. Índice graduado: No hay revestimiento, y el índice de refracción del núcleo no es uniforme; es máximo en el centro y disminuye en forma gradual de acuerdo con la distancia hacia la orilla externa. 11-13. Describa las ventajas y desventajas del índice escalonado, el índice graduado, la propagación unimodal y la propagación multimodal.
Fibra unimodal de índice escalonado Ventajas: Hay dispersión mínima. Como todos los rayos que se propagan por la fibra tomando aproximadamente la misma trayectoria tarda aproximadamente el mismo tiempo para recorrer el cable. Debido a la gran exactitud de reproducción de los pulsos transmitidos en el extremo de recepción son -
posibles mayores anchos de banda y mayores capacidades de transmisión de información con las fibras unimodales de índice escalonado que con los otros tipos de fibra. Desventajas: Debido a que núcleo central es muy pequeño es difícil acoplarla luz hacia adentro y hacia fuera de esta clase de fibra. Debido al pequeño núcleo central, se requiere una fuente luminosa muy di reccional como por ejemplo un láser para acoplar la luz en una fibra unimodal o índice escalonado. Las fibras unimodales de índice escalonado son costosas y difíciles de fabricar. -
Fibra multimodal de índice escalonado Ventajas: Las fibras multimodales de índice escalonado son pocos costosas, y su fabricación es sencilla. Es fácil acoplar la luz hacia adentro y hacia afuera de las fibras multimodales de índice escalonado: tiene una abertura grande de la fuente a la fibra. Desventajas: Los rayos luminosos siguen muchas trayectorias distintas por la fibra, lo que da como resultado grandes diferencias en su tiempo de propagación. El ancho de banda y la capacidad de transferencia de información posibles con este tipo de cables, es menor que con los demás tipos. 11-14. ¿Por qué es imposible la propagación unimodal en las fibras de índice graduado? Este tipo de fibra no tiene ventajas ni desventajas sobresalientes. 11-15. Describa qué es abertura de fuente a fibra. Se refiere a la capacidad de recogida de luz que tiene la fibra, la capacidad de acoplar la luz de la fuente hacia el interior del cable de fibra. 11-16. ¿Qué son el ángulo de aceptación y el cono de aceptación para un cable de fibra? Define el ángulo máximo que pueden formar los rayos luminosos externos al llegar a la interfaz aire-fibra, para poder propagarse por la fibra con una respuesta no mayor a 10dB menos que el valor mínimo. Al girar este ángulo en torno al eje de la fibra se obtiene el cono de aceptación de la entrada de la fibra. 11-17. Defina qué es abertura numérica. Se usa la abertura numérica para describir la capacidad de reunirla luz que tiene una fibra óptica 11-18. Haga una lista de las pérdidas asociadas por acoplamiento, y descríbalas en forma breve. Perdidas por absorción: En las fibras ópticas absorben la luz y la convierten en calor. Perdidas por dispersión en material: la difracción hace que la luz se disperse en muchas direcciones. Perdidas de radiación: Se deben principalmente a pequeños cambios de dirección y dobleces de la fibra. Dispersión modal: Se debe a la diferencia en los tiempos de propagación de rayos de luz que van por diferentes trayectorias en una fibra. Perdidas por acoplamiento: Se pueden presentar en las uniones ópticas com conexión de fuente luminosa a fibra, conexión de fibra a fibra y conexión de fibra a fotodetector. 11-19 ¿Qué es el ensanchamiento de pulso? Es la diferencia en los tiempos de propagación de rayos de luz que van por diferentes trayectorias en una fibra. 11-20. Defina la constante de ensanchamiento de pulso. Es la diferencia entre los tiempos absolutos de demora de los rayos más rápidos y más lentos que se propagan por una fibra de longitud unitaria
11-21. Haga una lista de las diversas pérdidas por acoplamiento, y descríbalas en forma breve. Des-alineamiento lateral: Es el desplazamiento lateral o axial entre dos tramos de cables de fibra adjuntos. Des-alineamiento de entrehierro: Cuando se hace empalmes en fibras ópticas, las fibras se deben tocar realmente. Mientras más alejadas queden, la perdida de luz será mayor. Des-alineamiento angular: Con desplazamiento angular menor que 2° la pérdida será menor de 0.5 dB. Acabado superficial imperfecto: Los extremos de las dos fibras adjuntas deben estar muy pulidos y asentar entre sí. 11-22. Describa en forma breve el funcionamiento de un diodo emisor de Luz. Los LED emiten luz por emisión espontanea.: la luz se emite como resultado de la recombinación de electrones con huecos. 11-23. ¿Cuáles son los dos tipos de LED? Diodos emisores de luz (LED) y diodos de laser de inyección (ILD) 11-24. Describa en forma breve el funcionamiento de un diodo de láser de inyección. Arriba de la corriente de umbral, un ILD oscila y se produce la emisión laser. Al pasar la corriente por un diodo de unión p-n de polarización directa, se emite luz por emisión espontanea, a una frecuencia determinada por la banda prohibida del material semiconductor. 11-25. ¿Qué es el efecto láser? Los extremos con acabado de espejo atrapan los fotones en la región activa y, al reflejarse de un lado a otro, estimulan a electrones libres, para recombinarse con huecos a un valor de energía mayor que el normal. 11-26. Describa las ventajas y desventajas de los ILD y lo s LED.
Ventajas de los ILD 1. Es más fácil de acoplar su luz en una fibra óptica. 2. La potencia radiante de salida de un ILD es mayor que la de un LED. 3. Los ILD se pueden usar a frecuencias mayores de bits que los LED. Desventajas de los ILD 1. 1-Los ILD cuestan normalmente 10 veces más que los LED. 2. 2-Como los ILD trabajan con mayores potencias, y duran mucho menores que los LED. 3. 3-Los ILD dependen más de la temperatura que los LED.
11-27. Describa en forma breve el funcionamiento de un diodo emisor de luz. La luz entra al diodo y se absorbe en la capa n, delgada y muy dopada. Entre la unión i-p-n se desarrolla una gran intensidad de campo eléctrico, por polarización inversa, que causa ionización por impacto. Durante la ionización por impacto, un portador puede adquirir la energía suficiente para ionizar otros electrones enlazados. 11-28. Describa el efecto fotoeléctrico. La luz que entra por la ventana de un diodo PIN se absorbe en el material intrínseco y agrega la energía suficiente para hacer que los electrones pasen de la banda de valencia a la banda de conducción. 11-29. Explique la diferencia entre un diodo PIN y un APD. Los APD son más sensibles que los diodos PIN y requieren menos amplificación adicional.
11-30. Haga una lista de las características primarias de los detectores de luz y descríbalas. Responsividad: Es una medida de la eficiencia de conversión de un foto-detector. Corriente oscura: Es la corriente de reposo que pasa por un fotodiodo cuando no hay entrada luminosa. Tiempo de tránsito: Es el tiempo que tarda un portador inducido por la luz en cruzar la región fotodiodo. Respuesta espectral: Es el intervalo de longitudes de onda que se puede usar con determinado fotodiodo. Sensibilidad a la luz: Es la potencia óptica mínima que puede recibir un detector para producir una señal eléctrica útil de salida.
