Frecuencia y longitud de onda
Las ondas electromagnéticas se describen por medio de su frecuencia o su longitud de onda.
¿Qué son las comunicaciones ópticas?
Un enlace de comunicaciones ópticas es un caso particular de un sistema de telecomunicaciones, la diferencia con otras tecnologías se encuentra en la banda de frecuencias que se emplea para realizar la transmisión de señales. Las comunicaciones ópticas emplean las bandas ópticas del espectro electromagnético para transmitir información.
Bandas del espectro electromagnético
Para su estudio, el espectro electromagnético se divide en segmentos o bandas, aunque esta división es inexacta. Existen ondas que tienen una frecuencia, pero varios usos, por lo que algunas frecuencias pueden quedar en ocasiones incluidas en dos rangos.
Las bandas ópticas
Las bandas ópticas se encuentran ubicadas un poco más arriba del espectro considerando la escala de frecuencias, la banda óptica de las comunicaciones ópticas, incluyendo guiadas.
La capacidad de un sistema de comunicaciones
La capacidad de un sistema de comunicaciones suele especificarse a través del producto capacidad x distancia (BL), donde B representa la velocidad de transmisión y L la separación de repetidores.
La frecuencia de la onda electromagnética
La frecuencia de la onda electromagnética y su longitud de onda están relacionadas a través de: λf = c ⟹ λ =
Las bandas para las comunicaciones por fibra óptica
Las bandas para las comunicaciones por fibra óptica se ubican entre ochocientos nanómetros y mil seiscientos nanómetros.
Una fibra óptica
Una fibra óptica está constituida por un núcleo cilíndrico de material dieléctrico de radio a rodeado de una cubierta también de material dieléctrico de radio exterior b. Los materiales dieléctricos que componen el núcleo y la cubierta generalmente están formados por cristal de silicio (SiO2) y una serie de dopantes tales como Germanio (Ge), Fosforo (P) y Boro (B). La luz va por la parte interior del núcleo, va guiada por eso se dice que la fibra óptica es un medio guiado.
Pérdidas bajas.
Se tienen pérdidas muy bajas, dependiendo de la ventana en la que se transmite, estamos hablando del entorno 0.17 decibeles por kilómetro, y en comparación con el comportamiento de otros portadores.
Ancho de banda elevado.
Lo cual permite una gran capacidad de transmisión de información, que se traduce en un mayor rendimiento de los sistemas.
La ley de reflexión
La ley de reflexión nos dice que el ángulo del rayo reflejado con la normal es el mismo que el ángulo del rayo incidente con la misma normal.
La Ley de Snell
La Ley de Snell relaciona los ángulos que los rayos incidentes y transmitido, a través de la interfaz de separación entre ambos medios, forman con la dirección normal a esta. n1 sin θi = n2 sin θt
Fibra multimodo de salto de índice
El índice de refracción varía abruptamente en la superficie de separación entre el núcleo y la cubierta. Son fibras con unos tamaños de diámetro del núcleo alrededor 62.5 micrómetros y se llama multimodo.
Fibra multimodo de índice gradual
Puede transmitir varios modos de propagación como la anterior, pero en este caso, el índice de refracción decrece suavemente dentro del núcleo hasta coincidir con el de la cubierta.
Fibra monomodo de salto de índice
La transición entre el núcleo y la cubierta es de forma muy abrupta. Y el tamaño del núcleo es tan pequeño, estamos hablando de un diámetro de alrededor de 9 micras, que puede transmitir un modo de propagación.
Atenuación
Disminución de la potencia de la señal a medida que ésta se propaga. En una fibra óptica, y para un determinado modo de propagación, dicha reducción de la potencia se produce de manera exponencial con respecto a la longitud recorrida.
Dispersión
Mecanismo que provoca un ensanchamiento temporal de los pulsos transmitidos por la fibra y que limita la máxima velocidad de transmisión digital que puede soportar para evitar la interferencia entre símbolos. Puede ser de dos tipos, la dispersión intermodal y la dispersión intramodal o cromática.
Dispersión intermodal
Se produce únicamente en fibras multimodo y viene originada porque los diferentes modos (rayos) de propagación tardan tiempos diferentes en propagarse a través de la fibra, ya que, pese a propagarse con la misma velocidad, siguen caminos de distinta longitud.
Dispersión intramodal o cromática
Este mecanismo es importante en fibras monomodo. En ellas sólo se transmite un modo, y por lo tanto la dispersión intermodal es inexistente.
Para la transformación de la señal se emplea el transmisor óptico, formado por dos partes: La primera parte lo comprende el driver, el cual ajusta los niveles y formato de la señal electrónica generada por el ETL a los requeridos por el conversor electroóptico y la segunda parte está formada por la fuente óptica. El driver también suministra la señal de alimentación y control que precisa la fuente óptica.
El receptor óptico se compone de tres partes; un detector optoelectrónico o fotodiodo, una etapa preamplificadora de bajo ruido y una parte electrónica final de pos proceso.
Diodos electroluminiscentes o LEDS
Generan luz mediante el mecanismo de emisión espontánea. Son generalmente de bajo costo. Se caracterizan por su gran anchura espectral en ausencia de modulación y su relativa ineficiencia de acoplo de potencia a la fibra óptica, lo que los hace únicamente apropiadas para aplicaciones de baja distancia y velocidades de transmisión pequeñas (hasta 200Mb/s) en las que se emplea fibra multimodo como medio de transmisión.
Láseres de semiconductor
Apropiadas para aplicaciones de alta distancia y altas velocidades de transmisión (de 300Mb/s hasta varias decenas de Gb/s), disponen de gran pureza espectral impidiendo sufrir importantes restricciones debido a la dispersión cromática y además son capaces de acoplar una gran cantidad de potencia óptica al núcleo de una fibra monomodo.
Rayo guiado
Si el rayo incide sobre dicha superficie de separación formando un ángulo con su normal superior al crítico se reflejará completamente dirigiéndose a la interfaz de separación inferior donde por simetría también se reflejará completamente.
Rayo no guiado
Si el rayo no forma un ángulo con la normal de separación superior al crítico entonces parte de él se transmite a la cubierta.
La apertura numérica
Está relacionada con la cantidad de potencia luminosa que puede inyectarse a una fibra desde una fuente óptica exterior.
Todas las fuentes ópticas tienen un diagrama que se llama diagrama de radiación, que nos da desde el punto de vista angular, el contenido de energía que está radiando esa fuente óptica.
Aproximación de guiado débil
La cual nos va a permitir simplificar de forma notable las soluciones del problema electromagnético, de tal manera que vamos a poder visualizar como es la distribución energética de los modos que se propagan en una fibra.
Multimodo
Cuando el valor de la frecuencia normalizada es superior a 2.405 se propagan varios modos.
Monomodo
Cuando el valor de la frecuencia normalizada es menor a 2.405 únicamente se va a propagar el modo fundamental, HE11 si consideramos modos exactos y LP01 si consideramos modos linealmente polarizados.
El índice efectivo
Es el índice de refracción que le corresponde a la constante de propagación normalizada.
Birrefringencia
Aunque existe muy poca diferencia entre lo que es la constante de propagación del modo fundamental polarizado verticalmente y la constante de propagación del modo fundamental polarizado horizontalmente, esa diferencia o la diferencia de índices efectivos es lo que se llama birrefringencia.