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• Giovanny Campoverde

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11-1. Defina un sistema de fibra óptica. En esencia, un sistema óptico de comunicaciones es un sistema electrónico de comunicaciones que usa la luz como portador de información. Sin embargo, es difícil e impráctico propagar ondas luminosas por la atmósfera terrestre. En consecuencia, los sistemas de comunicaciones con fibra óptica usan fibras de vidrio o de plástico para “contener” las ondas luminosas y guiarlas en una forma similar a como las ondas electromagnéticas son guiadas en una guía de ondas. La optoelectrónica es la rama de la electrónica que estudia la transmisión de la luz a través de fibras ultra puras, que se suelen fabricar con vidrio o con plástico 11-2. ¿Cuál es la relación entre capacidad de información y amplitud de banda? Mayor capacidad de información: los sistemas de comunicaciones con fibras ópticas tienen mayor capacidad de información que los cables metálicos, debido a los anchos de banda, inherentemente mayores con las frecuencias ópticas. Las fibras ópticas se consiguen con anchos de banda hasta de 10 GHz. Los cables metálicos tienen capacitancia entre, e inductancia a lo largo, de sus conductores, que los hacen funcionar como filtros pasa bajas y eso limita sus frecuencias de transmisión, anchos de banda y capacidad de conducción de información. Los sistemas modernos de comunicaciones con fibra óptica son capaces de transmitir varios gigabits por segundo a través de cientos de millas, permitiendo combinar y propagar literalmente millones de canales individuales de datos y de voz con un solo cable de fibra óptica. 11-3. ¿Qué desarrollo, en 1951, fue un gran avance en el campo de la óptica de fibras? En 1951, A. C. S. van Heel de Holanda, y H. H. Hopkins y N. S. Kapany de Inglaterra experimentaron con transmisión de luz a través de haces de fibras. Sus estudios condujeron al desarrollo del fibroscopio flexible, que se usa mucho en el campo de la medicina. ¿Y en 1960? El láser (de light amplification by stimulated emission of radiation, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) fue inventado en 1960. La potencia relativamente alta de salida del láser, su alta frecuencia de operación y su capacidad de portar un ancho de banda extremadamente grande, lo hacen ideal para sistemas de comunicaciones de gran capacidad. La invención del láser aceleró mucho los esfuerzos de investigación en comunicaciones con fibra óptica ¿Y en 1970? En 1970, Kapron, Keck y Maurer, de Corning Glass Works en Corning, New York, desarrollaron una fibra óptica con pérdidas menores que 2 dB/km. Fue el “gran” avance necesario para permitir los sistemas prácticos de comunicaciones con fibra óptica. A partir de 1970, la tecnología de fibras ópticas ha crecido en forma exponencial 11-4. Describa las ventajas y desventajas de los cables de fibra óptica y los cables metálicos. VENTAJAS

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Los sistemas de comunicaciones con fibras ópticas tienen mayor capacidad de información que los cables metálicos Inmunidad a la diafonía: los cables ópticos son inmunes a la diafonía entre cables vecinos, debida a la inducción magnética. Inmunidad a la interferencia por estática: los cables ópticos son inmunes al ruido de estática que causa la interferencia electromagnética Inmunidad al ambiente: los cables ópticos son más resistentes a los extremos en el ambiente que los cables metálicos. Seguridad: los cables ópticos son más seguros y fáciles de instalar y mantener que los cables metálicos Seguridad: las fibras ópticas son más seguras que los cables metálicos. Es virtualmente imposible entrar a un cable de fibra sin que sepa el usuario Duran más: aunque todavía no se ha demostrado, se anticipa que los sistemas de fibra óptica durarán más que las instalaciones metálicas Economía: el costo de los cables de fibra óptica es, aproximadamente, igual al de los cables metálicos DESVENTAJAS Costos de interconexión: los sistemas de fibra óptica son virtualmente inútiles por sí mismos. Para ser prácticos se deben conectar a instalaciones electrónicas normales, lo cual requiere con frecuencia interconexiones costosas Resistencia: las fibras ópticas de por sí tienen una resistencia bastante menor a la tensión que los cables coaxiales Potencia eléctrica remota: a veces es necesario llevar energía eléctrica a un equipo remoto de interconexión o de regeneración No están demostrados: los sistemas de cable de fibra óptica son relativamente nuevos, y no han tenido el tiempo suficiente para demostrar su confiabilidad Herramientas, equipo y adiestramiento especializados: las fibras ópticas requieren herramientas especiales para empalmar y reparar cables

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 - El 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. - En esencia hay tres variedades de fibra óptica que se usan en la actualidad. Las tres se fabrican con vidrio, plástico o una combinación de vidrio y plástico 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, en consecuencia, más robustas que el vidrio. Son fáciles de instalar, pueden resistir mejor los esfuerzos, son menos costosas y pesan 60% menos que el

vidrio. La desventaja de las fibras de plástico es su alta atenuación característica: no propagan la luz con tanta eficiencia como el vidrio. En consecuencia, las fibras de plástico se limitan a tramos relativamente cortos, como por ejemplo dentro de un solo edificio o un complejo de edificios. Las fibras con núcleos de vidrio tienen bajas atenuaciones características; sin embargo, las fibras PCS son un poco mejores que las SCS. Las fibras PCS también se afectan menos por la radiación y, en consecuencia, tienen mucho más atractivo en las aplicaciones militares. Las fibras SCS tienen las mejores características de propagación y son más fáciles de terminar que las PCS. Desafortunadamente, los cables SCS son los menos robustos y son más susceptibles a aumentos de atenuación cuando están expuestos a la radiación. 11.7. Describa, en forma breve, la construcción de un cable de fibra óptica. - En la construcción suelta de tubo, cada fibra está contenida en un tubo de protección. Dentro del tubo protector hay un compuesto de poliuretano que encapsula, o sella, a la fibra, y evita la penetración del agua. - La construcción de un cable restringido de fibra óptica. Hay un amortiguador primario y uno secundario, rodeando al cable de fibra. Las chaquetas amortiguadoras protegen a la fibra de influencias mecánicas externas que pudieran causar su ruptura, o demasiada atenuación óptica. El Kevlar es un material fibroso que aumenta la resistencia del cable a la tensión. De nuevo hay un tubo protector externo, lleno de poliuretano, que evita que la humedad se ponga en contacto con la fibra del núcleo - Hilos múltiples. Para aumentar la resistencia a la tensión se incluyen en el paquete un miembro central de acero y una envoltura de cinta de Mylar. 11-8. Defina los siguientes términos: velocidad de propagación, refracción e índice de refracción. - Velocidad de propagación: Se ha demostrado que en materiales más densos que el espacio libre, la velocidad se reduce. Cuando se reduce la velocidad de una onda electromagnética al pasar de uno a otro medio de un material más denso, el rayo de luz se refracta, o se dobla, hacia la normal. También, en materiales más densos que el espacio libre, todas las frecuencias de la luz no se propagan con la misma velocidad. - Refracción: el rayo de luz no se dobla, sino que cambia de dirección en la interfaz libre. La refracción se presenta en la interfaz entre aire y vidrio. Las longitudes de onda del violeta se refractan más, y las del rojo se refractan menos. - Índice de refracción: Este índice de refracción no es más que la relación de la velocidad de propagación de un rayo de luz en el espacio libre, entre la velocidad de propagación del rayo en determinado material. 11-9. Enuncie la ley de Snell de la refracción y describa su importancia en los cables de fibra óptica.

Esa ley establece que:

11-10. Defina qué es el ángulo crítico. 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 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 simplemente quiere decir camino. Si sólo hay una trayectoria que pueda tener la luz por el cable, se llama modo único, o unimodal. Si hay más de una trayectoria, se llama modo múltiple o multimodal. - Perfil de índice: El perfil índice de una fibra óptica es una representación gráfica del índice de refracción en la sección transversal de la fibra. 11-12. Describa un cable de fibra de índice escalonado, y uno de índice graduado. - La fibra unimodal de índice escalonado tiene un núcleo central con la pequeñez suficiente como para que en esencia sólo haya una trayectoria que pueda seguir la luz para propagarse por el cable. - En esencia, este tipo de fibra no tiene ventajas ni desventajas sobresalientes. Las fibras multimodales de índice escalonado son más fáciles de acoplar la luz que les entra y que les sale. Son más fáciles de fabricar las fibras de índice graduado que las uni modales de índice escalonado. 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 o Hay dispersión mínima o 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. Desventajas o Debido a que el núcleo central es muy pequeño, es difícil acoplar la luz hacia adentro y hacia afuera de esta clase de fibra o Se requiere una fuente luminosa muy direccional o Las fibras unimodales de índice escalonado son costosas y difíciles de fabricar FIBRA MULTIMODAL DE ÍNDICE ESCALONADO Ventajas o Las fibras multimodales de índice escalonado son poco costosas, y su fabricación es sencilla

o Es fácil acoplar la luz hacia adentro y hacia afuera de las fibras multimodales de índice escalonado; tienen una abertura grande de la fuente a la fibra. Desventajas o Los rayos luminosos siguen muchas trayectorias distintas por la fibra, lo que da como resultado grandes diferencias en sus tiempos de propagación o El ancho de banda y la capacidad de transferencia de información posibles con este tipo de cables es menor que con los demás tipos FIBRA MULTIMODAL DE ÍNDICE GRADUADO o Ha En esencia, este tipo de fibra no tiene ventajas ni desventajas sobresalientes 11-14. ¿Por qué es imposible la propagación unimodal en las fibras de índice graduado? La luz siempre estaría pasando de un material menos denso a otro más denso y los rayos se refractarían en forma constante, en una especie de trayectorias curvas. A medida que un rayo se aleja del centro, adquiere mayor velocidad, esto permite a todos los rayos llegar casi al mismo tiempo al otro extremo del cable, disminuyendo la dispersión modal. 11-15. Describa qué es abertura de fuente a fibra. Se usa la abertura numérica para describir la capacidad de reunir la luz que tiene una fibra óptica. Mientras mayor sea la magnitud de la abertura numérica, la fibra acepta mayor cantidad de luz externa. Para fibras unimodales o multimodales, la abertura numérica se define como el seno del ángulo máximo que un rayo de luz que entra a la fibra puede formar con el eje de la fibra, y propagarse por el cable por reflexión interna, es decir, el seno del medio ángulo de aceptación 11-16. ¿Qué son el ángulo de aceptación y el cono de aceptación para un cable de fibra? Se le llama ángulo de aceptación, o medio ángulo del cono de aceptación. Define al 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 de 10 dB menos que el valor máximo. 11-17. Defina qué es abertura numérica. Se usa la abertura numérica para describir la capacidad de reunir la luz que tiene una fibra óptica. 11-18. Haga una lista de las pérdidas asociadas con los cables de fibra, y descríbalas en forma breve. 1. Pérdidas por absorción. Es análoga a la disipación de potencia en los cables de cobre; las impurezas en la fibra absorben la luz y la convierten en calor. 2. Pérdidas por dispersión en material o de Rayleigh: Se debe a las ipurezas del proceso de fabricación que difractan la luz en muchas direcciones y una parte se escapa a través del revestimiento

3. Dispersión cromática, o de longitudes de onda: Los rayos de luz que emite al mismo tiempo un LED y se propagan por una fibra óptica no llegan al extremo opuesto al mismo tiempo. Esto da como resultado una señal recibida distorsionada; la distorsión se llama distorsión cromática 4. Pérdidas por radiación: Las pérdidas por radiación se deben principalmente a pequeños cambios de dirección y dobleces de la fibra 5. Dispersión modal: La dispersión modal, o ensanchamiento del pulso se debe a la diferencia en los tiempos de propagación de rayos de luz que van por diferentes trayectorias en una fibra. 6. Pérdidas por acoplamiento: Las pérdidas en las uniones se deben, con más frecuencia, a uno de los siguientes problemas de alineación: des alineamiento lateral, des alineamiento de entrehierro, des alineamiento angular y acabados superficiales imperfectos. 11-19. ¿Qué es el ensanchamiento de pulso? Se aprecia que al propagarse el pulso por la fibra, los rayos de luz que forman el pulso se reparten en el tiempo, y eso causa una reducción correspondiente de la amplitud del pulso y un estiramiento de su ancho. A esto se le llama ensanchamiento de pulso. 11-20. Defina la constante de ensanchamiento de pulso. La diferencia entre los tiempos absolutos de demora de los rayos de luz más rápidos y más lentos que se propagan por una fibra de longitud unitaria se llama constante de ensanchamiento del pulso (Δt), y, en general, se expresa en nanosegundos por kilómetro (ns/km) 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: se llama separación entre extremos. Cuando se hacen empalmes en fibras ópticas, las fibras se deben tocar realmente. - Des alineamiento angular: se llama desplazamiento angular. Si el desplazamiento angular es menor que 2°, la pérdida será menor que 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 espontánea: 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 p-n. Una vez atravesada la unión, esos portadores minoritarios se recombinan con portadores mayoritarios y desprenden energía en forma de luz.

11-23. ¿Cuáles son los dos tipos primarios de LED? - LED de homounión. Una unión p-n formada con dos mezclas distintas de igual tipo de átomos se llama estructura de homounión. - LED de heterounión. Los LED de heterounión se fabrican con material semiconductor tipo p de un conjunto de átomos, y material semiconductor tipo n, de otro conjunto. 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 láser. Al pasar la corriente por un diodo de unión p-n de polarización directa, se emite luz por emisión espontánea, a una frecuencia determinada por la banda prohibida del material semiconductor. Cuando se llega a determinado valor de la corriente, la cantidad de portadores minoritarios y de fotones que se producen en ambos lados de la unión p-n llega a un valor en el que comienzan a chocar con portadores minoritarios ya excitados. Esto causa un aumento en el nivel de la energía de ionización y hace que los portadores sean inestable. Al suceder eso, un portador normal se recombina con un portador del tipo contrario a un valor de la energía que es mayor que su valor normal antes del choque. En el proceso se crean dos fotones; uno es estimulado por otro. En esencia, se realiza una ganancia en la cantidad de fotones. Para que eso suceda se requiere una gran corriente directa que pueda suministrar muchos portadores. 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. Éste es el proceso llamado láser, o estimulación de emisión. 11-26. Describa las ventajas y desventajas de los ILD y los LED. VENTAJAS DE LOS ILD - Como los ILD tienen una distribución de irradiación más dirigida, es más fácil de acoplar su luz en una fibra óptica - La potencia radiante de salida de un ILD es mayor que la de un LED. - Los ILD se pueden usar a frecuencias mayores de bits que los LED - Los ILD generan luz monocromática, lo cual reduce la dispersión cromática o de longitudes de onda. DESVENTAJAS DE LOS ILD - Los ILD cuestan normalmente 10 veces más que los LED - Como los ILD trabajan con mayores potencias, suelen tener duraciones mucho menores que los LED - Los ILD dependen más de la temperatura que los LED

11-27. Describa en forma breve la función de un fotodiodo.

En esencia, el fotodiodo PIN funciona exactamente al contrario que un LED. La mayoría de los fotones quedan absorbidos por electrones de la banda de valencia del material intrínseco. Cuando se absorben los fotones agregan la energía suficiente para generar portadores en la región de agotamiento, y permiten el paso de la corriente por el dispositivo. 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. El aumento en la cantidad de electrones que pasan a la banda de conducción produce un aumento en la cantidad de huecos en la banda de valencia. Para hacer que la corriente pase por un fotodiodo, se debe absorber luz de la energía suficiente para comunicar a los electrones de valencia la energía suficiente para que salten la banda prohibida. 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. Las desventajas de los APD son los tiempos de tránsito relativamente grandes, y ruido adicional, generado internamente, debido al factor de multiplicación por avalancha. 11-30. Haga una lista de las características primarias de los detectores de luz y descríbalas. 1. Responsividad. La responsividad es una medida de la eficiencia de conversión de un foto detector. 2. Corriente oscura. La 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. 3. Tiempo de tránsito. Es el tiempo que tarda un portador inducido por la luz en cruzar la región de agotamiento. 4. Respuesta espectral. Es el intervalo de longitudes de onda que se puede usar con determinado fotodiodo. 5. Sensibilidad a la luz. En esencia, esta sensibilidad es la potencia óptica mínima que puede recibir un detector para producir una señal eléctrica útil de salida.