UNIVERSIDADDELASAMRICAS

REDESPTICAS

PREGRADO PROFESIONAL NOCTURNOPREGRADOPROFESIONALNOCTURNO

INGENIERAENREDESYTELECOMUNICACIONESTELECOMUNICACIONES

AgendaAgenda DiodosemisoresdeLuz DiodosLaser:Estructura,FuncionamientoA lifi d Amplificadores

Filtros ReddeDifraccin

d d b ( ) ReddeBraggenFibra(FBG) EstructurasMachZehnderEstructurasMach Zehnder EstructurasFabryPerot MultiplexoresyDemultiplexores

Sistema de Transmisin pticoSistemadeTransmisinptico

Fuente Ideal de LuzFuenteIdealdeLuz

Es un dispositivo que convierte electrones enfotones o corriente en luz a una ciertalongitud de onda

Fuente Ideal de LuzFuenteIdealdeLuz

Eslaeficienciacunticaquerepresentalacapacidaddetransformarelectronesenf tfotones

hf, medidoenJoules,eslaenergatransportadaporunfotnoscilandoalafrecuenciaf

Fuente Ideal de LuzFuenteIdealdeLuz

El campo ptico ideal es:

donde:

El campo elctrico es normalizado, as:

Fuente Ideal de LuzFuenteIdealdeLuz

Detector Ideal de LuzDetectorIdealdeLuz

Es un dispositivo que convierte fotones enelectrones (foto detector)( )

Detector Ideal de LuzDetectorIdealdeLuz

Es la eficiencia cuntica del foto detector, representa la capacidad detransformar fotones en electrones

Es la responsividad (ganancia, respuesta) del detector de luz, dado por lacantidad de corriente por vatio ptico

Detector Ideal de LuzDetectorIdealdeLuz

La Fibra ptica IdealLaFibrapticaIdeal

En general, esta solo produce retardo yatenuacin

Donde:Donde:

Fibra ptica: PrdidasFibraptica:Prdidas

Las prdidas de una fibra se obtienen de laecuacin diferencial:ecuacin diferencial:

que tiene la solucin:

donde

Las prdidas se expresa en [dB]/Km

Fibra ptica: PrdidasFibraptica:Prdidas

Las prdidas totales en [dB] a la longitud z:

entonces

i id l l i d l d l fib Lsi se considera la longitud total de la fibra z = L

donde

Fibra ptica: PrdidasFibraptica:Prdidas

La relacin general para la potencia de entrada ysalida es:salida es:

entonces

la frmula de conversin entre y dB es:

Retardo de PropagacinRetardodePropagacin

La luz toma tiempo en propagarse a lo largo dela fibra:la fibra:

donde es la velocidad de grupo. Comoresultadoresultado

El retardo como tal no altera la informacin, porlo que no se lo consideraq

Retardo de PropagacinRetardodePropagacin

El retardo en la fase de una onda de luz puedeser diferente:ser diferente:

donde es la velocidad de fase

pueden no considerarse para propsitos deevaluacin de los sistemasevaluacin de los sistemas

La Fibra ptica IdealLaFibrapticaIdeal

Idealmente 1

FormatodeInformacin:ONOFFKeying

La luz transmitida (Ej. La potencia ptica PT(t))es modulada a travs de una corriente iT(t) dees modulada a travs de una corriente iT(t) demanera que se transmita informacin

l d d d La luz es encendida y apagada para transmitir0s y 1s respectivamente

FormatodeInformacin:ONOFFKeying

Secuencia de Bit: Forma de la onda:

Fuente de Luz

Propagacin en la fibraPropagacin en la fibra

FormatodeInformacin:ONOFFKeying

Deteccin de Luz

FormatodeInformacin:ONOFFKeying

El Ruido est tambin est presente en el Sistema IdealElRuidoesttambinestpresenteenelSistemaIdeal

Ruido TrmicoRuidoTrmico

La densidad espectral producido por la La densidad espectral producido por laradiacin del ruido trmico es proporcional a:

Paraunmodoelectromagnticosimplea la frecuencia falafrecuenciaf

ConstantedeBoltzman

Ruido Trmico y Ruido CunticoRuidoTrmicoyRuidoCuntico

Fuentes de Ruido y Limite CunticoFuentesdeRuidoyLimiteCuntico Ruido termal en el receptor y ruido porp y pamplificacin: descartado por ahora

Ruido Termal: insignificante @ 193 [THz]Ruido Termal: insignificante @ 193 [THz] Sin considerar el Ruido en el Sistema: Puede unSistema Ideal tener atenuacin infinita?Sistema Ideal tener atenuacin infinita?

NODEBIDOALRUIDOCUNTICO

El campo del laser presenta un estado cunticocoherente (altamente monocromtico, todos losfotones en fase), muy parecido al campomonocromtico clsico, EXCEPTO POR:

LOSINSTANTESDEDETECCINDELFOTNSONRANDMICOS

Promedio de Fotones RecibidosPromediodeFotonesRecibidosCuantos fotones debemos esperar detectar en unptiempo t?

Una aproximacin heurstica: el flujo de energa delfotn recibida dentro del intervalo t dividido para lafotn recibida dentro del intervalo t dividido para laenerga hf transportada por un solo fotn

Esta expresin define el valor de lamedia estadsticaEsta expresin define el valor de lamedia estadstica

Distribucin de PoissonDistribucindePoissonEl arribo randmico de fotones es distribuido deacuerdo a la Distribucin Estadstica de Poisson

P t di t ib i t d ti l l di lPara esta distribucin estadstica el valor promedio y ladesviacin estndar tienen la misma expresin:

Distribucin de PoissonDistribucindePoisson

Distribucin de PoissonDistribucindePoisson

Se asume: =1 es decir que por cada fotnse genera un electrn.

Ob i l f d d 1Observamos que si al menos un fotn es detectado, se toma como 1,ningn fotn detectado significa que es un 0

Clculo de la Probabilidad de Error+ClculodelaProbabilidaddeError

La probabilidad de error de un bit se define comoLa probabilidad de error de un bit se define como:

Asumiendo igual probabilidad para los smbolostransmitidos:

Si ningn fotn es transmitido, esimposible recibir alguno

Si se transmiten fotones, esimposible no recibir nunguno

Clculo de la Probabilidad de Error+ClculodelaProbabilidaddeError

ProbabilidaddeErrorvs.Potencia+

PicoyPromedio es la Potencia ptica recibida cuando un 1 es

transmitido

La potencia recibida promedio (solo para un pulsorectangular) es:

Entonces podemos escribir

es lo que se mide con un power meter promedio

ProbabilidaddeErrorvs.Potencia+

PicoyPromedio Se puede definir un promedio de fotones por bit (sobre los

bits de informacin)

Calcular el nmero de fotones necesarios para tener unaP(e)=109 ??

SensibilidadyDistanciaMxima+

Alcanzable

Lasensibilidadeslapotenciaptica,oelnmerodefotones por bit necesarios en el receptor parafotonesporbitnecesariosenelreceptorparaobtenerunaprobabilidaddeerrordeterminada

Para sistemas pticos, la probabilidad de error requeridaest en el rango: P(e)=109 1012est en el rango: P(e)=10 . 10

El concepto de sensibilidad del sistema es bastante general El concepto de sensibilidad del sistema es bastante generaly se aplica a toda clase de sistemas pticos.

El concepto de Sensibilidad+ElconceptodeSensibilidad

Para un sistema ideal, asumiendo una P(e)=109 se pudodeterminar que el nmero de fotones por bit recibidos en elq preceptor es

Convirtiendo a potencia promedio a travs de la expresinp p p

Se obtiene

Evaluacin de la Potencia+EvaluacindelaPotencia

dBm es una unidad conveniente para el clculo de la potenciaptica a lo largo de un sistema de fibrap g

Gracias a la escala logartmica, la cada de potencia debida a laGracias a la escala logartmica, la cada de potencia debida a laatenuacin se convierte en una funcin lineal

Sensibilidad del Sistema: Ejemplo+SensibilidaddelSistema:Ejemplo

Que tan lejos se puede ir?+Quetanlejossepuedeir? La sensibilidad del sistema nos indica cuanta PotenciaLa sensibilidad del sistema nos indica cuanta Potencia

necesitamos en el receptor para obtener una P(e)determinada

El transmisor lanza a la FO una determinada cantidad depotencia ptica

En la FO, la propagacin disipa potencia Por tanto habr una mxima distancia , mas all de la cual

la potencia recibida cae por debajo de la sensibilidad delsistema

l d l bl d d d Es as que la mxima distancia alcanzable depende de:potencia transmitida, prdida de la fibra y la sensibilidaddel sistemadel sistema

Distancia Mxima Alcanzable+DistanciaMximaAlcanzable La relacin entre la potencia transmitida y la recibida es:

Dada la sensibilidad del sistema se busca: El caso lmite se presenta cuando:p

oo

Distancia Mxima Alcanzable+DistanciaMximaAlcanzable

S d b d j l M i Di i Se puede observar de mejor manera la Mxima DistanciaAlcanzable, si despejamos L

o

Para incrementar se puede:I t l t i d t i i Incrementar la potencia de transmisin

Disminuir la sensibilidad (usar un mejor receptor)i i i l i i ifi ili j Disminuir la atenuacin, esto significa utilizar una mejor

FO menor

Distancia Mxima Alcanzable+DistanciaMximaAlcanzable

D l b d bj i l De manera general y observando objetivamente laexpresin de la Mxima Distancia Alcanzable, ladependencia logartmica de respecto a ydependencia logartmica de respecto a y

hace difcil un incremento considerable (o disminucin) dela Mxima Distancia Alcanzablela Mxima Distancia Alcanzable

UnidadesUnidades

Distancia Mxima de un Sistema+DistanciaMximadeunSistema

P i id l d d P( ) d 10 9 Para un sistema ideal se conoce que, dado una P(e) de 109

EntoncesEntonces

Ejemplo:

Anlisis del Sistema: L vs R+AnlisisdelSistema:Lmax vs.RB

Alcanzar el Lmite Cuntico+AlcanzarelLmiteCuntico

f d f La fotocorriente generada por pocos fotones porbit es extremadamente baja, en el orden de los[ ][nA]

La necesidad de etapas amplificadoras hace que sepresente ruido trmico y ruido por amplificacinp y p p

Como resultado fabricantes de fotodetectores Como resultado, fabricantes de fotodetectoresfabrican receptores con una sensibilidad que varaentre 1000 y arriba de 10000 fotones por bitentre 1000 y arriba de 10000 fotones por bit

DistanciaMximaAlcanzable:+

ValoresTpicosEl l i d i l El valor tpico de sistemas reales es:

El valor tpico de sistemas reales es:

El valor tpico de es:

DistanciaMximaAlcanzable:+

ValoresTpicos

As, los principales parmetros del sistema pueden variaren diferentes magnitudesen diferentes magnitudes

Dado a los valores logartmicos para el clculo de L ladistancia mxima para sistemas que no usan amplificacindistancia mxima para sistemas que no usan amplificacinson:

Nota: Una variacin de 10 enNota: Una variacin de 10 en

Solo incrementa o reduce un valor de 50 Km si la atenuacines de 0,2 dB/Kmes de 0, d /

Diodos Emisores de Luz+DiodosEmisoresdeLuz

S i d i l d Se introducen conceptos como niveles de energa Los niveles de energa permitidos se los obtiene

resolviendo la ecuacin de Schroringer usando losresolviendo la ecuacin de Schroringer usando lospotenciales elctricos adecuados

Diodos Emisores de Luz+DiodosEmisoresdeLuz

Cuando se excitan los tomos, sta producen agujeros uhoyos (prdida de electrones) en la banda de valencia, ascomo electrones en la banda de conduccincomo electrones en la banda de conduccin,contribuyendo ambos para la conduccin

Esto posibilita las transiciones electrnicas en tomos Esto posibilita las transiciones electrnicas en tomos Se pone mucho ms nfasis en los elementos que

producen emisin o absorcin de fotonesproducen emisin o absorcin de fotones

Debido a la constitucin atmica de los elementos y confines ilustrativos y de aprendizaje, se representany p j , pnicamente dos niveles de energa. Una condicinimportante es que los elementos el mismo momento

Transicionesestimuladasy+

espontneas:CreacindeLuz

Comoseilustra,cuatromecanismosbsicosderecombinacin/generacinelectrnica(fotnemisin/absorcin)debenconsiderarseporseparado

Transicionesestimuladasy+

espontneas:CreacindeLuz

1. Recombinacin Espontnea (Emisin de fotones)

2. Generacin Estimulada (Absorcin de fotones)

3. Recombinacin Estimulada (Emisin de Fotones Coherente)

4. Recombinacin Noradioactiva

Los crculos en blanco representan estados con huecos (holes)y los crculos en negro estados con electrones

Materiales+Materiales

Amplificadores pticos+Amplificadorespticos

Un amplificador ptico es un dispositivo que amplifica laseal ptica directamente sin ningn cambio elctrico. Lal l f dluz por si misma es amplificada

En la actualidad es mayor el uso de amplificadores, quel l tidremplazan a los repetidores

Uso de repetidores, se asocia al Ruido el uso deamplificadores pticos no presenta este problemaamplificadores pticos no presenta este problema

Los amplificadores pticos son de fcil implantacin,flexibles permiten WDM y su costo es relativamenteflexibles, permiten WDM y su costo es relativamentebueno en comparacin con otras soluciones

Amplificadorespticos:+

Funcionamiento

El Pump se debe interpretar como fuentes de luztrabajando a dos longitudes de onda, las mismas que

l d f l f permiten el incremento de fotones con el fenmeno R21 EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) logra, con un

tid d d fib lifi l l ib dpequea cantidad de fibra, amplificar la seal por arriba de1000 veces (30 dB)

EDFA: Caractersticas Tcnicas+EDFA:CaractersticasTcnicas

Pumping Eficiente b l d d l Mnima sensibilidad a polarizacin

Baja insercin de prdidas Alta potencia de Salida Bajo ruido Muy alta sensibilidad Mnima distorsin y mnima interferencia cocanal (Buena

ili d i WDM)razn para ser utilizado en sistemas WDM)

Otros Amplificadores pticos+OtrosAmplificadorespticos Amplificadores pticos basados en Semiconductores Amplificadores pticos basados en Semiconductores

(Semiconductor Optical/Laser Amplifiers SOAs SLAs)

SOAs tpicos tienen un espejo con un coeficiente de SOAs tpicos tienen un espejo con un coeficiente dereflexin de 30%, as la seal tiene la opcin de reflejarsevarias veces dentro de la cavidad para lograr mayorvarias veces dentro de la cavidad para lograr mayorganancia

Filtros+Filtros Ser los utiliza principalmente para discriminar una longitud Ser los utiliza principalmente para discriminar una longitud

de onda (seal) de varias que llegan a un recepetor

En redes WDM son utilizados para verificar que sealEn redes WDM son utilizados para verificar que seal(longitud de onda) tiene asignado un path determinado

RejillasdeDifraccin:Difraction+

Gratings Es un dispositivo que refleja o refracta luz en cierta Es un dispositivo que refleja o refracta luz en cierta

cantidad dependiendo de la longitud de onda que serequieraq

RejillasdeDifraccinenFibra:In+

Fibre Bragg Gratings Es un filtro selectivo de muy bajo costo que tiene un Es un filtro selectivo de muy bajo costo, que tiene un

sinnmero de aplicaciones para reducir el costo de lasredes pticasp

Es un dispositivo que se construye con un pequeosegmento de FO monomodo, de unos pocos centmetrosg , pde longitud, se lo fabrica variando el ndice de refraccindel ncleo de forma uniforme en forma de rejilla

Cavidad Fabry Perot+CavidadFabry Perot Opera como un resonador coherente cuando la distancia Opera como un resonador coherente, cuando la distancia

entre los dos espejos es de una longitud igual a lambda/2la seal se amplifica. Las seales que no resuenan y sonp q yreflejadas hacia afuera de los espejos. Se utiliza estacavidad como lseres y filtros