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Introducción a las Fibras Opticas para Comunicaciones
[email protected]://www.delandsrl.com
DELAND Fibras Opticas - Javier A. Ouret - cr05ab.ppt
Programa
Fibras ópticas para comunicaciones: conceptos teóricos y propiedades
Conceptos teóricos generales Fibras multimodo y monomodo Cables con fibras ópticas: tipos y
aplicaciones
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Programa
Elementos pasivos Manipuleo de fibras ópticas Uso de herramientas Conectorizaciones en campo Empalmes mecánicos Verificación de conectores Ubicación en unidades de distribución
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Programa
Técnicas de medición Cálculos de atenuación Certificación de instalaciones Preparación de informes
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Programa
Video: Fabricación de fibras ópticas (Corning Glass)
Video: Armado de conectores Video: Uso de herramientas (Clauss) Video: Interferometría Presentación: medición con
refractómetro
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Fibras ópticas - Historia
Charles Kao - ITT Labs, Harlow, Inglaterra - 1966
Mensajes a alta velocidad por filamento de vidrio
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Fibras ópticas - Historia
Desarrollar un tipo de vidrio lo suficientemente puro
1 % de la luz fuese retenido luego de 1 km de recorrido
longitud de los tramos de cobre sin repetidores en esa época
1% de luz remanente equivale a 20 dB/km.
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Fibras ópticas - Historia
1970 científicos de Corning (Drs. Robert
Maurer, Donald Keck y Peter Schultz) menos de 20 dB/km en una fibra óptica
de vidrio muy puro.
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Niveles de atenuación
1966 1995
3000 dB/km 0.20 dB/km
ATENUACION vs. LONGITUD DE ONDA
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Fibras ópticas
Formadas por un filamento de vidrio de elevada pureza.
Poseen un núcleo por el que se transmiten haces de luz con longitudes de onda perfectamente establecidas. 850 nm 1300 nm 1550 nm
nm = nanómetro = 0.000000001 metros. color rojo = 700 nm , infrarrojo = 900 nm.
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Ventajas de las fibras ópticas
Alta calidad de transmisión. Mayor capacidad para el transporte de
información. Atenuación mucho menor que en medios de
transmisón basados en cobre.
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Ventajas de las fibras ópticas
Bajo peso y tamaño reducido. Es dieléctrica. Inmunidad a las interferencias
electromagnéticas (EMI) y de radiofrecuencia (RFI).
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Ventajas de las fibras ópticas
Facilidad de instalación Escaso mantenimiento y elevada
confiabilidad Simplicidad en las actualizaciones y
mejoras Se pueden usar varias longitudes de onda
(WDM).
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Ventajas de las fibras ópticas
Los costos de instalación tienden a reducirse.
Hay menos componentes activos presentes. Ausencia de corrosión. Alta seguridad. Es virtualemente imposible
introducirse en un sistema de fibra óptica sin ser detectado.
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Tipos de fibras ópticas
Multimodo con índice escalonado. Multimodo con índice gradual. Monomodo con índice escalonado. Monomodo con dispersión desplazada. Monomodo con dispersión aplanada.
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Qué es un modo ?
Un modo puede ser pensado como un patrón de ondulaciones fijas que se forman en la sección transversal de la fibra.
Si hay varios medios ciclos de tales ondulaciones, continuos a lo largo del diámetro del núcleo de la fibra, la fibra está operando como una fibra multimodo.
Si hay sólo un medio ciclo, está operando como monomodo.
Multimodo
Multimodo
Monomodo
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Primeras instalaciones
Primer sistema comercial: ITT, 1977, industria telefónica, multimodo.
Primera instalación monomodo: MCI para sistema larga distancia en 1983
Fines de los 80’s : reemplaza casi totalmente al cobre en las comunicaciones telefónicas de larga distancia.
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Parámetros
Atenuación de la transmisión reducción de su intensidad a lo largo de un
tramo (absorción, difusión, flexiones - < 50 mm - y microflexiones).
Se mide en decibeles por km [dB/km].
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Parámetros Dispersión
Diseminación de los pulsos de luz a lo largo del segmento de transmisión.
Un pulso de luz LASER o LED consiste de un rango de longitudes de onda
Cada longitud de onda viaja a una velocidad diferente en el vidrio
Se mide en incrementos de ancho de pulso de la unidad de espectro por unidad de longitud [ps/nm.km]
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..
..
.. .....
.
..
.
+
+
+
+
+
. +
Atenuación y dispersión
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Parámetros Diámetro del campo modal
En las fibras ópticas monomodo la luz es más intensa en el núcleo pero algo de luz se propaga en la zona del cladding.
El diámero del campo modal es la medida del círculo de luz completo
Longitud de onda de corte Es la longitud de onda por encima de la cual una
fibra óptica monomodo soporta sólo un modo, o rayo, de luz.
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Parámetros Apertura numérica
Factor que define el grado de exactitud y eficiencia con el cual se debe encauzar un haz de luz dentro de una fibra óptica.
a
n1
n2
n2
n0
1 C
B
cNUCLEO
CLADDING
A
n n0 1 1sen a sen
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Apertura numérica
Por ejemplo si tenemos una fibra con = 1.45 y 1% de entre índices de refracción, NA=0.21 radianes ó 12°.
NA n n na 12
22
1 2
n n
n1 2
1
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Parámetros
Diámetro del campo modal– Factor que tiene en cuenta la penetración del
campo modal dentro del cladding. – Permite mejores mediciones de las
propiedades funcionales de la fibra que el diámetro del núcleo.
PERDIDA DE HACES DE LUZ POR MACROFLEXIONES
PERDIDA DE HACES DE LUZ POR MICROFLEXIONES Y FALLAS
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Tamaño de las fibras ópticas
Fibra monomodo - diámetro de núcleo de 8-10 µm.
Fibra multimodo - diámetro de núcleo de 50 a 100 µm.
Diámetro externo (ambos tipos) de 124 a 126 µm.
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Fibras ópticas comerciales más usuales
Multimodo FDDI Standard. 62.5/125 µm.
Multimodo 50/125 µm. Multimodo 100/140 µm. Monomodo 8.7/125 µm.
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Fibras ópticas comerciales
Multimodo FDDI Standard. 62.5/125 µm. Se la utiliza mucho en redes de área local para
especificaciones FDDI, FOIRL y Token-Ring. Las distancias usuales de aplicación rondan entre 1 y 4 km.
Diámetro del núcleo=62.5 µm, diámetro de la fibra de vidrio o "cladding"=125 µm. Sobre la fibra suele aparecer una cubierta acrílica protectora de 250 µm.
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Fibras ópticas comerciales
Multimodo 50/125 µm. Fibra multimodo de alta performance, con menor
atenuación y mayor ancho de banda que la anterior.
Se la suele utilizar para distribución de video y distancias moderadas.
Su costo es menor que la 62.5/125 µm.
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Fibras ópticas comerciales
Multimodo 100/140 µm. Fibra de baja performance, con mayor atenuación
y menor ancho de banda que las anteriores. Se la suele utilizar para capturar más luz de
fuentes lumínicas de bajo costo. Bastante usada en dispositivos de automatización industrial.
Su costo es de alrededor del doble de la 62.5/125 µm.
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Fibras ópticas comerciales
Monomodo 8.7/125 µm. Es la fibra óptima de mejor performance. Es utilizada en grandes distancias (decenas de km) para
telefonía y televisión por cable. En redes de área local/metropolitana se la utiliza cuando se
desea recorrer grandes distancias sin elementos repetidores intermedios.
Debido a que posee un núcleo muy reducido requiere fuentes de luz capaces de alinear el haz con el eje del núcleo. Esas fuentes de luz (fuentes laser en general) son más costosas que las utilizadas con las fibras multimodo (fuentes basadas en diodos emisores de alta potencia).
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Fibras ópticas comerciales
Matched-cladEs la que se obtiene con el proceso OVD y
es reconocida por su consistencia. Este factor es muy importante cuando es
necesario empalmar fibras con fibras
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Fibras ópticas comerciales Depressed-Clad
Es la que se obtiene con el proceso IVD o MCVD.
Existe una zona de transición "deprimida" entre el valor del índice de refracción del núcleo y el del cladding.
Más concentración de dopantes Pueden dar lugar a mayores atenuaciones. No son tan consistentes como las anteriores
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Fibras ópticas en los cables
Cables con fibras ópticas monomodo
– standard (0.35 dB/km)
– dispersión desplazada (0.25 dB/km)
– dispersión aplanada (0.30 dB/km)
– etc.
con fibras ópticas multimodo– FDDI / FOIRL standard 62.5/125 µm (3 dB/km)
– de alto rendimiento 50/125 µm (2 dB/km)
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Selección del tipo de fibra óptica
Longitud de onda, potencia, NA, tipo de fibra óptica.
Longitud de tramo entre equipos electro-ópticos de emisión y recepción.
De acuerdo al tipo de fibra a utilizar, se calcula la atenuación prevista para cada tramo y se verifica que esté dentro de los valores de atenuación admisibles.
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Relación mecánica entre las fibras ópticas y su cable
Grado de concentricidad de la cubierta primaria Ensayos de resistencia (50, 100, 150, 200 kpsi) Carga de tracción máxima.
Durante la instalación Permanente
Carga máxima de aplastamiento. Esfuerzos máximos de corte. Supervivencia de las fibras a esfuerzos de tracción
constantes. Mandriles de doblado. Temperatura de operación
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Tipos de cables
Cables para interior para conductos verticales para conductos horizontales para exterior para ambientes agresivos aéreos con tensor aéreos sin tensor dieléctricos etc.
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Selección del tipo de cable
Ambiente Obra civil Tensiones
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Selección del tipo de cable
Flexiones o posibles microfisuras que puedan aparecer durante la vida útil del cable.
La cubierta del cable se eligirá en función del destino:
.Interior .Exterior en contacto con el aire. .Exterior aéreo. .Exterior subterráneo. .Mixto.
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Selección del tipo de cable Cables
Fibra óptica + coating Pyrocoat Recubrimiento primario 250 / 500 µm (no
siempre) Recubrimiento secundario 900 µm Cubierta protectora primaria + elementos
resistentes Cubierta externa + elementos resistentes
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Cables para fibras ópticas
Cables break-out
NUCLEO
CLADDING+COATING
RECUBRIMIENTOPRIMARIO DE250 ó 500 µm
BUFFER DE 900 µm(Tight buffer)
FIBRAS DE KEVLAR
COBERTURABREAK-OUT
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Cables para fibras ópticas
Cables break-out (n fibras)
CUBIERTAEXTERNA
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Cables para fibras ópticas
Cable break-out (n fibras) con malla
CUBEIRTAEXTERNA
MALLAMETALICA O HILOS DE KEVLAR
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Cables para fibras ópticas
Cable tight-buffer (n fibras)
CUBIERTA EXTERNA
FIBRA DE KEVLAR
ELEMENTO RIGIDIZANTEO DE ACOMPAÑAMIENTO
FIBRAS OPTICAS CON BUFFER DE 900 µm
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Cables para fibras ópticas
Cable tubo suelto relleno con gel
CUBIERTA EXTERIOR DE POLIETILENO
ARMADURA DE ACERO CORRUGADO
CINTA CONTRA EL AGUA
COBERTURA INTERIOR DE POLIETILENO
CINTA DE POLIESTER
COMPUESTO CONTRA LA HUMEDAD
TUBO SUELTO RELLENO CON GEL
FIBRAS OPTICAS+ COATING
ELEMENTORESISTENTE
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Cables para fibras ópticas
Cables tipo break-out y/o tight-buffer Para redes de hasta 20/25 km Para redes troncales con numerosas aperturas Pocas fibras ópticas por cable (hasta 48/50 fibras) Dentro de edificios y en ambientes mixtos (dentro/fuera) En ductos verticales (necesidad de resistencia al peso propio) En ductos horizontales (necesidad de una gran flexibilidad,
pequeños mandriles de doblado y diámetros reducidos) Para mejorar la resistencia a las llamas Para acceder a puestos de trabajo Para segmentos y pigtails
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Cables para fibras ópticas
Cables tipo break-out y/o tight-buffer En ambientes agresivos, en contacto directo con la tierra,
altas/bajas temperaturas (sitios con gran amplitud térmica) En tendidos aéreos con condiciones climáticas extremas
(-45/+85 °C) En tendidos aéreos con luces muy extensas Necesidad de tendidos dieléctricos Ahorro de obras civiles Economía en costos de instalación Fácil de terminar
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Cables para fibras ópticas
Cables tipo tubo suelto rellenos con gel Para redes muy extensas (centenas y miles de km) Para tendidos submarinos Para atender grandes centros de distribución Muchas fibras ópticas por cable (+50 fibras) En ambientes externos En ductos horizontales extensos
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Cables para fibras ópticas
Cables tipo tubo suelto rellenos con gel En ambientes no muy agresivos, en general requieren
mayor protección que los tipo break-out/tight-buffer Necesitan obras civiles Altos/medianos costos de instalación La terminación requiere equipos y mano de obra
especializada Las fibras ópticas mantienen casi intactas las condiciones
operativas de fábricación (menor flexibilidad) Mayor control de normas
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Fibra óptica en tubo sueltoCable sin tensión
Cable elongado
Cable comprimido
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Tipos de conectores Por su forma de inserción
– ST, FC PC / APC, SC PC / APC - DUPLEX– MINI-BNC, D4, FDDI, DIN, SMA, Bicónicos, D4,
ESCON, E2000, etc.
Por su forma de retención de la fibra– Epoxy– Crimpeado
Con aplastamiento de fibra Sin aplastamiento de fibra
– Con epoxy pre-incorporado
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Tipos de empalmes fusión
– masiva– simple
mecánico– Contacto– Succión– Sellado
acople– plano– PC, APC, SPC, UPC
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Conectores y empalmes
Parámetros para evaluar su rendimiento óptico Pérdida por inserción(PI): medida de la
capacidad para transmitir el nivel de potencia óptica en una unión entre fibras, en la dirección de la transmisión.
Reflexión o pérdida por retorno(PR): medida de la potencia óptica reflejada en una unión entre fibras y guiada por la fibra en dirección hacia la fuente de luz.
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Conectores y empalmes
Parámetros para evaluar su rendimiento óptico PI: Afecta fundamentalmente a las transmisiones
digitales del orden de unidades y decenas de Mbps (ó Kbps).
PR: Afecta fundamentalmente a las transmisiones digitales de más de 100 Mbps (sobre todo si hay amplificadores ópticos) y de 1 ó más Gbps.
PR: Los sistemas de transmisión analógicos en AM son muy sensibles a este parámetro.
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PI dBxw
x
w
( ) .
4 3432
desplazamiento lateral
diametro campo modal
Pérdida por inserción
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Conectores y empalmes
Parámetros para evaluar su rendimiento ópticoPI < 0.5 dB (0.25dB)PR < - 40 dB
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Cladding
Cladding
N.A.1 N.A.2
Superficie de referencia
c1 c2 < c1
Superficie de referencia
d 1 d 2Núcleo No 1 Núcleo No 2
Conectores y empalmes
PI por problemas de alineación y apertura numérica.
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Superficie de referencia
Núcleo No 1Núcleo No 2
x
d
c
Conectores y empalmes
PI por problemas de excentricidad.
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Conectores y empalmes
Reducción de PR.
Punta del conector
Cladding
Cladding
Angulo de la cara expuesta > 90 ° - c cc
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Conectores y empalmes
PI por problemas de alineación lateral
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Conectores y empalmes
PI por problemas de alineación lateral 2 w =8 µm , x < 1 µm para PI <= 0.25 dBValores de Campo modal
– SM std 1310 nm w=9.3 µm– SM ds 1310 nm w=6.5 µm– SM std 1550 nm w=10.5 µm– SM ds 1550 nm w=8.1 µm
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Conectores y empalmes
PI por problemas de alineación angular
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Conectores y empalmes
PI por problemas de alineación angular (Caso usual en conectores crimpeados)
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Conectores y empalmes
PI por problemas de separación de caras.
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Conectores
Conectores. Pulidos PC / SPC y UPC.
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Conectores
Conectores. Pulido convexo.
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Pérdidas por inserción
Potencia Transmitida (%) Pérdida por inserción(dB)
100 0
90 0.46
80 0.97
70 1.55
60 2.22
50 3.01
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Pérdidas acumuladas
Pérdida (dB)Mecanismo de pérdida Empalme
por FusiónEmpalmeMecánico
Conectordesmontable
Pérdida paramétrica 0.31 0.31 0.31Pérdida por difracción de Fresnel ------- 0.10 0.34Pérdida por mala alineación lateral 0.19 0.23 0.60Pérdida por separación de extremos ------- 0.10 0.25Perdida por mala alineción angular ------- 0.06 0.20Total 0.5 0.8 1.7
COMPARACION DE TERMINACIONES DE CONECTORES SC A 1300 nm
0
10
20
30
40
50
60
70
80
30 32.5 35 40 42.5 45 47.5 50 52.5 55 57.5 60
Pérdida por retorno
Can
tid
ad d
e m
ues
tras
PC
Super PC
Ultra PC
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Otros elementos pasivos
Break-out kit Fan-out kit Optical couplers
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Enlaces con fibras ópticas en redes de datos
La ubicación de los enlaces es muy variada:
Plantas industriales. Edificios de oficinas. Zonas urbanas.
Un mismo enlace puede requerir de varios tipos de tendido: cable subterráneo a cable aéreo, en combinación con cable de interior.
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Enlaces con fibras ópticas en redes de datos
Las distancias a recorrer no son muy grandes (usualmente de 1 a 10 Km).
La cantidad de fibras ópticas por cable no supera, en la mayoría de los casos, un valor de 4/6 fibras.
Las condiciones de las etapas de tendido son más rigurosas y variadas, lo que requiere utilizar cables flexibles y muy resistentes. Se busca también no tener que usar mano de obra especializada para el tendido o cables muy rígidos.
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Enlaces con fibras ópticas en redes de datos
Las conectores son de fácil colocación y se busca la conectorización directa del extremo de las fibras, evitando el uso de "pigtails"
En redes locales se utilizan equipos emisores con baja potencia y granapertura numérica, lo que requiere el uso de fibras multimodo.
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Enlaces con fibras ópticas en redes de datos
Los tramos van de un equipo de transmisión a un equipo de recepción.
Existe la posibilidad de utilizar derivadores puramente ópticos pero los mismos introducen atenuaciones muy elevadas.
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850 nm1300 nm
0.90.9
0.50.5
0.50.5
2.81.3
0.90.9
0.90.9
0.90.9
0.50.5
0.50.5
0.90.4
750 m 2 m 250 m
Segmentode Cable
Segmentode Cable
Segmentode Cable
Cable fijo
Cable fijo
Atenuación total óptica
Atenuación máxima850 nm 9.3 dB1300 nm 7.3 dB
Geometría de la fibra 62.5/125m
Atenuación: 3.75 dB /km ( 850 nm ) 1.75 db /km (1300 nm )
Ejemplo: atenuaciones en un tramo con segmentos (patch-cords)
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0.50.5
0.50.5
0.50.5
0.50.5
2.81.3
0.90.4
2 m750 m 250 m
Atenuación total óptica
Atenuación máxima 850 nm 5.7 dB1300 nm 3.7 dB
Segmento Pigtail
Segmento Pigtail
Cable Fijo
Cable FijoSegmento empalmado
850 nm 1300 nm
Ejemplo: atenuaciones en un tramo con pigtails
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Aprox.1.0 m
Aprox.1.0 m
PFOC
SCOF
SleevedPFOCor SCOF
Cable fijo
Funda de protección de empalme
Caja de terminación
Sujeta cable
Casquillo de Pigtail
Casquillo de cable fijo
Sistema de manejo de fibra
Ejemplo de ensamble con pigtail a equipos
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Aprox.1.0 m
Aprox.1.0 m
PFOC
SCOF
SleevedPFOCor SCOF
Cable fijo
Funda de protección de empalme
Casquillo de cable fijo
Sistema de manejo de fibra
Acople
Ejemplo de ensamble con acople
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Medición de parámetros
Microscopios Fuentes de luz con long. de onda
estabilizada Medidores de potencia óptica Atenuadores Medidores de pérdida por retorno Medidores de pérdida por inserción
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Medición de parámetros
Interferómetro Optical Time Domain Refractometer
(OTDR)
REFLEXION EN PANELFRONTAL DEL OTDR
EMPALME MECANICO(REFLECTIVO)
EMPALME POR FUSION(NO REFLECTIVO)
CONECTOR FINAL(REFLECTIVO)
RUIDO DE BASE
Gráfico de un OTDR
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Cierre
Una instalación de fibra óptica debe durar decenas de años ya que no corre contra los avances de la tecnología.
El control de calidad requiere de algunos conocimientos teóricos.
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Transparencias
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Apuntes
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Transparencias complementarias
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Conectorizado y mediciones