domingo, 15 de abril de 2012
martes, 13 de marzo de 2012
fibra optica
¿ De qué están hechas las Fibras Ópticas ?
La mayoría de las fibras ópticas se hacen de arena o sílice, materia prima abundante en comparación con el cobre. con unos kilogramos de vidrio pueden fabricarse aproximadamente 43 kilómetros de fibra óptica. Los dos constituyentes esenciales de las fibras ópticas son el núcleo y el revestimiento. el núcleo es la parte más interna de la fibra y es la que guía la luz.
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Consiste en una o varias hebras delgadas de vidrio o de plástico con diámetro de 50 a 125 micras. el revestimiento es la parte que rodea y protege al núcleo.
El conjunto de núcleo y revestimiento está a su vez rodeado por un forro o funda de plástico u otros materiales que lo resguardan contra la humedad, el aplastamiento, los roedores, y otros riesgos del entorno.
En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en energía óptica o en luminosa, por ello se le considera el componente activo de este proceso. Una vez que es transmitida la señal luminosa por las minúsculas fibras, en otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que se le denomina detector óptico o receptor, cuya misión consiste en transformar la señal luminosa en energía electromagnética, similar a la señal original. El sistema básico de transmisión se compone en este orden, de señal de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector óptico, línea de fibra óptica (primer tramo ), empalme, línea de fibra óptica (segundo tramo), corrector óptico, receptor, amplificador y señal de salida.
En resumen, se puede decir que este proceso de comunicación, la fibra óptica funciona como medio de transportación de la señal luminosa, generado por el transmisor de LED’S (diodos emisores de luz) y láser.
Los diodos emisores de luz y los diodos láser son fuentes adecuadas para la transmisión mediante fibra óptica, debido a que su salida se puede controlar rápidamente por medio de una corriente de polarización. Además su pequeño tamaño, su luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje necesario para manejarlos son características atractivas.
Los bloques principales de un enlace de comunicaciones de fibra óptica son: transmisor, receptor y guía de fibra. El transmisor consiste de una interfase analógica o digital, un conversor de voltaje a corriente, una fuente de luz y un adaptador de fuente de luz a fibra. La guía de fibra es un vidrio ultra puro o un cable plástico. El receptor incluye un dispositivo conector detector de fibra a luz, un foto detector, un conversor de corriente a voltaje un amplificador de voltaje y una interfase analógica o digital En un transmisor de fibra óptica la fuente de luz se puede modular por una señal análoga o digital.
Acoplando impedancias y limitando la amplitud de la señal o en pulsos digitales.El conversor de voltaje a corriente sirve como interfase eléctrica entre los circuitos de entrada y la fuente de luz.
La fuente de luz puede ser un diodo emisor de luz LED o un diodo de inyección láser ILD, la cantidad de luz emitida es proporcional a la corriente de excitación, por lo tanto el conversor voltaje a corriente convierte el voltaje de la señal de entrada en una corriente que se usa para dirigir la fuente de luz. La conexión de fuente a fibra es una interfase mecánica cuya función es acoplar la fuente de luz al cable.
La fibra óptica consiste de un núcleo de fibra de vidrio o plástico, una cubierta y una capa protectora. El dispositivo de acoplamiento del detector de fibra a luz también es un acoplador mecánico.
El detector de luz generalmente es un diodo PIN o un APD (fotodiodo de avalancha). Ambos convierten la energía de luz en corriente. En consecuencia, se requiere un conversor corriente a voltaje que transforme los cambios en la corriente del detector a cambios de voltaje en la señal de salida.
Componentes de la Fibra Óptica
El Núcleo: En sílice, cuarzo fundido o plástico - en el cual se propagan las ondas ópticas. Diámetro: 50 o 62,5 um para la fibra multimodo y 9um para la fibra monomodo.
La Funda Óptica: Generalmente de los mismos materiales que el núcleo pero con aditivos que confinan las ondas ópticas en el núcleo.
El revestimiento de protección: por lo general esta fabricado en plástico y asegura la protección mecánica de la fibra.
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Tipos de Fibra Óptica:
Fibra Monomodo:
Potencialmente, esta es la fibra que ofrece la mayor capacidad de transporte de información. Tiene una banda de paso del orden de los 100 GHz/km. Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la más compleja de implantar. El dibujo muestra que sólo pueden ser transmitidos los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se ha ganado el nombre de "monomodo" (modo de propagación, o camino del haz luminoso, único). Son fibras que tienen el diámetro del núcleo en el mismo orden de magnitud que la longitud de onda de las señales ópticas que transmiten, es decir, de unos 5 a 8 m m. Si el núcleo está constituido de un material cuyo índice de refracción es muy diferente al de la cubierta, entonces se habla de fibras monomodo de índice escalonado. Los elevados flujos que se pueden alcanzar constituyen la principal ventaja de las fibras monomodo, ya que sus pequeñas dimensiones implican un manejo delicado y entrañan dificultades de conexión que aún se dominan mal.
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Fibra Multimodo de Índice Gradiante Gradual:
Las fibras multimodo de índice de gradiente gradual tienen una banda de paso que llega hasta los 500MHz por kilómetro. Su principio se basa en que el índice de refracción en el interior del núcleo no es único y decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta. Los rayos luminosos se encuentran enfocados hacia el eje de la fibra, como se puede ver en el dibujo. Estas fibras permiten reducir la dispersión entre los diferentes modos de propagación a través del núcleo de la fibra.
La fibra multimodo de índice de gradiente gradual de tamaño 62,5/125 m (diámetro del núcleo/diámetro de la cubierta) está normalizado, pero se pueden encontrar otros tipos de fibras:
Multimodo de índice escalonado 100/140 mm.
Multimodo de índice de gradiente gradual 50/125 m m.
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Fibra Multimodo de índice escalonado:
Las fibras multimodo de índice escalonado están fabricadas a base de vidrio, con una atenuación de 30 dB/km, o plástico, con una atenuación de 100 dB/km. Tienen una banda de paso que llega hasta los 40 MHz por kilómetro. En estas fibras, el núcleo está constituido por un material uniforme cuyo índice de refracción es claramente superior al de la cubierta que lo rodea. El paso desde el núcleo hasta la cubierta conlleva por tanto una variación brutal del índice, de ahí su nombre de índice escalonado.
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¿ Qué tipo de conectores usa ?
Con la Fibra Óptica se puede usar Acopladores y Conectores:
Acopladores:
Un acoplador es básicamente la transición mecánica necesaria para poder dar continuidad al paso de luz del extremo conectorizado de un cable de fibra óptica a otro. Pueden ser provistos también acopladores de tipo "Híbridos", que permiten acoplar dos diseños distintos de conector, uno de cada lado, condicionado a la coincidencia del perfil del pulido.
Un acoplador es básicamente la transición mecánica necesaria para poder dar continuidad al paso de luz del extremo conectorizado de un cable de fibra óptica a otro. Pueden ser provistos también acopladores de tipo "Híbridos", que permiten acoplar dos diseños distintos de conector, uno de cada lado, condicionado a la coincidencia del perfil del pulido.
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Conectores:
1.- Se recomienda el conector 568SC pues este mantiene la polaridad. La posición correspondiente a los dos conectores del 568SC en su adaptador, se denominan como A y B. Esto ayuda a mantener la polaridad correcta en el sistema de cableado y permite al adaptador a implementar polaridad inversa acertada de pares entre los conectores.
1.- Se recomienda el conector 568SC pues este mantiene la polaridad. La posición correspondiente a los dos conectores del 568SC en su adaptador, se denominan como A y B. Esto ayuda a mantener la polaridad correcta en el sistema de cableado y permite al adaptador a implementar polaridad inversa acertada de pares entre los conectores.
2.- Sistemas con conectores BFOC/2.5 y adaptadores (Tipo ST) instalados pueden seguir siendo utilizados en plataformas actuales y futuras.
Identificación: Conectores y adaptadores Multimodo se representan por el color marfil Conectores y adaptadores Monomodo se representan por el color azul.
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Para la terminación de una fibra óptica es necesario utilizar conectores o empalmar Pigtails (cables armados con conector) por medio de fusión. Para el caso de conectorización se encuentran distintos tipos de conectores dependiendo el uso y l normativa mundial usada y sus características.
CARACTERÍSTICAS DE LA FIBRA ÓPTICA
Características Generales:
Coberturas más resistentes:
La cubierta especial es extruida a alta presión directamente sobre el mismo núcleo del cable, resultando en que la superficie interna de la cubierta del cable tenga arista helicoidales que se aseguran con los subcables.
La cubierta contiene 25% más material que las cubiertas convencionales.
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Uso Dual (interior y exterior):
La resistencia al agua, hongos y emisiones ultra violeta; la cubierta resistente; buffer de 900 µm; fibras ópticas probadas bajo 100 kpsi; y funcionamiento ambiental extendida; contribuyen a una mayor confiabilidad durante el tiempo de vida.
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Mayor protección en lugares húmedos:
En cables de tubo holgado rellenos de gel, el gel dentro de la cubierta se asienta dejando canales que permitan que el agua migre hacia los puntos de terminación. El agua puede acumularse en pequeñas piscinas en los vacíos, y cuando la delicada fibra óptica es expuesta, la vida útil es recortada por los efectos dañinos del agua en contacto. combaten la intrusión de humedad con múltiples capas de protección alrededor de la fibra óptica. El resultado es una mayor vida útil, mayor confiabilidad especialmente ambientes húmedos.
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Protección Anti-inflamable:
Los nuevos avances en protección anti-inflamable hace que disminuya el riesgo que suponen las instalaciones antiguas de Fibra Óptica que contenían cubiertas de material inflamable y relleno de gel que también es inflamable.
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Estos materiales no pueden cumplir con los requerimientos de las normas de instalación, presentan un riesgo adicional, y pueden además crear un reto costoso y difícil en la restauración después de un incendio. Con los nuevos avances en este campo y en el diseño de estos cables se eliminan estos riesgos y se cumple con las normas de instalación.
Empaquetado de alta densidad:
Con el máximo número de fibras en el menor diámetro posible se consigue una más rápida y más fácil instalación, donde el cable debe enfrentar dobleces agudos y espacios estrechos. Se ha llegado a conseguir un cable con 72 fibras de construcción súper densa cuyo diámetro es un 50% menor al de los cables convencionales.
Características Técnicas:
La fibra es un medio de transmisión de información analógica o digital. Las ondas electromagnéticas viajan en el espacio a la velocidad de la luz.
Básicamente, la fibra óptica está compuesta por una región cilíndrica, por la cual se efectúa la propagación, denominada núcleo y de una zona externa al núcleo y coaxial con él, totalmente necesaria para que se produzca el mecanismo de propagación, y que se denomina envoltura o revestimiento.
La capacidad de transmisión de información que tiene una fibra óptica depende de tres características fundamentales:
a) Del diseño geométrico de la fibra.
b) De las propiedades de los materiales empleados en su elaboración. (diseño óptico)
c) De la anchura espectral de la fuente de luz utilizada. Cuanto mayor sea esta anchura, menor será la capacidad de transmisión de información de esa fibra.
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Presenta dimensiones más reducidas que los medios preexistentes. Un cable de 10 fibras tiene un diámetro aproximado de 8 o 10 mm. y proporciona la misma o más información que un coaxial de 10 tubos.
El peso del cable de fibras ópticas es muy inferior al de los cables metálicos, redundando en su facilidad de instalación.
El sílice tiene un amplio margen de funcionamiento en lo referente a temperatura, pues funde a 600C. La F.O. presenta un funcionamiento uniforme desde -550 C a +125C sin degradación de sus características.
Características Mecánicas:
La F.O. como elemento resistente dispuesto en el interior de un cable formado por agregación de varias de ellas, no tiene características adecuadas de tracción que permitan su utilización directa.
Por otra parte, en la mayoría de los casos las instalaciones se encuentran a la intemperie o en ambientes agresivos que pueden afectar al núcleo.
La investigación sobre componentes optoelectrónicos y fibras ópticas han traído consigo un sensible aumento de la calidad de funcionamiento de los sistemas. Es necesario disponer de cubiertas y protecciones de calidad capaces de proteger a la fibra. Para alcanzar tal objetivo hay que tener en cuenta su sensibilidad a la curvatura y microcurvatura, la resistencia mecánica y las características de envejecimiento.
Las microcurvaturas y tensiones se determinan por medio de los ensayos de:
Tensión: cuando se estira o contrae el cable se pueden causar fuerzas que rebasen el porcentaje de elasticidad de la fibra óptica y se rompa o formen microcurvaturas.
Compresión: es el esfuerzo transversal.
Impacto: se debe principalmente a las protecciones del cable óptico.
Enrollamiento: existe siempre un límite para el ángulo de curvatura pero, la existencia del forro impide que se sobrepase.
Torsión: es el esfuerzo lateral y de tracción.
Limitaciones Térmicas: estas limitaciones difieren en alto grado según se trate de fibras realizadas a partir del vidrio o a partir de materiales sintéticos.
Otro objetivo es minimizar las pérdidas adicionales por cableado y las variaciones de la atenuación con la temperatura. Tales diferencias se deben a diseños calculados a veces para mejorar otras propiedades, como la resistencia mecánica, la calidad de empalme, el coeficiente de relleno (número de fibras por mm2) o el costo de producción.
VENTAJAS
La fibra óptica hace posible navegar por Internet a una velocidad de dos millones de bps.
Acceso ilimitado y continuo las 24 horas del día, sin congestiones.
Video y sonido en tiempo real.
Fácil de instalar.
Es inmune al ruido y las interferencias, como ocurre cuando un alambre telefónico pierde parte de su señal a otra.
Las fibras no pierden luz, por lo que la transmisión es también segura y no puede ser perturbada.
Carencia de señales eléctricas en la fibra, por lo que no pueden dar sacudidas ni otros peligros. Son convenientes para trabajar en ambientes explosivos.
Presenta dimensiones más reducidas que los medios preexistentes.
El peso del cable de fibras ópticas es muy inferior al de los cables metálicos, capaz de llevar un gran número de señales.
La materia prima para fabricarla es abundante en la naturaleza.
Compatibilidad con la tecnología digital.
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DESVENTAJAS
Sólo pueden suscribirse las personas que viven en las zonas de la ciudad por las cuales ya esté instalada la red de fibra óptica.
El coste es alto en la conexión de fibra óptica, las empresas no cobran por tiempo de utilización sino por cantidad de información transferida al computador, que se mide en megabytes.
El coste de instalación es elevado.
Fragilidad de las fibras.
Disponibilidad limitada de conectores.
Dificultad de reparar un cable de fibras roto en el campo.
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Internet
El servicio de conexión a Internet por fibra óptica, derriba la mayor limitación del ciberespacio: su exasperante lentitud. El propósito del siguiente artículo es describir el mecanismo de acción, las ventajas y sus desventajas.
Para navegar por la red mundial de redes, Internet, no sólo se necesitan un computador, un módem y algunos programas, sino también una gran dosis de paciencia. El ciberespacio es un mundo lento hasta el desespero. Un usuario puede pasar varios minutos esperando a que se cargue una página o varias horas tratando de bajar un programa de la Red a su PC.
Esto se debe a que las líneas telefónicas, el medio que utiliza la mayoría de los 50 millones de usuarios para conectarse a Internet, no fueron creadas para transportar videos, gráficas, textos y todos los demás elementos que viajan de un lado a otro en la Red.
Pero las líneas telefónicas no son la única vía hacia el ciberespacio. Recientemente un servicio permite conectarse a Internet a través de la fibra óptica.
La fibra óptica hace posible navegar por Internet a una velocidad de dos millones de bps, impensable en el sistema convencional, en el que la mayoría de usuarios se conecta a 28.000 0 33.600 bps.
Redes
La fibra óptica se emplea cada vez más en la comunicación, debido a que las ondas de luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una señal para transportar información aumenta con la frecuencia. En las redes de comunicaciones se emplean sistemas de láser con fibra óptica. Hoy funcionan muchas redes de fibra para comunicación a larga distancia, que proporcionan conexiones transcontinentales y transoceánicas. Una ventaja de los sistemas de fibra óptica es la gran distancia que puede recorrer una señal antes de necesitar un repetidor para recuperar su intensidad. En la actualidad, los repetidores de fibra óptica están separados entre sí unos 100 km, frente a aproximadamente 1,5 km en los sistemas eléctricos. Los amplificadores de fibra óptica recientemente desarrollados pueden aumentar todavía más esta distancia.
Otra aplicación cada vez más extendida de la fibra óptica son las redes de área local. Al contrario que las comunicaciones de larga distancia, estos sistemas conectan a una serie de abonados locales con equipos centralizados como ordenadores (computadoras) o impresoras. Este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y permite fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios. El desarrollo de nuevos componentes electroópticos y de óptica integrada aumentará aún más la capacidad de los sistemas de fibra.
Red de área local o LAN, conjunto de ordenadores que pueden compartir datos, aplicaciones y recursos (por ejemplo impresoras). Las computadoras de una red de área local (LAN, Local Area Network) están separadas por distancias de hasta unos pocos kilómetros, y suelen usarse en oficinas o campus universitarios. Una LAN permite la transferencia rápida y eficaz de información en el seno de un grupo de usuarios y reduce los costes de explotación.
Otros recursos informáticos conectados son las redes de área amplia (WAN, Wide Area Network) o las centralitas particulares (PBX). Las WAN son similares a las LAN, pero conectan entre sí ordenadores separados por distancias mayores, situados en distintos lugares de un país o en diferentes países; emplean equipo físico especializado y costoso y arriendan los servicios de comunicaciones. Las PBX proporcionan conexiones informáticas continuas para la transferencia de datos especializados como transmisiones telefónicas, pero no resultan adecuadas para emitir y recibir los picos de datos de corta duración empleados por la mayoría de las aplicaciones informáticas.
Las redes de comunicación públicas están divididas en diferentes niveles; conforme al funcionamiento, a la capacidad de transmisión, así como al alcance que definen. Por ejemplo, si está aproximándose desde el exterior hacia el interior de una gran ciudad, se tiene primeramente la red interurbana y red provicional, a continuación las líneas prolongadas aportadoras de tráfico de más baja capacidad procedente de áreas alejadas (red rural), hacia el centro la red urbana y finalmente las líneas de abonado. Los parámetros dictados por la práctica son el tramo de transmisión que es posible cubrir y la velocidad binaria específica así como el tipo de fibra óptica apropiado, es decir, cables con fibras monomodo ó multimodo.
Telefonía
Con motivo de la normalización de interfaces existentes, se dispone de los sistemas de transmisión por fibra óptica para los niveles de la red de telecomunicaciones públicas en una amplia aplicación, contrariamente para sistemas de la red de abonado (línea de abonado), hay ante todo una serie de consideraciones.
Para la conexión de un teléfono es completamente suficiente con los conductores de cobre existentes. Precisamente con la implantación de los servicios en banda ancha como la videoconferencia, la videotelefonía, etc, la fibra óptica se hará imprescindible para el abonado. Con el BIGFON (red urbana integrada de telecomunicaciones en banda ancha por fibra óptica) se han recopilado amplias experiencias en este aspecto. Según la estrategiaelaborada, los servicios de banda ancha posteriormente se ampliarán con los servicios de distribución de radio y de televisión en una red de telecomunicaciones integrada en banda ancha (IBFN).
Otras aplicaciones
Las fibras ópticas también se emplean en una amplia variedad de sensores, que van desde termómetros hasta giroscopios. Su potencial de aplicación en este campo casi no tiene límites, porque la luz transmitida a través de las fibras es sensible a numerosos cambios ambientales, entre ellos la presión, las ondas de sonido y la deformación, además del calor y el movimiento. Las fibras pueden resultar especialmente útiles cuando los efectos eléctricos podrían hacer que un cable convencional resultara inútil, impreciso o incluso peligroso. También se han desarrollado fibras que transmiten rayos láser de alta potencia para cortar y taladrar materiales.
La aplicación más sencilla de las fibras ópticas es la transmisión de luz a lugares que serían difíciles de iluminar de otro modo, como la cavidad perforada por la turbina de un dentista. También pueden emplearse para transmitir imágenes; en este caso se utilizan haces de varios miles de fibras muy finas, situadas exactamente una al lado de la otra y ópticamente pulidas en sus extremos. Cada punto de la imagen proyectada sobre un extremo del haz se reproduce en el otro extremo, con lo que se reconstruye la imagen, que puede ser observada a través de una lupa. La transmisión de imágenes se utiliza mucho en instrumentos médicos para examinar el interior del cuerpo humano y para efectuar cirugía con láser, en sistemas de reproducciónmediante facsímil y fotocomposición, en gráficos de ordenador o computadora y en muchas otras aplicaciones.
Comparación con los cables coaxiales
Características
|
Fibra Óptica
|
Coaxial
|
Longitud de la Bobina (mts)
|
2000
|
230
|
Peso (kgs/km)
|
190
|
7900
|
Diámetro (mm)
|
14
|
58
|
Radio de Curvatura (cms)
|
14
|
55
|
Distancia entre repetidores (Kms)
|
40
|
1.5
|
Atenuación (dB / km) para un Sistema de 56 Mbps
|
0.4
|
40
|
Comunicaciones por Satélite vs Fibra Óptica
Es más económica la F.O. para distancias cortas y altos volúmenes de tráfico, por ejemplo, para una ruta de 2000 ctos., el satélite no es rentable frente a la solución del cable de fibras hasta una longitud de la misma igual a unos 2500 kms.
Es más económica la F.O. para distancias cortas y altos volúmenes de tráfico, por ejemplo, para una ruta de 2000 ctos., el satélite no es rentable frente a la solución del cable de fibras hasta una longitud de la misma igual a unos 2500 kms.
La calidad de la señal por cable es por mucho más alta que por satélite, porque en los geoestacionarios, situados en órbitas de unos 36,000 kms. de altura, y el retardo próximo a 500 mseg. introduce eco en la transmisión, mientras que en los cables este se sitúa por debajo de los 100 mseg admitidos por el CCITT. La inclusión de supresores de eco encarece la instalación, disminuye la fiabilidad y resta la calidad al cortar los comienzos de frase.
El satélite se adapta a la tecnología digital, si bien las ventajas en este campo no son tan evidentes en el analógico, al requerirse un mayor ancho de banda en aquel y ser éste un factor crítico en el diseño del satélite.
OPINIONES PERSONALESEn nuestra opinión la F.O. solo es recomendable para Empresas y no para pequeños usuarios debido a su elevado coste, no solo el coste de instalación sino también por el de las cuotas, además siempre estas a expensas de que haya una línea de F.O. cerca de tu casa ya que si no es así la instalación no es factible.
Definitivamente, los pequeños consumidores deberemos de esperar a que la ciencia avance un poco mas en este campo y sea accesible para todos, solo entonces podremos beneficiarnos de las ventajas que nos ofrece esta tecnología.
Después de efectuada la presente investigación se obtienen las siguientes conclusiones:
1.- La historia de la comunicación a través de la Fibra Óptica revolucionó el mundo de la información, con aplicaciones, en todos los órdenes de la vida moderna, lo que constituyó un adelanto tecnológico altamente efectivo.
1.- La historia de la comunicación a través de la Fibra Óptica revolucionó el mundo de la información, con aplicaciones, en todos los órdenes de la vida moderna, lo que constituyó un adelanto tecnológico altamente efectivo.
2.- El funcionamiento de la Fibra Óptica es un complejo proceso con diversas operaciones interconectadas que logran que la Fibra Óptica funcione como medio de transportación de la señal luminosa, generando todo ello por el transmisor LED’S y láser.
3.- Los dispositivos implícitos en este complejo proceso son: transmisor, receptor y guía de fibra, los cuales realizan una importante función técnica, integrados como un todo a la eficaz realización del proceso.
4.- La Fibra Óptica tiene como ventajas indiscutibles, la alta velocidad al navegar por internet, así como su inmunidad al ruido e interferencia, reducidas dimensiones y peso, y sobre todo su compatibilidad con la tecnología digital.
Sin embargo tiene como desventajas: el ser accesible solamente para las ciudades cuyas zonas posean tal instalación, así como su elevado costo, la fragilidad de sus fibras y la dificultad para reparar cables de fibras rotos en el campo.
5.- Actualmente se han modernizado mucho las características de la Fibra Óptica, en cuanto a coberturas más resistentes, mayor protección contra la humedad y un empaquetado de alta densidad, lo que constituye un adelanto significativo en el uso de la Fibra Óptica, al servicio del progreso tecnológico en el mundo.
diodos (tipos y caracteristicas)
¿Cómo funciona un LED?
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Los diodos emisores de luz, comúnmente llamados LEDs, son una pieza ampliamente usada en el mundo de la electrónica pero que muchas veces parece que pasa desapercibida. Hacen docenas de trabajos diferentes y se encuentran en todo tipo de dispositivos. Entre otras cosas, forman los números en los relojes digitales, transmiten la información de los controles remotos, iluminan muchos aparatos que utilizamos, y nos dicen cuando hemos encendido ciertos aparatos. Agrupados juntos, pueden formar imágenes en pantallas publicitarias o en señales de tráfico.
Básicamente, un LED es simplemente una pequeña bombilla que encaja perfectamente en un circuito eléctrico. Pero a diferencia de las bombillas de incandescencia ordinarias, no tienen unfilamento que se quemará y no se calientan de la misma manera. Se iluminan solamente por el movimiento de electrones en un material semiconductor, y duran prácticamente lo que dura untransistor estándar. Un diodo es un dispositivo simple de semiconductor. Hablando de una forma general, un semiconductor está hecho de un conductor pobre que tiene impurezas (átomos de otro material).
Un semiconductor con electrones extra se llama un material del tipo N, ya que tiene partículas cargadas negativamente. En este tipo, los electrones libres se mueven de un área cargada negativamente a un área cargada positivamente. Un semiconductor con agujeros extra se llama del tipo P, ya que efectivamente tiene partículas extra cargadas positivamente. Los electrones pueden saltar de agujero a agujero moviéndose de un área negativa a una positiva. Como resultado, los propios agujeros parece que se mueven de un área positiva a uno negativo.
Un diodo comprende una sección de material de tipo N vinculado a una sección de material de tipo P, con electrodos en cada lado. Es formato conduce electricidad en solo un sentido. Cuando no se aplica voltaje al diodo, los electrones del material tipo N llena los agujeros del material de tipo P a la vez que hace una unión en las capas. En estas circunstancias, el material semiconductor es retornado a su estado aislante original – todos los agujeros son ocupados por lo que no hay electrones libres o espacios vacíos para los electrones, y la carga no puede fluir.
Para librarse de esta zona, hay que hacer que los electrones se muevan del área N al área P y los agujeros en la dirección contraria. Para hacerlo, se conecta el lado del tipo N del diodo a la terminación negativa del circuito, y la de tipo P a la terminación positiva. Los electrones libres en la parte N son repelidos por el electrodo negativo y movido al electrodo positivo. Los agujeros en el material P se mueven al revés. Cuando la diferencia de voltaje entre los electrodos es suficientemente alta, los electrones en la zona creada son lanzados fuera de sus agujeros y se empiezan a mover libremente. Entonces la carga se mueve por el diodo.
Si intentas mover corriente en la dirección opuesta, con la parte P conectada al punto negativo y la parte N al positivo, la corriente no pasará. Los electrones negativos en el material de tipo N son atraídos por los electrodos positivos. Los agujeros positivos en el tipo P son atraídos por el electrodo negativo. No hay flujo de corriente por la unión porque los agujeros y los electrones se están moviendo en la dirección equivocada.
¿Cómo funciona un diodo emisor de luz?
La luz es una forma de energía que puede ser liberada por un átomo. Esta compuesta de muchas minúsculas partículas como si fueran paquetes, que tienen energía pero no tiene masa. Estas partículas, llamados fotones, son las unidades más básicas de luz. Los fotones son liberados como resultado del movimiento de los electrones. En un átomo, los electrones se mueven en órbitas alrededor del núcleo. Los electrones en diferentes órbitas tienen diferentes cantidades de energía. Hablando de una forma general, los electrones con mayor cantidad de energía, se mueven más lejos de núcleo.
Para que un electrón pueda saltar de una orbita baja a órbita alta, algo debe liberar su energía. Por otra parte, un electrón libera energía cuando cae de una órbita alta a una baja. Esta energía es soltada en forma de un fotón. Una caída mayor produce una energía más alta en el fotón, la cual se caracteriza con una frecuencia alta. Como hemos visto en la anterior sección de este artículo, los electrones libres que se mueven por un diodo, pueden caer en agujeros vacíos desde la capa de tipo P. Esto conlleva una caída a una órbita inferior, por lo que los electrones liberan energía en forma de fotones. Esto ocurre en cualquier diodo, pero solo puedes ver los fotones cuando el diodo está compuesto de cierto material.
Por ejemplo, los átomos en un diodo de silicona estándar, están organizados de tal manera que los electrones caen a una distancia relativamente corta. Como resultado, la frecuencia de los fotones es tan baja, que es invisible al ojo humano – es una porción infrarroja del espectro de la luz. Esto no es necesariamente algo malo, ya que los LEDs infrarrojos son ideales para los controles remotos, entre otras cosas.
Los VLEDs, que son diodos emisores de luz visibles, como por ejemplo los que iluminan los números en un reloj digital, están hechos de materiales caracterizados por un mayor espacio entre las órbitas altas y las órbitas bajas. El tamaño de este espacio determina la frecuencia del fotón, o en otras palabras, determina el color de la luz.
Ventajas de los LED
Mientras que todos los diodos liberan luz, muchos no lo hacen de forma efectiva. En un diodo ordinario, el material semiconductor por su mismo, acaba absorbiendo mucha energía lumínica. Los LEDs están especialmente construidos para liberar un gran número de fotones al exterior. Adicionalmente, están localizados en un envoltorio de plástico que concentra la luz en una dirección particular. Los LEDs tienen varias ventajas sobre lámparas incandescentes convencionales. Por un lado, no tienenfilamentos que se pueden quemar, por lo que pueden durar más. Además, los pequeños envoltorios de plástico los hacen más duraderos, y caben más fácilmente en modernos circuitos electrónicos.
La mayor ventaja es sin duda la efectividad. En lámparas convencionales, el proceso de producción de luz genera mucho calor (al tener que calentarse el filamento). Esta energía es malgastada, a no ser que esté utilizando la lámpara como un calentador, por que una gran porción de la electricidad disponible no se está utilizando para producir luz visible. Los LEDs generan poco calor, relativamente hablando. Una proporción mayor de la energía eléctrica es dirigida a generar luz, lo cual acorta la demanda de electricidad considerablemente.
Hasta hace algún tiempo, los LEDs eran demasiado caros para ser usados en muchas aplicaciones de iluminación porque están construidos sobre materiales semiconductores avanzados. El precio de los dispositivos semiconductores ha caído en la última década, y los LEDS son la opción de iluminación más viable para un amplio rango de situaciones. Aunque puedan ser algo más caros que algunas luces de incandescencia, su coste es más bajo a largo plazo las hace más interesantes y efectivas.
Diodo láser
.El diodo láser es un dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero que bajo las condiciones adecuadas
Cuando un diodo convencional o LED se polariza en directa, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n
y los electrones de la zona n hacia la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que
circula por el diodo. Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse cayendo el
electrón al hueco y emitiendo un fotón con la energía correspondiente a la banda prohibida.
Esta emisión espontánea se produce normalmente en los diodos semiconductores, pero sólo es visible en algunos de ellos (como los LEDs),
que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante,
y habitualmente una energía de la banda prohibida coincidente con la correspondiente al espectro visible; en otros diodos, la energía
se libera principalmente en forma de calor, radiación infrarroja o radiación ultravioleta. En condiciones apropiadas, el electrón y el hueco
pueden coexistir un breve tiempo, del orden de nanosegundos, antes de recombinarse, de forma que si un fotón con la energía apropiada
pasa por casualidad por allí durante ese periodo, se producirá la emisión estimulada (véase láser), es decir, al producirse la recombinación
el fotón emitido tendrá igual frecuencia, polarización y fase que el primer fotón.
En los diodos láser, para favorecer la emisión estimulada y generación de luz láser, el cristal semiconductor del
diodo puede tener la forma de una lámina delgada con un lado totalmente reflectante y otro sólo reflectante de
forma parcial (aunque muy reflectante también), lográndose así una unión PN de grandes dimensiones con las
caras exteriores perfectamente paralelas y reflectantes. Es importante aclarar que las dimensiones de la unión
PN guardan una estrecha relación con la longitud de onda a emitir. Este conjunto forma una guía de onda similar
a un resonador de tipo Fabry-Perot. En ella, los fotones emitidos en la dirección adecuada se reflejarán
repetidamente en dichas caras reflectantes (en una totalmente y en la otra sólo parcialmente),
lo que ayuda a su vez a la emisión de más fotones estimulados dentro del material semiconductor
y consiguientemente a que se amplifique la luz (mientras dure el bombeo derivado de la circulación
de corriente por el diodo). Parte de estos fotones saldrán del diodo láser a través de la cara parcialmente
transparente (la que es sólo reflectante de forma parcial). Este proceso da lugar a que el diodo emita luz,
que al ser coherente en su mayor parte (debido a la emisión estimulada), posee una gran pureza espectral.
Por tanto, como la luz emitida por este tipo de diodos es de tipo láser, a estos diodos se los conoce por el
mismo nombre.
- Son muy eficientes.
- Son muy fiables.
- Tienen tiempos medios de vida muy largos.
- Son económicos.
- Permiten la modulación directa de la radiación emitida, pudiéndose modular a décimas de Gigahercio.
- Su volumen y peso son pequeños.
- El umbral de corriente que necesitan para funcionar es relativamente bajo.
- Su consumo de energía es reducido (comparado con otras fuentes de luz)
- El ancho de banda de su espectro de emisión es angosto (puede llegar a ser de sólo algunos kHz)
- Comunicaciones de datos por fibra óptica.
- Lectores de CD, DVD, Blu-rays, HD DVDs, entre otros.
- Interconexiones ópticas entre circuitos integrados.
- Impresoras láser.
- Escáneres o digitalizadores.
- Punteros láser.
- Sensores.
- Armas láser.
Fotodetectores
La definición básica de un fotodetector radica en su funcionamiento como transductor de luz que proporciona una señal eléctrica como respuesta a la radiación óptica que incide sobre la superficie sensora.
Existen dos tipos fundamentales de detectores de luz, los térmicos y los fotónicos que operan con mecanismos de transducción diferentes.
Los detectores térmicos absorben (detectan) la energía de los fotones incidentes en forma de calor con lo que se produce un incremento en la temperatura del elemento sensor que implica también un cambio en sus propiedades eléctricas como por ejemplo la resistencia. El cambio en esta propiedad eléctrica en función del flujo radiante recibido es lo que permite su medida a través de un circuito exterior. La mayoría de esta clase de fotodetectores son bastante ineficientes y relativamente lentos como resultado del tiempo requerido para cambiar su temperatura, lo que les hace inadecuados para la mayor parte de las aplicaciones fotónicas.
Fig. 4.1 Esquema básico de un dispositivo fotodetector
Los detectores fotónicos no utilizan la energía del fotón en forma de calor, sino que la invierten en incrementar la energía de sus portadores de carga, con lo que se modifican las propiedades de conducción eléctrica de los sistemas detectores en función del flujo de fotones recibido. Este proceso de conversión implica la transformación de los fotones incidentes en electrones, pero esta respuesta simple no tendría ninguna relevancia si esos electrones no se ponen en movimiento para generar una corriente, que es la magnitud que realmente podemos medir, para ello en ocasiones hay que aplicar un campo eléctrico, dando lugar a un esquema como el de la figura 4.1. Dado su origen, la corriente así generada recibe el nombre de fotocorriente. Es a esta clase de detectores a la que nos vamos a dedicar en este tema.
Son los más utilizados en los sistemas de comunicaciones, y como ya se ha dicho, están basados en la capacidad de ionización de un material semiconductor, de forma que los diferentes dispositivos que veremos no son más que variaciones de este mismo principio. Para caracterizar el comportamiento de estos detectores, existen unos parámetros fundamentales a tener en cuenta en el proceso de selección para cada aplicación particular. Estos parámetros son
Eficiencia cuántica
Responsividad
Tiempo de respuesta
Características de ruido
En general, los fabricantes de dispositivos proporcionan datos relacionados con estas características fundamentales, aunque en ocasiones no se den éstos de manera explícita. Aparte de la información de los dispositivos como detectores de radiación, también hay que tener en cuenta sus propiedades eléctricas en virtud de las características de componente electrónico que presentan. A lo largo del tema podremos ver algunos ejemplos de cómo trabajar con estos datos.
En principio, vamos a dar una breve descripción de los parámetros básicos enumerados anteriormente, indicando los factores más importantes de que dependen cuando sea necesario.
2.1. Eficiencia cuántica ( 0 <= η <= 1 )
Se define como la probabilidad de que un fotón incidente sobre el dispositivo genere un par de portadores que contribuyen a la corriente del detector. Dado que en general tendremos una elevada cantidad de fotones incidiendo sobre la superficie del detector, podemos escribir la eficiencia cuántica como
(4.2.1)
No todos los fotones incidentes generan portadores que contribuyan a la fotocorriente, los efectos de reflexión en la superficie, transparencia del material a los fotones de energía inferior a la del gap de energía prohibida del mismo, la probabilidad de absorción cerca de la superficie del dispositivo y la rápida recombinación de portadores en este caso por la abundancia de defectos, hace que la eficiencia cuántica se reduzca. Si tenemos en cuenta estos factores, la eficiencia cuántica total vendrá dada por
(4.2.2)
En la expresión (4.2.2), aparecen tres términos diferentes que afectan a al eficiencia cuántica. El primero da cuenta de los efectos de reflexión en la superficie del dispositivo, es decir, de todos los fotones incidentes una fracción no penetra en el material. El segundo término (ξ ) hace referencia a la fracción de los fotones incidentes que penetran en el material generando pares eh y que evitan la recombinación superficial de portadores de carga, con lo que contribuyen a la generación de corriente útil. El problema de la recombinación superficial puede minimizarse si se realiza un crecimiento cuidadoso de los cristales que forman los dispositivos. Finalmente, aparece un término que da cuenta de la fracción de fotones absorbidos en el material masivo. Aparecen parámetros tales como el coeficiente de absorción del material (α [cm1]) y la profundidad del fotodetector (d [cm]). La obtención de este término tiene en cuenta el flujo de fotones incidente Φo y los absorbidos en función de la capacidad de absorción del material (figura 4.3). Si tenemos en cuenta la expresión de los fotones absorbidos
(4.2.3)
es fácilmente deducible el tercer término de la expresión (4.2.2).
En la figura 4.2 puede verse una representación esquemática de todos los fenómenos que intervienen en el valor final del factor de la eficiencia cuántica.
Fig. 4.2 Factores que intervienen en la eficiencia cuántica de un fotodetector
Debemos notar que el coeficiente de absorción en la ecuación (4.2.2) depende de la longitud de onda. Este es uno de los factores principales por los que la eficiencia cuántica del dispositivo que utilicemos dependerá también de la longitud de onda. Esta circunstancia da lugar a la necesidad de utilizar diferentes materiales dependiendo del rango de longitudes de onda a detectar (figura 4.3). En efecto, si λ > λC, nos encontraremos con η <<, por lo que no será posible la detección de esa longitud de onda. Si por contra λ << λC, se da el fenómeno de absorción superficial, lo que como ya sabemos hace que la recombinación de portadores se de en un tiempo tan corto que no se genera fotocorriente.
Diodo PIN
Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo la intermedia semiconductor intrínseco, y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura P-I-N que da nombre al diodo). Sin embargo, en la práctica, la capa intrínseca se sustituye bien por una capa tipo P de altaresistividad (π) o bien por una capa n de alta resistividad (ν).
El diodo PIN puede ejercer, entre otras cosas, como:
- conmutador de RF
- resistencia variable
- protector de sobretensiones
- fotodetector
El fotodiodo PIN es uno de los fotodetectores más comunes, debido a que la capa intrínseca se puede modificar para optimizar su eficiencia cuántica y margen de frecuencia.siendo así un material intrínseco semiconductor
El diodo PIN se puede utilizar como conmutador de microondas. Tiene capacidad para manejar alta potencia.
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