Capitulo 1

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Comunicaciones por Fibra Óptica 
(Elo-357)
Comunicaciones por Fibra Comunicaciones por Fibra ÓÓptica ptica 
((EloElo--357)357)
Universidad Técnica Federico Santa María
Departamento de Electrónica
2do. Semestre 2007
Ricardo Olivares
2
ObjetivosObjetivos
Al aprobar la asignatura el alumno:
Podrá analizar los métodos y aplicar las técnicas utilizadas para 
la generación, propagación y recepción de señales por fibras 
ópticas.
Podrá desarrollar proyectos de ingeniería de sistemas de 
comunicaciones por fibra óptica.
3
Contenido del CursoContenido del Curso
1. Introducción
1.1 Perspectiva Histórica
1.2 Componentes de Sistemas de Comunicaciones Ópticas
2. Fibras Ópticas
2.1 Tipos de Fibras
2.2 Propagación de Ondas en Fibras Ópticas
2.3 Dispersión de Fibras Monomodo
2.4 Pérdidas en Fibras
4
Contenido del CursoContenido del Curso
3. Efectos no lineales en fibras ópticas
3.1 Esparcimiento Brillouin estimulado (SBS)
3.2 Esparcimiento Raman estimulado (SRS)
3.3 Automodulación de fase (SPM)
3.4 Modulación de fase cruzada (XPM)
3.5 Mezcla de cuatro ondas (FWM)
4. Fuentes ópticas y transmisores
4.1 Diodo emisor de luz (LED)
4.2 Láser semiconductor (ILD)
4.3 Transmisores ópticos
5
Contenido del CursoContenido del Curso
5. Detectores Ópticos, receptores y ruido
5.1 Fotodiodos (PIN, APD)
5.2 Receptores
5.3 Ruido
6. Amplificadores ópticos
6.1 Conceptos generales
6.2 Amplificador a láser semiconductor (SLAs)
6.3 Amplificador Raman (FRAs)
6.4 Amplificador Brillouin (FBAs)
6.5 Amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFAs)
6
Contenido del CursoContenido del Curso
7. Sistemas de comunicaciones por solitones
7.1 Solitones en fibras y sus propiedades
7.2 Amplificación de solitones
7.3 Estado del arte
8. Diseño y Desempeño de Sistemas de Comunicaciones 
Ópticas
8.1 Introducción
8.2 Consideraciones de diseño
8.3 Diseño de sistemas
8.4 Causas de penalización de potencia
7
Contenido del CursoContenido del Curso
9. Sistemas de comunicaciones multicanal
9.1 Multiplexing por división de tiempo (TDM)
9.2 Multiplexing por división de longitud de onda (WDM)
9.3 Multiplexing de subportadoras (SCM)
10. Sistemas de comunicaciones ópticas de alta 
capacidad y redes ópticas.
10.1 Sistemas WDM por solitones.
10.2 Redes ópticas ruteadas en longitud de onda.
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BibliografBibliografííaa
Apuntes/PPT de clases.
G. P. Agrawal “Fiber-Optic Communication Systems”, John
Wiley&Sons, 2002.
G. Keiser “Optical Fiber Communications”, Academic Press, 
1989.
P. E. Green, “Fiber Optic Networks”, Prentice Hall, 1993.
9
EvaluaciEvaluacióónn
2 Certámenes: 50% (promedio >49%)
Tareas: 35%
Exposición de un trabajo: 15%
Lista del ramo: lista_elo357@elo.utfsm.cl
Instrucciones para inscribirse en:
http://www.elo.utfsm.cl/~rce/listas.html
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Comunicaciones por Fibra Comunicaciones por Fibra ÓÓpticaptica
Capítulo 1: Introducción
Universidad Técnica Federico Santa María
Departamento de Electrónica
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ÍÍndicendice
1.1 Introducción
1.2 Perspectiva Histórica
1.2.1 Evolución de las cinco generaciones de los SCFO
1.2.2 Cables Submarinos de Fibra Óptica Instalados
1.3 Componentes de un sistema de comunicaciones 
por Fibra Óptica
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1.1 Introducci1.1 Introduccióónn
El propósito en los sistemas de telecomunicaciones es 
transmitir información entre puntos distantes:
Algunas decenas de km (enlaces de corta y mediana distancia).
Varios miles de km (enlaces satelitales, enlaces transoceánicos, 
sistemas globales, etc).
La información es transportada por ondas electromagnéticas, 
cuya frecuencia (frecuencia portadora: fc) puede variar 
entre:
Algunos MHz (RF) Cientos de THz (enlaces ópticos).
Por ejemplo:
Sistemas de cable coaxial : fc ∼ 100 MHz
Sistemas de microondas: fc ∼ 10 GHz
Comunicaciones ópticas: fc ∼ 200 THz (infra rojo visible)
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1.1 Introducci1.1 Introduccióónn
Los sistemas de comunicaciones por fibra óptica se caracterizan 
por emplear, como medio de transmisión, la fibra óptica. Este 
canal de transmisión ofrece otras ventajas:
Baja atenuación: 0.2 dB/km en 1.55 µm (∼ 200 THz),
comparada con: 2.5 dB/Km a 1 MHz (en cable coaxial)
50 dB/Km a 1 GHz (en cable coaxial)
Alta capacidad de transmisión de información (ancho de banda): 
∼Tb/s
Pequeño tamaño y peso.
Inmunidad a la interferencia em (EMI y EMP)
Aislación eléctrica (vidrio)
Confiabilidad (total confinamiento de las señales)
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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica
El uso de la luz (señales luminosas) con propósito de 
comunicación es tan antiguo como la historia de la humanidad:
Señales de fuego, humo (culturas aborígenes, griegos, etc)
Banderas.
Semáforos.
1792:
Siguiendo la idea de Claude Chappe, se comienzan a enviar 
mensajes codificados empleando señales luminosas. Con el 
uso de estaciones repetidoras/regeneradoras (en el límite 
del alcance del ojo humano) se consiguen grandes distancias 
(~100 km). Para estos sistemas rudimentarios, la velocidad 
de transmisión (B: bit rate) es <1 b/s
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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica
1830: Telegrafía.
Señales eléctricas reemplazan a las señales luminosas. 
Se da inicio a la era de las comunicaciones eléctricas:
~ 1000 km, B ∼ 10 b/s (Código Morse señales 
digitales)
1876: Telefonía.
Transmisión de señales analógicas por par trenzado.
1895: Descubrimiento de la radiación electromagnética por 
Heinrich Hertz.
1895: Primera demostración de enlace de radio por Marconi.
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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica
1940:
1er sistema a cable coaxial en 3 MHz (300 canales de voz o 
1 canal de TV). Las pérdidas del cable, dependientes de la 
frecuencia, limitan el ancho de banda de estos sistemas.
1948:
1er sistema a microondas: 4 GHz (∼ 100 Mb/s)
1975:
Sistema a cable coaxial operando a 274 Mb/s. Su gran 
limitación está en la pequeña distancia entre repetidores (∼
1 km) encareciendo el sistema.
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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica
En la figura 1.1 se muestran distintas regiones del espectro 
electromagnético que son usadas por los sistemas de 
comunicaciones, y sus aplicaciones:
El espectro óptico se extiende desde los 50 nm (luz 
ultravioleta) hasta alrededor de los 100 um (luz infra-roja). 
El espectro visible va desde los 400 nm a los 700 nm.
El espectro que cubre las comunicaciones por fibra óptica 
Va desde los 800 nm (límite con el visible) hasta alrededor 
de los 2.55 um (infra-rojo) 
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Fig.1.1: Ejemplos 
de aplicaciones de 
sistemas de 
comunicaciones y 
su ubicación en el 
espectro 
electromagnético.
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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica
Aún cuando los sistemas de microondas permiten mayores 
distancias entre repetidoras, su limitación se encuentra en la 
máxima velocidad de transmisión de datos (B) permitido por 
sus frecuencias portadoras.
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Capacidad de un sistema de comunicación:
El gráfico de la Figura 1.2 muestra la evolución en el 
tiempo del producto BL, como consecuencia del 
desarrollo tecnológico de los diferentes sistemas de 
comunicaciones.
B velocidad de transmisión
 
L distancia entre repetidores

   

BL (bits/s) - km
1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica
21
1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica
Fig. 1.2 
Incremento del producto BL 
en el tiempo. Las nuevas 
tecnologías son indicadas 
en círculos llenos.
22
1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica
Fue durante los años 60s, en particular después del invento del 
Láser (1960) y de la fibra óptica (1966), que las 
comunicaciones ópticas se potenciaron para posteriormente (en 
la década del 70) venir a incrementar en varios órdenes de 
magnitud el producto BL.
El desenvolvimiento simultáneo de fuentes ópticas coherentes y 
fibras de baja atenuación, llevaron a un rápido desarrollo de los 
sistemas de comunicaciones por fibra óptica (SCFO). 
La Figura 1.3 muestra el progreso de estos sistemas, durante el 
período 1974-1992, identificando las denominadas cinco 
generaciones de los SCFO.
23
1.2 Perspectiva hist1.2Perspectiva históóricarica
Evolución de las cinco generaciones de los sistemas de 
comunicaciones por fibra óptica
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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica
Incremento en la capacidad (B) de los Sistemas Ópticos después 
de los 80s. La aplicación comercial sigue a la investigación. 
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1.2 Perspectiva hist1.2 Perspectiva históóricarica
Incremento del producto BL en el período 1975-1980, a través 
de las varias generaciones de los SCOs. 
26
1.2.1 Evoluci1.2.1 Evolucióón de las cinco generaciones de los n de las cinco generaciones de los 
SCFOSCFO
2.4 Gb/s
12000 km
Fibras 
Sólitons
Pulsos Sólitons1.555ª
10 Gb/s
1500 km
Monomodo y 
baja 
dispersión
Uso de EDFAs, 
Técnicas WDM
Detc. Coherente
1.554ª
4 Gb/s
100 km
Monomodo
Disp. Desplaz
(0.2 dB/km)
Láser Semic.
monomodo
1.553ª
2 Gb/s
50 km
Multimodo y 
Monomodo
(0.5 dB/km)
Láser Semic.
basado en 
InGaAsP
1.302ª
50-100 Mb/s 
sobre 10 km
Multimodo
∼ 5 dB/Km
LEDs de GaAs
Fotodetector Si
Detec. Directa 
0.801ª
B-LCaracterísticas
Fibra
Dispositivosλ [µm]Generación
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1.2.1 Evoluci1.2.1 Evolucióón de las cinco generaciones de los n de las cinco generaciones de los 
SCFOSCFO
1ª Generación: Opera en 800 nm, usando fuentes ópticas 
basadas en GaAs, fotodetectores de silicio y fibras multimodo. Se 
consiguen velocidades de transmisión en el rango de 50 – 100 
Mb/s, con distancias entre repetidores de alrededor de 10 km. 
(BL ∼ 500 [Mb/s-km])
2ª Generación: Opera en 1.3 µm, en fibras multimodo y 
monomodo, usando fuentes ópticas basadas en InGaAsP (lasers
semiconductores). Debido a la menor atenuación en esta 
longitud de onda (0.5 dB/km), el espaciamiento entre 
repetidores es extendido a 50 km. Se consiguen velocidades de 
transmisión del orden de 2 Gb/s.
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1.2.1 Evoluci1.2.1 Evolucióón de las cinco generaciones de los n de las cinco generaciones de los 
SCFOSCFO
3ª Generación: Opera en 1.5 µm, donde la fibra exhibe la 
menor atenuación (∼0.2 dB/km). La limitación la presenta la 
considerable dispersión de la fibra en esta región. Usando fibras 
con dispersión desplazada y lasers semiconductores monomodo, 
se consiguen velocidades de transmisión de 4 Gb/s sobre 
distancias de más de 100 km.
4ª Generación: Se caracteriza por el uso de técnicas de 
multiplexing (WDM) y amplificación óptica (EDFA), que permiten 
aumentar la velocidad de transmisión y la distancia entre 
repetidores, respectivamente. El empleo de detección coherente 
y fibra de baja dispersión permite contrarrestar los efectos de 
dispersión. Se consigue transmitir a 10 Gb/s sobre distancias de 
más de 1500 km.
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1.2.1 Evoluci1.2.1 Evolucióón de las cinco generaciones de los n de las cinco generaciones de los 
SCFOSCFO
5ª Generación: Transmisión de Solitones, pulsos ópticos no-
dispersivos que mantienen su forma durante la propagación, 
que hacen uso de la no-linealidad de la fibra para compensar 
los efectos de la dispersión cromática. Se ha conseguido 
transmitir, en laboratorio, solitones a 2.4 Gb/s sobre 
distancias de 12000 km.
En 1992 la capacidad de los SCFO era de 2.5 Gb/s
En 1996, con la tecnología WDM, el B fue para 40 Gb/s
En 2001 la capacidad de los sistemas DWDM excede los 1.6 
Tb/s
30
1.2.2 Cables Submarinos de Fibra 1.2.2 Cables Submarinos de Fibra ÓÓptica ptica 
InstaladosInstalados
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1.2.2 Cables Submarinos de Fibra 1.2.2 Cables Submarinos de Fibra ÓÓptica ptica 
InstaladosInstalados
Avances recientes y tendencias.
Durante los 2 últimos años, la capacidad de las redes 
ópticas submarinas han experimentado un significativo 
desarrollo.
Existe una red óptica global, de 250.000 km de extensión, 
con una capacidad para 2.56 Tb/s (64 canales WDM a 10 
Gb/s, en 4 pares de fibra óptica) programada para entrar en 
operación a fines del 2002.
En 2001 fueron presentados trabajos en conferencias 
internacionales demostrando la operación de sistemas ópticos 
operando a 10 Tb/s.
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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de ComunicacionesSistema de Comunicaciones
ÓÓpticas DWDMpticas DWDM
33
Como todo sistema de comunicación, éste se compone 
de un transmisor, un canal de comunicación (fibra 
óptica) y un receptor, según la disposición de la figura 
1.4:
Transmisor
Óptico Canal Receptor
Óptico
Entrada Salida
Fig 1.4 Sistema de comunicación 
óptico genérico
1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de 
Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas
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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de 
Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas
Transmisor óptico:
Controlador:
Generalmente lo constituye la fuente de alimentación 
que, en ausencia de modulador externo, permite 
también modular la fuente óptica (control sobre la 
inyección de corriente) con la señal de entrada.
Controlador
(alimentación)
Fuente Óptica Modulador Acoplador
Entrada
(Eléctrica)
Salida
(Óptica)
Fig. 1.5: Transmisor óptico
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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de 
Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas
Transmisor óptico:
Fuente Óptica:
Dispositivos de ley cuadrática: ∆Ielec ∆Pot.Op.
Diodos emisores de luz (LED) (<-10 dBm) (multimodo)
Láser semiconductor (0-10 dBm; mayor capacidad de 
modulación, mayor pureza espectral.) 
Controlador
(alimentación)
Fuente Óptica Modulador Acoplador
Entrada
(Eléctrica)
Salida
(Óptica)
Fig. 1.5: Transmisor óptico
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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de 
Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas
Transmisor óptico:
Acoplador:
Microlentes para focalizar la luz en la entrada de 
la fibra.
Controlador
(alimentación)
Fuente Óptica Modulador Acoplador
Entrada
(Eléctrica)
Salida
(Óptica)
Fig. 1.5: Transmisor óptico
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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de 
Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas
Receptor óptico:
Fotodetector:
Dispositivo de ley cuadrática: ∆Pot.Op ∆Ielec.
Fotodiodo semiconductor PIN.
Fotodiodo de Avalancha (APD) (mayor sensibilidad)
[0.8-0.9] µm: Fotodetectores Si.
[1.1-1.6] µm: Compuestos de InGaAs
Acoplador Fotodetector Demodulador
Controlador
Entrada
(Óptica)
Salida
(Eléctrica)
Fig. 1.6: Receptor óptico
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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de 
Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas
Receptor óptico:
Demodulador:
Dependerá de los formatos de modulación:
- Heterodino u Homodino: Sist. Coherentes (ASK, 
FSK, PSK)
- Detección Directa (IM/DD) para modulación OOK.
Acoplador Fotodetector Demodulador
Controlador
Entrada
(Óptica)
Salida
(Eléctrica)
Fig. 1.6: Receptor óptico
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1.3 Componentes de 1.3 Componentes de unun Sistema de Sistema de 
Comunicaciones Comunicaciones ÓÓpticaspticas
Canal: Medio de transmisión Fibra Óptica
Guías de ondas para frecuencias ópticas.
En general, podrán ser del tipo:
MultimodoMultimodo
MonomodoMonomodo
- Sus características estructurales (composición y geometría) 
determinarán sus propiedades de transmisión: Modos
(configuración de líneas de campo EM)
• Índice escalonado
• Índice gradual
• Otro