Elementos Ópticos Conectores

Elementos Ópticos
1. Elementos de conexión:
– Conectores
– Empalmes
2. Elementos de derivación (Acoplador)
3. Aislador, Circulador, Atenuador
4. Componentes selectivos en λ
– Filtro
– Multiplexor y demultiplexor de longitud
de onda
PRH
Conectores
Índice:
• Parámetros Característicos
• Tipos
• Contactos
PRH
1
Conectores de fibra óptica
Definición: Componente que
normalmente se asocia a un cable o
equipo ópticos para proporcionar
conexiones/desconexiones ópticas
frecuentes entre fibras o cables ópticos
(6.01/CEI 61931-1).
Parámetro
Definición
Pérdidas de
insercción
IL = -10 log (Pout /Pin)
Reflectancia
R = 10 log (PR/ Pin)
Pérdidas
dependientes de la
Polarización, PDL
Temperatura de
operación
Repetibilidad
Mínimo
Pout
Pin
PR
Típico
Máx.
Unidad
0,5
dB
- 35
dB
0,1
dB
60
ºC
- 40
Máxima variación de
IL debida a un cambio
en el SOP.
-20
Condición de prueba:
Después de 500 usos
+ 0,2
PRH
Tipos de Conectores
• Gran variedad de marcas comerciales:
–
–
–
–
–
–
–
–
FC (NTT, pérdidas de retorno bajas)
SC
E-2000 (Pérdidas de retorno muy bajas)
DIN
HMS-10 (Tipo SMA eléctrico)
ST (ATT, tipo BNC)
SMA (Fibra multimodo y corta distancia)
Bicónico (Bell, aplicaciones telefónicas)
PRH
2
Tipos de Contactos
Objetivo: Mejorar las características de
Reflectancia del Conector
• Plano
• PC y SPC
• APC
PRH
Conector SC-APC
Para fibras de 9/125, 50/125 y 62.5/125 µm
SM y MM:
Perdida de inserción
(50%) <0.2 dB
(98%) <0.5 dB
Perdida de retorno
(50%) >49dB
(98%) >45 dB
Versión de alta pérdida en retorno (HRL):
>85 dB
PRH
3
Acoplo entre Fibras
• Acoplo entre fibras desnudas
– Tipo de acoplo:
• Directo
• Haz expandido
– Duración en el tiempo:
• Provisional → Empalme mecánico (Surco en V)
• Permanente → Empalme por fusión
• Acoplo entre conectores
– Adaptadores
PRH
Tipo de acoplo
Contacto directo entre fibras
Colimación del haz
Lentes GRIN
PRH
4
Acoplo Provisional
Fibras
⇒ Conector elastomérico GTE
• Bajas pérdidas de inserción en
primeros usos
• Repetibilidad muy baja
• Uso de líquido adaptador de índices
⇒ Empalme mecánicos Surco-V
• Mejor repetibilidad
•Posibilidad de permanente mediante
resinas expuestas al UV
PRH
Acoplo Permanente
• Empalme por fusión
– Arco voltaico
– Máquinas:
•
•
•
•
Manual
Semiautomática
Automática
Multi-empalme
PRH
5
Proceso de Fusión
• Pelado
– Eliminar toda protección
• Corte de la fibra
– Corte limpio y transversal
• Prefusión (evita burbujas y elimina impurezas)
• Alineamiento (entre fibras en el camino del
arco)
• Fusión (secuencial)
• Protección (elementos termorrectráctiles)
PRH
Causas de pérdidas
• Intrínsecas
– Desadaptación de núcleos
– Desadaptación de AN
– Excentricidad de núcleo
– Desadaptación de índice
• Extrínsecas
– Desalineamientos
(Longitudinal, Axial y Angular)
– Fresnel
– Rugosidades
PRH
6
Pérdidas Extrínsecas
(D / 2 )
Pout
=
Pin (D / 2 + S tgα )2
2
(
1/ 2
Pout 2
= arccos Γ − Γ(1 − Γ 2 )
Pin π
Γ=
)
L
D
1/ 2
1
Pout
1 1

= cos θ  − p (1 − p 2 ) − arcsen ( p ) +
2
Pin
π
π


1/ 2
1
1
1
+ q  t (1 − t1 / 2 ) + arcsen (t ) + 
2
π
π
p=
cos φ m (1 - cos α )
sen φ m sen α
sen φ m =
PRH
q=
3
cos φ m
(cos φ
2
- sen α )
2
m
3
2
t=
2
2
cos φ m (1 - cos α ) - sen α
sen φ m cos φ m sen α
AN
n1
Reflexión de Fresnel
Pin
n1
n0
Pout
n1
2
PR
n −n 
P
r =  1 0  = R
Pin
 n1 + n0 
Pérdidas = −10 log(1 − r )
• Pérdidas producidas por la luz reflejada en
el cambio de medio ⇒ Solución: uso de
líquido adaptador de índices.
PRH
7
Pérdidas Intrínsecas
Desadaptación del Area de
Núcleos
DE
Lc (dB) ≈ 20 log
DR
Pérdidas, dB
DR/ DE
Perfil del Índice de refracción
Lc (dB) ≈ 10 log
g E ( g R + 2)
g R ( g E + 2)
Apertura numérica
L AN (dB) ≈ 20 log
AN R
AN E
PRH
Elementos de derivación: Acoplador
Tipos de acopladores
M
N
Acoplador MxN
Acoplador en T
Estrella
PRH
8
Parámetros de un Acoplador
Pexc = −10 log
• Pérdidas de exceso
Pe
∑ Pj
Pe = Pot. de entrada, j =1.....N todas las salidas
Pins = −10 log
• Pérdidas de insercción
Pi
Pj
i = entrada, j = salida
Rr (%) =
• Relación o coeficiente
de acoplo
PRH
D = 10 log
• Directividad
Pr
∑ Pj
Pi
Pk
r = salida
k , i = entradas
Tabla Resumen
Parámetro
Unidade
s
Pérdida de exceso
dB
Reflectancia
dB
Máximo
– 40
Típico
Mínimo
0,5
No aplicable
No aplicable
Longitud de onda o
gama de longitudes de
onda de funcionamiento
nm
Longitud de onda λ nominal a la que un
componente está diseñado para que
funcione con una calidad especificada
En el caso de igual comportamiento en un
amplio rango espectral se denomina
Acoplador PLANO
Pérdida dependiente de
la polarización (PDL)
dB
0,1 (1 + log2N)
No aplicable
Directividad
dB
No aplicable
50
Uniformidad
dB
1,0 log2N
No aplicable
PRH
N = número de puertos de salida
9
Aislador
Definición: Dispositivo óptico no recíproco destinado a bloquear la
transmisión en una dirección, presentando pérdidas de inserción mínimas en el
sentido de transmisión deseado.
Principio de operación: Suelen basar su funcionamiento en el bloqueo de un
Estado de Polarización (SOP) de la luz que los atraviesa.
Aplicaciones
Evitar reflexiones en los sistemas que
utilizan láseres y amplificadores.
Parámetros característicos:
• Pérdidas de inserción (típicas de 1 dB)
• Aislamiento (entre 40 y 50 dB)
• Dispersión por modo de polarización
PRH
Atenuador
Definición:
Componente pasivo que
produce una atenuación
controlada de la señal en
una línea de transmisión de
fibra óptica
•
•
•
•
Parámetros Característicos:
Reflectancia (-40 dB)
Pérdidas dependientes de la Polarización
Longitud de onda de operación
Atenuación incremental (en variables)
PRH
10
Circulador (I)
Principio de funcionamiento: similar al aislador, excepto que
tienen múltiples puertos.
1
2
3
PRH
Componentes selectivos en λ
Filtros y Multiplexores
• Definiciones
• Tipos
• Parámetros característicos
• Técnicas de Fabricación
PRH
11
Filtro óptico
Tipos
Definición: Componente pasivo
utilizado para modificar la radiación
óptica que lo atraviesa, para lo cual
modifica la distribución espectral.
Filtro óptico sintonizable: Filtro que
puede variar la gama de longitudes
de onda de funcionamiento. Un
filtro óptico no sintonizable
presenta un valor fijo en toda la
gama de longitudes de onda de
funcionamiento.
Transmitancia (%)
Aplicaciones: Rechazar o absorber
radiación óptica en unas gamas
concretas de longitudes de onda
mientras se transmite radiación
óptica en otras gamas.
Banda Ancha
Paso Bajo
Paso Alto
Banda Estrecha
Notch
Longitud de onda
PRH
Parámetros Característicos (I)
• Anchura de banda de paso a 3 dB (también se puede definir a 1dB):
Se define como la gama de frecuencias dentro de la cual la pérdida del
filtro debe ser inferior a 3 dB con respecto a la pérdida mínima dentro
de esa gama. La anchura de la banda de paso de 3 dB es simétrica con
respecto a la frecuencia central nominal fc del filtro, es decir, para todas
las frecuencias comprendidas entre fc – D3/2 y fc + D3/2, la pérdida debe
estar dentro de 3 dB con respecto a la pérdida mínima.
Frecuencia
central
nominal
Anchura de banda
de paso a 1 dB
Anchura de banda
de paso a 3 dB
1dB
3dB
• Gama de longitudes de
onda de funcionamiento:
Longitud de onda λ
nominal a la que un
componente está diseñado
para que funcione con una
calidad especificada
PRH
12
Parámetros Característicos (II)
• Pérdidas de inserción a la longitud de onda de trabajo
• Extinción de canal: En la gama de longitudes de onda de funcionamiento,
diferencia (en dB) entre la potencia mínima de los canales no extinguidos
(en dBm) y la potencia máxima de los canales extinguidos (en dBm).
• Atenuación fuera de banda: Atenuación mínima (en dB) de los canales
que se encuentran fuera de la gama de longitudes de onda de
funcionamiento.
• Pérdida dependiente de la polarización (PDL, polarization dependent
loss): Máxima variación de la pérdida de inserción debida a un cambio de
estado de la polarización (SOP) entre todos los estados de la polarización.
• Reflectancia: Relación entre la potencia reflejada y la potencia incidente
en un puerto dado de un componente pasivo, para determinadas
condiciones de composición espectral, polarización y distribución
geométrica.
• Reflectancia dependiente de la polarización: Máxima variación de la
reflectancia debida a un cambio de estado de la polarización entre todos los
estados de la polarización.
PRH
Multi/Demultiplexor: Definición
λ1
λn
λ
D
E
M
U
X
Definición: Dispositivo de derivación selectivo en longitud de onda (utilizado en sistemas
de transmisión WDM (wavelength division multiplexing) en el que las señales ópticas
pueden transferirse entre dos puertos predeterminados dependiendo de la longitud de onda
de la señal.
Multiplexor de longitud de onda: Dispositivo de derivación con dos o más puertos de
entrada y un puerto de salida en el que la señal luminosa en cada puerto de entrada se limita
a longitud de onda previamente seleccionada y la salida es la combinación de las señales
luminosas procedentes de los puertos de entrada.
Demultiplexor de longitud de onda: Dispositivo que lleva a cabo la operación inversa del
multiplexor, en el que la entrada es una señal óptica que comprende dos o más longitudes de
onda y la salida de cada puerto es una gama de longitudes de onda preseleccionada distinta.
PRH
13
Tipo de WDM
PRH
Parámetros Característicos de WDM (I)
1
1
2
2
1
2
1
• Gama de longitudes de onda de funcionamiento
• Pérdidas a la longitud de onda de trabajo
• Separación de canal: Diferencia entre frecuencias o
longitudes de ondas centrales de canales adyacentes en un
dispositivo WDM.
• Diafonía o Telediafonia: Parte de potencia óptica que sale
por un puerto a una longitud de onda no deseada.
 Pj (λi )
FC j (λi ) = −10 log 

 Pi (λi ) 
2
1
1
2
2
•
•
•
•
•
j≠i
Al igual que en los filtros:
Extinción de canal
Atenuación fuera de banda
Pérdida dependiente de la polarización (PDL)
Reflectancia.
Reflectancia dependiente de la polarización
PRH
14
Tipos de Filtros Ópticos y Multiplexores
Basados en la tecnología de
fabricación de:
• Dispositivos Todo-Fibra
• Óptica Integrada
• Microóptica
Según la estructura utilizada:
•
Acopladores selectivos en λ
•
Red de Difracción
•
Red de Bragg
•
Filtros Dieléctricos Multicapa
•
Fabry-Perot
•
Mach-Zehnder
PRH
Fabricación:Todo-Fibra
Fusionados
Se fabrican mediante la fusión
y el estirado de fibras ópticas.
Su principio de funcionamiento
se basa en la interferencia
modal
Campo evanescente
PRH
Se fabrican mediante técnicas de:
• Pulido
• Ataque químico
Principio de funcionamiento
Acoplo de modos de una fibra a
otra por campo evanescente
15
Fusionados: Interferencia Modal
Principio de funcionamiento:
Interferencia modal: Idealmente,
en la zona fusionada se propagan
dos modos, sin intercambiar
energía, que interfieren
constructiva o destructivamente
dependiendo de λ y Lb .
La distribución modal de campo
resultante se repite periódicamente,
con un periodo zb
zb =
Potencia Óptica transmitida:
2π
β1 − β 2
P = P1 + P2 + 2 P1 P2 • cos φ
φ = L ∆β
β → Constantes de Propagación
de los modos interferentes
PRH
Campo Evanescente
Principio de funcionamiento
Acoplo de modos de una guía a otra por campo evanescente
Si las guías son idénticas el acoplo es total y se repite
periódicamente a lo largo de la longitud de acoplo y en
función de la longitud de onda
Análisis ⇒ Teoría de Modo Acoplado
1
2
 E3  − jβl  cos(kl )
  = e 
 j sen(kl )
 E4 
Acoplador 2x2
l
3
4
Longitud de acoplo
j cos(kl )  E1 
 
cos(kl )  E2 
E→ Campo Eléctrico
β→ Constante de propagación del modo
k → Coeficiente de acoplo
PRH
16
Fabricación: Óptica Integrada
Principio de funcionamiento basado
en:
• Campos evanescentes
• Interferencia modal
Análisis similar a dispositivos TodoFibra con guías planas
Inconvenientes
Alineamiento a fibra crítico
Fabricación complicada
Dependencia con T
Ventajas:
Posibilidad de sintonía
Integración con otros
componentes
Diseño versátil
PRH
Fabricación: Microóptica
Utilizan elementos como:
• Lentes
• Lentes GRIN
• Componentes dieléctricos
• Divisores de haz, etc
(a)
Dieléctrico
lentes
GRIN
(b)
PRH
17
Comparación
Técnicas de Fabricación
Pérdidas (dB)
Directividad (dB)
Posibilidad de
Integración
Posibilidad de
MxN
Estabilidad
térmica
Robustez
Coste
Microópticos
0.5
30
Fusionado
< 0.5
> 50
Buena
Sí
Pobre
Sí
Buena
Poca
Medio
TODO-FIBRA
Evanescente
Químico
Pulido
<1
<1
> 40
> 50
Sí
No aconsejable
Muy Buena
Alta
Moderado
Integrados
<5
> 50
Media
Medio
Sí
Aceptable
Alta
Elevado
PRH
Interferencia
•
•
•
•
Interferencia de dos haces
Interferencia de dos rendijas
Interferómetro Mach-Zender
Estructuras Fabry-Perot
– Aplicaciones
• Red de Difracción
– Difracción de Bragg
• Filtros Interferenciales
• Arrayed-Waveguide Grating
PRH
18
Interferómetro Mach-Zehnder (I)
Fabricación: (Óptica Integrada o Todo-Fibra): Conexión de dos acopladores
(2x2) con un retardo de fase en una de sus ramas.
Principio de Operación: Cambio de fase por diferencia de caminos ópticos
entre las ramas del interferómetro. (Cambio de longitud o índice de refracción)
Posibilidad de sintonía: Mediante control de la diferencia de caminos
Aplicaciones: Filtro banda-ancha o estrecha concatenando varios MZI,
multiplexores, moduladores…
E1
E3
E2
E4
 E3 
  =
 E4 
 sen(k∆Leff / 2) cos(k∆Leff / 2)  E1 
 
j 

 cos(k∆Leff / 2) − sen( k∆Leff / 2)  E2 
∆Leff =
c
2∆ν
PRH
Demultiplexor Mach-Zehnder
Demultiplexor 1x8 con estructuras Mach-Zehnder en cascada
PRH
19
Interferómetro Fabry-Perot (I)
R=
L
R
R
E2
( n −1)2
( n +1)2
ω−
E ( z , t ) = A( z )e j ( t kz )
E0
Condición de oscilación :
Espejos
Z=0
−α
−
E0 = E2 ⇒ R e( g in ) L e( j 2 kL) =1
Z=L
2kL = 2m π
FASE :
k=
νm = mc
2πneff
neff 2 L
λ
λm =
neff 2 L
m
PRH
Interferómetro Fabry-Perot (II)
∆ν =
Transmitancia
20%
50%
∆λ =
70%
2mπλ
2(m+1)πλ
2(m+2)πλ
c
neff 2 L
λ2
neff 2 L
λ
Finesse
F=
πR
[2(1 − R )]
Aplicación: Cavidad resonante en Láseres
PRH
20
Filtro Fabry-Perot sintonizable
Principio de Operación: Cavidad resonante Fabry-Perot
Fabricación (Todo-Fibra): Fibras terminadas en superficies
semi-reflectantes, enfrentadas mediante un transductor
piezoeléctrico.
Posibilidad de sintonía: Variación de la distancia entre las
caras transversales de las fibras aplicando sobre el
piezoeléctrico la tensión adecuada.
Aplicaciones: Filtro de
banda estrecha en
Sistemas WDM con
separación entre
canales menor de 9 nm.
PRH
Red de Difracción (Diffraction Gratings)
Figura 5.6 y 5.7. Kartalopoulos. “Introduction to DWDM Technology”
PRH
21
Red de Bragg
Una red de Bragg es una perturbación periódica en el medio de
propagación. En general se realiza mediante la variación del índice
de refracción del medio.
Principio de operación: Interferencia de señales ópticas
originadas por una misma fuente, pero con un desplazamiento de
fase relativo diferente.
Espectro de la potencia
óptica reflejada por una
Red de Bragg
Los lóbulos laterales se pueden suavizar diseñando la red con
una variación del índice de refracción no uniforme
PRH
Filtro Interferencial
Dielectric Thin-Film (DTF)
Señal incidente
Señal transmitida:
• canal o banda específica
Señal reflejada
Substrato
Revestimiento dielectrico
PRH
22
Red de Bragg en fibra
Red de Bragg en fibra: la variación periódica del índice de refracción del núcleo de la
fibra.
Principio de Funcionamiento: Reflexión de cierta longitud de onda que depende de las
características de la fibra y del periodo de la red de difracción.
Tipos: Periodo corto y Periodo largo
•Fabricación (Dispositivo Todo-Fibra) : Grabado de la red de difracción en el núcleo de
la fibra mediante la interferencia de dos haces UV
Aplicaciones: Filtrado, Funciones add/drop, Compensación de la dispersión,
Ecualización de la ganancia en A.O
Ventajas: Bajas pérdidas, Fácil acoplo a fibra, Baja sensibilidad a la polarización
Longitud de onda de Bragg
λ1 λB
PRH
λn
λ incidente
λB = 2neffΛ
λ- λB
Λ, período de la red
λ1
λn
λB
Aplicación: Red de Bragg en fibra (I)
Red de Bragg de periodo constante +
Circulador Î Fabricación de elementos
ópticos de extracción/inserción (add/drop)
PRH
23
Aplicación: Red de Bragg en fibra (I)
Red de Bragg de periodo no constante + Circulador Î
Compensación de la Dispersión
PRH
Aplicación Red de Bragg en Fibra:
Filtro de banda estrecha
Fabricación:
Acoplador Fusionado (2x2)
con Redes de Bragg en
ambos puertos de salida
PRH
24
Aplicación Red de Bragg en Guías:
Multiplexador Add-Drop
Dependencia con la
polarización de la
señal transmitida
PRH
Interferómetro Michelson
Principio de Operación: Cambio de fase por diferencia de
caminos ópticos entre las ramas del interferómetro.
Fabricación (Óptica Integrada o Todo-Fibra):
Acoplador (2x2) con Red de Bagg en sus ramas de salida
y un retardo de fase en una de ellas.
PRH
25
AWG (Arrayed-waveguide Grating)
Fabricación: Dos acopladores en estrella unidos por un array
de guiaondas de distintas longitudes y curvaturas, fabricados
sobre un mismo substrato (SiO2/Si) (GaAs/AlGaAs)
(InGaAlAs/InP)
Aplicaciones: Multiplexor y demultiplexor de gran número
de canales separados del orden de pocos nm
Acoplador en estrella
NxM
Acoplador en estrella
MxN
PRH
WGR (Waveguide Gratings Routers)
Fabricación: similar a los AWG,
con acopladores planos con longitud
focal R y guías de longitud
incremental (L+∆L)
Funcionamiento: se basa en
interferometría (MZI)
Aplicaciones: Multiplexor y
demultiplexor. “Encaminador” en
función de λ.
Potencia transmitida en un dispositivo
1x10 para dos puertos de salida
adyacentes.
PRH
26
Bibliografía
• Optical Networks: A practical prespective. Rajiv Ramaswami and K.N. Sivarajan,
Morgan Kaufman, 1998.
• Handbook of optical Fibers and cables, Second Edition, H. Murata, Dekker 1996.
• Fiber Optic Test and Measurement. Dennia Derickson. Dennis Derickson, 1997
• Optical Fiber Communications. Third Edition. Gerd Keiser. Mc Graw Hill, 2000.
• Principles and appications of Optical Communications. M.M Liu. IRWIN 1996.
• Semiconductor Optoelectronic Devices. Pallab Bhattacharya. Second Edition
Prentice Hall. 1997.
• Optical Communications Systems. Second Edition. J. Gowar. Prentice Hall, 1993.
• Fiber Optic Communications Design Handbook. Robert J. Hoss. Prentice Hall.
1990.
• Multiwavelength Optical Networks. T.E.Stern and K. Bala. Addison Wesley.
1999.
• Fiber-Optic Communications Systems. Second Edition. G.P. Agrawall. WileyIntersciencie, 1997.
• B.E.A. Saleh, M.C. Teich, "Fundamentals of Photonics", John Wiley & Sons,
USA 1991.
PRH
27