INGENIERO DE TELECOMUNICACIÓN (Plan 98)
PROGRAMA DE LA ASIGNATURA
"Comunicaciones Ópticas"
DATOS BÁSICOS DE LA ASIGNATURA Titulación:
Asignatura: Código:
Curso:
Año del plan de estudio:
Tipo: Ciclo: Período de impartición: Departamento: Área: Centro: Dirección electrónica: Horas : 90 2 Anual
INGENIERO DE TELECOMUNICACIÓN (Plan 98)
Comunicaciones Ópticas E.T.S. de Ingeniería
Ingeniería Electrónica (Departamento responsable) Tecnología Electrónica (Área responsable) 1998
5º
Troncal/Formación básica 850046
Dirección física: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA, CAMINO DESCUBRIMIENTOS, S/N.- ISLA CARTUJA 9.0
Créditos totales :
OBJETIVOS Y COMPETENCIAS Objetivos docentes específicos
Desarrollo de análisis, diseño y despliegue de Redes Ópticas.
Competencias:
Competencias transversales/genéricas Capacidad de análisis y síntesis Capacidad de organizar y planificar
Solidez en los conocimientos básicos de la profesión
Departamento de Ingeniería Electrónica
Habilidades para recuperar y analizar información desde diferentes fuentes Resolución de problemas
Toma de decisiones Trabajo en equipo
Habilidades para trabajar en grupo
Capacidad para aplicar la teoría a la práctica Habilidades de investigación
Capacidad de aprender
Habilidad para trabajar de forma autónoma Planificar y dirigir
Iniciativa y espíritu emprendedor Inquietud por la calidad Inquietud por el éxito
Competencias específicas
Procedimentales/Instrumentales(saber hacer): 1. Funcionamiento de dispositivos ópticos. 2. Funcionamiento de redes ópticas. 3. Funcionamiento de equipos de medida.
4. Órdenes de magnitud de los parámetros de un sistema. 5. Relación con campos afines/complementarios. Actitudinales(ser):
1. Fomento del trabajo cooperativo.
CONTENIDOS DE LA ASIGNATURA
· BLOQUE 1: ELEMENTOS FUNDAMENTALES DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES ÓPTICAS · Tema 1.- Introducción a las Comunicaciones Ópticas
1. Historia de los Sistemas de Comunicaciones Ópticas a. Antecedentes
b. Evolución de los componentes fundamentales
c. Características de un Sistema de Comunicaciones Ópticas
2. Componentes fndamentales de un Sistema de Comunicaciones Ópticas a. Fibra Óptica
b. Oscilador coherente a frecuencias ópticas (LASER) c. Fotodetector
3. Sistemas de Comunicaciones punto a punto a. Degradación de la señal: Atenuación y Dispersión b. Evolución de los sistemas
i. Sistemas de 1ª generación ii. Sistemas de 2ª generación iii. Sistemas de 3ª generación iv. Sistemas de 4ª generación
4. Sociedad de la Información: Redes Ópticas a. Mayor capacidad de red: Multiplexación b. Procesado Óptico de Señal: REDES ÓPTICAS
· Tema 2.- Interacción Luz-Materia 1. Introducción
2. Modelo del medio dieléctrico a. Modelo mecánico del átomo
b. Fenómenos de absorción y emisión espontánea 3. Momentos bipolar microscópico y macroscópico a. Efecto de las colisiones
4. Susceptibilidad dieléctrica en un medio de 2 niveles a. Índice de refracción complejo
5. Susceptibilidad dieléctrica en un medio de múltiples niveles a. Relaciones de Kramers-Kroning
6. Propagación de ondas planas en un medio dieléctrico dispersivo a. Función de transferencia.
7. APLICACIÓN: Propagación de un pulso de envolvente gaussiana
· Tema 3.- Atenuación y Dispersión en Fibras Ópticas 1. Introducción
2. Principio de funcionamiento: Óptica geométrica a. Fibras de salto de índice: Dispersión intermodal b. Fibras de índice gradual
3. Principio de funcionamiento: Óptica electromagnética a. Aproximación mediante guiaonda óptica plana i. Concepto de modo
b. Solución exacta mediante ecuaciones de Maxwell: Óptica electromagnética i. Planteamiento
ii. Ecuación Modal, Característica o de Dispersión
iii. Aproximación de guiado débil: Modos linealmente polarizados LPlm iv. Constante de propagación βlm y distribución transversal de potencia v. Fibra monomodo y diámetro de campo modal
4. Degradación de la señal óptica en su propagación por la fibra a. Atenuación
i. Mecanismos intrínsecos ii. Mecanismos extrínsecos b. Dispersión
i. Dispersión intermodal
ii. Dispersión intramodal o cromática 1. Dispersión material
2. Dispersión de guiaonda
iii. Dispersión por modo polarización (PMD) 5. Fibras especiales
a. Fibras de dispersión desplazada (DSF) b. Fibras de dispersión plana (FDF)
c. Fibras de dispersión despalzada y dispersión no nula (NZ-DSF) d. Fibras de dispersión opuesta
6. Propagación de pulsos en fibras ópticas
· Tema 4.- El láser de niveles discretos 1. Interacción luz-materia
a. Absorción, emisión espontánea, emisión estimulada: Coeficientes de Einstein b. Extensión del modelo mecánico para incluir la emisión estimulada
2. Introducción: ¿Qué es un láser?
a. Oscilador coherente a frecuencias ópticas 3. El medio amplificador a. Inversión de población 4. El mecanismo de bombeo a. Láser a 3 niveles b. Láser a 4 niveles 5. La cavidad resonante
a. Condición de establecimiento de una oscilación b. Condición de oscilación en régimen permanente
· Tema 5.- Láseres a semiconductor: Medio Amplificador 1. Semiconductor en equilibrio térmico a. Semiconductor intrínseco
i. Densidad de estados
ii. Probabilidad de ocupación: Nivel de Fermi
iii. Concentraciones de e- y h+ en BC y BV, respectivamente b. Semiconductores dopados
2. Semiconductor fuera del equilibrio térmico: Cuasi-equilibrio térmico a. Concentraciones de e- y h+ en BC y BV: Cuasi-niveles de Fermi 3. Semiconductores de transición directa y de transición indirecta a. Condiciones para la emisión y absorción: Densidad de estados conjunta 4. Interacción luz-materia en un medio semiconductor
a. Emisión espontánea b. Emisión estimulada c. Absorción
· Tema 6.- Láseres a semiconductor de cavidad Fabry-Perot 1. Introducción a los láseres de heteroestructuras 2. Pérdidas en el dispositivo
a. Modelado: Tiempo medio de vida del fotón en la cavidad 3. Ganancia en el dispositivo
a. Modelado: Tiempo medio de generación de un fotón en la cavidad 4. Concentración de portadores en el umbral láser
5. Ecuaciones de balance: Rate-equations a. Intensidad umbral de corriente
6. Ecuaciones de balance: Modelo estático 7. Ecuaciones de balance: Modelo dinámico
· Tema 7.- Láseres a semiconductor de cavidad distribuida 1. Introducción
2. Formalismo matricial de propagación de ondas a través de dieléctricos a. Matrices de scattering
b. Matrices de transmisión
c. Ejemplos: Interfase dieléctrica y capa de dieléctrico de espesor constante 3. Láser de cavidad Fabry-Perot
a. Caracterización mediante formalismo matricial: Condición de oscilación láser 4. Láseres de cavidad distribuida: VCSEL, DFB y DBR
a. Principio de funcionamiento mediante formalismo matricial b. Estructuras del DBR y DFB
5. El láser DFB
a. Caracterización mediante formalismo de Teoría de Modos Acoplados i. Introducción
ii. Condición de oscilación láser iii. Láser bi-modo
iv. Láser monomodo: Estructura DFB con salto de π/2 en el centro del dispositivo
· Tema 8.- Anchura espectral de emisión de un láser monomodo 1. Introducción
2. Densidad espectral de energía de una cavidad fría
3. Densidad espectral de potencia de una cavidad caliente sin emisión espontánea 4. Densidad espectral de potencia de una cavidad caliente
5. Anchura espectral de un láser monomodo semiconductor
· Tema 9.- RX de Comunicaciones Ópticas: Fotodetectores 1. Introducción
2. Características de los fotodetectores empleados en Comunicaciones Ópticas 3. Fotoconductores
4. El fotodiodo pin
a. Sensibilidad del dispositivo b. Tiempo de respuesta
5. El fotodiodo de avalancha o APD
a. Fenómeno de avalancha y ganancia del dispositivo b. Coeficientes de ionización
c. Características de tiempo de respuesta y ruido
· Tema 10.- RX de Comunicaciones Ópticas: Fuentes de ruido y pre-amplificadores 1. Introducción
a. Esquema de bloques del receptor b. Sensibilidad del RX
c. Modelo eléctrico del RX d. Términos de ruido
2. Ruido cuántico asociado a la señal a. Proceso de detección
b. Modelo eléctrico
3. Ruido térmico en la resistencia de carga a. Modelo eléctrico
4. Ruido del preamplificador a. Modelo eléctrico
5. Ruido de amplificación interna (Fotodiodos de avalancha o APD) a. Modelo eléctrico: Ganancia y factor de ruido
a. Amplificador de tensión: Necesidad de ecualización b. Amplificador de transimpedancia
7. Comportamiento digital del RX a. Cálculo de la probabilidad de error Pe
· Tema 11.- Sistemas de Comunicaciones Ópticas punto a punto 1. Introducción 2. Componentes a. Fibras Ópticas b. Fuentes de luz c. Receptores 3. Modulación y multiplexación a. Modulación b. Multiplexación
4. Evaluación y comportamiento del sistema a. Sistemas de Comunicaciones Ópticas digitales i. Calidad del sistema: Probabilidad de error Pe ii. Balance de potencia
iii. Balance de dispersión
b. Sistemas de Comunicaciones Ópticas analógicos i. Calidad del sistema: Relación señal a ruido S/N ii. Balance de potencia
iii. Balance de dispersión
5. Sistemas de Comunicaciones por fibra óptica: Generaciones
· Tema 12.- Amplificadores Ópticos: SOA’s y EDFA’s 1. Introducción
2. Principio de funcionamiento y parámetros básicos a. Coeficiente de ganancia y ganancia del amplificador
b. Ancho de banda de ganancia y ancho de banda del amplificador c. Efecto de saturación de ganancia
d. Ruido en amplificadores ópticos: Ruido ASE e. Respuesta dinámica y distorsión de la señal
3. Aplicación de Amplificadores Ópticos en sistemas de Comunicaciones Ópticas 4. Tipos de amplificadores ópticos
a. Amplificador óptico de semicondiuctor (SOA – Semiconductor Optical Amplifier) i. Amplificador Fabry-Perot (FPA) y amplificador de onda viajera (TWA)
ii. Ejemplos comerciales
b. Amplificador óptico de fibra dopada con Erbio (EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier) i. Estructura de bloques de un DFA
ii. Diagrama de bandas de energía del Er iii. Diferentes configuraciones para el bombeo iv. Funcionamiento del EDFA: Modelo aproximado v. Curva de ganancia y amplificación de señales DWDM vi. Ejemplos comerciales
· BLOQUE 2: TECNOLOGÍAS FOTÓNICAS PARA REDES ÓPTICAS · Tema 13.- Aisladores y Circuladores Ópticos
1. Introducción a los componentes ópticos pasivos 2. Aisladores Ópticos
a. Principio de funcionamiento b. Parámetros típicos
c. Aplicación y ejemplos comerciales 3. Circuladores Ópticos
a. Principio de funcionamiento b. Aplicación y ejemplos comerciales
· Tema 14.- Acopladores Ópticos 1. Introducción
2. Principio de operación
a. Acopladores de campo evanescente y acopladores de interferencia modal b. Caracterización mediante teoríaa de modos acoplados
3. Parámetros característicos 4. Tecnologías de fabricación 5. Ejemplos comerciales
· Tema 15.- Filtros Ópticos: (FPF y FBG) 1. Introducción
2. Filtro Fabry-Perot (FPF – Fabry-Perot Filter) a. Principio de funcionamiento
b. Función de transferencia c. Sintonizabilidad del filtro
3. Redes de difracción de Bragg en fibra (FBG – Fiber Bragg Gratings) a. Introducción
b. Principio de funcionamiento i. Descripción cualitativa ii. Descripción cuantitativa
1. Formalismo de matrices de transferencia 2. Formalismo de teoría de modos acoplados c. Tipos de FBG’s
i. FBG uniforme
ii. FBG con función de anodizado iii. FBG con variación del periodo de red d. Aplicaciones
e. Ejemplos comerciales
· Tema 16.- Multiplexores/Demultiplexores y Conmutadores Ópticos 1. Mux/Demux en λ
a. Funcionalidad del dispositivo b. AWG o WGR
c. Multiplexores/demultiplexores Add&Drop 2. Conmutadores Ópticos
a. Funcionalidad del dispositivo
b. Parámetros característicos: Tiempo de conmutación c. Tecnologías de fabricación
3. Ejemplos comerciales
· Tema 17.- Sistemas DWDM 1. Introducción
a. Principales características de los sistemas DWDM 2. Principio de operación
a. Sistemas TDM, DWDM y OTDM b. El estándar ITU-T G.692 c. Evolución de los sistemas DWDM
3. Consideraciones de diseño del sistema completo a. Amplificadores Ópticos
b. Fibras Ópticas c. Diafonías entre canales d. Otras consideraciones
· Tema 18.- Efectos no lineales en fibras ópticas 1. Introducción
2. Origen microscópico 3. Efecto Kerr
4. Auto-modulación de fase (SPM – Self-Phase Modulation) 5. Modulación de fase cruzada (XPM – Cross Phase Modulation) 6. Mezclado de cuatro ondas (FWM – Four Wave Mixing)
7. Efecto Raman estimulado (SRS – Stimulated Raman Scattering) 8. Efecto Brillouin estimulado (SBS – Stimulated Brillouin Scattering)
ACTIVIDADES FORMATIVAS
Horas presenciales: Horas no presenciales:
Competencias que desarrolla:
Metodología de enseñanza-aprendizaje: 60.0
90.0
Capacidad de análisis y síntesis
Solidez en los conocimientos básicos de la profesión Habilidades de investigación
Capacidad de aprender
Habilidad para trabajar de forma autónoma Inquietud por el éxito
Clases magistrales interactivas Clases teóricas
Horas presenciales: Horas no presenciales:
Competencias que desarrolla:
Metodología de enseñanza-aprendizaje: 15.0
15.0
Capacidad de organizar y planificar
Solidez en los conocimientos básicos de la profesión Resolución de problemas
Toma de decisiones
Capacidad para aplicar la teoría a la práctica Habilidad para trabajar de forma autónoma Resolución de problemas prácticos. Resolución de problemas
Horas presenciales: Horas no presenciales:
Competencias que desarrolla:
Metodología de enseñanza-aprendizaje: 15.0
30.0
Solidez en los conocimientos básicos de la profesión
Habilidades para recuperar y analizar información desde diferentes fuentes Trabajo en equipo
Habilidades para trabajar en grupo
Capacidad para aplicar la teoría a la práctica Planificar y dirigir
Iniciativa y espíritu emprendedor Inquietud por la calidad
Prácticas en laboratorio dirigidas académicamente. Prácticas de Laboratorio Horas presenciales: Horas no presenciales: Tipo de examen: 5.0 0.0 Exámenes
Teoría, Resolución de Problemas y Laboratorio
Teoría: Examen escrito de Teoría y Resolución de Problemas Peso del 70% de la calificación final.
Se requiere una nota mínima de 4,5 para poder ponderar con la Parte Práctica
Práctica: Examen escrito, Evaluación continua del alumno en prácticas y evaluación de memorias Peso del 30% en la calificación final.
Se requiere una nota mínima de 4,5 para poder ponderar con la Parte Teórica
La evaluación de la parte práctica consta de una evaluación continua en laboratorio (1/3 de la nota práctica), evaluación de las memorias de prácticas (1/3 de la nota práctica) y examen de prácticas (1/3 de la nota práctica) que se realiza conjuntamente con el examen de teoría. La asistencia a las prácticas es obligatoria, y condición indispensable para aprobar la asignatura. Las memorias de las prácticas se entregan por grupos que en ningún caso pueden estar formados por más de cuatro alumnos ni por menos de dos.
