Estudio y simulación de transmisores ópticos mediante ejercicios demostrativos

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA. Estudio y Simulación de Transmisores Ópticos mediante ejercicios demostrativos. Autor: Katlin Izaguirre Jardines Tutor: MSc. PA. Ing. José Domínguez Hernández. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Estudio y simulación de Transmisores Ópticos mediante ejercicios demostrativos Autor: Katlin Izaguirre Jardines E-mail: [email protected]. Tutor: MSc. PA. Ing. José Domínguez Hernández Profesor, Dpto. de Electrónica y Telecomunicaciones. Facultad de Ing. Eléctrica, UCLV.. E-mail: [email protected] Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) PENSAMIENTO. “Toda hazaña implica esmero y sacrificio, pero eso mismo hace los triunfos más agradables”. J.Segovia.

(5) DEDICATORIA. A mis padres, quienes siempre han estado presentes y ahora también ven coronado un sueño. A mis hermanos, por brindarme su amor y apoyo incondicional. A mi abuela, por estar a mi lado y quererme..

(6) AGRADECIMIENTOS. A mis padres por haberme inculcado el hábito del estudio, por sus sabios consejos, porque gracias a su cariño, guía y apoyo he llegado a cumplir una de las metas más importantes de mi vida, fruto del inmenso amor y confianza que en mí se depositó y con los cuales he logrado terminar mis estudios profesionales, sin duda alguna es la mejor de las herencias; lo reconozco y se los agradeceré eternamente. A mis hermanos por entregarme su cariño cada día y ser muy tolerantes conmigo y porque de una u otra manera me han apoyado constantemente e incondicionalmente para seguir adelante. A mi Abuelita, quien me ha inculcado el valor de hacer las tareas con esfuerzo y perseverancia. A mi novio, por sus consejos, motivación y apoyo incondicional para lograr cada objetivo que me propongo. De manera muy grata a mi profesor y guía de proyecto de titulación Ing. José Domínguez Hernández por haber compartido conmigo su conocimiento pero sobre todo por su apoyo en la realización de este trabajo de Tesis. A mis amigos por todos esos grandes momentos que compartimos juntos durante estos años, por compartir sus conocimientos, consejos, alegrías, estímulos de superación, por su ayuda, compañía, paciencia, y apoyo. Mil gracias a cada uno de ustedes por compartir conmigo la felicidad de la vida, el éxito y mis sueños..

(7) TAREA TÉCNICA. . Estudio de la bibliografía sobre el tema y el estado actual de los transmisores ópticos.. . Simulación de diferentes transmisores ópticos usando el OptiSystem.. . Determinación de los parámetros fundamentales y proposición de mediciones para los mismos.. . Proposición de ejercicios de laboratorio, que puedan ser utilizados para sistematizar contenidos sobre transmisores ópticos.. . Elaboración del informe final.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) RESUMEN. La comunicación por fibra óptica debido a sus ventajas sobre la transmisión eléctrica ha sustituido en gran medida las comunicaciones mediante cables de cobre en las redes del mundo desarrollado. En ella la transmisión de la señal es a lo largo de toda la fibra, garantizando que la señal no sea demasiado débil ni distorsionada. Los sistemas de comunicación por fibra óptica incluyen transmisores ópticos para convertir una señal eléctrica en una señal óptica que se envía por la fibra óptica.[1] En este proyecto de titulación se hace un recuento de los fundamentos teóricos esenciales que se requieren para comprender el funcionamiento de los transmisores ópticos exponiendo sus principales características, la composición de este fundamental elemento de la comunicación por fibra óptica, los diversos tipos usados y características de las fuentes de luz típicamente usadas, así como sus múltiples ventajas y desventajas, y diversas aplicaciones. Se presenta un breve estudio del software de simulación para sistemas de comunicación óptica empleado, basado en la plataforma OptiSystem, y dedicado al peritaje de parámetros de calidad para sistemas ópticos, en el cual se evaluará la factibilidad de la transmisión por medio de diagramas de ojos, analizadores de espectro óptico y visualizadores del dominio de tiempo óptico, verificando los parámetros de configuración de los dispositivos utilizados en los modelos de simulación planteados. Se implementan tres ejercicios, de utilidad para prácticas de laboratorio virtuales para diseñar, analizar y simular sistemas de transmisión ópticos. Se experimenta con estos parámetros y se arriba a conclusiones basadas en los resultados gráficos y cuantitativos obtenidos gracias a los componentes de visualización que brinda OptiSystem..

(9) TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ................................................................................................................... ii DEDICATORIA ................................................................................................................... iii AGRADECIMIENTOS .........................................................................................................iv TAREA TÉCNICA ................................................................................................................. v RESUMEN ............................................................................................................................vi TABLA DE CONTENIDOS ............................................................................................... vii INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL ...................................................... 4. 1.1. Transmisor Óptico .................................................................................................... 4. 1.2. Características Básicas de los Transmisores Ópticos............................................... 6. 1.3. Modulación Óptica ................................................................................................... 6. 1.4. Acoplamiento ........................................................................................................... 7. 1.5. Elementos Básicos de un Transmisor Óptico........................................................... 7. 1.5.1. El Circuito Driver ............................................................................................. 7. 1.5.2. El Circuito de Formateado de Señal ................................................................. 8. 1.6. Fuentes Ópticas ........................................................................................................ 9. 1.6.1. Diodos LED .................................................................................................... 10. Tipos de diodos LED ................................................................................................ 15 1.6.2. Diodos LÁSER ............................................................................................... 17. Tipos de diodos láser ................................................................................................ 22 1.7. Conclusiones parciales ........................................................................................... 23.

(10) CAPÍTULO 2.. ESCENARIOS. DE. SIMULACIÓN. PARA. EJEMPLIFICAR. CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSMISORES ÓPTICOS. ......................................... 25 2.1. Introducción al OptiSystem.................................................................................... 25. 2.1.1. Interfaz gráfica ................................................................................................ 26. 2.1.2. Modificar los parámetros globales de una simulación.................................... 30. 2.1.3. Modificar los parámetros de un componente .................................................. 31. 2.1.4. Construir un sistema ....................................................................................... 32. 2.1.5. Simulación del sistema ................................................................................... 34. 2.1.6. Librería de instrumentos virtuales .................................................................. 35. 2.1.7. Librería de componentes ................................................................................. 36. 2.2. Escenarios de Simulación ...................................................................................... 39. 2.2.1. Escenario Número 1. ”Transmisor óptico con LED” ..................................... 39. 2.2.2. Escenario Número 2. “Transmisor óptico con láser modulado directamente” 41. 2.2.3. Escenario Número 3. “Transmisor óptico usando láser con modulación. externa para minimizar el chirp” .................................................................................. 42 2.3. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 44. CAPÍTULO 3.. ANÁLISIS DE RESULTADOS.............................................................. 45. 3.1. Análisis del escenario de la simulación. “Transmisor óptico con LED” ............... 45. 3.2. Análisis del escenario de simulación 2. “Transmisor óptico con láser modulado. directamente” .................................................................................................................... 48 3.3. Análisis del escenario de simulación 3. “Transmisor óptico usando láser con. modulación externa” ......................................................................................................... 50 3.4. Comparación entre los análisis del escenario 1 y el escenario 2 ............................ 58. 3.5. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 59.

(11) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 60 Conclusiones ..................................................................................................................... 60 Recomendaciones ............................................................................................................. 61 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 62.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Desarrollados en la década de 1970, los sistemas de comunicación de fibra óptica han revolucionado la industria de las telecomunicaciones y han desempeñado un papel importante en el advenimiento de la era de la información. La comunicación por fibra óptica es un método de transmisión de información enviando señales de luz a través de fibra óptica, donde la luz en forma de ondas electromagnéticas viajeras es modulada para transmitir información. Debido a sus ventajas sobre la transmisión eléctrica, la fibra óptica ha sustituido en gran medida las comunicaciones mediante cables de cobre en las redes del mundo desarrollado. En ella la transmisión de la señal es a lo largo de toda la fibra, garantizando que la señal no sea demasiado débil ni distorsionada. Los sistemas modernos de fibra óptica generalmente incluyen transmisores ópticos para convertir una señal eléctrica en una señal óptica que se envía por la fibra óptica.[2] Los transmisores ópticos más comúnmente utilizados son dispositivos semiconductores como, por ejemplo, Diodos Emisores de Luz (LED o LEDs) y diodos láser. La diferencia entre los diodos LED y el láser es que los LED producen una luz incoherente, la cual se dispersa, y el láser produce una luz coherente, no dispersa. Para su uso en comunicaciones ópticas los transmisores ópticos deben ser diseñados para ser compactos, eficientes y confiables, mientras se opera en un rango de longitud de onda óptima y directamente modulada en altas frecuencias. Previamente se han realizado investigaciones relacionadas con el tema, se han simulado algunos de estos esquemas, pero no existe una guía para el estudio de esta tecnología basada en varios experimentos de laboratorios simulados rigurosamente.[3] El presente proyecto tendrá relevancia para la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, ya que resulta de utilidad para el proceso.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. docente, tanto de pregrado como de postgrado, contar con un estudio profundo, así como de implementación de ejercicios de utilidad para prácticas de laboratorio que faciliten la adquisición de habilidades en el diseño de ejercicios con estos elementos. Teniendo en cuenta las razones expuestas anteriormente se plantea el siguiente problema científico: ¿Cómo contribuir a enriquecer los conocimientos y la adquisición de habilidades en el diseño de ejercicios con transmisores ópticos, haciendo uso de las experiencias de laboratorios? Para dar cumplimiento al problema de investigación, se propone el siguiente objetivo general: Proporcionar un estudio general de los transmisores ópticos y la simulación de alternativas para ejemplificar sus características principales. Para resolver el problema de investigación y dar cumplimiento al objetivo general, se plantean los siguientes objetivos específicos:  Estudiar la bibliografía sobre el tema y el estado actual de los transmisores ópticos.  Simular diferentes transmisores ópticos usando el OptiSystem.  Determinar parámetros fundamentales y proponer mediciones a los mismos.  Proponer ejercicios de laboratorio, que puedan ser utilizados para sistematizar contenidos sobre transmisores ópticos. A partir de cada objetivo específico se crean interrogantes científicas, a las cuales se les dan respuestas en el desarrollo de la investigación:  ¿Cuál es la situación actual de la tecnología de los transmisores ópticos destinados a la comunicación por Fibra Óptica?  ¿Cómo simular esquemas de transmisores ópticos?  ¿Cuáles son los parámetros fundamentales en los transmisores ópticos?  ¿Cómo evaluar los parámetros fundamentales en la simulación de esquemas de transmisores ópticos? Con esta investigación se pretende contribuir a la motivación del estudio de los transmisores ópticos y a las facilidades que ofrece su implementación en diferentes sistemas de comunicaciones e influir de manera satisfactoria en el enriquecimiento de los conocimientos de ingenieros, que de alguna manera en su vida profesional tengan que dar solución a problemas que requieran el uso de esta tecnología..

(14) INTRODUCCIÓN. 3. Para cumplir los objetivos establecidos, el informe de la investigación se estructuró en: introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones y referencias bibliográficas..

(15) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 4. CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. En los últimos años la fibra óptica ha tenido un gran avance en su aplicación a los sistemas de comunicaciones por las ventajas que ofrece, entre las que destacan: su inmunidad a la interferencia electromagnética, liviandad, el tamaño reducido del cable que es capaz de llevar un gran número de señales y la compatibilidad que ésta tiene con la tecnología digital. Por todo lo anterior se puede decir que la fibra óptica es el medio de transmisión idóneo para el envío de información.[2] Un sistema de fibra óptica como cualquier sistema de comunicaciones se forma por tres partes principales que son: el transmisor, el receptor y el medio de transmisión. Donde los elementos más importantes, a parte del pilar fundamental que es el cable de fibra óptica, son los transductores electro-ópticos (dispositivos que convierten un determinado tipo de energía a la entrada, en otro distinto a la salida) ubicados tanto en el transmisor (foto-emisores) como en el receptor (foto-detectores), los cuales convierten la energía óptica transportada por la fibra en energía eléctrica y viceversa.[4] En un sistema como este se debe encontrar la manera de optimizar el envío y recepción de información por lo cual es importante que el transmisor óptico sea del tamaño y forma adecuados para el sistema, que introduzca la mínima atenuación y que se utilice un emisor de luz adecuado a las necesidades, por lo cual en el presente capítulo se estudiará la composición de este fundamental elemento de la fibra óptica así como los diversos tipos usados y características de las fuentes de luz que en el operan.[2], [4] 1.1. Transmisor Óptico. El transmisor óptico de un sistema de comunicación por fibra óptica, es compuesto por un modulador y una fuente de luz asociada con un circuito de excitación “driver”. Una fuente.

(16) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 5. de información genera la señal que se desea transmitir y la envía para ser adaptada para la transmisión en el modulador. La fuente de información, llamada generador de señales, define el tipo de información a ser transmitida. Para el caso de una señal digital, la señal es representada por un conjunto de valores, que en general, en comunicación óptica, es binario. En el caso de una señal analógica, generalmente ella es representada por una combinación de sinusoides, con varias frecuencias, amplitudes y fases. [5] En realidad, la información a ser transmitida, es imprevisible, debiendo ser caracterizada por valores aleatorios, pero es común utilizar valores determinísticos, para la evaluación del desempeño del sistema de comunicación. En el caso que se quiera transmitir varias señales simultaneas, analógicas o/y digitales, el transmisor se encarga de hacer una multiplexación eléctrica u óptica, de todas las fuentes de información que se quiera transmitir. [5]. Figura 1.1. Transmisor Óptico[6] En el transmisor óptico el 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. Los dos principales métodos empleados para variar la señal óptica de salida de los diodos son: La Modulación PCM para sistemas digitales y la Modulación AM, para sistemas analógicos. El acoplador está compuesto por Micro lentes para focalizar la luz en la entrada de la fibra; y las fuentes ópticas son componentes activos en un sistema de comunicaciones por fibra óptica, cuya función es convertir la energía eléctrica en energía óptica de manera eficiente, de modo que permita que la salida de luz sea efectivamente inyectada o acoplada dentro de la fibra óptica.[6].

(17) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 1.2. 6. Características Básicas de los Transmisores Ópticos. Las características más importantes de un transmisor óptico son la potencia óptica emitida, el espectro de radiación de la fuente óptica y la forma de onda de la señal óptica en la salida del transmisor, que depende de la respuesta en frecuencia del dispositivo. La radiación emitida por el LED es incoherente y cubre un amplio espectro de ancho de banda óptico.[5] El comportamiento del láser es más complejo, él es un dispositivo de umbral. Debajo de la corriente umbral, la radiación es producida de la misma forma que en el LED, sin embargo, arriba de la corriente umbral, el láser actúa como un oscilador y hay un cambio en la característica de la radiación emitida, ella se hace más direccional, más coherente y el espectro se hace más delgado, al igual que en la corriente umbral, el espectro de radiación es sensible a la temperatura y puede variar con las condiciones ambientales y altas potencias.[5] 1.3. Modulación Óptica. La modulación óptica puede ser directa, donde la fuente de luz es modulada directamente por una inyección de corriente electrónica, proveniente del circuito “driver”, o ella puede ser una modulación externa, donde la luz es primero generada por la fuente óptica y después a través de un modulador externo es modulada. En este caso es posible, pero no usual, modular, además de la amplitud, la fase, la frecuencia o la polarización de la señal óptica. La ventaja de la modulación externa es la posibilidad de minimizar el efecto “chirp” de la señal óptica (modulación de fase residual o chirrido, que consiste en un ensanchamiento espectral de la salida óptica del láser, representado por la aparición de modos laterales si desarrollamos la señal en forma de serie de Bessel e incrementa la distorsión de la señal causada por la iteración de la misma con la dispersión cromática y las no linealidades de la fibra que se caracteriza por dos efectos, el ensanchamiento de línea del láser y un salto de frecuencia de la portadora óptica), característicos de las señales ópticas moduladas directamente. Sin embargo, la mayoría de los sistemas de comunicación por fibras ópticas comercializados actualmente utiliza la modulación directa, debido a su simplicidad y bajo costo. Estos sistemas son llamados sistemas del tipo IM o sea, la potencia óptica emitida por la fuente de luz (intensidad óptica) es modulada por la corriente electrónica inyectada en la fuente óptica.[4], [6].

(18) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 1.4. 7. Acoplamiento. La potencia irradiada de las fuentes de luz (LED y diodo láser) tienen que ser acoplada en la Fibra óptica estable y eficazmente, existiendo dos tipos de acoplamiento posibles: (a) Acoplamiento directo - Para las fuentes de emisión por la superficie, la distribución de la intensidad óptica radiada, por unidad de ángulo sólido y por unidad de superficie de área de emisión (W/cm2.sr), es dado por (emisión Lambertiana): [5] I(θ,Ω)=𝐼0 cosθ [5] Donde 𝐼0 es la intensidad de radiación, en la dirección de la normal a la superficie de radiación. En general: LED de emisión superficial ~1%; diodo láser ~10%.[5] (b) Acoplamiento por lente - Las lentes pueden ser usadas para mejorar el acoplamiento si: 1. La abertura numérica de la fibra óptica (N.A) es mayor que la abertura numérica de la fuente de luz. 2. La área de emisión de la fuente de luz es menor que el núcleo de la fibra óptica. 3. La anchura espectral de la fuente de luz se estrecha. En general: LED de emisión lateral ~10%; diodo láser ~70%. [5] 1.5. Elementos Básicos de un Transmisor Óptico. 1.5.1 El Circuito Driver El circuito driver es un circuito electrónico que convierte la señal de tensión electrónica en una señal de corriente electrónica para poder modular la fuente de luz. Esto es necesario porque las fuentes son de inyección de corriente. La Figura 1.2 presenta algunos tipos de circuitos driver. [5].

(19) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 8. Figura 1.2. Tipos de circuitos driver: (A) Driver para los LEDs. (B) Driver para los láseres. [5]. 1.5.2 El Circuito de Formateado de Señal En el caso de transmisión digital binaria, generalmente es usada una codificación de línea en el transmisor para minimizar las ocurrencias de largas secuencias de 0s y 1s, buscando facilitar la recepción. Los esquemas de codificación más usuales son: códigos No Retorna al Cero (NRZ), códigos Retorna al Cero (RZ), códigos Manchester y códigos de bloques. El código más simple es el NRZ, que codifica la señal en una secuencia de bits del tipo ON OFF. En el código RZ, el nivel “1” es codificado en un pulso que dura un cierto valor del intervalo de tiempo de un bit, o sea, la señal permanece con valor 1 y después se cae para cero, dentro del intervalo de bit destinado a él. La señal 0 es representada por la ausencia de pulso. En el código Manchester se usa la codificación de fase, es decir, las señales no son reconocidas por el nivel, pero sí por las transiciones. La señal 0 es representada por una transición de descendida en medio del intervalo de bit y la información 1 por una transición de subida, en medio del intervalo de bit. El codificador de bloque codifica una secuencia de n bits en una secuencia, generalmente mayor, de m bits. Es común en comunicaciones adecuar el bit a ser transmitido en un formato más apropiado para la transmisión, en función de la tasa de transmisión. El formato de pulso generalmente rectangular puede ser sustituido por un formato más apropiado de obtenerse en la práctica tal como el formato rectangular.

(20) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 9. filtrado, o el formato súper gaussiano o el formato solitónico, o aún por un formato optimizado.[5] 1.6. Fuentes Ópticas. Las fuentes ópticas son transductores cuya función fundamental es convertir energía eléctrica en energía óptica (luz) de una forma eficiente, que permita que la salida sea efectivamente acoplada a la fibra óptica. Los requerimientos de las fuentes pueden ser variados, pero todas tienen dos funciones básicas:[8] . Deben radiar energía luminosa suficiente de una longitud de onda particular, hacia la región de interés o hacia el componente que la utilice.. . Deben mantener una intensidad de luz constante y regulada, para el uso apropiado del dispositivo.[8]. Las fuentes forman parte de los componentes clave en las comunicaciones ópticas. Deben ser compactas, monocromáticas, estables y de larga duración; es decir, que tengan una vida útil considerable.[8] En la práctica no hay fuentes de luz monocromáticas, hay sólo fuentes que emiten luz dentro de una banda estrecha de longitudes de onda. Entre las diferentes fuentes ópticas que existen, los diodos de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación (LÁSER) y los diodos emisores de luz (LED “Light Emiter Diodo”) son los únicos que satisfacen todos los requerimientos exigidos por los sistemas de telecomunicaciones. Ningún otro tipo de fuente óptica puede modularse directamente a las altas velocidades de transmisión requeridas, con tan baja excitación y tan baja salida. En función del sistema, escogemos uno u otro. El láser ofrece mejor rendimiento en anchos de banda grandes y largos alcances. Para anchos de banda menores y cortas distancias se suele escoger el LED, pues tanto el circuito de ataque como el de control son más sencillos.[8], [9] Juntos representan el 95 y 99 % de las aplicaciones de comunicaciones ópticas.[4] Las fuentes de luz utilizadas en transmisores ópticos son básicamente uniones p-n en semiconductores. Cuando la unión es polarizada directamente, parte de la energía suministrada al dispositivo, por la corriente electrónica, es emitida en forma de luz.[5] El desarrollo de semiconductores eficientes como fuentes ópticas, junto con fibras ópticas de baja pérdida, dan paso a mejoras en las comunicaciones de fibra óptica. Los semiconductores.

(21) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 10. como fuentes ópticas tienen las características físicas y el rendimiento necesario para exitosas implementaciones de sistemas ópticos.[4] Es deseable que las fuentes ópticas: • Sean compatibles en tamaño respecto a la fibra óptica, teniendo así una pequeña área de luz emitida capaz de enviar dicha luz a la fibra. • Envíen suficiente potencia óptica a la fibra, para así superar la atenuación en ella y las pérdidas en los conectores, permitiendo la detección de la señal en el receptor. • Emitan luz a longitudes de onda donde la pérdida por dispersión y la pérdida en la fibra sean mínimas.[4] 1.6.1 Diodos LED Un diodo emisor de luz (LED) es un dispositivo semiconductor, formado por una unión pn polarizada directamente que emite luz no coherente, mediante emisión espontánea, cuando es excitado por corriente eléctrica. . Los LEDs manejan longitudes de onda típicas de 850nm o 1300nm pero son especialmente adecuados para comunicaciones de cortas distancias, trabajando en la primera ventana, en velocidades no superiores a los 100-200 Mbps y en conjunción con las fibras multimodo[10] La radiación que se obtendrá de un LED, tendrá en principio, una coherencia muy reducida o casi nula, será mucho menos direccional que un láser y será escasamente monocromático y limitados por dispersión intermodal.[4], [5] Entre las características de los LED tenemos: . Son resistentes y de larga vida.. . Bajo costo.. . Transmiten luz en un cono relativamente amplio.. . Fácilmente manejados por circuitos electrónicos.. . Requieren bajos niveles de corriente y voltaje.. . Pueden ser modulados a altas velocidades.. . Consumen menos energía que las lámparas convencionales.[4]. . Son fuentes convenientes para comunicaciones por fibra óptica multimodo.[8]. La luz de los LED está disponible en una variedad de colores o longitudes de onda. El color de luz emitido por el LED depende del material semiconductor usado. La luz producida por.

(22) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 11. un LED no se puede considerar monocromática, ya que puede tener varias longitudes de onda.[4] Los LED convencionalmente usan semiconductores inorgánicos como GaAlAs (arseniuro de galio aluminio) para longitudes de onda cortas, y InGaAsP (indio galio arsénico fósforo) para longitudes de onda más largas. También se usan otros materiales para otras longitudes de onda.[4] En la tabla 1.1 se encuentran algunos de los materiales con sus respectivas longitudes de onda y colores de emisión.. Tabla 1.1 [4] Un LED emite luz en un amplio rango de direcciones. Sin embargo, algunos LED usados en sistemas de fibra óptica son construidos para optimizar la dirección de la luz desde una superficie particular como la mostrada en la figura 1.3. El LED mostrado tiene un hueco que incrementa la cantidad de luz emitida desde la parte alta de la superficie. Con esto se logra que más luz entre en la fibra porque se encuentra más cerca del lugar donde se origina la luz.[4].

(23) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 12. Figura 1.3. Corte longitudinal de un LED.[4] Cuando la corriente eléctrica fluye por el LED o sea cuando está polarizado, los electrones pasan a través de las capas de material semiconductor y son absorbidos en la capa de empobrecimiento del mismo (banda de valencia). Cuando un átomo absorbe un electrón en la capa de empobrecimiento, uno de los electrones que se encuentra orbitando se mueve a una capa de mayor valencia. En este estado, el átomo y el electrón en órbita son inestables y querrán eventualmente regresar a su estado de descanso o normal. Cuando el electrón realiza una transición de un estado cargado a un estado de descanso la energía absorbida debe ser removida o emitida por el átomo. La energía emitida se encuentra en forma de una partícula sin masa llamada fotón. El proceso de generar fotones a través de electrones que cambian de una banda de mayor energía a otra de menor energía, en manera natural o aleatoria, es llamado emisión espontánea de radiación.[4] Toda la luz producida por un LED es no coherente. Esto significa que los rayos de luz, o fotones, viajan en cualquier dirección, fase y frecuencia con respecto a cada uno.[4].

(24) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 13. Figura 1.4. Átomo con electrones pasando de un estado cargado a uno relajado.[4] Los LED tienen características que definen su utilidad en diferentes aplicaciones, entre estas tenemos:[4] Longitud de onda pico: Esta es la longitud de onda en la cual la fuente emite la mayor potencia. Esta debe coincidir con la longitud de onda que posee menos pérdida en la fibra óptica. Los LED por lo general trabajan en el espectro visible con las longitudes de onda del rojo a 660 nm, el verde a 530 nm y el infrarrojo a 850, 950, 1300 y 1550 nm.[4] Ancho espectral: Debido a que las fibras ópticas son sensibles a todas las longitudes de ondas, el ancho espectral de frecuencia es muy importante. El ancho de banda espectral es el ancho de banda óptico al cual la intensidad de emisión cae al 50% de su pico, y es algunas veces conocido como ancho de banda máximo-medio, típicamente ubicado en los LED entre los 20 y 60 nm de la longitud de onda pico.[4].

(25) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 14. Patrón de emisión: El patrón de luz emitida afecta la cantidad de luz que puede ser transmitida a la fibra óptica. El tamaño de emisión debe ser similar al diámetro del núcleo de la fibra.[4] Potencia: Los mejores resultados se logran al acoplar la mayor cantidad de potencia posible en la fibra. El requerimiento clave es que la potencia de la fuente sea suficiente para transmitir tanta luz como requiere el receptor en el otro extremo de la fibra, especialmente en los LED. La potencia característica que pueden transmitir los LED es alrededor de 500 μW.[4] Velocidad: Una fuente debe iluminarse y apagarse lo suficientemente rápido para poder cubrir el ancho de banda de un sistema. La velocidad de la fuente óptica es determinada por los tiempos de subida y de bajada. En los LED estas velocidades se acercan a los 100 MHz. [4] Linealidad: Es otra característica importante para ciertas aplicaciones. La linealidad representa la relación entre la potencia óptica a la salida del LED contra la corriente eléctrica que excita al LED. La mayoría de fuentes de luz tienen mínima pérdida de linealidad, lo cual los hace ideales para aplicaciones digitales. Aplicaciones analógicas requieren más atención a la linealidad.[4] Aplicaciones: Los LEDs ofrecen una serie de ventajas para los desarrolladores de aplicaciones en general: . Mientras que las fuentes tradicionales de luz permiten una liberación de fotones en todas las direcciones y en una amplia gama de longitudes de onda, los LED proporcionan una iluminación altamente direccional, en longitudes de onda relativamente estrechas. Este fenómeno está determinado por el tipo de material semiconductor empleado en la construcción de la unión PN. [11]. . Los LEDs, además, son mucho más rápidos que las fuentes de luz tradicionales, por ejemplo, una lámpara incandescente. Son capaces de encenderse y apagarse instantáneamente, sin tiempo ni necesidad de calentamiento previo. De hecho, los LEDs se pueden activar rápidamente y de forma indefinida, con poco o ningún impacto en la vida del dispositivo y a una velocidad donde el ojo humano no puede percibir cambios tan rápidos. Por ejemplo, las aplicaciones donde se utiliza PWM (modulación por ancho de pulsos) o para transmitir información aislada de manera óptica (optoacopladores).[12].

(26) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. . 15. Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadores de cierta situación específica de funcionamiento. Por ejemplo: para desplegar contadores, indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente continua así como la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna y en dispositivos de alarma, etc.[11]. . Los LEDs operan en un amplio rango de temperaturas y por supuesto, ofrecen características mejoradas a bajas temperaturas. Esto es, a menor temperatura existe una agitación térmica menor (o nula en el mejor de los casos) que impide los “saltos” indeseados de electrones de una región a otra.[12]. . En el aspecto mecánico, los LEDs son dispositivos pequeños, compactos y robustos que pueden ser utilizados de forma fiable en entornos reducidos y alcanzan una vida útil donde cualquier iluminación tradicional no podría caber ni sobrevivir.[12]. Desventajas: El principal inconveniente del diodo LED es que su potencia de iluminación es tan baja, que su luz es invisible bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad está entre los 30° y 60°. Este último problema se corrige con cubiertas difusoras de luz. Con los últimos adelantos, en los diodos LED de alta luminosidad, este problema prácticamente ha quedado en el pasado.[11] 1.6.1.1 Tipos de diodos LED Las configuraciones posibles a la hora de implementar un LED son diversas y, aunque en esencia el LED es una unión pn polarizada directamente, es posible mejorar sus características mediante el empleo de heteroestructuras. En general son cuatro tipos de estructuras de LEDs que suelen emplearse: a) LED de borde emisor (ELED), b) LED de superficie emisora (SLED), c) LED superradiante (SLD) y d) el LED de cavidad resonante (RCLED).[4], [13] Los LED de borde emisor son dispositivos más complejos y más costosos, pero ofrecen grandes niveles de potencia y altas velocidades. La potencia que entregan es alta porque el lugar de emisión es pequeño, alrededor de 30-50 μm, permitiendo una buena eficiencia de acople con fibras ópticas de tamaño similar. Este tipo de LED presenta una superficie emisora de luz seméjate a una tira estrecha en el mismo plano de la unión p-n, consiguiendo así que la luz radie de forma transversal haciéndose más directiva y las pérdidas de acoplamiento a la fibra sean menores.[4], [14].

(27) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 16. Los de borde emisor tienen un espectro de emisión estrecho lo cual permite transmitir potencia en fibras con apertura numérica de menor magnitud.[4]. Figura 1.5. Diodo ELED o de borde de emisor.[4] Una variante del emisor de borde es el LED superradiante; se puede decir que tiene partes de LED y partes de láser. Usualmente tienen una alta densidad de potencia y poseen ganancia óptica como el láser, pero su emisión es no coherente al contrario del láser. Su particularidad radica en que una de sus caras por donde va a salir la luz es tallada y tiene una cierta capacidad de reflexión, la otra cara no es tallada, de manera que el efecto láser no se presenta pero hay una cierta amplificación. La señal óptica generada en el interior del SLD se amplifica debido a la emisión estimulada conforme se propaga a través de la zona activa y sale al exterior por la otra cara (la señal sólo se propaga una vez a través de la zona activa antes de salir). Este tipo de dispositivos es capaz de suministrar en segunda ventana potencias de 1 mW a una fibra monomodo al polarizarlos con una corriente de 150 mA, siendo su ancho de línea de unos 30 nm en comparación con los 80-100 nm de un LED normal.[4], [15], [16] El LED de superficie emisora fue desarrollado para aplicaciones con necesidades altas de velocidad de transmisión (mayores a 100Mbps). Este tipo de LED emite luz en muchas direcciones pero concentrando la luz emitida en un área muy pequeña, lo que se conoce como diodo de Burrus. Son más eficientes que los anteriores y permiten que se acople más potencia en la fibra óptica. Sin embargo, son más costosos y difíciles de elaborar. Se encuentran desde.

(28) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 17. potencias bajas a potencias medianas. La potencia que entrega es mayor que la de un ELED, pero el área de emisión es grande, causando baja eficiencia de acople con la fibra óptica. [4], [16] Como último tipo de LED tenemos al LED de cavidad resonante (RCLED – ver Figura 1.6), básicamente este nuevo tipo de LED toma ventaja de efectos de cavidad para aumentar la emisión espontánea. El RCLED tiene un ancho espectral mucho más estrecho. También cuenta con mejor direccionalidad, lo que permite mejores acoples con la fibra óptica que se use.[4]. Figura 1.6. LED de cavidad resonante.[4] 1.6.2 Diodos LÁSER Los diodos láser o de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación son semiconductores complejos que convierten energía eléctrica en luz. El proceso de conversión es eficiente ya que no genera mucho calor. Son Fuentes de luz coherente de emisión estimulada con espejos semireflejantes formando una cavidad resonante, la cual sirve para realizar la retroalimentación óptica, así como el elemento de selectividad (igual fase y frecuencia). El láser se caracteriza por emitir haces luminosos estimulados y por lo tanto coherentes, lo que produce que se aumente la potencia de salida, disminuyan los anchos.

(29) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 18. espectrales y el haz de luz sea mucho más directivo. El proceso de generación de luz es similar al del LED. Las diferencias radican en el volumen de generación, más pequeño en los diodos laser, y en una alta concentración de portadores inyectados. Se consigue así una ganancia óptica alta y un espectro muy estrecho que da lugar a luz coherente.[4], [15] Tenemos entre las características de los diodos láser:  Emite alta densidad de luz en una muy pequeña área.  El área de emisión de luz es muy pequeña comparada con el tamaño de la fibra.  También tienen un largo período de vida útil.  Pueden ser modulados a altas velocidades.[4] El diodo láser, como otros semiconductores, se forma al dopar una delgada capa en la superficie de un cristal. El cristal dopa para producir una región tipo n y una tipo p, una sobre la otra, resultando en una unión p-n, más conocida como diodo.[4] Como en otros diodos, cuando esta estructura está polarizada, huecos de la región p son inyectados a la región n, donde los electrones son los portadores dominantes o mayoritarios. Similarmente, electrones de la región n son inyectados en la región p, donde los huecos son comunes.[4] Cuando un electrón y un hueco están presentes en la misma región, ellos se recombinan por emisión espontánea, esto es, un electrón reocupa el estado de energía del hueco, emitiendo un fotón con energía igual a la diferencia entre el electrón y el hueco involucrados. La emisión espontánea es necesaria para iniciar la oscilación del láser, pero es una fuente de ineficiencia una vez que el láser está oscilando.[4] Bajo las condiciones apropiadas, el electrón y el hueco pueden coexistir en la misma área por algún tiempo (en el orden de microsegundos) antes de recombinarse. Después un fotón cercano con energía igual a la energía de recombinación puede causar recombinación por emisión estimulada. Esto genera otro fotón de la misma frecuencia, viajando en la misma dirección, con la misma polarización y fase como el primer fotón. Esto significa que la emisión estimulada causa ganancia en una onda óptica en la región de inyección, y la ganancia incrementa, mientras el número de electrones y huecos aumenta sobre la unión.[4].

(30) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 19. Figura 1.7. Componentes internos de un semiconductor diodo LÁSER.[4] El diodo láser emite luz que es altamente monocromática y muy direccional. Esto significa que la salida del diodo láser tiene un ancho espectral más estrecho y un ángulo de salida del rayo más pequeño. [4] Un diodo láser es geométricamente similar a un ELED y es sensitivo a la temperatura; incrementos en la temperatura del láser reducen la potencia significantemente. En muchas aplicaciones la temperatura de los diodos láser debe ser controlada.[4] Los LD tienen características que definen su utilidad en diferentes aplicaciones, entre estas tenemos: Longitud de onda pico: Esta es la longitud de onda en la cual la fuente emite la mayor potencia. Esta debe coincidir con la longitud de onda que posee menos pérdida en la fibra óptica. En los láser las mejores longitudes para la transmisión se encuentran de 800 a 885 y de 1300 a 1550 nm.[4] Ancho espectral: Los láser como los LED no emiten solo una longitud de onda en particular, ellos emiten un rango de longitudes de onda. Idealmente, toda la luz emitida desde un LD debería estar en la longitud de onda pico, pero en práctica la luz emitida se encuentra en un rango de longitudes de onda centradas en la longitud de onda pico. El ancho espectral de un láser es de 0.5 a 0.6 nm.[4] Patrón de emisión: El diagrama polar de irradiación del diodo láser es mucho más angosto que el del diodo LED, lo cual facilita un acoplamiento particularmente efectivo con el conductor de fibra óptica.[4].

(31) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 20. Potencia: Ambos dispositivos, el LED y el láser, tienen curvas de potencia vs corriente similares. Sin embargo la potencia con que responde el láser alcanza un mayor valor que la del LED. Superándolo con un valor aproximado de 100 mW.[4]. Figura 1.8. Potencia óptica de salida vs corriente para LED y LD.[4] Velocidad: Los diodos láser tienen un tiempo de subida de alrededor de 1 ns, en comparación con los LED cuya media típica es de 5 ns o más. [4] Tiempo de vida: El tiempo esperado de operación de estas fuentes emisoras de luz se puede medir en miles de horas de uso. Los LED tienen un tiempo de vida más largo que los láser (de 5 a 1). Las condiciones en las que trabajan los láser: los aspectos térmicos, la potencia de salida, etc. disminuyen su tiempo efectivo de uso.[4] Aplicaciones: . Comunicaciones de datos por fibra óptica.. . Lectores de CD, DVD, Blu-rays, HD DVD, entre otros.. . Interconexiones ópticas entre circuitos integrados.. . Impresoras láser.. . Escáneres o digitalizadores.. . Sensores..

(32) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. . Tratamiento con láser odontológico.. . Depilación corporal.. . Pantalla láser.. . Odontología[17].. 21. Ventajas . Son muy eficientes y fiables.. . Debido a su patrón de radiación de luz, el cual es más directo que el patrón que presentan los LEDs, es más sencillo acoplar la luz dentro de la fibra óptica. Esto reduce las pérdidas por acoplamiento y permite utilizar fibras de diámetro menor.. . La potencia radiada que entrega el láser es típicamente de 5 mW, mientras que el LED entrega una potencia de 0.5 mW en promedio. Esto hace que el láser sea preferido en sistemas de comunicación de larga distancia.. . El láser permite una mayor tasa de transmisión de bits y genera una luz monocromática, lo que reduce la dispersión por longitud de onda en la fibra óptica.. . 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)[8], [18]. Desventajas . Una baja potencia a consecuencia de las bandas de energía ocupadas por los electrones.. . Una alta sensibilidad a los cambios de temperatura.. . Alto calentamiento al pasar corriente sobre el material diodo.. . Poca colimación en el haz obtenido.. . El láser es 10 veces más caro que el LED..

(33) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. . 22. Por su cualidad de operar a alta potencia, su duración de vida es mucha más corta que la del LED.. . La operación del láser es más dependiente de la temperatura que la del LED.[8], [18]. A pesar de las desventajas, el láser de semiconductores es el segundo más vendido después del láser He-Ne por sus usos en computadoras, impresoras, medios de comunicación, tratamientos médicos, etc. [9] 1.6.2.1 Tipos de diodos láser Existen dos tipos de estructuras para diodos láser: el Fabry-Perot y el de Retroalimentación Distribuida. De estos dos tipos de láser, el Fabry-Perot es el más económico, pero generalmente son más sensibles al ruido y de baja velocidad. Los de Retroalimentación Distribuida (DFB) tienen anchos espectrales más angostos, y son usualmente más rápidos.[2] El diodo láser Fabry Perot está constituido por dos espejos en los extremos de la guía, constituyéndose en una cavidad resonante en donde la luz es reflejada y vuelta a reflejar entre los dos espejos a ambos lados del semiconductor. La salida de un láser Fabry-Perot tiene una línea espectral dominante en la longitud de onda deseada y líneas separadas alrededor de 1 nm que tienen menor amplitud. A medida que el láser es modulado los modos secundarios son modulados junto con el modo dominante. El ancho total a la mitad del máximo del láser, cuando es modulado, es de aproximadamente 4 o 5 nm. Presenta algo de inestabilidad en la potencia de salida y se utiliza para la transmisión de datos en el retorno.[2] En el Láser de Retroalimentación Distribuida (DFB) como su nombre lo indica, la realimentación se hace de una manera continua a lo largo de toda una determinada zona del láser, esta zona es toda la longitud que abarca la región activa de los mismos. La manera de conseguir la realimentación no consiste ya en los espejos que formaban la cavidad del FabryPerot. La forma de conseguirlo ahora es mediante una red de difracción dispuesta a lo largo de la estructura del dispositivo. La longitud de onda de la red determina la longitud de onda emitida por el láser, en una línea muy fina del espectro. Ofrecen el más alto nivel de desempeño, también su costo es más elevado. Son casi monocromáticos. Los láseres DFB tienden a ser usados para aplicaciones digitales de alta velocidad así también para aplicaciones analógicas por su gran velocidad, bajo ruido y superior linealidad. Ofrecen también baja corriente de umbral, mayor eficiencia de envolvente y mucha mayor estabilidad ante la temperatura.[2], [4].

(34) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. 23. Por otro lado, tenemos el láser de emisión de cavidad vertical (VCSEL). El funcionamiento de los VCSEL se asemeja al de los ELED. La parte principal del VCSEL es una región de ganancia bombeada eléctricamente, también llamada región activa, la cual emite luz. Capas de materiales semiconductores variantes están sobre y abajo de la región de ganancia, creando así espejos, lo que produce que la luz resuene perpendicular a la juntura en un estrecho rango de longitudes de onda y emerja a través de un área circular en la superficie causando emisión de luz a una sola longitud de onda.[2] Los VCSEL tienen algunas ventajas: su pequeño tamaño y sus espejos de alta eficiencia que producen una baja corriente de umbral, abajo de 1mA, a la cual se presenta el efecto láser, consume poca potencia y tiene mayor tiempo de vida útil. La función de transferencia permite estabilidad sobre un amplio rango de temperaturas, algo que es único en un diodo láser. Se usa comúnmente con la fibra multimodo.[18] 1.7. Conclusiones parciales. En este capítulo se profundizó en cuestiones relacionadas con los transmisores ópticos y en las fuentes de luz más comúnmente utilizadas en los sistemas de comunicación por fibra óptica, haciendo énfasis en diferentes tipos existentes y sus principales características. Conociendo de estos que: . El transmisor óptico de un sistema de comunicación por fibra óptica está compuesto por un modulador y una fuente de luz asociada con un circuito driver.. . Las fuentes ópticas son componentes activos en un sistema de comunicaciones por fibra óptica, cuya función es convertir la energía eléctrica en energía óptica de manera eficiente, de modo que permita que la salida de luz sea efectivamente inyectada o acoplada dentro de la fibra óptica.. . Hay fundamentalmente dos tipos de fuentes ópticas: LED y Láser.. . Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones y entre ellos existen fotones con mayores dispersiones en cuanto a las longitudes de onda. . Presentan bajo consumo de energía, un mayor tiempo de vida, tamaño reducido, resistencia a las vibraciones y reducida emisión de calor.. . La radiación que se obtiene de un LED tiene una coherencia muy reducida o casi nula..

(35) CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO REFERENCIAL. . 24. No son afectados por el ruido de las líneas eléctricas, son especiales para utilizarse con sistemas fotovoltaicos (paneles solares) en comparación con cualquier otra tecnología actual; no les afecta el encendido intermitente y esto no reduce su vida promedio, son especiales para sistemas antiexplosión ya que cuentan con un material resistente, y en la mayoría de los colores (a excepción de los ledes azules), cuentan con un alto nivel de fiabilidad y duración.. . Las estructuras de LEDs mas empleadas son el LED de borde emisor (ELED), el LED de superficie emisora (SLED), el LED superradiante (SLD) y el LED de cavidad resonante (RCLED)..  Por otro lado concluimos que los semiconductores laser son muy eficientes, económicos y tienen tiempos medios de vida muy largos.  Permiten la modulación directa y externa de la radiación emitida, pudiéndose modular décimas de Gigahercio. . Consiguen realizar un guiado de la luz preferencial a una sola dirección y los fotones emitidos por el poseen longitudes de onda muy cercanas entre sí.. . Su volumen y peso son pequeños.. . El umbral de corriente que necesitan para funcionar es relativamente bajo y su consumo de energía es reducido (comparado con otras fuentes de luz).. . El ancho de banda de su espectro de emisión puede llegar a ser de sólo algunos kHz.. . Presentan alta sensibilidad a los cambios de temperatura y alto calentamiento al pasar corriente sobre el material diodo.. . Sus dos tipos de estructuras más empleadas son el láser Fabry-Perot y el de retroalimentación distribuida..

(36) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN PARA EJEMPLIFICAR CARATERÍSTICAS DE LOS TRANSMISORES ÓPTICOS.. 25. CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN PARA EJEMPLIFICAR CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSMISORES ÓPTICOS.. En el presente capítulo se brinda información acerca de la herramienta de simulación de Optiwave OptiSystem 7.0 con la que se trabajará durante este trabajo de diploma y se explicará detalladamente su funcionamiento con el objetivo de proponer escenarios de simulación para ejemplificar características de los transmisores ópticos y comprender mejor su funcionamiento. 2.1. Introducción al OptiSystem. El software de simulación OptiSystem de Optiwave permite la simulación de sistemas de comunicaciones por fibra óptica a nivel de capa física, incorporando una amplia librería de componentes (transmisores, fibras, receptores, amplificadores ópticos, etc.). Incluye igualmente instrumentos virtuales, como osciloscopios, analizadores de espectros ópticos y eléctricos, o diagramas de ojo; aunque su principal instrumento virtual es un estimador de la tasa de error de bit (BER), parámetro de calidad básico en los sistemas de transmisión digital. [19] OptiSystem es un software de simulación de sistemas ópticos, posee una interface gráfica con una librería que supera los 300 componentes, con la posibilidad de personalizarlo, con herramientas de visualización y post-procesamiento, para un ambiente interactivo. Las características más representativas del software son: [10]  Diseño y Simulación de Sistemas Ópticos de nueva generación.  Herramientas de análisis como: . Diagramas de constelaciones.

(37) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN PARA EJEMPLIFICAR CARATERÍSTICAS DE LOS TRANSMISORES ÓPTICOS.. . Diagramas de Ojo. . BER (Bit Error Rate). . Factor Q, etc.. 26.  Simulación de Fenómenos como: . Modulación Auto-fase. . Modulación cruzada de fase. . Mezcla de 4 longitudes de onda [10]. El software tiene licencia y su versión de evaluación es de fácil descarga e instalación, por lo que permite simulaciones por un período de evaluación de 30 días.[10] 2.1.1. Interfaz gráfica. El simulador posee una interfaz gráfica GUI, para ingresar al mismo, se debe dar doble clic sobre el ícono creado en el escritorio, después del proceso de instalación, o a su vez buscando en el menú inicio en todos los programas. En la Figura 2.3, se puede apreciar la interfaz gráfica con un barra de herramientas y columna de componentes de librería.[10]. Figura 2.1. Interfaz gráfica de OptiSystem. Dentro del entorno gráfico, se puede apreciar las siguientes secciones:[10]  Barra de Menú. En esta barra se encuentra el menú de archivo, vista, herramientas, ayuda entre otras..

(38) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN PARA EJEMPLIFICAR CARATERÍSTICAS DE LOS TRANSMISORES ÓPTICOS.. . 27. Barra de Herramientas. Se despliegan botones en los cuales se puede citar nuevo, abrir, pegar cortar, paso anterior, siguiente, tamaño de la hoja de trabajos, herramientas de dibujo de movimientos de elementos, entre otras. Cabe mencionar que se encuentra una barra de herramientas horizontal superior y vertical lateral derecha.. . Librería de Componentes. En esta barra se encuentra todos los elementos que compone la librería de componentes, como transmisores, receptores, amplificadores, fibras, filtros, elementos pasivos, instrumentos de medida, entre otros.. . Editor del esquema (Layout). Es el espacio dentro de la interfaz, designada para colocar los diferentes componentes que intervendrán en la simulación. Adicionalmente dentro de esta barra, pueden existir divisiones adicionales, en las que se puede las opciones de navegador del proyecto y descripción.[10]. Para crear un proyecto nuevo, se debe ir a la barra de menú, a la opción archivo (File) y seleccionar en el menú desplegado, la opción Nuevo (New), o a su vez en la barra de herramientas, pulsar el botón con la misma descripción anterior. En la Figura 2.2, se muestran la opción de creación de un nuevo proyecto usando el menú de la barra de herramientas y en la figura 2.3, se puede apreciar el método de creación de un nuevo proyecto utilizando el botón en la barra de herramientas.. Figura 2.2. Creación de nuevo proyecto mediante el uso del menú de opciones..

(39) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN PARA EJEMPLIFICAR CARATERÍSTICAS DE LOS TRANSMISORES ÓPTICOS.. 28. Figura 2.3. Creación de nuevo proyecto utilizando el botón “New”. Para realizar el diseño y la simulación dentro del nuevo proyecto, se requiere desplazarse hacia la barra de librería de componentes y seleccionar aquellos componentes necesarios para el proyecto. [10] Para acceder a dichos componentes, se debe situar sobre la carpeta default, esta contiene de forma distribuida y ordenada por carpetas, grupos de componentes. [10] En la figura 2.4, se puede apreciar una muestra de las carpetas con grupos de componentes.. Figura 2.4. Agrupación de elementos por carpetas en OptiSystem Una vez situado en la carpeta sonde se encuentran los componentes requeridos, presionando el botón izquierdo del ratón, proceda a seleccionar un componente y arrastrarlo hacia el editor del esquema, una vez situado sobre la posición correcta, suelte el botón, y el componente quedará dentro del esquema, repita este proceso con los siguientes componentes..

(40) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN PARA EJEMPLIFICAR CARATERÍSTICAS DE LOS TRANSMISORES ÓPTICOS.. 29. En la Figura 2.5, se observa la disposición de componentes dentro del editor de esquema. A partir de este conjunto de componentes se conformarán las diferentes etapas dentro de la simulación de la red.. Figura 2.5. Componentes sin conectar dentro del editor de esquema. Para establecer conexiones entre componentes, existen tres formas que ofrece el software:[19] (a) Personalizada.-Permite seleccionar la conexión entre puertos de los componentes seleccionados, también conocida como conexión manual, se sitúa con el mouse sobre el puerto de un componente, manteniendo presionado el botón izquierdo y desplazándolo hacia el puerto de destino. (b) Autoconnect on drop.-Permite establecer una conexión automática cuando se arrastra un elemento hacia el editor de esquema, y al acercarlo a otro elemento que ya se encuentra en el editor. [19] (c) Autoconnect on move.-Al igual que el literal b, permite una conexión automática entre elementos, con la diferencia que la conexión se establece al mover elementos que ya se encuentra en el editor de Esquema. [19].

(41) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN PARA EJEMPLIFICAR CARATERÍSTICAS DE LOS TRANSMISORES ÓPTICOS.. 2.1.2. 30. Modificar los parámetros globales de una simulación. Establecida las diferentes conexiones entre los elementos, es posible modificar los parámetros iniciales de cada elemento, esto se consigue dando doble clic sobre el elemento, y en la ventana de configuración se pueden realizar los cambios necesarios. [10], [19] La gran mayoría de parámetros que debe modificarse al simular son los propios de cada componente: eficiencia de un láser, responsividad de un fotodiodo PIN, longitud de la fibra óptica, etc. Sin embargo, existen un parámetros “globales” que definen cómo se realiza la simulación, y que deben ajustarse correctamente para que los resultados obtenidos sean válidos.[19] Para que la simulación sea correcta, debe fijarse una “ventana de simulación” adecuada, es decir, una banda frecuencial alrededor de la portadora óptica suficientemente grande como para que todas las señales (y ruidos) presentes en el sistema estén contenidos en ella. Si la elección de parámetros es errónea, la precisión de los resultados queda comprometida. Debido a que el simulador trabaja fundamentalmente con señales y modelos en el dominio del tiempo, éste debe muestrear la señal para poder representarla y procesarla. [19] La frecuencia a la que se realiza este muestreo de la señal tiene por tanto una influencia decisiva en el contenido frecuencial permitido, y por tanto en la ventana de simulación. La anchura de esta ventana se define indirectamente fijando uno o varios de los siguientes parámetros globales de simulación: . La tasa de bit (bit rate) o régimen binario, en bits por segundo (bps). Por defecto vale 2,5 Gbps.. . La frecuencia de muestreo (en Hertzios).. . La ventana temporal (Time Windows), que es el intervalo temporal que dura la simulación.. . El número de bits transmitidos (Sequence Length).. . El número de muestras por bit (Samples per bit).. . El número total de muestras (Number of samples).. Estos parámetros se modifican con la ventana de Global Parameters a la que se accede haciendo doble clic sobre el fondo del layout sobre el que se dibuja el sistema; o bien a través del menú Layout->Parameters. La figura 2.6 muestra esta ventana..

(42) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN PARA EJEMPLIFICAR CARATERÍSTICAS DE LOS TRANSMISORES ÓPTICOS.. 31. Figura. 2.6. Ventana de parámetros globales. 2.1.3 Modificar los parámetros de un componente Haciendo doble click sobre el icono de un componente es posible acceder a sus parámetros internos. Estos dependerán del tipo de componente. Por ejemplo, para un láser, se puede especificar la potencia media, la longitud de onda de emisión, la anchura espectral, la relación de extinción, etc. Para una fibra óptica, su constante de atenuación, su parámetro de dispersión, etc.[10], [19] Es posible que algún parámetro aparezca de color gris y no se pueda modificar: esto significa que su valor depende de otros parámetros, típicamente, un parámetro global como el régimen binario, y no se posible modificarlo arbitrariamente como aparece en la Figura 2.7.[10], [19].

(43) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN PARA EJEMPLIFICAR CARATERÍSTICAS DE LOS TRANSMISORES ÓPTICOS.. 32. Figura 2.7. Ventana de configuración de elementos en OptiSystem 2.1.4. Construir un sistema. Sobre el Layout vacío, se irán colocando los diferentes componentes que forman el sistema, además de los instrumentos virtuales. Los componentes están disponibles en la ventana de librerías de componentes (Component Library) de la izquierda, dentro de la carpeta Default. Los iconos que representan los componentes se deben arrastrar con el ratón y soltar sobre el área del Layout. Los instrumentos virtuales se encuentran en la carpeta de Visualizers Library.[19] La unión de los componentes entre sí se realiza mediante “cables”, pinchando sobre una entrada o salida de un componente, se arrastrará el ratón hasta la entrada/salida con la que se quiere unir. El camino concreto que sigue un cable es elegido por el propio simulador. Los componentes, una vez colocados, pueden moverse fácilmente sobre el Layout, ajustándose automáticamente el cableado. Tanto los componentes como los cables pueden borrarse con la tecla Supr.[19] A la hora de unir los componentes, debe prestarse atención a que el tipo de entrada o salida del componente sea correcta. El simulador dispone de tres tipos de señales:.

(44) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN PARA EJEMPLIFICAR CARATERÍSTICAS DE LOS TRANSMISORES ÓPTICOS.. . 33. Binaria: es una secuencia de unos y ceros “abstractos”, sin amplitud, ni forma de onda, ni ruido, etc. Representa típicamente la señal a transmitir.. . Eléctrica: es una señal en el dominio eléctrico, con su forma de onda, amplitud, ruido, etc.. . Óptica: es una señal en el dominio óptico, alrededor de una portadora generada por una fuente de luz.[19]. Fig. 2.8. Ventana de Layout con un sistema sencillo No es posible interconectar señales de diferente tipo entre sí, sino que el correspondiente componente debe realizar la “traslación”. Por ejemplo, un modulador NRZ traduce una señal binaria en otra eléctrica; un láser traduce la señal eléctrica en una óptica, y un fotodiodo realiza el proceso contrario, etc. La figura número 2.8 muestra un ejemplo de sistema sencillo: incluye, de izquierda a derecha, una fuente de bits, un modulador de canal NRZ, una fuente tipo LED y un analizador de espectros ópticos para observar el espectro de la fuente.[10].

(45) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN PARA EJEMPLIFICAR CARATERÍSTICAS DE LOS TRANSMISORES ÓPTICOS.. 2.1.5. 34. Simulación del sistema. Realizadas todas las configuraciones necesarias y establecidas las conexiones entre elementos, se procede a ejecutar la simulación, dentro del menú de herramientas, está disponible el botón Calculate, así también dentro de la opción archivo, se despliega un menú en el cual se encuentra la opción Calculate. En la figura 2.9 se observa las opciones que permiten ejecutar la simulación.[10]. (a). (b). Figura 2.9. Opciones y botones para inicio de la simulación.. Al seleccionar cualquiera de las opciones para correr la simulación, aparece una ventana en la cual se hace un recuento y cálculos de los elementos que interviene dentro de la simulación. En la figura 2.10, se puede apreciar, la ventana que ejecuta la simulación con sus respectivos botones y opciones de simulación. [10].

(46) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN PARA EJEMPLIFICAR CARATERÍSTICAS DE LOS TRANSMISORES ÓPTICOS.. 35. Figura 2.10. Ventana de ejecución de simulación.. Los botones disponibles permiten: Iniciar la simulación Pararla en cualquier momento Cerrar la ventana 2.1.6. Librería de instrumentos virtuales. Se enumeran y comentan brevemente los instrumentos (Visualizers) más comunes:. - Medidor de potencia óptica (Power Meter Visualizer): Muestra la potencia óptica media (tanto en dBm como en Watios) de la señal en su entrada.[19]. -. Analizador de espectros ópticos (Optical Spectrum Analyzer):. Muestra el espectro de la señal óptica aplicada a su entrada, en términos de longitud de onda o de frecuencia óptica.[19].