APD. La avalancha multiplica también el ruido: se mide con la figura de ruido.
Diseño de enlaces
Su tema llega en la siguiente fase.
APD. La sensibilidad del receptor marca la potencia mínima en el diseño del enlace.
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Modo repaso
Para las dos partes del examen: preguntas de desarrollo en tarjetas, preguntas tipo test corregidas al momento y un simulacro con las dos cosas.
Para resolver
Tarjetas de repaso
Estructura de la fibra y propagación
¿De qué material se fabrican las fibras monomodo y cómo se consigue que el núcleo tenga más índice que el recubrimiento?
De sílice (óxido de silicio) ultrapura. El núcleo se dopa con óxido de germanio (GeO₂), que le sube el índice de refracción. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Estructura de la fibra y propagación
¿Por qué hay que construir las fibras monomodo con al menos dos capas?
Para que la luz no dependa de la superficie exterior del vidrio: si se guiara en esa superficie, cualquier alteración o partícula pegada a ella haría que se fugara luz. Con el recubrimiento, la reflexión total se produce en la frontera núcleo-recubrimiento, dentro del vidrio. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Estructura de la fibra y propagación
¿Qué función desempeña la capa externa acrílica de una fibra óptica?
Aísla la fibra del polvo y la humedad y le da estabilidad mecánica frente a flexiones. No interviene en el guiado de la luz. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Estructura de la fibra y propagación
¿En qué mecanismo óptico se basa una pantalla táctil?
En la reflexión interna total frustrada: el dedo, al tocar, rompe la reflexión total en ese punto y la luz escapa por ahí. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Estructura de la fibra y propagación
¿Se puede poner una fibra óptica de comunicaciones en una torre de alta tensión?
Sí, porque a la fibra no le afectan las interferencias electromagnéticas. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Estructura de la fibra y propagación
Describe de forma cualitativa los modos de propagación de la luz en una fibra monomodo.
La fibra es una guía de onda de sección circular; en la monomodo solo se propaga un modo. Los modos son híbridos (mezcla de componentes longitudinales y transversales) y se describen con funciones de Bessel, parecidas a un seno amortiguado pero no periódicas. El modo fundamental es el único por debajo del primer cero de la función de Bessel. Como la diferencia de índices es pequeña, se aproximan por modos linealmente polarizados (LP). La potencia del modo a la salida es casi gaussiana, aunque por las irregularidades se ven motas. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Estructura de la fibra y propagación
El ángulo crítico crece cuando: a) aumenta n del núcleo; b) disminuye n del núcleo; c) aumenta n del recubrimiento; d) disminuye n del recubrimiento.
a), según los apuntes, pensando en el ángulo respecto al eje de la fibra: con más índice en el núcleo, la luz se guía con más inclinación. Si el ángulo se mide desde la normal, θc=arcsin(n2/n1) baja al subir n1, así que conviene decir en el examen desde dónde se mide. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Estructura de la fibra y propagación
¿La velocidad de la luz en un medio de mayor índice de refracción es mayor o menor?
Menor: v=c/n. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Estructura de la fibra y propagación · ¿sabrías explicarlo?
La fibra es de sílice (SiO₂) ultrapura. El núcleo se dopa con óxido de germanio (GeO₂) para que su índice sea algo mayor que el del recubrimiento
Estructura de la fibra y propagación · ¿sabrías explicarlo?
Tres capas: núcleo (n ≈ 1,45, ≈ 8 µm en monomodo), recubrimiento (≈ 125 µm) y revestimiento acrílico (hasta ≈ 400 µm), que protege del polvo, la humedad y las flexiones
Estructura de la fibra y propagación · ¿sabrías explicarlo?
Monomodo: un solo modo (el fundamental), sin dispersión modal. Multimodo de salto de índice o de índice gradual (parábola), que compensa la dispersión modal
¿Cuál es la atenuación máxima que puede tener una fibra óptica monomodo moderna?
≈ 0,2 dB/km: pierde la mitad de la potencia (3 dB) cada ≈ 15 km. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Atenuación
¿Qué es el esparcimiento Rayleigh y por qué limita la atenuación mínima de una fibra?
Es el esparcimiento de la luz al chocar con estructuras de tamaño parecido a su λ: en la fibra, las moléculas de la red amorfa de óxido de silicio. Es proporcional a 1/λ4, así que pesa mucho en λ cortas. Lo produce el propio vidrio, por lo que no se puede eliminar: es el límite físico de la atenuación. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Atenuación
Explica las causas de atenuación en una fibra óptica.
- Intrínsecas (fabricación o contaminación de la fibra): esparcimiento Rayleigh de las moléculas del SiO₂ (∝1/λ4, límite físico); absorción del agua (OH⁻, pico en 1383 nm; se elimina con cloro y las G.652.C/D casi no lo tienen) y de metales del proceso de purificación y de los contenedores. - Extrínsecas: macrocurvaturas (instalación) y microcurvaturas (fabricación). La luz deja de cumplir la condición de ángulo crítico y se escapa. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Atenuación
¿Qué son las ventanas de transmisión y por qué se usan esas λ?
Son las zonas de λ donde la fibra pierde poco. La 1.ª, 850 nm, es histórica y atenúa mucho (corta distancia). La 2.ª, 1310–1360 nm, es la de mínima dispersión. La 3.ª, 1550 nm, es la de mínima atenuación. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Atenuación
Una fibra de 50 km pierde 0,2 dB/km. ¿Qué fracción de la potencia llega al final?
0,2⋅50=10 dB, es decir, un factor 10−10/10=0,1: llega la décima parte (sin contar empalmes ni conectores). (Cálculo propio: no aparece en el material.)
Atenuación · ¿sabrías explicarlo?
Atenuación: pérdida de potencia con la distancia, porque la luz se absorbe o se esparce (scattering). Se mide en dB/km
Esparcimiento Rayleigh: la luz choca con estructuras del tamaño de su λ (las moléculas del SiO₂ amorfo). Va con 1/λ⁴ y es el límite físico: no se puede eliminar
Absorción por contaminantes: el agua (OH⁻, pico en 1383 nm; el cloro la elimina al fabricar y las G.652.C/D casi no tienen pico) y los metales del proceso de purificación y de los contenedores
Pérdidas extrínsecas por curvatura: macrocurvaturas (instalación) y microcurvaturas (fabricación). La luz deja de cumplir la condición de ángulo crítico y se escapa
Dime todos los tipos posibles de dispersión cromática y cómo pueden minimizarse o utilizarse para modificar las propiedades de la fibra.
La dispersión cromática viene de que n=n(λ): la velocidad de grupo depende de la λ. - Dispersión material: depende de los dopantes y del vidrio de SiO₂. - Dispersión de guía de onda: depende de la geometría del núcleo. Cambiándola (dopado e índice del núcleo) se desplaza el mínimo de dispersión de 1310 a 1550 nm: fibra de dispersión desplazada. Para minimizarla se actúa sobre los tres factores de Δτ=D⋅L⋅Δλ: el coeficiente D (tipo de fibra), la longitud del enlace y la anchura espectral de la fuente (láseres monomodo). También se puede compensar con fibra compensadora o redes de Bragg. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Dispersión
¿Qué diferencia hay entre velocidad de fase y velocidad de grupo? ¿A cuál afecta la dispersión?
La de fase es la de una onda plana monocromática: puede superar c sin violar la relatividad porque no se puede modular. La de grupo es la de la envolvente, es decir, la de la modulación, que lleva la información. La dispersión afecta a la velocidad de grupo. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Dispersión
¿Qué es una fibra de dispersión desplazada y por qué no se lleva la dispersión a cero en sistemas WDM?
Es una fibra en la que, cambiando el dopado y el índice del núcleo, el mínimo de dispersión se mueve de 1310–1360 nm a 1550 nm, donde está el mínimo de atenuación. Con D = 0 los canales WDM van en fase y aparece la mezcla de cuatro ondas, que mete interferencias entre canales; por eso se usa dispersión desplazada no nula. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Dispersión
¿Cómo se puede compensar la dispersión?
Con fibra compensadora de dispersión (núcleo más estrecho; pierde mucha potencia y necesita amplificador), con redes de Bragg (filtro que estrecha los pulsos variando n de forma periódica) o con regeneración optoelectrónica (pasar a electrónica, rehacer el pulso y reinyectarlo), que es muy lenta. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Dispersión
Un láser Fabry-Pérot (Δλ ≈ 4 nm) transmite por 10 km de fibra con D = 17 ps/(nm·km). ¿Cuánto se ensancha el pulso?
Δτ=17⋅10⋅4=680 ps. A 1 Gbit/s (bit de 1 ns) los pulsos ya empiezan a pisarse; con un DFB (≈ 0,1 nm) serían solo 17 ps. (Cálculo propio: no aparece en el material.)
Dispersión · ¿sabrías explicarlo?
Dispersión: el índice de refracción depende de la λ, n(λ). Los colores de un pulso no llegan a la vez y el pulso se ensancha
La velocidad de fase (ondas planas monocromáticas) puede superar c sin violar la relatividad, porque no se puede modular. La dispersión afecta a la velocidad de grupo, la de la modulación
El ensanchamiento depende del coeficiente de dispersión D, de la longitud L y de la anchura espectral Δλ: Δτ = D·L·Δλ. Cuanto mayores los tres, peor; de ahí los láseres monomodo
Dispersión material (del vidrio y sus dopantes) + de guía de onda (de la geometría del núcleo) = dispersión cromática. La de modo polarizado (PMD) es muy baja
Fibra de dispersión desplazada: cambiando el dopado y el índice del núcleo, el mínimo de dispersión pasa de 1310 a 1550 nm, donde está el mínimo de atenuación
Compensación: fibra compensadora de dispersión (núcleo más estrecho; pierde potencia y necesita amplificador) y redes de Bragg. La regeneración optoelectrónica es muy lenta
Descríbeme el fenómeno de la mezcla de cuatro ondas. ¿Cómo influye en las comunicaciones ópticas y cómo se minimiza la degradación que introduce?
Es un fenómeno no lineal: se debe a que el índice depende de la intensidad del láser a potencias altas (del orden de 1 W). Influye en los sistemas DWDM, donde los canales están muy próximos (pocos nm) y, además, en fase: dos señales se mezclan y dan señales en la suma y la resta de sus frecuencias, que pueden coincidir con otros canales y destruir las señales. Se minimiza reduciendo la potencia todo lo posible y no dejando D = 0: con algo de dispersión entre canales próximos dejan de ir en fase. Por eso la fibra de dispersión desplazada se hace sin dispersión nula, con una dispersión baja que no destruya la multiplexación. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Efectos no lineales
Explica lo que es el esparcimiento inelástico y cuáles son sus aplicaciones.
El esparcimiento es un proceso en el que la luz sufre múltiples colisiones con la estructura molecular del medio; no es absorción. Las moléculas de SiO₂ están vibrando: si la molécula está comprimida, le da energía a la luz (línea anti-Stokes, f ↑); si está descomprimida, gana energía y la luz la pierde (línea Stokes, f ↓). En el elástico (Rayleigh) la frecuencia no cambia. - Brillouin: la energía se intercambia con vibraciones de sonido (fonones acústicos), a GHz. Se usa en demoduladores y filtros. - Raman: con la vibración de las moléculas (fonones ópticos), a THz. Estimulado, se usa para amplificación óptica. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Efectos no lineales
¿Por qué en la fibra aparecen efectos no lineales con potencias que no parecen tan grandes?
Porque lo que cuenta es la intensidad (potencia por área), y el núcleo de una monomodo es tan estrecho (≈ 8 µm) que la intensidad es muy alta. Con potencias del orden de 1 W el índice ya depende de la intensidad. (Respuesta redactada a partir de los apuntes y del PDF de clase.)
Efectos no lineales · ¿sabrías explicarlo?
A potencias altas (del orden de 1 W) el índice depende también de la intensidad: n(λ, I). Dos fotones se juntan y excitan la molécula de SiO₂: se absorben dos fotones en lugar de uno
Mezcla de cuatro ondas (FWM): canales muy próximos (pocos nm, DWDM) y en fase se mezclan; las sumas y restas de sus frecuencias caen sobre otros canales y pueden destruir las señales
Raman: vibración de las moléculas (fonones ópticos, THz); estimulado sirve para amplificar. Brillouin: sonido en el vidrio (fonones acústicos, GHz); se usa en filtros y demoduladores
¿Qué es una preforma y qué métodos hay para fabricarla?
Es un cilindro de vidrio cuya sección es la de la fibra ampliada a escala. Hoy se fabrica por deposición en fase vapor: OVD (los vapores se depositan sobre el exterior de una varilla que gira), IVD (en el interior de un tubo de cuarzo que gira: MCVD con quemador y PCVD con plasma de microondas) y VAD (la varilla crece en dirección axial). Los dopantes entran como cloruros que, con oxígeno, se convierten en óxidos; la preforma se lava con cloro para eliminar el agua. (Respuesta redactada a partir de las diapositivas T13.)
Fabricación y cableado
¿Cómo se estira la fibra a partir de la preforma?
La preforma se coloca en vertical y su extremo inferior se calienta hasta ≈ 2000 °C. La velocidad de estirado se ajusta para que el diámetro quede dentro de tolerancias; justo después se aplica el recubrimiento y la fibra se bobina en un tambor. (Respuesta redactada a partir de las diapositivas T13.)
Fabricación y cableado
¿Por qué se usa el cableado holgado y qué elementos tiene un cable de fibra?
Las fibras van sueltas en tubos, formando una ligera sinusoide (sobrelongitud), para que los esfuerzos del cable no lleguen a la fibra. Un cable lleva un elemento resistente central, tubos holgados con compuesto antihumedad, protección de aramida (aéreo) o acero corrugado (enterrado) y cubiertas de polietileno. (Respuesta redactada a partir de las diapositivas T13.)
Fabricación y cableado
¿Qué mide un OTDR y en qué se basa?
Representa la potencia retrodispersada frente a la distancia. Se basa en el esparcimiento Rayleigh (la luz que vuelve a lo largo de la fibra, que da la pendiente) y en las reflexiones de Fresnel en las discontinuidades. Permite medir la atenuación (dB/km) y las pérdidas de empalmes y conectores, y localizar roturas y el fin de la fibra, con d=v⋅t/2. (Respuesta redactada a partir de las diapositivas T13.)
Fabricación y cableado · ¿sabrías explicarlo?
Preforma: un cilindro de vidrio cuya sección es la de la fibra ampliada a escala. Hoy se hace por deposición en fase vapor: OVD (por fuera de una varilla), IVD (dentro de un tubo: MCVD y PCVD) y VAD (crecimiento axial)
Cableado holgado: las fibras van sueltas en tubos con gel antihumedad, formando una ligera sinusoide (sobrelongitud), con elemento resistente central y cubierta de polietileno
OTDR: mide la luz retrodispersada (Rayleigh) y las reflexiones de Fresnel. Da los dB/km, las pérdidas de empalmes y conectores, roturas y el fin de la fibra; la distancia sale de d = v·t/2
¿Qué tipo de luminiscencia se usa en las fuentes de comunicaciones ópticas y qué ventajas tiene frente a otros emisores de luz?
La electroluminiscencia: conversión directa de una señal eléctrica en luz. Toda la electrónica de comunicaciones es eléctrica, y así se aprovechan a la vez las ventajas de la señal eléctrica y de la óptica. Se consigue con diodos de semiconductor (LED y láseres), que son: - Muy rápidos: retardo mínimo frente a la señal electrónica. - Muy pequeños: del orden del núcleo de una fibra monomodo. - De poca potencia, pero con muy bajo consumo. - Baratos hoy en día. Las fuentes térmicas necesitan mucha energía, tardan mucho en la conversión y no dan luz coherente. Las otras luminiscencias (quimioluminiscencia, bioluminiscencia…) se modulan muy despacio. > ⚠ Revisar. El LED tampoco da luz coherente (su emisión es espontánea); la luz coherente es propia del láser.
LED
¿Cuáles son los mecanismos de emisión de luz en un LED, qué materiales se usan en los LED de comunicaciones y cuál es su rendimiento aproximado?
Mecanismo. Un LED es un diodo semiconductor en polarización directa. La corriente inyecta electrones de la zona n en la p; cuando un electrón de la banda de conducción se recombina con un hueco de la banda de valencia, suelta un fotón con la energía del gap (λ=hc/Eg). Materiales. Solo los de gap directo (GaAs sí; el silicio, de gap indirecto, no: su recombinación da calor). Se combinan elementos de los grupos III y V: más arriba en la tabla, más energía y luz más azul; más abajo, más infrarroja. Para el infrarrojo cercano se usa GaAs (1,42 eV → 0,87 µm, 1.ª ventana); para la 2.ª y la 3.ª ventana, InP como base. Rendimiento. Del orden de cientos de MHz: hoy en día, como mucho 1 Gbps en menos de 1 km, con fibras multimodo de índice gradual. Además, su responsividad es del orden de 0,01 W/A y solo se acopla a la fibra en torno al 1 % de la luz.
LED
Describe las características espectrales, espaciales y temporales de la luz emitida por un LED.
- Espectrales: no es monocromática; anchura de unos 50 nm, que crece con λ². Su uso queda restringido a sistemas sin multiplexación y a fibras multimodo. - Espaciales: emisión lambertiana (igual en todo el hemisferio), sin coherencia espacial. Para acoplarla hay que reducir la apertura numérica con lentes convergentes o pigtails; aun así entra en torno al 1 %. - Temporales: luz incoherente: cada fotón con su propia fase, porque cada electrón se desexcita en un instante distinto (emisión espontánea). Al final de la fibra se ve un disco de luz plano, sin información de fase, y con poca potencia domina el ruido shot.
LED
Tipos de estructuras LED, con sus ventajas e inconvenientes.
Estructura interna. - Homounión: un mismo material con distintos dopados. Sencilla. - Heterounión: capas de materiales distintos: más recombinación, más transparencia, mejor comportamiento térmico. Más eficiente, por eso se usa más. Por dónde sale la luz. - Emisión superficial (LED de Burrus): la luz sale perpendicular a la capa activa. Ventaja: más potencia. - Emisión lateral: la luz sale por el borde de la unión, guiada. Ventajas: acopla mejor a la fibra y se modula más deprisa. En comunicaciones se prefiere la lateral, porque la fibra es estrecha y lo que importa es acoplar bien la luz.
LED
Describe las principales variables que definen las características de un LED.
- Eficiencia cuántica: fracción de recombinaciones que dan fotón; el resto es calor. Baja con la temperatura. - Potencia óptica y responsividad (P/I): ≈ 0,01 W/A; baja con corrientes muy altas (más de 80 mA), fuera de la zona lineal de la curva P-I. - Anchura espectral: ≈ 50 nm, crece con λ². - Velocidad de modulación: limitada por la vida media de los portadores (2–5 ns): centenares de MHz. Potencia × ancho de banda es constante. Ser muy eficiente cuánticamente no significa serlo en luz útil: solo ≈ 1 % llega a la fibra.
LED
¿Por qué no se pueden fabricar LED de silicio?
Porque el silicio tiene gap indirecto: el mínimo de la banda de conducción y el máximo de la de valencia no están en el mismo momento del cristal, y la recombinación libera la energía como calor, no como un fotón. Hacen falta materiales de gap directo, como el GaAs. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
LED · ¿sabrías explicarlo?
Las fuentes de comunicaciones usan electroluminiscencia: corriente eléctrica convertida directamente en luz
Describe las características espectrales, espaciales y temporales de la luz emitida por un láser de semiconductor.
- Espectrales: muy monocromática, por debajo de 1 nm en un láser monomodo (unas 50 veces más que un LED). Sirve para sistemas multiplexados y fibras monomodo. - Espaciales: coherencia espacial: la emisión se concentra en un cono estrecho y se acopla a la fibra mucho mejor que la de un LED. Como la región activa es muy delgada, el haz diverge más que en otros láseres. - Temporales: luz coherente: todos los fotones en fase (solo la emisión estimulada la produce). Ante defectos del medio aparece el moteado (speckle). Al tener información de fase resiste mejor el ruido shot.
Láser
Explica el funcionamiento y las aplicaciones de los interferómetros (resonadores) Fabry-Pérot.
Un Fabry-Pérot es una cavidad resonante formada por dos espejos paralelos (dieléctricos, con reflectividades por encima del 99 %). Tiene dos usos: - Como interferómetro: la luz que se introduce interfiere consigo misma tras muchas reflexiones: funciona como analizador espectral. - Como resonador de un láser: rodeando el medio activo, se queda con las λ que resuenan (modos longitudinales) y hace la luz más coherente. Como deja pasar varios modos, para DWDM hacen falta láseres monomodo (DFB o DBR). ¿Por qué aumenta la coherencia? Con las múltiples reflexiones el recorrido efectivo se multiplica y solo sobreviven las interferencias constructivas: lo que está en fase. Variables que lo definen. El factor Q, que crece con la reflectividad, la calidad óptica (pulido) y el alineamiento de los espejos, y depende de la distancia entre ellos. Un Q alto implica una fineza alta. La fineza es el rango espectral libre (separación entre picos) dividido entre la anchura de cada pico a media altura. Interesa maximizar los dos.
Láser
¿Qué hace falta para construir un láser y qué es la inversión de población?
Tres piezas: un medio activo con ganancia, una fuente de energía (bombeo; en comunicaciones, corriente eléctrica) y un resonador (dos espejos) que realimente la luz. La inversión de población es tener más electrones en el nivel excitado que en el inferior, para que la emisión estimulada gane a la absorción. Exige al menos tres niveles de energía, con el intermedio metaestable (vida media larga) para que se acumulen electrones y se desexciten a la vez. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Láser
Dibuja la curva P-I de un láser y explica cómo le afecta la temperatura.
La potencia óptica es muy baja hasta la corriente umbral: ahí domina la emisión espontánea y el láser actúa como un LED. Por encima del umbral domina la emisión estimulada y la potencia sube deprisa, casi linealmente con la corriente. Al subir la temperatura, el umbral crece exponencialmente (más colisiones, más pérdidas como calor), la cavidad se dilata (λ mayor) y por encima de ≈ 50 °C la emisión se degrada. Por eso los láseres de comunicaciones se refrigeran con enfriadores Peltier. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Láser
¿Qué diferencia hay entre la emisión espontánea y la estimulada?
En la espontánea el electrón excitado baja cuando quiere y el fotón sale con fase y dirección al azar: luz incoherente (LED). En la estimulada un fotón provoca la bajada y el fotón nuevo es una copia exacta (misma energía, fase, polarización y dirección): luz coherente (láser). (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Láser · ¿sabrías explicarlo?
La emisión estimulada copia el fotón que la provoca (misma fase, λ, polarización y dirección): por eso el láser da luz coherente
El Fabry-Pérot deja pasar varios modos longitudinales (láser multimodo, ≈ 4 nm); su calidad la mide Q: más reflectividad, mejor pulido y mejor alineamiento dan más fineza
Tipos de modulación de un láser, con sus ventajas e inconvenientes.
Hay dos tipos básicos: - Directa: se varía la alimentación eléctrica del propio láser para construir la señal. - Externa: el láser trabaja en régimen continuo y un elemento óptico externo (modulador) varía la intensidad de la luz. Directa. Ventajas: barata, sin elementos ópticos adicionales. El láser no se apaga del todo: siempre trabaja por encima del umbral para evitar el jitter. Inconvenientes: retardo de la señal respecto al pulso eléctrico, estrés térmico (el láser dura menos) y ruidos, sobre todo chirp y algo de jitter. Llega a unos 1 Gbps. Externa. Ventajas: el láser no sufre gracias al régimen continuo, la velocidad de modulación es mucho mayor (unos 100 Gbps) y evita el chirp; por eso es la que se usa en la mayoría de los sistemas actuales. Inconveniente: hace falta un elemento externo costoso.
Láser monomodo, modulación y ruido
Tipos de ruido que puede sufrir un láser.
Las causas principales son externas: la temperatura (dilata la cavidad, mueve la λ y ensancha las líneas; sube el umbral) y las fluctuaciones de la corriente (grandes cambios de potencia). Los tipos de ruido: 1. Ruido térmico: la temperatura que fluctúa hace oscilar la λ y la potencia. 2. RIN (ruido de intensidad relativa): fluctuaciones de potencia por vibraciones en la cavidad o del medio activo; de −130 a −160 dB/Hz. 3. Ruido modal y salto de modos: interferencia entre modos próximos o reflexiones (se evitan con un aislador) y saltos de modo por cambios de temperatura. 4. Ruido shot: por la naturaleza fotónica de la luz; baja al subir la potencia. 5. Ruido de modulación: chirp (el índice cambia con la corriente y el espectro se ensancha; se evita con modulación externa) y jitter (retardo al encender; se evita polarizando por encima del umbral).
Láser monomodo, modulación y ruido
¿Por qué DWDM necesita láseres monomodo y cómo se consigue un solo modo?
Porque los canales DWDM están separados décimas de nm (100 GHz ≈ 0,8 nm): un láser Fabry-Pérot, con varios modos en unos 4 nm, ocuparía varios canales. Hay que quedarse con un único modo filtrando con redes de Bragg: en los DBR los espejos son redes de Bragg; en los DFB la red de Bragg va a lo largo de todo el medio activo (los más usados en DWDM). (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Láser monomodo, modulación y ruido
¿Qué es un pozo cuántico y para qué sirve en un láser?
Una capa muy fina (≈ 1 nm, del orden de la longitud de onda del electrón) entre semiconductores distintos. El electrón queda confinado como una onda estacionaria y su energía se cuantiza. Variando la anchura del pozo se ajusta el gap efectivo y, con él, la λ emitida con mucha precisión: más estrecho, más energía y λ más corta. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Láser monomodo, modulación y ruido
¿Por qué en comunicaciones ópticas un 0 no es «cero fotones»?
Porque en modulación directa el láser no se apaga del todo: se polariza siempre un poco por encima de la corriente umbral. Si se apagara, al volver a encenderlo tardaría en arrancar (tiempo de encendido) y aparecería jitter. El 0 es un nivel de potencia bajo pero por encima del umbral, y el bit es la diferencia entre ese nivel y el del 1. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Láser monomodo, modulación y ruido · ¿sabrías explicarlo?
DWDM separa los canales décimas de nm: hacen falta láseres monomodo (DFB, DBR) con la λ muy controlada
Láser monomodo, modulación y ruido · ¿sabrías explicarlo?
Modulación directa: barata, pero con retardo, chirp, jitter y estrés térmico. Externa: láser continuo + modulador, más cara, sin chirp y mucho más rápida
Características principales de los fotodetectores.
- Respuesta espectral: margen de λ que el fotodetector puede absorber; cada material llega hasta su λ de corte (hc/Eg). - Eficiencia cuántica: portadores generados por cada fotón incidente. - Ganancia: corriente de salida dividida entre la creada directamente por los fotones. - Corriente oscura: la que circula aun sin luz, por radiación y otras fluctuaciones; nunca es nula. - Tiempo de respuesta: del 10 % al 90 % de la corriente final tras absorber la luz. - Responsividad: amperios obtenidos por cada vatio óptico (A/W). - Sensibilidad: mínima potencia óptica con la que se obtiene señal eléctrica, para una tasa de bits (o de error) dada.
Fotodetectores
Tipos de fotodiodos.
- PN: unión PN en inversa. Zona de depleción fina: ya no se usa. - PIN: añade una zona intrínseca (semiconductor sin dopar) en la unión. Aumenta el volumen efectivo donde los fotones crean portadores: más corriente y menos amplificación. - APD (avalancha): una parte del fotodiodo se somete a cientos de voltios; los electrones acelerados chocan con el material y crean una cascada de electrones. Es un fotodiodo con amplificador de corriente incorporado, pero multiplica también el ruido.
Fotodetectores
Tipos de ruido de un fotodetector.
1. De oscuridad: el de la corriente oscura, que existe aun sin luz por factores externos (fluctuaciones térmicas, radiación). 2. De disparo (shot, poissoniano): por la naturaleza discreta de la luz; con pocos fotones la señal es más difícil de reconstruir. 3. Térmico (Johnson-Nyquist): por la temperatura elevada, que aumenta las colisiones; es gaussiano. Bajar la temperatura lo reduce, pero no necesariamente el de oscuridad. También están el de fondo (radiación ambiental) y el de amplificación. Se suelen tener en cuenta el de disparo y el térmico, sumados de forma cuadrática: RT2+RD2.
Fotodetectores
¿Por qué un fotodiodo de silicio no sirve para las ventanas de 1310 y 1550 nm?
Porque un fotón solo crea un par electrón-hueco si su energía supera el gap: el material detecta hasta su longitud de onda de corte, λc=hc/Eg. La del silicio está en torno a 1,1 µm, así que solo sirve en la 1.ª ventana (850 nm). Para 1310 y 1550 nm se usan materiales de gap menor, como el germanio o el InGaAs. (Respuesta redactada a partir de los apuntes y de T31.)
Fotodetectores
¿Qué compromiso hay entre la sensibilidad y el tiempo de respuesta de un fotodetector?
Se oponen: si una mejora, la otra empeora. Una zona de absorción más ancha (o la avalancha de un APD) da más electrones por fotón y más sensibilidad, pero los portadores tardan más en recorrerla y la respuesta es más lenta. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Fotodetectores · ¿sabrías explicarlo?
Un fotodiodo es un emisor «al revés»: polarizado en inversa, cada fotón con energía mayor que el gap crea un par electrón-hueco que se recoge como corriente
La absorción ocurre en la zona de depleción; el PIN la ensancha con una capa intrínseca, y el APD multiplica los electrones por avalancha con cientos de voltios
¿Qué es un dispositivo óptico pasivo? Pon ejemplos.
Un dispositivo que cambia las propiedades de la luz (intensidad, polarización, modo, dirección o λ) sin aporte de energía externa. Ejemplos: atenuadores, aisladores, polarizadores, redes de Bragg, acopladores. Un amplificador EDFA, en cambio, es activo. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Dispositivos ópticos pasivos
¿Para qué sirve un aislador óptico y en qué se basa?
Deja pasar la luz en un solo sentido, como un diodo. Se pone al principio y al final del enlace para que las reflexiones no vuelvan al láser y lo perturben. Se basa en la rotación de Faraday, que gira la polarización de la luz. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Dispositivos ópticos pasivos
¿Qué es una red de Bragg en fibra, cómo se fabrica y para qué sirve?
Un tramo de fibra cuyo índice de refracción del núcleo varía de forma periódica a lo largo del eje: solo refleja la λ que corresponde al periodo de la red, así que es un filtro muy selectivo. Se fabrica haciendo la fibra fotosensible (dopándola con hidrógeno) y grabando el perfil con láser ultravioleta. Apodizada elimina las líneas laterales; estirada (chirp) compensa la dispersión. Para recoger la luz reflejada hace falta un circulador. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Dispositivos ópticos pasivos
¿Cómo funciona un acoplador de acoplo evanescente?
Se pulen dos fibras hasta que sus núcleos casi se tocan. La onda evanescente que viaja por el revestimiento de una de ellas llega al núcleo de la otra y le pasa parte de la potencia; la distancia entre núcleos decide cuánta. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Red de Bragg en fibra: el índice del núcleo varía de forma periódica y refleja una única λ. Apodizada, elimina los lóbulos; estirada (chirp), compensa la dispersión
Tipos de amplificadores ópticos, con sus ventajas e inconvenientes. ¿Cuándo usarías cada uno?
Los tres son un medio activo sin resonador que clona los fotones de la señal por emisión estimulada. - SOA (semiconductor): se fabrica como un láser. Ventaja: barato y alimentado eléctricamente. Inconvenientes: amplifica poco, necesita recubrimiento antirreflejante, altera la polarización y solo sirve para una λ (hace falta uno por canal, estabilizado en temperatura). - EDFA (fibra dopada con erbio): ventajas: es una fibra (acoplamiento directo, sin reflexiones), no afecta a la polarización, amplifica mucho y todos los canales a la vez, y no es caro. Inconveniente: solo funciona en la banda de 1550 nm (≈ 50 nm). - Raman: efecto no lineal en una fibra normal con un bombeo muy potente. Ventaja: amplifica en todas las bandas y con la fibra ya instalada. Inconvenientes: mucha potencia, fluctuaciones térmicas, amplificación no homogénea. Cuándo: EDFA para enlaces DWDM en la ventana de 1550 nm (lo habitual); Raman cuando hay que amplificar otras bandas o más ancho; SOA para una sola λ, integrado con los láseres. (La última parte está redactada a partir de los apuntes.)
Amplificadores ópticos
¿Cómo funciona un EDFA y cómo se minimizan sus problemas?
Es un tramo de fibra dopada con iones de erbio en el que se inyectan la señal y un láser de bombeo. El bombeo excita los iones y la señal, al pasar, provoca su desexcitación por emisión estimulada: sale amplificada con las mismas propiedades. Funciona solo en la banda de 1550 nm (unos 50 nm), pero amplifica todos los canales DWDM de esa banda a la vez y sin cambiar la polarización. Su problema principal es el ruido ASE (emisión espontánea de los iones). Se minimiza trabajando en saturación de ganancia, que además iguala la salida de todas las señales; se ponen filtros antirreflejantes en los extremos para que no haga de láser, y amplificadores en ambos sentidos porque la amplificación no es simétrica. (Completada con el PDF de clase.)
Amplificadores ópticos
¿Cuándo usarías un amplificador Raman?
Cuando hay que amplificar fuera de la banda de 1550 nm del EDFA, o varias bandas a la vez: el Raman no es resonante y amplifica en cualquier banda de la fibra, usando la propia fibra instalada. A cambio necesita un bombeo muy potente. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Amplificadores ópticos
¿Por qué se dice que un amplificador óptico es «un láser sin espejos»?
Porque tiene medio activo y fuente de energía (bombeo), como un láser, y amplifica por emisión estimulada, pero no tiene resonador: no se quieren los modos propios de una cavidad, sino clones de los fotones de la señal que entra. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
Amplificadores ópticos · ¿sabrías explicarlo?
Un amplificador óptico es «un láser sin espejos»: medio activo con emisión estimulada que clona los fotones de la señal, sin resonador
EDFA: fibra dopada con erbio y bombeada con un láser. Solo en la banda de 1550 nm, pero ahí amplifica mucho, todos los canales a la vez y sin tocar la polarización
¿Qué es WDM y qué diferencia hay entre DWDM y CWDM?
WDM combina varias longitudes de onda portadoras en una sola fibra (multiplexación en frecuencia, expresada en λ). - DWDM: canales muy juntos en la ventana de 1550 nm, de 12,5 a 100 GHz (ITU G.694.1); 100 GHz ≈ 0,8 nm. Exige láseres monomodo (DFB, DBR) con la λ controlada en fracciones de nm. - CWDM: 18 canales de 1271 a 1611 nm cada 20 nm. Admite láseres Fabry-Pérot sin refrigeración, tolerancias menos exigentes y filtros anchos: más barato. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
WDM
¿Por qué los sistemas DWDM necesitan láseres tan precisos y con la temperatura estabilizada?
Porque los canales están separados décimas de nm: un láser multimodo o con una λ mal ajustada ocuparía varios canales. Además, si el láser se calienta, la cavidad se dilata y la λ sube hasta invadir el canal vecino. Por eso se usan láseres monomodo (DFB, DBR), se refrigeran y estabilizan en temperatura y se afinan con un piezoeléctrico. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)
WDM
Calcula a cuántos nm equivale una separación de 100 GHz en la ventana de 1550 nm.
Δλ=λ2Δf/c=(1,55⋅10−6)2⋅1011/(3⋅108)≈0,8⋅10−9 m, es decir, ≈ 0,8 nm. (Cálculo propio: no aparece en el material.)
WDM · ¿sabrías explicarlo?
WDM combina varias longitudes de onda portadoras en una única fibra: multiplexación en frecuencia, expresada en λ