1

PRH

Elementos Ópticos

1. Elementos de conexión:– Conectores– Empalmes

2. Elementos de derivación (Acoplador)3. Aislador, Circulador, Atenuador4. Componentes selectivos en λ

– Filtro– Multiplexor y demultiplexor de longitud

de onda

PRH

Conectores

Índice:• Parámetros Característicos• Tipos• Contactos

2

PRH

Conectores de fibra ópticaDefinición: Componente que normalmente se asocia a un cable o equipo ópticos para proporcionar conexiones/desconexiones ópticas frecuentes entre fibras o cables ópticos (6.01/CEI 61931-1).

Parámetro Definición Mínimo Típico Máx. Unidad

Pérdidas de insercción IL = -10 log (Pout /Pin) 0,5 dB

Reflectancia R = 10 log (PR/ Pin) - 40 - 35 dB

Pérdidas dependientes de la Polarización, PDL

Máxima variación de IL debida a un cambio en el SOP.

0,1 dB

Temperatura de operación -20 60 ºC

Repetibilidad

Condición de prueba: Después de 500 usos + 0,2

Pin Pout

PR

PRH

Tipos de Conectores

• Gran variedad de marcas comerciales:– FC (NTT, pérdidas de retorno bajas)– SC– E-2000 (Pérdidas de retorno muy bajas)– DIN– HMS-10 (Tipo SMA eléctrico)– ST (ATT, tipo BNC)– SMA (Fibra multimodo y corta distancia)– Bicónico (Bell, aplicaciones telefónicas)

3

PRH

Tipos de Contactos

• Plano

• PC y SPC

• APC

Objetivo: Mejorar las características de Reflectancia del Conector

PRH

Conector SC-APC

Para fibras de 9/125, 50/125 y 62.5/125 µm

SM y MM: Perdida de inserción(50%) <0.2 dB(98%) <0.5 dB

Perdida de retorno(50%) >49dB(98%) >45 dBVersión de alta pérdida en retorno (HRL):>85 dB

4

PRH

Acoplo entre Fibras

• Acoplo entre fibras desnudas– Tipo de acoplo:

• Directo• Haz expandido

– Duración en el tiempo:• Provisional → Empalme mecánico (Surco en V)

• Permanente → Empalme por fusión

• Acoplo entre conectores– Adaptadores

PRH

Tipo de acoplo

Contacto directo entre fibras

Colimación del haz

Lentes GRIN

5

PRH

Acoplo Provisional

⇒ Conector elastomérico GTE

• Bajas pérdidas de inserción en primeros usos

• Repetibilidad muy baja

• Uso de líquido adaptador de índices

⇒ Empalme mecánicos Surco-V

• Mejor repetibilidad

•Posibilidad de permanente mediante resinas expuestas al UV

Fibras

PRH

Acoplo Permanente

• Empalme por fusión – Arco voltaico– Máquinas:

• Manual• Semiautomática• Automática• Multi-empalme

6

PRH

Proceso de Fusión

• Pelado– Eliminar toda protección

• Corte de la fibra– Corte limpio y transversal

• Prefusión (evita burbujas y elimina impurezas)

• Alineamiento (entre fibras en el camino del arco)

• Fusión (secuencial)

• Protección (elementos termorrectráctiles)

PRH

Causas de pérdidas

• Intrínsecas– Desadaptación de núcleos– Desadaptación de AN– Excentricidad de núcleo– Desadaptación de índice

• Extrínsecas

– Desalineamientos(Longitudinal, Axial y Angular)

– Fresnel– Rugosidades

7

PRH

Pérdidas Extrínsecas

( )( )2

2

2/2/

αtgSDD

PP

in

out

+=

( )( )

DL

PP

in

out

=Γ

Γ−Γ−Γ=2/121arccos2

π

sen sen

) - (1 = pm

m

αφαφ coscos

( )

sen -

= q2

m2 2

3m

3

αφ

φ

cos

cosαφφ

ααφ sen sen

sen - ) - (1 = tmm

2m

2

coscoscos

nAN = sen

1mφ

( ) ( )

( ) ( )

++−+

+

−−−=

21111

11121cos

2/12/1

2/12

tarcsenttq

parcsenppPP

in

out

ππ

ππθ

PRH

Reflexión de Fresnel

• Pérdidas producidas por la luz reflejada en el cambio de medio ⇒ Solución: uso de líquido adaptador de índices.

n1

n0n1

Pin Pout

PR

( )rPérdidasPP

nnnnr

in

R

−−=

=

+−

=

1log10

2

01

01

8

PRH

Pérdidas IntrínsecasDesadaptación del Area de Núcleos

Perfil del Índice de refracción

Apertura numérica

DD 20 (dB)L

R

Ec log≈

2) + g( g2) + g( g 10 (dB)L

ER

REc log≈

ANAN 20 (dB) L

E

RAN log≈

DR/ DE

Pérd

idas

, dB

PRH

Elementos de derivación: AcopladorTipos de acopladores

M N Acoplador MxN

Acoplador en T

Estrella

9

PRH

Parámetros de un Acoplador

• Pérdidas de exceso

• Pérdidas de insercción

• Relación o coeficiente de acoplo

• Directividad

j

eexc P

PP∑

−= log10

Pe = Pot. de entrada, j =1.....N todas las salidas

j

iins P

PP log10−=

i = entrada, j = salida

( ) salidarP

PRj

rr =

∑=%

entradasikPPD

k

i == ,log10

PRH

Tabla Resumen

No aplicable1,0 log2NdBUniformidad50No aplicabledBDirectividad

No aplicable0,1 (1 + log2N)dBPérdida dependiente de la polarización (PDL)

Longitud de onda λ nominal a la que un componente está diseñado para que funcione con una calidad especificada En el caso de igual comportamiento en un amplio rango espectral se denomina Acoplador PLANO

nmLongitud de onda o gama de longitudes de onda de funcionamiento

No aplicable– 40dBReflectanciaNo aplicable0,5dBPérdida de exceso

MínimoTípicoMáximoUnidadesParámetro

N = número de puertos de salida

10

PRH

Aislador

Definición: Dispositivo óptico no recíproco destinado a bloquear la transmisión en una dirección, presentando pérdidas de inserción mínimas en el

sentido de transmisión deseado.

Principio de operación: Suelen basar su funcionamiento en el bloqueo de un Estado de Polarización (SOP) de la luz que los atraviesa.

Parámetros característicos: • Pérdidas de inserción (típicas de 1 dB)• Aislamiento (entre 40 y 50 dB)• Dispersión por modo de polarización

Aplicaciones

Evitar reflexiones en los sistemas que utilizan láseres y amplificadores.

PRH

Atenuador

Definición:Componente pasivo que

produce una atenuación controlada de la señal en una línea de transmisión de fibra óptica

Parámetros Característicos:• Reflectancia (-40 dB)• Pérdidas dependientes de la Polarización • Longitud de onda de operación• Atenuación incremental (en variables)

11

PRH

Circulador (I)

Principio de funcionamiento: similar al aislador, excepto que tienen múltiples puertos.

1

23

PRH

Componentes selectivos en λ

Filtros y Multiplexores

• Definiciones

• Tipos

• Parámetros característicos

• Técnicas de Fabricación

12

PRH

Tipos

Tran

smi ta

ncia

( %)

Longitud de onda

Banda Ancha

Paso Bajo

Paso Alto

Banda Estrecha

Notch

Filtro óptico

Definición: Componente pasivo utilizado para modificar la radiación óptica que lo atraviesa, para lo cual modifica la distribución espectral.

Aplicaciones: Rechazar o absorber radiación óptica en unas gamas concretas de longitudes de onda mientras se transmite radiación óptica en otras gamas.

Filtro óptico sintonizable: Filtro que puede variar la gama de longitudes de onda de funcionamiento. Un filtro óptico no sintonizable presenta un valor fijo en toda la gama de longitudes de onda de funcionamiento.

PRH

Parámetros Característicos (I)

• Gama de longitudes de onda de funcionamiento: Longitud de onda λnominal a la que un componente está diseñado para que funcione con una calidad especificada

3dB1dB

Anchura de bandade paso a 1 dB

Frecuenciacentral

nominal

Anchura de bandade paso a 3 dB

• Anchura de banda de paso a 3 dB (también se puede definir a 1dB): Se define como la gama de frecuencias dentro de la cual la pérdida del filtro debe ser inferior a 3 dB con respecto a la pérdida mínima dentro de esa gama. La anchura de la banda de paso de 3 dB es simétrica con respecto a la frecuencia central nominal fc del filtro, es decir, para todas las frecuencias comprendidas entre fc – D3/2 y fc + D3/2, la pérdida debe estar dentro de 3 dB con respecto a la pérdida mínima.

13

PRH

• Pérdidas de inserción a la longitud de onda de trabajo• Extinción de canal: En la gama de longitudes de onda de funcionamiento,

diferencia (en dB) entre la potencia mínima de los canales no extinguidos (en dBm) y la potencia máxima de los canales extinguidos (en dBm).

• Atenuación fuera de banda: Atenuación mínima (en dB) de los canales que se encuentran fuera de la gama de longitudes de onda de funcionamiento.

• Pérdida dependiente de la polarización (PDL, polarization dependentloss): Máxima variación de la pérdida de inserción debida a un cambio de estado de la polarización (SOP) entre todos los estados de la polarización.

• Reflectancia: Relación entre la potencia reflejada y la potencia incidente en un puerto dado de un componente pasivo, para determinadas condiciones de composición espectral, polarización y distribución geométrica.

• Reflectancia dependiente de la polarización: Máxima variación de la reflectancia debida a un cambio de estado de la polarización entre todos losestados de la polarización.

Parámetros Característicos (II)

PRH

λλ1 λn

DDEEMMUUXX

Multi/Demultiplexor: Definición

Definición: Dispositivo de derivación selectivo en longitud de onda (utilizado en sistemas de transmisión WDM (wavelength division multiplexing) en el que las señales ópticas pueden transferirse entre dos puertos predeterminados dependiendo de la longitud de onda de la señal. Multiplexor de longitud de onda: Dispositivo de derivación con dos o más puertos de entrada y un puerto de salida en el que la señal luminosa en cada puerto de entrada se limita a longitud de onda previamente seleccionada y la salida es la combinación de las señales luminosas procedentes de los puertos de entrada. Demultiplexor de longitud de onda: Dispositivo que lleva a cabo la operación inversa del multiplexor, en el que la entrada es una señal óptica que comprende dos o más longitudes de onda y la salida de cada puerto es una gama de longitudes de onda preseleccionada distinta.

14

PRH

Tipo de WDM

PRH

Parámetros Característicos de WDM (I)• Gama de longitudes de onda de funcionamiento• Pérdidas a la longitud de onda de trabajo• Separación de canal: Diferencia entre frecuencias o

longitudes de ondas centrales de canales adyacentes en un dispositivo WDM.

• Diafonía o Telediafonia: Parte de potencia óptica que sale por un puerto a una longitud de onda no deseada.

11

2

2

11

2 2

1 1

2

2

( ) ( )( ) ij

PP

FCii

ijij ≠

−=

λλ

λ log10

Al igual que en los filtros:• Extinción de canal• Atenuación fuera de banda • Pérdida dependiente de la polarización (PDL)• Reflectancia. • Reflectancia dependiente de la polarización

15

PRH

• Dispositivos Todo-Fibra

• Óptica Integrada

• Microóptica

Tipos de Filtros Ópticos y Multiplexores

Según la estructura utilizada:

• Acopladores selectivos en λ

• Red de Difracción

• Red de Bragg

• Filtros Dieléctricos Multicapa

• Fabry-Perot

• Mach-Zehnder

Basados en la tecnología de fabricación de:

PRH

Fabricación:Todo-Fibra

FusionadosSe fabrican mediante la fusión y el estirado de fibras ópticas.

Su principio de funcionamientose basa en la interferencia

modal

Campo evanescenteSe fabrican mediante técnicas de:

• Pulido• Ataque químicoPrincipio de funcionamiento

Acoplo de modos de una fibra a otra por campo evanescente

16

PRH

Fusionados: Interferencia Modal

21

2ββ

π−

=bz

β → Constantes de Propagación de los modos interferentes

βφφ

∆=

•++=

LPPPPP cos2 2121

Potencia Óptica transmitida:

Principio de funcionamiento:Interferencia modal: Idealmente, en la zona fusionada se propagan

dos modos, sin intercambiar energía, que interfieren

constructiva o destructivamente dependiendo de λ y Lb .

La distribución modal de campo resultante se repite periódicamente,

con un periodo zb

PRH

Campo Evanescente

Acoplador 2x21

2

3

4lLongitud de acoplo

E→ Campo Eléctricoβ→ Constante de propagación del modok → Coeficiente de acoplo

=

−

2

1

4

3

)cos()sen()cos()cos(

EE

klkljkljkl

eEE ljβ

Principio de funcionamientoAcoplo de modos de una guía a otra por campo evanescente

Si las guías son idénticas el acoplo es total y se repite periódicamente a lo largo de la longitud de acoplo y en

función de la longitud de onda

Análisis ⇒ Teoría de Modo Acoplado

17

PRH

Fabricación: Óptica Integrada

Principio de funcionamiento basado en:

• Campos evanescentes• Interferencia modal

Análisis similar a dispositivos Todo-Fibra con guías planas

InconvenientesAlineamiento a fibra críticoFabricación complicadaDependencia con T

Ventajas:Posibilidad de sintoníaIntegración con otros componentes Diseño versátil

PRH

(a)

(b)

lentesGRINDieléctrico

Fabricación: Microóptica

Utilizan elementos como:• Lentes• Lentes GRIN • Componentes dieléctricos• Divisores de haz, etc

18

PRH

Comparación Técnicas de Fabricación

TODO-FIBRAEvanescente

Microópticos Fusionado Químico Pulido IntegradosPérdidas (dB) 0.5 < 0.5 < 1 < 1 < 5Directividad (dB) 30 > 50 > 40 > 50 > 50Posibilidad deIntegración Buena Pobre Sí

Posibilidad deMxN Sí Sí No aconsejable Sí

Estabilidadtérmica Buena Muy Buena Aceptable

Robustez Poca Alta Media AltaCoste Medio Moderado Medio Elevado

PRH

Interferencia

• Interferencia de dos haces• Interferencia de dos rendijas• Interferómetro Mach-Zender• Estructuras Fabry-Perot

– Aplicaciones• Red de Difracción

– Difracción de Bragg• Filtros Interferenciales• Arrayed-Waveguide Grating

19

PRH

E1

E2

E3

E4

Interferómetro Mach-Zehnder (I)

∆−∆

∆∆=

2

1

4

3

)2/sen()2/cos()2/cos()2/sen(

EE

LkLkLkLk

jEE

effeff

effeffν∆

=∆2

cLeff

Fabricación: (Óptica Integrada o Todo-Fibra): Conexión de dos acopladores (2x2) con un retardo de fase en una de sus ramas.Principio de Operación: Cambio de fase por diferencia de caminos ópticos entre las ramas del interferómetro. (Cambio de longitud o índice de refracción)Posibilidad de sintonía: Mediante control de la diferencia de caminosAplicaciones: Filtro banda-ancha o estrecha concatenando varios MZI, multiplexores, moduladores…

PRH

Demultiplexor Mach-Zehnder

Demultiplexor 1x8 con estructuras Mach-Zehnder en cascada

20

PRH

Interferómetro Fabry-Perot (I)

R

Z = 0 Z = L

R

Espejos

E2

E0

L

π

α

ω

2m=2kL:

1

:)(),(

)1()1(

)2()(20

)(

2

2

FASE

eeREE

oscilacióndeCondiciónezAtzE

nnR

kLjLg

kztj

in =⇒=

=

+−

=

−−

−

mLneff

m2λ =

Lnmc

effm 2

ν =nk eff2

λπ

=

PRH

Interferómetro Fabry-Perot (II)

Lneff 2

2λλ =∆

Lnc

eff 2ν =∆

Finesse ( )[ ]RRF

−=

12π

2mπλ 2(m+1)πλ 2(m+2)πλ

Tran

smita

ncia

70%

50%

20%

λ

Aplicación: Cavidad resonante en Láseres

21

PRH

Filtro Fabry-Perot sintonizablePrincipio de Operación: Cavidad resonante Fabry-Perot

Fabricación (Todo-Fibra): Fibras terminadas en superficies semi-reflectantes, enfrentadas mediante un transductor piezoeléctrico.

Posibilidad de sintonía: Variación de la distancia entre las caras transversales de las fibras aplicando sobre el piezoeléctrico la tensión adecuada.

Aplicaciones: Filtro de banda estrecha en

Sistemas WDM con separación entre

canales menor de 9 nm.

PRH

Red de Difracción (Diffraction Gratings)

Figura 5.6 y 5.7. Kartalopoulos. “Introduction to DWDM Technology”

22

PRH

Red de Bragg

Los lóbulos laterales se pueden suavizar diseñando la red con una variación del índice de refracción no uniforme

Espectro de la potencia óptica reflejada por una

Red de Bragg

Una red de Bragg es una perturbación periódica en el medio de propagación. En general se realiza mediante la variación del índice

de refracción del medio.Principio de operación: Interferencia de señales ópticas

originadas por una misma fuente, pero con un desplazamiento de fase relativo diferente.

PRH

Filtro InterferencialDielectric Thin-Film (DTF)

Señal transmitida:• canal o banda específica

Señal incidente

Señal reflejada

Substrato

Revestimiento dielectrico

23

PRH

Red de Bragg en fibra Red de Bragg en fibra: la variación periódica del índice de refracción del núcleo de lafibra.Principio de Funcionamiento: Reflexión de cierta longitud de onda que depende de las características de la fibra y del periodo de la red de difracción.Tipos: Periodo corto y Periodo largo•Fabricación (Dispositivo Todo-Fibra) : Grabado de la red de difracción en el núcleo de la fibra mediante la interferencia de dos haces UVAplicaciones: Filtrado, Funciones add/drop, Compensación de la dispersión, Ecualización de la ganancia en A.OVentajas: Bajas pérdidas, Fácil acoplo a fibra, Baja sensibilidad a la polarización

Longitud de onda de Bragg λB = 2neffΛ

λ incidente Λ, período de la red

λ- λB

λBλ1 λn

λB

λ1 λn

PRH

Red de Bragg de periodo constante + Circulador Fabricación de elementos

ópticos de extracción/inserción (add/drop)

Aplicación: Red de Bragg en fibra (I)

24

PRH

Red de Bragg de periodo no constante + CirculadorCompensación de la Dispersión

Aplicación: Red de Bragg en fibra (I)

PRH

Aplicación Red de Bragg en Fibra:Filtro de banda estrecha

Fabricación:

Acoplador Fusionado (2x2) con Redes de Bragg en ambos puertos de salida

25

PRH

Aplicación Red de Bragg en Guías:Multiplexador Add-Drop

Dependencia con la polarización de la señal transmitida

PRH

Interferómetro MichelsonPrincipio de Operación: Cambio de fase por diferencia de

caminos ópticos entre las ramas del interferómetro.

Fabricación (Óptica Integrada o Todo-Fibra):Acoplador (2x2) con Red de Bagg en sus ramas de salida

y un retardo de fase en una de ellas.

26

PRH

AWG (Arrayed-waveguide Grating)

Acoplador en estrella NxM

Acoplador en estrella MxN

Fabricación: Dos acopladores en estrella unidos por un arrayde guiaondas de distintas longitudes y curvaturas, fabricados

sobre un mismo substrato (SiO2/Si) (GaAs/AlGaAs) (InGaAlAs/InP)

Aplicaciones: Multiplexor y demultiplexor de gran número de canales separados del orden de pocos nm

PRH

WGR (Waveguide Gratings Routers)

Potencia transmitida en un dispositivo 1x10 para dos puertos de salida adyacentes.

Fabricación: similar a los AWG, con acopladores planos con longitud

focal R y guías de longitud incremental (L+∆L)

Funcionamiento: se basa en interferometría (MZI)

Aplicaciones: Multiplexor y demultiplexor. “Encaminador” en

función de λ.

27

PRH

Bibliografía• Optical Networks: A practical prespective. Rajiv Ramaswami and K.N. Sivarajan,

Morgan Kaufman, 1998.• Handbook of optical Fibers and cables, Second Edition, H. Murata, Dekker 1996.• Fiber Optic Test and Measurement. Dennia Derickson. Dennis Derickson, 1997• Optical Fiber Communications. Third Edition. Gerd Keiser. Mc Graw Hill, 2000.• Principles and appications of Optical Communications. M.M Liu. IRWIN 1996.• Semiconductor Optoelectronic Devices. Pallab Bhattacharya. Second Edition

Prentice Hall. 1997.• Optical Communications Systems. Second Edition. J. Gowar. Prentice Hall, 1993.• Fiber Optic Communications Design Handbook. Robert J. Hoss. Prentice Hall.

1990.• Multiwavelength Optical Networks. T.E.Stern and K. Bala. Addison Wesley.

1999.• Fiber-Optic Communications Systems. Second Edition. G.P. Agrawall. Wiley-

Intersciencie, 1997.• B.E.A. Saleh, M.C. Teich, "Fundamentals of Photonics", John Wiley & Sons,

USA 1991.