Magnitudes características en Fibra óptica

Aunque he trabajado bastante cerca de estos temas (aunque hace mucho tiempo), encontré buena información buscando en Google "fibra de banda de longitud de onda". El sitio enciclopédico en http://www.rp-photonics.com del ingeniero Dr. Rüdiger Paschotta es una excelente referencia (no tengo enlaces a este tipo; simplemente voy a su sitio como referencia cuando necesito recordar esto cosas)>

La respuesta corta es 1300nm y 1500nm (es decir, aproximadamente entre dos y tres veces las longitudes de onda de la luz visible) son las bandas principales. Las potencias pueden ser de hasta unos 100 W por fibra, lo que en una fibra monomodo con$10{\rm\mu\,m}$el diámetro del campo modal representa una densidad de potencia de$300{\rm GW\,m^{-2}}$; a mayores potencias, las fibras tienden a fallar porque el calentamiento local debido a la potencia absorbida por la más pequeña imperfección o inclusión en la fibra comienza a derretir la fibra y, por lo tanto, refuerza la pérdida y el calentamiento local, y la fibra se destruye a sí misma de tal manera que parece ¡más bien como una mecha encendida quemándose sola!

Las tasas de señal a través de las fibras están organizadas de la siguiente manera (al menos así eran hace veinte años: tengo entendido que la tecnología ha mejorado pero las ideas son las mismas):

1. Las señales digitales de banda base generalmente se organizan en$10{\rm GBps}$canales de banda base (es decir, como un telégrafo deslumbrantemente rápido) (en realidad, la tasa es$10.192{\rm GBps}$, de los cuales$9.852{\rm GBps}$es la carga útil, en un módulo de transmisión síncrona de nivel 64 (STM-64) );
2. Estos$10{\rm GBps}$Los canales de banda base se "apilan" en una fibra mediante multiplexación por división de longitud de onda . Por lo general, hay varios cientos de estos canales por fibra, lo que genera una capacidad de transmisión de varios terabits para cada fibra.

Es importante entender que la organización anterior surge de las limitaciones en la electrónica de envío y recepción (nos cuesta mucho hacer que las cosas funcionen a un costo razonable mayor que$10{\rm GBps}$banda base), no está fijado de ningún modo por la física de la fibra. En teoría, una fibra podría enviar aproximadamente 1 petabit por segundo por cada canal modal utilizado en una distancia de aproximadamente diez kilómetros sin regeneración. Para obtener una descripción general de la física que limita la fibra en sí, consulte mi respuesta aquí y la referencia que cito al final.

Entonces, ¿cuál es la física subyacente para todo esto? Obtuve el siguiente dibujo de la literatura del producto JDSU:

Gregory Lietaert, "Caracterización del pico de fibra de agua"

y esto ilustra mucho de lo que quiero decir:

Dos cosas limitan la transmisión de señales a través de fibras ópticas: la atenuación y la dispersión. Se ha desarrollado una gran cantidad de tecnología para hacer frente a esta última, la dispersión, que limita el ancho de banda a través de transmisiones de señales codificadas a través del retardo de grupo variable. La dispersión es casi en su totalidad un efecto lineal, por lo que sus efectos pueden anularse y compensarse casi por completo con dispositivos tales como rejillas de fibra óptica (consulte también Rejillas de período largo y fibra desplazada por dispersión . La pérdida es un problema mucho mayor y solo puede superarse mediante regeneración a través de amplificadores de fibra; la pérdida limita las tasas de transmisión a través del ruido: incluso en un sistema perfectamente limpio donde los amplificadores tenían una figura de ruido cero, el límite cuántico óptico prevalece y establece el límite: vea mi discusión detallada en mi respuesta a la pregunta de Physics SE Ancho de banda teórico máximo de fibra óptica .

Entonces, dados estos comentarios, es obvio que para fibras de muchos kilómetros de longitud, necesitamos trabajar en bandas de longitud de onda donde la atenuación es inferior a 1dB por kilómetro. Por lo tanto, a partir del diagrama anterior, la razón de las bandas de 1300nm y 1550nm es obvia. La banda de 1550 nm es la banda de menor pérdida, pero históricamente la banda de 1300 nm se usó primero porque aquí es donde la longitud de onda de dispersión cerode una fibra de sílice de índice de refracción de paso simple tiende a sentarse. Antes de que la tecnología de cancelación de dispersión, como los perfiles de índice de refracción de fibra con desplazamiento de dispersión y las rejillas de fibra, se refinaran por completo, la dispersión residual tendía a ser el límite máximo. A medida que se domó esto, las longitudes practicables de las fibras se hicieron más largas, por lo que se utilizó gradualmente la banda de 1550 nm. Además, surgió la tecnología de amplificación de fibra dopada con erbio para realizar estaciones de regeneración en redes de fibra, y esta funciona a 1550nm. Pero hoy en día, los anchos de banda que se piden a las fibras son tan grandes que se deben usar todas las bandas practicables, entre 1260nm y 1625nm, y se están realizando investigaciones para abrir canales en la banda de 850nm.