SuperNotes by yuri.rodrix

Notas de Yuri.Rodrix


Página tipo blog en el que voy a publicar mis notas de aprendizaje, en especial de temas como matemáticas, física y quizá algo de programación

Redes neuronales
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Comunicaciones ópticas: la fibra y el LED

Todo lo que hace falta para el primer examen de un curso de comunicaciones ópticas, de la ley de Snell al LED, con un simulador debajo de cada fórmula. La idea no es memorizar: es mover un valor y ver qué le pasa al resultado. Cada simulador muestra además el paso a paso con tus números reemplazados, tal como se escribe en un examen.

Los parámetros marcados con el ícono de enlace (n1n_1, n2n_2, DD, λ\lambda, LL) son una sola fibra compartida: si cambias n1n_1 en el primer simulador, cambian también los modos, la dispersión y el acoplamiento de más abajo. Los botones «Cargar» ponen los datos de los problemas resueltos en clase.

1. La luz dentro del vidrio

El vidrio es casi un dieléctrico perfecto: no conduce y absorbe muy poco, por eso se usa para guiar luz. Dentro de un medio la luz va más lenta, y cuando cruza de un medio a otro se dobla según la ley de Snell (los ángulos se miden desde la normal):

n1sin⁡θ1=n2sin⁡θ2v=cnn_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2\qquad v=\frac{c}{n}

Qué es cada cosa: n1n_1 es el índice del medio de donde viene la luz y n2n_2 el del medio al que pasa. θ1\theta_1 (incidencia) y θ2\theta_2 (refracción) se miden desde la normal: la recta perpendicular a la frontera en el punto donde llega el rayo, nunca desde la frontera. Si la luz pasa a un medio más denso (n2>n1n_2>n_1) se acerca a la normal; si pasa a uno menos denso, se aleja.

Ojo con los nombres: en Snell «1» y «2» significan antes y después de la frontera. En la fibra, en cambio, n1n_1 es siempre el núcleo y n2n_2 el revestimiento. Coinciden solo cuando la luz va del núcleo al revestimiento.

Simulador 0 · La ley de Snell en una sola frontera

Cargar:
MEDIO 1 · n₁ = 1.000de donde VIENE la luz · v₁ = c/n₁MEDIO 2 · n₂ = 1.480a donde PASA la luz · v₂ = c/n₂frontera (interfaz)NORMAL (⊥ a la frontera)los ángulos se miden desde aquí90°−θ₁ = 50.0° (con la frontera, ✗ no va en Snell)rayo incidentereflejado (4.3 %)refractado (95.7 %)θ₁ = 40.0°θ₁′θ₂ = 25.7°

Pasa a un medio MÁS denso (n₂ > n₁): se ACERCA a la normal (θ₂ < θ₁)

θ1 (incidencia, desde la normal)\theta_1\ \text{(incidencia, desde la normal)}°
n1 (medio de donde viene)n_1\ \text{(medio de donde viene)}
n2 (medio al que pasa)n_2\ \text{(medio al que pasa)}
θ2\theta_225.74°
θc\theta_cno existe (n₁ ≤ n₂)
potencia reflejada / refractada\text{potencia reflejada / refractada}4.3 % / 95.7 %
¿Qué es cada variable y dónde está en el dibujo? (clic para abrir la tabla)
VariableQué esSe mide desdeDónde está en el dibujoValor
n1n_1Índice del medio de donde viene la luz—Zona de arriba (azul)1.000
n2n_2Índice del medio al que pasa la luz—Zona de abajo1.480
normal\text{normal}Recta perpendicular a la frontera en el punto donde llega el rayo—Línea vertical punteada90° con la frontera
θ1\theta_1Ángulo de incidenciala normalArco ámbar, arriba a la izquierda40.00°
θ1′\theta_1'Ángulo de reflexión (siempre = θ₁)la normalArco magenta, arriba a la derecha40.00°
θ2\theta_2Ángulo de refracción (el que despejas con Snell)la normalArco verde, abajo a la derecha25.74°
θc\theta_cÁngulo crítico: el θ₁ con el que θ₂ = 90°. Solo existe si n₁ > n₂la normalLínea roja punteada arriba a la izquierdano existe
90∘−θ190^\circ-\theta_1Ángulo con la FRONTERA. Es el error típico: NO se usa en Snellla fronteraArco gris pequeño50.00°
Paso a paso (con tus valores)
n1sin⁡θ1=n2sin⁡θ2 ⇒ sin⁡θ2=n1n2sin⁡θ1=1.0001.480sin⁡(40.0∘)=0.4343n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2\ \Rightarrow\ \sin\theta_2=\frac{n_1}{n_2}\sin\theta_1=\frac{1.000}{1.480}\sin(40.0^\circ)=0.4343θ2=sin⁡−1(0.4343)=25.74∘\theta_2=\sin^{-1}(0.4343)=25.74^\circn1≤n2 ⇒ no hay aˊngulo crıˊtico: la luz siempre puede pasarn_1\le n_2\ \Rightarrow\ \text{no hay ángulo crítico: la luz siempre puede pasar}v1=cn1=3.000×108 msv2=cn2=2.027×108 msv_1=\frac{c}{n_1}=3.000\times10^8\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}}\qquad v_2=\frac{c}{n_2}=2.027\times10^8\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}}

La fibra tiene un núcleo de índice n1n_1 rodeado de un revestimiento de índice n2<n1n_2<n_1. Si el rayo llega a la frontera con un ángulo mayor que el ángulo crítico, no sale: se refleja entero (reflexión total interna, RTI) y queda atrapado.

n1sin⁡θc=n2sin⁡90∘ ⇒ sin⁡θc=n2n1(solo si n1>n2)n_1\sin\theta_c=n_2\sin 90^\circ\ \Rightarrow\ \sin\theta_c=\frac{n_2}{n_1}\qquad(\text{solo si } n_1>n_2)

¿Con qué ángulo puede entrar la luz desde el aire para que luego haya RTI? Eso define el cono de aceptación (semiángulo θa\theta_a) y la apertura numérica, que mide cuánta luz es capaz de captar la fibra. La deducción es pregunta clásica de examen:

n0sin⁡θa=n1sin⁡θ1,n0=1,  θ1=90∘−θcn_0\sin\theta_a=n_1\sin\theta_1,\qquad n_0=1,\ \ \theta_1=90^\circ-\theta_csin⁡θa=n1cos⁡θc=n11−sin⁡2θc=n11−n22n12=n1n1n12−n22\sin\theta_a=n_1\cos\theta_c=n_1\sqrt{1-\sin^2\theta_c}=n_1\sqrt{1-\frac{n_2^2}{n_1^2}}=\frac{n_1}{n_1}\sqrt{n_1^2-n_2^2}NA=sin⁡θa=n12−n22\boxed{NA=\sin\theta_a=\sqrt{n_1^2-n_2^2}}

Cuidado: θc\theta_c se mide desde la normal y φ=90∘−θc\varphi=90^\circ-\theta_c desde el eje. Y θa\theta_a es el ángulo máximo de entrada, no el mínimo.

Simulador 1 · ¿Entra o no entra la luz?

Cargar:
Mueve θ y cruza el borde del cono verde lima.
cara de entradaAIRE · n₀ = 1.00NÚCLEO · n₁ = 1.480REVESTIMIENTO · n₂ = 1.460REVESTIMIENTO · n₂normal ①θaθθ₁ = φnormal ②θcθᵢθᵢ✓ θᵢ = 90° − θ₁ = 83.26° ≥ θc = 80.57° → reflexión total interna: la luz queda atrapadaÁngulos dibujados ×3.4 para que se vean (los números son los reales). Cambia a «Escala real» para ver la fibra tal cual.
θ (entrada, desde el eje)\theta\ \text{(entrada, desde el eje)}°
n1 (nuˊcleo)n_1\ \text{(núcleo)}
n2 (revestimiento)n_2\ \text{(revestimiento)}
n0 (medio exterior)n_0\ \text{(medio exterior)}
θ1=φ (dentro, desde el eje)\theta_1=\varphi\ \text{(dentro, desde el eje)}6.74°
θi=90∘−θ1 (en la interfaz)\theta_i=90^\circ-\theta_1\ \text{(en la interfaz)}83.26°
θc\theta_c80.57°
φmax=90∘−θc\varphi_{max}=90^\circ-\theta_c9.43°
NANA0.2425
θa  (cono=2θa)\theta_a\ \ (\text{cono}=2\theta_a)14.03° (28.07°)
¿Qué es cada variable y dónde está en el dibujo? (clic para abrir la tabla)
VariableQué esSe mide desdeDónde está en el dibujoValor
n0n_0Índice del medio exterior (aire = 1)—Zona izquierda, antes de la cara1.00
n1n_1Índice del núcleo (por donde viaja la luz)—Franja azul central1.480
n2n_2Índice del revestimiento (n₂ < n₁)—Franjas grises arriba y abajo1.460
normal ①\text{normal ①}Perpendicular a la cara de entrada: es paralela al eje—Línea punteada horizontal en la entrada—
normal ②\text{normal ②}Perpendicular a la frontera núcleo–revestimiento—Línea punteada vertical en el primer rebote—
θ\thetaÁngulo con que llega la luz desde el aire (Snell ①: n₀ sen θ = n₁ sen θ₁)normal ① (el eje)Arco ámbar a la izquierda de la entrada10.00°
θ1=φ\theta_1=\varphiÁngulo del rayo ya dentro del núcleonormal ① (el eje)Arco celeste a la derecha de la entrada6.74°
θi=90∘−θ1\theta_i=90^\circ-\theta_1Ángulo con que el rayo golpea el revestimiento (el que se compara con θc)normal ②Arco magenta en el primer rebote83.26°
θc\theta_cÁngulo crítico: el mínimo θᵢ para que haya RTI (Snell ②: n₁ sen θc = n₂ sen 90°)normal ②Línea roja punteada en el primer rebote80.57°
θ2\theta_2Ángulo de lo que escapa al revestimiento (solo si θᵢ < θc)normal ②Rayos verdes que salen al revestimientono hay (RTI)
θa\theta_aMáximo θ que todavía se guía: semiángulo del cono de aceptación. NA = sen θanormal ① (el eje)Cono verde lima a la izquierda14.03°
φmax=90∘−θc\varphi_{max}=90^\circ-\theta_cMáximo ángulo con el eje que puede tener un rayo guiadoel ejeEs el θ₁ que sale cuando θ = θa9.43°
Paso a paso (con tus valores)
n0sin⁡θ=n1sin⁡θ1 ⇒ θ1=sin⁡−1 ⁣(1.00⋅sin⁡10.0∘1.480)=6.74∘n_0\sin\theta = n_1\sin\theta_1\ \Rightarrow\ \theta_1=\sin^{-1}\!\left(\frac{1.00\cdot\sin 10.0^\circ}{1.480}\right)=6.74^\circen la interfaz: θi=90∘−θ1=83.26∘vsθc=sin⁡−1 ⁣(n2n1)=sin⁡−1 ⁣(1.4601.480)=80.57∘\text{en la interfaz: } \theta_i=90^\circ-\theta_1=83.26^\circ\quad\text{vs}\quad \theta_c=\sin^{-1}\!\left(\frac{n_2}{n_1}\right)=\sin^{-1}\!\left(\frac{1.460}{1.480}\right)=80.57^\circ83.26∘≥80.57∘ ⇒ reflexioˊn total interna: se guıˊa83.26^\circ \ge 80.57^\circ\ \Rightarrow\ \textbf{reflexión total interna: se guía}NA=n12−n22=2.1904−2.1316=0.2425θa=sin⁡−1 ⁣(NAn0)=14.03∘NA=\sqrt{n_1^2-n_2^2}=\sqrt{2.1904-2.1316}=0.2425\qquad \theta_a=\sin^{-1}\!\left(\frac{NA}{n_0}\right)=14.03^\circ

2. Tipos de fibra y número de modos

Por el modo de propagación la fibra es monomodo (núcleo de unos 8–10 µm, un solo camino posible; la de las redes troncales y largas distancias) o multimodo (núcleo de 50 o 62.5 µm, muchos caminos). En casi todas, el revestimiento mide 125 µm. Por el perfil de índice, la multimodo puede ser de índice escalonado (SI, step index) o de índice gradual (GI, graded index):

n₂n₁n(r)
Índice escalonado (SI): n₁ constante, el rayo rebota en zig-zag y recorre más camino a la misma velocidad → llega tarde.
n₂n₁n(r)
Índice gradual (GI): n baja hacia el borde; el rayo que se aleja del eje va por vidrio más «rápido» (v = c/n) y compensa su camino largo → todos llegan casi juntos. Más caro.

Cuántos modos caben lo dice la frecuencia normalizada VV: crece con el diámetro y la NA, y baja con la longitud de onda. Por debajo de 2.405 solo cabe uno.

V=π D NAλN≈V22monomodo  ⟺  V<2.405V=\frac{\pi\,D\,NA}{\lambda}\qquad N\approx\frac{V^2}{2}\qquad \text{monomodo}\iff V<2.405

Simulador 2 · ¿Cuántos modos caben?

Cargar:
monomodomultimodo0.512.40551050100500V = 63.48
D (diaˊmetro del nuˊcleo)D\ \text{(diámetro del núcleo)}µm
λ\lambdaµm
n1n_1
n2n_2
NANA0.2425
VV63.48
N≈V2/2N\approx V^2/22015
Dmax monomodoD_{max}\ \text{monomodo}1.89 µm
125 µmnúcleo 50.0 µm

A escala. Cada punto ámbar ≈ un modo (se dibujan 1500 de 2015).

Paso a paso (con tus valores)
V=π D NAλ=π (50.00 μm)(0.2425)0.6000 μm=63.483V=\frac{\pi\,D\,NA}{\lambda}=\frac{\pi\,(50.00\ \mu\text{m})(0.2425)}{0.6000\ \mu\text{m}}=63.483N≈V22=(63.483)22≈2015 modosN\approx\frac{V^2}{2}=\frac{(63.483)^2}{2}\approx 2015\ \text{modos}monomodo si V<2.405 ⇒ D<2.405 λπ NA=2.405 (0.6000)π (0.2425)=1.894 μm\text{monomodo si } V<2.405\ \Rightarrow\ D<\frac{2.405\,\lambda}{\pi\,NA}=\frac{2.405\,(0.6000)}{\pi\,(0.2425)}=1.894\ \mu\text{m}

3. Dispersión modal y ancho de banda

En una fibra de índice escalonado todos los modos viajan a la misma velocidad c/n1c/n_1, pero no recorren lo mismo: el modo axial va recto y llega primero; el que rebota en zig-zag con el ángulo crítico recorre más y llega después. El pulso que sale del extremo lejano llega ensanchado.

Δt=(Lzz−L) n1c,Lzz=Lcos⁡φ=L n1n2⇒Δt=L n1c(n1n2−1)\Delta t=\frac{(L_{zz}-L)\,n_1}{c},\qquad L_{zz}=\frac{L}{\cos\varphi}=L\,\frac{n_1}{n_2}\qquad\Rightarrow\qquad \Delta t=\frac{L\,n_1}{c}\left(\frac{n_1}{n_2}-1\right)

En clase se calcula contando triángulos: cada cruce del núcleo es un triángulo con un cateto de avance, el diámetro DD y una hipotenusa. Como hay tantos catetos como hipotenusas, Lzz=(L/cateto)⋅hL_{zz}=(L/\text{cateto})\cdot h. El atajo L n1/n2L\,n_1/n_2 da lo mismo y muestra algo importante: el camino extra no depende del diámetro.

BW=1Δt(algunos libros: 12Δt)BW=\frac{1}{\Delta t}\qquad(\text{algunos libros: } \tfrac{1}{2\Delta t})

Simulador 3 · Dispersión modal: el zig-zag llega tarde

Cargar:
ABCφ = 9.43°θc = 80.57°cateto = D·tan θc = 301.05 µmD = 50.00 µmh = 305.17 µmProporciones reales: el rayo crítico avanza 6.02 veces D por cada cruce del núcleo.
LLkm
n1n_1
n2n_2
DDµm
B (tasa de bits)B\ \text{(tasa de bits)}Mb/s
taxial=L n1/ct_{axial}=L\,n_1/c4.9333 µs
tzig-zagt_{zig\text{-}zag}5.0009 µs
Lzz−L (camino extra)L_{zz}-L\ \text{(camino extra)}13.699 m
Δt\Delta t67.58 ns
Δt por km\Delta t\ \text{por km}67.58 ns/km
BWBW14.80 MHz
B vs BWB\ \text{vs}\ BWB ≤ BW ✓
Sale del transmisor (bits de duración Tb = 200 ns)1011010010Llega al receptor (cada pulso ensanchado Δt = 67.6 ns)umbral de decisión✓ Todos los bits se distinguen

Sube la tasa de bits o la longitud: cuando Δt se acerca a la duración del bit, los pulsos se montan unos sobre otros y los ceros dejan de verse como ceros. Eso es lo que limita el ancho de banda. Cambia a índice gradual y mira cuánto más aguanta.

Paso a paso (con tus valores)
cateto=Dtan⁡θc=(50.00)tan⁡(80.57∘)=301.047 μmh=cateto2+D2=305.171 μm\text{cateto}=D\tan\theta_c=(50.00)\tan(80.57^\circ)=301.047\ \mu\text{m}\qquad h=\sqrt{\text{cateto}^2+D^2}=305.171\ \mu\text{m}N∘ tramos=Lcateto=1000.0 m301.047×10−6 m=3.32174×106N^\circ\ \text{tramos}=\frac{L}{\text{cateto}}=\frac{1000.0\ \text{m}}{301.047\times10^{-6}\ \text{m}}=3.32174\times10^{6}Lzz=N∘tramos×h=1013.699 m(atajo: L n1n2=1013.699 m)L_{zz}=N^\circ\text{tramos}\times h=1013.699\ \text{m}\quad\left(\text{atajo: } L\,\tfrac{n_1}{n_2}=1013.699\ \text{m}\right)Δt=(Lzz−L) n1c=(13.699 m)(1.480)3×108=67.58 ns\Delta t=\frac{(L_{zz}-L)\,n_1}{c}=\frac{(13.699\ \text{m})(1.480)}{3\times10^8}=67.58\ \text{n}\text{s}BW=1Δt=14.80 MHzBW⋅L=14.80 MHz⋅kmBW=\frac{1}{\Delta t}=14.80\ \text{M}\text{Hz}\qquad BW\cdot L=14.80\ \text{M}\text{Hz·km}

4. Pérdidas de acoplamiento: meter la luz en la fibra

Antes de recorrer un solo metro ya se pierde luz en la unión fuente–fibra. Son tres pérdidas, y su suma es la pérdida de acoplamiento de entrada (ICL, input coupling loss):

  • No intercepción: si el área que emite la fuente AsA_s es mayor que el núcleo AcA_c, lo que cae fuera se pierde. Si la fuente es más pequeña, esta pérdida no existe.
  • Apertura numérica: la fibra solo acepta los rayos dentro de su cono. Para un LED de superficie (lambertiano) la fracción aceptada es exactamente NA2NA^2: va al cuadrado.
  • Reflexión (Fresnel): una parte rebota en la cara del vidrio.
ICL=10log⁡AcAs⏟UIloss (si As>Ac)+10log⁡(NA2)⏟NAloss+10log⁡(1−ρ)⏟Rloss,ρ=(n1−1n1+1)2ICL=\underbrace{10\log\frac{A_c}{A_s}}_{UI_{loss}\ (\text{si } A_s>A_c)}+\underbrace{10\log(NA^2)}_{NA_{loss}}+\underbrace{10\log(1-\rho)}_{R_{loss}},\qquad \rho=\left(\frac{n_1-1}{n_1+1}\right)^2

Todas son negativas en dB, así que se suman: −12.04 dB y −0.2 dB dan −12.24 dB, no −12.02.

Simulador 4 · Pérdidas al meter la luz en la fibra (ICL)

Cargar:
núcleo Ø 50.0 µmfuente Ø 40.0 µm (punteado)
0.51−90°0°+90°θa = 14.0°
Lambertiana (cos θ) · ancho a media potencia 120°

Dentro del cono verde cae el 5.88 % de la luz = NA² = 0.0588.

Ø fuente (aˊrea de emisioˊn)\text{Ø fuente (área de emisión)}µm
Ø nuˊcleo D\text{Ø núcleo } Dµm
NA:

NA = √(n₁² − n₂²) = 0.2425 con n₁ = 1.480, n₂ = 1.460 (se cambian en los simuladores de arriba).

Reflexión:
PfuenteP_{fuente}mW
UIlossUI_{loss}no existe
NAlossNA_{loss}-12.306 dB
RlossR_{loss}-0.166 dB
ICLICL-12.472 dB
PacopladaP_{acoplada}0.1132 mW
Fuente2.000 mW− no intercepción2.000 mW (0 dB)− apertura numérica0.1176 mW (-12.31 dB)− reflexión0.1132 mW (-0.17 dB)
Paso a paso (con tus valores)
As=1256.6 μm2≤Ac=1963.5 μm2 ⇒ UIloss no existe (la fuente cabe entera)A_s=1256.6\ \mu\text{m}^2\le A_c=1963.5\ \mu\text{m}^2\ \Rightarrow\ UI_{loss}\ \text{no existe (la fuente cabe entera)}NAloss=10log⁡(NA2)=20log⁡(0.2425)=−12.306 dBNA_{loss}=10\log(NA^2)=20\log(0.2425)=-12.306\ \text{dB}ρ=(n1−1n1+1)2=(0.4802.480)2=0.03746 ⇒ Rloss=10log⁡(1−ρ)=−0.166 dB\rho=\left(\frac{n_1-1}{n_1+1}\right)^2=\left(\frac{0.480}{2.480}\right)^2=0.03746\ \Rightarrow\ R_{loss}=10\log(1-\rho)=-0.166\ \text{dB}ICL=UIloss+NAloss+Rloss=(0.00)+(−12.31)+(−0.17)=−12.47 dBICL=UI_{loss}+NA_{loss}+R_{loss}=(0.00)+(-12.31)+(-0.17)=\mathbf{-12.47\ \text{dB}}Pacoplada=Pfuente⋅10ICL/10=(2.000 mW)(0.05660)=0.1132 mWP_{acoplada}=P_{fuente}\cdot10^{ICL/10}=(2.000\ \text{mW})(0.05660)=0.1132\ \text{mW}

5. Presupuesto de enlace

Del transmisor al detector la potencia va bajando: la ICL a la entrada, cada conector, cada empalme (mecánico o por fusión), los acopladores, la atenuación de la propia fibra α\alpha (en dB/km) y la pérdida de salida (OCL). Además se reserva un margen de seguridad. Si lo que llega es muy poco, la SNR cae y la tasa de errores (BER) sube. En dB todo se suma y se resta:

PTx−PRx=∑peˊrdidas (conectores, empalmes, ICL, OCL)+margen+αL[dB]P_{Tx}-P_{Rx}=\sum\text{pérdidas (conectores, empalmes, ICL, OCL)}+\text{margen}+\alpha L\qquad[\text{dB}]P(dBm)=10log⁡P1 mWP2=P1⋅10 dB/10P(\text{dBm})=10\log\frac{P}{1\ \text{mW}}\qquad P_2=P_1\cdot10^{\,\text{dB}/10}

Simulador 5 · Presupuesto de enlace

Cargar:
Despejar:
-30-20-100dBmL = 2.000 kmTxP_Rx medida = -35.00 dBmP_Tx = 3.01 dBmP_Rx = -35.00 dBmpendiente = α = 19.01 dB/km
PTxP_{Tx}mW
PRx (medida)P_{Rx}\ \text{(medida)}dBm
LLkm
ICLICLdB
OCLOCLdB
margen de seguridad\text{margen de seguridad}dB
N∘ conectoresN^\circ\ \text{conectores}
peˊrdida por conector\text{pérdida por conector}dB
N∘ empalmesN^\circ\ \text{empalmes}
peˊrdida por empalme\text{pérdida por empalme}dB
PTxP_{Tx}2.000 mW = 3.01 dBm
α\alpha19.01 dB/km
Paso a paso (con tus valores)
PTx=10log⁡2.000 mW1 mW=3.01 dBmP_{Tx}=10\log\frac{2.000\ \text{mW}}{1\ \text{mW}}=3.01\ \text{dBm}PTx−PRx=∑peˊrdidas+margen+αL(∑+M=0=0.00 dB)P_{Tx}-P_{Rx}=\textstyle\sum\text{pérdidas}+\text{margen}+\alpha L\qquad\left(\textstyle\sum+M=0=0.00\ \text{dB}\right)PTx−PRx=3.01−(−35.00)=38.01 dBP_{Tx}-P_{Rx}=3.01-(-35.00)=38.01\ \text{dB}α=38.01−0.002.000 km=19.01 dB/km\alpha=\frac{38.01-0.00}{2.000\ \text{km}}=\mathbf{19.01\ \text{dB/km}}

6. Mecanismos de atenuación

Intrínsecos (del propio vidrio)Extrínsecos (fabricación e instalación)
Absorción UV: αUV=A eB/λ\alpha_{UV}=A\,e^{B/\lambda}; cae rápido con λ y desde ~1 µm se desprecia.Impurezas: iones metálicos (Co, V, Ni, Cr, Cu, Fe) y grupos OH⁻ (agua). Hoy existen fibras «secas» sin el pico de agua.
Absorción IR: vibración de los enlaces Si–O del SiO₂, con picos en 9.1, 12.5 y 21 µm; su cola sube después de 1.6 µm.Curvaturas: macro y microcurvaturas (y cuántas hay).
Dispersión de Rayleigh: fluctuaciones microscópicas del índice congeladas al solidificar el vidrio; αR∝1/λ4\alpha_R\propto 1/\lambda^4.Defectos geométricos: núcleo no concéntrico o no circular.

La suma deja tres «ventanas» de baja pérdida: 0.85 µm (la primera, barata), 1.31 µm y 1.55 µm (la mínima, ~0.2 dB/km). Los picos de agua están en ≈ 0.95, 1.24 y 1.38 µm.

Simulador 6 · Atenuación de la fibra según λ

Cargar:
1.ª ventana2.ª ventana3.ª ventana0.10.20.512510200.60.81.01.21.41.61.8λ (µm)dB/km (log)1.550 µm → 0.188 dB/km
Total Rayleigh ∝ 1/λ⁴ Absorción UV Absorción IR Iones OH⁻ (agua)· Toca o arrastra sobre la gráfica para mover λ.
λ\lambdaµm
contaminacioˊn OH (0 = fibra seca)\text{contaminación OH (0 = fibra seca)}
A de RayleighA\ \text{de Rayleigh}dB·µm⁴/km
αRayleigh\alpha_{Rayleigh}0.1386 dB/km
αUV\alpha_{UV}0.0292 dB/km
αIR\alpha_{IR}0.0204 dB/km
αOH\alpha_{OH}≈ 0 dB/km
αtotal\alpha_{total}0.188 dB/km
Paso a paso (con tus valores)
αR=Aλ4=0.80(1.550)4=0.1386 dBkmαUV=A eB/λ=0.0292αIR≈0.0204\alpha_R=\frac{A}{\lambda^4}=\frac{0.80}{(1.550)^4}=0.1386\ \tfrac{\text{dB}}{\text{km}}\qquad \alpha_{UV}=A\,e^{B/\lambda}=0.0292\qquad \alpha_{IR}\approx0.0204αOH≈0αtotal=αR+αUV+αIR+αOH=0.188 dB/km\alpha_{OH}\approx0\qquad \alpha_{total}=\alpha_R+\alpha_{UV}+\alpha_{IR}+\alpha_{OH}=\mathbf{0.188\ \text{dB/km}}en L=1.000 km: αL=0.19 dB ⇒ queda el 95.8 % de la potencia\text{en } L=1.000\ \text{km}:\ \alpha L=0.19\ \text{dB}\ \Rightarrow\ \text{queda el } 95.8\,\%\ \text{de la potencia}

Curvas UV e IR con el modelo de Keiser para sílice con 6 % de GeO₂; los picos de OH son ilustrativos (su altura real depende de cuánta agua quedó en el vidrio).

7. Semiconductores y el LED

En un semiconductor los electrones viven en dos bandas separadas por una brecha de banda WgW_g: la banda de valencia (abajo) y la banda de conducción (arriba). Un conductor no tiene brecha; un semiconductor tiene ≈ 1 eV; un aislante, varios eV. El silicio puro comparte sus 4 electrones de valencia con sus vecinos; al doparlo:

SiSiSiSiPSiSiSiSi−e⁻ libre
Tipo N: el fósforo (5 e⁻) es donador: cuatro enlazan, el quinto queda libre.
SiSiSiSiBSiSiSiSihueco
Tipo P: el boro (3 e⁻) es aceptor: falta un enlace y queda un hueco.

Al unir P y N y polarizar en directa (+ al lado P), los electrones de la banda de conducción caen sobre los huecos de la banda de valencia (recombinación) y la energía WgW_g sale como un fotón. En inversa no circula corriente y no hay luz. La longitud de onda la fija la brecha:

λ=hcWgλ(μm)=1.24Wg(eV)h=6.62×10−34 J⋅s,  1 eV=1.6×10−19 J\lambda=\frac{hc}{W_g}\qquad\lambda(\mu\text{m})=\frac{1.24}{W_g(\text{eV})}\qquad h=6.62\times10^{-34}\ \text{J·s},\ \ 1\ \text{eV}=1.6\times10^{-19}\ \text{J}

Simulador 7 · LED: de la brecha de banda al color

Material:
banda de conducción (electrones libres)banda de valencia (huecos)Wg = 1.46 eV+−0.851.311.550.40.60.81.01.21.41.61.8visibleinfrarrojo · ventanas de la fibra en verde
Más brecha → el electrón cae más → fotón con más energía → λ más corta.
Wg (brecha de banda)W_g\ \text{(brecha de banda)}eV

GaAlAs: problema de clase (0.85 µm).

λ\lambda0.849 µm = 849 nm
Wg en JW_g\ \text{en J}2.336×10⁻¹⁹ J
tipo de material\text{tipo de material}semiconductor
Paso a paso (con tus valores)
Wg=1.460 eV×1.6×10−19 JeV=2.336×10−19 JW_g=1.460\ \text{eV}\times1.6\times10^{-19}\ \tfrac{\text{J}}{\text{eV}}=2.336\times10^{-19}\ \text{J}λ=hcWg=(6.62×10−34)(3×108)2.336×10−19=8.502×10−7 m=0.8502 μm\lambda=\frac{hc}{W_g}=\frac{(6.62\times10^{-34})(3\times10^8)}{2.336\times10^{-19}}=8.502\times10^{-7}\ \text{m}=0.8502\ \mu\text{m}atajo: λ(μm)=1.24Wg(eV)=1.241.460=0.8493 μm\text{atajo: }\lambda(\mu\text{m})=\frac{1.24}{W_g(\text{eV})}=\frac{1.24}{1.460}=0.8493\ \mu\text{m}

Características de operación del LED

  1. Longitud de onda: λ=hc/Wg\lambda=hc/W_g.
  2. Potencia vs corriente: la potencia óptica crece linealmente con la corriente; la pendiente es la eficiencia η=ΔPΔI [WA]\eta=\frac{\Delta P}{\Delta I}\ \left[\tfrac{\text{W}}{\text{A}}\right].
  3. Patrón de radiación: potencia vs ángulo; su ancho se mide entre los puntos de media potencia.
  4. Tipos: el de superficie emite en un cono ancho (~120°); el de borde concentra el haz (~30°) y acopla mucho mejor a la fibra.
  5. Corriente de modulación: en digital, pulsos de corriente dan pulsos de luz. En analógica hace falta una corriente DC de polarización para que la señal no baje de cero y se recorte:
i(t)=IDC+I^sin⁡ωt⇒P(t)=PDC+P^sin⁡ωti(t)=I_{DC}+\hat I\sin\omega t\qquad\Rightarrow\qquad P(t)=P_{DC}+\hat P\sin\omega t

Simulador 8 · LED: curva P–I y corriente de modulación

Cargar:
iP ópticatiempo →tiempo ↓pendiente η = 20.0 mW/AI_DCP_DCP(t) — luz que salei(t) — corriente que entra
η (pendiente P–I)\eta\ \text{(pendiente P–I)}W/A
IDCI_{DC}mA
I^\hat ImA
ffMHz
Pmax (1000 = sin lıˊmite)P_{max}\ \text{(1000 = sin límite)}mW
IDCI_{DC}500.0 mA
I^\hat I100.0 mA
PDCP_{DC}10.00 mW
P^\hat P2.000 mW
P entreP\ \text{entre}8.000 y 12.00 mW
T=1/fT=1/f1.000 µs
Paso a paso (con tus valores)
η=ΔPΔI=0.0200 WA=20.0 mWA\eta=\frac{\Delta P}{\Delta I}=0.0200\ \tfrac{\text{W}}{\text{A}}=20.0\ \tfrac{\text{mW}}{\text{A}}PDC=η IDC=(0.0200)(0.5000)=10.00 mWP^=η I^=2.000 mWP_{DC}=\eta\,I_{DC}=(0.0200)(0.5000)=10.00\ \text{mW}\qquad \hat P=\eta\,\hat I=2.000\ \text{mW}i(t)=IDC+I^sin⁡ωt=500.0+100.0sin⁡(2π⋅1.00×106 t) mAi(t)=I_{DC}+\hat I\sin\omega t=500.0+100.0\sin(2\pi\cdot1.00\times10^{6}\,t)\ \text{mA}P(t)=PDC+P^sin⁡ωt=10.00+2.000sin⁡(2π⋅1.00×106 t) mWP(t)=P_{DC}+\hat P\sin\omega t=10.00+2.000\sin(2\pi\cdot1.00\times10^{6}\,t)\ \text{mW}I^≤IDC ⇒ la corriente nunca baja de cero: sin recorte\hat I\le I_{DC}\ \Rightarrow\ \text{la corriente nunca baja de cero: sin recorte}

La animación va lenta a propósito: el tiempo está en «períodos», no en segundos reales.

Simulador 9 · Patrón de radiación del LED

0.51−90°0°+90°θa = 14.0°
Superficie · ancho a media potencia 120°Borde · ancho a media potencia 30°
ancho del LED de borde (a media potencia)\text{ancho del LED de borde (a media potencia)}°
n1n_1
n2n_2
θa de la fibra\theta_a\ \text{de la fibra}14.03°
acopla el LED de superficie\text{acopla el LED de superficie}5.88 %
acopla el LED de borde\text{acopla el LED de borde}47.07 %
Paso a paso (con tus valores)
superficie (lambertiana): P(θ)=P0cos⁡θ ⇒ η=1−cos⁡2θa=sin⁡2θa=NA2=(0.2425)2=0.0588\text{superficie (lambertiana): } P(\theta)=P_0\cos\theta\ \Rightarrow\ \eta=1-\cos^2\theta_a=\sin^2\theta_a=NA^2=(0.2425)^2=0.0588borde: P(θ)=P0cos⁡20.0θ ⇒ η=1−cos⁡21.0θa=0.4707\text{borde: } P(\theta)=P_0\cos^{20.0}\theta\ \Rightarrow\ \eta=1-\cos^{21.0}\theta_a=0.4707NAloss:  10log⁡(0.0588)=−12.31 dB (superficie)vs−3.27 dB (borde)NA_{loss}:\ \ 10\log(0.0588)=-12.31\ \text{dB (superficie)}\quad\text{vs}\quad -3.27\ \text{dB (borde)}

Formulario

Velocidad en el mediov=c/nv=c/n
Ángulo críticosin⁡θc=n2/n1\sin\theta_c=n_2/n_1
Ángulo axial máximoφ=90∘−θc\varphi=90^\circ-\theta_c
Apertura numéricaNA=sin⁡θa=n12−n22NA=\sin\theta_a=\sqrt{n_1^2-n_2^2}
Frecuencia normalizadaV=πD NA/λV=\pi D\,NA/\lambda
Número de modosN≈V2/2N\approx V^2/2
MonomodoV<2.405V<2.405
Retardo modal (SI)Δt=Ln1c(n1n2−1)\Delta t=\tfrac{L n_1}{c}\left(\tfrac{n_1}{n_2}-1\right)
Ancho de bandaBW=1/ΔtBW=1/\Delta t
No intercepción10log⁡(Ac/As)10\log(A_c/A_s)
Pérdida por NA10log⁡(NA2)=20log⁡NA10\log(NA^2)=20\log NA
Reflexión10log⁡(1−ρ), ρ=(n1−1n1+1)210\log(1-\rho),\ \rho=\left(\tfrac{n_1-1}{n_1+1}\right)^2
Potencia en dBm10log⁡(P/1 mW)10\log(P/1\,\text{mW})
PresupuestoPTx−PRx=∑+M+αLP_{Tx}-P_{Rx}=\textstyle\sum+M+\alpha L
LEDλ(μm)=1.24/Wg(eV)\lambda(\mu\text{m})=1.24/W_g(\text{eV})
Eficiencia del LEDη=ΔP/ΔI\eta=\Delta P/\Delta I

Trampas frecuentes

  • La pérdida por NA va al cuadrado: 10log⁡(NA2)10\log(NA^2), no 10log⁡(NA)10\log(NA). Con NA = 0.2425 son −12.31 dB, no −6.15 dB.
  • Monomodo es V<2.405V<2.405, no V=1V=1.
  • Las pérdidas en dB se suman con su signo: una pérdida nunca «devuelve» potencia.
  • Si el problema da un ICL, entra en el presupuesto del enlace.
  • Redondear θc\theta_c a 80.56° en vez de 80.57° cambia Δt\Delta t de 67.58 a 67.72 ns: arrastra decimales hasta el final.
  • El germanio es un semiconductor (≈ 0.66 eV), no un aislante.
  • Calculadora en grados, no en radianes.