Ingeniería Óptica Tema 5: Uso de la óptica para transmitir y almacenar información

¤ Transmitir información: comunicaciones ópticas ¤ Almacenar información: sistemas ópticos ¤ El CD: soporte ¤ El CD: lector ¤ Otros sistemas: CD-R, CD-RW, DVD, magneto-ópticos 1

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Transmitir información

Atenuación (dB/km)

La óptica se ha utilizado desde siempre para transmitir información a distancia. Podemos pensar en torres de vigilancia, utilización de banderas y, más tarde, iluminación mediante signos como el morse. Pero tras la utilización de ondas electromagnéticas a través del aire (radiofrecuencia) o del cable (telégrafo y teléfono) la óptica quedó en desuso.

0.2 dB/km!! Ingeniería Óptica

Tema 5: Transmitir y almacenar información usando la óptica Frecuencia

Años después, a mediados de los 70, se valoró la posibilidad de utilizar la óptica otra vez como herramienta fundamental para la transmisión de grandes cantidades de información a largas distancias. La razón fundamental reside en que la atenuación de los cables de cobre aumenta de forma notable con el ancho de banda que transportan. Una guía óptica puede resolver esa situación, como se ve en la figura.

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¿Cuánto ancho de banda necesito? La multiplexación de llamadas en el tiempo (TDM) es la forma de poder compartir el medio físico.

64 64 64 64 64 64 64 64

kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s

64 64 64 64 64 64 64 64

kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s

64 64 64 64 64 64 64 64

kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s

64 64 64 64 64 64 64 64

kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s kbit/s

8 Mb/2 8 Mb/2 8 Mb/2

Etc.

2 Mb/s 8 Mb/2

Hasta 10 Gb/s

2 Mb/s 2 Mb/s 2 Mb/s Cuantas más llamadas multiplexo, mayor es la tasa de transmisión que ha de transportarse a algún sitio, y por tanto mayor es el ancho de banda necesario.

Podemos considerar que el ancho de banda necesario para transportar una señal de x bit/s es x Hz (aprox.)

Cada vez, debido a la aparición de internet, se necesita más ancho de banda-> mayor importancia van a tener los sistemas de comunicaciones ópticas Ingeniería Óptica

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Sistema de comunicaciones ópticas Un sistema de comunicaciones ópticas está formado por un sistema emisor, un canal óptico y un sistema receptor. El sistema emisor está formado por fuentes de semiconductor (láseres de semiconductor y LEDs) ya que son las únicas fuentes cuya potencia óptica se puede modular fácilmente con una señal eléctrica. El canal óptico está formado generalmente por fibra óptica, aunque también puede utilizarse la atmósfera (comunicaciones ópticas no guiadas). Finalmente el sistema receptor está formado por un fotodiodo (que convierte la señal óptica en eléctrica) seguido de la electrónica adecuada para la amplificación y filtrado de la señal. Hemos de darnos cuenta que los sistemas de comunicaciones ópticas sólo se utilizan por la posibilidad de utilizar fibras ópticas, que tienen muy poca atenuación y dicha atenuación no depende del ancho de banda.

LUZ Emisor

Canal óptico Detector

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Ventajas del uso de la óptica para transmitir información •Baja atenuación, dada por la fibra óptica. Las señales ópticas sólo se atenúan debido a la difusión de la luz en el material, pero la luz no se sale de la fibra, no se radia. Esto permite enviar señales a largas distancias. •Alto ancho de banda, dado que la frecuencia de portadora de la luz es muy alta y permite altas frecuencias de modulación. Para lograr una alto ancho de banda de transmisión se precisa que las fuentes puedan modularse y que las fibras soporten la modulación. Ambas cosas se cumplen en un sistema de comunicaciones ópticas hasta 10 Gb/s. •Ausencia de diafonía, ya que la luz no se sale de la fibra •Bajo Peso y Pequeño Tamaño si lo comparamos con el del cable de cobre: para llevar tanta información como la fibra se precisan cientos de pares de cobre que forman cables grandes y pesados. •Inmunidad ante interferencias electromagnéticas. Las fibras están hechas de vidrio, que es un material totalmente aislante a las señales eléctricas. Ingeniería Óptica

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Fibras ópticas Hemos visto que la mayor parte de las ventajas de utilizar la óptica para transmitir información es debido a las propiedades de la fibra óptica.

Una fibra óptica es una guía de ondas cilíndrica altamente flexible y realizada de tal forma que la potencia óptica se propaga mayoritariamente por una región de índice más alto que los alrededores que llamaremos núcleo. Al material que rodea el núcleo lo denominaremos cubierta (o cladding). Existen muchas clases de fibras ópticas con múltiples aplicaciones. Se pueden dividir en base a los materiales de fabricación (vidrio, plástico), tamaños (monomodo, multimodo), aplicaciones (comunicaciones, sensores, iluminación), etc. Para comunicaciones ópticas hay básicamente dos tipos de fibras: la multimodo y la monomodo. Ambas están fabricadas con óxido de silicio (vidrio) de alta pureza y la diferencia de índices entre núcleo y cladding es muy pequeña. Ingeniería Óptica

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Guiado óptico Haz incidente x

θi

Haz reflejado

θi

θi

θr

θr

θr n 1 > n2

n1

n1

y θt

z

θi < θt

n2

θi > θt

n2 θt

θt

n2

n 1 < n2

n1

θi = θr

Haz transmitido

n1 sen θi = n2 sen θt Reflexión total n1

&n # sin'c = $$ 2 !! % n1 " Apertura numérica

n2 "a

NA = n0 sen " a = (n22 ! n12 ) Ingeniería Óptica

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!c

n1

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Fibras ópticas en comunicaciones 125 mm

125 mm

10 mm 50 ó 62.5 mm monomodo (salto de índice)

1ª Protección: dos capas de acrilato

b a

multimodo (gradiente de índice) Perfiles de índice de refracción Salto de índice n1

Gradiente de índice a

a

Revestimiento: Oxido de Silicio Núcleo: Oxido de Silicio+Ge2O3

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n2

b

n2

n1

Distancia radial

b

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Fuentes de luz Tan importante como tener un medio con baja atenuación es tener una fuente de luz capaz de ser modulada a altas tasas de transmisión. Los láseres de semiconductor pueden ser modulados (encendidos y apagados) a tasas de hasta 10 Gb/s. La longitud de onda de emisión de los láseres deben coincidir con aquella que minimiza la atenuación de las fibras ópticas. Las potencias introducidas en las fibras son del orden de los mW. 4ª VENTANA

3ª VENTANA 2ª VENTANA 1ª VENTANA

1700 nm Ondas Cortas

0

102

Microondas Infrarrojo lejano Infrarrojo

VHF UHF

Ondas Largas

104

106

1550 nm

108

1010

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1012

1014

1310 nm

850 nm

Espectro visible Rayos Gamma UV

1016

Rayos Cósmicos

Rayos X

1018

1020

1022 Frecuencia (Hz)

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Sistemas de comunicaciones ópticas 









Larga distancia (alta capacidad de transmisión de información). Conecta sistemas que están separados distancias de decenas e incluso centenas de kilómetros. Transporta gran cantidad de información. Es el sistema típico de comunicaciones ópticas Metropolitanas (alta-media capacidad, corta-media distancia). Conecta nodos dentro de una ciudad. La separación entre ellos no es muy alta (un par de decenas de kilómetros como máximo). Transporta gran cantidad de información y muchos datos. LAN (corta distancia, media-baja capacidad). Conecta nodos en un entorno de campus, cuya separación no es mayor de algunos kilómetros. La capacidad no es muy alta y transmite sobre todo datos. CATV (corta-media distancia, media-alta capacidad). Es un tipo de red diferente a las otras, en el sentido de que no hay enlaces punto a punto sino que se trata de una red de distribución. Las distancias entre nodos no son muy grandes (como las metropolitanas) y el ancho de banda exigido es elevado. Radio sobre fibra (corta distancia, media-alta capacidad). Conecta estaciones base con nodos de concentración. La distancia es muy corta, pero la capacidad es alta (no de datos, pero sí de la portadora)

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Todas transmiten información digital excepto CATV y radio sobre fibra

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Transporte óptico: enlaces submarinos Cuando hacemos una llamada a USA o cuando nos conectamos a una página web en Atlanta nuestros datos pasan por una fibra óptica submarina (enlaces de + de 5000 km)

Hay una gran cantidad de enlaces de este tipo que tienen una gran capacidad: se reducen los precios de llamadas telefónicas internacionales. Ingeniería Óptica

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Uso de la óptica para almacenar información Hasta finales de los 80 la única forma de almacenar la información era utilizar materiales magnéticos. Con la aparición del láser de semiconductor se abrió la tecnología del almacenamiento óptico. De todas formas, el almacenamiento magnético no se ha estancado: los nuevos HD tienen capacidades de más de 160GB (!!). Pero la fuerza del almacenamiento óptico, como veremos, es la facilidad de replicación. El efecto en que se basa el almacenamiento óptico es la posibilidad de focalizar un haz de luz en un área muy pequeña. Dicha área depende básicamente de la difracción.

A menor λ, mejor focalización Ingeniería Óptica

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Tipos de almacenamiento óptico Los tipos de almacenamiento óptico son dos: los basados en reflexión óptica y los basados en efectos magnetoópticos. En los primeros se trata de focalizar un haz de luz sobre un medio material que refleja la luz más o menos de acuerdo a la forma en la que está fabricado el soporte, normalmente por la existencia de zonas de diferente índice de refracción que dan lugar a diferentes reflectividades. Entre ellos podemos citar el CD (soporte, sólo lectura), el lector de CD’s, el grabador de CD’s que precisa soportes tales como el CD-R o el CD-RW, y el DVD (soporte, sólo lectura), el lector de DVD’s, el grabador de DVD’s que precisa soportes tales como el DVDR o el DVD-RW. En los segundos, se trata de tener un material magnético en el que se pueda leer y escribir información utilizando la óptica. En el caso de la escritura se escribe magnéticamente en regiones en las que focaliza un haz de luz. El caso de la lectura es más complejo pues se basa en la capacidad del material magnético de rotar ligeramente la polarización de la luz, por lo que la luz reflejada en este material tiene propiedades diferentes dependiendo de si ha sido grabado un dato o no. Sus aplicaciones más importantes han sido los sistemas de almacenamiento de datos (JAZZ) y el mini-DISC. Ingeniería Óptica

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El CD (Compact Disc) El CD es el primer sistema de almacenamiento óptico que vio la luz. La historia es bien conocida: Phillips tenía la idea (y la patentó) de poder crear un sistema de almacenamiento óptico basado en el grabado de ‘agujeros’ (llamemosles así de momento) en un soporte plástico. Posteriormente se leería con un láser de semiconductor esos agujeros. Pero Phillips tenía un problema: no dominaba el aspecto electrónico y, sobre todo, de corrección de errores. Por eso pidió ayuda para el desarrollo del aparato y la encontró en SONY. Entre los dos desarrollaron el CD y su lector a principios de los 80 (curiosamente, SONY sacó su prototipo un mes antes que Phillips). Hoy en día el lector de CD’s es un producto de consmumo más cuyo precio parece ridículo en comparación a la maravilla tecnológica desde el punto de vista óptico y de señal que realmente es. Dentro de lo que llamamos tecnología de almacenamiento óptico se precisa un soporte plástico donde está grabada la información, un lector que sea capaz de distinguir qué hay grabado en el soporte y electrónica de decodificación y corrección de errores. Hablaremos a continuación de cada una de estas partes.

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CD’s: el soporte El soporte es un disco de plástico de unos 12 cm de diámetro con un agujero central de 15 mm. Estas dimensiones permiten, con el tamaño de los ‘pits’, almacenar el equivalente a 74 minutos de música o 650 MB de datos. Los ‘pits’ son rebajes sobre la cara del disco de plástico que dan lugar a variaciones de intensidad en la luz reflejada sobre el disco. Están dispuestos en espiral comenzando desde el interior hacia el exterior dejando un espaciamiento entre dos líneas de 1.6 micras lo que origina que al mirar un CD aparezca un patrón parecido al de una red de difracción (curiosidad: si esta espiral se pusiera recta mediría más de 5km). Los ‘pits’ tienen longitudes desde 0.8 a 3.3 micras.

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Sobre el plástico se deposita una capa de aluminio para aumentar la reflectividad.

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CD’s: el soporte Diámetro del disco Espesor del disco Diámetro del agujero central Área de programa Densidad de datos Velocidad lineal Velocidad de rotación Distancia entre pistas Tamaño del pit Índice de refracción del plástico Longitud de onda central

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120 mm 1.2 mm 15 mm 25 ~ 58 mm (desde el centro) 683 Mb/in2 = 1Mb/mm2 1.2 a 1.4 m/s 500 a 200 r.p.m. 1.6 µm 0.11 x 0.5 x 0.8 a 3.3 µm 1.55 780 nm

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CD’s: cómo se lee, cuestión de fase Para entender completamente cómo se graba o se regraba un CD hay que conocer una cuestión básica: la diferencia en la reflexión entre ‘1’ y ‘0’ es debida a la aparición de interferencias constructiva o destructiva en la cara del disco.

Pit

Constructiva

Destructiva

Se consigue a través de la diferencia de fase adicional que la luz que se propaga dentro del CD encuentra desde un ‘valle’ a un ‘monte’. El diseño de los pits de un CD está cuidadosamente escogido para que con el índice de refracción del plástico y a la longitud de onda del láser la diferencia de fase sea π. Ingeniería Óptica

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CD’s: protección frente a errores En el diseño del soporte CD existe una protección de los datos y de la lectura de estos a través de dos esquemas: uno óptico y otro electrónico. Desde el punto de vista óptico los datos quedan protegidos por la capa plástica de 1.2 mm, pero además esta capa y la focalización hace que aunque existan arañazos o polvo en esta cara de plástico los datos se sigan leyendo de forma fiable (efecto de desenfoque)

Por otra parte la fiabilidad de la lectura de los bits está garantizada por sistemas digitales de detección y corrección de errores, basados en detección de paridad, interleaving (mezclado de datos) y modulación EFM (que será explicada mejor más adelante). Estos sistemas pueden corregir errores muy graves en los bits. Ingeniería Óptica

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CD’s: cómo se fabrican

La auténtica gran ventaja de los CD’s es la facilidad de replicación Ingeniería Óptica

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CD’s: cómo van los datos Los datos que salen de la digitalización del sonido, se introducen en 2 bytes y hay 2 canales estéreo, por lo que cada punto digitalizado ‘pesa’ 32 bits. 6 puntos forman una trama, que contiene 192 bits. Los sistemas de corrección de errores (paridad e introducción de nuevos bits para interleaving) introducen 256 bits extra (!). Además, se realiza una modulación de los datos llamada EFM (Eigth to Fourteen Modulation) que por cada byte obtiene 14 bits. El total de trama, que estaba formada por 192 bits tiene ahora 588 bits. La modulación EFM hace que no haya transisiciones 1010.. muy rápidas que haría que el tamaño de los pits fuera muy pequeño. De hecho, con la modulación EFM nunca puede haber menos de dos ceros ni más de 10 (3T a 11T). Por ejemplo, un 10 digital es en binario 0000 1010 y con modulación EFM 1001 0001 0000 00. Démonos cuenta de que en un CD cabe mucho más de 650MB… pero son datos de control y corrección de errores! Ingeniería Óptica

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CD’s: el lector El lector de CD’s es un pequeño banco óptico que intenta extraer la información que lleva el disco. Para ello hace focalizar un haz de luz proviniente de un láser de semiconductor sobre la cara del disco (como ya sabemos). En primer lugar el haz pasa a través de un divisor de haz dependiente de la polarización, de forma que a la ida el haz pasa hacia el disco, pasa a continuación a través de una lámina λ/4 que convierte la polarización en circular y que hace que, finalmente, y tras reflejarse en el disco, a la vuelta la polarización haya girado 90º y se dirija hacia el sistema de detección. Lo complicado es hacer que el haz de luz siga la espiral sin saltar a la pista de al lado (tracking lateral) y que el haz focalice en la cara interior del disco con precisión de ½ micra (tracking de focalización). Veremos a continuación estos sistemas. Ingeniería Óptica

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Lector de CD’s

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CD’s: tracking de focalización Este sistema hace uso de una lente con astigmatismo y un detector de cuadrante. La precisión tiene que ser mejor de ½ micra.

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CD’s: tracking de pista

Correcto

Fuera de track Ingeniería Óptica

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CD’s: cómo se graba un CD-R ó CD-RW En lo que respecta al lector, no cambia nada… por lo que todo debe estar dentro del soporte (disco). La idea de hacer agujeros dentro de un disco no tiene mucho sentido, por que el material eliminado debería ir a algún sitio y porque no se podrían regrabar los discos. La idea es diferente, la idea es conseguir cambiar algún elemento de algunas zonas utilizando materiales que al ser calentados cambian de estado. En el caso de los CD-R lo que se tiene es un dye, o material que cambia de color cuando es sometido a algún proceso físico o químico. Al calentarlo con un láser (de escritura) se cambia bien el índice o la transmisión de esa zona.

Disco grabable

Cambiando el índice podemos llevar una zona de interferencia positiva a negativa. En el caso de los CD-RW es más complicado porque queremos que el proceso sea reversible. Existen, no obstante unos materiales que permiten pasar de estado cristalino a amorfo de forma reversible, lo cual modificaría el índice de refracción y, por tanto, la reflectividad del disco en las zonas en que se grabara.

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El CD-RW

Los discos deben llevar hecha de antemano la espiral de control para saber dónde escribir los datos.

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DVD’s: un CD en pequeñito…por dentro Aumentando la NA de la lente y disminuyendo la longitud de onda se ha multiplicado la capacidad del disco un factor 7. Gracias a esto la cantidad de información almacenada es mayor con el mismo tamaño. Longitudes de onda más pequeñas darán lugar a mayores densidades de pit y por tanto mayor capacidad del disco.

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DVD

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Información que cabe en un DVD

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Nuevas formas de leer de un disco Los DVDs admiten una forma de lectura en dos capas que permite el efecto desenfoque comentado anteriormente. Lo complicado es grabarlo en DVD-R…

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Magnetoópticos Los sistemas de grabación-lectura magnetoópticos son más complicados y no han tenido el éxito de los sistemas reflectivos. Aunque la grabación es sencilla (se graba magnéticamente sólo en aquellas zonas calentadas por un láser) la lectura es complicada, ya que un haz láser que refleja en el material magnético sufre una pequeña rotación (de apenas 2º) en el plano de polarización. Detectar esa pequeña variación y obtener una adecuada SNR no es sencillo, pero los sistemas magnetoópticos han funcionado en los últimos años sin problemas.

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