7/23/2019 Fundamentos de comunicaciones opticas http://slidepdf.com/reader/full/fundamentos-de-comunicaciones-opticas 1/275 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Departamento de Tecnología Fotónica Fundamentos de Comunicaciones Ópticas: Guía de Prácticas
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Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE
COMUNICACIONES ÓPTICAS
Aunque los intentos de transmitir información por medio de la luz se remontan a la
antigüedad, tan sólo recientemente se ha conseguido realizar tal transmisión de modo
eficiente y útil. Para ello ha sido necesaria la aparición de dos hitos tecnológicos
independientes: el láser y la f ibra óptica . El primero ha evolucionado hasta llegar a ser
un dispositivo fiable y de precio competitivo que alcanza holgadamente velocidades detransmisión de varios Gbps. La segunda ha conseguido transformarse en el medio de
transmisión idóneo para la región del espectro en torno a 1 m, con atenuaciones
próximas al límite teórico, y control –a través de parámetros de fabricación – de la
dispersión temporal producida por el medio que, en último término, es el factor que
limita el ancho de banda tolerado por el mismo.
Estas notas no pretenden ser un curso introductorio de Comunicaciones Ópticas, sino un
apoyo al alumno para mejorar su comprensión sobre el fundamento teórico de las
Prácticas que realiza, y sobre los resultados que cabe esperar en un determinado
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En caso contrario (Figura Fund.4), si se aumenta paulatinamente el ángulo se alcanza un
valor, llamado ángulo crítico , para el cual el haz de salida es rasante (sen t = 1 ). Para
ángulos superiores se produce un fenómeno denominado ref lexión total interna . No
existe componente transmitida y –lo que resulta fundamental para ComunicacionesÓpticas – no se p ro du cen pérd idas en la reflexi ón .
II.1.2. Gu iado de luz
Para guiar luz por el interior de un dieléctrico sin pérdidas por reflexiones1, por
consiguiente, se necesita disponer de una lámina o cilindro de material dieléctrico
rodeado de otro dieléctrico de menor índice de refracción. Cuando la estructura es plana
(al estilo de un sandwich, con un dieléctrico de alto índice entre dos de bajo índice), se
dice que se tiene una guíaon da óptic a p lana . Se emplean preferentemente en Óptica
Integrada, y también conforman la estructura de los diodos láser y los LEDs. Lo más
normal, sin embargo, es que la guía tenga forma de hilo, con el dieléctrico de bajo índice
rodeando al de alto índice Se trata entonces de una f ibra óptica y los dos dieléctricos
Figura Fund.4. Transmisión desde un medio de m ayor índice a o tro d e meno r. Porencim a del ángu lo c rítico (centro ) se pr od uce r eflexión tot al (derecha).
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aceptación m, por encima del cual la lu z int rodu cid a en la guíaon da n o s e guía . El
seno de ese ángulo recibe el nombre de aper tu ra numérica (AN) , y es un parámetro
fundamental que caracteriza una fibra óptica o guíaonda plana.
De la propia definición de ángulo crítico, aplicando la ley de Snell resulta que
cubierta ynúcleodeíndicesnnn
nc :,sen 21
1
2 1
Aplicando nuevamente Snell en la interfase vertical de la figura Fund.5, se llega a
2
2
2
1sen nn AN m 2
II.2. MODOS
Cuando se pretende aplicar una teoría electromagnética rigurosa al fenómeno del guiado
de luz, los planteamientos no son tan simples. Lo que sucede es que se sigue cumplien-
do que existe un ángulo de aceptación máximo (la apertura numérica ya vista), pero el
hecho de introducir la radiación luminosa con un ángulo menor que AN no garantiza que
Figu ra Fund.5. La lu z se guía po r en cim a del áng ulo crític o. Est e áng ulo determ ina u n áng ulomáxim o de acep tación a la entrada, cuy o seno se deno min a APERTURA NUMÉRICA.
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La constante de propagación mide, en cierta forma, la velocidad con que se propaga
cada modo. Si la radiación fuese no guiada, se propagaría en el medio como k·n1. Al ser
guiada, se propaga según
. Comparando ambos casos surge el concepto de índice
efect ivo N : la radiación acoplada en cada modo se propaga "como s i " el índice del
núcleo de la fibra fuese
sen/ 1 nk N 4
II.2.2. Frecuencia de co rte
Los modos, como distribuciones de
campo que permiten el guiado de la
Figura Fund.6. La compo nente estacionaria determina el modo. La otra comp onente, , es lacon stante de p rop agación, resp ons able de la transmis ión de la señal po r la g uía.En el ejemplo se muestr a una guíaond a plana, co n tr es índic es dis tinto s, El casode la f ibr a óptic a es idént ico , aunqu e sólo co n d os índ ices , n1 y n2.
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de corte. Se deduce inmediatamente que, si se hace suficientemente larga la longitud de
onda, cualquier fibra acaba guiando un solo modo. Éste es el fundamento de las fibras
ó ti d d i t i C i i Ó ti E l Fi
Figur a Fund .8. Diagram a b-V para fibras de índ ice abrup to. Por d ebajo d e la frecuenc ianorm al izada V=2,405 (corte del segund o m odo ), cualquier f ibra es mon omo do.
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adimensionales. El parámetro V se llama f recuencia norm al izada y b recibe el nombre
de parámet ro d e guía .
2
2
2
1
2
2
2)/(
nn
nk b
5
AN
ann
aV
22 2
2
2
1 6
En esta representación, las líneas kn1 y kn2 pasan a ser dos líneas horizontales en
ordenadas 1 y 0 respectivamente. Los modos pueden ahora representarse en este
diagrama (Figura Fund.8), y la frecuencia de corte de cada uno vendrá dada por el valor
de V para b=0 . Concretamente, cualquier f ibra con V<2,405 es mon omodo .
II.3. DEGRADACIÓN DE LA SEÑAL Si en una fibra óptica existen varios modos capaces de transportar luz guiada, se irán
produciendo retrasos de la potencia transportada por unos modos respecto a otros. La
idea fundamental para Comunicaciones Ópticas es que si la energía de un pulso
luminoso se distribuye a la entrada entre varios modos, llegará al otro extremo en forma
de pulso ensanchado. Este fenómeno se conoce como dispersión intermodal.Si se observa la ecuación, además, se ve que existe una dependencia con la longitud de
onda. En consecuencia si la fuente que se emplea como emisor no es completamente
monocromática, también se ensancharán individualmente los pulsos guiados por cada
uno de los modos. Este fenómeno se conoce como dispersión intramodal.
En un Apartado posterior se estudia la forma de minimizar la dispersión total del medio,
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refracción y viceversa. De este modo se consigue "acelerar" los modos más lentos y
" frenar" los más rápidos. Con ello se reduce notablemente la dispersión intermodal.
Las fibras ópticas multimodo de índice abrupto fueron las primeras que se emplearon.
Actualmente, sin embargo, sólo se encuentran comercialmente en vidrio y en plástico
para aplicaciones especiales. Sus diámetros son mayores que los indicados en la figura,
pudiendo superar 1mm.
II.5. FACTORES QUE LIMITAN LA TRANSMISIÓN
Ya hemos visto en II.3. que los pulsos que se propagan por una fibra sufren
ensanchamientos que eventualmente limitan el ancho de banda (en realidad, el producto
ancho de banda x distancia) por solapamiento entre pulsos contiguos (ISI, intersymbol
interference ). Adicionalmente, la señal se atenúa por varios factores concurrentes, loque incide en una limitación de distancia alcanzable por la señal.
II.5.1. Dispersión
La dispersión temporal de los pulsos tiene dos orígenes fundamentales: intermodal e
intramodal. La dispersión intermodal, la más grave, puede reduci rse utilizando fibras
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siendo la eficiencia cuántica Los driver para LDs deben diseñarse teniendo presente su
característica. Para controlar un LD, se le inyecta constantemente una corriente
ligeramente superior a la del umbral, y sobre ella se superpone la corriente de señal.
El valor de la corriente umbral de un dispositivo LD depende fuertemente de la
temperatura. A medida que aumenta, aumenta también el valor umbral. Este punto es de
crucial importancia para la manipulación de un LD: cualquier pequeña variación de
temperatura puede alterar significativamente la potencia de salida. Por esta razón, losLDs comerciales suelen incorporar un fo todiodo de contro l interno , que mide
continuamente la potencia de salida. Ello permite a su vez que el dispositivo puede
trabajar en modo potencia constante, inyectando la corriente necesaria en cada caso
para que la potencia se mantenga. Opcionalmente, puede también trabajar en modo
corriente, manteniendo constante la corriente y variando la potencia.
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parámetro que se emplea para medir la eficiencia externa del fotodetector es la
responsiv idad :
W
A
hc
e
P
I
óptica
fotod iodo 8
Tal como está formulada, se observa que la responsividad de un fotodetector idealaumenta monótonamente con la longitud de onda mientras se mantenga constante el
rendimiento cuántico
. Esto es aproximadamente cierto durante toda la banda, y deja de
serlo bruscamente cuando se desciende de la energía del gap. En la figura Fund.18 se
observa un ejemplo para fotodetectores de Si, cuyo gap equivale a=1,1 m. La
responsividad de los fotodetectores reales sigue la misma tendencia, como puede
observarse.
IV.2. EL CIRCUITO DE RECEPCIÓN
El circuito de recepción, en especial el amplificador, se he de estudiar conjuntamente con
el detector porque incide directamente sobre el ru ido del sistema, y por tanto sobre la
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En la figura siguiente se puede observar un histograma de la distribución de unos y ceros.
El eje vertical representaría los niveles de corriente detectados para unos y para ceros.Las funciones representan la probabilidad de detectar un uno para una corriente “ y”
( p( y|1)) o un cero para una corriente “y ”( p(y|0)).
La probabilidad de error viene dada por:
1 0( ) ( ) (0 /1) (1/ 0)e D D BER P aP I bP I aP bP , es decir la probabilidad de recibir un
uno “a ” por la probabilidad de detectarlo con una
corriente inferior a la umbral (P1(ID)) (se
detectaría como un cero) mas la probabilidad de
recibir un cero “b ” por la probabilidad de
detectarlo con una tensión superior a la umbral
(P0(ID)) (se detectaría como un uno).
P(0/1) sería el área rayada que queda por debajo
del umbral y P(1/0) sería el área rayada que
queda por encima del umbral. Estas probabilidades se calcularían para una corriente “ I ”
como:
(0 /1) ( |1) (1/ 0) ( | 0) I
I P p y dy y P p y dy
APROXIMACIONES
Suponemos que la corriente de salida I out (t) sigue una distribución gaussiana,tanto para los unos como para los ceros. En este caso, la desviación estándar σ
MANEJO DE LA INSTRUMENTACIÓNESPECÍFICA DEL LABORATORIO
I. Fibras Ópticas y DispositivosPasivos
En el Laboratorio de Comunicaciones Ópticas se manejan varios tipos de fibras ópticas
(FO) que a su vez vienen protegidas de diversos modos. Su manejo depende del t ipo de
f ibra y del recubrimiento de protección.
I.1. TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS
Se emplearán tres tipos fundamentales de FOs:
F IBRA DE P LÁSTICO (POF, P LASTIC O PTICAL F IBER ). Son fibras multimodo hechas de
plástico transparente, que se utilizan en la región visible del espectro (en nuestrocaso, se usarán a 650 nm, en el rojo).Tienen una atenuación muy elevada (se mide
en dB por metro , no por ki lómetro ) y una dispersión muy alta. Por ello no sirven para
Comunicaciones Ópticas a larga distancia. Sí son útiles, por ejemplo, para conexiones
de pocos metros (por ejemplo, entre dos ordenadores). En el Laboratorio resultan
muy adecuadas porque tienen un núcleo muy grande (en torno a 1 mm), que las hace
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Los conectores deben estar tapados siempre que no se encuentren en uso, para
evitar que se ensucie el extremo de la fibra. Recuerde que está manipulando luz .Cualquier resto de suciedad en la cara del conector introducirá pérdidas en el enlace.
Los conectores de las fibras de plástico carecen de lengüeta, y se conectan por
presión, hasta escuchar un "clic". Se extraen tirando con cuidado del conector.
I.4. ACOPLADORES
Como es sabido, algunas manipulaciones que resultan muy simples con cables eléctricos
son bastante complejas en FOs. En particular, se encuentran en este grupo todas las
operaciones relacionadas con continuidad de las líneas (empalmes, uniones
provisionales) y con el encaminamiento de la señal (bifurcaciones, divisiones de señal,
inyección de señales a una misma línea, transmisión punto-multipunto). En otras
palabras, resulta más sencillo garantizar la continuidad eléctr ica que la óp tica .
Para poder realizar estas operaciones de
un modo sistemático, se han desarrollado
familias de elementos pasivos conocidos
con el nombre genérico de acopladores .Los acopladores (Figura I.1) son dispositi-
vos que combinan y/o separan las señales
procedentes de una serie de FOs. Suelen
distinguirse por su número de entradas y de salidas . Así se habla de acopladores 1x2,
2x2, o en general, MxN. Si las entradas son intercambiables por las salidas (depende de
Figura I.1. Aspecto real de un acoplador2x2 y esquema de un 2x2 y unMxN. Las asignaciones depuertas pu eden variar.
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Directividad. Potencia de una entrada que se acopla a otras. Tal como está
formulada, es tanto mejor cuanto mayor es:
ik P
P 10= D
k
entradai
log 4
I.4.2. Mult iplexores por divis ión en long itud de onda
Otro tipo de dispositivos pasivos de gran utilidad en Comunicaciones Ópticas son unos
elementos capaces de separar diferentes longitudes de onda de un canal. Pueden
considerarse un tipo especial de acopladores 1xN, en los que la potencia óptica
procedente de la única entrada se distribuye entre dos o más salidas según su longitud
de onda (ello permite enviar varias señales simultáneas por la misma fibra y separarlas a
la salida). Reciben el nombre de multiplexores por división en longitud de onda
(wavelength d ivis ion m ult ip lexer, WDM) . Los dispositivos son bidireccionales, es decir,
pueden servir para separar radiación de diferentes longitudes de onda que viaja por la
misma fibra, o para combinar varias longitudes de onda en una sola salida.
Los parámetros de caracterización de los WDM son los mismos que los ya
relatados para los acopladores. Poseen además como parámetros característicos, ladiafonía y el aislamiento, que mide la relación de potencias de diferentes longitudes
de onda en la misma sal ida . Así pues, es una medida del poder d e separación
LCOBM – Conceptos Básicos, Instrumentación y Manejo de Dispositivos
II. Emisores
Los emisores que se utilizan en Comunicaciones Ópticas son fundamentalmente de dos
tipos: diodo s emisores d e luz (LED) y láseres, en particular diod os láser (LD) . En el
Laboratorio se emplea para la mayoría de montajes una caja de emisores que aparece
en la Figura II.1.
II.1. MÓDULOS DE LA CAJA DE EMISORES
La caja de emisores está
formada por cuatro módulos
Figura II.1. Esquema de la caja de emisores del Laboratorio. Los tres módulos de la izquierdacon tienen LEDs, y el de la derech a es un dio do láser. Las long itud es de ond a defun cion amiento están especific adas en cada módu lo.
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Dos conectores BNC para entrada de señal moduladora.
Un conmutador para seleccionar una de las entradas anteriores (modulación digital o
analógica).
Un potenciómetro para controlar la potencia luminosa de salida del LED o LD.
(a la derecha) Un pasamuros donde se introduce el conector de fibra. En el módulo de
650 nm, el pasamuros instalado es para fibra de plástico. En los tres restantes seencuentra un pasamuros FC. (¡Recu erde alin ear la lengüeta y la ranu ra!).
Medida de la corr iente consumida por el emisor LED. Relacionada con el
potenciómetro anterior. La medida se realiza con un polímetro, registrando la tensión
que cae en una resistencia instalada internamente que equivale a 10 .
El interruptor de encendido del módulo. Salvo indicación expresa, los módulos en
uso deben dejarse encendidos durante toda la práctica.
II.2. EL MÓDULO DEL DIODO LÁSER
En la Figura II.3 se muestra el módulo deldiodo láser. Además de los controles des-
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El sensor de corriente incluido en los demás módulos aparece también en el módulo
LD, pero se incluye además un sensor de potencia. Esta medida procede delfotodiodo de control interno. Así, en el módulo LD se puede monitorizar la corr iente
entregada al dispositivo, y simultáneamente, de forma independiente, la potencia de
salida del láser.
En el centro del módulo se ha incluido un nuevo conmutador, etiquetado
CORRIENTE /POTENCIA. Con él se puede escoger el modo de funcionamiento del láser:estabilización en corr iente (se mantiene constante la corriente con independencia de
la potencia de salida) o estabilización en potenc ia (se manipula la corriente para que
la potencia, medida constantemente por el fotodiodo interno, sea constante).
II.3. PRECAUCIONES DE MANEJO DE LA CAJA DE EMISORES Las precauciones específicas que deben observarse con la caja de emisores son dos:
Seguridad. Las conexiones etiquetadas "S ALIDA F IBRA ÓPTICA" llevan inmediatamente
detrás un LED o diodo láser. En casi todos los casos se trata de luz infrarroja,
invisible al ojo. Aunque la potencia no alcanza niveles elevados, no es aco nsejable
m irar a tr avés d el con ecto r s i la fuen te es tá enc end ida. Esto es especialmenteimportante en el caso del diodo láser , cuya luz colimada se enfoca fácilmente en la
retina. Como norma t rabaje siempre con los emiso res en un plano h orizontal , a
una altura infer ior al pecho.
Deterioro del m aterial . No introduzca ningún objeto en los orificios de los conectores.
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III. Generadores
La caja de generadores de señal se muestra en la Figura III.1.
Consta de tres módulos iguales. Cada uno de ellos lleva un conmutador, de 10
posiciones, que controla la frecuencia de la señal, y una pareja de BNCs para salidas depulsos de reloj y de datos. En la posición 10, la frecuencia del reloj es de 40 MHz. Cada
posición anterior divide la frecuencia por 2: la 9 corresponde a 20 MHz, la 8 a 10 MHz,
etcétera. La posición 1 corresponde aproximadamente a 78 kHz.
Los tres módulos son idénti cos y síncro nos , puesto que la señal maestra se produce en
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IV. DETECTORES
La caja de detectores se muestra en la Figura IV.1. Consta de tres módulos equivalentes
situados en la parte izquierda, y uno especial, etiquetado pin InGaAs que ocupa la parte
derecha.
Los tres módulos de la izquierda contienen fotodetectores a tres longitudes deonda: 650 nm (para fibra de plástico; el conector es también POF), 820 nm y 1300 nm
(primera y segunda ventana, con conectores FC).
En cada uno de los tres módulos, por encima de los conectores de fibra se hallan dos
conectores BNC. Son salidas que permiten extraer la señal recibida por el
Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas
Ambos con opción de aplicar el driver de modulación digital o analógica siendo losmodos de polarización distintos – AN. (modulación Analógica) DIG. (modulación Digital).
LD 1300nm (sólo modulación analógica).
Caja de Detecto res
Receptores con salida digital y analógica (Digital_OUT, Analog_OUT). El
funcionamiento de los comparadores en la salida Digital_OUT requiere conectar
el conmutador de Digital_OUT a ON.
Entrada de fibra de plástico: fotodetector de 650 nm.
Entrada conector FC:
Fotodetector p-i-n 820 nm + amplificador de transimpedancia,
Fotodetector p-i-n 1300 nm + amplificador de transimpedancia.
Receptor con salida analógica (Analog_OUT).
Entrada conector FC:
Fotodetector p-i-n InGaAs 1300 nm con circuito de polarizacióncontrolable.
Caja de generado res
Tres módulos iguales con 10 frecuencias diferentes.
Salida de señal de reloj.
Salida de señal de datos.
Además se dispone de elementos auxiliares y aparatos de medida:
Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas
I.2.E. Para la fuente del LED de 1300 nm, repita I.2.A y mida la potencia máxima
emitida y la corriente de polarización del LED en ese punto. Calcule la relaciónPotencia en fibra/Corriente inyectada (W/A) para la mitad de la corriente de
polarización anterior.
I.2.F. Determine el valor de la eficiencia cuántica interna para cada tipo de LED e
identifique cual de ellos tiene mayor eficiencia interna. Considere la potencia
óptica emitida, Pe, igual a la potencia en fibra y una eficiencia cuántica de
extracciónn del 0,1% (se incluyen las pérdidas de acoplo a la fibra, n=3,5).
Recuerde: Pe = ηext Pint ; int int
hc I P
q
;
int
º _ _
º _ _
n de fotones generados
n de electrones inyectados ;
I.3. RESPUESTA EN POTENCIA DE UN DIODO LÁSER
P RECAUCIÓN : Nun ca m ire dir ectamen te a la salida d el emis or láser. Realice lascon exion es co n la potenc ia al mínim o.
No apague el emi so r du rante to da la práctic a
Objet ivos : En este apartado se analizará la característica de la potencia óptica
emitida en función de la corriente en un diodo láser, curva P-I.
Adicionalmente se medirá la relación entre la potencia emitida y la
corriente fotogenerada en el fotodiodo monitor interno del LD.
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Método d e med id a: El esquema de funcionamiento del módulo láser de la caja de
emisores (Fig. I.6) se puede observar en la Fig. I.7. Se empleará el mismo método demedida que en el apartado anterior, variando la corriente de polarización por el diodo
láser, anotando la tensión en bornas de una resistencia de 10 [Sensor I] y midiendo la
potencia emitida en el medidor de potencia óptica (Fig. I.8). Simultáneamente se medirá
la corriente en el fotodiodo monitor de potencia del diodo láser, anotando la tensión en
bornas de una resistencia VMonitor .
Procedimiento experimental :
I.3.A. Conecte el medidor de potencia al láser de 1300 nm por medio de un latiguillo de
fibra multimodo. Coloque el conmutador An./Dig. en la posición An. Ajuste la longitud de onda del medidor de potencia a la longitud de onda de
la fuente a caracterizar.
Conecte uno de los polímetros, en escala de Voltios DC, a las bornas
[V= 10*I] del láser, cuya tensión es proporcional a la corriente que lo
Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas
Fig. I.9. Cu rvas características de fot od iodo s. El pu nto de tr abajo en cada m edida es tá en elcruce de la cur va I-V correspo ndiente a la potencia ópt ica incidente con la recta decarga del ci rcui to.
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de proporcionalidad calculado en I.3.E. Mida la tensión en la resistencia de carga
del PIN (VRL).I.5.C. Repita las medidas anteriores para 40, 60, 80 y 100 µW. Represente en una
gráfica los valores de la tensión leída en la resistencia de carga del fotodiodo
PIN (proporcional a la corriente fotogenerada) frente a la tensión leída en el
monitor de potencia (proporcional a la potencia incidente), y compruebe la
linealidad de la respuesta.
I.5.D. Calcule la responsividad del fotodiodo. Si el valor obtenido es muy diferente de
0,9 A/W, repita las medidas o los cálculos.
I.6 RESPUESTA EN TENSIÓN DE UN FOTODIODO CON
AMPLIFICADOR DE TRANSIMPEDANCIA EN FUNCIÓN DEPOTENCIA ÓPTICA DETECTADA
Objet ivos : Mediante el montaje desarrollado en este apartado se pretende
caracterizar la respuesta eléctrica de un fotodiodo con amplificador, en
función de la potencia luminosa incidente.
Método de med id a : En primer lugar se determinará el offset del amplificador, es decir,su tensión continua de salida cuando la potencia óptica de entrada es
nula. Posteriormente se medirá la linealidad de la respuesta del detector
al variar la potencia óptica incidente.
Para la medida de la potencia incidente en el detector se utilizará un
acoplador 2x2 y se supondrá que la potencia incidente en cualquiera de
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I.6.F. Compare las unidades de la responsiv idad medida en este apartado y el
anterior (I.5.D) y explique el origen de la diferencia.
I.7 APERTURA NUMÉRICA DE LA FIBRA DE PLÁSTICO
Objet ivo: Mediante un método sencillo se medirá la apertura numérica de una fibra
óptica. El requisito para utilizar este método es emplear luz visible y
utilizar una fibra de plástico, en la que el valor de la AN sea grande.
Método d e med id a: La luz emitida por la fibra de plástico se proyecta sobre una
pantalla a una distancia d de la fibra. Se determinará el diámetro D de la
zona iluminada. Se considerará que la AN puede aproximarse al seno
del ángulo del cono l um ino so de salida, que se determinará
geométricamente a partir de d y D :
sen2
tg AN d
D
Procedimiento experimental :
I.7.A. Conecte el latiguillo de fibra de plástico al LED de 650 nm y al soporte deplástico. Proyecte la radiación de salida sobre una pantalla, y mida la distancia
fibra-pantalla y el diámetro del círculo iluminado. Necesitará trabajar en
condiciones de baja luz ambiente.
I.7.B. Repita las medidas para varias distancias fibra-pantalla. Determine la AN como
Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas
No olvide incluir en su cuaderno la solución a las preguntas planteadas en el desarrollo
de la práctica (cuestiones, cálculos, curvas…) y todos los resultados de las medidasrealizadas. Para facilitar un resumen de los resultados, incluya en su cuaderno las
- Utilice una frecuencia cuyo periodo sea mucho mayor que el retardo
máximo esperado para evitar incertidumbres en los impulsos a medir.
Calcule la velocidad de propagación y el índice efectivo, conociendo la
longitud del carrete de fibra y el retardo entre ambas trazas,
Valor es típic os :
Long i tud del Carrete 4,5 – 5 km Retardo de los flanco s 20-25 µs
Velocidad de Propag ación 200.000 km /s Índ ice efectivo 1,5
Compruebe, sustituyendo el carrete de fibra por un latiguillo, que el retardo
introducido por los sistemas electrónicos es despreciable.
II.3.B. En este caso utilizaremos como generador la señal de datos 1 de la caja de
generadores , con una tasa de 5 Mbps. Aplicaremos esta señal a la entrada digital del
driver de 820 nm, cuya salida óptica aplicaremos al carrete de 5 km de fibra. La salidaanalógica del módulo receptor correspondiente, la aplicaremos al canal 1 (acoplamiento
CA) del osciloscopio. Para reducir la distorsión de la señal de adaptar impedancias,
colocando el adaptador de 50 en la entrada del osciloscopio.
Para observar todas las posibles transiciones, se sincroniza con la señal de reloj en
sincronismo externo, y se selecciona persistencia en el Menú Display. La frecuencia
del reloj de sincronismo deberá ser igual o menor a la tasa binaria de la señal para
garantizar la observación de todas las transiciones
El resultado será un diagrama de ojo del canal. Maximice y centre la señal en la pantalla
empleando el Vernier (CH Menú Ganancia Variable Fina) y mida la pendiente los
flancos de subida y bajada; con el fin de familiarizarse con el osciloscopio, realice la
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería
III. Práctica 3: Balances de Tiempo y dePotencia en un Enlace
En esta Práctica se medirá el ancho de banda de un sistema óptico. Se estudiarán
diferentes enlaces variando los elementos que lo componen (fibra, drivers digitales y
analógicos, LED o láser, detectores con o sin amplificador), midiendo su respuesta en eltiempo o en la frecuencia y se calcularán los balances de tiempos en función de los
componentes de un enlace.
En segundo lugar se transmitirá una señal de vídeo en banda base empleando diversos
emisores y receptores, y se observarán los efectos del punto de polarización del emisor
sobre la calidad de la imagen recibida. A continuación, se transmitirá una señal de video
a través de varios canales con atenuación, reconstruyendo la señal mediante un
repetidor, cuando sea necesario. Se calculará, teóricamente, el balance de potencias en
función de las características de los elementos del enlace y se comparará con la
limitación real del enlace.
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería
Objet ivos : Estimar la respuesta en el tiempo frente a una función escalón de loscircuitos y dispositivos optoelectrónicos, midiendo las respuestas en el
tiempo de sistemas ópticos con diferentes transmisores, receptores, y fibra.
Método d e med id a:
Se aplicará una señal cuadrada a la entrada del driver correspondiente al emisor,
y se medirán los tiempos de subida o bajada del sistema a la salida del receptor.
Al analizar los resultados de las medidas se tendrán en cuenta las siguientes
Seleccione una señal sinusoidal de 1 kHz en el generador
Mantenga la posición AN. en el conmutador AN./DIG. del LD, puesto que vaa modular con una señal analógica de baja frecuencia.
Mantenga la posición Digital-Out OFF (Comparadores OFF) en la caja dedetectores, ya que no va a utilizar los comparadores de los receptoresdigitales.
Lleve al máxim o el potenciómetro Vcc del PIN para asegurar que la unión pn
está polarizada en inversa y seleccione una resistencia de carga de 30 k con el conmutador.
III.2.E. Ajuste la señal del generador a 100 mVpp con objeto de no superar el recorrido
de la curva característica del láser. Conecte el polímetro en escala de voltios DC
en las bornas [V= 10*I] del láser y ajuste la corriente de forma que el láser estépor encima del um bral (aprox. 10 mA). Compruebe en la pantalla que la señal
de salida del PIN no está distorsionada (si lo está reajuste la amplitud del
generador y el punto de polarización). Mida la amplitud de la señal de salida
(canal 1).
III.2.F. Mida la frecuencia de corte superior por el procedimiento descrito en III.2.C.
Repita las medidas empleando resistencias de carga de 10 k y 2 k, anotando
en cada caso el valor de la amplitud de la señal de salida a 1 kHz.
Valo res Típi co s
Resistencia deCarga R L
Frecuencia de cortesuper ior f 3dB (kHz)
Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores
III.3.B. Realice el montaje experimental de la figura, en el que empleará como emisor el
láser de 1300nm.
Coloque el conmutador AN./DIG. del láser en posición AN.
Coloque el conmutador CORR/POT está en CORR
Gire el control de potencia del láser al mínimo.
Utilice el atenuador BNC -20 dB para disminuir la amplitud de la señal a la
entrada de la modulación del láser.
III.3.C. Varíe el control de potencia del láser hasta obtener una imagen con la mejor
cal idad posible en el monitor.
Mida la corriente de polarización en el láser en esas condiciones
Corriente de polarización para obtener la imagen co n m ejor cal idad ….. mA
Dibuje, acotándola, la señal que observa en la pantalla del osciloscopio.
III.3.D. Varíe la corriente de polarización del láser, tanto a altos como a bajos valores,
observado su efecto en la imagen y en la señal mostrada en el osciloscopio.
III.3.E. Compruebe qué sucede si no se emplea el atenuador BNC -20 dB.
III.3.F. Transmita la señal de vídeo empleando cada uno de los LEDs (650 nm, 820 nm y
1300 nm). Varíe la corriente de polarización del LED, observando su efecto en la imagentanto a altos como a bajos valores. Por supuesto, cada LED se utilizará con su fibra y
Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores
En esta práctica se analizará la respuesta en frecuencia eléctrica de diversos sistemasde Comunicaciones Ópticas, empleando tanto modulación analógica como digital, paralo cual se utilizará un Analizador de Espectro Eléctrico (AEE). En primer lugar seobservará el espectro eléctrico de la señal transmitida al modular analógicamente undiodo láser por encima y debajo del umbral. En segundo lugar se observará elespectro al modular un LED con datos en formato digital. Finalmente, en el último
apartado se estudiarán las características de transmisión de un sistema de fibra deplástico, observando el efecto de la atenuación en la fibra sobre la potencia óptica yeléctrica de la señal recibida y se estimará el nivel de ruido del sistema.
El AEE permite observar los espectros de las señales aplicadas, que anteriormentehan sido calculados de forma teórica, permitiendo calibrar las medidas obtenidas.
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería
df de señales de espectro continuo, habrá que tener en cuenta la anchura del
filtro utilizado, y dividir el valor de potencia indicado por el AEE entre dicho ancho debanda.
Si una señal es periódica, su espectro consiste en una serie de componentes discretas
de potencia finita en las frecuencias múltiplo de la frecuencia básica o fundamental.
Claramente, el filtro paso-banda no puede ser infinitamente estrecho, así que el
resultado estará formado por picos de anchura igual a la del filtro. A esta anchura sedenomina resolución del espectro y suele poder ajustarse en función de la medida a
realizar; así en el AEE del laboratorio podremos seleccionar 20 ó 400 kHz.
Un parámetro que hace especialmente útil a los AEE es su rango dinámico,
normalmente superior a 60 dB, que permite comparar componentes espectrales con
amplitudes muy diferentes. Aprovecharemos esta capacidad para medir cómo sedistorsiona una señal analógica al ser transmitida por un canal óptico.
En la zona inferior de la pantalla puede apreciarse normalmente el ruido propio del
equipo cuando se conecta a su entrada una impedancia de 50Ω (si ésta es su
impedancia de entrada) y determina la sensibilidad del equipo.
En cuanto a los controles del AEE del laboratorio, además de seleccionar su
resolución, como se dijo antes, podemos introducir atenuaciones de 10 dB con la
botonera próxima a la entrada, además de subir o bajar la traza de forma continua. En
cuanto al eje de frecuencias, podemos seleccionar la escala en MHz/cm y desplazar la
imagen para centrar la zona de la frecuencia de interés. La escala vertical es fija y vale
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Varíe la corriente de polarización y observe qué ocurre con los armónicos cuando la
señal se distorsiona, bien por bajar de la corriente umbral, bien por saturación.
Compruebe también que la distorsión es pequeña cuando todo el recorrido de lacorriente está por debajo del umbral, si bien el pico fundamental tiene un valor mucho
más bajo (es lineal, pero prácticamente no emite luz).
Cuaderno de Laboratorio:
Dibuje un esquema del montaje utilizado, indicando los equipos y sus conexiones y los
parámetros utilizados.
Dibuje las formas de onda y espectros observados, con sus respectivas cotas, tanto enla medida de Ith, como con distorsión.
2. Espect ro de un a señal de datos pseudoaleator ia
En este montaje realizaremos la transmisión de una señal de datos y analizaremos el
espectro de la señal recibida. Emplearemos el emisor LED a 1300 nm y el
correspondiente módulo receptor.
La señal de datos es una secuencia de máxima longitud (MLS) generada en un
registro de desplazamiento de N etapas con una cierta realimentación. El resultado es
una secuencia periódica de 2N-1 bits que contiene todas las combinaciones de N bits,
salvo la formada por N ceros.
Aplicaremos una señal de datos de 10 Mb/s desde la caja de generación de datos a la
entrada digital del transmisor. Llevaremos la señal óptica por medio de un latiguillo de
fibra al receptor y la salida analógica del módulo receptor la aplicaremos al AEE para
En la parte inferior de la pantalla del AEE puede observarse el ruido. Para calcular su
nivel necesitamos establecer una medida absoluta en el analizador. Para ello, conecte
simultáneamente la señal de entrada del AEE al osciloscopio, con el fin de medir suamplitud. Sabiendo que la impedancia de carga del AEE son 50Ω y la amplitud de la
señal, calcule su valor en dBm, que será el representado por el pico del AEE.
señal P mW dBm
Mida la diferencia entre el pico de la señal y el fondo de ruido para conocer la
densidad espectral de ruido (suponga que es ruido blanco, aunque haya zonas donde
no sea plano). Tenga en cuenta la resolución del AEE y exprese su valor en W/Hz.
/ruidoS W Hz
Cuaderno de Laboratorio:
Dibuje un esquema del montaje utilizado, indicando los equipos y sus conexiones y
los parámetros utilizados.
Dibuje los espectros obtenidos con las frecuencias y amplitudes utilizadas para las
mediciones.
Incluya los resultados obtenidos y los cálculos intermedios.
CONTESTE en su cuaderno tras la realización de las medidas:
V-2-a) De acuerdo con los valores obtenidos ¿qué configuración de entrada-salida
elegiría para utilizar el dispositivo caracterizado como multiplexor de un canal a
820nm y otro a 1300nm? ¿y para el caso de emplearlo como demultiplexor?
Dibuje los esquemas correspondientes.
V-2-b) Compare los valores de los parámetros medidos (pérdidas de inserción y
aislamiento) con las características proporcionadas con el fabricante que se
encuentran en el apéndice de este manual.¿Observa diferencias significativas
entre sus resultados y los datos del fabricante? Si ha realizado la práctica E1,
compare los resultados obtenidos en ambas prácticas.
C ARACTERIZACIÓN DE S ISTEMAS
Montaje básico :
Para la caracterización de los diagramas de ojos a dos longitudes de onda
simultáneamente se empleará multiplexación mediante dos WDM. Las fuentes serán los
LEDs de 850 nm y 1300 nm con modulación digital de dos señales de datos. Losreceptores serán los correspondientes PIN+amplificador de transimpedancia, en su salida
analógica, salvo indicación en contra. En cada apartado se modificará el dispositivo
instalado entre los puntos comunes de los WDM, y se observarán simultáneamente los
diagramas de ojo en los dos canales del osciloscopio.
Tenga en cuenta las siguientes consideraciones para todos los montajes:
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En primer lugar repase sus conocimientos de señales y sus espectros. Repase las
diferencias entre espectros discretos (amplitud y potencia de los armónicos) y continuos
(densidad espectral de amplitud y de potencia).
Repase además el funcionamiento de las fuentes de luz LED y LD, y el proceso de
conversión electro-óptica en diodos láseres tipo Fabry-Perot, tanto en los que configuran
su característica espectral (características geométricas y ópticas del resonador de Fabry-
Perot), como los que llevan a la generación de luz coherente (transición de emisiónespontánea a emisión estimulada,). Sólo una parte de estos conceptos están referidos en
la introducción teórica de este manual, por lo que le recomendamos que consulte la
bibliografía recomendada o sus apuntes de la asignatura Comunicaciones Ópticas.
Repase las ecuaciones de resonancia en la cavidad. Le serán necesarias para cálculos
de la práctica.
Tendrá también que conocer el comportamiento en frecuencia óptica de dispositivos
pasivos como la fibra óptica, los multiplexores en longitud de onda WDM y los filtros
Bragg así como sus parámetros característicos (diafonía, aislamiento, etc.). La
introducción teórica de este manual revisa la fibra óptica, y los Anexos de “Características
técnicas de los componentes utilizados en las prácticas” proporcionan algunos
parámetros medidos de WDMs, pero un repaso teórico es conveniente.
Finalmente, consulte el Anexo1_E1 de esta práctica para familiarizarse con la utilización
del Analizador de Espectros ópticos OSA.
Para guardar los resultados de la práctica, el alumno debe traer al laboratorio una
Resolu ción d el fi l tro: 0,1nm. Si tiene un a resolu ción dis tinta n o está obs ervan do la señal con lamáxima resoluc ión posible. Tenga en cu enta que la luz emit ida por cada mod o es co herente y por
tanto (casi) mon ocr omática. Aju ste el parámetr o Ancho WL (anc hu ra de l a traza) par a ver l a señal co nla máxim a reso luc ión.
Long i tud de ond a en el pico de emisión (modo fundamental): 1550 nm
Potencia en el pico de emisión: entre -5 dBm y -15 dBm
Anch ura espectral del mod o fundam ental 0,09 nm – 0,11 nm
Espaciado entre modo s: 0,7 nm – 1,3 nm
A partir de la medida del espaciado entre modos, y sabiendo que el índice derefracción del material activo del LD es igual a 3.5, haga una estimación de la long itud
de la cavidad.
Valor típic o: 0,3 mm . Para el cálcu lo d e la lon git ud d e la cavi dad r epas e prev iamente la teo ría de
reson ancia en un a cavid ad láser
Imprima (guarde en la memoria pen-drive en formato PDF) la pantalla de visualización de
resultados.
B.4) Medida de la corriente umbral del LD
Modifique la escala vertical a unidades lineales.
Modifique ahora la corriente de polarización del LD mediante el potenciómetro de
control de corriente del LD llevándola al mínimo y aumentándola poco a poco. Observe
como el LD pasa de trabajar de régimen de emisión espontánea a emisión estimulada.
Determine grosso modo el punto de paso de emisión espontánea a emisión estimulada
(el LD comienza a lasear ) y determine, por tanto, la corriente umbral del LD.
Para ello cada vez que modifique la corriente de polarización del láser realice una
medida. Procure localizar el valor aproximado de la corriente umbral con dos o tres
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A.2) Establecimiento de las con diciones de medida.
Las medidas se llevarán a cabo entre 900nm y 1600nm. (Ancho WL de 700nm,
centrado en 1250nm). Encienda la fuente de luz blanca (se hace por software). Fije la
sensibilidad, por ejemplo, a -60dB, mida y guarde la medida en una traza diferente a la
traza 0 (en el menú “Manejar Traza”)
El espectro visualizado es el de emisión de la fuente de luz blanca en dBm. Esta
traza será la que utilizaremos como referencia para la normalización de las medidas.
A partir de ahora no cambie las condiciones de medida de longitud de onda, yaque si no, los resultados no serán válidos y tendrá que volver a comenzar todo el proceso
de medida.
A.3) Montaje para la caracterización del dis posit ivo pasivo
Conecte ahora el carrete de fibra multimodo entre los extremos de los latiguillos
de fibra etiquetados como “Source Output” y “Optical Input”.Mida y visualice el espectro, de la señal transmitida por el carrete en la traza 0
(medida en dBm). Para conocer el valor en decibelios (dB) de la pérdidas, reste el valor
de la potencia emitida por la fuente de luz blanca (en dBm), que almacenó en otra traza,
al valor almacenado en la traza 0. El resultado guarda en la traza 0 la característica de
transmisión en decibelios de la fibra. Para ello utilice el menú “Manejar Traza”.
Tenga en cuenta que si realiza esta operación al revés (es decir, restando la
salida en dBm a la entrada en dBm, obtendrá la transmisión (10 log (Pout/Pin)) en lugar
de la atenuación (10 log Pin/Pout)). Recuerde: Lo que entra menos lo que sale es lo que
se queda dentro.
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Repita la medida tomando la puerta 1 como entrada y la puerta 3 como salida,
restándole la traza de la fuente de luz blanca. En la traza 0 se encuentra ahora la
característica en transmisión del dispositivo entre la entrada 1 y la salida 3, en dB.Calcule de nuevo el aislamiento entre canales para la salida 3 e imprima la pantalla de
resultados. Visualice simultáneamente las trazas de caracterización del dispositivo WDM.
Valor es típic os : > 20 dB (s eñal des eada/señal no des eada). La r elación es m ayo r en l a pu erta 2 q ue en
la puer ta 3.
A partir de las medidas realizadas describa el funcionamiento delmultiplexor/demultiplexor WDM. Imprima –guarde en disco – las medidas.
C) ANALISIS DE LOS RESULTADOS
C.1. Rellene la siguiente tabla
Atenuación de la fibraPrimera ventana: atenuación: dB longitud de onda: nm
Segunda ventana: atenuación: dB longitud de onda: nm
Tercera ventana: atenuación: dB longitud de onda: nm
WDM
Canal 1: perdidas de inserción: dB; aislamiento: dB
Canal 2: perdidas de inserción: dB; aislamiento: dB
C.1. Compare los resultados obtenidos
- Indique cual es la componente de atenuación dominante en cada una de las tres
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Longitud de onda de Bragg: Definida como la longitud de onda a la cual se produce
el pico mínimo de transmisión (o el máximo de reflexión).
Reflectividad: Se define como el tanto por ciento de luz que se refleja a la longitud de
onda de Bragg. Hay que hacer notar que para dispositivos ideales sin pérdidas, la
reflectividad (medida en potencia) es igual a uno menos la transmisividad (medida en
potencia).
Ancho de banda a 3 dB: Se define el ancho de banda a 3 dB referidos a la longitud
de onda de Bragg
Relación de supresión de lóbulos secundarios: Es la diferencia (en dB) entre el
mínimo de t ransmisividad (máximo de reflectividad) y el siguiente mínimo relativo.
Representa cómo es de ideal el filtro en amplitud.
Para realizar las medidas realice un montaje que le permita medir el funcionamiento tantoen transmisión como en reflexión. Para el lo uti l ice un Circulador m onom odo . Dibuje un
esquema del montaje realizado.
Conecte el láser al OSA a través del circulador y observe y registre su espectro.
Conserve la traza.
Inserte ahora su montaje entre el LD y el OSA y observe y registre el espectro entransmisión. No es necesario normalizar las medidas con respecto a la fuente.
¿Cual es la longitud de onda de Bragg? Conserve la traza sin eliminar la que
midió anteriormente directamente del LD.
Observe por último la respuesta en reflexión. Compare las respuestas en reflexión
Accediendo a esta opción se muestra el panel representado en la figura E1.8.
Los elementos de visualización de dicho panel son:
Displays con el contenido de cada uno de los campos del Registro de
Configuración, que se corresponden con los parámetros de configuración delOSA. Se utilizarán cuando se efectúe una solicitud medida. Adicionalmente semuestran también los valores de inicio y fin del espectro a medir para una mayorfacilidad a la hora de realizar configuraciones, si bien éstos no son parámetrosdirectamente configurables, sino a través del centro y el ancho de dicho espectro.
Displays con el contenido de los marcadores.
Botones acceso acambio de valores Displays convalores y estados Visualizaciónmarcadores
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Cargar Configuración.- Permite recuperar de un archivo los valores de
g gconfiguración y cargarlos sobre los correspondientes campos.
Cargar Configuración por Defecto.- Carga en todos los campos deconfiguración los valores por defecto de los mismos.
Medir .- Para solicitar una medida sobre el O.S.A. con los parámetros que en esemomento tengamos definidos en el Registro Configuración. Al pulsar esta opciónse deshabilitan todas las demás opciones y se ofrece una nueva, la de DETENERMEDIDA, tal y como se muestra en la figura E1.9.
Además se visualiza la fecha y hora de comienzo de la solicitud de mediday el tiempo transcurrido. De esta opción se sale con el correspondiente aviso definalización de la medida, salvo que antes se pulse la opción anterior.
Es importante resaltar que los resultados de la medida siempre seguardan sobre la Traza 0, borrando el contenido anterior que pudiera tener ,de lo cual se da el correspondiente aviso antes de lanzar la medida. Además en elcampo de observaciones se introduce la fecha y hora de realización de la medida.
Volver .- Devuelve a la pantalla principal del programa.
Opción para la visualización de las trazas contenidas en los Registros de Traza y que secorresponderán con medidas realizadas o con operaciones hechas sobre ellas. Su panel
se muestra en la figura E1.10.
Elemento de
visualización
de trazas
Selección de
visualización
de trazas
Visualiza
parámetros
trazasVisualiza
escala
Visualiza
estado y rótulos
trazas
Otras
o ciones
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica
voluntad por cualquiera de las trazas y volcar sus coordenadas sobre los marcadores,
que posteriormente se pueden utilizar en la opción de configuración. Para desplazar
dichos puntos contamos con las correspondientes barras de desplazamiento, cada unade ellas con sus botones de “ajuste fino”.
El elemento fundamental es el que se ha denominado el “Elemento de
visualización de trazas”, donde se representa la curva de cada traza en su respectivo
color. Este elemento permite hacer ampliaciones a voluntad de la parte que se desee, sin
más que seleccionar el rectángulo de ampliación con el ratón. En cualquier momento,
pulsando el botón Auto Scale, se vuelve de nuevo a la visualización completa de las
trazas.
Además de dicha representación gráfica, se muestran también los siguientes
elementos:
Para cada traza se muestran los siguientes parámetros: Nivel de Referencia,Sensibilidad y Ancho de Banda de Resolución, referidos a la medida cuyosresultados almacena la traza.
Tipo de escala visualizada en el eje Y (lineal o logarítmica).
Estado y rótulos de las trazas. La visualización de estado sigue el mismo criteriode colores que en el panel principal.
Coordenadas de los puntos donde se encuentran situados los “puntos
marcadores”, así como la posición relativa de uno respecto al otro. Contenido de los marcadores.
Para la selección de opciones, se cuenta con las siguientes posibilidades:
Cuatro botones rotulados Traza X (X = número de traza), cada uno del colorasociado a la traza que corresponda, para ver u ocultar cada una de las trazas.
Cambio de escala.- Cambia la escala del eje Y de logarítmica a lineal y
Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos
MKY->Sig.max.Drcha.- Desplaza el “punto marcador” Y, al siguiente pico de nivel
a la derecha del punto donde esté situado, dentro de la traza donde se encuentre.
MKY->Sig.max.Izqda.- Desplaza el “punto marcador” Y, al siguiente pico de nivela la izquierda del punto donde esté situado, dentro de la traza donde seencuentre.
Fijar MKY.- Vuelca las coordenadas del “punto marcador” Y, sobre el marcador Y,solicitando las observaciones a incluir en el mismo.
Imprime Pantalla.- Lanza la impresión de toda la pantalla sobre la impresora queesté configurada por defecto en el ordenador.
Imprime Trazas.- Lanza la impresión del “Elemento de Visualización de Trazas”sobre la impresora que esté configurada por defecto en el ordenador.
VOLVER.- Vuelve a la pantalla principal del programa.
Cargar Traza
Opción que sirve para recuperar una traza desde un archivo seleccionado por el
usuario, guardándola sobre uno de los cuatro Registros de Traza. El archivo debe ser deidéntico formato al utilizado por la opción Salvar trazas (punto VII.2.6) para realizar el
proceso inverso.
Manejar trazas
Entrando en esta parte del programa se pueden realizar determinadas operaciones entrelas distintas trazas. El panel que se presenta al acceder es el de la figura E1.11.
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica
En la pantalla se presentan el estado y los rótulos de las trazas. Para el estado de las
trazas, de nuevo, se sigue el mismo criterio de colores que en el panel principal.
Los botones de ejecución de las distintas operaciones son:
X=>>Y.- Copia el contenido de la traza X sobre la traza Y borrando el contenidoanterior que pudiera tener esta. La traza X no puede estar vacía. Existen botonespara todas las posibilidades de copiado.
X<<=>>Y.- Intercambia totalmente el contenido de las trazas X e Y. Ninguna delas trazas puede estar vacía. Existen botones para para todas las posibilidades deintercambio.
0 – X=>0.- Resta al nivel de los puntos de la traza 0 el nivel de los puntos de latraza X, guardando el resultado sobre la traza 0. El resto de los datos de la traza 0se mantienen con el valor anterior. Ambas trazas deben empezar y terminar en losmismos puntos, es decir abarcar exactamente el mismo rango del espectro y,lógicamente, no estar vacías.
0 + X=>0.- Suma al nivel de los puntos de la traza 0 el nivel de los puntos de latraza X, guardando el resultado sobre la traza 0. El resto de los datos de la traza 0se mantienen con el valor anterior. Ambas trazas deben empezar y terminar en losmismos puntos, es decir abarcar exactamente el mismo rango del espectro y,lógicamente, no estar vacías.
Borra Traza X.- Borra totalmente el contenido de la traza X. Se pide confirmaciónpara la realización de esta operación. Existen botones para borrar todas las trazasy, lógicamente, no pueden estar ya vacías.
Texto Traza X.- Introduce observaciones para la traza X, solicitándoselas al
usuario y ofreciendo como valor por defecto las observaciones anteriores quepudiera contener la traza. Existen botones para todas las trazas.
Salvar trazas
Con esta opción se puede guardar cualquiera de las trazas en el archivo y la
ubicación que se elija. En el caso de que el archivo elegido ya existiese, el programa
VII. Práctica E2: Reflectómetro Óptico enel Dominio del Tiempo (OTDR)
El Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo, más conocido con sus siglas inglesasOTDR (Optical Time-Domain Reflectometer ), es el instrumento de campo más importante
para el control y supervisión de enlaces de fibra óptica. Posee resolución espacial , es
decir, además de detectar los posibles fallos de un enlace, es capaz de ubicarlos en un
estrecho tramo del tendido. Esta característica es especialmente interesante en tendidos
largos y de difícil acceso como las líneas soterradas y submarinas
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería
Figura E2.1.- Diagrama de bloques de un OTDR genérico.
La señal recibida en el Detector del OTDR, procedente del acoplador (ocirculador), ver figura E2.1, que separa la señal enviada a través de la fibra óptica a medir
y la de retorno de la fibra, tiene en el tiempo diferentes orígenes. La interpretación del
origen de la señal detectada nos aporta la información sobre el estado de la fibra óptica.
La señal procedente de la fibra se representa en un gráfico en función de la distancia. La
distancia se corresponde con el tiempo que ha tardado en llegar la reflexión del pulso
emitido por el LD (Laser Diode) al detector. Las reflexiones son producidas por:
Reflexión difusa (scattering lineal Rayleigh1 ) que tiene lugar a lo largo de toda la fibra
y es debida a fluctuaciones microscópicas del índice de refracción del medio;
constituye la principal contribución a la atenuación de las fibras ópticas. Así pues,
Práctica E2: El OTDR
Es importante destacar, sin embargo, que un OTDR no es el mejor método para
medir atenuación de fibras ópticas. Otros métodos empleados durante las
prácticas son más precisos.
Cualquier imperfección en la fibra significa una variación en el índice de
refracción y, por tanto, produce una reflexión que se detectará como un pico de
señal; a continuación se produce un descenso del nivel de señal (puesto que la
luz de retorno procedente de puntos más adelantados experimentará una
atenuación equivalente a la vuelta). Estos defectos se localizan en puntosconcretos del enlace, cuya localización precisa depende de la resolución espacial.
Como imperfecciones se detectan asimismo las pérdidas por curvaturas,
soldaduras, conexiones y empalmes provisionales o permanentes que
contenga el enlace. Las soldaduras –bien hechas – introducen una pequeña
atenuación (< 0,1 dB) por alterar la forma física del núcleo, no producen reflexiónal igual que las pérdidas por curvatura. Los empalmes y conexiones suelen
dar pérdidas mayores. Como se explica posteriormente, algunos eventos
producen un pico reflexivo antes de atenuar, y otros únicamente un descenso de
potencia.
La salida típica de un OTDR (Figura E2-2) es una representación gráfica de la atenuación
en función de la distancia. Cualquier variación en la línea descendente que representa la
FO se le denomina “evento” . Los picos de reflexión representados en la gráfica se
llaman “eventos reflexivos” ; y cuando sólo hay pérdidas “eventos no- reflexivos” . La
gráfica tiene al comienzo una brusca bajada que corresponde a la propia conexión entre
el instrumento y la FO; y se extiende hasta una distancia determinada, o hasta que el
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería
Recuerde anotar en su c uaderno de práct icas todos los valores medido s y calculados, ascom o la respu esta a todas las cuestio nes q ue se p lantean en la práctica.
En algunas m edidas se dan v alores estimado s o márgenes de v alores. Si los resultado s
obtenid os al realizar la medid a no coin ciden, repase la medid a. Si el error p ersiste cons ulte
a su pro fesor .
VII.1. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
Esta práctica se realiza de forma combin ada con la práctica E3 , Soldadura de Fibras
Ópticas. En el Laboratorio se dispone de 2 OTDR Tektronix. Uno de ellos (TekRanger2)
está asociado a la máquina de soldar y el otro (TekRanger ) se utiliza únicamente en esta
práctica. Ambos son un TFS3031 y en lo que respecta a su uso, las diferencias entre
ambos son:
Las long itudes de onda de trabajo . TekRanger trabaja en segunda y tercera
ventana, mientras que TekRanger2 trabaja en primera y segunda ventana.
Las fibras para las que están diseñados. TekRanger trabaja con fibras
monomodo, mientras que TekRanger2 trabaja con fibras multimodo.
Adicionalmente, ambos OTDRs tienen adaptada una impresora para obtener
copia de los resultados en pantalla.
En esta práctica se propone la realización de una serie de medidas con los OTDR del
laboratorio, que permiten simultáneamente evaluar diferentes líneas de transmisión, y
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería
iv) Falsas medidas y detecciones . En concreto, se explican las circunstancias en
que pueden surgir ecos y fantasmas, fenómenos que pueden falsear las
medidas, y se intenta reproducir alguno de ellos.
Para facilitar la lectura de los apartados, las introducciones teóricas sobre sus contenidos
se incluyen por separado al comienzo de cada sección.
¡PRECAUCIONES!
El diodo láser para realizar las medidas se activa pulsando el botón START/STOP.
DISTRIBUCIÓN DE LOS EQUIPOS
A fin de agilizar la realización de la práctica, las medidas se efectuarán de la formasiguiente:
1. El grupo que tenga asignada en primer lugar la Práctica E3, Soldadura, reali zarápreviamente las dos prim eras medid as, Rangos dinámicos de Reflexión yde Scattering (Apartados VIII.2 y VIII.3), para familiarizarse con el instrumento,y seguidamente la Práctica E3. Utilizará para todo ello el OTDR TekRange2.
2. El grupo que tenga asignada en primer lugar la Práctica E2, OTDR, realizará losc inco bloqu es de medidas de esta práctica con el OTDR TekRange.
3. Al finalizar los dos grupos (tiempo estimado, 2h 30m), se intercambiarán yrealizarán los bloq ues de medidas restantes , es decir, los tres bloques finalesdel OTDR el primer grupo (en el OTDR TekRange monomodo) y la práctica E3completa el grupo 2, usando el OTDR TekRange2.
Como se ha comentado, algunos de los eventos detectados por un OTDR son reflexivos,
es decir, nos indican que en ese lugar parte del pulso luminoso emitido es reflejado hacia
el emisor. En el OTDR, estos eventos se detectan como un brusco aumento de la
potencia recibida, seguido de una caída (porque la potencia transmitida a partir de ese
punto es menor). La potencia recibida puede saturar al detector si le llega un exceso de
señal procedente de un evento muy reflexivo. El problema es especialmente grave
cuando el evento está próximo a la fuente.
El Rango Dinámico de Reflexión (Reflective Dynamic Range, RDR) se define como larelación entre la potencia reflejada en un evento reflexivo, cercano al conector del
panel frontal del OTDR, y la potencia de ruido del sistema. (El nivel de ruido del
OTDR está relacionado con el ruido shot de la corriente de oscuridad del detector.)
Este parámetro determina el rango sobre el cual el OTDR puede realizar medidas de la
reflexión producida en ciertos elementos reflexivos como pueden ser los conectores,
acoplos mecánicos etc.
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería
asegurar que la reflexión de los diferentes eventos se encuentra por debajo del nivel
En un conector con pulido plano, la reflexión que se produce es de alrededor del 3,6% ó
–14 dB (coeficiente de reflexión de Fresnel). Los conectores comerciales más usuales
NOTA SOBRE CONECTORES
El extremo de la fibra óptic a en los co necto res estándar es p lano. Lasconexiones se real izan enfrentado dos conectores por medio de una juntaroscada. La superf ic ie plana perpendicular a la pro pagación produ ce una ref lexiónintensa.
Para reducir la ref lexión, se preparan con ectores (PC) con pu l ido redon deado.Aún menos ref lexión producen los conectores PC con pul ido incl inado (PCangu lar o APC). En ellos , la reflexión se desvía de manera qu e no p ueda g uiarsede retorno.
Curvatura
SoldaduraConector APC(PC en ángulo)
Conector PCConector plano
Final de fibra
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería
Todos los sistemas de medida tienen un rango de aplicación limitado. En el caso del
OTDR el límite se traduce en pulsos detectados con pendientes de bajada no infinitas.
Así, si se tienen dos eventos reflexivos muy cercanos, a una distancia crítica inferior a la
de ‘Resolución del OTDR’, puede que la señal causada por el primer evento no haya
finalizado cuando la del segundo empieza a ser significativa . El resultado es que ambos
eventos se confunden.
Se denomina Zona Muerta (Dead Zone , DZ) o “Resolución de eventos” a la distancia
a partir de la cual se comienza a distinguir entre dos eventos próximos.Este parámetro puede ser muy importante dependiendo de la aplicación. Por ejemplo, si
se desea medir y caracterizar una red de fibra óptica en una oficina, donde las
distancias entre conexiones pueden ser muy cortas, será necesario un instrumento con
una DZ muy pequeña. Por el contrario, si la red que se desea medir es un enlace de larga
distancia, donde los empalmes o conexiones se sitúan a varios kilómetros unos de otros,
el parámetro será de poca importancia.
VII.4.1.c. Zona muerta de pérdida de medición
Otro parámetro utilizado para especificar la calidad de un OTDR, es la “zona muerta de
atenuación” o Zona Muerta de
Pérdida de Medición (Loss-Measurement Dead Zone, LMDZ). Se
define como la distancia tras un
evento durante la cual no se puede
obtener información de la señal del
OTDR d bid li it i l
Práctica E2: El OTDR
se pueden saturar temporalmente y será necesario un tiempo (distancia en la pantalla del
instrucciones de pantalla. Identifique los eventos reflexivos comparando la
gráfica y el montaje experimental.
4.- Active el cursor A y sitúelo al inicio del evento reflexivo próximo a 1 km.
Asegúrese que está justo al inicio del evento comprobando que en el siguiente
desplazamiento del cursor éste se introduce en la zona reflexiva. Si fuera
necesario active el zoom, luego desactívelo.
Anote la distancia que marca el cursor.
5.- Active el cursor B y sitúelo en la zona lineal después del evento reflexivo.
Mantenga el cursor A en la posición anterior.
La diferencia en dB entre los cursores dará una estimación de las pérdidas
introducidas en el evento. Anote este valor y la diferencia en metros entre los dos
cursores.
Tenga en cuenta que si existe mucha distancia entre los dos cursores, la medida
realizada está incluyendo las pérdidas en la fibra. También tiene que considerar
si las fibras acopladas son de iguales características.
6.- Sitúe el cursor B en el punto máximo de la reflexión. Mida la diferencia de señalentre ambos cursores (valor H de la Figura E2-8). Haciendo uso de la ecuación
1, calcule la reflectividad del evento. (H es siempre una cantidad positiva)
Valor es típic os :
Nº de eventos ref lexivos (sin con siderar los c onectores inic iales n i el lat igui l lo): 3
Distancia del Primer evento ref lexivo: 1 km 1 1 km
totalmente manual cuando la acción del operador es necesaria en los dos procesos ysemiautomática cuando el operador tiene libertad de acción sólo en uno de ellos.
Casi todas ellas tienen en común el tipo de sujeción de las fibras que van a ser
fusionadas. Esto se realiza mediante unas plataformas que poseen un surco en forma de V,
donde se introducen las fibras (desprovistas, en cierta longitud, de cualquier tipo de
protección) y se fijan mediante unas presillas.Otra forma de clasificar las máquinas de empalme es considerando la técnica que
utilizan para optimizar el proceso de alineamiento entre las fibras enfrentadas:
Alin eamiento por comparación de diámetros.
Al ineamiento mecánic o automático.
Alineamiento po r inyección y d etección de luz.
VIII.1.1. Ali neamiento po r comparación del diámetro de lascub iertas de las fibras
Este tipo de soldador se compone, básicamente, de las plataformas antes mencionadas
con libertad de movimiento en todos los ejes (x, y, z) y de un microscopio que facilita la
visión del proceso de alineamiento (en versiones más sofisticadas el microscopio sesustituye por una videocámara).
Una vez colocadas las fibras (correctamente preparadas) en sus plataformas, el
operador las alínea, tomando el diámetro de sus cubiertas como referencia. Cuando
considere "a ojo" un alineamiento óptimo procederá a realizar la fusión.
realizado una prefusión, ya que la fuente de calor que se utiliza (arco voltaico) caliente lafibra de fuera a dentro y posiblemente se fusionarían las cubiertas de las fibras enfrentadas
y no los núcleos de las mismas (figura E3-10(c)). Con la prefusión de las caras transversales
se consigue que el primer contacto se
produzca en el núcleo y la fusión se
realizará de dentro a fuera. Como
orientación, hay que destacar que la
prefusión se realiza con intensidades de
arco o tiempos de arco inferiores a los
utilizados en la fusión.
Como se indica al principio de este
apartado, lo que se pretende es hacer un
ligero redondeo en el canto de la superficie
transversal de la fibra; si se sobrepasa este
objetivo y la punta de la fibra queda
redondeada, la posterior soldadura
presentará una excesiva atenuación.
VIII.2.3. Al ineam iento , Fus ión y Protec ción
Las etapas restantes del proceso de soldadura son:
Figur a E3-10
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería
La figura E3-10 muestra, de forma esquemática, algunos factores que inducen a una
VIII.3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: SOLDADURA Y CONTROL
CON EL OTDR
1) Pele y limpie la fibra, siguiendo las instrucciones indicadas en el apartado IX.2.1.a.
(Pelado y limpieza de la fibra). Se deben pelar unos 30 mm de fibra.2) Corte la fibra dejando una longitud desnuda que permita colocarla correctamente en
la plataforma de sujeción del soldador (entre 15 y 20 mm.).
3) Levantando las presillas de sujeción, coloque ambos extremos en las
correspondientes plataformas y vuelva a bajar las presillas; compruebe que éstas
apoyan sobre una zona de fibra con protección adherida. Si lo hacen sobre la fibradesnuda no se sujetará correctamente a la máquina de soldar, debido a su reducido
diámetro. Observando por el microscopio, asegúrese que los cortes son
suficientemente aceptables.
4) Con el mando de movimiento en la dirección z, sitúe la punta de una de las fibras en
el camino del arco y retire ligeramente la otra. Proceda a la prefusión de ese
extremo. Debe utilizar una corriente de arco de 75 ( AC ADJUST ) durante 4
segundos, o aplicar 3 ó 4 descargas breves (el tiempo se controla manualmente presionando
simultáneamente los dos mandos de descarga del arco, situados en los laterales del soldador).
Para verificar que la punta de la fibra está situada correctamente observe por el
microscopio el proceso de prefusión. Repita el paso anterior hasta que observe que
Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas
Tenga especial cuidado de no manipular cerca del arcovoltaico cuando esté en descar a
Tome el dato A –B que ofrece el instrumento en pantalla. Si la medida deatenuación es superior a 0,5 dB repita la descarga. Si no mejora, repita la soldadura
desde el principio.
Sea consciente de que según vamos dando sucesivas descargas a la unión, ésta va
mejorando; mejora que se manifiesta en una mayor uniformidad de la superficie de la
zona soldada y una menor atenuación; hasta que llegamos a un punto óptimo, apartir del cuál se deteriora rápidamente la calidad de la soldadura.
14) Una vez concluida la soldadura repita la medida de la atenuación empleando el
diodo láser de primera ventana del OTDR. Compare los resultados.
El cálculo exacto de la distribución de modos en guíaondas circulares es bastante
complicado, a causa del confinamiento existente en dos direcciones ortogonales. Los
modos que se originan por esta circunstancia difieren bastante de los simples TE y TM
que surgen en GO planas (confinadas en una sola dimensión), y su tratamiento
exhaustivo resulta muy laborioso.
Afortunadamente existe una aproximación (modos débilmente guiados o weakly-guidedmodes, WGM) que simplifica el cálculo de forma notable, y que se puede aplicar en todos
los casos de interés. Se describen someramente a continuación las “familias” más
relevantes de modos en fibras ópticas, y posteriormente se desarrolla el modelo
simplificado.
IX.1. MODOS EN GUÍAONDAS PLANAS Y CIRCULARES Sea una GO plana en la que se propaga
radicación según el eje z, confinada solamente en
la dimensión x. Los modos obtenidos tienen una
componente E z o H z nula, es decir, son
transversales eléctricos (TE) o magnéticos (TM).
En la Fig. E4-1 se muestra la distribución de
campo de los cuatro primeros modos TE de una
GO plana simétrica. El campo tiene una variación
armónica en el interior del film o núcleo, y además no está estrictamente confinado al
Fig. E4-1. Mod os en un a guíaon da planas imétr ic a
Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas
generalmente se traduce en una pérdida de potencia de los modos guiados en el núcleo,
En la práctica se suele recubrir la cubierta de la fibra con un material que produzca
pérdidas por radiación hacia el exterior, scattering y/o absorción.
IX.1.2. Modos co n pérd id as o leaky
A distancias cortas, la distinción entre modos guiados y no guiados se hace tenue. Una
buena parte de modos inclinados no están bien confinados, y van perdiendo potenciadurante su propagación. Incluso en modos meridionales, la condición de guiado
12 knkn 1
que separa los modos confinados de los no guiados, no es siempre determinante de que
la señal luminosa se transporte por modos que cumplen esa condición. Recuérdese que
es la constante de propagación, =kn1·sen . Para más detalles, consúltese el apartadoFund II.2.
En los modos leaky se cumple que
kn2 2
La mayoría de modos de este tipo desaparece al cabo de unos cuantos cm de fibra, pero
algunos con bajas pérdidas pueden “sobrevivir” hasta 1 km. En trayectos cortos, una
parte bastante notable de la potencia óptica transportada por la fibra puede deberse a
estos modos.
IX.1.3. Modo s meridionales en fibras ópticas
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería
soportan otros en los que ni E z ni H z son nulos.
Estos modos híbridos corresponden a trayectorias
torcidas o inclinadas (“skew rays” , Fig. E4-2) en
modelo de rayos, que describen órbitas helicoidales
en la FO. Reciben el nombre de modos HE lm o
EH lm, dependiendo de si es el campo magnético H o el eléctrico E el que tiene mayor contribución al
campo transversal.
IX.1.5. Modos débilm ente gui ados
La resolución exacta de las ecuaciones de Maxwell que describe la propagación enguíaondas dieléctricas homogéneas y cilíndricas (es decir, en fibras ópticas) es
matemáticamente complicada (se deben resolver las seis componentes híbridas del
campo electromagnético) y conduce a resultados complejos. Afortunadamente, se puede
simplificar considerablemente el tratamiento, con muy pocas pérdidas de exactitud, si se
restringe el estudio a las FO empleadas en Comunicaciones Ópticas, o más bien a las FO
con una diferencia de índices muy baja, n1 –n2 << n1. La condición implica que sólo se
guiará radiación con incidencia casi rasante , o lo que es lo mismo, que la apertura
numérica NA de la fibra es baja. En tal caso, la distinción entre modos meridionales e
inclinados se difumina.
La aproximación se denomina de modos débilmente guiados o weakly-guided
Fig. E4-2. Trayecto ria helico idal de unskew ray
Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas
modos degenerados como combinación lineal con una constante de propagación común
ya que, a todos los efectos, la radiación guiada por cualquiera de los modos del grupo se
va a comportar de la misma manera, con independencia del modo concreto que latransporte. En resumen, la adopción de modos LP permite evitar el uso de los modos EH,
HE, TE y TM anteriores dentro de la aproximación WGM . En la Tabla I se muestran las
correspondencias entre modos exactos y modos LP.
Modos LP
(ordenados porfrecuencia de corte)
Modos exactos y númeroNº de modos total en
el modo LP
LP01
LP11
LP21
LP02
LP31
LP12
LP41
LP22
LP03
HE11 2
TE01, TM01, HE21 2
EH11 2, HE31 2
HE12 2
EH21 2, HE41 2
TE02, TM02, HE22 2
EH31 2, HE51 2
EH12 2, HE32 2
HE13 2
2
4
4
2
4
4
4
4
2
Tabla I . Correspondencia entre modos exactos y L P de m enor frecuencia de cor te
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería
En el siguiente apartado se incluye de forma resumida el tratamiento matemático que
conduce a la obtención de modos. Partiendo de la E.Max., se llega a la ecuación de onda
y se resuelve el caso particular con las condiciones de contorno de la fibra, y laaproximación WGM. Si no desea profundizar en el desarrollo matemático, puede pasar
directamente al apartado X.3 .
IX.2. RESOLUCIÓN DE LAS ECUACIONES DE LA GUÍAONDA
Para estudiar la propagación de ondas electromagnéticas por una guíaonda cilíndrica,parece apropiado utilizar un sistema de coordenadas cilíndricas (r, , z ). La
propagación de la OEM se hace en el eje z , y las componentes transversales x e y se
transforman en r y , lo que permite aprovechar las propiedades de simetría de la GO.
La OEM que se propaga por z tiene una dependencia funcional
E E r j z t 0 ( , ) exp ( ) 3a
H H r j z t 0 ( , ) exp ( ) 3b
que es armónica en z y t . El parámetro es la constante de
propagación, es decir, la componente z del vector de
Las funciones J de Bessel tienen un comportamiento oscilatorio amortiguado (Fig. E4-6)que hace que cada una corte por cero m veces, es decir, que cada tenga m raíces.
Llamaremos m a estas raíces. Los modos que definen serán TEm, TM
m, HEm o EH
m
(Fig. E-8). En una GO dieléctrica circular, todo s los mo dos son híbridos excepto los
de =0. En estos últimos, se anula el miembro derecho de 32 y se obtienen dos
ecuaciones:
000 KJ 34
00
2
20
2
1 KJ k k 35
y utilizando las relaciones de recurrencia
)()(')()('1010 r K r K r J r J 36
quedan
J ua
uJ ua
K wa
wK wa
1
0
1
0
0( )
( )
( )
( ) 37a
k J u a
uJ ua
k K wa
wK wa
1
2
1
0
2
2
1
0
0( )
( )
( )
( ) 37b
La primera corresponde a los modos TM om y la segunda a los TE 0m.
Cuando 0, la solución estricta de 32 ha de hacerse por cálculo numérico,
como ya se ha comentado. Existen sin embargo excelentes aproximaciones basadas en
la proximidad de índices entre núcleo y cubierta, es decir, en la suposición que soporta la
G
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buena que la propia aproximaciónsea, lo cual depende en último
término de la proximidad de los índices de núcleo y cubierta.
Tabla I I. Condic iones de c or te de los m odos exactos en una GO circular
Índ ic e Modo Condic ión de cor te
0 TE0m, TM0m J ua0 0( )
1 HE1m, EH1m J ua1 0( )
>1 EHm J ua( ) 0
n ua1
2
Fig. E4-8. Soluc iones exactas HE, EH, TE y TM ob tenidas enuna FOIA, en función de la frecuencia norm al izadaV. Obsérvese c ómo se aso cian uno o v arios
modos con constantes de propagac ión muysimi lares para form ar modos L P.
Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas
Las condiciones de corte pueden expresarse en función de la frecuencia
parámetros normalizados. El resultado es un diagrama b-V como el de la Fig. E4-9. En
esta figura, además, se han introducido modos LP, combinaciones lineales de los modos
de la anterior figura agrupados del modo que se mostraba en la misma.
Cada modo es guiado a partir de un valor concreto de V . Los modos se cortan
cuando
=kn 2 (esto es, cuando b=0 ). El modo HE11 carece de frecuencia de corte; sólo
deja de propagarse cuando se hace cero el diámetro del núcleo.
Los números de los cuadros de la figura corresponden a índices m de los modos
LP. Para saber de qué modos
exactos procede cada modo LP,
basta con observar el valor de ,
tal como se puede comprobar enla Tabla III. Nótese que sólo
aparecen modos TE y TM con
=0, es decir, pertenecientes a la
curva J 0 de Bessel (véase 34).
Es interesante relacionar los valores obtenidos aquí con una gráfica normalizadade las funciones de Bessel (Fig. E4-10). Se observa que cada frecuencia de corte
corresponde al paso por cero de una determinada curva. Por ejemplo, el modo LP02
comienza a existir a partir de V=3,83, primer corte de J 1 por cero, mientras que el modo
LP12 existe a partir de V=5,52 , segundo corte de J 0 por cero. Tanto en esta figura como
Tabla III . Modos que intervienen en la com bin aciónl ineal de cada mod o LP .
basta con reducir su parámetroV por debajo de 2,4. Según la
expresión de este parámetro
que se daba en 39, para
reducirlo se puede:
Reducir el radio delnúcleo de la fibra.
Reducir la aperturanumérica NA, aproximan-do los índices de núcleo ycubierta.
Aumentar la longitud deonda.
Una FO monomodo actual tiene un núcleo con un diámetro entre 4 y 9 m (unas
pocas longitudes de onda). La diferencia de índices es también muy baja, n
0,1-
0,2%. La longitud de onda suele venir predeterminada por la aplicación, por lo que no
suele ser un parámetro con el que se pueda contar en este contexto. En todo caso,
conviene recordar que una FO monomodo en 3ª ventana, por ejemplo, no es
necesariam ente monomodo en 2ªó 1ªventana . Expresado de otra forma, para calificaruna FO de monomodal hay que especificar la longitud de onda a que se trabaja; cualquier
FO deja de ser monomodo reduciendo lo suficiente.
IX.3.3. Selec ción de FOs par a la práct ic a
Fig. E4-10. Los cortes por cero d e las funcion es J deBessel determinan las frecuencias de corte delos modo s.
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El cálculo de V (ver 39) es 2,11 para esa longitud de onda (1310 nm). Como V es
inversamente proporcional a , aumenta hasta V = 4,37 a 632,8 nm. Llevado al diagrama
b-V , se observa que a esa se guían los 4 primeros modos LP, que son los mostradosen la Figura E4-4.
IX.3.4. Modos e intensid ad lum inos a
Los modos guiados de una FO son soluciones matemáticas que predicen distribuciones
de campo eléctrico aceptables dentro de las condiciones establecidas por el mediodieléctrico y el confinamiento. Sería de esperar que tales soluciones se correspondieran
con algo más tangible, como es la distribución de potencia luminosa en el plano
transversal de la FO. La cuestión tiene dos facetas: la propia distribución transversal de
potencia y el transporte de dicha potencia luminosa por la FO. Este segundo aspecto no
se trata aquí. Por lo que respecta a la distribución, conviene recordar que el hecho de
que un a guía sopo rte un d etermin ado modo no s ignif ica necesariamente que dicho
mo do con tenga energ ía lum ino sa. En la práctica modificaremos la propagación en la
fibra para hacer que la potencia se guíe preferentemente por uno u otro modo
Cuando se acopla un emisor a una fibra, se excitan unos modos más que otros,
Ident i f icación de mod os por su dist r ibución lumino sa
Como curiosidad, es posible saber qué modo LP corresponde a una determinada distribución transversal de
luz. Recuérdese para ello que el índice del modo aparece ligado a la dependencia angular (variable )
mientras que m , asociado a cortes en funciones de Bessel, es un índice radial.
El primero de los índices, , se calcula contando el número de máximos de intensidad que aparecenen una vuelta completa a la sección, tomando como centro el eje de la FO. El índice es la mitad del resultado(nótese que el número de máximos de intensidad es el doble que el de campo, ya que va con |E|2 ). Elsegundo es el número de máximos que corta un radio desde el centro hasta la interfase con la cubierta.
que no haya zonas blancas. En caso contrario las medidas realizadas serían erróneas.
IX.4. VISUALIZACIÓN DE MODOS TRANSMITIDOS EN UNA FIBRA
Objet ivo : El objetivo de esta práctica es confirmar visualmente los patrones de campo
permitidos en la propagación de radiación luminosa por una fibra. Para ello, es necesarioseleccionar la propagación individual de cada uno de los modos. Se puede conseguir, como
ya se ha comentado, gracias a que cada modo se propaga con un ángulo diferente. De esta
forma, seleccionando adecuadamente el ángulo con el que se enfoca el haz procedente
del láser sobre la superficie transversal de la fibra, se logra la propagación predominante de
un modo específico (de los posibles guiados).
Si se utilizan fibras de mayor radio; sin embargo, al permitir la propagación de un
número elevado de modos, resulta más complicado seleccionar la propagación individual de
cada uno de ellos.
La obtención de la configuración de campo eléctrico se realiza mediante la técnica
denominada de Campo Cercano . La diferencia entre un patrón de campo lejano o cercano,
está relacionada con la distancia que existe entre la salida de la fibra óptica y el plano de
observación. Si el objetivo de esta práctica fuera la "medida" de los patrones de campo,
deberíamos colocar la pantalla de observación prácticamente pegada a la salida de la fibra,
o bien una lente que amplificara la imagen obtenida justo en la cara final de la fibra.
No obstante como el objetivo perseguido es una "visualización" de las formas
Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas
Procedimiento Experimental
1. En primer lugar es necesario acoplar el haz procedente del láser de He-Ne a una
fibra con las características indicadas en el apartado X 3 3 mediante el Kit de acoplo
fibra con las características indicadas en el apartado X.3.3 mediante el Kit de acoploF-916. Como no se realiza ninguna medida de potencia, el acoplo se considerará
óptimo cuando se observe en la pantalla un patrón de campo de un rojo intenso,
correspondiente a alguno de los patrones mostrados en la en la figura E4-4.
2. En principio, proyecte el patrón de salida sobre una pantalla utilizando los postes y
bases necesarios. Observe y dibuje patrón de campo obtenido.3. Proyectando el patrón de campo sobre el objetivo de la cámara digitalice la
configuración observada.
4. Varíe el ángulo de incidencia del haz de entrada manipulando alguno de los
mandos del Kit de acoplo F-916. Se recomienda una variación muy lenta y
secuencial de los mandos para no perder la señal. Con este procedimiento debe
conseguir la propagación individual de cada uno de los cuatro modos de menor
orden. Dibuje y digitalice las imágenes que obtiene.
5. Vuelva a jugar con los mandos hasta conseguir una distribución de campo que
crea que corresponde a la propagación de dos modos. Coloque la lámina
polarizadora detrás de la fibra de salida y gírela lentamente hasta visualizar y
digitalizar cada uno de los modos dependiendo de la posición de giro de la lámina.
Mediante este procedimiento aísle los modos de la figura E4-4.
Nota: Grabe todos los ficheros que digitalice en el “escritorio”, cópielos en u n dis quete al finalizar la
práctica y bórrelos del “escritorio” a continuación.
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería
2. Proyecte la salida sobre una pantalla y anote si se observa algo.
3. Varíe la velocidad del obturador de la cámara hasta que la imagen esté
1. Conecte un extremo del cordón multimodo al láser verde y el otro extremo al soporte
de proyección.
2. Abra el obturador del láser.
3. Proyecte la radiación de salida de la fibra sobre una pantalla y observe el Patrón
generado.
4. Compruebe la variación del Patrón de Speckle con variaciones en el camino detransmisión. Para ello mueva el cordón de fibra al tiempo que observa el patrón.
APÉNDICE 1: TRATAMIENTO NUMÉRICO Y GRÁFICO DE LAS IMÁGENES
ALMACENADAS 1. Fuera del laboratorio, el alumno podrá realizar representaciones gráficas
(bidimensionales o tridimensionales) del perfil de la distribución de energía luminosa.
Se recomienda realizarlo con Matlab mediante el procedimiento siguiente:
Copiar el archivo “archivo.bmp” en el directorio \MATLAB\toolbox\matlab\iotun
Teclear en la línea de comandos de Matlab:
>> a=imread (‘archivo’,’bmp’);
esto nos guarda una matriz (a) de valores de intensidad luminosa del fichero
“ hi b ”
P OR F AVOR , AL ACABAR LA P RÁCTICA D EJE EL P UESTO T AL C OMO LO E NCONTRÓ. N O
APAGUE EL O RDENADOR NI C IERRE LOS SHUTTER DE LOS LÁSERES .
Transmitter High Level Forward IF,H 120 mA 50% Duty CycleInput Current ≥ 1 MHz
Transmitter Average Forward Input Current IF,AV 60 mA
Reverse Input Voltage V R 3 V
HFBR-15X7 Series
DescriptionThe HFBR-15X7 transmittersincorporate a 650 nanometer LEDin a horizontal (HFBR-1527) or
vertical (HFBR-1537) grayhousing. The HFBR-15X7transmitters are suitable for use
with current peaking to decreaseresponse time and can be used
with HFBR-25X6 receivers in data links operating at signal ratesfrom 1 to 125 megabaud over 1mm diameter plastic optical fiberor 200 µm diameter hard cladsilica glass optical fiber. Refer to
Application Note 1066 for detailsfor recommended interfacecircuits.
Parameter Symbol Typ.[1,2] Units Max. Units Conditions Ref.
Optical Power Budget OPB50 7.9 13.9 dB NA = 0.2 Note 2 with 50/125 µm fiber
Optical Power Budget OPB62 11.7 17.7 dB NA = 0.27 with 62.5/125 µm fiber
Optical Power Budget OPB100 11.7 17.7 dB NA = 0.30
with 100/140 µm fiberOptical Power Budget OPB200 16.0 22.0 dB NA = 0.35
with 200 µm HCSfFiber
Data Format 20% to 1 175 MBd80% Duty Factor
System Pulse Width |tPLH - tPHL| 1 ns PR = -7 dBm PeakDistortion 1 meter 62.5/125 µm fiber
Bit Error Rate BER 10-9 Data Rate < 100 MBaudPR >-31 dBm Peak Note 2
Notes:
1. Typical data at T A = 25°C, V CC = 5.0 V dc, PECL serial interface.
2. Typical OPB was determined at a probability of error (BER) of 10-9. Lower probabilities of error can be achieved with short fibersthat have less optical loss.
HFBR-14X2/14X4 Low-Cost High-Speed
TransmittersDescription
fiber and typically can launch-15.8 dBm optical power at
60 mA into 50/125 µm fiber and-12 dBm into 62.5/125 µm fiber.Th HFBR 14X2 d d
The HFBR-14XX fiber optictransmitter contains an 820 nm
AlGaAs emitter capable of efficiently launching opticalpower into four different opticalfiber sizes: 50/125 µm, 62.5/125µm, 100/140 µm, and 200 µmHCS®. This allows the designerflexibility in choosing the fibersize. The HFBR-14XX is designedto operate with the Hewlett-Packard HFBR-24XX fiber opticreceivers.
The HFBR-14XX transmitter’shigh coupling efficiency allowsthe emitter to be driven at low current levels resulting in low power consumption and increasedreliability of the transmitter. TheHFBR-14X4 high power transmit-ter is optimized for small size
The HFBR-14X2 standardtransmitter typically can launch-12 dBm of optical power at60 mA into 100/140 µm fibercable. It is ideal for large sizefiber such as 100/140 µm. Thehigh launched optical power level
is useful for systems where starcouplers, taps, or inline connec-tors create large fixed losses.
Consistent coupling efficiency isassured by the double-lens opticalsystem (Figure 1). Power coupledinto any of the three fiber types
varies less than 5 dB from part to
part at a given drive current andtemperature. Consistent couplingefficiency reduces receiverdynamic range requirements
which allows for longer linklengths.
Absolute Maximum RatingsParameter Symbol Min. Max. Units Reference
62.5/125 µm PT62 -15.0 -12.0 -10.0 dBm T A = 25°C IF = 60 mA dc
-16.0 -9.0
-13.5 -10.0 -7.6 T A = 25°C IF = 100 mA dc
-15.1 -7.0
100/140 µm PT100 -9.5 -6.5 -4.5 dBm T A = 25°C IF = 60 mA dc
-10.5 -3.5
-8.0 -4.5 -2.1 T A = 25°C IF = 100 mA dc
-9.6 -1.5
200 µm HCS PT200 -5.2 -3.7 +0.8 dBm T A = 25°C IF = 60 mA dc
-6.2 +1.8
-3.7 -1.7 +3.2 T A = 25°C IF = 100 mA dc
-5.3 +3.8
p
peak
peak
peak
NA = 0.2
Fiber CableNA = 0.275
Fiber CableNA = 0.3
Fiber CableNA = 0.37
14X2/14X4 Dynamic Characteristics
Parameter Symbol Min. Typ.[2] Max. Units Conditions Reference
Rise Time, Fall Time tr, tf 4.0 6.5 nsec IF = 60 mA Note 7,(10% to 90%) No Pre-bias Figure 12
Rise Time, Fall Time tr, tf 3.0 nsec IF = 10 to Note 7,(10% to 90%) 100 mA Figure 11
Pulse Width Distortion PWD 0.5 nsec Figure 11
Notes:
1. For IFPK > 100 mA, the time duration should not exceed 2 ns.2. Typical data at T A = 25°C.3. Thermal resistance is measured with the transmitter coupled to a connector assembly and mounted on a printed circuit board.4. D is measured at the plane of the fiber face and defines a diameter where the optical power density is within 10 dB of the
maximum.5. PT is measured with a large area detector at the end of 1 meter of mode stripped cable, with an ST® precision ceramic ferrule (MIL-
Recommended DriveCircuits
The circuit used to supply currentto the LED transmitter cani ifi l i fl h i l
Figure 11 uses frequency com-pensation to reduce the typical
rise/fall times of the LED and a small pre-bias voltage to minimize
g ti d l diff
or high-speed data transmissionat signal rates of up to 155 MBd.
Component values for this circuitcan be calculated for differentLED d i t i g th
significantly influence the opticalswitching characteristics of theLED. The optical rise/fall timesand propagation delays can beimproved by using the appro-priate circuit techniques. TheLED drive circuit shown in
propagation delay differencesthat cause pulse-width distortion.The circuit will typically producerise/fall times of 3 ns, and a total
jitter including pulse-width dis-tortion of less than 1 ns. Thiscircuit is recommended for appli-
cations requiring low edge jitter
LED drive currents using theequations shown below. Foradditional details about LEDdrive circuits, the reader isencouraged to read Hewlett-Packard Application Bulletin 78and Application Note 1038.
( )
( )
(V CC - V F) + 3.97 (V CC - V F - 1.6 V) (5 - 1.84) + 3.97 (5 - 1.84 - 1.6)R y = ––––––––––––––––––––––––––––––– R y = –––––––––––––––––––––––––––––
IF ON (A) 0.100
1 R y 3.16 + 6.19R X1 = – –––– R y = ––––––––––– = 93.5 Ω 2 3.97 0.100
1 93.5REQ2(Ω) = R X1 - 1 R X1 = – –––– = 11.8 Ω2 3.97
R X2 = R X3 = R X4 = 3(REQ2) REQ2 = 11.8 - 1 = 10.8 Ω
2000(ps)C(pF) = –––––––– R X2 = R X3 = R X4 = 3(10.8) = 32.4 Ω
R X1(Ω)
2000 ps Example for I F ON = 100 mA: V F can be C = ––––––– = 169 pF
CAUTION: The small junction sizes inherent to the design of this bipolar component increase the component's susceptibility to damage from electrostatic discharge (ESD). It is advised that normal static precautions betaken in handling and assembly of this component to prevent damage and/or degradation which may beinduced by ESD.
Cycle Time
HFBR-2316T Receiver Electrical/Optical and Dynamic Characteristics0 to 70°C; 4.75 V < V CC - V EE < 5.25 V; power supply must be filtered (see note 2).
Parameter Symbol Min. Typ.[3] Max. Unit Condition Ref.
Responsitivity RP 6.5 13 19 mV/ µ W λp = 1300 nm, 50 MHz Note 4
Fig. 1, 5
RMS Output Noise V NO 0.4 0.59 mV RMS 100 MHz bandwidth, Note 5
4. The test circuit layout should be in accordance with good high frequency circuit design techniques.
5. Measured with a 9-pole “brick wall” low-pass filter [Mini-CircuitsTM, BLP-100*] with -3 dB bandwidth of 100 MHz.
6. -11.0 dBm is the maximum peak input optical power for which pulse-width distortion is less than 1 ns.
7. Electrical bandwidth is the frequency where the responsivity is -3 dB (electrical) below the responsivity measured at 50 MHz.
8. The specifled rise and fall times are referenced to a fast square wave optical source. Rise and fall times measured using an LED
optical source with a 2.0 ns rise and fall time (such as the HFBR-1312T) will be approximately 0.6 ns longer than the specifled rise
and fall times. E.g.: measured tr,f ~ [(specifled tr,f )2 + (test source optical tr,f )
2]1/2.
9. 10 ns pulse width, 50% duty cycle, at the 50% amplitude point of the waveform.10. Percent overshoot is defined as: ((V PK - V 100%)/V 100%) x 100% . The overshoot is typically 2% with an input optical rise time ≤ 1.5 ns.
11. The bandwidth*risetime product is typically 0.41 because the HFBR-2316T has a second-order bandwidth limiting characteristic.
Figure 1. HFBR-2316T Receiver Test Circuit. Figure 2. Typical Output SpectralNoise Density vs. Frequency.
150
0 50 100 150 200 250
FREQUENCY – MHZ
125
100
75
50
25
0
300
S P E C T R A L N O I S E
D E N S I T Y – n V /
H Z
3.0
n s
6.0 1.1
1 0
DATA +
DATA –
10
9
13
12
8
14
15
6
7
4 2
5 316
0.1 µF + 5.0 V
75 Ω
75 Ω
220 Ω
1
2.7 Ω
24 Ω
NE46134
150 Ω
NE46134
2.7 Ω 220 Ω
0.1
µF
10 µF
TANTALUM HFBR-1312T
MC10H116A
MC10H116B
MC10H116C
NOTES:1. ALL RESISTORS ARE 5% TOLERANCE.
2. BEST PERFORMANCE WITH SURFACE MOUNT COMPONENTS.3. DIP MOTOROLA MC10H116 IS SHOWN, PLCC MAY ALSO BE USED.
fiber. They are designed for usein short, medium and long
distance networks with bit rates
up to 622 Mb/s.
The device features a high
reliability SMQW laser diode and
rear facet monitor photodiode.
These are electrically connected
to four pins in an industry-standard configuration.
Environmental performance is
designed to be compatible with
the requirements of Bellcore’s
TA-NWT-000983 document.
available on the market. We also
offer a comprehensive range of alternative mounting flanges
including a dual in line option.
If the specific arrangement or
performance you require is not
listed, please contact your local
Limits
Absolute Maximum RatingsAbsolute limiting (maximum) ratings mean that no catastrophic damage will occur if the product is subjected to these ratings for short periods,
provided that each limiting parameter is in isolation and all other parameters have values within the performance specification. It should not beassumed that limiting values of more than one parameter can be applied to the product at the same time.