EMISORES Y RECEPTORES DE FIBRA OPTICA

Emisores ópticos

Entre los emisores ópticos tenemos a los diodos LED y los diodos LASER.

Diodos LED

Son fuentes de luz con emisión espontánea o natural (no coherente), son diodos

semiconductores de unión p-n que para emitir luz se polarizan directamente.

     

La energía luminosa emitida por el LED es proporcional al nivel de corriente de la

polarización del diodo.

En la figura anterior vemos la representación característica de potencia óptica- corriente

de polarización.

Existen dos tipos de LED:

LED de superficie que emite la luz a través de la superficie de la zona activa.

LED de perfil que emite a través de la sección transversal (este tipo es mas

direccional)

Diodos LASER (LD)

Son fuentes de luz coherente de emisión estimulada con espejos semireflejantes

formando una cavidad resonante, la cual sirve para realizar la retroalimentación óptica,

así como el elemento de selectividad (igual fase y frecuencia).

La emisión del LD es siempre de perfil, estos tienen una corriente de umbral y a niveles

de corriente arriba del umbral la luz emitida es coherente, y a niveles menores al umbral

el LD emite luz incoherente como un LED.

La figura muestra una comparación de los espectros emitidos por un LED y un LD.

Como las características de los espejos son funciones tanto de la temperatura, como de

la operación; la característica potencia óptica- corriente de polarización es función de la

temperatura y sufre un cierto tipo de envejecimiento. Una representación gráfica de la

corriente de umbral, del proceso de envejecimiento se ilustra en la a continuación.

Receptores ópticos

El propósito del receptor óptico es extraer la información contenida en una portadora

óptica que incide en el fotodetector. En los sistemas de transmisión analógica el receptor

debe amplificar la salida del fotodetector y después demodularla para obtener la

información. En los sistemas de transmisión digital el receptor debe producir una

secuencia de pulsos (unos y ceros) que contienen la información del mensaje

transmitido.

Fotodetector

Convierte la potencia óptica incidente en corriente eléctrica, esta corriente es muy débil

por lo que debe amplificarse. Las características principales que debe tener son:

Sensibilidad alta a la longitud de onda de operación

Contribución mínima al ruido total del receptor

Ancho de banda grande (respuesta rápida)

Existen dos tipos de fotodetectores:

Fotodetectores PIN

Genera un solo par electrón-hueco por fotón absorbido. Son los más comunes y están

formados por una capa de material semiconductor ligeramente contaminado (región

intrínseca), la cual se coloca entre dos capas de material semiconductor, una tipo N y

otra tipo P. Cuando se le aplica una polarización inversa al fotodetector, se crea una

zona desértica (libre de portadores) en la región intrínseca en la cual se forma un campo

eléctrico. Donde un fotón en la zona desértica con mayor energía o igual a la del

material semiconductor, puede perder su energía y excitar a un electrón que se

encuentra en la banda de valencia para que pase a la banda de conducción. Este proceso

genera pares electrón – hueco que se les llama fotoportadores.

Fotodetectores de Avalancha APD.-

Presenta ganancia interna y genera mas de un par electrón-hueco, debido al proceso de

ionización de impacto llamado ganancia de avalancha. Cuando a un fotodetector se le

aumenta el voltaje de polarización, llega un momento en que la corriente crece por el

fenómeno de avalancha, si en esta región se controla el fenómeno de avalancha

limitando la corriente (antes de la destrucción del dispositivo), la sensibilidad del

fotodetector se incrementa.

Cuando se aplican altos voltajes de polarización, los portadores de carga libres se

desplazan rápidamente, con mayor energía y liberan nuevos portadores secundarios, los

cuales también son capaces de producir nuevos portadores. Este efecto se llama

multiplicación por avalancha (M) que esta dada por:

Donde:

IT : fotocorriente total

IP : fotocorriente primaria

V : Voltaje de polarización aplicado

VB : Voltaje de ruptura del dispositivo

n : coeficiente

OTDR

Un OTDR es un reflectómetro óptico en el dominio tiempo. Es un instrumento de medición que envía pulsos de luz, a la longitud de onda deseada (ejemplo 3ra ventana:1550 nm), para luego medir sus “ecos”, o el tiempo que tarda en recibir una reflexión producida a lo largo de la FO.

Estos resultados, luego de ser promediadas las muestras tomadas, se grafican en una pantalla donde se muestra el nivel de señal en función de la distancia.

Luego se podrán medir atenuaciones de los diferentes tramos, atenuación de empalmes y conectores, atenuación entre dos puntos, etc.

El OTDR aprovecha los fenómenos presentes en la F.O. para analizar y entregar un resumen detallado de la situación.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOEl OTDR aprovecha 2 cualidades de la fibra: EPARCIMIENTO DE RAYLEIGH

REFLECION DE FRESNEL

ESPARCIMIENTO DE RAYLEIGH

Debido a que el material de las fibras no es homogéneo y al estar sus partículas distribuidas aleatoriamente la luz tiende a dispersarse en todas direcciones

Es de gran importancia tener claro el largo de onda a utilizar en el momento de la exploración; ya que como vemos, obtendremos resultados diferentes en cada ventana de operación, debido a las distintas atenuaciones en cada una de ellas.

REFLECION DE FRESNEL

Ocurre cuando hay un cambio en el índice de refracción de la fibra

La potencia reflejada esta dada por la siguiente formula:

DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN OTDR

El generador de pulsos alimenta al diodo láser, que convierte señal eléctrica a luz.

La función del acoplador es separar la señal enviada de la señal devuelta.

La señal que pasa por el acoplador alimenta al fotodiodo, el cual convierte la señal óptica a eléctrica.

Posteriormente se realiza la conversión analógica a digital de la señal.

Finalmente, luego del procesamiento digital el resultado es enviado a pantalla.

INTERPRETANDO UN OTDR

Esta es la pantalla típica que se ve en un OTDR, en esta se nos muestran las distintas atenuaciones que sufre la fibra a lo largo de su recorrido.

ESPECIFICACIONES DEL OTDR RANGO DINAMICO ZONA MUERTA RESOLUCION PRECISION LONGITUD DE ONDA

RANGO DINÁMICO

Determina la longitud máxima observable de la fibra y por lo tanto la capacidad del OTDR para analizar alguna conexión.

La figura superior muestra un rastro obtenido en 180 segundos con un OTDR de rango dinámico bajo. La figura de más bajo muestra un rastro obtenido en 10 segundos con un rango dinámico alto

ZONA MUERTA

El fotodiodo al recibir un pulso requiere un tiempo para recuperarse de la saturación.El largo de la fibra que no es completamente caracterizado durante el tiempo de recuperación es conocido como zona muerta.

RESOLUCIONEs la distancia mínima entre dos puntos de adquisición, mientras menor es

Esta distancia mayor el número de puntos de adquisición entonces mayor exactitud en la información obtenida. Depende del ancho del pulso.Existen 3 tipos de resoluciones:

Resolución de Despliegue:La resolución de lectura es la mínima resolución del valor mostrado.La resolución de cursor es la mínima distancia o atenuación entre 2 puntos mostrados (valor típico 6[cm] ó 0.01[dB])

Resolución de Perdida:

Se define como la mínima diferencia de pérdida entre 2 niveles de ganancia.

Resolución de Muestreo:Es la distancia mínima entre 2 niveles de adquisición de datos, entre menor sea esta distancia, mejor será la resolución.

PRECISION

Es la capacidad de la medición de ser comparada con un valor de referencia.

LINEALIDAD (Precisión de Atenuación)

La linealidad del circuito de adquisición determina que tan cercana es la correspondencia entre un nivel óptico y un nivel eléctrico, a través de todo el rango.

PRECISION DE DISTANCIA

La precisión de medición de distancia depende de los siguientes parámetros:

Índice de grupo: El índice de refracción se refiere a un único rayo en la fibra, el índice de grupo se refiere a la velocidad de propagación de todos los pulsos de luz en la fibra.

Error de tiempo base: Este se debe a la imprecisión del cuarzo, el que puede variar desde 0.0001 hasta 0.00001. Para tener una idea del error de distancia, se tiene que multiplicar este valor incierto por la distancia medida.

LONGITUD DE ONDA

La atenuación de fibras ópticas varía con la longitud de onda, y cualquier medición debe ser corregida a la longitud de onda de transmisión o a la longitud de onda central (850, 1310 o 1550 nm)

USANDO UN OTDR

Adquisición:Existen 3 maneras de configurar un OTDR:

Automática: El usuario simplemente deja que el OTDR se auto-calibre, y acepta los parámetros calculado por este.

Semi-automática: Un usuario con mayor experiencia puede dejar que el OTDR se autoconfigure, analice los resultados, y luego cambiar algunos de los parámetros manualmente para optimizar la lectura

Manual: Un usuario experimentado puede no elegir la auto-configuración y darse el los parámetros, basado en su experiencia

Algunos de los parámetros a modificar son: el rango (distancia), índice de refracción, ancho del pulso, longitud de onda, etc.

Medición:

Eventos reflectivos: Ocurren cuando hay una discontinuidad en la fibra y ocurre un cambio abrupto en el índice de refracción de la fibra.

Eventos no reflectivos: Cuando no hay discontinuidad, pero existen perdidas.Estos son generalmente empalmes y curvaturas en la fibra.

Las siguientes mediciones pueden ser efectuadas por un OTDR:

Para cada evento: perdida reflectancia localización

Para cada sección de la fibra: largo de la sección Perdida de la sección [dB]Índice de pérdida de la sección [dB/Km] ORL (perdida óptica devuelta)

Para un sistema completo: largo de la conexión pérdida de la conexión [dB] ORL de la conexión

Anomalías:

Fantasmas: Son falsas reflexiones de Fresnel, aparecen por 2 causas:

Un evento reflectivo muy grande en la fibra, que ocasiona una gran potencia de retorno hacia el OTDR.

Algún rango de valores incorrectos en la adquisición de datos.

Ganancia de Empalme: Esta falsa ganancia sucede cuando se tiene un empalme entre 2 fibras con distinto coeficiente de dispersión o al unir 2 tipos de fibra multimodo distintas