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I Práctica 1: Elementos básicos de unenlace de Comunicaciones Ópticas

El objetivo de esta práctica es que el alumno caracterice la respuesta en continua de los

elementos básicos de un enlace de comunicaciones ópticas: emisores, fibra óptica y

detectores. Para ello será necesario que se familiarice previamente con la

instrumentación que utilizará en las prácticas del laboratorio. Se medirá la característica

Potencia Óptica - Corriente de un LED y de un Diodo Láser, se determinará la

atenuación de la fibra óptica y se medirá la respuesta de fotodiodos PIN, con o sin etapa

de amplificación.

MATERIAL NECESARIO

Caja de emisores

Caja de detectores

Medidor de potencia óptica (FC)

Latiguillo de fibra MM FC

Carrete de fibra MM aprox. 5 km

2 Polímetros y sus bananas

Acoplador 2x2

Cable BNC-bipolar

Laboratorio de Comunicaciones Ópticas –Dpto. Tecnología Fotónica

I-2

I.0. INTRODUCCIÓN

I.0.1. Equipamiento básico

El equipamiento básico de un puesto está formado por tres unidades ("cajas")

conteniendo los dispositivos (Fig. I.1). Identifique los distintos elementos de la lista en su

puesto:

Caja de emisores:

Fuentes ópticas con entrada de modulación digital y analógica (ANALOG_IN,

DIGITA_IN)

Salida a fibra de plástico: LED 650 nm

Salida a conector FC

LED 820 nmLED 1300 nm

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 Detectores

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 transimpedanciaFotodetector 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 generadores

3 Módulos iguales con 10 frecuencias diferentes

Salida de señal de reloj

Salida de señal de datos

Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas

I-3

Además se dispone de elementos auxiliares y aparatos de medida:

Fibra óptica con conectores de tipo FC (los latiguillos de fibra monomodo (SM)utilizados en el laboratorio son típicamente de color amarillo, mientras que los defibra multimodo (MM) son típicamente de color naranja o gris)

Medidor de potencia óptica

Osciloscopio Hameg

Generador de funciones de baja frecuencia, de distintos modelos

LED - 650 nm LED - 820 nm LED - 1300 nm LD - 1300 nm

ON+

ON ON ON

OFF OFF OFF OFF

CONTROLPOTENCIA

SENSOR I

CONTROLPOTENCIA

CONTROLPOTENCIA

CONTROLPOTENCIA

SALIDAFIBRA ÓPTICA

+ +

SENSOR I SENSOR I

+ + ++V=10*I

MONITOR

+

POF SALIDAFIBRA ÓPTICA

FC

SALIDAFIBRA ÓPTICA

FC FC

V = 10*I V = 10*I V = 10*I

POT.CORR.

650 nm 820 nm 1300 nm p-i-n InGaAs

Digital OUT Digital OUT Digital OUT

Analog OUT

FO-In

2 k

10 k

30 k

FO-In FO-In

FO-In

Analog OUT

Analog OUT

Analog OUT

ON

Digittal OUT

Vcc

RL

OFFPOF

ENTRADA FIBRAÓPTICA

ENTRADA FIBRAÓPTICAFC FC

FC

1 2

34

567

89

10 1 2

34

567

89

10 1 2

34

567

89

10

Reloj 1 Datos 1 Reloj 2 Datos 2 Reloj 3 Datos 3

Caja de emisores

Caja de detectores

Caja de generadores

Fig. I.1. Cajas de emisores, detectores y generadores


I-4

I.0.2. Conectores FC de fibra óptica

Fíjese en la lengüeta del conector macho y en la muesca del conector hembra,

adáptelos antes de comenzar a enroscar desde el conector macho. La conexión no

debe ser nunca forzada (evitar roturas) y asegúrese de haber enroscado hasta el

final (evitar errores de medida).

Tanto el conector macho como el hembra tienen protectores. Se los debe

encontrar puestos, y volver a ponerlos cuando termine de utilizar los latiguillos y las

conexiones de salida en las fuentes y de entrada en los emisores. Recuerde que está

midiendo luz, y que la suciedad produce errores de medida. Nunca toque la punta del

conector con los dedos. Si utiliza goma de borrar, asegúrese de eliminar todos los

restos que queden en la mesa.

I.0.3. Medidor de potencia

En la figura I.2 se esquematiza el manejo de un medidor de potencia del laboratorio.

Está dotado de un conector FC hembra en su parte superior, donde se acopla el

conector FC del latiguillo de fibra óptica. Observe que existen varias longitudes de onda

(deberá seleccionar siempre la más próxima) y escalas lineal y logarítmica de

potencia.

BotónON/OFF

Selector de

780 nm850 nm1300 nm1310 nm1550 nm

Selección de modo delectura

dBmW

Seleccione la longitud deonda más cercana a la dela señal que desee medir

El botón “ref” no lo use nunca

Fig. I.2. Medidor de potencia

Si lo pulsa accidentalmente, puederecuperar el funcionamientonormal pulsando dBm/W


I-5

I.1. MEDIDA DE POTENCIA ÓPTICA

Objetivos: En este apartado se medirá la potencia óptica emitida por las fuentes

LED, con el fin de aprender a manejar el medidor de potencia y a

manipular los conectores FC.

Método de medida:

Los LED se emplearán en el modo de

polarización digital Dig., en el que la

corriente de polarización es fija, no

siendo afectada por el potenciómetro

de control de potencia (Fig. I.3).

Como no se va a modular, la potencia

óptica emitida por el LED es

constante.

Procedimiento experimental:

La Caja de Emisores deberá encontrársela encendida. Compruebe que los

indicadores LED están encendidos en todas las fuentes.

Seleccione modo Dig. y realice los puntos siguientes para una de las fuentes LED (820

o 1300 nm)

I.1.A. Conecte el latiguillo de fibra óptica a la fuente y al medidor. Recuerde I.0.2

I.1.B. Seleccione en el medidor de potencia la longitud de onda de la fuente LED que

vaya a medir.

I.1.C. Varíe el potenciómetro de la corriente de polarización (marcado Control de

Potencia) del LED correspondiente, y compruebe que la medida no varía. Anote

el valor en dBm y en W para la fuente. Si no está comprendido en el rango -9 a

-15 dBm para el LED de 820 nm, o de -13 a -19 dBm para el de 1300 nm, repita

las medidas, puesto que probablemente no ha realizado correctamente alguna

conexión. Si la diferencia persiste, consulte al profesor.

I.1.D. Sin variar la fuente LED que esté empleando, varíe la selección de longitud de

onda en el medidor de potencia óptica, y anote la potencia medida en cada de

una de las posibles longitudes de onda (780 nm, 850 nm, 1300 nm, 1550 nm).

Analice la causa de las diferentes lecturas con la misma fuente de potencia.

EntradaHF

Estabilizadorde corriente

R

R

R10

CircuitoModulación

Alta Frecuencia

Sensor I

+5 vol.

Conexión afibra FC

Fig. I.3. Medida de corriente del LED en modo Dig.

digital

Conmutador

An./Dig.


I-6

Nota: Como se verá en la práctica 2, el modo de polarización la señal óptica de salida

depende digitalmente de la señal en la entrada Digital_IN, con inversión lógica:

cuando en esta entrada se aplica un “0” lógico (0 V, o ninguna tensión aplicada),

la potencia emitida es la máxima permitida (“1“ lógico), mientras queal aplicar un

“1” a la entrada (tensión de 5 V), el LED no emite potencia (“0” lógico). Sólo

emite “0”’s y “1”’s.

I.2. MEDIDA DE LA RESPUESTA EN POTENCIA DE UN LED

Objetivos: Caracterización de la curva de respuesta en continua: potencia emitida en

función de la corriente aplicada, curva P-I.

Método de medida: Los LED se

emplearán en el modo de

polarización analógico, An., en el

que la corriente de polarización

aplicada depende de la posición

del potenciómetro de control (Fig.

I.5) mediante del mando de

control.

La potencia emitida se

monitoriza en el medidor de

potencia (Fig. I.4).

La corriente que circula por el LED se medirá en las bornas del sensor de

corriente del LED [Sensor I], que proporcionan la tensión en una

resistencia de 10 en serie con el LED.

Fig. I.4

Estabilizadorde corriente

R

R10

Sensor I

+5 vol.

Conexión afibra FC

R

R

RPotenciometro10k

Circuitobaja

frecuencia

EntradaLF

Fig I.5. Medida de corriente del LED en modo An.

Entrada

analógica


I-7


Realice los pasos descritos a continuación para la fuente LED de 820 nm.

I.2.A. Seleccione la posición An., en el conmutador An./Dig. del módulo de emisores

empleado.

Conecte el medidor de potencia y el LED por medio de un latiguillo de fibra

multimodo.

Ajuste la longitud de onda del medidor al valor más cercano al emisor

entre los disponibles

Conecte el polímetro, en escala de Voltios DC, a las bornas [V = 10 * I] del

LED, cuya tensión es proporcional a la corriente que lo atraviesa (ver

Fig.I.5).

I.2.B. Partiendo de la posición mínima del potenciómetro del módulo emisor,

incremente el valor de la corriente aplicada al LED, anote su valor y mida la

potencia emitida.

El medidor deberá situarse en la escala lineal (mW) no en dBm.

Con incrementos de aproximadamente 10 mA obtendrá suficientes puntos para

caracterizar la curva P-I. No olvide medir el valor máximo.

Si la potencia no es totalmente estable, tome el valor a los pocos segundos de

haber modificado la corriente. Dibuje la curva P-I.

Cuando finalice las medidas, vuelva el potenciómetro al mínimo.

I.2.D. A partir de un punto cualquiera de las medidas anteriores, determine en forma

aproximada, la relación Potencia en fibra/Corriente inyectada (W/A) del LED.

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.

Calcule su relación Potencia en fibra/Corriente inyectada (W/A).


I-8

I.3. RESPUESTA EN POTENCIA DE UN DIODO LÁSER

PRECAUCIÓN: Nunca mire directamente a la salida del emisor láser. Realice lasconexiones con la potencia al mínimo.No apague el emisor durante toda la práctica

Objetivos: 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.

Método de medida: 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 de

medida 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

Fig. I.8

R

R10

Sensor I

+5 vol.

RR

R

RPotenciometro10k

Sensor P

Conexión afibra FC

Circuitobaja

frecuencia

EntradaLF

Estabilizaciónen corriente

Estabilizaciónen potencia

+

-

2,2k

Fig I.7. Esquema de funcionamiento del módulo láser Fig. I.6. Módulo láser de la caja de emisores

Analógica


I-9

la corriente en el fotodiodo monitor de potencia del diodo láser, anotando la tensión en

bornas de una resistencia VMonitor.


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

atraviesa (ver Fig. I.7–Sensor I).

Conecte el segundo polímetro, también en escala de Voltios DC, a las

bornas [Monitor], cuya tensión es proporcional a la corriente que circula por

el fotodiodo monitor interno que contiene el láser, y por tanto, proporcional a

la potencia emitida por el láser (ver Fig. I.7 –Sensor P). anote en su

cuaderno la expresión final VMonitor = f(Popt.LD).

El conmutador [Corr]/[Pot] ¿en qué posición debe estar para qué usted

pueda realizar la medidas de este apartado?.

I.3.B. Varíe la corriente aplicada al LD mediante el potenciómetro (aprox. cada 2 mA) y

anote los valores de potencia emitida y tensión en el monitor de potencia. No

olvide medir los valores máximos. ¿por qué cada 2mA?

I.3.C. Dibuje la gráfica P(I) y estime el valor de la corriente umbral.

I.3.D. A partir de dos puntos cualesquiera por encima de umbral de las medidas

anteriores, determine en forma aproximada, la eficiencia de la pendiente (W/A)

del diodo láser (LD).

I.3.E. A partir de un punto cualquiera de las medidas anteriores y sabiendo que la

resistencia de carga del fotodiodo monitor interno es 2,2 k, determine en forma

aproximada las relaciones Tensión en el monitor/Potencia en fibra (V/W) y

Corriente en el monitor/Potencia en fibra (A/W) del LD.

Al acabar, coloque el potenciómetro en la posición mínima.


I-10

I.4. MEDIDA DE LA ATENUACIÓN

Objetivos: Determinar la atenuación por unidad de longitud de carretes de fibra

óptica multimodo en primera y segunda ventana (a 820 nm y a 1300 nm)

Método de medida: Directo, monitorizando la potencia extraída de la fibra tras un corto

recorrido de fibra (un latiguillo), y comparándola con la potencia recibida

por el sistema, en idénticas circunstancias, tras haber atravesado un

carrete de fibra de longitud conocida. Las pérdidas se achacan al carrete.


En la caja de emisores, encienda las fuentes LED 820 nm y LED 1300 nm si no lo

están ya, y coloque el potenciómetro de control de potencia aproximadamente a la

mitad de su recorrido, con el conmutador An./Dig. en la posición An.(¿por qué?)

Realice la secuencia de pasos que se describe a continuación para los dos casos

siguientes:

1. Fibra multimodo con emisor LED a 820 nm

2. Fibra multimodo con emisor LED a 1300 nm

I.4.A. Conecte la salida del LED al medidor de potencia mediante un latiguillo de fibra

multimodo.

I.4.B. Mida y anote la potencia transmitida seleccionando correctamente la longitud de

onda más cercana de las disponibles en el medidor (ver Apartado Intro.V,

descripción del medidor de potencia). Utilice la escala en dBm. Si la potencia

emitida por el LED no es estable, espere hasta que se estabilice.

I.4.C. Sustituya el latiguillo de fibra por el carrete de fibra MM y anote la potencia

transmitida (si no dispone de carrete, deberá ponerse de acuerdo con sus

compañeros de otro puesto).

I.4.D. Calcule la atenuación (pérdidas por unidad de longitud) en los 2 casos

considerados. Si sus resultados fueran muy diferentes de 3 dB/km y 0,5 dB/km,

para 820 y 1300 nm, respectivamente, repita las medidas.


I-11

I.5. RESPUESTA EN CORRIENTE DE UN FOTODIODO EN FUNCIÓN DE

LA POTENCIA ÓPTICA DETECTADA

Objetivos: Medir la respuesta de un fotodiodo PIN en función de la potencia óptica

incidente.

Método de medida: El circuito de polarización del fotodiodo PIN etiquetado PIN-

InGaAs del laboratorio está representado en la figura I.9, junto a las

curvas características de funcionamiento de un fotodiodo. El fotodiodo

trabaja en su zona de respuesta lineal con tensiones de polarización tales

que lo mantengan en inversa (tercer cuadrante de la curva V(I). En ese

caso la corriente fotogenerada es proporcional a la potencia óptica

incidente, siendo el factor de proporcionalidad la Responsividad (A/W).

La fotocorriente se mide a partir de la caída de tensión en la resistencia

de carga RL, que determina la recta de carga (Iph = VRL/RL ).

Fig. I.9. Curvas características de fotodiodos. El punto de trabajo en cada medida está en elcruce de la curva I-V correspondiente a la potencia óptica incidente con la recta decarga del circuito.


I-12

Para caracterizar la respuesta del fotodiodo se variará la potencia óptica

emitida por el diodo láser caracterizado en I.3. El diodo láser trabajará en

modo de control de potencia para asegurar la estabilidad de la potencia

emitida. La potencia emitida por el láser se determinará a partir de la

tensión en bornas de la resistencia en serie con su fotodiodo monitor,

bornas [Monitor], (ver Fig. I.7–Sensor P).


I.5.A. Conecte la salida del LD-1300 nm de la caja de emisores a la entrada del

fotodiodo PIN InGaAs [FO-In], con un latiguillo de fibra multimodo y compruebe

que el potenciómetro de control está al mínimo.

Conecte un polímetro en bornas [Vcc] (medida de VPOL ver Fig. I.9), y ajuste

dicha tensión a 10 V, mediante el potenciómetro [Vcc ].

Para asegurar que el detector a caracterizar recibe siempre la misma

potencia la fuente láser deberá estar controlada por potencia, seleccione la

posición [POT] en el conmutador del láser LD-1300nm.

Lleve la salida analógica del fotodiodo a un polímetro en escala VDC, y

conecte el otro polímetro a las bornas [Monitor] del diodo láser.

Sitúe el conmutador de resistencias en la posición RL = 30 K

I.5.B. Ajuste el potenciómetro de control del diodo láser para que la potencia emitida

sea aproximadamente 20 µW; recuerde que la potencia emitida se mide en el

polímetro conectado a las bornas [Monitor] del diodo láser, utilizando el factor

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-13

I.6 RESPUESTA EN TENSIÓN DE UN FOTODIODO CONAMPLIFICADOR DE TRANSIMPEDANCIA EN FUNCIÓN DEPOTENCIA ÓPTICA DETECTADA

Objetivos: 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 medida: 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

las puertas 1 ó 2 se reparte en partes iguales entre las puertas 3 y 4,

De este modo, se supondrá que midiendo la potencia en el medidor se

puede determinar la potencia que incide al detector.


I.6.A. Realice el montaje experimental de la Figura I.10.

Conecte la salida del LED de 820 nm o a la puerta 1 del acoplador.

VDC

SALIDAFIBRA ÓPTICA

LED - 650 nm

+

CONTROLPOTENCIA

SENSOR I

+

++ POF

V = 10*I

ON

OFF

LED - 820 nm

CONTROLPOTENCIA

+

SENSOR I

+

++ SALIDAFIBRA ÓPTICA

FC

V = 10*I

ON

OFF

LED - 1300 nm

CONTROLPOTENCIA

SENSOR I

+ +

++ SALIDAFIBRA ÓPTICA

FC

V = 10*I

ON

OFF

LD - 1300 nm

CONTROLPOTENCIA

+SENSOR I

SENSOR P

+

SALIDAFIBRA ÓPTICA

FC

POT. CORR.

ON

OFF

Fig. I.10


I-14

Conecte la puerta 3 del acoplador a la entrada del detector de 820 nm.

Conecte la puerta 4 del acoplador al medidor de potencia

Conecte la salida Analog-Out del detector a un polímetro, en escala de

Voltios DC.

Compruebe que los conmutadores An./Dig. del LED escogido está en la

posición An..

I.6.B. Con el potenciómetro de control de potencia del LED al mínimo mida la tensión

de salida del detector (Analog-out). Así medirá el offset de continua del

preamplificador.

I.6.C. Varíe la potencia de salida, potenciómetro [Control Potencia], del LED y mida la

tensión de salida del detector en (Analog-out) aproximadamente cada 2-3 µW

de variación de la potencia de salida del acoplador. Si la potencia no es

totalmente estable, tome los valores de potencia y tensión en la forma más

simultánea que pueda. Al acabar, deje el LED sin emitir, posición mínima del

potenciómetro.

I.6.D. Represente la tensión leída en el detector en función de la potencia óptica.

Deduzca la responsividad del detector amplificado (V/W) a partir de la

pendiente de dicha característica.

I.6.E. Con el método aprendido mida la responsividad del receptor de 1300 nm

empleando la fuente LED de segunda ventana. Es suficiente con que mida el

offset del amplificador y su tensión de salida para la máxima potencia, pues su

respuesta es lineal.

POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA RECOJAN

TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PRINCIPIO.

SUS COMPAÑEROS SE LO AGRADECERÁN.

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