Laboratorio de Sistemas de Comunicaciones Ópticas LSCO 0809 b.pdf · la actualidad fibras...

GRUPO DE INGENIERÍA FOTÓNICA UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

Adolfo Cobo García Olga Mª Conde Portilla

Fco. Javier Madruga Saavedra Jesús Mª Mirapeix Serrano

Marian Quintela Incera Antonio Quintela Incera

Marzo, 2009

Laboratorio de Sistemas de Comunicaciones Ópticas

“Cuéntame algo, lo olvidaré. Muéstramelo, podré recordarlo. Sin em-bargo implícame en ello y lo entenderé”

Proverbio Chino

PRÁCTICAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS PRÁCTICAS - PÁG. 1

Manipulación de Fibra Óptica

1. Objetivos

Se realizarán manipulaciones básicas con la fibra óptica: pelado, corte y soldadura de fi-bras. Utilizando fibras estándares de telecomunicación, se conocerán las técnicas y herra-mientas utilizadas para realizar estas operaciones.

2. Introducción

La fibra estándar empleada actualmente en los sistemas de comunicaciones ópticas es una fibra de dióxido de silicio (SiO2), de 125 μm. de diámetro, y con un núcleo de aproxima-damente 9 μm de diámetro. Es por lo tanto una guia-onda monomodo para la segunda y terce-ra ventana de transmisión, 1300 y 1550 nm respectivamente. Es posible encontrar también en la actualidad fibras ligeramente diferentes, como son las de dispersión desplazada, de disper-sión nula, o de gran área efectiva, que se diferencian fundamentalmente en la estructura del núcleo o en un tamaño del mismo ligeramente distinto, si bien el material y el tamaño de la cubierta son idénticos al de una fibra estándar.

Una operación básica que se realiza sobre la fibra óptica es la preparación de su extre-mo, bien para introducir luz, para extraer luz, o bien para soldar dos fibras entre y prolongar el canal óptico. En cualquier caso, es necesario realizar dos operaciones:

• Pelado de la fibra, que consiste en remover todas las cubiertas protectoras (normalmente de material plástico) de la misma, de forma que sólo el canal óptico propiamente dicho (núcleo y cladding) permanece.

• Corte, cuyo objetivo es que el extremo sea perfectamente plano y perpen-dicular al eje de la fibra, y así maximizar la eficiencia de acoplo de la luz. En el caso de la soldadura de fibras, un buen corte es condición imprescin-dible para que la unión de las fibras sea fiable. Ocasionalmente, puede ser interesante que el corte no sea estrictamente perpendicular al eje de la fi-

0a


bra óptica, sino que forme un ángulo de varios grados (8º es un valor estan-darizado). Con esta técnica se evita la reflexión hacia atrás de la luz que ocurre normalmente en la interfaz fibra-aire de un conector de fibra óptica cuando el corte es perpendicular.

Fig. 1. Ejemplos de cortes de fibra óptica: Cortes perfectos, perpen-dicular (a) y en ángulo (b); cortes defectuosos (c) y (d).

Para el pelado de la fibra se puedan usar dos técnicas:

• Pelado mecánico, sobre todo para eliminar las capas más externas. Se puede usar una simple tijera o pelacables. Los recubrimientos de kevlar (también conocido como aramida) requieren una herramienta especial por-que su extrema dureza estropea las herramientas metálicas convencionales. La capa protectora más interna, denominada cubierta primaria, suele ser de acrilato (material más usual, para temperaturas y condiciones no extre-mas) o de poliamida (más resistente y caro). Existen herramientas específi-cas para eliminar esta capa, que se caracterizan por un diámetro de corte calculado con mucha precisión para evitar dañar a la fibra en sí. Obviamen-te, existe una herramienta adecuada para cada diámetro de fibra óptica, siendo los más típicos 125 y 140 micras.

• Pelado químico, únicamente para la cubierta primaria. Para el recubri-miento de acrilato se utiliza di-cloro-metano (Cl2CH2) o disolventes comer-ciales que incluyan este producto (la mayoría de los decapantes para pintu-ras se basan en este compuesto). La cubierta de poliamida es más difícil de eliminar: típicamente se emplea ácido sulfúrico (SO4H2) a alta temperatura.

El proceso de corte que mejor resultados obtiene consiste en producir una fisura super-ficial en la fibra y, a continuación, someterla a una tensión que propaga la fisura hasta produ-cir la rotura. El corte así producido es perfectamente plano y perpendicular.

El corte puede realizarse de forma manual o automática: para ello, existen máquinas que se encarga de pasar una cuchilla sobre la fibra para producir la micro-fisura, para luego tensionarla y provocar la ruptura. En las máquinas mas sofisticadas, la tensión que se aplica a


la fibra es regulable, a la vez que la cuchilla es controlada electrónicamente y en contacto con una vibración ultrasónica. Esto provoca una fisura más limpia y un corte mejor. Otra posi-bilidad de las máquinas automáticas es conseguir un corte no perpendicular, con un ángulo ajustable, especialmente útil como ya se ha dicho cuando el extremo de fibra se va a conecto-rizar y se necesita disminuir la potencia óptica reflejada en el extremo (la luz reflejada hacia atrás puede desestabilizar el funcionamiento de algunas fuentes de luz tipo láser, por ejem-plo). Sin embargo, para la unión de dos tramos de fibra óptica mediante fusión, el corte debe ser perfectamente perpendicular.

La unión entre dos tramos de fibra óptica puede hacerse de forma temporal o perma-nente. Para la primera, se pueden emplear soportes acanalados o tubos que ajustan la posi-ción de las dos fibras de forma que se maximiza el acoplo de luz entre ambas, reduciendo así las pérdidas en el empalme (ver figura 2).

2.1 Tipos de conectores ópticos

Otra posibilidad consiste en emplear conectores de fibra óptica. Usualmente, los conec-tores ópticos sirven para unir los extremos del canal de fibra óptica al emisor, receptor, o a la instrumentación, pero también es posible unir dos tramos de fibra mediante el oportuno adap-tador “hembra-hembra”.

Los conectores más usuales que se manejan en el laboratorio se denominan:

• FC, que es un conector de alta calidad, apto para fibra monomodo estándar de telecomunicación, y que se usa mayoritariamente en Europa, mientras que en Estados Unidos es el tipo ST, muy similar, el más utilizado. El extremo de fibra óptica esta alojado en un tubo de material cerámico blanco deno-minado “ferrule”, que garantiza unas pérdidas pequeñas. También existen versiones multimodo Las pérdidas de inserción típicas de este conector son aproximadamente de 0.3 dB.

• ST, en este conector su elevada precisión y el “ferrule” cerámico permite em-plearlo tanto con fibras multimodo como con fibras monomodo. Su uso está muy extendido en aplicaciones LAN tanto interiores como exteriores en fi-bra óptica. Las pérdidas de inserción típicas de este conector son menores de 0.5 dB.

Fig. 2. Unión temporal entre dos fibras me-diante tubo capilar.


• SMA, conector ya anticuado que solo es válido para fibras multimodo, cuyo núcleo es mucho mayor (y por tanto más fácil de alinear) que el de una fibra monomodo. El “ferrule” en este caso puede ser cerámico o metálico. Las aplicaciones típi-cas son el acoplo de luz de láseres de alta potencia en aplicaciones médicas, bio-médicas e industriales. Las pérdidas de inserción típicas de este conector son mayores de 1 dB.

• SC, la elevada precisión de este conector y el “ferrule” cerámico lo convierten en un conector muy apropiado para alinear fibra óptica monomodo. Este conector se está convirtiendo en muy popular en aplicaciones con fibra óptica monomodo de telecomunicaciones y en CATV. También existen versiones multimodo. Las pérdi-das de inserción típicas de este conector son aproximadamente de 0.3 dB.

• Plug-In, es un conector propietario de Hewlett-Packard empleado en sistemas de comunicaciones de bajo coste con fibra óptica multimodo o de plástico.

2.2 Tipos de terminación de los conectores.

Una vez que la fibra óptica está terminada con un determinado tipo de conector, la for-ma del extremo de la “ferrule” y de la fibra óptica determinará las pérdidas de retorno, es decir, la relación entre la luz propagándose en la dirección hacia adelante a través del conec-tor y la luz reflejada hacia atrás debido a la superficie del conector. La minimización de las pérdidas de retorno es de gran importancia en enlaces de fibra óptica analógicos y de alta velocidad.

Las terminaciones de los conectores pueden ser de tres tipos

• Plano. Una superficie plana del extremo del conector inducirá unas pérdidas de re-torno de aproximadamente -16 dB (4%).

• PC (“Physical Contact”). Este tipo de terminación implica una leve curvatura de la superficie del extremo del conector, por lo que existirá un contacto físico entre fibras cuando se unen dos conectores ópticos. Al eliminar el interfaz fibra-aire, las pérdidas

Figura 3. Conectores de fibra óptica


de retorno están aproximadamente entre –30 a –40 dB. Está terminación es la mas po-pular, usada en la mayor parte de las aplicaciones.

• SPC (“Super Physical Contact”). Es un subtipo del PC, pero mejora la calidad de la superficie del conector, por lo que las pérdidas de retorno están entre –40 a –55 dB. Se emplea en sistemas de transmisión digital por fibra óptica de alta velocidad.

• APC, muy similar al anterior pero con el extremo de fibra óptica y el “ferrule” terminados en un ángulo de 8º. Las pérdidas de retorno son <-60 dB.

2.3 Soldaduras de fibras ópticas.

La unión permanente implica “soldar” las fibras, lo que se consigue calentando adecua-damente los extremos hasta fundir el material. Debido al pequeño tamaño de la fibra, y en particular del núcleo, es necesaria una gran precisión en el posicionamiento de las fibras, así como en el tiempo y la intensidad del calentamiento. Este proceso se realiza con máquinas automáticas que consiguen pérdidas en los empalmes realizados de menos de 0.1 dB. En la figura 3 se muestra esquemáticamente una de estas máquinas, con los dos extremos de fibra óptica enfrentados y situados entre los dos electrodos que provocan el arco eléctrico.

Estas máquinas realizan de forma mas o menos automática los siguientes procesos:

• Posicionado óptimo de los extremos de fibra. En las máquinas más moder-nas, se realiza automáticamente mediante tratamiento de las imágenes captadas de las fibras por un pequeña cámara de video.

• Pre-fusión mediante arco eléctrico de baja intensidad para eliminar las po-sibles partículas de polvo y suciedad sobre la superficie de las fibras.

• Fusión propiamente dicha entre las fibras, mediante la aplicación simultá-nea de un arco eléctrico y de un movimiento axial de aproximación. La in-tensidad del arco, su duración, y los movimientos aplicados dependen del tipo de fibra óptica y de su fabricante.

• Re-fusión mediante arco eléctrico más débil, para estabilizar la soldadura.

• Estimación de las pérdidas del empalme. Dos técnicas son las más utiliza-das: estimación de las pérdidas mediante tratamiento de imagen, o inser-ción de luz en las fibras para la medida directa de las pérdidas.

Figura 4. Terminación de los extremos de los conectores.


Fig. 3. Estructura genérica de una fusionadora.

3. Desarrollo de la práctica

Se realizarán las tres operaciones básicas con la fibra: pelado, corte y soldadura. El re-sultado del corte deberá inspeccionarse con un microscopio para controlar su calidad antes del proceso de soldadura.

-a-

El pelado se realizará, bien químicamente empleando di-cloro-metano o un disolvente apropiado, o bien mediante una tijera de pelado, de forma mecánica. Con el método químico, debe introducirse el extremo de fibra a pelar (al menos 3 cm) en el disolvente y esperar en torno a 1 minuto. A continuación se extrae la fibra y se limpia el extremo con un “kleenex” y alcohol.

-b-

Para realizar el corte, se sostiene el extremo de la fibra entre dos dedos y, con una cu-chilla, se produce una pequeña incisión en el punto donde se desea el corte. Luego basta con empujar el extremo para propagar la fractura y provocar la ruptura de la fibra.

!

Es conveniente, antes de realizar la fusión de los dos tramos de fibra, comprobar con un microscopio la calidad del corte. En su defecto, la máquina que realiza la soldadura incorpora un visor que se puede emplear para este fin.

-c-

La soldadura se realizará mediante una máquina específica (fusionadora). En el apéndice puede encontrarse una descripción e instrucciones de uso de las fusionadoras disponibles en el laboratorio.

Los trozos de fibra óptica sobrantes en el corte deben ser desechados con cuidado.


Identificación de Cables Ópticos

1. Objetivos

Introducción a los cables ópticos. Se estudiará la formación y composición de los di-ferentes tipos de cables usados en los sistemas de comunicaciones ópticas. En el laborato-rio, se podrán conocer e identificar diferentes tipos de cables ópticos.

2. Introducción

Dada la fragilidad de la fibra óptica usada en comunicaciones ópticas (125 μm de diámetro y compuesta de dióxido de silicio -cristal), es importante recubrirla adecuada-mente de elementos protectores que permitan su instalación en campo. Además, para op-timizar el coste de los enlaces, varias fibras pueden incluirse bajo una misma capa protec-tora, formando un único cable óptico. El tipo y número de recubrimientos, así como el nú-mero de fibras que forman un cable óptico, depende de la aplicación específica, las carac-terísticas técnicas del enlace, y de su lugar de emplazamiento.

La utilización de cables ópticos, con múltiples fibras y recubrimientos, persigue tres objetivos básicos:

• Proporcionar dureza mecánica, evitando la rotura de la fibra.

• Alargar la duración del enlace, evitando el envejecimiento del canal óp-tico.

• Evitar las curvaturas, que aumentan la atenuación.

Con estos objetivos en mente, se han implementado multitud de diseños de cables ópticos, con diferentes materiales y estructura, en función de cada aplicación específica. El diseño de un cable óptico se estructura en dos fases: tipo recubrimiento primario, y agrupamiento de las fibras ópticas.

El recubrimiento primario tiene como misión principal el proporcionar algo de dure-za mecánica que proteja a la fibra óptica. De hecho, tras la fabricación de la fibra, es ne-cesario, para su manipulación y transporte, añadir un recubrimiento primario, aunque sea básico. A la hora de elegir un material para realizar un recubrimiento primario, se busca,

0b


además de una resistencia mecánica adecuada, que no genere moléculas de hidrógeno (H2) incluso a temperaturas altas (en torno a 200 ºC), y que su comportamiento con la tempera-tura (coeficiente de dilatación) sea lo más parecido al de la fibra óptica, para evitar la aparición de curvaturas bajo temperaturas extremas.

Existen varios diseños de recubrimientos primarios:

• Recubrimiento delgado simple (thin coating). Se trata de una capa de material plástico duro, con un diámetro normalizado de 250 μm. Es el recubrimiento primario más usual en fibras estándares de telecomunica-ción.

• Recubrimiento delgado doble (double thin coating). Una doble capa plástica, la interior de material más blando y elástico, permite disminuir el efecto de las curvaturas. El diámetro externo normalizado es también de 250 μm.

• Recubrimiento grueso doble (double thick coating). La misma disposi-ción pero con un diámetro global de unas 900 μm.

• Recubrimiento doble holgado (loose coating). Dos capas plásticas están separadas por un relleno de aire o de grasa. El diámetro resultante es mucho mayor (2 mm), pero aísla a la fibra de posibles curvaturas. Ade-más, el material de relleno puede actuar como barrera de las moléculas de hidrógeno evitando por tanto el deterioro del canal de transmisión con el tiempo. Su principal problema es que dificulta la soldadura y el conectorizado.

El agrupamiento de las fibras ópticas para formar un cable óptico puede clasificarse en 4 tipos:

• Trenzado.

• Trenzado con unidades múltiples.

• Ribbon.

• Con surco en “V”.

El diseño trenzado consiste en múltiples fibras con recubrimiento primario que son trenzadas alrededor de un elemento de sostén mecánico (alma) a medida que se produce el cable. Es el diseño más clásico, que utiliza para su fabricación máquinas similares a las de los cables de cobre convencionales. Este tipo de diseño permite hasta unas 1.000 fibras por cable.

El diseño trenzado con unidades múltiples es muy similar al anterior, salvo en que el recubrimiento primario es siempre del tipo holgado, y en el interior del relleno se apro-vecha para incluir más de una fibra óptica. La principal diferencia es la densidad de fibras, unas tres veces superior. El hecho de utilizar una técnica holgada permite que la fibra sea insensible a esfuerzos de tracción y contracción, ya que la fibra se acomoda hacia el inter-ior o el exterior respectivamente sin sufrir fuerzas que la puedan dañar.

El cable ribbon o de cinta es el que permite la mayor densidad de fibras por unidad de área. Se fabrica uniendo múltiples fibras ópticas (incluyendo su recubrimiento primario individual) entre sí mediante un material plástico, hasta formar una “tira” plana y ancha. Varias de estas tiras se pueden apilar, consiguiendo una gran densidad de fibras. La distan-cia entre las fibras dentro de una tira está normalizada, por lo que pueden soldarse simul-


táneamente, facilitando la unión de dos cables ópticos. El principal inconveniente es la colocación del “alma”, que por otra parte siempre es necesaria para evitar la rotura de la fibra al tirar del cable durante su instalación.

El cable con surco en “V” se construye alrededor de un elemento plástico que inclu-ye en su centro el “alma”. Sobre la superficie de este elemento, existe un surcos sobre los que se sitúan las fibras. Cada surco puede albergar una o múltiples fibras, e incluir un re-lleno de grasa. La densidad que se consigue es media, mientras que las características de transmisión son muy estables gracias a la protección ofrecida a la fibra.

Fig. 1. Diferentes diseños básicos de cables ópticos, de izquierda a dere-cha: trenzado, trenzado múltiple, ribbon y con surc-co en “V”.

Por supuesto, existen múltiples configuraciones basadas en estos cuatro tipos bási-cos, en las que se modifica el número y tipo de fibra, disposición de las mismas, material y grosor de los recubrimientos, etc., todo ello para adecuar cada tipo de cable a su aplica-ción específica.


En esta práctica se analizará la constitución de diversos cables ópticos. Cada grupo elegirá varios de estos cables, y ayudándose de las hojas de características proporcionadas por el fabricante, deberá:

• Observar las distintas capas de protección, identificando su material y cometido.

• Examinar el tipo, número y disposición de los canales de fibra óptica.

• Identificar el tipo de cable y su aplicación, de acuerdo a su estructura, utilizando la información proporcionada por el fabricante.

PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS PÁG. 11

Medida de la Apertura Numérica

1. Objetivos

Se medirá un parámetro básico de la fibra óptica como es su apertura numérica. Para ello, se empleará un método basado en la medición de la potencia óptica introducida en la fibra para distintas posiciones angulares de la misma. Este método se aplicará a distintos tipos de fibra óptica, tanto fibras monomodo como multimodo.

2. Introducción

La apertura numérica de una fibra óptica es un parámetro relacionado con la canti-dad de luz que se puede introducir en la misma, así como la dirección angular de la luz emitida por la misma al final de un canal de comunicaciones ópticas. Se define como el seno del ángulo máximo de aceptancia cuando el medio externo es aire (n0 = 1)

( )AN n n nmax= = −0 12

22sen θ

donde n1 es el índice de refracción del núcleo y n2 el de la cubierta o cladding. θmax es el ángulo máximo de aceptancia: los rayos que lleguen a la fibra con un ángulo mayor, no se propagarán por la misma. En la siguiente figura, El rayo “A” incide con un ángulo θA <

1

Fig. 1. Concepto de apertura numérica en una fibra óptica.


θMAX, y se propaga por la fibra. No ocurre lo mismo con el rayo “B”, que es radiado al exte-rior y se pierde porque su ángulo de incidencia es mayor que el ángulo máximo de acep-tancia.

Esta definición de A.N. es aplicable únicamente a fibras de salto de índice, y supo-ne un comportamiento todo/nada, es decir, o bien toda la luz es recogida por la fibra, o no lo es en absoluto, dependiendo de su ángulo de incidencia. En la práctica, sin embargo, la potencia óptica acoplada a la fibra decrece progresivamente al aumentar el ángulo, y se ha tomado el convenio de que el ángulo máximo de aceptancia es aquel para el que la po-tencia capturada por la fibra o emitida por la misma es un 5% de la máxima. Una idea de cómo varía la potencia acoplada en función del ángulo se muestra a continuación en la figura 2.

Fig. 2. Ejemplo de curva de acoplo experimental, mos-trando la definición de ángulo máximo de aceptancia.

El montaje práctico se basa en lanzar un frente de ondas plano sobre la entrada de la fibra, monitorizando la potencia óptica propagada por la misma. Variando el ángulo de incidencia de este frente de ondas se puede determinar el ángulo máximo de aceptancia (cuando la potencia de la luz propagada es el 5% de la máxima), y de ahí se deduce la apertura numérica.


El montaje necesario para esta práctica se muestra en la figura 3, y emplea un láser de He-Ne con una longitud de onda en el visible (0.63 μm) para producir el frente de ondas plano. El spot del láser incide sobre la fibra óptica, que se encuentra situada sobre un po-sicionador XYZ, de forma que puede moverse para obtener el máximo acoplo de potencia. Este posicionador se encuentra a su vez montado sobre un rotador que permite variar el ángulo de incidencia entre la luz y la fibra. La potencia introducida en la fibra es monitori-zada por el medidor de potencia óptica acoplada al otro extremo de la misma, que mues-tra en su display directamente la potencia medida en unidades lineales (watios) o logarít-micas (dBm).


GIF

LASER

Rotador

Fibra óptica

M.P.O.

Fig. 3. Montaje para la medida de la apertura numéri-ca.

-a-

En primer lugar debe alinearse el extremo de la fibra óptica respecto al haz emitido por el láser. Para ello, situar el girador lo más recto posible respecto al láser, y mediante los dos tornillos que incorpora el posicionador de la fibra, situar este extremo exactamente sobre el eje de giro del rotador, mirando desde arriba. A continuación, mover ligeramente el láser hasta que su haz incida directamente sobre la fibra, provocando un aumento brus-co de la potencia óptica acoplada a la misma. Por último, retocar ligeramente la posición de la fibra con los dos tornillos micrométricos de forma que se maximice la potencia óptica acoplada. En estas condiciones, la fibra está alineada con el haz del láser, a al vez que el centro de giro coincide con su extremo.

1 Anotar el tipo de fibra óptica y la potencia óptica máxima recogida.

!

-b-

A continuación, se debe mover el girador hacia una dirección cualquiera, y detenerse en el momento en que la potencia óptica medida sea despreciable frente a la máxima. Se iniciarán entonces las medidas, moviendo el girador en la dirección contraria (hacia el máximo de nuevo), en pasos de media división (1 grado), y anotando la potencia óptica medida en cada punto. Las medidas finalizarán cuando la potencia óptica haya descendido nuevamente hasta un valor despreciable, al menos, inferior al 5% de la potencia máxima.

Es normal que la potencia emitida por el láser sufra fluctuaciones, especialmente tras el encendido. Es conveniente promediar las medidas.


2 Anotar las medidas de potencia óptica en función del ángulo de giro.

-c-

Con estos datos debe confeccionarse un gráfico con la potencia óptica en el eje de ordenadas y el ángulo en el de abcisas. Este gráfico debe tener forma de campana, similar al de la figura 2.

3 Dibujar aproximadamente el gráfico resultante

Se buscan entonces los ángulos θ1 y θ2 para los que la potencia es el 5% de la máxima, siendo entonces la apertura numérica:

AN =−

senθ θ1 2

2

4 Determinar los ángulos y la apertura numérica resultante.

-d-

Las medidas deben repetirse con los tres tipos de fibra óptica disponibles:

• Fibra estándar de telecomunicación 9/125, monomodo, de sílice, n1 = 1,460, n2 = 1,456.

• Fibra multimodo de sílice, 100/140 , n1 = 1,460, n2 = 1,432.

• Fibra multimodo de plástico, 1 mm. de diámetro de núcleo, n1 = 1,490, n2 = 1,404

13 Comparar el resultado obtenido con el valor teórico esperado. Determinar el error relativo de la medida y comentar la exactitud del resultado.


Modos de Propagación en la Fibra Óptica

1. Objetivos

Se comprobará como una fibra óptica monomodo en 2ª y 3ª ventana se convierte en una guía-onda multimodo usando una longitud de onda suficientemente corta. Se observará la distribución espacial del campo de los modos guiados por la fibra, que pueden excitarse individualmente modificando la forma de introducir luz en la misma y verse fácilmente, a simple vista, proyectando la luz propagada por la fibra sobre una pantalla.

2. Introducción

La fibra óptica monomodo se diseña para longitudes de onda de 1.3 ó 1.55 μm (segunda y tercera ventana de transmisión). Para estas longitudes de onda, la fibra es una guía-onda monomodo, pero esta condición se pierde si la longitud de onda es suficientemente pequeña (longitud de onda de corte). El número de modos propagados puede determinarse a partir del parámetro V ó “frecuencia normalizada”:

V a AN=2πλ

donde a es el radio del núcleo (4,5 μm.ç) y AN la apertura numérica (0,11 para la fibra monomodo estándar de telecomunicación). Una vez determinado el valor de V, el número de modos LP propagados puede hallarse a partir del diagrama b-V, que se muestra en la figura 1 (izquierda).

Así, para una longitud de onda de 1300 nm el valor de V es menor de 2.405, luego la fibra tiene un comportamiento monomodo. Para λ = 633 nm, sin embargo, V = 5, y el número máximo de modos propagados es 4. Los láseres de Helio-Neón empleados en el laboratorio emiten precisamente a esta longitud de onda. La distribución espacial de luz de estos 4 modos se puede ver a la derecha en la figura 1.

2a


Fig. 1. Diagrama b-V para los modos linealmente polarizados (LP) de una fibra óptica (izquierda), así como la distribución espacial del campo de los cuatro primeros (derecha).

Cambiando las condiciones de introducción de luz a la fibra (especialmente el ángulo de incidencia, es decir, la orientación espacial de la fibra respecto a la fuente de luz) y utilizando un scrambler para anular los modos superiores, es posible modificar las condiciones de propagación y seleccionar alguno de estos cuatro modos. El spot de iluminación de salida de la fibra puede proyectarse sobre una pantalla, e identificar el(los) modo(s) propagado(s) a partir de la distribución de luz encontrada.

El scrambler, también denominado “aleatorizador”, es un elemento que, deformando la fibra óptica mediante unas microcurvaturas, redistribuye espacialmente el campo propagado por la fibra. Como principal efecto, consigue eliminar los modos de orden superior que se propagan por la misma, convirtiéndolos en modos radiados o bien en modos de cubierta, que sólo se propagan durante unos pocos metros y son fuertemente atenuados. Un efecto similar puede conseguirse realizando un pequeño bucle en la fibra, en torno a 1 cm de diámetro. Este último método, aún siendo manual, es preferible, ya que el aleatorizador puede romper la fibra óptica con mucha facilidad si la profundidad de las curvaturas es elevada.


El montaje a utilizar incluye una fuente láser de Helio-Neón, un tramo de fibra óptica y la pantalla, tal como se muestra en la figura 2. La luz procedente del láser se proyecta sobre la fibra óptica. La posición y dirección del extremo de fibra puede cambiarse para modificar el ángulo de incidencia de la luz, y así excitar adecuadamente los distintos modos, utilizando un posicionador que incorpora movimiento lineal en tres ejes (XYZ) y angular en dos (θ, φ). El scrambler, si se utiliza, puede situarse en cualquier punto del camino óptico, y el patrón de radiación de la fibra puede observarse en una pantalla situada enfrente del extremo final de la fibra óptica.


Fig. 2. Montaje para la visualización de los modos de propagación de la fibra óptica.

-a-

En primer lugar se intentará maximizar la potencia óptica acoplada, moviendo los posicionadores del inicio de la fibra hasta que la luminosidad del spot observado en la pantalla sea máxima.

A continuación se hará uso del scrambler o bien se curvará manualmente la fibra para cambiar el número de modos propagados. Si se utiliza el scrambler, se situará la fibra entre las dos pletinas de “dientes” y se girará el mando en sentido horario hasta que la fibra quede sujeta. A partir de ese momento, cada raya larga del mando que se gire aumentará la profundidad de las microcurvaturas en 25 micras. El máximo para evitar la rotura de la fibra es de 6 rayas (150 micras).

!

-b-

Se intentará excitar alguno de los 4 modos propagados, variando:

• La profundidad de las microcurvaturas (mando del scrambler), o bien realizando bucles de diferente diámetro en la fibra.

• La posición del extremo de fibra.

• La dirección (posición angular) del extremo de fibra.

-c-

Se intentará comparar el patrón de radiación con el de los primeros modos linealmente polarizados. Tener en cuenta que puede excitarse más de un modo simultáneamente, y que siempre es posible obtener el modo fundamental (LP01 = HE11) girando suficientemente el scrambler.

Tanto si se utiliza el aleatorizador, como si se realiza un simple bucle, debe ponerse la máxima atención para no romper la fibra óptica.


1 Dibujar aproximadamente la forma de los modos obtenidos en la pantalla, indicando las acciones necesarias para conseguir visualizar cada uno de ellos.


Observación del Speckle

1. Objetivos

Se analizará el fenómeno de ruido modal en fibras multimodo que transportan luz procedente de una fuente de gran longitud de coherencia, observando el fenómeno conocido como “speckle”. Se comprobará la dependencia de este fenómeno con diferentes factores ambientales y de transmisión.

2. Introducción

La inteferencia intermodal o ruido modal se produce cuando una fibra óptica multimodo transporta luz procedente de una fuente con gran longitud de coherencia (es decir, con una anchura espectral muy pequeña), y además se cumple que el tiempo de coherencia de la fuente es mayor que el tiempo de dispersión intermodal de la fibra, considerando la longitud empleada. Este fenómeno provoca variaciones aleatorias de la potencia óptica recogida por el receptor, por lo que debe ser tenido en cuenta en sistemas de comunicaciones ópticas basados en fuentes coherentes y fibra multimodo.

Si se proyecta el cono de iluminación del extremo final de la fibra sobre una pantalla, puede observarse a simple vista el patrón espacial de ruido, con puntos brillantes y oscuros, conocido como “speckle”.


Se utiliza el mismo montaje que el empleado para observar los modos propagados (ver práctica “Modos de propagación en la fibra óptica”), sustituyendo la fibra óptica estándar de telecomunicación por fibra multimodo de sílice, tal como se muestra en la figura 1.

2b


Fig. 1. Montaje para la observación del “speckle” al final de un canal de comunicaciones multimodo.

-a-

Se maximizará en primer lugar la potencia óptica acoplada, observando la intensidad del patrón de radiación sobre la pantalla.

-b-

Observar el patrón de ruido modal sobre la pantalla, y comprobar el efecto que producen sobre el mismo:

• Los cambios del camino óptico seguido por la luz en la fibra, desplazando ligeramente la misma, produciendo curvaturas, etc.

• Las condiciones de inyección de la fuente de luz, modificando su posición respecto al extremo inicial de la fibra.

• La posición de la pantalla, desplazándola ligeramente respecto de su posición inicial.

• Ruido acústico ambiental.

• …

1 Dibujar aproximadamente el patrón de luz observado en la pantalla, comentando los efectos sobre el mismo de la posición de la fibra óptica, las condiciones de inyección, etc.


Medida Aproximada de la Apertura Numérica

1. Objetivos

Se medirá de forma aproximada la apertura numérica de fibras ópticas monomodo y multimodo, a partir del diámetro del patrón de radiación de la fibra en campo lejano. Igualmente, se observará cómo el ángulo máximo de aceptancia es afectado por un cambio en el índice de refracción del medio exterior a la fibra.

2. Introducción

La apertura numérica está relacionada con el ángulo de aceptancia máximo de la fi-bra, θmax.

( )AN n n nmax= = −0 12

22sen θ

Siendo n0 es índice de refracción del medio exterior, n1 el del núcleo de la fibra y n2 el de la cubierta. La fibra óptica, al tener simetría circular, define un cono de aceptancia de luz en su entrada, que se traduce en un cono de iluminación a su salida. Si se consigue proyectar el patrón de radiación producido a la salida de la fibra óptica y medir su diáme-tro, es posible determinar (de forma aproximada) su apertura numérica. A partir de las medidas de la distancia fibra - pantalla (L) y del diámetro del spot (W), se puede calcular la A.N:

θmax arctanWL

=⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

12

2c


Fig. 1. Montaje para la medida aproxi-mada de la apertura numérica.


Se utiliza el montaje realizado para observar los modos propagados en la fibra óptica (ver figura 1), repitiendo el proceso para las fibras monomodo y multimodo.

-a-

Colocar la fibra monomodo en los posicionadores, entre el láser y la pantalla. Ajustar el scrambler y la posición de la fibra respecto al láser de forma que se propague únicamen-te el modo fundamental (LP01). Efectuar las medidas de la anchura del patrón de radiación (W) y de la distancia fibra-pantalla (L).

1 Anotar los valores obtenidos de distancia, anchura del patrón y apertura numé-rica. Comparar el valor obtenidos con el esperado teóricamente. Calcular el error relativo y comentar las posibles fuentes de error.

-b-

Repetir el proceso con la fibra óptica multimodo.

2 Para la fibra multimodo, anotar los valores obtenidos de distancia, anchura del patrón y apertura numérica. Comparar el valor obtenidos con el esperado teó-ricamente. Calcular el error relativo y comentar las posibles fuentes de error.

-c-

A continuación, extraer el extremo final de la fibra óptica multimodo y situarlo sobre una cubeta transparente conteniendo agua. Observar el tamaño aproximado del patrón de radiación sobre el fondo de la cubierta, situando el extremo de la fibra óptica sobre la su-perficie de agua. Introducir ligeramente el extremo en el agua y observar el efecto sobre el tamaño del patrón de radiación.


3 Comentar brevemente la razón de este cambio.

-d-

Colocando la cubeta de agua sobre una escala graduada, es posible incluso tomar medidas aproximadas del tamaño del patrón de radiación.

4 Anotar el tamaño del spot dentro y fuera del agua, calculando la apertura nu-mérica en cada caso. Comparar con los valores obtenidos anteriormente en el punto –b-

Datos para la fibra monomodo estándar de telecomunicación: n1 = 1,460 n2 = 1,456. Fibra multimodo 100/140: n1 = 1,460, n2 = 1,432. Índice de refracción del agua: nagua ≅ 1,3.


Pérdidas por Curvaturas

1. Objetivos

Se analizará el efecto que producen las curvaturas sobre un canal de fibra óptica mo-nomodo, caracterizando la atenuación que se introduce en el canal en función del radio de las misma.

2. Introducción

Las curvaturas pueden producir efectos perjudiciales en un canal de fibra óptica, de-bido a la distorsión provocada en la guiaonda, y que suele traducirse en una pérdida de po-tencia (atenuación), afectando negativamente a las prestaciones del enlace.

Se considera que la atenuación α provocada por una curvatura depende exponen-cialmente del radio R de la misma según la relación:

[dB]21

RCeC ⋅−⋅=α

donde C1 y C2 son dos coeficientes que dependen de las características de la fibra óp-tica y de la longitud de onda de la radiación transportada. Por lo tanto, cuanto menor es el radio de la curvatura, mayor es la atenuación sufrida por la luz propagada.

Esta dependencia inversa entre el radio de curvatura y la atenuación debe tenerse en cuenta a la hora de diseñar e instalar un enlace de fibra óptica. Así, se considera que exis-te un radio mínimo de curvatura, denominado radio crítico RC, que no debe nunca alcan-zarse porque se provocarían pérdidas elevadas que podrían hacer peligrar el funcionamien-to del enlace. Este radio mínimo, para fibras monomodo, está dado por la siguiente expre-sión empírica:

( )3

222

21

996,0748,220−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛λλ⋅−

−

λ⋅≈C

Cnn

R

3a


mientras que para fibras en régimen fuertemente multimodo viene dado por:

( ) 2322

21

21

43

nnnRC−⋅π⋅

λ⋅⋅≈

donde n1 es el índice del núcleo, n2 el de la cubierta, λ es la longitud de onda de tra-bajo y λC la longitud de onda de corte de la fibra. En cualquier caso, siempre que sea posi-ble, conviene evitar cualquier curvatura de menos de 10 cm de radio en una instalación.

La medida de las pérdidas en curvaturas se realizará mediante el método de las pér-didas de inserción. Éste se basa simplemente en inyectar luz por un extremo de la fibra y medir la potencia óptica al final del tramo. Realizando esta medición con y sin curvatura, es posible determinar con precisión la atenuación introducida por la misma.


Para el desarrollo de la práctica se empleará una fuente de luz y un receptor óptico, ambos integrados en un medidor de potencia óptica (MPO) Anritsu. Una plantilla mecanizada con agujeros de diferentes radios permite pro-vocar curvaturas de forma controlada. Las medidas deben realizarse tanto en segunda (1300nm) como en tercera ventana (1550nm).

-a-

En primer lugar se reali-za un bucle con la bobina completa de fibra, conectando un extremo al emisor de luz y el otro al receptor del MPO. Activar la fuente de luz inclui-da en el mismo y medir la po-tencia óptica recogida al final del canal. Esta potencia óptica debe apuntarse y servirá de referencia para el cálculo de las pérdidas en las diferentes curvaturas.

1 Apuntar la potencia óptica de referencia sin curvaturas, tanto en 2ª como 3ª ventana.

Fig. 1. Medida de la atenua-ción por curva-turas mediante la técnica de pérdidas de in-serción.


-b-

A continuación, se curva un tramo de fibra óptica (en el extremo final del canal, pero lo más lejos posible del receptor) y se introduce en cada uno de círculos calibrados, ano-tando en cada caso la potencia óptica recogida y el radio aplicado. Las pérdidas se calculan restando la potencia óptica en dBm recogida con cada curvatura, de la potencia óptica ini-cial de referencia.

2 Confeccionar una tabla en la que se recojan los diferentes radios de curvatura junto con las pérdidas provocadas con cada uno.

Es de esperar que los valores obtenidos de pérdidas tengan una dependencia expo-nencial con el radio de curvatura.

3 Representar gráficamente los valores obtenidos y valorar subjetivamente si la gráfica puede aproximarse por una curva exponencial.

Para mayor objetividad, es posible realizar fácil y rápidamente un ajuste de los pun-tos experimentales de atenuación a una curva exponencial, mediante la opción “Agregar línea de tendencia” en el menú “Gráfico” del programa Excel®. Para ello, se debe-rán crear dos columnas de datos en una hoja de cálculo en blanco, la primera con los ra-dios de curvatura y la segunda con la atenuación en dB. Insertando un gráfico del tipo “XY” y usando la opción “Agregar línea de tendencia” ya comentada es posible obtener la curva exponencial que mejor ajusta los datos experimentales. Si se seleccionan las op-ciones “Presentar ecuación en el gráfico” y “Presentar el valor de R cuadrado en el gráfico” pueden obtenerse también los valores de las constantes C1 y C2 que definen el comportamiento de la fibra óptica ante las curvaturas, así como el grado de adecuación de los datos experimentales a la variación exponencial prevista, respecti-vamente.

4 Anotar los valores de C1, C2 y R2. Con un valor de R2 superior a 0.9 puede consi-derarse que la variación es realmente exponencial.

-c-

Se pide por último obtener una estimación del radio crítico de curvatura para la fibra utilizada, en ambas ventanas de transmisión. Calcular el valor de radio crítico utilizando la expresión teórica expuesta en la introducción y obtener aproximadamente las pérdidas pa-ra ese valor del radio de curvatura.

5 Anotar el valor de radio crítico y las pérdidas obtenidas para ese radio (aproximadamente)


Pérdidas en conexiones ópticas

1. Objetivos

Se trabajará en esta práctica con el método más usual para unir dos tramos de fibra óp-tica: la soldadura mediante fusión. Se realizará una soldadura entre dos fibras estándares de telecomunicación, caracterizando posteriormente las pérdidas resultantes en el empalme me-diante la técnica de las pérdidas de inserción.

2. Introducción

Los empalmes entre dos fibras ópticas se realizan mediante máquinas especializadas (“fusionadoras”), que son instrumentos muy sofisticados de alto precio. Aún con el empleo de máquinas totalmente automáticas, el empalme resultante siempre tendrá pérdidas, que pue-den cifrarse en el mejor de los casos en varias centésimas de dB, aunque un valor en torno a 0,1 dB es más usual. La causa de estas pérdidas se encuentran en un enfrentamiento no exac-to de las fibras (debe tenerse en cuenta que hay que alinear los dos núcleos de sólo 9 micras de diámetro), una temperatura de fusión inadecuada, o más comúnmente, a pequeñas dife-rencias entre las dos fibras a soldar: diferente tamaño de núcleo, pequeñas excentricidades, diferencias en el dopado de los materiales, ...

Para la medida de las pérdidas en empalmes, el método más utilizado es el de la reflec-tometría óptica, que presenta además la ventaja de que solo requiere uno de los extremos de la fibra disponibles. Sin embargo, la precisión obtenida con este método no es muy elevada, ya que se trata de una medida muy “ruidosa”, basada en medir la luz retro-esparcida en la fibra, que presenta un nivel extremadamente bajo de potencia óptica.

Se propone en esta práctica utilizar el método de las pérdidas de inserción. Éste se basa simplemente en inyectar luz por un extremo de la fibra y medir la potencia óptica al final del tramo. Realizando esta medición antes y después de efectuar el empalme, es posible determi-nar con precisión las pérdidas del mismo.

3b



Se utilizará una bobina com-pleta de fibra óptica monomodo, la fusionadora de fibra , así como una fuente de luz y un receptor óptico, estos últimos integrados en el medi-dor de potencia óptica Anritsu. Las medidas se repetirán para las dos longitudes de onda disponibles, se-gunda (1300nm) y tercera ventana (1550nm).

-a-

En primer lugar se realiza un bucle con la bobina completa de fibra, conectando los extremos al emisor y al receptor ópticos del MPO, tal y como se indica en la figu-ra 1. Se mide la potencia óptica en estas condiciones, potencia que denominaremos P1.

1 Anotar el valor de potencia P1.

-b-

A continuación se rompe la fibra a un metro aproximadamente del fi-nal (extremo conectado al receptor del medidor de potencia óptica) y se fusionan los dos extremos resultantes. La nueva potencia óptica medida (P2), comparada con el valor antes de em-palmar, indica las pérdidas en el em-palme:

2

1log10PP

⋅=α

Fig. 1. Medi-da de la po-tencia ópti-ca antes de realizar la fusión (P1).

Fig. 2. Me-dida de la potencia óptica des-pués de rea-lizar la fu-sión (P2).


2 Anotar el valor de P2 y calcular las pérdidas obtenidas.

Es muy importante, durante el transcurso de la práctica, no modificar la conexión óptica al medidor, especialmente en la parte del emisor, pues un pequeño cambio de posición de los conectores ópticos puede alterar la potencia introducida en la fibra óptica y afectar a la me-dida realizada.


Caracterización del Canal Óptico por Reflectometría

1. Objetivos

Se realizará de forma práctica la caracterización de un canal de fibra óptica median-te la técnica de reflectometría, utilizando un reflectómetro óptico en el dominio del tiem-po, (O.T.D.R.: Optical Time Domain Reflectometer). De un canal de fibra óptica formado por varios tramos de fibra, se medirán sus características más interesantes: longitud de ca-da tramo, atenuación del enlace, pérdidas en empalmes, reflexiones de Fresnel, ...

2. Introducción

Un O.T.D.R. permite caracterizar muchos de los aspectos de un canal de fibra óptica, necesitando para ello un solo extremo accesible. Su funcionamiento se basa en medir la potencia óptica reflejada por la fibra debida al retro-esparcimiento de Rayleigh a medida que un pulso de luz viaja por la misma. Los diferentes “eventos” presentes en el canal, modifican la potencia óptica retro-esparcida de una forma característica, lo que permite identificarlos y, en algunos casos, incluso realizar medidas de algunos parámetros impor-tantes, como puede la constante de atenuación de la fibra óptica o las pérdidas en un em-palme.

El O.T.D.R. visualiza en su pantalla este nivel de potencia óptica (eje vertical) en función del tiempo (eje horizontal) a medida. Este eje horizontal se encuentra calibrado en distancia por comodidad si se conoce la velocidad de propagación de la luz en la fibra (es decir, su índice de refracción). Un ejemplo de los eventos más comunes presentes en un canal de fibra óptica se muestran en la siguiente figura, junto con la traza correspon-diente que se visualiza en la pantalla del instrumento.

4


Fig. 1. Eventos más característicos en un canal de fibra óptica, y su corres-pondiente traza en el OTDR.

Los diferentes eventos de este canal son:

En el punto d = 0 Km existe siempre un fuerte “pico” de señal reflejada. Se de-be a la reflexión de Fresnel en el principio del canal, en la interfase aire-fibra.

Una recta con una pendiente negativa cte. es un tramo de fibra óptica. La longi-tud de fibra es la diferencia de abcisas entre sus extremos. La atenuación queda determinada por la pendiente de la recta, y se puede calcular midiendo la po-tencia óptica al principio y al final del tramo, y dividiendo entre la distancia horizontal.

Evento reflexivo, que puede deberse a un empalme defectuoso entre dos fibras o una rotura. Un evento reflexivo se caracteriza por su reflectividad (porcentaje de potencia óptica reflejada hacia atrás por el evento con respecto a la potencia incidente) y sus pérdidas, que pueden medir fácilmente restando los niveles de potencia de la traza (en decibelios) antes y después del evento.

Evento atenuativo, es decir, una pérdida puntual de potencia óptica, debida a un empalme o en una zona defectuosa o deteriorada del canal. Las pérdidas del evento se pueden calcular restando los valores de potencia recogida (en dBs) an-tes y después del evento.

Al final del canal, se observa un “pico” de señal reflejada debido a la reflexión de Fresnel en el extremo. Si el final del canal se adapta en índice, es decir, se igual el índice del medio exterior al de la fibra óptica (p.e., con líquido adapta-dor), este “pico” puede llegar a desaparecer.

Para la caracterización óptima del canal, es necesario configurar adecuadamente el O.T.D.R. escogiendo unos valores de los parámetros de medida apropiados. Los tres pará-metros más importantes a considerar en la medida con un O.T.D.R. son:


• La longitud de onda de medida, que debe coincidir con la longitud de onda de trabajo habitual del enlace. En función de la calidad del O.T.D.R., es posible encontrarlos con una longitud de onda fija, con mó-dulos ópticos intercambiables, o con diferentes fuentes de luz que pue-den seleccionarse a voluntad.

• La anchura temporal del pulso enviado a la fibra óptica, que debe esco-gerse fundamentalmente en función de la longitud del canal. Un pulso ancho transporta mucha energía y permite extender la medida a gran distancia, pero por el contrario ofrece poca resolución en la detección de los eventos. Por el contrario, un pulso estrecho es más adecuado para longitudes pequeñas del canal (típicamente de varios kilómetros), ofre-ciendo mayor resolución. Debe resaltarse que un evento puntual (longi-tud despreciable) aparece sobre la traza con una longitud ficticia, que coincide con la anchura espacial del pulso de luz enviado.

• El grado de promediado. Dado que la potencia óptica devuelta por la fi-bra y debida al retro-esparcimiento de Rayleigh es muy pequeña, la se-ñal recogida se encuentra fuertemente enmascarada por el ruido. Este problema se puede solucionar adquiriendo un gran número de trazas consecutivamente y realizando el promediado de todas ellas. En gene-ral, debe utilizarse un promediado fuerte para aumentar la exactitud de las medidas.


Se caracterizará un canal de comunicaciones mediante el O.T.D.R. OF151 de Tektro-nics. Del canal se conoce que está formado por varios tramos de fibra óptica estándar de telecomunicación, unidos por empalmes realizados por fusión o bien mediante conectores ópticos (removibles), junto con un acoplador óptico realizado en tecnología de fibra. Con-cretamente, los elementos que lo forman son (no necesariamente por este orden):

- Cuatro tramos de fibra óptica estándar de telecomunicación.

- Una conexión óptica realizada mediante fusión.

- Una conexión óptica realizada mediante conectores ópticos del tipo LC.

- Un acoplador óptico de fibra, con una entrada y dos salidas, con coeficiente de acoplo 10/90 (una de las salidas transmite el 10% de la potencia óptica presente en la entrada y la otra el 90% restante). La fibra de salida del 10% no se utiliza.

-a-

En primer lugar, se configurará adecuadamente el instrumento, fijando los paráme-tros de adquisición más adecuados. La longitud de onda en el instrumento utilizado es úni-ca: 1310 nm, mientras que pueden elegirse dos anchuras temporales para el pulso y tres diferentes grados de promediado.


1 Anotar la anchura del pulso y grado de promediados elegidos para el comienzo de la práctica. Dibujar aproximadamente la traza presente en la pantalla, sin indicar valores en x o y.

-b-

A continuación, se determinará:

• El número de eventos presentes y de tramos de fibra óptica, identifi-cando el orden en el que se sitúan los elementos que forman el canal.

• La longitud de los distintos tramos de fibra y del canal en su conjunto

• La atenuación de la fibra, en dB/Km.

• La atenuación total del canal.

• Las pérdidas en los empalmes y eventos atenuativos.

2 A partir del análisis prelimar de la traza, indicar en orden los elementos pre-sentes en el canal.

3 Anotar la longitud de los tramos de fibra y la longitud total del canal.

4 Calcular y anotar el coeficiente de atenuación de los tramos de fibra, así como las pérdidas puntuales en los diferentes eventos atenuativos presentes.

-c-

Una vez caracterizado, se adaptará el final del canal usando líquido adaptador de ín-dice y se comprobará su efecto en la traza mostrada en la pantalla.

5 Describir el efecto observado.


Análisis Espectral de Medios Ópticos

1. Objetivos

Se pretende con está práctica estudiar el comportamiento espectral de diversos dispositivos ópticos, especialmente, de medios ópticos de transmisión (fibra óptica). Utili-zando el espectrómetro S2000 de Ocean Optics, se comprobará cómo varía la atenuación de varios tipos de fibra óptica en función de la longitud de onda, fenómeno que da lugar a las conocidas ventanas de transmisión. Igualmente, se analizará la aplicación de la técnica de medida utilizada en esta práctica a la caracterización de la función de transferencia en el dominio óptico de materiales y dispositivos ópticos.

2. Introducción

El analizador de espectros ópticos es una valiosa herramienta para la caracteriza-ción de los sistemas de comunicaciones ópticas. Con él es posible analizar parámetros im-portantes como el espectro de fuentes de luz, la atenuación del canal de transmisión en función de la longitud de onda, la ganancia de un amplificador óptico, o la función de transferencia en el dominio óptico de multitud de dispositivos. Para éstos últimos casos, es necesaria la utilización de una fuente de luz “blanca”, es decir, una fuente de luz de gran anchura espectral que emita en todas las longitudes de onda en las que interese medir. El medio o el dispositivo a caracterizar se sitúa entre la fuente de luz y el analizador de es-pectros, tal como se muestra en la figura 1.

5


Softwarede control Espectrómetro S2000

Dispositivo/Medioa caracterizar

Fuente deluz blanca

Fig. 1. Caracte-rización espec-tral de disposi-tivos mediante el analizador de espectros y la fuente de luz blanca.

Debido a que las fuentes de luz perfectamente “blancas” (es decir, con densidad espectral de potencia óptica constante en todo el rango de medida) no existen, esta técni-ca exige un proceso de calibración previa. En este proceso, el espectro no ideal recibido por el instrumento, que incluye tanto la densidad espectral no plana de la fuente como la absorción selectiva en longitud de onda de los latiguillos de fibra, se almacenará como re-ferencia para el resto de medidas. Con el espectrómetro S2000, ésta se realiza en dos pa-sos mediante el programa de control “OOIBASE”:

1. Conectando la fuente de luz directamente al espectrómetro a través de los dos latiguillos de fibra óptica de conexión (uno multimodo –verde- en el lado del espectrómetro y otro monomodo –amarillo- en el lado de la fuente). Se selecciona a continuación la opción del menú “File/Store Reference Spectrum”, para de esta forma, conocer el espectro (no ideal) de la fuente de luz blanca (espectro de referencia) y poder ser co-rregido su efecto sobre la medidas posteriores.

2. En estas condiciones, se apaga la fuente de luz y se selecciona la opción del menú “File/Store Dark Spectrum”. El posible ruido presente en la medida (producido bien por la iluminación ambiente o generado inter-namente por la electrónica del analizador) es de esta forma eliminado.

Una vez realizado el proceso de calibración, es posible seleccionar los modos de funcionamiento que se utilizarán en esta práctica:

• “Scope”, es el modo básico de funcionamiento, en el que se visualiza un gráfico cuyo eje de abcisas muestra la longitud de onda y el de ordena-das es directamente proporcional a la densidad espectral de potencia óptica recogida a la entrada del instrumento. Este modo de funciona-miento es básicamente de utilidad para la caracterización de fuentes de luz.

• “Transmission”, en el cual se muestra la transmitividad del medio ó dispositivo en función de la longitud de onda. Un medio no absorbente presentará una transmitividad del 100%, mientras que el 0% se obtiene si nada en absoluto de la potencia óptica emitida a una determinada longi-tud de onda consigue atravesar el medio a caracterizar.


• “Absorbance”, que permite mostrar la atenuación (siempre a cada lon-gitud de onda) que provoca el medio, medida en decibelios. Un medio transparente a una determinada longitud de onda se mostrará en la pan-talla por lo tanto con una atenuación de 0 dB.

La técnica de caracterización espectral que se utilizará en esta práctica permite, entre otras cosas, determinar las ventanas de mínima atenuación de la fibra óptica. Es co-nocido que la atenuación que sufre la luz al propagarse por la fibra óptica es fuertemente dependiente de la longitud de onda utilizada. Diversos fenómenos contribuyen a la atenua-ción, como es la absorción atómica predominante en la zona ultravioleta del espectro, la absorción molecular en la zona infrarroja, o el esparcimiento de Rayleigh. Si a estas con-tribuciones se una la absorción por impurezas, se obtiene el espectro de atenuación del medio, que para la sílice se muestra en la figura 2. Pueden observarse las conocidas tres ventanas de transmisión, si bien con el analizador de espectros disponible en esta práctica, con un rango de entre 320 y 1000 nm, sólo la primera ventana sería observable. Es de espe-rar que para fibras ópticas de diferente material, el espectro de atenuación sea distinto (por ejemplo, las fibras ópticas de plástico presentan la(s) ventana(s) de mínima atenua-ción en la zona visible del espectro.

Fig. 2. Espectro de atenuación de la fibra ópti-ca de sílice.

Un efecto interesante, y que se relaciona con la presencia de modos discretos en la guía de onda que es la fibra óptica, es la dependencia espectral de la atenuación en las curvaturas. Se ha demostrado que en un curvatura del canal, los modos de orden superior son convertidos en modos de cubierta, que se propagan con una gran atenuación, por lo que se reduce la potencia óptica transmitida. Se comprueba así mismo que cuanto más se reduce el radio de curvatura (es decir, más “pronunciada” se hace la curvatura), más mo-dos dejan de propagarse. Por lo tanto, el efecto de las curvaturas es bien distinto en fun-ción de los modos propagados:

• Para fibras monomodo, con un único modo propagado, la curvatura tam-bién reduce la potencia óptica transmitida ya que parte del campo elec-


tromagnético deja de guiarse en la parte exterior de la curvatura. Es importante en este caso el concepto de radio crítico de curvatura, que no debe superarse porque el modo fundamental prácticamente deja de propagarse y la atenuación aumenta fuertemente.

• Para fibras ligeramente multimodo, con sólo varios modos propagados, se observan saltos más bruscos en la atenuación a medida que se reduce el radio de curvatura, cuando cada uno de los modos deja de propagar-se. Además, esta característica se observa claramente en el espectro de transmisión, ya que cada modo posee una longitud de onda de corte ca-racterística por encima de la cual no se propaga.

• Para fibras fuertemente multimodo, como son las fibras llamadas preci-samente “multimodo”, tanto de sílice como de plástico, y que transpor-tan miles de modos simultáneamente entre los que se reparte la poten-cia óptica, un aumento de la curvatura produce un aumento progresivo y “suave” de la atenuación, a medida que dejan de propagarse los modos de orden superior.

Por otro lado, esta técnica de análisis espectral es particularmente útil para la ca-racterización de algunos dispositivos, siendo el más representativo el filtro óptico. Este dispositivo es parte fundamental, por ejemplo, de los multiplexores y demultiplexores en longitud de onda utilizados por los sistemas WDM de transmisión. Un filtro óptico, al igual que sus homólogos en el dominio eléctrico, puede tener característica paso-bajo, paso-alto y paso-banda. Éstos últimos presentan una banda de longitudes de onda de paso que son capaces de atravesarlos, mientras que las longitudes de onda fuera de esta banda son fuer-temente atenuadas. Los parámetros básicos que caracterizan un filtro óptico paso-banda son:

• La longitud de onda central, aquella de mínima atenuación, la que se desea que atraviese el filtro sin atenuación.

• El ancho de banda, medido como la resta de las longitudes de onda a las cuales la atenuación aumenta en un factor de 3dB respecto al valor a la longitud de onda central.

• La atenuación mínima, que es el valor absoluto de atenuación a la longi-tud de onda central. Un filtro ideal presenta un valor de atenuación mí-nima de 0 dB, lo que significa que no ofrece ninguna absorción a la lon-gitud de onda central.


El espectrómetro S2000 que se utilizará en esta práctica se conecta a un ordenador tipo PC, controlándose mediante el programa “OOIBASE”. Una breve descripción de esta aplicación puede encontrarse en los apéndices. Una ver cargado el programa, se visualiza en su ventana principal, y en tiempo real, el espectro recogido por el instrumento, que se encuentra por defecto en el modo básico de funcionamiento, o “Scope”. Si en algún mo-mento del desarrollo de esta práctica se desea almacenar el espectro mostrado en la pan-


talla para estudiarlo con calma o imprimirlo, se debe utilizar la opción del menú “File/Export Spectrum” para almacenar los datos mostrados en un archivo.

-a-

El primer paso es la conexión al analizador de la fuente de luz blanca y la calibración del mismo.

Para ello, se utilizarán simultáneamente el cable de fibra óptica multimodo (verde) y el monomodo (color amarillo) a modo de cable de conexión al espectrómetro. Estos cable disponen de los conectores ópticos adecuados para interconectar la fuente de luz blanca (conector FC/PC) con el espectrómetro (conexión óptica SMA). El proceso de calibración se realizará con estos dos tramos de fibra; posteriormente en esta práctica se conectarán los elementos analizar entre ambos latiguillos.

Con la fuente de luz blanca encendida, debe visualizarse su espectro en la pantalla. Es importante seleccionar en primer lugar el valor óptimo del tiempo de integración, de forma que la “altura” del espectro sea máxima en pantalla, pero sin llegar a la saturación. Detener a continuación la adquisición ( ) y elegir la opción del menú “File/Store Reference Spectrum”. Reanudando de nuevo la adquisición, y con la fuente de luz apa-gada, debe elegirse la opción “File/Store Dark Spectrum”.

1 Realizar un dibujo que describa las conexiones realizadas para la calibración. Anotar el valor de tiempo de integración utilizado.

-b-

En estas condiciones, encendiendo de nuevo la fuente de luz blanca, seleccionar el modo “Transmission" y deberá visualizarse un espectro plano con un valor de transmiti-vidad del 100%, que será el espectro de referencia. Cualquier modificación de la atenua-ción, producida al insertar un medio entre los dos tramos de fibra óptica, quedará caracte-rizada por la disminución de la transmitividad en función de la longitud de onda. Alternati-vamente, se puede utilizar el modo “Absorbance” que mostrará directamente la atenua-ción del medio en dB.

Se conectarán consecutivamente las diferentes fibras ópticas disponibles, que son:

• Fibra multimodo de sílice, con una longitud de 50 metros.

• Fibra multimodo de plástico, con una longitud de 10 metros.

Y se observará:

• El espectro de atenuación característico.

• La presencia de ventanas de mínima atenuación.

• Los valores absolutos y relativos de atenuación en las diferentes venta-nas.

• Las diferencias observadas entre las diferentes fibras ópticas analizadas.


2 Dibujar aproximadamente el espectro de transmisión (o atenuación) obtenido en la pantalla.

3 Determinar si existe alguna ventana de mínima atenuación en el espectro ob-servado. Para cada una de ellas, anotar su longitud de onda central y su valor mínimo de atenuación en dB.

Repetir el proceso para la dos fibras ópticas disponibles.

4 Destacar las principales diferencias encontradas entre los dos tipos de fibra óptica a la luz de los resultados obtenidos.

-c-

Por último, se estudiará el comportamiento espectral de un filtro óptico paso banda de aplicación en comunicaciones ópticas, así como de otros dispositivos ópticos “en volu-men”

Para ello, se dispone de una “celda” que incorpora dos tramos de fibra óptica, el primero para recoger la luz procedente de la fuente de luz blanca y proyectarla sobre el dispositivo a caracterizar; y el segundo para recoger la luz transmitida por el mismo y lle-varla hasta el espectrómetro.

En primer lugar, debe repetirse el proceso de calibración usando conectando las fi-bras ópticas de la celda a la fuente de luz blanca y el espectrómetro, respectivamente (eliminando en este caso los latiguillos).

5 Realizar un dibujo que describa las conexiones realizadas para la calibración. Anotar el valor de tiempo de integración utilizado.

Insertar dentro de la celda en primer lugar las gafas usadas en el laboratorio para protegerse de la radiación de los láseres de He-Ne. Observar el espectro de transmisión o absorción valorando si las gafas cumplen efectivamente su misión.

6 Dibujar aproximadamente el espectro obtenido y anotar la atenuación máxima que se observa en el espectro y su longitud de onda. Igualmente, la atenuación obtenida a la longitud de onda del láser de He-Ne, 633nm. Calcular aproxima-damente el rango de longitudes de onda a las cuales la atenuación es al menos de un factor 10 (10 dB de atenuación o densidad óptica OD1)


Insertar seguidamente las gafas de sol. Se supone que unas gafas de sol “buenas” de-ben atenuar fuertemente la radiación ultravioleta e infrarroja, respetando las longitudes de onda visibles (es decir, con respuesta espectral plana). Estimar la calidad de las gafas a la vista del espectro obtenido.

7 Dibujar aproximadamente el espectro obtenido y valorar la calidad de las gafas a la vista del mismo.

Insertar por último el filtro paso banda para comunicaciones ópticas, que está cen-trado en la primera ventana de transmisión. Observar su espectro de transmisión y deter-minar sus parámetros característicos. Puede ser necesario en este caso limitar las longitu-des de onda mostradas en la pantalla a una zona alrededor de la primera ventana, para facilitar el cálculo de los parámetros.

8 Dibujar aproximadamente el espectro obtenido y anotar los valores de longi-tud de onda central, ancho de banda y mínima atenuación.


Caracterización de un Sistema de C.O. Analógico por Fibra Óptica

1. Objetivos

En esta práctica se caracterizará un sistema de comunicaciones ópticas por fibra apto para la transmisión de señales analógicas. Se comprobarán experimentales algunos de los parámetros característicos de los bloques emisor, receptor y del canal de fibra óptica, ana-lizando las señales presentes en varios puntos significativos. Finalmente, se comprobará el funcionamiento del sistema completo en una aplicación real: la transmisión de voz en for-mato analógico.

2. Introducción

Un sistema analógico por fibra óptica es aquel que reproduce una tensión a la entra-da del transmisor a la salida del receptor, con la menor distorsión y ruido posible. Usual-mente, las señales de tensión son variables en el tiempo, y la entrada y/o la salida del sis-tema se encuentran acopladas en alterna mediante un condensador. Otro parámetro im-portante de estos sistemas que surge por la naturaleza dinámica de las señales, es por tan-to su ancho de banda o frecuencia máxima de funcionamiento.

Como la señal a transmitir acoplada en alterna presenta niveles de tensión tanto po-sitivos como negativos, y las fuentes de luz solo emiten con polarización directa (corriente positiva), es necesario añadir en el transmisor una corriente de bias constante que se suma a la señal. Así, a la salida del transmisor, se tiene una señal de potencia óptica que puede modelarse con la expresión:

( )( )0 1 cosP P m tω= + ⋅

donde P es el valor instantáneo de la potencia óptica, P0 su valor medio, y m el “índi-ce de modulación”. Se ha supuesto una variación sinusoidal mediante la función coseno porque cualquier señal periódica puede ponerse como suma de señales sinusoidales, apli-

6


cando el principio de superposición. Es por ello que las señales típicamente utilizadas para la caracterización de estos sistemas son precisamente sinusoidales.

Esta señal de potencia óptica variable se recoge atenuada en el transmisor (con me-nor potencia media, pero igual índice de modulación), y es convertida a una corriente pro-porcional y amplificada convenientemente a una tensión de salida adecuada.

El sistema a analizar se basará en el entrenador de comunicaciones ópticas EF-970 de PROMAX. De los diversos módulos y configuraciones posibles del equipo, se utilizarán aque-llas necesarias para la transmisión de señales analógicas. Las figuras 1 y 2 muestran un dia-grama esquemático de los elementos que se utilizarán para esta práctica en el transmisor y el receptor, respectivamente.

Analog Output

TP1

Input Switch Channel Analog

GAING=20dB

DC Output Position P2

TP7 G=6dB

Conv. I/V G=1 V/mA

G=20dBTP9

Fotodiodo FD1 (Si)

Fig. 2. Es-quema del bloque re-ceptor.

AC Input

Microphone G

G=1/2

Generador de funciones TP1

TP3

TP4Input Switch

Channel 1

GAIN

P1

G=20dB

IbiasP2

TP4

GConv. V/I

G=100mA/VA

TP10

10Ω

Fig. 1. Esque-ma del bloque emisor.



Antes de comenzar, es necesario configurar adecuadamente el sistema. El transmisor se configurará inicialmente para usar la entrada AC del canal 1 (pulsando “INPUTS CH1” hasta que se ilumine el LED junto a la entrada AC), la ganancia al mínimo (girando el po-tenciómetro P1) y la corriente de polarización al mínimo (girando el potenciómetro P2 IBIAS también al mínimo). La fuente de luz a utilizar será el LED de 526 nm (pulsar “OUT-PUTS CH1” hasta que se ilumine el LED nº 1). La corriente que circula por la fuente de luz puede leerse en el miliamperímetro del transmisor (pulsando “A-METER CH1/CH2” hasta elegir el canal 1.

Para los primeros apartados, se utilizará un tramo de fibra óptica de plástico de 1m de longitud como canal. Dada su corta longitud, las pérdidas pueden considerarse nulas, por lo que las medidas al final de la fibra pueden considerarse como la potencia óptica al comienzo del canal.

El receptor se configurará inicialmente como medidor de potencia óptica. Se selec-cionará el fotodiodo nº 1 de Silicio (pulsando “ANALOG INPUTS” hasta que se ilumine el LED junto a este fotodiodo), con tensión inversa de polarización nula (girando hacia el mí-nimo los potenciómetros P5 y P7). Se activará el medidor de potencia óptica de precisión pulsando “FUNCTION OF OPTICAL POWER METER” hasta que se ilumine la opción “DC (modo de precisión)”. Es necesario también seleccionar la longitud de onda correcta en el medidor de potencia óptica mediante el pulsador “WAVELENGTH”.

-a-

En primer lugar se obtendrá la curva P-I (potencia vs. intensidad) de la fuente del transmisor. Se considera que la linealidad de esta respuesta es un factor determinante pa-ra la linealidad del sistema en su conjunto. En un sistema analógico, la no-linealidad pro-voca la distorsión de las señales y la aparición de nuevas frecuencias no deseadas.

La corriente aplicada se variará mediante el potenciómetro P2 (IBIAS) y se leerá en el miliamperímetro. La potencia óptica se leerá en el medidor de potencia óptica del re-ceptor, configurado en el modo lineal (pulsando “LOG/LIN dBm/W”). Siendo el canal de fibra óptica de 1m de longitud, la potencia óptica medida puede considerarse la inyectada en fibra al comienzo del canal.

Obtener medidas desde 0mA hasta el máximo posible, cada 2 mA. La gráfica P-I ob-tenida debe ser perfectamente lineal, siendo posible que esta linealidad se pierda para va-lores altos de corrientes (saturación de la fuente de luz)

1 Anotar los valores máximos de corriente y potencia óptica. Plasmar (de forma aproximada) los puntos obtenidos en una gráfica P-I

2 A partir de la gráfica dibujada, determinar si se produce saturación de la luz emitida, y proponer unos valores máximos y mínimos de corriente que permi-tan un comportamiento lineal (zona de funcionamiento lineal).

-b-


A continuación se conectará el canal de fibra óptica de 50m de longitud y se calcula-rá la constante de atenuación de la fibra óptica a la longitud de onda de trabajo.

Situar el potenciómetro P2 (IBIAS) en su punto medio, anotando la potencia óptica medida. Desconectar la conexión al fotodiodo, e insertar el canal de fibra óptica de 50m (utilizando un adaptador ST-ST para su conexión al final del tramo de 1m)

!

Anotar la potencia óptica medida en estas condiciones. La diferencia observada se debe a las pérdidas adicionales provocadas por el tramo de fibra óptica insertado. Calcular la constante de atenuación (en dB/Km) suponiendo una longitud de canal de 50m.

3 Anotar los valores de potencia óptica con y sin el canal de fibra de 50m, calcu-lando la constante de atenuación de la fibra en dB/Km.

-c-

El siguiente paso será la verificación del funcionamiento del sistema completo. Se conectará el generador de funciones a la entrada “AC INPUT” del transmisor, fijando ini-cialmente una amplitud en el generador mínima, una frecuencia de 1 KHz y señal sinusoi-dal. Es muy importante fijar un nivel de polarización continua (BIAS) para la fuente de luz. Teniendo en cuenta que la señal óptica oscilará alrededor del punto de polarización elegi-do en función de la señal del generador, puede escogerse un punto de polarización en el centro de la zona lineal de funcionamiento (calculada anteriormente).

Por otro lado, el receptor deberá configurarse para utilizar el canal analógico. Para ello, se pulsa “FUNCTION OF OPTICAL POWER METER” hasta que se ilumine “FUNCTION ANALOG”. En esta configuración, se activará la salida analógica. El osciloscopio se conecta-rá sin embargo al punto TP9, ya que tras este punto del receptor existe un control de off-set que añade un valor arbitrario de continua a la señal, lo que impide la medida correcta de su valor medio.

La ganancia del receptor (potenciómetro P1 (GAIN) puede ajustarse inicialmente a un valor medio.

En estas condiciones, puede visualizarse la señal recibida. Para ello, aumentar la am-plitud del generador hasta que se observe en el osciloscopio la señal sinusoidal. El valor óptimo de amplitud será aquel que aproveche al máximo la zona lineal de funcionamiento (para no introducir distorsiones). Aunque un cálculo preciso de la no-linealidad es comple-jo, puede hacerse de forma muy aproximada observando la señal sinusoidal en la pantalla. Aumentar la amplitud en el generador hasta que la señal comience a distorsionarse.

Manipular las conexiones ópticas con el mayor cuidado posible. Es muy fácil dañar o ensuciar la fibra óptica.


4 Anotar los valores de tensión máxima y mínima medida sobre la pantalla del osciloscopio. Estimar igualmente la amplitud pico a pico de la señal y su valor medio.

Como puede observarse, la señal transmitida por un sistema analógico presenta un nivel de continua (originado en la corriente de BIAS del transmisor) y una amplitud depen-diente a su vez de la amplitud original de la señal a transmitir. Utilizando la expresión para la potencia óptica instantánea mostrada en la introducción, se pide determinar los valores de potencia media e índice de modulación para este sistema, al final del canal de fibra óp-tica. La potencia óptica media es la obtenida en el medidor de potencia óptica del recep-tor, mientras que el índice de modulación puede calcularse como el cociente entre la am-plitud pico y su valor medio (en términos de tensión sobre la pantalla del osciloscopio).

MEDIO

PICO

VVm =

Para evitar el efecto del potenciómetro P2 en la medida, ésta se realizara en el pun-to de test TP9 (Ver figura 2).

5 Anotar los valores de potencia media e índice de modulación para la señal óp-tica recogida por el receptor.

-d-

La calidad de transmisión de un sistema analógico se mide en términos de la relación señal a ruido. La definición más usual es el cociente entre el nivel cuadrático medio de la señal y el ruido, medido también mediante su valor cuadrático medio, a la salida del sis-tema.

La principal dificultad para la medida de la relación S/N estriba en la estimación del ruido, por su naturaleza aleatoria. En cualquier caso, es posible obtener una estimación del valor de relación S/N observando la señal de salida en la pantalla del osciloscopio.

En las condiciones del punto anterior (amplitud máxima sin no-linealidad y frecuencia de referencia de 1 KHz) se medirá la amplitud de la señal, en valores pico a pico. Se hará también una estimación de la amplitud del ruido, que se obtendrá también en valores pico a pico (puede ser necesario observar la señal en AC y aumentar la sensibilidad de la entra-da del osciloscopio para obtener una medida fiable). El valor cuadrático medio de la señal sinusoidal y del ruido se relaciona con su valor pico a pico según las expresiones:

2___2 (señal sinusoidal)

2 2p pv

v −⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⋅⎝ ⎠

2___2 (ruido blanco)

2 4p pv

v −⎛ ⎞= ⎜ ⎟⋅⎝ ⎠

Calcular la relación S/N en unidades naturales y en decibelios.


6 Anotar el valor obtenido de tensión para la señal y el ruido, así como la rela-ción S/N resultante en dB.

-e-

Otro parámetro clave del sistema en su ancho de banda de modulación. Éste se cal-cular a partir de las medidas de la tensión de salida del receptor en relación a la tensión de entrada en el transmisor, a diferentes frecuencias de modulación.

Para ello, conectar un canal del osciloscopio a la salida analógica del receptor, y el otro canal, mediante una sonda, medirá la tensión de entrada en el punto de test TP3 del transmisor. Anotar las tensiones pico a pico de entrada y de salida, calculando su cociente, a la frecuencia de referencia de 1KHz. La frecuencia máxima de funcionamiento será aque-lla a la que este cociente se reduzca en un factor √2 (0,707 veces el valor a la frecuencia de referencia). Calcular este valor y aumentar la frecuencia hasta que se alcance.

7 Anotar las tensiones pico a pico en la entrada y la salida a la frecuencia de re-ferencia, su cociente, y la frecuencia máxima de funcionamiento.

-f-

Por último, se comprobará el funcionamiento del sistema en una aplicación práctica de comunicación analógica: la transmisión de voz. En el transmisor, se conectará el micró-fono a la entrada “MICROPHONE” y se seleccionará esta entrada mediante el pulsador “INPUTS CH1”. En el receptor, se conectarán los auriculares a la salida del canal analógi-co. Modificar la ganancia en el transmisor -potenciómetro P1 (GAIN)- y en el receptor -potenciómetro P1 (GAIN) hasta que se transmita correctamente la voz.


Caracterización de un Sistema de C.O. Digital por Fibra Óptica

1. Objetivos

En esta práctica se caracterizará un sistema de comunicaciones ópticas por fibra apto para la transmisión de señales digitales. De él se medirán algunos de los parámetros más importantes, como es la curva P-I de la fuente de luz tipo láser, la relación de extinción a la salida del transmisor, la atenuación del canal de fibra óptica o la sensibilidad del recep-tor. Del sistema completo se analizará su comportamiento dinámico a través del diagrama de ojo y de la estimación del régimen binario máximo.

La práctica finalizará comprobando el comportamiento del sistema para la transmi-sión de señales digitales RS232, analizando la calidad de transmisión mediante la medida de la tasa de error binario (BER)

2. Introducción.

Un sistema de comunicaciones por fibra óptica digital es aquel capaz de reproducir en su salida una señal digital presente a la entrada del transmisor. La calidad de estos sis-temas se mide básicamente en términos de tasa de error de bit (bit error rate, BER), pa-rámetro que a su vez depende directamente de la relación señal a ruido del sistema.

El bloque del transmisor funciona habitualmente con modulación todo-nada, de los tipos NRZ o RZ, siendo un parámetro básico la potencia óptica media transmitida. Cuando la fuente de luz es de tipo láser, es necesario sin embargo que la potencia óptica del “ce-ro” no sea nula, trabajando siempre por encima de la intensidad umbral. En estas circuns-tancias, hay que conocer también la relación de extinción de la señal óptica, por cuanto afecta a la capacidad del receptor para discriminar los dos niveles digitales:

"0"

"1"

10 log PREP

⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠

7


A su vez, el valor de relación de extinción óptico es aquel que sitúa la potencia ópti-ca del “cero” justo por encima de la intensidad umbral de la fuente de luz, para lo cual puede ser necesario conocer su curva P-I.

Otro aspecto importante del comportamiento del sistema digital es su comportamien-to dinámico, es decir, su capacidad para transmitir señales a diferentes velocidades. Una estimación algo subjetiva se consigue a través del diagrama de ojo. Éste se consigue visua-lizar en la pantalla del osciloscopio insertando en el sistema una secuencia digital pseudo-aleatoria, sincronizando adecuadamente el disparo del osciloscopio. La medida de su aper-tura horizontal y vertical del “ojo” da una idea de la calidad de transmisión a un determi-nado régimen binario.

Fig. 1 Dia-grama de ojo

Para conocer precisamente el régimen binario máximo de un sistema, se puede medir el tiempo de subida del 10 al 90% a la salida del mismo, aplicando a la entrada una señal cuadrada. La limitación de velocidad viene dada entonces por (NRZ):

0,7b

r

Rτ

≤

10%

90%

τr

Fig. 2 Tiem-po de subi-da de un pulso medi-do del 10 al 90% de su valor máxi-mo.


El sistema que se va a caracterizar se basará en el entrenador de comunicaciones óp-ticas EF-970 de PROMAX. De los diversos módulos y configuraciones posibles del equipo, se utilizarán aquellas que permiten la transmisión de señales digitales. Las figuras 3 y 4 mues-tran un diagrama esquemático de los elementos que se utilizarán para esta práctica en el transmisor y el receptor, respectivamente. Se ha intentado destacar los controles, co-nexiones y puntos de medida relevantes para esta práctica.

Como fuente de luz se empleará un diodo láser semiconductor Fabry-Perot emitiendo en 650nm, un tramo de fibra óptica de plástico (PMMA con núcleo de 975micras), de 50 metros de longitud, y un fotodiodo de Silicio en el receptor.

DIGITALINPUT TP21

Input SwitchChannel 1

GAIN

P1

G=20dB

IbiasP2

TP4

GConv. V/I

G=100mA/V A

TP10

10Ω

Fig. 3 Dia-grama del transmisor.

TP1

Input Switch Channel Digital

G=20dB

THRESHOLDP4 y P6

TP16

Conv. I/V G=1 V/mA

ComparadorFotodiodo FD1 (Si)

FPBajo 500KHz

TP6

FPBajo 500KHz +

-

Digital Output

Fig. 4 Dia-grama del receptor.


En primer lugar se deberá configurar adecuadamente el sistema. Inicialmente, no se aplicará señal al transmisor, controlando únicamente la corriente de bias de la fuente (se ajustará inicialmente la corriente de polarización al mínimo, mediante el potenciómetro P2 IBIAS). La fuente de luz a utilizar será el Láser de 650nm (pulsar “OUTPUTS CH1” has-


ta que se ilumine la fuente número 5). La corriente que circula por la fuente de luz puede leerse en el miliamperímetro del transmisor (pulsando “A-METER CH1/CH2” hasta elegir el canal 1.

Para los primeros apartados, se utilizará un tramo de fibra óptica de plástico de 1m de longitud como canal. Al ser un tramo de longitud muy corta, las pérdidas pueden consi-derarse nulas, por lo que las medidas al final de la fibra pueden considerarse como la po-tencia óptica al comienzo del canal.

El receptor se configurará inicialmente como medidor de potencia óptica. Se selec-cionará el fotodiodo nº 1 de Silicio (pulsando “ANALOG INPUTS” hasta que se ilumine el LED junto a este fotodiodo), con tensión inversa de polarización nula (girando hacia el mí-nimo los potenciómetros P5 y P7). Se activará el medidor de potencia óptica de precisión pulsando “FUNCTION OF OPTICAL POWER METER” hasta que se ilumine la opción “DC (modo de precisión)”. Es necesario también seleccionar la longitud de onda correcta en el medidor de potencia óptica mediante el pulsador “WAVELENGTH”.

-a-

En primer lugar se obtendrá la curva P-I (potencia vs. intensidad) de la fuente del transmisor. El objetivo principal será determinar la corriente umbral, comprobando igual-mente cómo la respuesta es linealidad por encima de este valor de corriente umbral.

La corriente aplicada se variará mediante el potenciómetro P2 (IBIAS) y se leerá en el miliamperímetro. La potencia óptica se leerá en el medidor de potencia óptica del re-ceptor, configurado en el modo lineal (pulsando “LOG/LIN dBm/W”). Siendo el canal de fibra óptica de 1m de longitud, la potencia óptica medida puede considerarse la inyectada en fibra al comienzo del canal.

Obtener medidas desde 0mA hasta el máximo posible, cada 2 mA.

1 Anotar los valores máximos de corriente y potencia óptica. Plasmar (de forma aproximada) los puntos obtenidos en una gráfica P-I

2 A partir de la gráfica dibujada, determinar aproximadamente la corriente um-bral. Prolongando la recta que representa la respuesta en la zona de funcio-namiento como láser, el corte con el eje de abcisas coincide con la intensidad umbral.

-b-

A continuación se conectará el canal de fibra óptica de 50m de longitud y se calcula-rá la constante de atenuación de la fibra óptica a la longitud de onda de trabajo.

Situar el potenciómetro P2 (IBIAS) en su punto medio, anotando la potencia óptica medida. Desconectar la conexión al fotodiodo, e insertar el canal de fibra óptica de 50m (utilizando un adaptador ST-ST para su conexión al final del tramo de 1m)

!

Manipular las conexiones ópticas con el mayor cuidado posible. Es muy fácil dañar o ensuciar la fibra óptica.


Anotar la potencia óptica medida en estas condiciones. La diferencia observada se debe a las pérdidas adicionales provocadas por el tramo de fibra óptica insertado. Calcular la constante de atenuación (en dB/Km) suponiendo una longitud de canal de 50m.

3 Anotar los valores de potencia óptica con y sin el canal de fibra de 50m, calcu-lando la constante de atenuación de la fibra en dB/Km. Valorar el resultado.

-c-

El siguiente paso será la verificación del funcionamiento del sistema completo.

Se conectará la salida digital con niveles TTL del generador de funciones a la entrada “DIGITAL INPUT” del transmisor, fijando inicialmente una frecuencia de 1 KHz. Es necesa-rio también seleccionar la entrada en el transmisor, pulsando sobre el botón “INPUTS CH1” hasta que se ilumine el LED correspondiente a la entrada “DIGITAL NEGATIVE”.

La corriente de bias (potenciómetro P2) debe situarse un poco por encima de la co-rriente umbral, mientras que la ganancia (P1) debe ajustarse de forma que la potencia óp-tica para el nivel lógico “1” se acerque lo más posible al valor máximo medido en la curva P-I. En estas condiciones, se consigue la máxima profundidad de modulación, facilitándose la discriminación entre los niveles lógicos en el receptor.

Por otro lado, el receptor deberá configurarse para utilizar el canal digital. Pulsar “FUNCTION OF OPTICAL POWER METER” hasta que se ilumine “FUNCTION DIGITAL”. La potencia óptica indicada en el medidor es la potencia media recibida.

4 Anotar el valor de potencia óptica media recibida.

En esta configuración, se activará la salida digital, que deberá conectarse a un osci-loscopio. Hay que comprobar que el conmutador “TTL / RS232”, que se encarga de elegir los niveles lógicos a la salida del receptor, está en la posición “TTL”, con niveles de 0 y 5V igual que los introducidos a la entrada del sistema.

La salida preamplificada del receptor (antes del comparador) puede observarse en el osciloscopio conectando una sonda en el punto de medida TP6 (la masa de la sonda puede conectarse a cualquier borne TPG, por ejemplo, TPG4).

Esta señal permite calcular el valor de relación de extinción, utilizando los valores máximos y mínimos de la tensión de la señal visualizada.

5 Anotar los valores de tensión máxima y mínima y el valor de relación de extin-ción resultante.


Para completar el sistema, debe configurarse el comparador al final del receptor. En este sistema, la señal recibida se compara con un nivel de tensión fijo de cero voltios; si es superior, se genera una salida “1”, si es inferior, se genera una salida “0”. Sin embargo, es posible variar la tensión de comparación (threshold) sumando o restando un nivel de ten-sión continua a la señal recibida, utilizando los potenciómetros P4 y P6.

Conectando el osciloscopio al punto de medida TP16, se ajustará el nivel de compa-ración de forma que la señal sea simétrica respecto al nivel de cero voltios. Este punto medio de comparación se considera generalmente el óptimo para un receptor digital NRZ. La señal digital de salida puede observarse en el conector BNC “DIGITAL OUTPUT”, y de-berá ser idéntica a la señal de entrada al sistema si todo funciona correctamente.

6 Indicar si se observa alguna diferencia entre la señal digital de entrada y a la salida del sistema.

-d-

Otro parámetro importante de estos sistemas es su velocidad (régimen binario) máximo de funcionamiento. Éste puede obtenerse a partir del ensanchamiento eficaz de los pulsos (σ) o mediante el tiempo de subida del 10 al 90%. Éste último método puede rea-lizarse fácilmente observando en la pantalla del osciloscopio el flanco de subida de un pul-so (nótese que la cuadrícula en la pantalla incluye una guías para calcular los valores del 10 y el 90%). La señal debe visualizarse de forma que los valores de tensión máxima y mí-nima (sin contar un posible sobre-disparo –overshoot-) coincidan adecuadamente con la cuadrícula de la pantalla marcadas como 100% y 0% respectivamente. La señal en el recep-tor se tomará del punto TP16, antes del comparador.

Es habitual que la propia señal de entrada no sea ideal (tiempo de subida distinto de cero), por lo que es necesario medir igualmente este tiempo de subida para la señal del generador. El tiempo de subida del sistema puede calcularse como:

2 2 2salida entrada sistemaτ τ τ= +

7 Anotar los valores de los tiempos de subida a la salida y a la entrada, así como el valor resultante para el sistema.

El valor de velocidad máxima puede obtenerse a partir del tiempo de subida del sis-tema mediante la expresión indicada en la introducción.

8 Anotar el valor obtenido de régimen binario máximo.

-e-


A continuación se comprobará la calidad de transmisión a diferentes velocidades me-diante el diagrama de ojo. Para su visualización se necesita un señal digital pseudo-aleatoria, que se obtendrá del analizador de comunicaciones MD6420A de Anritsu (más ade-lante se utilizarán sus funciones como medidor de tasa de error). La señal pseudo-aleatoria se tomará del transmisor incluido en el instrumento (cable marcado como “Tx”) y se co-nectará a la entrada del sistema; mientras que el osciloscopio se conectará al punto de medida TP6 antes del comparador. Dado el carácter aleatorio de la secuencia de bits, se hace necesario sincronizar el disparo del osciloscopio con la señal de reloj procedente del analizador de comunicaciones, conectando el cable marcado como “CLK” al disparo exter-no del osciloscopio.

Sobre la pantalla se podrá visualizar entonces el diagrama de ojo. Se cambiará el ré-gimen binario, midiendo sobre la pantalla del osciloscopio las aperturas horizontal y verti-cal para las velocidades de 19200bps, 768Kbps y 8Mbps.

El régimen binario de la secuencia pseudo-aleatoria se modifica en la pantalla “Interface” (pulsando “NEXT SCREEN” tras el encendido), accediendo con los cursores has-ta el valor de “BIT RATE”. Su valor se puede incrementar o decrecer con los botones “MO-DIFY” (si se pulsa simultáneamente el botón central “COARSE” la velocidad de incremen-to/decremento es más rápida).

9 Dibujar el aspecto del diagrama de ojo para las velocidades de 19200bps, 768Kbps y 8Mbps, anotando los valores de apertura en cada caso.

-f-

Finalmente, se comprobará el funcionamiento del sistema en su aplicación para la in-terconexión de dos ordenadores a través del puerto serie (señales RS232). Se utilizará en realidad de nuevo el instrumento MD6420A (Data Transmission Analyzer de Anritsu) que dispone de dos puertos serie, y es capaz de generar un tráfico de datos entre ellos a dife-rentes velocidades y medir la tasa de error del enlace.

La salida de datos del instrumento ya se encuentra conectada a la entrada del siste-ma, mientras que la salida digital del sistema deberá conectarse a la entrada de datos del instrumento (cable “Rx”). Será preciso situar en el conmutador S2(2) del receptor en la posición ON para que la salida tenga niveles de señal RS232. Se accederá a la pantalla de medida de tasa de error mediante la tecla “NEXT SCREEN” y a continuación “ERROR”. Pulsando sobre “START MEAS” se iniciará la comunicación y se mostrará en la pantalla la tasa de error, a la velocidad previamente configurada.

Se elegirá una velocidad pequeña (p.e., 19200bps), comprobando que la tasa de error sea cero. Si por el contrario se elegir una velocidad superior a la máxima calculada ante-riormente, la tasa de error debe ser muy superior.

En realidad, es de esperar que a bajas velocidades el valor de BER no sea un cero ab-soluto, pero si suficientemente pequeño para que no pueda ser medido en un tiempo razo-nable. Hay que tener en cuenta que para medir con una fiabilidad del 95% una tasa de error típica de 10-9 es necesario enviar y medir 3⋅109 bits correctos, lo que a 19200bps lle-varía unas 43 horas. Para evitar este problema, un técnica muy utilizada es “estropear” algo del sistema y medir la tasa de error resultante (peor, y por tanto medible más rápi-damente). Extrapolando los valores obtenidos puede estimarse la tasa de error para un


funcionamiento óptimo. Una posibilidad es estropear el valor de tensión de comparación en el receptor, la relación de extinción en el transmisor, o la potencia óptica media recibida.

Téngase en cuenta que si se reduce la potencia óptica media recibida hasta que la tasa de error aumente significativamente, se está obteniendo precisamente el valor de sensibilidad del receptor, un parámetro básico de los mismos.

Para obtenerlo, ajustar el régimen binario de nuevo a 19200bps y actuar sobre el atenuador variable al final del canal hasta que comiencen a aparecer errores en la pantalla del analizador de comunicaciones. El valor indicado por el medidor de potencia óptica será la sensibilidad al régimen binario de 19200bps.

10 Anotar el valor de sensibilidad obtenido.

Introducción a la simulación de S.C.O. 8

1. Objetivos

Esta práctica tiene como objetivo principal iniciarse en las particularidades de la si-mulación de sistemas de comunicaciones ópticas. Para ello, partiendo de unos requeri-mientos básicos y utilizando el simulador OptiSystem®, se construirá de forma guiada un sistema sencillo MI-DD, se analizarán sus prestaciones, y se comprobará el efecto en éstas de los diferentes criterios de diseño que se pueden plantear.

2. Introducción

En el proceso de diseño de los sistemas de comunicaciones ópticas, la simulación es un paso fundamental que evita la necesidad de construir y probar costosos prototipos. En la actualidad, existen modelos muy desarrollados y precisos de todos los dispositivos ópticos, eléctricos y optoelectrónicos que componen los sistemas de comunicaciones ópticas, por lo que puede decirse que la simulación es capaz de proporcionar datos fiables sobre el fun-cionamiento de estos sistemas. Debe tenerse en cuenta además que las prestaciones obte-nidas a partir de ecuaciones analísticas sencillas (como el balance de atenuación o de tiempos) son estimaciones aproximadas, en muchos casos no válidas para tomar decisiones acertadas de diseño.

En esta práctica, se propone el uso del simulador OptiSystem de Optiwave (www.optiwave.com), que permite la simulación de sistemas de comunicaciones ópticas a nivel de capa física. El simulador se basa en la propagación de señales, tanto el dominio eléctrico como óptico, a través de modelos de los diferentes componentes del sistema: fuentes de luz, fibra óptica, fotodiodo, etc. Estas señales pueden ser visualizadas por el usuario gracias a instrumentos virtuales como osciloscopios, analizadores de espectros, o analizadores de diagrama de ojo, entre otros.

Como principal instrumento, OptiSystem incorpora un estimador de la tasa de error de bit (BER), que es el criterio de calidad fundamental para un sistema de transmisión digi-tal de cualquier tipo. El proceso de diseño consiste precisamente en elegir los componen-tes del sistema que permitan, con el menor coste y complejidad posible, cumplir los requi-sitos planteados en términos de calidad de transmisión.


El BER se define como el cociente entre el número de errores de bit (ceros confundi-dos con unos o viceversa) y el número total de bits transmitidos. El valor de BER aceptable es muy dependiente, entre otros factores, de la aplicación del sistema: en la transmisión de televisión digital, por ejemplo, hace falta una tasa de errores muy elevada para que sea perceptible por el usuario (peor de 10-6), mientras que la transmisión de datos en redes transoceánicas de alta velocidad requiere tasas de error muy pequeñas del orden de 10-12 o mejor. Un valor típico aceptado en muchos sistemas ópticos es 10-9.

La estimación del BER puede realizarse de dos formas:

1. Por medición directa, es decir, enviando un número suficiente de bits y con-tando el número de errores. Éste método es inabordable con el simulador, no hay más que pensar que para medir una tasa de error mejor de 10-9 es ne-cesario enviar y simular el comportamiento con, al menos, 109 bits, más de mil millones, con el tiempo de ejecución que ello conlleva.

2. A partir de la relación señal a ruido. Existe una relación entre la tasa de error y el parámetro Q, que es a su vez una medida indirecta de la relación señal a ruido. Para estimar la relación S/N, el simulador construye un “dia-grama de ojo” a partir de la señal recibida cuando se transmite una secuen-cia aleatoria de varios bits. A partir de la estimación de la señal y el ruido en diferentes instantes temporales, se obtiene un valor del BER. El instante temporal para el que el valor del BER es mínimo se considera el instante óp-timo de muestreo, y el valor mínimo del BER es la tasa de error del sistema.

Fig. 1. For-mación de un diagrama de ojo con una señal NRZ.

El diagrama de ojo es la superposición en una pantalla de varios “trozos” de esta se-cuencia. En la figura 1 se muestran todas las posibles formas de una señal NRZ durante un


periodo de tres bits, mientras que la figura 2 muestra los diagrama de ojo resultantes con señales NRZ (izquierda) y RZ (derecha).

Fig. 2. Dia-gramas de ojo resultan-tes para se-ñales NRZ (izquierda) y RZ (dere-cha).

Para calcular la tasa de error, se recorren diferentes instantes temporales en el periodo de bit. Para cada uno, se calcula el valor medio de la señal de los bits a “uno” , I1, (parte superior del ojo), así como la varianza de la señal, σ1. Se repite el mismo procedi-miento para los bits a “cero”, en la parte inferior del ojo. El valor de Q viene dado por:

"1" "0"

"1" "0"

I IQσ σ

−≡

+

Y de ahí puede obte-nerse el BER mediante la expresión:

12 2

QBER erfc⎡ ⎤

= ⎢ ⎥⎣ ⎦

En esta práctica, se comprobará cómo las deci-siones de diseño afectan a la calidad de la transmisión, obtenida a partir del valor del BER estimado. El uso de un simulador permite obtener resultados más realistas y preci-sos que las aproximaciones analíticas, a la vez que es más rápido y menos costoso que la implementación de prototipos hardware.

Fig. 3. Esti-mación del parámetro Q y de la tasa de error de bit a partir del aná-lisis del dia-grama de ojo.

A modo de recuerdo y resumen de lo visto en la asignatura de Sistemas de Comunica-ciones Ópticas, se enumeran a continuación algunas de las opciones de diseño en términos de elección de componentes y de sus parámetros, indicando su impacto esperado en la calidad de transmisión (y por tanto, en la tasa de error).


• Esquema de modulación. La gran mayoría de los sistemas de transmisión por fibra óptica utilizan la modulación en amplitud de la potencia óptica emitida por la fuente de luz, utilizando codificación NRZ o RZ unipolar. La modulación RZ tiene el doble de contenido frecuencial que la NRZ, por lo que requiere un sistema con el doble de ancho de banda para su correcta transmisión. Por esa razón, la codificación NRZ es la más utilizada, aunque la RZ también tiene ventajas: facilita la recuperación de reloj en el receptor –ventaja que no apa-recerá en la simulaciones-, y como la potencia óptica media es menor, se ge-nerarán menos efectos no-lineales. En general, si el sistema está limitado por el balance de tiempos (“dispersión”) o por la atenuación, conviene utilizar codificación NRZ, si es por efectos no-lineales, la codificación RZ suele ser ventajosa.

• Tipo de fuente de luz. Los diodos LED tienen una anchura espectral muy gran-de (decenas de nm, produciendo una gran dispersión) e inyectan poca luz en fibras monomodo de núcleo pequeño. Los láseres “multimodo” ó Fabry-Perot tienen sin embargo una anchura espectral pequeña (algunos nm) y una efi-ciencia de inyección en fibra mejor. Los láseres monocromáticos (típicamente basados en estructuras DFB) son los más caros y de mejores prestaciones, con una anchura espectral varios órdenes de magnitud menor (del orden de MHz en términos frecuenciales), minimizando el efecto de la dispersión.

• Potencia óptica media emitida por la fuente de luz. Típicamente, cuanto ma-yor sea, más elevada será la relación señal a ruido en el receptor, y por tanto mayor será la calidad. Sin embargo, algunos efectos no lineales perjudiciales son proporcionales a la potencia óptica propagada por la fibra, por lo que puede interesar reducir su valor. Al ser los efectos no-lineales muy difíciles de modelar con ecuaciones sencillas, los simuladores son muy utilizados precisa-mente para encontrar el nivel de potencia óptimo en un determinado sistema.

• Chirping. El chirping, modulación de fase y frecuencia no deseada de la por-tadora óptica por culpa de la señal moduladora, se produce en las fuentes de luz con modulación directa. Su principal efecto es el ensanchamiento aparen-te del espectro , aumentando por lo tanto el efecto de la dispersión. Si el chirping está limitando el funcionamiento del sistema, suele recurrirse a la modulación externa (mediante un modulador interferométrico Mach-Zehnder o bien basado en electroabsorción), que producen una modulación de fre-cuencia indeseada en muchos casos despreciable.

• Modulación externa. El uso de un modulador óptico externo implica que la fuente de luz emita una potencia óptica constante, mientras que la señal a transmitir se aplica a la entrada eléctrica del modulador. Son dispositivos ca-ros y que presentan típicamente grandes pérdidas de inserción (se reduce la potencia disponible en el canal), pero por el contrario suelen eliminar el efec-to del chirping característico de una fuente de luz modulada directamente.

• Tipo de fibra óptica. Aunque existen innumerables variedades de fibras, de diferentes materiales, tamaños y estructuras, las disponibles comercialmente pueden agruparse básicamente en:

o Fibra multimodo de sílice: núcleo grande (se acopla más luz en la fi-bra), pero presentan dispersión intermodal. Estas fibras quedan carac-terizadas por su “ancho de banda modal” o, lo que es lo mismo, su producto ancho de banda por longitud definido por la dispersión inter-


modal. Siendo su valor típico de decenas o cientos de MHz x Km, que-dan reservadas para sistemas de baja velocidad y/o distancias cortas. Además, sólo en estas fibras de núcleo grande son capaces las fuentes tipo LED de inyectar potencias ópticas suficientemente grandes. El ma-terial (sílice) es el mismo que el de las fibras “monomodo”, así que la atenuación será la misma.

o Fibra multimodo de plástico: núcleo muy grande (diámetro cercano a 1 milímetro, es muy fácil acoplar luz de cualquier tipo de fuente), pero el material plástico presenta una absorción de cientos de dB por kiló-metro. La dispersión intermodal es también muy elevada, por lo que quedan reservadas para distancias muy cortas de menos de 100 metros típicamente.

o Fibra “monomodo” estándar de telecomunicación. Es la fibra más utili-zada hasta la actualidad para sistemas de alta velocidad y larga dis-tancia, pero presenta el problema de que su atenuación es mínima en tercera ventana (en torno a 1550nm) y su dispersión es mínima en se-gunda ventana (en torno a 1310nm). Por lo tanto, el cambiar la venta-na de transmisión puede arreglar uno u otro de estos problemas, pero no los dos simultáneamente.

o Fibras de dispersión modificada. Son fibras con estructuras complejas que permiten elegir el grado de dispersión deseado en cualquier longi-tud de onda. Las de dispersión “aplanada” tienen un valor bajo (de unos pocos ps/nm.Km) en toda la tercera ventana, mientras que las de dispersión “desplazada” tienen la dispersión mínima en 1550nm. Ésta última es muy interesante porque a la longitud de onda de 1550nm, tanto la dispersión como la atenuación se minimizan en la fibra.

o Fibras para la gestión de la dispersión. Son fibras que tienen valores de la dispersión grandes o pequeños, pero típicamente negativos. Inser-tando tramos de estas fibras en un canal convencional es posible redu-cir el efecto de la dispersión, ya que un parámetro de dispersión D ne-gativo puede “encoger” los pulsos previamente ensanchados por culpa de la dispersión.

o Fibras de gran área efectiva. Son fibras en las que el modo fundamen-tal de propagación ocupa un área mayor que en una fibra estándar. Como los efectos no-lineales se reducen si la luz ocupa un área mayor (al reducirse la densidad de potencia óptica), se pueden utilizar cuan-do los efectos no-lineales están limitando las prestaciones del sistema.

• Tipo de fotodetector. Hay dos dispositivos para elegir: los de tipo PIN, más utilizados, generan una fotocorriente pequeña (con responsividad menor de 1 A/W) que necesita ser fuertemente amplificada por un amplificador de trans-impedancia (conversor de corriente a tensión). Los receptores basados en fo-todiodo PIN suelen estar dominados por el ruido térmico, por lo que un au-mento de la potencia recibida se traduce en una mayor relación señal a ruido y por tanto, mayor calidad. Los de tipo APD tienen una ganancia interna de corriente, por lo que necesitan un amplificador de transimpedancia de menor ganancia. Los receptores basados en APD suelen estar limitados por ruido de disparo (shot), son mucho más complejos y caros, aunque su utilización es in-teresante cuando la señal recibida es muy débil.


• Amplificador óptico. Al añadir un amplificador óptico a un sistema se aumen-ta la potencia óptica disponible a la entrada del receptor, por lo que es posi-ble mejorar su calidad. Para ello, es necesario que el receptor se encuentre limitado por ruido térmico. Si su receptor está limitado por ruido shot, el rui-do aumentará de forma proporcional a la señal, por lo que la relación S/N fi-nal será la misma y no se habrá introducido ninguna mejora. Además, hay que tener en cuenta que un amplificador óptico genera ruido adicional (ruido de emisión espontánea amplificada, ASE). Si es de tipo de fibra dopada con Erbio (EDFA), funcionará exclusivamente en tercera ventana, mientras que si es de tipo semiconductor (SOA) lo hará en el rango de longitudes de onda definido por el material del amplificador.


La práctica se va a desarrollar en 4 bloques con objetivos diferentes:

1. Cargar el simulador y construir un sistema sencillo, de acuerdo a unas espe-cificaciones, para entrar en contacto con el simulador.

2. Simular el sistema y analizar los resultados, valorando si cumple o no los re-querimientos de calidad utilizando para ello el analizador de tasa de error (BER analyzer).

3. Probar una serie de cambios, de forma guiada, considerando a priori su im-pacto sobre las prestaciones, y comprobando con el simulador el resultado real.

4. El profesor indicará unos nuevos requerimientos, y se tendrá que realizar los cambios necesarios para que –a priori- el sistema funcione correctamente, comprobando con el simulador si se ha conseguido.

Los requerimientos que se plantean inicialmente para el sistema son:

• Sistema sencillo MI-DD punto a punto, con un transmisor basado en modu-lación de intensidad (M I) directa, fibra óptica en régimen monomodo, y receptor basado en detección directa (DD).

• Tasa de error mejor de 10-10.

• Régimen binario de 2,5Gbps

• Distancia de transmisión de 100Km

Y la elección a priori de componentes y de esquema de modulación es la siguiente:

• Modulación NRZ

• Transmisor basado en láser Fabry-Perot, emitiendo en la tercera ventana, con potencia óptica medida emitida de 0dBm, relación de extinción de 10dB, chirping (parámetro alfa igual a 6), y separación entre modos longi-tudinales de 20 GHz.

• Fibra óptica estándar de telecomunicaciones, con los parámetros por de-fecto, y 100Km de longitud.


• Receptor basado en fotodiodo PIN y amplificador de transimpedancia, también con los parámetros por defecto del simulador.

-a-

Se ejecutará el programa pulsando sobre el icono “OptiSystem”, y una vez cargado se mostrará el espacio de trabajo vacío. Es necesario crear un proyecto nuevo pulsando sobre el icono de página en blanco situado a la izquierda de los menús.

En primer lugar, se accederá a los parámetros globales (pinchando dos veces sobre el Layout ahora vacío) y se comprobará que el régimen binario es el requerido, cambiándose si no fuera así. La elección por defecto que realiza el software de la ventana de simulación la vamos a suponer correcta.

Se accederá a la librería de componentes (Component Library), en la carpeta De-fault, a los diferentes dispositivos, que se irán colocando sobre el Layout vacío:

1. Un generador de secuencia pseudo-aleatoria de bits, como fuente de señal: /Default/Transmitters Library/Bits Sequence Generator/ Pseudo-Random Bit Sequence Generator.

2. Un codificador NRZ para obtener la señal eléctrica que atacará a la fuente de luz: /Default/Transmitters Library /Pulse Generators /Electrical / NRZ Pulse Generator. Si este componente se sitúa a la derecha del anterior, el cableado correcto entre ambos se realizará automáti-camente.

3. Un láser con modelo basado en parámetros medibles experimentalmente: /Default/Transmitters Library / Optical Sources /Directly Modulated Laser Measured

4. Una fibra óptica estándar trabajando en régimen monomodo: /Default/ Optical Fibers Library / Optical Fiber

5. Un fotodetector PIN para recoger la señal óptica al final del canal y pasarla al dominio eléctrico: /Default / Receivers Library / Photodetec-tors / Photodetector PIN

6. Un amplificador de transimpedancia para convertir la débil fotocorriente ge-nerada por el fotodiodo en una tensión más elevada: /Default / Ampli-fiers Library / Electrical / Transimpedance Amplifier.


Fig. 4. Co-nexionado de los ele-mentos del sistema propuesto.

Por último, se colocará el analizador de tasa de error (BER Analyzer) para estimar la calidad de la señal de salida. Sus entradas se conectan como sigue: la primera (Bit sequen-ce) se conecta a la salida del generador de secuencia pseudos-aleatoria, la segunda (Refe-rence) es la señal a transmitir, es decir, la salida del codificador NRZ, y la tercera (Input) es la señal a analizar, la salida del amplificador de transimpedancia.

Colocados todos los componentes (la posición exacta sobre el layout es irrelevante, lo que importa es el conexionado de los dispositivos), el sistema tendrá un aspecto como el mostrado en la figura 4.

-b-

El siguiente paso es ajustar los parámetros de los dispositivos de acuerdo a las ca-racterísticas y requerimientos del sistema.

La mayoría de los parámetros se dejarán con su valor por defecto. Para cambiar el resto, hay que pinchar dos veces sobre el icono del dispositivo para mostrar la pantalla con sus parámetros. Estos aparecen agrupados en diferentes categorías mediante “pestañas”.

Los cambios necesarios para el láser son:

• La potencia de salida hay que cambiarla a 0dBm: pestaña “Main”, parámetro “Power”)

• Hay que fijar un nivel de chirping a través del parámetro alfa (ya que está presente en todos los láseres modulados directamente): en la pestaña “Chirp” se fija el parámetro “Alpha Parameter” al valor 6.

• Hay que indicar que se trata de un láser FP con múltiples modos longitudina-les: en la pestaña “Side modes” hay que activar la opción “Calculate Side Modes”, el número de modos “1”, la separación entre modos (paráme-


tros Separation) será 20 GHz, y la relación de supresión de modos laterales (Suppression Ratio) será de 25dB.

En cuanto a la fibra óptica, es necesario modificar su longitud. Se hará doble clic so-bre su icono y el parámetro Length se fijará al valor de 100Km.

Ya es posible realizar la simulación. Se accederá a la opción del menú File-> Cal-

culate o se pulsará sobre el icono . Aparecerá la ventana de simulación, y se pulsará-

sobre el icono para comenzar. Una vez finalizada (el tiempo de ejecución variará entre unos segundos y varios minutos dependiendo de la complejidad del sistema y del ajuste de la ventana de simulación), deberá aparecer el mensaje “*Calculation finished!*”, y ya se podrá cerrar la ventana.

-c-

El siguiente paso es analizar los resultados de la simulación. Haciendo doble clic so-bre el icono del analizador de BER se mostrará la estimación de la tasa de error. Si se acti-va la visualización del diagrama de ojo (opción “Show eye diagram”) podrá verse una imagen como el de la figura 5.

Fig. 5. Re-sultado de la simula-ción con el sistema propuesto.

El diagrama de ojo es muy interesante pues permite estimar la calidad de forma rá-pida, aunque un poco subjetiva. Debe tenerse en cuenta que la amplitud vertical del ojo no es muy relevante, pues dependerá de la ganancia del amplificador de transimpedancia; mientras que el eje horizontal está en unidades de tiempo de bit: el periodo de un bit


abarca desde 0 hasta 1 en el eje horizontal. Sobre el diagrama de ojo, en color rojo, se ha dibujado el valor del BER, con una escala que recoge únicamente el exponente, es decir, un valor de log(BER)=-13 equivale a un BER de 10-13.

El diagrama que se obtiene, mostrado en la figura, tiene un ruido bastante elevado, pero sobre todo, está muy distorsionado por culpa de la dispersión, con grandes oscilacio-nes (overshoot) de la señal a lo largo de un periodo de bit. El simulador se encarga de mos-trar el valor del BER a lo largo del periodo: aquel instante temporal en el que la relación entre la señal y el ruido es máxima, es el instante óptimo de muestreo. El valor mínimo del BER, es decir, aquel valor de calidad que se puede conseguir si se muestrea la señal recibi-da en el instante adecuado, es el calculado por el simulador, en este caso 3⋅10-7. Este dato indica que el sistema no cumple los criterios de calidad, aunque incluso este valor negativo es muy optimista porque a la vista del diagrama se comprueba que habría que muestrear en un instante muy preciso, y que el BER durante la mayor parte del tiempo de bit es mu-cho peor (mayor de 10-4 ).

1 Anotar el valor mínimo del BER y dibujar de forma aproximada el diagrama de ojo obtenido.

A continuación se propondrán varios cambios al diseño con la intención de mejorar el funcionamiento del sistema, se analizará a priori el efecto sobre las prestaciones y se com-probará con el simulador el resultado que se obtiene.

-d-

A la vista de lo ruidoso que es el diagrama de ojo, surge una idea para mejorar el sis-tema. Tanto el ruido térmico como el de disparo ocupan una banda frecuencial que va, en teoría, desde 0Hz hasta infinito. Eso significa que si el ancho de banda del sistema es muy superior al necesario, se está recogiendo a la salida del receptor ruido innecesario que po-dría eliminarse. La idea es que si la señal es de 2,5Gbps con modulación NRZ, solo tiene contenido frecuencial desde 0Hz hasta 1,25GHz. Más allá de este valor, solo hay ruido, pe-ro no señal. Si se añade al sistema un filtro eléctrico paso bajo que quite las frecuencias altas, es posible reducir el ruido sin afectar a la señal, mejorar la relación señal a ruido, y por tanto, la calidad.

Efectivamente, la normativa internacional que define los procesos de diseño reco-mienda que al final de todo sistema se incluya un filtro paso bajo, con respuesta tipo Bes-sel, y una frecuencia de corte igual a 0,75 veces el régimen binario, en este caso, serían 1,9GHz aproximadamente.

Se comprobará primero el contenido frecuencial de la señal que sale del receptor pa-ra ver si reduciendo el ancho de banda se podría reducir el ruido. Se insertará en el siste-ma un analizador de espectros eléctricos (RF Spectrum Analyzer) disponible en la librería de componentes en /Default / Visualizer Library / Electrical / RF Spec-trum Analyzer , que se conectará a la salida del amplificador de transimpedancia. Haciendo doble clic sobre su icono (no hace falta simular de nuevo) se mostrará el conteni-do frecuencial de la señal (color azul) y del ruido (color verde). Aunque de forma no muy clara, puede comprobarse como la amplitud de la señal decrece con la frecuencia, pero el ruido permanece constante hasta más de 70GHz (puede verse esta tendencia más clara-


mente si se activa la opción de “resolution bandwidth” del instrumento y se fija un valor alto, por ejemplo, 1000 MHz, que equivale a reducir la resolución de la medida pero permite ver las tendencias más claramente).

Por lo tanto, estamos recogiendo ruido de alta frecuencia que estropea la calidad, y podría eliminarse fácilmente con un filtro paso.

Se quitará el analizador de espectros de RF y el cable que une la salida del sistema a la tercera entrada del analizador de BER. A continuación, se insertará un filtro eléctrico paso-bajo con respuesta tipo Bessel, que está disponible en /Default / Filters Li-brary / Electrical / Low pass Bessel Filter. Se colocará a la salida del TIA, y será necesario reconectar la tercera entrada del analizador de BER a la nueva salida del sistema, que ahora será la salida del filtro. Se incluirá también un analizador de espectros de RF a la salida del sistema (ahora la salida del filtro). La figura 6 indica cómo debe que-dar el sistema tras estos cambios.

Fig. 6. Sis-tema inclu-yendo un filtro a su salida..

Tras comprobar en los parámetros del filtro que su frecuencia de corte es efectiva-mente 0,75 veces el régimen binario de la señal, se simulará de nuevo.

Se comprobará cómo el diagrama de ojo mejora ostensiblemente, el BER mínimo se un poco mayor del valor buscado, 10-10, y tanto la señal como el ruido están ahora limita-dos en frecuencia.

A la vista del diagrama de ojo puede comprobarse uno de los problemas de esta op-ción: aunque el ruido prácticamente ha desparecido, la señal digital está muy suavizada,


con flancos lentos de subida y bajada, y la zona óptima de muestreo, típicamente situada en el centro del periodo de bit, se hace más pequeña.


-e-

En las condiciones indicadas, es muy posible que el sistema esté limitado por la dis-persión: los flancos de subida y bajada de los diferentes bits simulados dibujan caminos muy diferentes (“engordando” las líneas que dibujan el ojo), y esto se debe a la distorsión que han sufrido al propagarse por la fibra óptica.

Debe reducirse el efecto de la dispersión para conseguir que el sistema funcione.

3 Proponer todos los cambios que se te ocurran de los componentes o de sus pa-rámetros para reducir la dispersión en este sistema.

-e-

Algo conocido es que un amplificador óptico no es la solución cuando el sistema está limitado por la dispersión. Esto se puede comprobar de forma rápida y sencilla con el simu-lador.

Antes de poner el amplificador óptico, se va a comprobar la potencia óptica disponi-ble al final del canal. Se colocará sobre el layout una medidor de potencia óptica, disponi-ble en la librería de componentes en / Default / Visualizar Library / Optical / Optical Power Meter Visualizer, y se conectará a la salida de la fibra óptica. Anotar la potencia óptica disponible al final del canal.

A continuación se añadirá entre la fibra óptica y el fotodiodo PIN un amplificador en fibra dopada con Erbio (EDFA), disponible en la librería de componentes en / Default / Amplifiers Library / Optical / EDFA / EDFA Measured. Se trata de un ampli-ficador con parámetros típicos: ganancia 20dB y figura de ruido de 4dB.

Simular de nuevo y comprobar el resultado en el analizador de BER. Si el sistema está limitado por la atenuación, la tasa de error debe haber aumentando, ya que ahora tenemos el ruido adicional ASE (Amplified Spontaneous Emisión) que empeora la relación señal a ruido. Anotar la nueva potencia óptica disponible antes del fotodiodo, y comprobar que se cumple la ganancia de potencia especificada.

4 Indicar la tasa de error conseguida con el amplificador óptico y la potencia óptica disponible con y sin él.

-f-



Como solución definitiva para que el sistema funcione, se propone reducir la anchura espectral de la fuente: el ensanchamiento de los pulsos es directamente proporcional a la anchura espectral, y un láser Fabry-Perot, a priori, no suele tener las prestaciones necesa-rias para una distancia de transmisión tan larga con una fibra óptica estándar.

Se propone entonces eliminar de nuevo el amplificador óptico del sistema, y sustituir el láser FP por otro DFB monomodo de mucha menor anchura espectral. Para ello, basta con desactivar el parámetro “Calculate Side Mode” disponible en la pestaña “Side Modes”. De esta forma se convierte en un láser monomodo DFB con una anchura espectral igual a la especificada en su anchura de línea (linewidth), que por defecto es de 10MHZ, un valor típico para un láser DFB de calidad.

Simular de nuevo y comprobar si se consigue la tasa de error necesaria de 10-10.


-g-

Por último, se pedirá al profesor que especifique unos nuevos requerimientos (más exigentes) para el sistema, se deberá simular con los cambios indicados y se comprobará si el sistema funciona o no.

6 Anotar el valor mínimo del BER y dibujar de forma aproximada el diagrama de ojo obtenido, con los nuevos requerimientos planteados.

Si el sistema no funciona adecuadamente, se pide proponer uno o más cambios que permitan cumplir los requerimientos, valorando en cada caso la complejidad técnica y el coste de cada uno de ellos.

7 Indicar los cambios propuestos y sus efectos en el sistema, valorando la com-plejidad técnica y el coste económico relativo de cada uno de ellos.

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