Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Departamento de Tecnología Fotónica Fundamentos de Comunicaciones Ópticas: Guía de Prácticas Departamento de Tecnología Fotónica y Bioingeniería Septiembre-2012 Fundamentos de Comunicaciones Ópticas: Guía de prácticas Autores: Paloma Rodríguez Horche Xabier Quintana Arregui José M. Otón Sánchez Pedro Menéndez Valdés Francisco J. López Hernández Ana González Marcos Morten Andreas Geday Ignacio Esquivias Moscardó Santiago Aguilera Navarro Idea Original de Diseño: Francisco J. López Hernández Diseño: José M. Otón Colaboradores: Miguel A. Muriel Fernández Luis Borruel Navarro Alejandro Carballar Rincón José Manuel Castro Fresnillo Roberto Onrubia Onrubia Paloma Ramírez de Arellano Raúl Vento Álvarez Agradecimientos: El Departamento de Tecnología Fotónica y Bioingeniería agradece la ayuda prestada por: o José Antonio Martín Pereda o Becarios del Grupo de Fotónica del Departamento. o Empresa Selco o Dirección de la ETSIT o Comunidad Autónoma de Madrid Nota: Los autores renuncian a los derechos de autor correspondientes a este manual, con el fin de abaratar su precio de venta. Preámbulo a las Prácticas del Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Esta Introducción consta de varias secciones: CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE COMUNICACIONES ÓPTICAS. Se presentan de forma resumida los conceptos necesarios para la realización de las Prácticas de la Memoria. Si es la primera vez que toma contacto con esta materia, es importante que lea y comprenda tales conceptos antes de ejecutar las prácticas. Si ya ha cursado la asignatura teórica, puede emplear estas notas como repaso de los términos y parámetros que encontrará en la Memoria. MANEJO DE LA INSTRUMENTACIÓN DE LABORATORIO. Se muestran los principales dispositivos y unidades que tendrá que utilizar para la realización de las prácticas, haciendo especial hincapié en aquellos que resulten más específicos de esta materia, o menos familiares para el alumno. Se incluye un apartado dedicado a la fibra óptica y a los elementos pasivos más comunes, conectores y acopladores. El objetivo es que el alumno comprenda de antemano cuáles son las posibilidades que pueden ofrecer los distintos aparatos, el fundamento básico de su funcionamiento, y las precauciones que deben observarse en su manejo. Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE COMUNICACIONES ÓPTICAS Aunque los intentos de transmitir información por medio de la luz se remontan a la antigüedad, tan sólo recientemente se ha conseguido realizar tal transmisión de modo eficiente y útil. Para ello ha sido necesaria la aparición de dos hitos tecnológicos independientes: el láser y la fibra óptica. El primero ha evolucionado hasta llegar a ser un dispositivo fiable y de precio competitivo que alcanza holgadamente velocidades de transmisión de varios Gbps. La segunda ha conseguido transformarse en el medio de transmisión idóneo para la región del espectro en torno a 1 m, con atenuaciones próximas al límite teórico, y control –a través de parámetros de fabricación– de la dispersión temporal producida por el medio que, en último término, es el factor que limita el ancho de banda tolerado por el mismo. Estas notas no pretenden ser un curso introductorio de Comunicaciones Ópticas, sino un apoyo al alumno para mejorar su comprensión sobre el fundamento teórico de las Prácticas que realiza, y sobre los resultados que cabe esperar en un determinado montaje experimental. Fundamentos CC.OO. 1 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería I. El Sistema de Comunicaciones Ópticas En todo sistema de comunicaciones deseamos enviar información. La información en un sistema de Comunicaciones Ópticas se envía por medio de impulsos o de señales moduladas de luz. I.1. ELEMENTOS DE UN ENLACE Un enlace básico de Comunicaciones Ópticas consta de tres bloques funcionales fundamentales: 1. Emisor. La fuente productora de luz, generalmente un diodo láser (LD) o diodo emisor de luz (LED). El bloque emisor (Fig. Fund.1) contiene además una serie de circuitos electrónicos destinados a generar las señales a transmitir, y a suministrarlas al dispositivo optoelectrónico. Las longitudes de onda más apropiadas para Comunicaciones Ópticas están en la región del infrarrojo próximo. 2. Medio. Aunque existen Comunicaciones Ópticas atmosféricas, espaciales o submarinas no guiadas, la gran mayoría de realizan a través de un medio dieléctrico (Fig. Fund.2). El medio por excelencia es la fibra óptica. El material empleado más común, por su extraordinaria transparencia, es la sílice (SiO2). Este material básico va dopado con otros componentes para modificar sus propiedades, en especial su índice de refracción. En Comunicaciones Ópticas a muy corta distancia (algunos metros) se emplean las fibras de plástico (POF). 3. Receptor. El circuito de recepción (Fig. Fund.1) es el elemento más complejo del sistema de Comunicaciones Ópticas. Consta de un detector – generalmente optoelectrónico, ya sea un fotodiodo p-I-n (PIN) o un diodo de avalancha (APD)– y de una serie de circuitos recuperadores de las señal: amplificador, filtro, comparador, etc. 2 Fundamentos CC.OO. Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas Figura Fund.1. Características del EMISOR y el RECEPTOR en un sistema de Comunicaciones Ópticas I.2. ELEMENTOS ADICIONALES Los sistemas de Comunicaciones Ópticas, adicionalmente, contienen otros elementos, que varían según la aplicación. Se citan algunos de los más importantes en los apartados siguientes. I.2.1. Repetidores Cuando la distancia a cubrir por un enlace supera un cierto límite (algunas decenas de km, usualmente), la señal se degrada y se atenúa excesivamente, por lo que se hace necesaria la instalación de repetidores. Los repetidores pueden ser simples amplificadores de la señal, o incluir además regeneradores de la misma. Hasta hace poco tiempo, todos los repetidores instalados eran electrónicos: la señal óptica se detectaba, se pasaba a señal eléctrica, se manipulaba (en su caso) como tal, y se reconvertía de nuevo a señal óptica. Actualmente, los regeneradores siguen realizando estas etapas electrónicamente, pero se están sustituyendo los amplificadores Fundamentos CC.OO. 3 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Figura Fund.2. Características del MEDIO en un sistema de Comunicaciones Ópticas electrónicos por amplificadores ópticos de fibra dopada (EDFA). Estos dispositivos amplifican directamente la señal óptica sin conversiones optoelectrónicas. I.2.2. Elementos pasivos La manipulación de señales ópticas es más compleja que la de señales eléctricas, por el simple hecho de que, para que se transmita la señal, no basta con el contacto físico, al estilo de los cables eléctricos, sino que se necesita que las propiedades ópticas de la unión sean adecuadas para permitir el paso de la luz. Con la eclosión de las fibras ópticas como medio de transmisión, ha surgido toda una serie de dispositivos de apoyo, que se ocupan del encaminamiento de la señal óptica. Los dos tipos más importantes son los acopladores y los multiplexores en longitud de onda. Ambos se emplearán durante las prácticas. Encontrará una descripción más detallada en el Apartado Intro.I.4. 4 Fundamentos CC.OO. Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas II. La Fibra Óptica La fibra óptica es el medio preferido para la transmisión guiada de luz. Se construye con materiales dieléctricos, preferentemente sílice. Una fibra típica tiene 125 m de grosor, aproximadamente el doble que el cabello humano. La luz se guía por un núcleo central cuyo diámetro oscila entre 4 y 1000 m dependiendo del tipo de fibra (típicamente entre 4 y 62,5 m). El resto de la fibra óptica es una cubierta del mismo material, que recubre el núcleo, y que está modificado de forma que tenga un índice de refracción ligeramente inferior al del núcleo. Es precisamente este cambio de índice lo que hace que la luz se guíe por el interior de la fibra. II.1. REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN Cuando un haz de luz encuentra en su camino una superficie dieléctrica, se desdobla en dos haces (Figura Fund.3), uno reflejado y otro refractado o transmitido, cuyos ángulos están relacionados con el ángulo de incidencia a través de la ley de Snell. La potencia óptica, por su parte, también se distribuye entre estos dos haces; el formulismo de Fresnel permite calcular tal distribución en función de unos coeficientes de campo, que dependen del ángulo de incidencia y de la polarización de Figura Fund.3. Reflexión y refracción en una interfase dieléctrica. Los ángulos están ligados por la ley de Snell. la luz incidente. II.1.1. Ángulo crítico y reflexión total Si se examina la ley de Snell, se comprueba fácilmente que un haz luminoso con cualquier ángulo de incidencia puede desdoblarse en una parte reflejada y otra transmitida, siempre que el índice de refracción del medio incidente sea inferior al del medio transmitido. Fundamentos CC.OO. 5 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Figura Fund.4. Transmisión desde un medio de mayor índice a otro de menor. Por encima del ángulo crítico (centro) se produce reflexión total (derecha). En caso contrario (Figura Fund.4), si se aumenta paulatinamente el ángulo se alcanza un valor, llamado ángulo crítico, para el cual el haz de salida es rasante (sen t = 1). Para ángulos superiores se produce un fenómeno denominado reflexión total interna. No existe componente transmitida y –lo que resulta fundamental para Comunicaciones Ópticas– no se producen pérdidas en la reflexión. II.1.2. Guiado de luz Para guiar luz por el interior de un dieléctrico sin pérdidas por reflexiones1, por consiguiente, se necesita disponer de una lámina o cilindro de material dieléctrico rodeado de otro dieléctrico de menor índice de refracción. Cuando la estructura es plana (al estilo de un sandwich, con un dieléctrico de alto índice entre dos de bajo índice), se dice que se tiene una guíaonda óptica plana. Se emplean preferentemente en Óptica Integrada, y también conforman la estructura de los diodos láser y los LEDs. Lo más normal, sin embargo, es que la guía tenga forma de hilo, con el dieléctrico de bajo índice rodeando al de alto índice. Se trata entonces de una fibra óptica, y los dos dieléctricos reciben el nombre de cubierta (cladding, en inglés) y núcleo (core) respectivamente. La diferencia de índices entre núcleo y cubierta suele ser muy pequeña, alrededor del 1%. II.1.3. Apertura numérica Como ya hemos visto, se guía sin pérdidas únicamente la luz que incide a la interfase con un ángulo mayor que el ángulo crítico. Esta limitación condiciona el ángulo de entrada (llamado a veces aceptancia) de la radiación por el extremo de la guía: observando la figura Fund.5, se comprueba que el ángulo crítico c determina un ángulo máximo de 1 ( ) 6 Las fibras ópticas tienen pérdidas por reflexión difusa y absorción. El conjunto de pérdidas se denomina atenuación (ver más adelante). A lo que se refiere aquí es a la ausencia de pérdidas de la propia reflexión total interna. Fundamentos CC.OO. Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas Figura Fund.5. La luz se guía por encima del ángulo crítico. Este ángulo determina un ángulo máximo de aceptación a la entrada, cuyo seno se denomina APERTURA NUMÉRICA. aceptación m, por encima del cual la luz introducida en la guíaonda no se guía. El seno de ese ángulo recibe el nombre de apertura numérica (AN), y es un parámetro fundamental que caracteriza una fibra óptica o guíaonda plana. De la propia definición de ángulo crítico, aplicando la ley de Snell resulta que sen c n2 n1 {1} n1 , n2 : índices de núcleo y cubierta Aplicando nuevamente Snell en la interfase vertical de la figura Fund.5, se llega a AN sen m n12 n22 II.2. {2} MODOS Cuando se pretende aplicar una teoría electromagnética rigurosa al fenómeno del guiado de luz, los planteamientos no son tan simples. Lo que sucede es que se sigue cumpliendo que existe un ángulo de aceptación máximo (la apertura numérica ya vista), pero el hecho de introducir la radiación luminosa con un ángulo menor que AN no garantiza que tal luz se guíe. Para que la luz se guíe se requiere, además, que forme en el interior de la guíaonda una distribución de campo cuya componente transversal sea estacionaria. Las distintas "maneras" o "formas" en que puede conseguirse tal condición (en último término, una serie de soluciones matemáticas de una ecuación de onda) se denominan modos. II.2.1. Constante de propagación e índice efectivo Cada modo lleva asociada una constante de propagación, 2 n1 sen {3} Fundamentos CC.OO. 7 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Figura Fund.6. La componente estacionariadetermina el modo. La otra componente, , es la constante de propagación, responsable de la transmisión de la señal por la guía. En el ejemplo se muestra una guíaonda plana, con tres índices distintos, El caso de la fibra óptica es idéntico, aunque sólo con dos índices, n1 y n2. La constante de propagación mide, en cierta forma, la velocidad con que se propaga cada modo. Si la radiación fuese no guiada, se propagaría en el medio como k·n1. Al ser guiada, se propaga según . Comparando ambos casos surge el concepto de índice efectivo N: la radiación acoplada en cada modo se propaga "como si" el índice del núcleo de la fibra fuese N / k n1 sen {4} II.2.2. Frecuencia de corte Los modos, como distribuciones de campo que permiten el guiado de la luz, no son válidos para cualquier longitud de onda de la radiación. En realidad existe para cada modo una frecuencia de corte por debajo de la cual el modo no guía (correspondiente a una de corte por encima de la cual no se guía. Hay Figura Fund.7. Variación de la cte. de propagación con la frecuencia para los tres primeros modos de una GO simétrica. El modo fundamental no tiene frecuencia de corte. 8 Fundamentos CC.OO. una fundamental simétricas excepción: de las (incluyendo El modo guíaondas todas las fibras ópticas) carece de frecuencia Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas Figura Fund.8. Diagrama b-V para fibras de índice abrupto. Por debajo de la frecuencia normalizada V=2,405 (corte del segundo modo), cualquier fibra es monomodo. de corte. Se deduce inmediatamente que, si se hace suficientemente larga la longitud de onda, cualquier fibra acaba guiando un solo modo. Éste es el fundamento de las fibras ópticas monomodo, de enorme importancia en Comunicaciones Ópticas. En la Figura Fund.7 se puede contemplar un diagrama , en el que se distinguen tres modos. Los dos superiores se cortan a y , mientras que el modo de orden 0 se hace asintótico y llega hasta = 0. Observe que el rango de está comprendido entre kn1 (sen = 1) y kn2 (c,ángulo crítico). Por encima de kn1 no puede existir, y por debajo de kn2 el modo deja de ser guiado. II.2.3. Diagrama b-V El diagrama es muy ilustrativo del comportamiento de los modos, pero resulta poco práctico. Se prefiere emplear otra representación, llamada diagrama b-V, que amplía la zona en que se dibujan los modos, y a la vez normaliza los parámetros haciéndolos Fundamentos CC.OO. 9 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería adimensionales. El parámetro V se llama frecuencia normalizada y b recibe el nombre de parámetro de guía. b V 2a ( / k ) 2 n22 n12 n22 n 2 1 n22 2a {5} AN {6} En esta representación, las líneas kn1 y kn2 pasan a ser dos líneas horizontales en ordenadas 1 y 0 respectivamente. Los modos pueden ahora representarse en este diagrama (Figura Fund.8), y la frecuencia de corte de cada uno vendrá dada por el valor de V para b=0. Concretamente, cualquier fibra con V<2,405 es monomodo. II.3. DEGRADACIÓN DE LA SEÑAL Si en una fibra óptica existen varios modos capaces de transportar luz guiada, se irán produciendo retrasos de la potencia transportada por unos modos respecto a otros. La idea fundamental para Comunicaciones Ópticas es que si la energía de un pulso luminoso se distribuye a la entrada entre varios modos, llegará al otro extremo en forma de pulso ensanchado. Este fenómeno se conoce como dispersión intermodal. Si se observa la ecuación, además, se ve que existe una dependencia con la longitud de onda. En consecuencia si la fuente que se emplea como emisor no es completamente monocromática, también se ensancharán individualmente los pulsos guiados por cada uno de los modos. Este fenómeno se conoce como dispersión intramodal. En un Apartado posterior se estudia la forma de minimizar la dispersión total del medio, que es el factor fundamental que limita el ancho de banda tolerado por una fibra. II.4. TIPOS DE FIBRAS Las fibras ópticas pueden clasificarse según su perfil de índices en abruptas (el índice pasa bruscamente del valor de la cubierta al del núcleo con un escalón) y graduales (el índice pasa de forma suave desde la cubierta hasta el núcleo). Además se suelen clasificar según el número de modos que soportan. Por lo comentado en el párrafo anterior, parece claro que se puede reducir el problema de la dispersión haciendo que la fibra óptica trabaje con un solo modo. Sin embargo esta solución acarrea algunos problemas adicionales que se comentan seguidamente. Los tipos de fibras más comunes 10 Fundamentos CC.OO. Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas (Figura Fund.9) son: monomodo, multimodo de índice gradual y multimodo de índice abrupto. II.4.1. Fibras monomodo Son fibras de índice abrupto. Como ya se ha comentado, permiten eliminar la dispersión intermodal, mejorando considerablemente ancho banda. de La el condición necesaria y suficiente para que una fibra sea monomodo es que su V sea menor que 2,405. Si se observa la ecuación {6}, se deduce que, para reducir el valor de V, se debe reducir la apertura numérica (reduciendo el cono de luz que se acepta) y/o el radio a del núcleo (complicando el acoplo del emisor). Se requiere una fuente de luz bien colimada, Figura Fund.9. Perfiles de índice y dimensiones típicas de los tres tipos más comunes de fibra óptica. La FO de índice abrupto multimodo suele verse sólo en plástico fácilmente enfocable en una pequeña área. Esas características las ofrecen los diodos láser y algunos LEDs especiales. Usualmente las fibras ópticas monomodo se utilizan en conjunción con diodos láser. II.4.2. Fibras multimodo Son fibras de núcleo bastante mayor (lo cual facilita el acoplo) y con apertura numérica más alta (lo que también contribuye a aumentar la potencia acoplada). Por contra, presentan dispersión intermodal, que puede ser catastrófica en distancias largas, puesto que reduce drásticamente el ancho de banda. Se trata pues de un medio cuyo ancho de banda no es elevado y que tiene un ángulo de aceptación alto. El candidato ideal para servir de fuente a esta fibra óptica es el LED. Para mejorar el problema de la dispersión se han creado las fibras ópticas de índice gradual. Estas fibras ofrecen a la radiación un perfil de índices tal que los posibles caminos físicos más tortuosos dentro del núcleo se encuentren con el menor índice de Fundamentos CC.OO. 11 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería refracción y viceversa. De este modo se consigue "acelerar" los modos más lentos y "frenar" los más rápidos. Con ello se reduce notablemente la dispersión intermodal. Las fibras ópticas multimodo de índice abrupto fueron las primeras que se emplearon. Actualmente, sin embargo, sólo se encuentran comercialmente en vidrio y en plástico para aplicaciones especiales. Sus diámetros son mayores que los indicados en la figura, pudiendo superar 1mm. II.5. FACTORES QUE LIMITAN LA TRANSMISIÓN Ya hemos visto en II.3. que los pulsos que se propagan por una fibra sufren ensanchamientos que eventualmente limitan el ancho de banda (en realidad, el producto ancho de banda x distancia) por solapamiento entre pulsos contiguos (ISI, intersymbol interference). Adicionalmente, la señal se atenúa por varios factores concurrentes, lo que incide en una limitación de distancia alcanzable por la señal. II.5.1. Dispersión La dispersión temporal de los pulsos tiene dos orígenes fundamentales: intermodal e intramodal. La dispersión intermodal, la más grave, puede reducirse utilizando fibras multimodo de índice gradual o evitarse sin más empleando fibras monomodo. Las fibras monomodo, por tanto, presentan sólo dispersión intramodal. Esta dispersión, a su vez, proviene de dos causas diferentes (Fig. Fund.10), que reciben los nombres de dispersión de guíaonda y dispersión del material. Se da la afortunada circunstancia de que, en el rango Figura Fund.10. Dispersiones intramodales de longitudes de onda de interés, los efectos de estas dos dispersiones son contrapuestos, pudiendo existir una con dispersión nula. En una fibra óptica de sílice sin modificar, este punto se da alrededor de los 1310 nm. 12 Fundamentos CC.OO. Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas II.5.2. Atenuación Existen asimismo dos fenómenos fundamentales que atenúan la señal en fibras: la reflexión difusa o scattering, y la absorción. La primera tiene una dependencia potencial inversa con la longitud de onda, mientras que la segunda presenta máximos en Figura Fund.11. Ventanas de transmisión en Comunicaciones Ópticas empleando fibra óptica de sílice. la zona ultravioleta e infrarroja media del espectro. Entre una y otra (Fig. Fund.11) configuran unas zonas o ventanas en las que se dan las mejores condiciones para transmisión por fibra óptica (de sílice; las zonas varían si se cambiase el material). Las dos ventanas al uso en la actualidad son la segunda ventana, a 1310 nm, y la tercera ventana a 1550 nm. La segunda ventana, además, coincide con la zona de mínima dispersión, mientras que la tercera ventana es la que produce mínima atenuación. Fundamentos CC.OO. 13 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería La tendencia actual es emplear preferentemente la tercera ventana. Además de su mínima atenuación, es la región espectral donde pueden emplearse los amplificadores de fibra dopada. Para mejorar las características de dispersión, se han diseñado fibras ópticas de dispersión desplazada y de dispersión aplanada, que presentan mínimos de dispersión en tercera ventana. III. El Emisor Para que un dispositivo emisor de luz pueda emplearse para transmitir información se necesita que cumpla una serie de condiciones. Las más importantes son: que produzca un haz monocromático que la radiación se pueda acoplar a la fibra óptica con facilidad, que la potencia óptica se pueda modular por medios electrónicos que la respuesta sea suficientemente rápida. Los emisores preferidos en Comunicaciones Ópticas son dispositivos optoelectrónicos semiconductores que operan en el infrarrojo próximo (Fig. Fund.12), concretamente diodos emisores de luz (LED) y diodos láser (LD). Figura Fund.12. Materiales III-V empleados en dispositivos optoelectrónicos III.1. EL LED El LED es un dispositivo sencillo de manipular y económico, que se adapta bien a enlaces de Comunicaciones Ópticas de poco alcance y moderado ancho de banda. 14 Fundamentos CC.OO. Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas Tienen habitualmente un diagrama de radiación lambertiano (coseno), es decir, bastante abierto, por lo que se adaptan mejor a fibras ópticas con apertura numérica alta, como las fibras multimodo. Es común utilizar LEDs asociados a fibras multimodo de índice gradual en redes de área local. III.1.1. Respuesta eléctrica y óptica Desde el punto de vista eléctrico, el LED es un diodo que se polariza en directa, y necesita para su funcionamiento una fuente de corriente. La respuesta óptica del LED es lineal con la corriente que lo atraviesa, hasta llegar a saturación. La luz emitida por un LED se genera en la propia unión p-n del diodo, por recombinación de pares electrón-hueco. Los fotones generados tienen la energía del gap, por lo que podrían ser fácilmente reabsorbidos por el material, a menos que se adopten precauciones: reduciendo al mínimo el espesor de una de las caras (LEDs de emisión superficial) y/o aumentando el gap de las zonas p y n para evitar la absorción (doble heteroestructura). Simultáneamente (Fig. Fund.13) se ajustan Figura Fund.13. Doble heteroestructura empleada en LEDs y LDs. Se consiguen simultáneamente tres efectos: evitar la reabsorción de los fotones generados, confinar la recombinación de portadores, y guiar la luz hacia la salida. Fundamentos CC.OO. 15 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería los índices de refracción de las capas, con el fin de guiar la luz hacia el extremo deseado. III.2. EL LD Los diodos láser son los dispositivos preferidos para Comunicaciones Ópticas de largo alcance, en combinación con fibras ópticas monomodo. Aunque su diseño se ha ido sofisticando en los últimos años, un LD es en esencia un LED al que se le ha acoplado in situ una cavidad resonante, instalándole dos espejos en caras opuestas, o simplemente tallando dichas caras. Los más elementales son dobles heteroestructuras; actualmente se emplean de forma habitual láseres de pozos cuánticos, formados por una pila de estructuras de pocos nm de espesor. Las ventajas Figura Fund.14. Formas geométricas y tamaños comparativos de un láser de gas, un láser de semiconductor clásico, y un microláser de cavidad vertical. más notables de estos láseres son su velocidad y su baja corriente umbral. Actualmente se trabaja en dispositivos aún más pequeños, como los microláseres de cavidad vertical. III.2.1. Respuesta eléctrica y óptica Los láseres se atacan en directa en corriente, como los LEDs. Su curva característica potencia óptica – corriente no es lineal, sin embargo. Un LD típico muestra a bajas corrientes un comportamiento lineal, aunque con poca eficiencia de conversión. Por 16 Fundamentos CC.OO. Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas encima de una corriente umbral, se produce un brusco aumento de la potencia emitida. Este aumento se da cuando el dispositivo comienza a tener ganancia óptica, es decir, cuando empieza a comportarse como láser (hasta ese momento, su comportamiento era el de un LED. Simultáneamente se producen cambios en el espectro de emisión, el cual se estrecha, haciéndose mucho menor que la banda de emisión del semiconductor de procedencia (es decir, que la emisión LED). Figura Fund.15. Característica P-I de un LD en función de la temperatura. Como láser, el LD es también lineal, con una pendiente muy superior a la anterior, hasta llegar a saturación. Suponiendo despreciable la potencia emitida hasta llegar al umbral, la potencia en la zona de trabajo láser puede expresarse simplemente como: POPT ( I I umbral) {7} Figura Fund.16. Estructura interna de un diodo láser comercial adaptado a un latiguillo de fibra óptica. Observe la situación del fotodiodo en la parte trasera. Fundamentos CC.OO. 17 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería siendo la eficiencia cuánticaLos driver para LDs deben diseñarse teniendo presente su característica. Para controlar un LD, se le inyecta constantemente una corriente ligeramente superior a la del umbral, y sobre ella se superpone la corriente de señal. El valor de la corriente umbral de un dispositivo LD depende fuertemente de la temperatura. A medida que aumenta, aumenta también el valor umbral. Este punto es de crucial importancia para la manipulación de un LD: cualquier pequeña variación de temperatura puede alterar significativamente la potencia de salida. Por esta razón, los LDs comerciales suelen incorporar un fotodiodo de control interno, que mide continuamente la potencia de salida. Ello permite a su vez que el dispositivo puede trabajar en modo potencia constante, inyectando la corriente necesaria en cada caso para que la potencia se mantenga. Opcionalmente, puede también trabajar en modo corriente, manteniendo constante la corriente y variando la potencia. Figura Fund.17. Polarización de un fotodiodo, curvas de respuesta a distintas iluminaciones, y recta de carga. En el tercer cuadrante la respuesta es lineal. 18 Fundamentos CC.OO. Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas IV. El Receptor El receptor de un sistema de Comunicaciones Ópticas está formado por dos bloques funcionales fundamentales: El bloque detector. Su principal componente es un detector de luz, generalmente un dispositivo optoléctrónico semiconductor, que se encarga de transformar la luz recibida en corriente eléctrica. El circuito de recepción. Se ocupa de amplificar y depurar la señal recibida. Consta de diversos módulos: amplificador, filtro, comparador, etc. IV.1. EL DETECTOR Existen dos fotodetectores fundamentales en Comunicaciones Ópticas: el fotodiodo p-I-n (PIN) y el fotodiodo de avalancha (APD). La diferencia fundamental es que el segundo posee amplificación interna por generación secundaria de pares. Cuando no está iluminado, su respuesta característica es la típica de un diodo. Al iluminarse, aparece Figura Fund.18. Responsividad de un fotodetector de silicio ideal y otro real. una fotocorriente inversa que desplaza toda la curva (Fig. Fund.17). La parte que queda en tercer cuadrante (tensiones y corrientes negativas) muestra un comportamiento lineal, mientras que la zona del cuarto cuadrante es no lineal. Por esa razón, los fotodiodos se polarizan en inversa, de modo que la recta de carga (véase figura) discurra por la zona lineal. Los fotodiodos convierten la luz en corriente eléctrica siguiendo un proceso de formación de pares e--h+ opuesto al que se produce en los emisores. Esa conversión de fotones a electrones es numérica, es decir, un fotón produce un par e--h+ siempre que tenga energía suficiente para ello. Si tiene una energía superior, se sigue produciendo el mismo par, por lo que la eficiencia energética del fotodetector varía con la longitud de onda. El Fundamentos CC.OO. 19 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería parámetro que se emplea para medir la eficiencia externa del fotodetector es la responsividad: I fotodiodo Póptica e hc A W {8} Tal como está formulada, se observa que la responsividad de un fotodetector ideal aumenta monótonamente con la longitud de onda mientras se mantenga constante el rendimiento cuántico . Esto es aproximadamente cierto durante toda la banda, y deja de serlo bruscamente cuando se desciende de la energía del gap. En la figura Fund.18 se observa un ejemplo para fotodetectores de Si, cuyo gap equivale a =1,1 m. La responsividad de los fotodetectores reales sigue la misma tendencia, como puede observarse. IV.2. EL CIRCUITO DE RECEPCIÓN El circuito de recepción, en especial el amplificador, se he de estudiar conjuntamente con el detector porque incide directamente sobre el ruido del sistema, y por tanto sobre la relación señal/ruido (S/N), que determina los parámetros fundamentales de diseño del sistema. El ruido del sistema es la suma de varios términos, procedentes del algunos propio fotodetector (ruido shot y ruido Figura Fund.19. Amplificador de transimpedancia. La fuente de corriente es el fotodiodo térmico) y otros del amplificador (corriente y tensiones de ruido). El amplificador más común en circuitos de recepción de Comunicaciones Ópticas es el de transimpedancia (fig. Fund.19). IV.3. EVALUACIÓN DE LA SEÑAL EN RECEPCIÓN La señal recibida por el fotodiodo, una vez amplificada, pasa por una serie de circuitos cuya función es recuperar la información original con la mayor fidelidad posible. Si se 20 Fundamentos CC.OO. Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas Y P(y|1) Ruido Nivel 1 1 P0(V) Tension Umbral V P1(V) Nivel 0 0 P(y|0) jitter Muestreo Figura Fund.20. Diagrama de ojo donde se muestra el jitter y el ruido en recepción (izda.) y selección del nivel de discriminación (derecha). trata de una transmisión digital, la señal pasa normalmente por un filtro y un circuito de decisión. Para evaluar la calidad de la señal recibida se utiliza el diagrama de ojo (Fig. Fund-20). Es una representación en osciloscopio de los pulsos recibidos, los cuales: No tienen todos ellos la misma amplitud, debido a la presencia de ruido Se adelantan o atrasan respecto a su reloj, por la presencia de jitter. Cuanto mayores sean estas distorsiones, más "cerrado" aparecerá el ojo, y más difícil será establecer el umbral de discriminación entre niveles alto (marca) y bajo (espacio). IV.3.1. Tasa de error y Sensibilidad del Receptor Cálculo de la BER La tasa de error de bit o BER mide el promedio de errores ocurridos en la transmisión. BER Número de errores Número de bits transmitid os En el receptor, si estamos detectando una señal ruidosa, habra “ceros” que se puedan confundir como “unos” y “unos” que se puedan confundir como ceros, dependiendo de lo ruidosa que sea la señal y de donde coloquemos el umbral de decisión (ID). Fundamentos CC.OO. 21 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería En la figura siguiente se puede observar un histograma de la distribución de unos y ceros. El eje vertical representaría los niveles de corriente detectados para unos y para ceros. Las funciones representan la probabilidad de detectar un uno para una corriente “y” (p(y|1)) o un cero para una corriente “y”(p(y|0)). La probabilidad de error viene dada por: BER Pe aP1 ( I D ) bP0 ( I D ) aP(0 /1) bP(1/ 0) , es decir la probabilidad de recibir un uno “a ” por la probabilidad de detectarlo con una corriente inferior a la umbral (P1(ID)) (se detectaría como un cero) mas la probabilidad de recibir un cero “b ” por la probabilidad de detectarlo con una tensión superior a la umbral (P0(ID)) (se detectaría como un uno). P(0/1) sería el área rayada que queda por debajo del umbral y P(1/0) sería el área rayada que queda por encima del umbral. Estas probabilidades se calcularían para una corriente “I” como: I P(0 /1) p( y |1)dy y P(1/ 0) p( y | 0)dy I APROXIMACIONES Suponemos que la corriente de salida Iout(t) sigue una distribución gaussiana, tanto para los unos como para los ceros. En este caso, la desviación estándar σ representa el valor de la tensión de ruido rms (IN), σ2 es la varianza y 2√2 σ es la anchura de la gaussiana cuando cae a un valor 1/e del máximo. El número de ceros y de unos es el mismo. a= b La probabilidad de error de unos (P(0/1)) tiene componentes de ruido shot y ruido térmico, mientras que en el caso de los ceros (P(1/0)) domina el ruido térmico. Para el ruido térmico, aplicamos una estadística gaussiana y para el ruido shot (poisson) la suponemos cuasi gaussiana 2 i2s i2t En estas condiciones: Pe aP(0 /1) bP(1/ 0) Operando, P(0/1) y P(1/0) se calculan como: 22 Fundamentos CC.OO. 1 1 P(0 /1) P(1/ 0) 2 2 Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas I I 1 Q 1 P(1/ 0) erfc 0 erfc D 0 2 2 2 0 2 I I 1 Q 1 P(0 /1) erfc 1 erfc 1 D 2 2 2 1 2 y la BER queda: BER I I I I 1 Q Q 1 erfc 0 erfc 1 erfc D 0 erfc 1 D 4 2 2 4 1 2 0 2 BER Mínimo El tasa de error de bit se puede minimizar eligiendo adecuadamente el valor de la corriente umbral ID: BERMínimo d ( BER) I 0 I1 0 ID 1 0 dI D 1 0 En este caso: Luego para BER mínimo: ID 1I 0 0 I1 1 0 1 10 Q Q1 Q0 I1 I 0 1 0 10 -2 -4 -6 1 I1 I 0 Q 1 erfc erfc 2 2 2 2 1 0 BER BER 10 10 -8 -9 BER = 10 -10 10 nota: Para valores de Q>4, se puede utilizar la 10 aproximación: 10 1 1 eQ /2 Q erfc 2 2 Q 2 -12 -14 2 BER 10 -16 0 0 2 4 4 8 6 12 10 Q 20 Vout/ 8 16 Figura Fund.21. Representación de la BER en fun Fundamentos CC.OO. 23 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Casos Particulares: a) Si sólo hay ruido shot: ID 1I 0 0 I1 1I 0 0 I1 I0 1 0 1 0 Q Q1 Q0 BER I1 I 0 I1 I 0 I1 I 0 1 0 1 0 1 I I 1 Q 1 erfc erfc 1 0 2 2 2 2 1 b) Si sólo hay ruido térmico ID 1I 0 0 I1 I 0 I1 I 0 I1 1 0 2 Q Q1 Q0 I1 I 0 I1 I 0 1 0 2 1 Q 1 I I BER erfc erfc 1 0 2 2 2 2 2 Habitualmente se representa la BER en función de Q, o bien en función de la amplitud alterna de la tensión de salida (Vout) partida por la tensión de ruido rms (σ), Vout/ σ. Tengase en cuenta que da igual hablar de corrientes de ruido que de tensiones de ruido, pues las tensiones se obtienen al multiplicar numerador y denominador por la misma resistencia de carga. La sensibilidad del receptor es un parámetro básico para la aplicación en sistemas, definido como la potencia óptica necesaria a la entrada del receptor para alcanzar un determinado valor de la relación señal /ruido, y por tanto un determinado valor del BER. La potencia suele especificarse en valor rms, promediando ceros y unos, y en la mayoría de los sistemas la sensibilidad se especifica a BER = 10-9, o Q=6 24 Fundamentos CC.OO. Manual LCO – Conceptos Fundamentales de Comunicaciones Ópticas IV.4. DISEÑO DE UN ENLACE Para diseñar un enlace simple (punto a punto) de Comunicaciones Ópticas se deben cumplir simultáneamente dos condiciones, que se expresan en forma de balances: Balance de potencia. Debe llegar al circuito de recepción la potencia suficiente superar una determinada relación señal/ruido. Balance de dispersión. Las distorsiones de la señal deben estar por debajo del valor exigido para el régimen de transmisión que se establezca. IV.4.1. Balance de potencia Se parte de una BER deseada para el diseño del enlace, y a partir de ella se deduce una Q o una S/N. Se calcula el ruido en recepción, y a partir de éste, el nivel de señal necesario en el detector. A partir de ahí se procede hacia el emisor, contando las pérdidas introducidas por: La propia fibra óptica (dB/km) Los conectores (entre 0,5 - 1 dB cada uno) Los empalmes y soldaduras (alrededor de 0,2 dB) Cualquier elemento adicional (acopladores, etc.) Las penalizaciones por inclusión de otros elementos (por ejemplo, amplificadores de fibra), o por detección de ráfagas (por ejemplo, en enlaces punto-multipunto) Un margen de seguridad razonable (3-6 dB) La suma de las pérdidas permite calcular la potencia que debe acoplar el emisor. Desde otro punto de vista, predice el número de km que alcanzaría el enlace en esas condiciones. Fundamentos CC.OO. 25 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería IV.4.2. Balance de dispersión La distancia calculada en el apartado anterior garantiza que la potencia que llega al detector es adecuada, pero no que la información pueda transmitirse con el régimen binario deseado. En el balance de dispersión se estima la limitación del producto ancho de banda x distancia, el cual, conjugado con el dato anterior, permite establecer el ancho de banda tolerable en el canal. El tiempo de respuesta del sistema se calcula como suma cuadrática de varios términos: 2 t 2 sistema t 2 emisor t 2 fibra t 2 receptor t 2 emisor 0,44 q 0,35 2 L DL B B 2 {9} donde el segundo y tercer término son dispersiones del medio (multimodo y monomodo, respectivamente), y el último término corresponde al receptor. 26 Fundamentos CC.OO. MANEJO DE LA INSTRUMENTACIÓN ESPECÍFICA DEL LABORATORIO I. Fibras Ópticas y Dispositivos Pasivos En el Laboratorio de Comunicaciones Ópticas se manejan varios tipos de fibras ópticas (FO) que a su vez vienen protegidas de diversos modos. Su manejo depende del tipo de fibra y del recubrimiento de protección. I.1. TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS Se emplearán tres tipos fundamentales de FOs: FIBRA DE PLÁSTICO (POF, PLASTIC OPTICAL FIBER). Son fibras multimodo hechas de plástico transparente, que se utilizan en la región visible del espectro (en nuestro caso, se usarán a 650 nm, en el rojo).Tienen una atenuación muy elevada (se mide en dB por metro, no por kilómetro) y una dispersión muy alta. Por ello no sirven para Comunicaciones Ópticas a larga distancia. Sí son útiles, por ejemplo, para conexiones de pocos metros (por ejemplo, entre dos ordenadores). En el Laboratorio resultan muy adecuadas porque tienen un núcleo muy grande (en torno a 1 mm), que las hace ser fáciles de manipular y medir. Además son sencillas de conectorizar. FIBRA MULTIMODO (MM, MULTIMODE). Son fibras de sílice, como las que habitualmente se utilizan en Comunicaciones Ópticas, de 125 m ó 140 m de sección y 50, 62,5 ó 100 m de diámetro de núcleo. (Las combinaciones posibles son 50/125, 62,5/125 y 100/140.) FIBRA MONOMODO (SM, SINGLE MODE). Son fibras de 125 m de sección total, y núcleo entre 6 y 12 m. Están diseñadas para ser monomodo (V<2,405) a partir de una determinada longitud de onda. Eso no garantiza que lo sean a todas las longitudes de onda de los emisores disponibles en el laboratorio. Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería I.2. RECUBRIMIENTOS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS Generalmente, las fibras ópticas que se utilizan en instalaciones reales están protegidas por una serie de capas protectoras que las aíslan de agentes externos. Las FOs que se emplean en el laboratorio, en ocasiones, vienen sin la mayoría de esas capas, precisamente para permitir la manipulación de las mismas: FIBRA DESNUDA. Dícese de aquélla que carece de recubrimientos plásticos de protección. Estas fibras son algo más gruesas que un cabello, y llevan únicamente un recubrimiento de silicona (azul o incoloro en nuestro caso). Se deben manipular con cuidado, porque se rompen con facilidad. En el Laboratorio hay bobinas de fibra desnuda de varios kilómetros de longitud, y fragmentos arrollados de algunos metros. Las fibras de plástico del laboratorio llevan un único recubrimiento negro de polímero, y tienen un grosor de alrededor de 2 mm. CABLES DE FIBRA. Cuando no se necesita manipular la propia fibra, se emplean cables, de aspecto semejante a los eléctricos, en los que las fibras están más protegidas. Los extremos de estos cables de fibra vienen rematados con conectores. En el Laboratorio se encuentran cables de fibra de 1-2 m (latiguillos) y carretes que contienen desde cientos de metros a algunos kilómetros. La parte más frágil de los cables son los conectores de los extremos. CÓDIGOS DE COLORES. No existe un código de colores establecido para distinguir las características de una fibra solitaria (sí los hay para cables multifibra, que son los habituales en enlaces). Los latiguillos de fibra monomodo del Laboratorio son habitualmente de color amarillo y los de fibra multimodo suelen ser de color naranja o verdes. Los carretes llevan normalmente una etiqueta identificativa. Generalmente son amarillos los monomodo y grises los multimodo. Las fibras POF de plástico del laboratorio son azules y de color gris oscuro, casi negro. (De todos modos, las fibras POF se reconocen de inmediato sin más que mirar la punta o el conector). I.3. CONEXIONES CON FIBRAS ÓPTICAS Dentro de cualquier montaje, las fibras deben conectarse con dispositivos emisores, detectores, o con otras fibras. Según el tipo de montaje y la permanencia que se desee para el mismo, se utilizan distintos modos de conexionado: 2 Intro LCOBM – Conceptos Básicos, Instrumentación y Manejo de Dispositivos EMPALMES O SOLDADURAS DE FIBRA. Cuando se desea realizar una unión permanente entre dos fibras, se fusionan sus extremos por medio de una máquina de soldar. Esta operación se realiza típicamente en montajes de campo para unir carretes sucesivos. EMPALMES PROVISIONALES. Es una variante de laboratorio en la que se enfrentan dos fibras y se sujetan mecánicamente sobre una superficie metálica provista de una ranura (surco en V). A veces se añade sobre el empalme una gota de líquido con el mismo índice de refracción que las fibras, para evitar reflexiones en las interfases. CONECTORES PROVISIONALES. Permiten conectar, de forma provisional, el extremo de una fibra y la entrada a un dispositivo emisor o receptor. En determinados tipos de conectores del laboratorio, también pueden utilizarse para estudiar las propiedades del haz luminoso emergente, al facultar la manipulación del extremo de la fibra y su colocación precisa dentro de un montaje óptico. CONECTORES PERMANENTES. En montajes reales, son los conectores habituales para los extremos emisor y receptor. En el Laboratorio se pueden encontrar en los latiguillos y en los carretes de cable. Los conectores de fibra de sílice del Laboratorio son de tipo FC. Son semejantes a los conectores BNC eléctricos, pero tienen rosca. Son todos aéreos, del mismo género (macho), y se adaptan entre sí por medio de pasamuros de doble rosca en los que quedan enfrentados. I.3.1. Precauciones con los conectores Es importante observar que los conectores FC van provistos de una lengüeta que encaja en una ranura del pasamuros. Por lo tanto, el conector sólo encaja correctamente en una posición. No fuerce nunca los conectores. Una vez introducido el conector, rosque hasta el final sin forzar. En ese momento el conector quedará correctamente posicionado. LAS MEDIDAS REALIZADAS CON CONECTORES MAL POSICIONADOS SON INCORRECTAS. Para extraer un conector, desenrósquelo por completo, y sáquelo agarrándolo de la parte metálica. En ningún caso extraiga el conector tirando del cable de fibra, porque la partirá. Intro 3 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Los conectores deben estar tapados siempre que no se encuentren en uso, para evitar que se ensucie el extremo de la fibra. Recuerde que está manipulando luz. Cualquier resto de suciedad en la cara del conector introducirá pérdidas en el enlace. Los conectores de las fibras de plástico carecen de lengüeta, y se conectan por presión, hasta escuchar un "clic". Se extraen tirando con cuidado del conector. I.4. ACOPLADORES Como es sabido, algunas manipulaciones que resultan muy simples con cables eléctricos son bastante complejas en FOs. En particular, se encuentran en este grupo todas las operaciones relacionadas con continuidad de las líneas (empalmes, uniones provisionales) y con el encaminamiento de la señal (bifurcaciones, divisiones de señal, inyección de señales a una misma línea, transmisión punto-multipunto). En otras palabras, resulta más sencillo garantizar la continuidad eléctrica que la óptica. Para poder realizar estas operaciones de un modo sistemático, se han desarrollado familias de elementos pasivos conocidos con el nombre genérico de acopladores. Figura I.1. Aspecto real de un acoplador 2x2 y esquema de un 2x2 y un MxN. Las asignaciones de puertas pueden variar. Los acopladores (Figura I.1) son dispositivos que combinan y/o separan las señales procedentes de una serie de FOs. Suelen distinguirse por su número de entradas y de salidas. Así se habla de acopladores 1x2, 2x2, o en general, MxN. Si las entradas son intercambiables por las salidas (depende de la tecnología de fabricación) se dice que los acopladores son bidireccionales. Si no es posible, entonces son unidireccionales. En general, se desea que el acoplador cumpla ciertos requisitos: Cualquier señal introducida en una de las entradas debe distribuirse entre las salidas. La distribución no ha de ser necesariamente equitativa. Por ejemplo, si en el acoplador 2x2 de la Figura suponemos que y son las entradas, y y las salidas, una señal introducida en debería salir por y , pero no por . Si además sale la mitad de la señal por y otro tanto por , se dice que el acoplador es 50/50 (también se le llama acoplador 3dB por razones obvias). Los valores más típicos en acopladores de dos salidas son 50/50 y 90/10 (la rama 10, en este caso, se suele emplear como muestreo). 4 Intro LCOBM – Conceptos Básicos, Instrumentación y Manejo de Dispositivos La entrada no utilizada no debe recibir señal. La señal recibida en la otra entrada (o las otras entradas) se considera diafonía. Precisamente, uno de los parámetros de caracterización de los acopladores es su directividad, que viene a ser como la capacidad de aislamiento entre diferentes entradas. A menos que se indique expresamente, un acoplador sólo funciona correctamente en un estrecho margen de longitudes de onda del espectro, que suele coincidir con una de las ventanas de transmisión. Cuando un acoplador es insensible a variaciones espectrales, se dice que tiene respuesta espectral plana o simplemente que es un acoplador plano. En la Práctica II se experimenta con uno de estos acopladores. I.4.1. Parámetros de caracterización de acopladores Pérdidas de Exceso. Es una medida de la potencia perdida en el acoplador, comparando la potencia entregada a la entrada y la extraída por las distintas salidas: P entrada Pexceso = - 10 log N Pj 1 ( N nº salidas ) {1} Pérdidas de Inserción. Las pérdidas de inserción son un concepto más general que el empleado aquí: son las pérdidas introducidas por la mera instalación de un dispositivo en un sistema. En este contexto, sin embargo, se refiere sólo al canal utilizado. Así, un acoplador puede tener unas pérdidas de inserción muy altas, si se refieren a una salida que acople poca potencia. Pi P inserción = - 10 log Pj {2} i, j : salida y entrada usadas Relación de Acoplo. Mide la manera en que se distribuye la potencia entre las salidas: Ri (%)= Pi 100 Pj N i una de las j salidas {3} 1 Intro 5 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Directividad. Potencia de una entrada que se acopla a otras. Tal como está formulada, es tanto mejor cuanto mayor es: Pentrada Di = 10 log Pk I.4.2. k i {4} Multiplexores por división en longitud de onda Otro tipo de dispositivos pasivos de gran utilidad en Comunicaciones Ópticas son unos elementos capaces de separar diferentes longitudes de onda de un canal. Pueden considerarse un tipo especial de acopladores 1xN, en los que la potencia óptica procedente de la única entrada se distribuye entre dos o más salidas según su longitud de onda (ello permite enviar varias señales simultáneas por la misma fibra y separarlas a la salida). Reciben el nombre de multiplexores por división en longitud de onda (wavelength division multiplexer, WDM). Los dispositivos son bidireccionales, es decir, pueden servir para separar radiación de diferentes longitudes de onda que viaja por la misma fibra, o para combinar varias longitudes de onda en una sola salida. Los parámetros de caracterización de los WDM son los mismos que los ya relatados para los acopladores. Poseen además como parámetros característicos, la diafonía y el aislamiento, que mide la relación de potencias de diferentes longitudes de onda en la misma salida. Así pues, es una medida del poder de separación espectral del dispositivo o una medida . D(1 ) 10 log P1 (1 ) P2 (2 ) P j ( 1 ) Pentrada( 1 ) Pa = 10 log P j ( 2 ) Pentrada( 2 ) 6 Intro {5} {6} LCOBM – Conceptos Básicos, Instrumentación y Manejo de Dispositivos II. Figura II.1. Emisores Esquema de la caja de emisores del Laboratorio. Los tres módulos de la izquierda contienen LEDs, y el de la derecha es un diodo láser. Las longitudes de onda de funcionamiento están especificadas en cada módulo. Los emisores que se utilizan en Comunicaciones Ópticas son fundamentalmente de dos tipos: diodos emisores de luz (LED) y láseres, en particular diodos láser (LD). En el Laboratorio se emplea para la mayoría de montajes una caja de emisores que aparece en la Figura II.1. II.1. MÓDULOS DE LA CAJA DE EMISORES La Entrada señal moduladora LF Entrada señal moduladora HF caja formada de por emisores cuatro está módulos semejantes entre sí. Los tres primeros Selector de frec. modulac. contienen LEDs de diferentes longitudes de onda, y Emisión de luz el cuarto lleva incorporado un diodo Potencia luminosa láser. El interruptor general se encuentra en la parte trasera. En la Figura II.2 se muestra en Medida de corriente Figura II.2. Encendido del módulo Detalles de funcionamiento de un módulo emisor LED. detalle uno de los módulos LED. De arriba abajo, se observan los siguientes elementos: Intro 7 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Dos conectores BNC para entrada de señal moduladora. Un conmutador para seleccionar una de las entradas anteriores (modulación digital o analógica). Un potenciómetro para controlar la potencia luminosa de salida del LED o LD. (a la derecha) Un pasamuros donde se introduce el conector de fibra. En el módulo de 650 nm, el pasamuros instalado es para fibra de plástico. En los tres restantes se encuentra un pasamuros FC. (¡Recuerde alinear la lengüeta y la ranura!). Medida de la corriente consumida por el emisor LED. Relacionada con el potenciómetro anterior. La medida se realiza con un polímetro, registrando la tensión que cae en una resistencia instalada internamente que equivale a 10 . El interruptor de encendido del módulo. Salvo indicación expresa, los módulos en uso deben dejarse encendidos durante toda la práctica. II.2. EL MÓDULO DEL DIODO LÁSER En la Figura II.3 se muestra el módulo del diodo láser. Además de los controles descritos en el apartado anterior, este módulo presenta ciertos elementos adicionales. La función de estos elementos se explica recordando que los diodos láser comerciales llevan incluido un fotodetector interno para monitorizar continuamente la potencia de salida. Este fotodiodo se integra en un circuito de realimentación que puede emplearse para estabilizar la corriente entregada al dispositivo o la potencia luminosa de salida. Figura II.3. Además conviene advertir que este diodo Detalles de funcionamiento del módulo emisor LD. láser es una fuente de luz infrarroja (invisible, por tanto) de cierta potencia. Su manejo, pues, requiere algunas precauciones que se comentan en el siguiente apartado. Las características propias del módulo emisor LD son: 8 Intro LCOBM – Conceptos Básicos, Instrumentación y Manejo de Dispositivos El sensor de corriente incluido en los demás módulos aparece también en el módulo LD, pero se incluye además un sensor de potencia. Esta medida procede del fotodiodo de control interno. Así, en el módulo LD se puede monitorizar la corriente entregada al dispositivo, y simultáneamente, de forma independiente, la potencia de salida del láser. En el centro del módulo se ha incluido un nuevo conmutador, etiquetado CORRIENTE/POTENCIA. Con él se puede escoger el modo de funcionamiento del láser: estabilización en corriente (se mantiene constante la corriente con independencia de la potencia de salida) o estabilización en potencia (se manipula la corriente para que la potencia, medida constantemente por el fotodiodo interno, sea constante). II.3. PRECAUCIONES DE MANEJO DE LA CAJA DE EMISORES Las precauciones específicas que deben observarse con la caja de emisores son dos: Seguridad. Las conexiones etiquetadas "SALIDA FIBRA ÓPTICA" llevan inmediatamente detrás un LED o diodo láser. En casi todos los casos se trata de luz infrarroja, invisible al ojo. Aunque la potencia no alcanza niveles elevados, no es aconsejable mirar a través del conector si la fuente está encendida. Esto es especialmente importante en el caso del diodo láser, cuya luz colimada se enfoca fácilmente en la retina. Como norma trabaje siempre con los emisores en un plano horizontal, a una altura inferior al pecho. Deterioro del material. No introduzca ningún objeto en los orificios de los conectores. Tenga cuidado al ajustar los conectores FC. Localice la lengüeta y hágala coincidir con la ranura del conector pasamuros. Al desconectar, desenrosque completamente y tire del propio conector, no del cable de fibra. Control de Potencia. El potenciómetro de control de potencia luminosa debe girarse lentamente. Es especialmente importante este detalle en el control del diodo láser: nunca gire con brusquedad este control. Intro 9 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería III. Generadores Figura III.1. Caja de generadores La caja de generadores de señal se muestra en la Figura III.1. Consta de tres módulos iguales. Cada uno de ellos lleva un conmutador, de 10 posiciones, que controla la frecuencia de la señal, y una pareja de BNCs para salidas de pulsos de reloj y de datos. En la posición 10, la frecuencia del reloj es de 40 MHz. Cada posición anterior divide la frecuencia por 2: la 9 corresponde a 20 MHz, la 8 a 10 MHz, etcétera. La posición 1 corresponde aproximadamente a 78 kHz. Los tres módulos son idénticos y síncronos, puesto que la señal maestra se produce en un solo oscilador. Los datos están formados por secuencias seudoaleatorias. Se generan con un registro de desplazamiento de 6 bits. El código es NRZ. Se puede producir cualquier combinación excepto 000 000. La secuencia se repite al cabo de 63 bits, de los cuales 32 son '1' y 31 son '0'. El polinomio de generación hace que los bits se distribuyan de modo que se obtenga la máxima anchura espectral: la mitad de los '1' aparecen aislados, la cuarta parte en grupos de dos, y así sucesivamente. 10 Intro LCOBM – Conceptos Básicos, Instrumentación y Manejo de Dispositivos Generador de Patrones de TV Intro 11 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería 12 Intro LCOBM – Conceptos Básicos, Instrumentación y Manejo de Dispositivos IV. Intro 13 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería IV. DETECTORES Figura IV.1. Caja de detectores La caja de detectores se muestra en la Figura IV.1. Consta de tres módulos equivalentes situados en la parte izquierda, y uno especial, etiquetado pin InGaAs que ocupa la parte derecha. Los tres módulos de la izquierda contienen fotodetectores a tres longitudes de onda: 650 nm (para fibra de plástico; el conector es también POF), 820 nm y 1300 nm (primera y segunda ventana, con conectores FC). En cada uno de los tres módulos, por encima de los conectores de fibra se hallan dos conectores BNC. Son salidas que permiten extraer la señal recibida por el fotodetector correspondiente en forma analógica, o en forma digital tras pasar por un comparador. El conmutador situado abajo a la derecha conecta y desconecta los circuitos comparadores. Se ha instalado para evitar que éstos introduzcan ruido cuando no están usándose. Así pues, si el conmutador está en OFF, las salidas digitales de los tres módulos de la izquierda estarán desactivadas. El módulo de la derecha lleva instalado un fotodetector p-I-n con salida analógica, preparado para poder modificar sus parámetros de funcionamiento: 14 Intro A la derecha de la salida BNC existe un conmutador que permite seleccionar la resistencia de carga: 2, 10 ó 30 k. LCOBM – Conceptos Básicos, Instrumentación y Manejo de Dispositivos Figura IV.2. Circuito del fotodiodo p-I-n La tensión de polarización se ajusta con un control giratorio (abajo), y se mide en las bornas adyacentes. V. Medidores de Potencia Óptica En todos los puestos del Laboratorio existen unas unidades portátiles, semejantes a polímetros digitales, que se emplean para medir potencia óptica. A tal efecto, poseen en su parte superior los correspondientes conectores o adaptadores en los que colocar las diferentes salidas de fibra óptica. Sus características más relevantes se comentan a continuación: Los medidores pueden trabajar a diferentes longitudes de onda. Al realizar una medida, deberá comprobarse que la de trabajo coincide con la del medidor. En caso contrario la medida realizada será incorrecta. Si el medidor carece de la longitud de onda que se está empleando, utilice la más próxima dentro de las posibles selecciones. Los medidores poseen escalas lineales (mW, W) y escalas logarítmicas (dBm, dB). Preste atención a la escala que está empleando en cada caso, especialmente si tiene que cambiar de escala para completar una serie de medidas. Al tratarse de instrumentos portátiles, la conexión y desconexión de latiguillos de fibra se hace especialmente delicada. El posicionamiento incorrecto de los conectores FC en los medidores de potencia es una de las fuentes más comunes de errores de medida. Adicionalmente, la conexión y desconexión a estos medidores es una de las causas más frecuentes de roturas de latiguillos. Se recuerda una vez más que, para posicionar correctamente el conector FC, debe hacerse coincidir su lengüeta con la ranura del medidor. Para extraerlo, tire siempre del conector, no del latiguillo. Intro 15 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Acrónimos habituales en Comunicaciones Ópticas y específicos del Laboratorio APD. Avalanche photodiode. Fotodiodo con ganancia empleado en CCOO. DBR. Distributed Bragg reflection. Diodo láser de reducida anchura espectral con reflectores Bragg distribuidos. DFB. Distributed Feed-back. Diodo láser LED. Light Emitting Diode – Diodo Emisor de Luz MM. Multimodo OSA Optical Spectrum Analyzer. Analizador de Espectro Óptico OTDR Optical Time-Domain de reducida anchura espectral con Reflectometer. Reflectómetro Óptico retroalimentación distribuida. en el domino del tiempo. Instrumento EDFA. Erbium-Doped Fiber Amplifier. Amplificador de fibra dopada con Erbio. FC. Tipo de conector empleado en el Laboratorio FO. Fibra Óptica de medida y control de líneas de FO. p-i-n O simplemente pin. Fotodiodo empleado habitualmente en CCOO. POF. Plastic Optical Fiber – Fibra Óptica de Plástico Gbps. Gigabits por segundo SM. Single Mode – Monomodo LCOBM. Laboratorio de Comunicacio- SMA Tipo de conector paulatinamente nes Ópticas "Brigadier Mathé" LD. Laser Diode – Diodo láser 16 Intro en desuso I Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas El objetivo de esta práctica es que el alumno caracterice la respuesta en continua de los elementos básicos de un enlace de comunicaciones ópticas: emisores, fibra óptica y detectores. Para ello será necesario que se familiarice previamente con la instrumentación que utilizará en las prácticas del laboratorio. Se medirá la característica Corriente - Potencia Óptica de un LED y de un Diodo Láser, se determinará la atenuación y la apertura numérica de una fibra óptica y se medirá la respuesta de fotodiodos PIN, con o sin etapa de amplificación. MATERIAL NECESARIO Caja de emisores Carrete de fibra MM aprox. 5 km Caja de detectores Latiguillo de fibra de plástico Medidor de potencia óptica (FC) Acoplador 2x2 2 Polímetros y sus bananas Soporte para fibra de plástico Cable BNC-bipolar Cinta métrica Latiguillo de fibra MM FC Pantalla milimetrada Febrero 2012 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Conocimientos teóricos y cuestiones previas al desarrollo de la práctica Para la realización de esta práctica es necesario recordar el proceso de conversión electro-óptica y opto-eléctrica en diodos semiconductores, y su impacto en las características potencia-corriente de fuentes y detectores, en particular: o diferencia entre LED y LD o concepto de corriente umbral y a qué se debe o concepto de responsividad de un detector y de un receptor con preamplificador o dependencia de la responsividad con la longitud de onda, y su origen físico o conceptos de saturación y corte en circuitos electrónicos y en dispositivos optoelectrónicos También necesita recordar cómo se propaga la luz en una fibra óptica, el concepto de ventana y de apertura numérica de la fibra. Algunos de estos conceptos se encuentran en la parte introductoria de este manual de prácticas, pero deberá repasar sus apuntes de clase o la bibliografía recomendada. Recuerde anotar en su cuaderno de prácticas todos los valores medidos y calculados, así como la respuesta a todas las cuestiones que se plantean en la práctica. En algunas medidas se dan valores estimados o márgenes de valores. Si los resultados obtenidos al realizar la medida no coinciden, repase la medida. Si el error persiste consulte a su profesor. I.0. INTRODUCCIÓN I.0.1. Equipamiento básico El equipamiento básico de un puesto está formado por tres unidades ("cajas") conteniendo los dispositivos (Fig. I.1). Identifique los distintos elementos de la lista en su puesto: Caja de emisores: Fuentes ópticas con entrada de modulación digital y analógica (ANALOG_IN, DIGITAL_IN). Salida a fibra de plástico: LED 650 nm. Salida a conector FC: LED 820 nm y LED 1300 nm. I-2 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas Ambos con opción de aplicar el driver de modulación digital o analógica siendo los modos de polarización distintos – AN. (modulación Analógica) DIG. (modulación Digital). LD 1300nm (sólo modulación analógica). Caja de Detectores Receptores con salida digital y analógica (Digital_OUT, Analog_OUT). El funcionamiento de los comparadores en la salida Digital_OUT requiere conectar el conmutador de Digital_OUT a ON. Entrada de fibra de plástico: fotodetector de 650 nm. Entrada conector FC: Fotodetector p-i-n 820 nm + amplificador de transimpedancia, Fotodetector p-i-n 1300 nm + amplificador de transimpedancia. Receptor con salida analógica (Analog_OUT). Entrada conector FC: Fotodetector p-i-n InGaAs 1300 nm con circuito de polarización controlable. Caja de generadores Tres módulos iguales con 10 frecuencias diferentes. Salida de señal de reloj. Salida de señal de datos. Además se dispone de elementos auxiliares y aparatos de medida: Fibra óptica con conectores de tipo FC (los latiguillos de fibra monomodo -SMutilizados en el laboratorio son típicamente de color amarillo, mientras que los de fibra multimodo -MM son típicamente de color naranja o gris) Medidor de potencia óptica. Osciloscopio. Generador de funciones de baja frecuencia, Hameg HM 8030-6. I-3 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería LED - 820 nm LED - 1300 nm FC FC POF SALIDA FIBRA ÓPTICA CONTROL POTENCIA + + + ON SENSOR I + ON SENSOR I OFF V = 10*I SALIDA FIBRA ÓPTICA CONTROL POTENCIA OFF V = 10*I LD - 1300 nm SALIDA FIBRA ÓPTICA CONTROL POTENCIA + FC CONTROL POTENCIA + CORR. ON SENSOR I POT. ON V=10*I + + LED - 650 nm OFF V = 10*I OFF MONITOR Caja de emisores 650 nm 820 nm 1300 nm p-i-n InGaAs 2k 10 k Digital OUT Digital OUT Digital OUT Analog OUT RL 30 k FC Analog OUT Analog OUT Analog OUT ENTRADA FIBRA ÓPTICA ENTRADA FIBRA ÓPTICA FC FO-In Vcc FC ON Digittal OUT POF FO-In FO-In FO-In OFF Caja de detectores 8 9 8 9 5 Datos 2 6 7 5 6 7 Reloj 2 3 4 Datos 1 3 4 3 4 6 7 Reloj 1 1 2 10 8 9 1 2 10 Reloj 3 5 1 2 10 Datos 3 Caja de generadores Fig. I.1. Cajas de emisores, detectores y generadores I.0.2. Conectores FC de fibra óptica Fíjese en la lengüeta del conector macho y en la muesca del conector hembra, adáptelos antes de comenzar a enroscar desde el conector macho. La conexión no debe ser nunca forzada (evitar roturas) y asegúrese de haber enroscado hasta el final (evitar errores de medida). Tanto el conector macho como el hembra tienen protectores. Se los debe encontrar puestos, y volver a ponerlos cuando termine de utilizar los latiguillos y las conexiones de salida en las fuentes y de entrada en los emisores. Recuerde que está midiendo luz, y que la suciedad produce errores de medida. Nunca toque la punta del conector con los dedos. Si utiliza goma de borrar, asegúrese de eliminar todos los restos que queden en la mesa. I-4 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas I.0.3. Medidor de potencia En la figura I.2 se esquematiza el manejo de un medidor de potencia del laboratorio. Está dotado de un conector FC hembra en su parte superior, donde se acopla el conector FC del latiguillo de fibra óptica. Un medidor de potencia óptica no es ni más ni menos que un dispositivo optoelectrónico Botón ON/OFF Selección de modo de lectura dBm W Selector de 780 nm 850 nm 1300 nm 1310 nm 1550 nm El botón “ref” no lo use nunca Si lo pulsa accidentalmente, puede recuperar el funcionamiento normal pulsando dBm/W Seleccione la longitud de onda más cercana a la de la señal que desee medir Fig. I.2. Medidor de potencia (en este caso un diodo PIN de Si) seguido de un amperímetro digital. Puesto que la conversión opto-eléctrica depende de la relación fotones/electrones, y la relación entre un fotón y su energía depende de la longitud de onda, la relación potencia/corriente varía con la longitud de onda. Esto último se refleja en la dependencia de la responsividad del detector con la longitud de onda. Recuerde que los detectores no son selectivos en longitud de onda. El medidor le permite seleccionar la escala, por software, entre varias longitudes de onda. Para realizar la medida correctamente deberá seleccionar siempre la más próxima a la del emisor utilizado. El medidor le permite también utilizar escalas lineal y logarítmica de potencia. I-5 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería I.1. MEDIDA DE POTENCIA ÓPTICA En este apartado se medirá la potencia óptica emitida por las fuentes Objetivos: LED, con el fin de aprender a manejar el medidor de potencia y a manipular los conectores FC. Método de medida: +5 vol. Los LED se emplearán en el modo de Conexión a fibra FC Conmutador polarización digital Dig., en el que la An./Dig. corriente Estabilizador de corriente R R polarización es fija (Fig.I.3), no siendo afectada por el Circuito Modulación Alta Frecuencia Sensor I de Entrada HF digital potenciómetro de control de potencia (Fig. I.1-caja de emisores). R 10 Como, en esta práctica, no se va a modular, la potencia óptica emitida por Fig. I.3. Medida de corriente del LED en modo Dig. el LED es constante. Procedimiento experimental: La Caja de Emisores deberá encontrársela encendida. Compruebe que los indicadores LED están encendidos en todas las fuentes. Seleccione modo Dig. y realice los puntos siguientes para una de las fuentes LED (820 o 1300 nm) I.1.A. Conecte el latiguillo de fibra óptica a la fuente y al medidor. Recuerde I.0.2 I.1.B. Seleccione en el medidor de potencia la longitud de onda de la fuente LED que vaya a medir. I.1.C. Varíe el potenciómetro de la corriente de polarización (marcado Control de Potencia) del LED correspondiente, y compruebe que la medida no varía. Anote el valor en dBm y en W para la fuente. Si no está comprendido en el rango -9 a -15 dBm para el LED de 820 nm, o de -13 a -19 dBm para el de 1300 nm, repita las medidas, puesto que probablemente no ha realizado correctamente alguna conexión. Si la diferencia persiste, consulte al profesor. Sin variar la fuente LED que esté empleando, varíe la selección de longitud de onda en el medidor de potencia óptica, y anote la potencia medida en cada de una de las I-6 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas posibles longitudes de onda (780 nm, 850 nm, 1300 nm, 1550 nm). Analice la causa de las diferentes lecturas con la misma fuente de potencia: Incluya en su cuaderno: una gráfica de la potencia (µW) en función de la la inversa de la longitud de onda (nm), [1/λ, P], observe el tipo de dependencia (constante, lineal, potencial, polinomial, exponencial, logarítmica...) e indique a qué se debe. Explique si las potencias medidas son correctas y por qué. Nota: Como se verá en la práctica 2, el modo de polarización de la señal óptica de salida depende de la señal en la entrada Digital_IN, con inversión lógica: cuando en esta entrada se aplica un “0” lógico (0 V, o ninguna tensión aplicada), la potencia emitida es la máxima permitida (“1“ lógico), mientras que al aplicar un “1” a la entrada (tensión de 5 V), el LED no emite potencia (“0” lógico). I.2. MEDIDA DE LA RESPUESTA EN POTENCIA DE UN LED Fig. I.4 Objetivos: Caracterización de la curva de respuesta en continua: potencia emitida en función de la corriente aplicada, curva P-I. Método de medida: Los LED se emplearán en el modo de +5 vol. polarización analógico, An., en el Entrada analógica Entrada LF Conexión a fibra FC Circuito baja frecuencia aplicada depende de la posición del potenciómetro de control (Fig. Estabilizador de corriente R R I.5) R R Potenciometro 10k que la corriente de polarización control. Sensor I R mediante 10 Fig I.5. Medida de corriente del LED en modo An. I-7 del mando de Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería La potencia emitida se monitoriza en el medidor de potencia (Fig. I.4). La corriente que circula por el LED se medirá en las bornas del sensor de corriente del LED [Sensor I], que proporcionan la tensión en una resistencia de 10 en serie con el LED y el estabilizador de corriente (Fig. I.5). Procedimiento experimental: Realice los pasos descritos a continuación para la fuente LED de 820 nm. I.2.A. Seleccione la posición An., en el conmutador An./Dig. del módulo de emisores empleado. Conecte el medidor de potencia y el LED por medio de un latiguillo de fibra multimodo. Ajuste la longitud de onda del medidor al valor más cercano al emisor entre los disponibles. Conecte el polímetro, en escala de Voltios DC, a las bornas [Sensor I ; V = 10 * I] del circuito de polarización del LED, cuya tensión es proporcional a la corriente que lo atraviesa (ver Fig.I.5). I.2.B. Partiendo de la posición mínima del potenciómetro del módulo emisor, incremente el valor de la corriente aplicada al LED, anote su valor y mida la potencia emitida. El medidor deberá situarse en la escala lineal (mW) no en dBm. Con incrementos de aproximadamente 10 mA obtendrá suficientes puntos para caracterizar la curva P-I. No olvide medir el valor máximo. Si la potencia no es totalmente estable, tome el valor a los pocos segundos de haber modificado la corriente. Dibuje la curva P-I. Cuando finalice las medidas, vuelva el potenciómetro al mínimo. I.2.D. A partir del punto medio de las medidas anteriores, determine en forma aproximada, la relación Potencia en fibra/Corriente inyectada (W/A) del LED y anote el resultado como referencia para otras practicas. I-8 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas I.2.E. Para la fuente del LED de 1300 nm, repita I.2.A y mida la potencia máxima emitida y la corriente de polarización del LED en ese punto. Calcule la relación Potencia en fibra/Corriente inyectada (W/A) para la mitad de la corriente de polarización anterior. I.2.F. Determine el valor de la eficiencia cuántica interna para cada tipo de LED e identifique cual de ellos tiene mayor eficiencia interna. Considere la potencia óptica emitida, Pe, igual a la potencia en fibra y una eficiencia cuántica de extracciónn del 0,1% (se incluyen las pérdidas de acoplo a la fibra, n=3,5). Recuerde: Pe = ηext Pint ; Pint int hc I nº de _ fotones _ generados ; ; int q nº de _ electrones _ inyectados I.3. RESPUESTA EN POTENCIA DE UN DIODO LÁSER PRECAUCIÓN: Nunca mire directamente a la salida del emisor láser. Realice las conexiones con la potencia al mínimo. No apague el emisor durante toda la práctica Objetivos: En este apartado se analizará la característica de la potencia óptica emitida en función de la corriente en un diodo láser, curva P-I. Adicionalmente se medirá la relación entre la potencia emitida y la corriente fotogenerada en el fotodiodo monitor interno del LD. +5 vol. Entrada LF Analógica Circuito baja frecuencia Conexión a fibra FC + Estabilización en potencia R Estabilización en corriente R Sensor P R Potenciometro 10k Fig. I.6. Módulo láser de la caja de emisores R R Sensor I R 10 2,2k Fig I.7. Esquema de funcionamiento del módulo láser I-9 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Método de medida: El esquema de funcionamiento del módulo láser de la caja de emisores (Fig. I.6) se puede observar en la Fig. I.7. Se empleará el mismo método de medida que en el apartado anterior, variando la corriente de polarización por el diodo láser, anotando la tensión en bornas de una resistencia de 10 [Sensor I] y midiendo la potencia emitida en el medidor de potencia óptica (Fig. I.8). Simultáneamente se medirá la corriente en el fotodiodo monitor de potencia del diodo láser, anotando la tensión en bornas de una resistencia VMonitor. Fig. I.8 Procedimiento experimental: I.3.A. Conecte el medidor de potencia al láser de 1300 nm por medio de un latiguillo de fibra multimodo. Coloque el conmutador An./Dig. en la posición An. Ajuste la longitud de onda del medidor de potencia a la longitud de onda de la fuente a caracterizar. Conecte uno de los polímetros, en escala de Voltios DC, a las bornas [V= 10*I] del láser, cuya tensión es proporcional a la corriente que lo atraviesa (ver Fig. I.7 – Sensor I). Conecte el segundo polímetro, también en escala de Voltios DC, a las bornas [Monitor], cuya tensión es proporcional a la corriente que circula por el fotodiodo monitor interno que contiene el láser, y por tanto, proporcional a la potencia emitida por el láser (ver Fig. I.7 – Sensor P). Desarrolle y anote en su cuaderno la expresión final VMonitor = f(Popt.LD). El conmutador [Corr]/[Pot] ¿en qué posición debe estar para que usted pueda realizar la medidas de este apartado?. I.3.B. Varíe la corriente aplicada al LD mediante el potenciómetro (aprox. cada 2 mA) y anote los valores de potencia emitida y tensión en el monitor de potencia. No olvide medir los valores máximos. I.3.C. Dibuje la gráfica P(I) y estime el valor de la corriente umbral. I-10 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas I.3.D. A partir de dos puntos cualesquiera por encima de umbral, de las medidas anteriores, determine en forma aproximada la eficiencia de la pendiente (W/A) del diodo láser (LD). I.3.E. A partir de un punto cualquiera de las medidas anteriores, y sabiendo que la resistencia de carga del fotodiodo monitor interno es 2,2 k, determine en forma aproximada las relaciones Tensión en el monitor/Potencia en fibra (V/W) y Corriente en el monitor/Potencia en fibra (A/W) del LD. Al acabar, coloque el potenciómetro en la posición mínima. I.4. MEDIDA DE LA ATENUACIÓN Objetivos: Determinar la atenuación por unidad de longitud de carretes de fibra óptica multimodo en primera y segunda ventana (a 820 nm y a 1300 nm) Método de medida: Directo, monitorizando la potencia extraída de la fibra tras un corto recorrido de fibra (un latiguillo), y comparándola con la potencia recibida por el sistema, en idénticas circunstancias, tras haber atravesado un carrete de fibra de longitud conocida. Las pérdidas se achacan al carrete. Procedimiento experimental: En la caja de emisores, encienda las fuentes LED 820 nm y LED 1300 nm si no lo están ya, y coloque el potenciómetro de control de potencia aproximadamente a la mitad de su recorrido, con el conmutador An./Dig. en la posición An. Realice la secuencia de pasos que se describe a continuación para los dos casos siguientes: 1. Fibra multimodo con emisor LED a 820 nm 2. Fibra multimodo con emisor LED a 1300 nm I.4.A. Conecte la salida del LED al medidor de potencia mediante un latiguillo de fibra multimodo. I.4.B. Mida y anote la potencia transmitida seleccionando correctamente la longitud de onda más cercana de las disponibles en el medidor (ver Apartado Intro.V, descripción del medidor de potencia). Utilice la escala en dBm. Si la potencia emitida por el LED no es estable, espere hasta que se estabilice. I-11 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería I.4.C. Sustituya el latiguillo de fibra por el carrete de fibra MM y anote la potencia transmitida. I.4.D. Calcule la atenuación (pérdidas por unidad de longitud) en los 2 casos considerados. Si sus resultados fueran muy diferentes de 3 dB/km y 0,5 dB/km, para 820 y 1300 nm, respectivamente, repita las medidas. I.4.E. Conteste: ¿Cuáles son las principales causas de la atenuación de una fibra en cada una de las dos ventanas? I.5. RESPUESTA EN CORRIENTE DE UN FOTODIODO EN FUNCIÓN DE LA POTENCIA ÓPTICA DETECTADA Objetivos: Medir la respuesta de un fotodiodo PIN en función de la potencia óptica incidente. Método de medida: El circuito de polarización del fotodiodo PIN etiquetado PINInGaAs del laboratorio está representado en la figura I.9, junto a las curvas características de funcionamiento de un fotodiodo. El fotodiodo trabaja en su zona de respuesta lineal con tensiones de polarización tales que lo mantengan en inversa -tercer cuadrante de la curva V(I)-. En ese caso la corriente fotogenerada es proporcional a la potencia óptica incidente, siendo el factor de proporcionalidad la Responsividad (A/W). La fotocorriente se mide a partir de la caída de tensión en la resistencia de carga RL, que determina la recta de carga (Iph = VRL/RL ). Para caracterizar la respuesta del fotodiodo se variará la potencia óptica emitida por el diodo láser caracterizado en I.3. El diodo láser trabajará en modo de control de potencia para asegurar la estabilidad de la potencia emitida. La potencia emitida por el láser se determinará a partir de la tensión en bornas de la resistencia en serie con su fotodiodo monitor, bornas [Monitor], (ver Fig. I.7 – Sensor P). Procedimiento experimental: I.5.A. Conecte la salida del LD-1300 nm de la caja de emisores a la entrada del fotodiodo PIN InGaAs [FO-In], con un latiguillo de fibra multimodo y compruebe que el potenciómetro de control está al mínimo. I-12 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas Fig. I.9. Curvas características de fotodiodos. El punto de trabajo en cada medida está en el cruce de la curva I-V correspondiente a la potencia óptica incidente con la recta de carga del circuito. Conecte un polímetro en bornas [Vcc] (medida de VPOL ver Fig. I.9), y ajuste dicha tensión a 10 V, mediante el potenciómetro [Vcc ]. Para asegurar que el detector a caracterizar recibe siempre la misma potencia la fuente láser deberá estar estabilizada en potencia, seleccione la posición [POT] en el conmutador del láser LD-1300nm. Lleve la salida analógica del fotodiodo a un polímetro en escala VDC, y conecte el otro polímetro a las bornas [Monitor] del diodo láser. Sitúe el conmutador de resistencias en la posición RL = 30 K I.5.B. Ajuste el potenciómetro de control del diodo láser para que la potencia emitida sea aproximadamente 20 µW; recuerde que la potencia emitida se mide en el polímetro conectado a las bornas [Monitor] del diodo láser, utilizando el factor I-13 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería de proporcionalidad calculado en I.3.E. Mida la tensión en la resistencia de carga del PIN (VRL). I.5.C. Repita las medidas anteriores para 40, 60, 80 y 100 µW. Represente en una gráfica los valores de la tensión leída en la resistencia de carga del fotodiodo PIN (proporcional a la corriente fotogenerada) frente a la tensión leída en el monitor de potencia (proporcional a la potencia incidente), y compruebe la linealidad de la respuesta. I.5.D. Calcule la responsividad del fotodiodo. Si el valor obtenido es muy diferente de 0,9 A/W, repita las medidas o los cálculos. I.6 RESPUESTA EN TENSIÓN DE UN AMPLIFICADOR DE TRANSIMPEDANCIA POTENCIA ÓPTICA DETECTADA Objetivos: FOTODIODO CON EN FUNCIÓN DE Mediante el montaje desarrollado en este apartado se pretende caracterizar la respuesta eléctrica de un fotodiodo con amplificador, en función de la potencia luminosa incidente. Método de medida: En primer lugar se determinará el offset del amplificador, es decir, su tensión continua de salida cuando la potencia óptica de entrada es nula. Posteriormente se medirá la linealidad de la respuesta del detector al variar la potencia óptica incidente. Para la medida de la potencia incidente en el detector se utilizará un acoplador 2x2 y se supondrá que la potencia incidente en cualquiera de las puertas 1 ó 2 se reparte en partes iguales entre las puertas 3 y 4, De este modo, se supondrá que midiendo la potencia en el medidor se puede determinar la potencia que incide al detector. Procedimiento experimental: I.6.A. Realice el montaje experimental de la Figura I.10. Conecte la salida del LED de 820 nm o a la puerta 1 del acoplador. Conecte la puerta 3 del acoplador a la entrada del detector de 820 nm. Conecte la puerta 4 del acoplador al medidor de potencia. I-14 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas + + SENSOR I V = 10*I ON OFF + + + + CONTROL POTENCIA + + CONTROL POTENCIA FC FC SALIDA FIBRA ÓPTICA SALIDA FIBRA ÓPTICA SENSOR I V = 10*I ON OFF + POF SALIDA FIBRA ÓPTICA LED - 1300 nm + + CONTROL POTENCIA SENSOR I V = 10*I LD - 1300 nm FC CONTROL POTENCIA POT. ON SALIDA FIBRA ÓPTICA CORR. SENSOR I + ON + LED - 820 nm + LED - 650 nm OFF OFF SENSOR P VDC Fig. I.10 Conecte la salida Analog-Out del detector a un polímetro, en escala de Voltios DC. Compruebe que los conmutadores An./Dig. del LED escogido está en la posición An.. I.6.B. Con el potenciómetro de control de potencia del LED al mínimo mida la tensión de salida del detector (Analog-out). Así medirá el offset de continua del preamplificador. I.6.C. Varíe la potencia de salida, potenciómetro [Control Potencia], del LED y mida la tensión de salida del detector en (Analog-out) aproximadamente cada 2-3 µW de variación de la potencia de salida del acoplador. Si la potencia no es totalmente estable, tome los valores de potencia y tensión en la forma más simultánea que pueda. Al acabar, deje el LED sin emitir, posición mínima del potenciómetro. I.6.D. Represente la tensión leída en el detector en función de la potencia óptica. Deduzca la responsividad del detector amplificado (V/W) a partir de la pendiente de dicha característica. I.6.E. Con el método aprendido mida la responsividad del receptor de 1300 nm empleando la fuente LED de segunda ventana. Es suficiente con que mida el offset del amplificador y su tensión de salida para la máxima potencia, pues su respuesta es lineal. I-15 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería I.6.F. Compare las unidades de la responsividad medida en este apartado y el anterior (I.5.D) y explique el origen de la diferencia. I.7 APERTURA NUMÉRICA DE LA FIBRA DE PLÁSTICO Objetivo: Mediante un método sencillo se medirá la apertura numérica de una fibra óptica. El requisito para utilizar este método es emplear luz visible y utilizar una fibra de plástico, en la que el valor de la AN sea grande. Método de medida: La luz emitida por la fibra de plástico se proyecta sobre una pantalla a una distancia d de la fibra. Se determinará el diámetro D de la zona iluminada. Se considerará que la AN puede aproximarse al seno del ángulo del cono luminoso de salida, que se determinará geométricamente a partir de d y D: tg D 2d AN sen Procedimiento experimental: I.7.A. Conecte el latiguillo de fibra de plástico al LED de 650 nm y al soporte de plástico. Proyecte la radiación de salida sobre una pantalla, y mida la distancia fibra-pantalla y el diámetro del círculo iluminado. Necesitará trabajar en condiciones de baja luz ambiente. I.7.B. Repita las medidas para varias distancias fibra-pantalla. Determine la AN como el promedio de las medidas realizadas. Si el valor obtenido es muy diferente de 0,47, repita las medidas. POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA RECOJAN TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PRINCIPIO. SUS COMPAÑEROS SE LO AGRADECERÁN. I-16 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas No olvide incluir en su cuaderno la solución a las preguntas planteadas en el desarrollo de la práctica (cuestiones, cálculos, curvas…) y todos los resultados de las medidas realizadas. Para facilitar un resumen de los resultados, incluya en su cuaderno las siguientes tablas. I.1: Medida de potencia óptica Longitud de onda de Potencia (dBm) la fuente: Longitud de onda en 780 nm 850 nm 1300 nm 1550 nm medidor λ[nm] Potencia (dBm) Potencia [μW] λ[medidor]/ λ[fuente] P [λ medidor-W]/ P[medida-W] Explique el comportamiento I.2: Medida de la respuesta corriente- potencia óptica de un LED Potencia Corriente Potencia máxima (dBm) máxima (mA) fibra Corriente (W/A) en calculada el punto medio LED 820 nm LED 1300 nm I-17 / Eficiencia interna Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería I.3: Respuesta corriente-potencia de un Diodo Láser Posición conmutador Corriente umbral (mA) Eficiencia de la pendiente (W/A) Tensión monitor/ Potencia fibra (V/W) Corriente monitor / Potencia fibra (A/W) I.4: Atenuación de la fibra Datos carrete Nº: 820 nm L= 1300nm Km Potencia con latiguillo (dBm) Potencia con carrete (dBm) Atenuación (dB/km) ¿A qué es debida la atenuación? (en cada ventana) I.5: Respuesta corriente-potencia de un fotodiodo Potencia emitida Tensión en VRL (V) Tensión en monitor Responsividad: potencia (V) (A/W) 40 80 I.6: Respuesta tensión-potencia de un fotodetector con amplificador de transimpedancia LED Tensión Offset de Potencia máxima Tensión con potencia máxima 820 nm 1300 nm Unidades I-18 Responsividad II Práctica 2: Comportamiento dinámico de los dispositivos optoelectrónicos En esta práctica se estudiará el comportamiento dinámico de los emisores y receptores ópticos y el comportamiento de la fibra en su respuesta temporal. MATERIAL NECESARIO Caja de emisores 2 cables BNC-Bananas Caja de detectores Generador de baja frecuencia Caja de generadores Carrete de fibra MM aprox. 5 km Osciloscopio 3 cables BNC-BNC Medidor de potencia óptica (FC) 1 conector BNC en T Latiguillo de fibra MM FC 1 adaptador BNC 50 (o un segundo Polímetro BNC en T y un terminador de 50 ) Secador de pelo Febrero 2012 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Recuerde anotar en su cuaderno de prácticas todos los valores medidos y calculados, así como la respuesta a todas las cuestiones que se plantean en la práctica. Es importante que estudie la parte introductoria de manejo del osciloscopio que utiliza en el laboratorio (Tektronix TDS2022B). En algunas medidas se dan valores estimados o márgenes de valores. Si los resultados obtenidos al realizar la medida no coinciden repase las conexiones, limpie los conectores y repita la medida. Si el error persiste consulte a su profesor. Conocimientos teóricos y cuestiones previas al desarrollo de la práctica Para la realización de esta práctica es necesario recordar: Respuesta característica (Corriente-Potencia) de LED y LD. Concepto de corriente umbral y de temperatura característica de un LD. Comportamiento de la respuesta característica del diodo (Tensión-Corriente) para un fotodetector PIN a distintas potencias ópticas de excitación, así como su circuito típico de polarización. Conceptos de responsividad, corte y saturación. Todo ello se encuentra en la primera parte del manual de prácticas: “Conceptos fundamentales de comunicaciones ópticas”. Cuestiones previas (incluya en su cuaderno): ¿Cómo se calcula la temperatura característica de un LD a partir de medidas de la corriente umbral a dos temperaturas distintas? II.1. SEÑAL Y POLARIZACIÓN EN LEDS. Objetivos: Analizar el comportamiento del LED en baja frecuencia y la influencia del punto de polarización. Trazado de la curva I-P en el osciloscopio. Método de medida: En la figura se presenta el esquema simplificado del montaje a realizar: II-2 Práctica 2: Comportamiento dinámico Ipol LED IAC 10 FO Vsensor V = 10 x I p-i-n RL Vout Analog-out Por medio del mando de control de potencia correspondiente al LED de 1300, en la caja de emisores, se puede variar la corriente de polarización (Ipol) aplicada al LED. Si, estando el conmutador en la posición AN., se aplica una señal de baja frecuencia (f < 5 MHz) a la entrada ANALOG IN, se sumará a Ipol una corriente (iAC) proporcional a la tensión aplicada. La corriente total aplicada al LED (Ipol + iAC) puede monitorizarse en Vsensor (V=10xI). La señal óptica producida por el LED se acopla al detector PIN de InGaAs de la caja de detectores por medio de un latiguillo de fibra. Siempre que la tensión de polarización del fotodiodo (Vcc) lo mantenga polarizado en inversa, se generará una fotocorriente (iph) proporcional a la potencia óptica recibida. En resumen, con el mando “control de potencia” se puede ajustar el valor de corriente continua de polarización del LED. La señal de modulación se aplica al conector “ANALOG IN” y el valor de la corriente instantánea aplicada al LED puede medirse en “Vsensor”. Por otra parte, la corriente instantánea generada en el fotodiodo puede medirse a través de la resistencia de carga (RL) en Vout (Analog Out). Aplicando la señal Vsensor de la caja de emisores al eje X del osciloscopio y Vout de la caja de detectores al eje Y se obtendrá una traza de la curva corriente-potencia del LED. Procedimiento experimental:1 II.1.A. Coloque el mando de control de potencia del LED de 1300nm en una posición intermedia y mida la potencia óptica (en W). Desconecte el medidor y lleve el conector a la entrada del fotodiodo PIN InGaAs. Gire totalmente el mando de tensión de polarización Vcc del detector en el sentido de las agujas del reloj. Así asegurará que el fotodiodo se encuentra polarizado en inversa a la máxima tensión posible. Seleccione 30 k como resistencia de carga (RL) y mida la II-3 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería tensión en Vout (ANALOG OUT). Calcule la relación entre Vout y la potencia que incide sobre el fotodiodo [V/W]. Calcule la responsividad del p-i-n [A/W]. Valores típicos: Potencia Óptica 15-30 µW VOUT 0,3-0,8 V VOUT/POPT 15.000-30.000 0,7-1,0 II.1.B. Module el LED con una señal senoidal de 0,5 Vpp, 100 Hz y offset nulo2, conectando el generador en Analog IN. Observe en el osciloscopio esta señal y la presente en Vsensor de forma simultánea. Calcule la relación entre la corriente alterna en el LED y la tensión alterna aplicada3. Valores típicos: iLED/VAC 45-65 mA/V II.1.C. Conecte la señal Vsensor al canal 1 y Vout, del receptor, al canal 2 del osciloscopio. Variando el punto de polarización del LED observe que la señal 1 queda recortada en la parte superior o inferior. Explique por qué. II.1.D. Aumente la señal del generador y ajuste el punto de polarización hasta que la señal quede recortada en la parte superior e inferior. Pase el osciloscopio a modo X-Y (en el Menú Display) y haga la imagen lo mayor posible con los mandos de sensibilidad de los canales 1 y 2 y aumentando la amplitud de la señal del generador, sin que se salga de la pantalla. Describa la imagen obtenida y represéntela en su cuaderno en un gráfico acotado. Puesto que el osciloscopio mide señales de tensión y ya ha medido los factores de conversión necesarios, utilice en la representación como eje X el valor en mA de la corriente aplicada al LED y como eje Y la potencia óptica generada en W (No se aceptará como bueno, si los ejes X e Y se calibran con las escalas de tensión directamente tomadas del osciloscopio). Puede despreciar las pérdidas en el latiguillo de fibra. Calcule la pendiente de la curva (Popt/Iled). 1 Es importante que todas las medidas en el osciloscopio se realicen en modo DC de forma que las señales puedan observarse en componente continua y amplitud. 2 Cuando se ajuste un nivel de tensión a la entrada de los drivers, siempre se debe hacer con el generador conectado al driver, pues el driver carga al generador. 3 En los menús del canal vertical (CH1 Menú y CH2 Menú) asegúrese de que la atenuación de la sonda está en X1) II-4 Práctica 2: Comportamiento dinámico Valores típicos: POPT/iLED Vease hoja de características HFBR-1312T Montaje del Apartado II.1.C. El mismo esquema es válido para el Apartado II.2 empleando el módulo láser II.2. SEÑAL Y POLARIZACIÓN EN EL DIODO LÁSER. CÁLCULO DE LA TEMPERATURA CARACTERÍSTICA Objetivos: Igual que en apartado anterior, pero en un diodo láser. Adicionalmente se medirá la temperatura característica del diodo. Método de medida: Repita los apartados anteriores utilizando el diodo láser a 1300nm en lugar del LED. El mando de estabilización deberá estar en posición de “CORRIENTE” para que el funcionamiento del circuito de polarización del láser sea idéntico al del LED. II.2.A. Sobre la curva X-Y mida la corriente umbral del láser y su pendiente (I > ITH) Valores típicos: iLD/VAC 15-25 mA/V ITH 7-9 mA Conteste: - Compare la pendiente (ŋ) medida con las hojas de características de los LDs LST2525 y FU-423SLD-F3 en el apéndice de este manual. Determine qué modelo es el de su caja de emisores. II-5 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería - Si en la curva P-I del LD observa una saturación: o Averigüe si el origen es el emisor o el receptor o ¿Cómo se puede corregir fácilmente (sin reducir la amplitud de la señal de modulación y sin variar el punto de polarización)? - Anote las diferencias entre los modos de funcionamiento del emisor (modo corriente y modo potencia). II.2.B. La temperatura tiene un efecto limitado sobre los LEDs, pero afecta notablemente la emisión de los diodos láser, especialmente su corriente umbral. Antes de desmontar el montaje, se medirá la temperatura característica (T0) del diodo láser, según la ecuación: T I th I 0 exp T0 siendo Ith la corriente umbral e I0 una constante. La temperatura del láser se obtiene midiendo con el polímetro la tensión existente en DIGITAL IN del módulo láser. Este BNC está conectado en realidad a un sensor LM-335 colocado sobre el diodo. Está ajustado para producir un valor de tensión tal que sus decimales indican directamente la temperatura del dispositivo en ºC. Por ejemplo si la tensión medida es de 1,25 v. el láser tendrá una temperatura de 25ºC. Para obtener la temperatura característica, es necesario tomar valores de corriente umbral a varias temperaturas. Tales valores se obtendrán con el osciloscopio en modo x-y, tal como estaba en el apartado D. Para que las medidas sean correctas, deberá desplegar la curva completa del diodo láser hasta el origen, aumentando la señal de modulación si es necesario. Ajuste el origen de la gráfica al extremo izquierdo de la pantalla como referencia. Conecte el sensor al polímetro y mida la temperatura ambiente. Anote el valor de la corriente umbral. Aplique el secador de pelo a las ranuras de ventilación de la caja de emisores. Observe cómo se desplaza la corriente umbral. Controlando los valores medidos en el polímetro, eleve la temperatura unos 30-35ºC. A no más de 60ºC porque podría deteriorarse el módulo. No tome medidas durante la subida ya que el sistema no está termalizado. A continuación apague el secador de pelo, y deje que la temperatura descienda unos 5ºC antes de tomar la primera medida. II-6 Práctica 2: Comportamiento dinámico Obtenga 4-5 medidas a intervalos durante el enfriamiento, represéntelas gráficamente en escala semilogarítmica, ajústelas a una recta y calcule la temperatura característica a partir de la misma. Valores típicos: T0 40-80 K Conteste: - ¿Cómo variaría T0, dependiendo de que la temperatura del láser se mida en ºK o ºC.? II.3. SEÑALES DIGITALES EN LED. El circuito de ataque analógico al LED (driver) tiene un ancho de banda pequeño, como indicamos anteriormente, sin embargo el digital aprovecha mucho más las capacidades de conmutación del LED. Debe señalarse que este comportamiento es propio de los circuitos desarrollados para las prácticas y no es general, es decir, se pueden diseñar drivers analógicos tan rápidos como los digitales. Objetivos: Obtener un primer contacto con el comportamiento en conmutación de los elementos optoelectrónicos. Medida de la velocidad de transmisión de las señales ópticas en la fibra. Método de medida: Se va a medir la velocidad de grupo de las señales en una fibra óptica, es decir, la velocidad a la que se propaga la señal de un extremo a otro de la fibra. Como es sabido, la luz se propaga en el vacío con una velocidad de 3·108 m/s, en el caso de transmitirse por una guía de ondas su velocidad de fase se reduce en un factor denominado índice de refracción efectivo. En las fibras ópticas su magnitud se encuentra comprendido entre los valores de los índices núcleo cubierta. Debido a la pequeña diferencia entre ambos, el índice de refracción efectivo es muy aproximadamente el índice de refracción del material, pero diferente para cada modo. Además el índice efectivo de un modo (y el del material) es diferente para cada longitud de onda. Puesto que una fuente óptica tiene componentes de distintas longitudes de onda, más importante que el retardo en la transmisión es el ensanchamiento progresivo que estas variaciones de índice efectivo producen en los impulsos luminosos, denominado dispersión temporal. Pueden distinguirse dos efectos, la diferente velocidad de propagación de los distintos modos (dispersión intermodal), y la variación del índice II-7 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería efectivo de un modo en función de la longitud de onda (dispersión modal). Los efectos de la dispersión en un enlace se analizarán más profundamente en la siguiente práctica. En ésta nos limitaremos a medir el índice efectivo y el efecto de la dispersión en la transmisión de una señal pseudoaleatoria sin distinguir entre ambas dispersiones. Montaje del Apartado II.3.A. El mismo esquema es válido para el Apartado II.3.B empleando como fuente la señal de datos 1 de la caja de generadores y sincronizando con la señal de reloj 2. Conmutador en DIG. (digital) Procedimiento experimental: II.3.A. Teniendo en cuenta que el índice de refracción efectivo esperado estará entre 1 y 2, el rango de velocidades estará entre 3·108 y 1,5·108 m/s. Emplearemos un carrete de fibra óptica de, aproximadamente, 5 km de longitud, así que el tiempo que empleará un impulso de luz en atravesarlo estará entre 17 y 33 s. Como señal se utilizará la salida TTL del generador analógico. El procedimiento será el siguiente, llevaremos la señal de entrada al driver digital (DIGITAL IN) del LED de 820 nm al canal 1 del osciloscopio, mientras que la salida analógica del detector de 820 nm la aplicaremos al canal 2 (acoplada en alterna e invertida CH2 Menú, ya que el emisor invierte la señal y el receptor añade un cierto valor de offset). Para evitar posibles confusiones en la medida: - Calcule la máxima frecuencia (mínimo periodo) de la señal de entrada. Suponga n=1,5 II-8 Práctica 2: Comportamiento dinámico - Utilice una frecuencia cuyo periodo sea mucho mayor que el retardo máximo esperado para evitar incertidumbres en los impulsos a medir. Calcule la velocidad de propagación y el índice efectivo, conociendo la longitud del carrete de fibra y el retardo entre ambas trazas, Valores típicos: Longitud del Carrete 4,5 – 5 km Retardo de los flancos 20-25 µs Velocidad de Propagación 200.000 km/s Índice efectivo 1,5 Compruebe, sustituyendo el carrete de fibra por un latiguillo, que el retardo introducido por los sistemas electrónicos es despreciable. II.3.B. En este caso utilizaremos como generador la señal de datos 1 de la caja de generadores, con una tasa de 5 Mbps. Aplicaremos esta señal a la entrada digital del driver de 820 nm, cuya salida óptica aplicaremos al carrete de 5 km de fibra. La salida analógica del módulo receptor correspondiente, la aplicaremos al canal 1 (acoplamiento CA) del osciloscopio. Para reducir la distorsión de la señal de adaptar impedancias, colocando el adaptador de 50 en la entrada del osciloscopio. Para observar todas las posibles transiciones, se sincroniza con la señal de reloj en sincronismo externo, y se selecciona persistencia en el Menú Display. La frecuencia del reloj de sincronismo deberá ser igual o menor a la tasa binaria de la señal para garantizar la observación de todas las transiciones El resultado será un diagrama de ojo del canal. Maximice y centre la señal en la pantalla empleando el Vernier (CH Menú Ganancia Variable Fina) y mida la pendiente los flancos de subida y bajada; con el fin de familiarizarse con el osciloscopio, realice la medida empleando los cursores (menú Cursor) y también empleando las medidas automáticas de tiempos de subida y bajada (menú Measure). Acote las señales en tiempo y amplitud. De nuevo, para asegurarse de que el efecto es producido por la fibra, sustitúyala por un latiguillo y compruebe que los flancos son mucho más abruptos. II-9 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Incluya en su cuaderno la siguiente tabla resumen de los resultados, junto con los gráficos de emisores, receptores y el diagrama de ojo. Popt Vout Vout/Popt Respons. (CW) Ialt/Vmod Eficiencia R T0. Ith (25ºC) Popt/I Unidad LED -- LD * *) La eficiencia de la pendiente del laser. POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA RECOJAN TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PRINCIPIO. SUS COMPAÑEROS SE LO AGRADECERÁN. II-10 -- III. Práctica 3: Balances de Tiempo y de Potencia en un Enlace En esta Práctica se medirá el ancho de banda de un sistema óptico. Se estudiarán diferentes enlaces variando los elementos que lo componen (fibra, drivers digitales y analógicos, LED o láser, detectores con o sin amplificador), midiendo su respuesta en el tiempo o en la frecuencia y se calcularán los balances de tiempos en función de los componentes de un enlace. En segundo lugar se transmitirá una señal de vídeo en banda base empleando diversos emisores y receptores, y se observarán los efectos del punto de polarización del emisor sobre la calidad de la imagen recibida. A continuación, se transmitirá una señal de video a través de varios canales con atenuación, reconstruyendo la señal mediante un repetidor, cuando sea necesario. Se calculará, teóricamente, el balance de potencias en función de las características de los elementos del enlace y se comparará con la limitación real del enlace. PRECAUCIONES ESPECÍFICAS Conecte con cuidado los latiguillos FC: busque la coincidencia de la lengüeta y la ranura antes de roscar. Para sacar los latiguillos FC, desenrosque por completo y tire con cuidado DE LA PARTE METÁLICA, nunca del cable. No encienda ni apague el diodo láser ni la caja de emisores durante toda la práctica. Compruebe las unidades de medida en el medidor. Cuando en alguna parte de la práctica se le indique que debe medir corrientes, esta medida se realizará SIEMPRE de modo indirecto, midiendo tensión en bornas de una resistencia de valor conocido por la que circula la corriente. NUNCA utilice el polímetro en escalas de corriente. Compruebe la longitud de onda en el medidor de potencia antes de cada serie de medidas. Febrero 2012 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería MATERIAL NECESARIO Caja de emisores Caja de detectores Caja de generadores Osciloscopio Medidor de potencia óptica Generador de funciones de baja frecuencia (Hameg 8030-G) Carrete MM de 5 km 1 Polímetro + 2 bananas 1 Acoplador X-Y-Z con dos latiguillos 1 Conector de desacoplo en continua Latiguillo de fibra MM FC Latiguillo de fibra de plástico 3 cables BNC-BNC 1 conector BNC en T Adaptador BNC-50 Amplificador integrado en generador de funciones (Promax GF-232) Generador de patrones de TV (Promax GV-290) 1 Atenuador BNC 1:20 PC con tarjeta de vídeo/ adaptador a BNC Conocimientos teóricos necesarios Antes de realizar la práctica, el alumno debe revisar y conocer los siguientes conceptos: Balances de potencia y de dispersión. Diferentes componentes de la dispersión. Conceptos básicos de los elementos que constituyen un enlace. Apertura numérica de una fibra. Pérdidas de acoplo entre dos fibras: desalineamiento axial y longitudinal. Preguntas y cálculos previos a la realización de la Práctica Incluya en el cuaderno de prácticas las respuestas a las siguientes cuestiones a) Deduzca una expresión aproximada para las pérdidas de acoplo entre dos fibras de diámetro de núcleo d y apertura numérica NA en función de la distancia longitudinal de separación D. b) Realice los cálculos teóricos correspondientes al apartado III.4.1 y rellene la tabla de la última página de esta práctica. Recuerde anotar en su cuaderno de prácticas todos los valores medidos y calculados, así como la respuesta a todas las cuestiones que se plantean en la práctica. En algunas medidas se dan valores estimados o márgenes de valores. Si los resultados obtenidos al realizar la medida no coinciden, repase la medida. Si el error persiste consulte a su profesor. III-2 Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores III.1. RESPUESTA EN EL DOMINIO DEL TIEMPO Objetivos: Estimar la respuesta en el tiempo frente a una función escalón de los circuitos y dispositivos optoelectrónicos, midiendo las respuestas en el tiempo de sistemas ópticos con diferentes transmisores, receptores, y fibra. Método de medida: Se aplicará una señal cuadrada a la entrada del driver correspondiente al emisor, y se medirán los tiempos de subida o bajada del sistema a la salida del receptor. Al analizar los resultados de las medidas se tendrán en cuenta las siguientes aproximaciones: En todos los casos el tiempo medido (tsis) corresponde al conjunto del sistema completo: driver + emisor + fibra + detector + preamplificador + osciloscopio. Supondremos despreciable, para esta práctica, el tiempo de respuesta de la fibra, cuando se empleen latiguillos de corta longitud. Por tanto en estos casos: 2 2 2 2 t sis tem t rec tosc donde tem incluye el tiempo de respuesta del LED y su driver, y trec el tiempo del receptor y de su amplificador. Habrá que considerar el ancho de banda del osciloscopio (200 MHz sin filtrar), teniendo en cuenta que la relación teórica entre tiempo de respuesta y ancho de banda para un circuito con un polo simple es tsub = 0.35/ B. Consideraremos como tiempo de respuesta indistintamente al tiempo de subida o de bajada. Las posibles diferencias entre ambos son debidas a las formas de onda, y no deben tenerse en cuenta. Los circuitos de los drivers analógicos de los diferentes LEDs son idénticos, por lo que cualquier diferencia en los resultados debe estar causada por el LED. Ocurre lo mismo con los circuitos de los drivers digitales de los LEDs. Los 3 fotodetectores con amplificador de transimpedancia (650 nm, 820 nm y 1300 nm) tienen una respuesta temporal similar Se caracterizarán los siguientes conjuntos de transmisores/receptores: III-3 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería M1. Driver digital + LED (1300 nm) + latiguillo fibra multimodo + fotodetector (1300 nm)+ amplificador de transimpedancia (salida analógica) M2. Driver analógico + LED (1300 nm) + latiguillo fibra multimodo + fotodetector (1300 nm)+ amplificador de transimpedancia (salida analógica) M3. Driver digital + LED (820 nm) + latiguillo fibra multimodo + fotodetector (820 nm)+ amplificador de transimpedancia (salida analógica) M4. Driver digital + LED (650 nm) + latiguillo fibra plástico + fotodetector (650 nm)+ amplificador de transimpedancia (salida analógica) M5. Driver digital + LED (820 nm) + carrete de fibra multimodo + fotodetector (820 nm)+ amplificador de transimpedancia (salida analógica) Driver digital + LED (1300 nm) + carrete de fibra multimodo + fotodetector (1300 M6. nm)+ amplificador de transimpedancia (salida analógica) Para la medida de los tiempos de subida y bajada se recomienda: En CH1 MENU ajustar: Acoplamiento “CA”, Limitar Ancho de Banda “NO”, Ganancia Variable “FINA” (activa el vernier), Sonda “1X”, Invertir “NO”. Ajustar la señal en amplitud (canal vertical) de forma que ocupe casi toda la pantalla. Situar uno de los flancos en el centro de la pantalla e ir ampliando la escala (canal horizontal) hasta la máxima resolución posible, pero manteniendo todo el flanco (subida o bajada) dentro de la pantalla. En el menú MEASURE, CH1, seleccionar el tiempo que se desee medir (“T.Bajada) si el flanco es de bajada o (“T.Subida) si el flanco es de subida. Para medir el flanco contrario seleccionar la pendiente de disparo adecuada en el menú TRIGGGER MENU y repetir el proceso del punto anterior. NOTA: Cuando el flanco de la forma de onda presente oscilaciones en uno de sus extremos y sea difícil medir tiempos 10/90, se pueden estimar como el doble del tiempo 10/50 ó 50/90. En este caso utilice los cursores (menú cursor)para la medida de tiempos. III-4 Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores Montaje del Apartado III.1 Procedimiento experimental: III.1.A. Realice el montaje experimental de la figura, correspondiente al caso M1 anterior. Seleccione la menor frecuencia posible de la señal de reloj (posición 1) Coloque el conmutador AN./DIG. del LED en la posición DIG. (driver digital), y desconecte las salidas Digital-OUT en la caja de detectores seleccionando la posición Comparadores OFF. III.1.B. Mida el tiempo de subida y de bajada de la señal de salida. Tenga en cuenta que, dependiendo del caso considerado, la medida no será inmediata. Repase las recomendaciones anteriores. III.1.C. Realice los montajes experimentales correspondientes para realizar las medidas de tiempos de subida y bajada en los casos M2 a M4 descritos anteriormente. Tenga en cuenta que: Al utilizar el driver analógico (caso M2), el potenciómetro de control del LED debe estar más o menos a la mitad de su recorrido, a fin de evitar saturación o corte. III-5 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería La posición AN. de los emisores selecciona el driver analógico con entrada por ANALOG IN, y la posición DIG. selecciona el driver digital, con entrada por DIGITAL IN. Mantenga la posición Digital-Out OFF (Comparadores OFF) en la caja de detectores. Valores típicos: MONTAJE Tiempo de respuesta del sistema(*) (ns) (*) Para el cálculo del tiempo del sistema considere indistintamente el tiempo de subida, el de bajada o M1 2-5 M2 80-150 Recuerde restar el tiempo del osciloscopio. M3 3-6 Recuerde, asimismo, que los tiempos se suman y M4 8-15 se restan al cuadrado. M5 30-70 M6 5-12 un promedio de ambos. III.1.D. A partir de los resultados obtenidos deduzca un límite máximo o un valor estimado de tiempo de respuesta y ancho de banda, para los elementos: Elemento Driver digital Driver analógico LED 1300 nm Indique en su cuaderno de prácticas la justificación de los valores deducidos o estimados. LED 820 nm LED 650 nm Fotodetector con amplificador de transimpedacia Nota :en un problema con más incógnitas que inecuaciones no podrá determinar un valor para cada incógnita, pero si una cota máxima. Las hojas características de los dispositivos emisores y receptores en el apéndice de este manual aportan cotas complementarias. III.1.E. Realice los montajes experimentales correspondientes para realizar las medidas de tiempos de subida y bajada en los casos M5 y M6 descritos anteriormente. Para ello seleccione una frecuencia intermedia de la señal de reloj (posición 5, 1,25 MHz) y recuerde que el tiempo de respuesta del sistema viene dado por la 2 2 tequipos t 2fibra expresión: t sis III.1.F. Calcule el tiempo de respuesta de la fibra a ambas longitudes de onda a partir de las medidas realizadas en los casos M1, M3, M5 y M6. III-6 Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores III.1.G A partir de las medidas anteriores y de las hojas de características calcule y determine para cada longitud de onda la dispersión predominante (modal o cromática) en la fibra MM. III.1.H. Con los equipos y fibras caracterizados, calcule la longitud máxima de un enlace a 850nm y 1310nm transmitiendo una señal digital NRZ a 100 Mb/s, si el enlace viniera limitado por dispersión. Nota: Los cálculos III.1.G y III.1.H deben realizarse en casa y apuntar los resultados en el cuaderno de prácticas. Se le solicitarán en una sesión de prácticas posterior. III.2. RESPUESTA EN PEQUEÑA SEÑAL CON MODULACIÓN SINUSOIDAL Objetivos: Determinar la máxima frecuencia de modulación de transmisores y receptores. En concreto se medirá el ancho de banda: del driver analógico de los LED, y del fotodiodo PIN en función de su resistencia de carga. Método de medida: Se realizará un montaje experimental similar al del apartado anterior, empleando ahora una sinusoide de frecuencia variable como modulación de la fuente de señal óptica. Se aumentará la frecuencia de la señal eléctrica hasta que la respuesta del sistema caiga 3dB respecto al valor en baja frecuencia. Se utilizarán dos montajes sucesivos: Montaje 1. Driver analógico + LED (1300 nm) + latiguillo MM + receptor analógico (1300 nm) Nota: De las medidas realizadas en el primer apartado de esta práctica habrá comprobado que el driver analógico del LED es el que posee un tiempo mayor de respuesta y, por tanto, será el que limita en ancho de banda. Montaje 2. Driver analógico + Diodo Láser (1300 nm) + latiguillo MM + fotodetector PIN InGaAs (1300 nm) + resistencia de carga Nota: En el segundo montaje el ancho de banda está limitado por el PIN con resistencia de carga. ,Puesto que el p-i-n InGaAs no dispone de amplificador, necesitamos en este caso utilizar el diodo láser en lugar del LED, lo que permite aumentar la potencia óptica y con ello el nivel de señal eléctrica a la salida. Recuerde que la corriente eléctrica a la salida del p-i-n InGaAs, es directamente proporcional al nivel de potencia óptica detectada. III-7 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica Montaje de los subpartados III.2.A, III.2.B y III.2.C Procedimiento experimental: Montaje 1 III.2.A. Realice el montaje experimental de la figura: modulando la fuente (LED) de señal óptica de 1300nm con una señal sinusoidal de 1kHz, transmita la señal óptica modulada por un latiguillo de fibra, de longitud despreciable, y recupere la señal sinusoidal de 1kHz mediante un fotodetector PIN con amplificador. Visualice ambas señales sinusoidales en el osciloscopio. Para ello, seleccione una señal sinusoidal de 1 kHz en el generador, mantenga la posición AN. en el conmutador AN./DIG. del LED y la posición Digital-Out OFF (Comparadores OFF) en la caja de detectores. III.2.B. Visualice las señales de ambos canales. Ajuste la amplitud de la señal del generador a 100 mVpp. Asegúrese de que el control de potencia del LED está aproximadamente a la mitad de su recorrido. Con los dos ajustes anteriores se pretende asegurar la recepción de la sinusoide sin distorsión por saturación del LED o por falta de potencia óptica en la modulación de la fuente de señal óptica. III.2.C. Mida la frecuencia de corte superior del sistema (f3dB). Para ello aumente la frecuencia del generador hasta que la amplitud de señal de salida caiga al 70 % de la medida a frecuencias medias. III-8 Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores Si la amplitud de la señal de entrada disminuye al aumentar la frecuencia, vuelva a ajustarla con el mando de amplitud. Valor Típico: 4 MHz Compare el resultado con el ancho de banda del driver analógico del LED obtenido en III.1.D. Montaje 2 III.2.D. Asegúrese de que el mando de potencia del diodo láser está al mínimo y que el conmutador CORR/POT está en la posición CORR. (por motivos de seguridad) Realice el montaje experimental de la figura, es decir: module la fuente (LD) de señal óptica de 1300nm con una señal sinusoidal de 1kHz; transmita la señal óptica modulada por un latiguillo de fibra, de longitud despreciable, y recupere la señal sinusoidal de 1kHz mediante un fotodetector PIN sin amplificador. Conecte el generador de ondas y la salida analog-out del p-i-n para poder visualizar ambas señales sinusoidales en el osciloscopio según los pasos siguientes. Montaje de los Apartados III.2.D –III.2.H III-9 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica Para ello: No utilice el adaptador BNC 50 . Seleccione una señal sinusoidal de 1 kHz en el generador Mantenga la posición AN. en el conmutador AN./DIG. del LD, puesto que va a modular con una señal analógica de baja frecuencia. Mantenga la posición Digital-Out OFF (Comparadores OFF) en la caja de detectores, ya que no va a utilizar los comparadores de los receptores digitales. Lleve al máximo el potenciómetro Vcc del PIN para asegurar que la unión pn está polarizada en inversa y seleccione una resistencia de carga de 30 k con el conmutador. III.2.E. Ajuste la señal del generador a 100 mVpp con objeto de no superar el recorrido de la curva característica del láser. Conecte el polímetro en escala de voltios DC en las bornas [V= 10*I] del láser y ajuste la corriente de forma que el láser esté por encima del umbral (aprox. 10 mA). Compruebe en la pantalla que la señal de salida del PIN no está distorsionada (si lo está reajuste la amplitud del generador y el punto de polarización). Mida la amplitud de la señal de salida (canal 1). III.2.F. Mida la frecuencia de corte superior por el procedimiento descrito en III.2.C. Repita las medidas empleando resistencias de carga de 10 k y 2 k, anotando en cada caso el valor de la amplitud de la señal de salida a 1 kHz. Valores Típicos Resistencia de Carga RL Frecuencia de corte superior f3dB (kHz) 30 k 20-40 10 k 60-100 2 k 300-600 III.2.G. Compruebe que el ancho de banda medido proviene del PIN + resistencia de carga en todos los casos. Para ello lleve la fibra óptica que transmite la señal procedente del LD al fotodetector de 1300 nm con amplificador de transimpedancia, y observe que la frecuencia de corte es mucho mayor que las medidas anteriormente. Al terminar ponga al mínimo el control de potencia del láser. Valor Típico: 5 MHz III.2.H. Sabiendo que la tensión de salida del PIN es proporcional a RL y que la III-10 Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores frecuencia de corte es (2··RL·C)-1, siendo C la capacidad del conjunto [PIN + cables + osciloscopio], compruebe que el producto [tensión de salida (1 KHz) * f3dB] es aproximadamente constante para los 3 valores de RL, y calcule la capacidad C. III.3. TRANSMISIÓN DE SEÑAL DE VÍDEO EN BANDA BASE Objetivos: Transmitir una señal de vídeo en banda base en un sistema analógico de comunicaciones ópticas utilizando diferentes transmisores. Comparar la calidad de la transmisión de los distintos emisores en función de su punto de polarización. Antes de realizar la práctica: Repase conceptos asociados a una imagen de vídeo como pueden ser: sincronismo de línea, contraste, luminancia, crominancia… Método de medida: El circuito equivalente del sistema está representado en la figura, donde la señal Vin es una señal de vídeo en banda base. Esta señal se obtiene de un Generador de patrones de TV, seleccionando una de las tramas para comprobar la calidad de la imagen. Procedimiento experimental: Figure 1 III.3.A. Conecte la salida de vídeo compuesto (VIDEO 75 1Vpp) del generador de patrones (mod. GV-298) al osciloscopio y a la entrada del monitor. Ponga en marcha el generador y observe la señal en el osciloscopio, sincronizando con el botón de Autoset seleccionando a continuación “LÍNEA”. El impulso negativo de esta señal corresponde al sincronismo de línea. La parte positiva es la señal de luminancia, que depende de la imagen, y cuya amplitud determina el contraste en pantalla. Observe la calidad de la imagen en el monitor. III-11 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica III.3.B. Realice el montaje experimental de la figura, en el que empleará como emisor el láser de 1300nm. Coloque el conmutador AN./DIG. del láser en posición AN. Coloque el conmutador CORR/POT está en CORR Gire el control de potencia del láser al mínimo. Utilice el atenuador BNC -20 dB para disminuir la amplitud de la señal a la entrada de la modulación del láser. III.3.C. Varíe el control de potencia del láser hasta obtener una imagen con la mejor calidad posible en el monitor. Mida la corriente de polarización en el láser en esas condiciones Corriente de polarización para obtener la imagen con mejor calidad ….. mA Dibuje, acotándola, la señal que observa en la pantalla del osciloscopio. III.3.D. Varíe la corriente de polarización del láser, tanto a altos como a bajos valores, observado su efecto en la imagen y en la señal mostrada en el osciloscopio. III.3.E. Compruebe qué sucede si no se emplea el atenuador BNC -20 dB. III.3.F. Transmita la señal de vídeo empleando cada uno de los LEDs (650 nm, 820 nm y 1300 nm). Varíe la corriente de polarización del LED, observando su efecto en la imagen tanto a altos como a bajos valores. Por supuesto, cada LED se utilizará con su fibra y AN Montaje del Apartado III.3. III-12 Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores detector correspondiente. Compruebe, en cada caso, si es necesario o no emplear el atenuador BNC. CONTESTE tras la realización de la práctica a las siguientes cuestiones: - Justifique el comportamiento observado en la imagen (al variar la corriente de polarización del láser tanto a altos como a bajos valores), a partir de la señal en la pantalla del osciloscopio. -Justifique por qué es necesario emplear un atenuador eléctrico en la entrada de modulación del láser. ¿Qué sucede si no se emplea el atenuador BNC -20 dB? - Justifique las diferencias observadas al emplear diferentes tipos de fuentes (diodo láser, LED…), si las hubiera. Analice el comportamiento al variar el punto de polarización del LED. - Explique si ha sido necesario o no emplear el atenuador BNC en todos los casos. Nota: Estas cuestiones debe realizarlas en casa y apuntar los resultados en el cuaderno de prácticas. Se le solicitarán en una sesión de prácticas posterior. III.4. RED DE TRANSMISIÓN ANALÓGICA III.4.1. Introducción El objetivo de esta práctica es el diseño de una red de comunicaciones ópticas, en la que la atenuación hace necesaria la regeneración de la señal. El esquema del montaje es el siguiente: Una señal de vídeo en banda base excita al diodo láser de la caja de emisores. Para evitar saturar al LD se utiliza un atenuador de 20 dB. La salida óptica se introduce a un acoplador X-Y-Z que permite atenuar la señal de forma controlada. La señal detectada en el receptor de 1300 nm se amplifica hasta el valor necesario. ¿Qué es el microposicionador XYZ? Es un dispositivo mecánico que proporciona un desalineamiento controlado entre dos fibras. Se utiliza como atenuador variable, con el fin de simular el efecto de la atenuación en un sistema sin necesidad de utilizar gran longitud de fibra. Consta de tres microposicionadores en las tres direcciones del espacio (suele denominarse eje Z al de propagación de la luz en fibra), que permiten variar la distancia entre dos conectores FC. Cada vuelta completa del tornillo micrométrico corresponde a 0.5 mm. III-13 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica AN Montaje del Apartado III.4 CALCULE antes de realizar la práctica: A partir de los valores medidos en las prácticas 1 y 2, de respuesta de emisores, detectores y fibra, el alumno debe calcular la máxima atenuación permisible en el sistema de microposicionamiento X-Y-Z para poder recuperar la señal de vídeo en recepción. Para ello dibuje un diagrama de bloques del sistema y anote todos los valores de tensiones y potencias ópticas calculados. Junto con los datos medidos en las prácticas 1 y 2, se utilizarán los siguientes: Amplificador: Ganancia máxima en tensión (Vsal/Vent) < 20 Amplitud máxima < 30 Vpp Nota: El amplificador amplifica la señal sin eliminar la componente continua. Para eliminarla se colocará a la entrada del amplificador un circuito de desacoplo en continua. Tarjeta de adquisición de vídeo Amplitud máxima de entrada 3,5 Vpp Amplitud mínima de entrada 200 mVpp Salida de la señal de Vídeo Amplitud de salida 1 Vpp III-14 Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores Nota importante: Las cajas de emisores del laboratorio disponen de dos tipos de láseres. En la práctica se va a utilizar un LD cuya pendiente vale: PLD/ILD = 23 W/mA y Vin/ILD = 50 mV/mA. III.4.2. Experimental En primer lugar ajuste en continua, con el medidor de potencia, las perdidas en el microposicionador X-Y-Z al valor de máximo acoplo de potencia. Realice el montaje experimental de la figura y compruebe el correcto funcionamiento de la red diseñada teóricamente. Recuerde ajustar al máximo la ganancia del amplificador (potenciómetro de amplitud del generador GF-232) y seleccionar el botón AMPL./COMP. Probablemente, deberá reducir el acoplo de potencia en el microposicionador X-Y-Z hasta observar correctamente la señal. Mida las tensiones y/o potencias ópticas en cada uno de los puntos accesibles. Observe el funcionamiento modificando la ganancia del amplificador y el acoplo del sistema X-Y-Z. Por último reduzca el acoplo de potencia en el microposicionador X-Y-Z (manteniendo la ganancia del amplificador al máximo) hasta el valor donde se pierde la señal. Mida la atenuación introducida por el acoplador X-Y-Z y compárela con el valor límite calculado teóricamente. CONTESTE tras la realización de la práctica: - Especifique las concordancias y/o discordancias entre los resultados teóricos y experimentales. Comente si, en su opinión, la diferencia observada entre cálculos teóricos y medidas es razonable. Indique qué parámetros, de los empleados en los cálculos, pueden ser los más inexactos. - Analice el funcionamiento observado al modificar la ganancia del amplificador y el acoplo del sistema X-Y-Z. POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA RECOJAN TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PRINCIPIO. SUS COMPAÑEROS SE LO AGRADECERÁN. III-15 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica III.1. A-C Valores típicos: MONTAJE Tiempo típico de Tiempo de Tiempo de Tiempo de respuesta del subida (ns) bajada (ns) respuesta del sistema (ns) M1 2-5 M2 80-150 M3 3-6 M4 8-15 M5 30-70 M6 5-12 sistema (ns) III.1.D Tiempo de respuesta máximo Elemento Ancho de Banda mínimo Driver digital Driver analógico LED 1300 nm LED 820 nm LED 650 nm Fotodetectores + amplificador de transimpedacia III.1.E-F Tiempo de respuesta de la fibra: Tiempo ns III.2.C Frecuencia de corte superior Frecuencia de corte superior Frecuencia de corte superior típica (MHz) medida (MHz) deducida de III.1.D (MHz) 4 III.2.D-F Resistencia de Carga RL Frecuencia de corte superior f3dB (kHz) 30 k 20-40 10 k 60-100 2 k 300-600 Frecuencia de corte superior f3dB (kHz) III-16 Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores III.2.G Frecuencia de corte superior Frecuencia de corte superior típica (MHz) medida (MHz) 5 III.2.H Resistencia de Carga RL Tensión de salida a 1 kHz Frecuencia de corte superior f3dB (kHz) V. de salida X Frec. de corte superior Capacidad 30 k 10 k 2 k III.4.1 (Cálculos Previos) Diagrama de bloques: Resumen de los cálculos teóricos V salida V salida P salida V entrada V entrada Min. vídeo atenuador láser Min. Vídeo Amplificador Relación Vsal./ P op. ent. en el Det. 1300 P. ópt. min. a la entrada del Det. 1300 μW μW dBm dBm Máxima atenuación permisible en el microposicionador X-Y-Z III-17 (dB) : atenuación IV. Práctica 4: Respuesta en frecuencia En esta práctica se analizará la respuesta en frecuencia eléctrica de diversos sistemas de Comunicaciones Ópticas, empleando tanto modulación analógica como digital, para lo cual se utilizará un Analizador de Espectro Eléctrico (AEE). En primer lugar se observará el espectro eléctrico de la señal transmitida al modular analógicamente un diodo láser por encima y debajo del umbral. En segundo lugar se observará el espectro al modular un LED con datos en formato digital. Finalmente, en el último apartado se estudiarán las características de transmisión de un sistema de fibra de plástico, observando el efecto de la atenuación en la fibra sobre la potencia óptica y eléctrica de la señal recibida y se estimará el nivel de ruido del sistema. El AEE permite observar los espectros de las señales aplicadas, que anteriormente han sido calculados de forma teórica, permitiendo calibrar las medidas obtenidas. PRECAUCIONES ESPECÍFICAS No encienda ni apague el diodo láser ni la caja de emisores durante toda la práctica. Cuando en alguna parte de la práctica se le indique que debe medir corrientes, esta medida se realizará SIEMPRE de modo indirecto, midiendo tensión en bornas de una resistencia de valor conocido por la que circula la corriente. NUNCA utilice el polímetro en escalas de corriente. El Analizador de Espectro puede dañarse si se le introduce una potencia mayor de 10 dBm. NO INTRODUZCA NUNCA EN EL ANALIZADOR LAS SEÑALES QUE PROCEDEN DE LOS GENERADORES. Introduzca sólo las salidas analógicas de los detectores. Febrero 2012 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería MATERIAL NECESARIO Caja de emisores 3 cables BNC-BNC Caja de detectores 1 adaptador BNC en T Caja de generadores 1 Atenuador BNC 1:10 Osciloscopio Carrete de fibra de plástico de ~50m Analizador de espectro eléctrico Latiguillo de fibra de plástico 1 Medidores de potencia óptica Generador de funciones Latiguillo de fibra MM FC 1 adaptador BNC 50 (o un segundo BNC en T y un terminador de 50 ) BNC - Bananas Conocimientos teóricos necesarios Antes de realizar la práctica, el alumno debe revisar y conocer los conceptos teóricos siguientes: Sistemas lineales: Señales periódicas y no periódicas; espectros discretos y continuos. Características de los LDs y de las fibras ópticas de plástico. INTRODUCCIÓN TEÓRICA Y CÁLCULOS PREVIOS Los Analizadores de espectro, tanto ópticos, como eléctricos, representan la densidad espectral de potencia (PSD) de una señal en función de la frecuencia (o longitud de onda en el caso óptico). La PSD es, en rigor, la transformada de Fourier de la función de autocorrelación y representa cómo se distribuye la potencia de la señal a lo largo de su espectro en frecuencias. Desde un punto de vista muy simplificado, un analizador de espectro consiste en aplicar un filtro ideal rectangular paso-banda muy estrecho a la señal a analizar y medir la potencia a la salida del filtro. Moviendo la frecuencia central del filtro a lo largo del rango a medir obtenemos la potencia que lo atraviesa en cada una de esas frecuencias. El equipo representa la potencia que atraviesa el filtro en cada valor de su frecuencia central. Esta potencia es relativa y se da en dB, pero puede determinarse su valor en dBm calibrando el equipo con una señal de potencia conocida y tomando una referencia en la pantalla. Para determinar la densidad espectral de potencia IV-2 Práctica 4: Respuesta en frecuencia dP( f ) de señales de espectro continuo, habrá que tener en cuenta la anchura del df filtro utilizado, y dividir el valor de potencia indicado por el AEE entre dicho ancho de banda. Si una señal es periódica, su espectro consiste en una serie de componentes discretas de potencia finita en las frecuencias múltiplo de la frecuencia básica o fundamental. Claramente, el filtro paso-banda no puede ser infinitamente estrecho, así que el resultado estará formado por picos de anchura igual a la del filtro. A esta anchura se denomina resolución del espectro y suele poder ajustarse en función de la medida a realizar; así en el AEE del laboratorio podremos seleccionar 20 ó 400 kHz. Un parámetro que hace especialmente útil a los AEE es su rango dinámico, normalmente superior a 60 dB, que permite comparar componentes espectrales con amplitudes muy diferentes. Aprovecharemos esta capacidad para medir cómo se distorsiona una señal analógica al ser transmitida por un canal óptico. En la zona inferior de la pantalla puede apreciarse normalmente el ruido propio del equipo cuando se conecta a su entrada una impedancia de 50Ω (si ésta es su impedancia de entrada) y determina la sensibilidad del equipo. En cuanto a los controles del AEE del laboratorio, además de seleccionar su resolución, como se dijo antes, podemos introducir atenuaciones de 10 dB con la botonera próxima a la entrada, además de subir o bajar la traza de forma continua. En cuanto al eje de frecuencias, podemos seleccionar la escala en MHz/cm y desplazar la imagen para centrar la zona de la frecuencia de interés. La escala vertical es fija y vale 10 dB/cm. En la parte izquierda del equipo se incluye un generador de barrido de frecuencias que no se utiliza en la práctica, tenga cuidado en no confundir la salida de este generador con la entrada de señal, que se sitúa en la parte inferior derecha del equipo. Información adicional: Descripciones de los AEE, y sus parámetros, de las marcas comerciales Tektronix y Agilent se pueden encontrar en los correspondientes catálogos. En la documentación disponible en la página web del departamento, en la sección de documentación "General y complementaria", se han incluido ambos catálogos para facilitar su consulta. Hay que resaltar que el AEE que se utilizará en el desarrollo de la práctica no se corresponde con esas firmas comerciales, por lo que la parte de interés de sus IV-3 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería catálogos es la relacionada con descripciones generales de los AEE y sus parámetros más relevantes. Cálculos previos 1.- Para reconocer las curvas obtenidas en el desarrollo de la práctica, es calcule u obtenga de alguna referencia los espectros de las siguientes señales: a) Tono puro sinusoidal de frecuencia f0. b) Tono puro de frecuencia f0 rectificado en media onda. c) Señales digitales aleatorias (NRZ y RZ) con un periodo de bit T0. d) Señal de ruido blanco con una potencia espectral SN (W/Hz). 2.- En los espectros anteriores, obtenga la relación entre las frecuencias significativas y las amplitudes correspondientes, así como la forma de la curva (continua, picos, etc.). 3.- ¿Qué relación existe entre la amplitud de una sinusoide y su valor eficaz? DESARROLLO DE LA PRÁCTICA En esta sesión se estudiarán los siguientes puntos: 1. Estudio del espectro de una señal sinusoidal. Aplicación a la medida de la corriente umbral de un LD 2. Espectro de una señal pseudoaleatoria de datos 3. Medida de la atenuación de una fibra de plástico y nivel de ruido del sistema. 1. Espectro de una señal sinusoidal transmitida por una fibra óptica. Medida de Ith del LD El montaje es el siguiente: Aplicamos una señal sinusoidal de pequeña amplitud (20-80 mVpp), offset nulo y una frecuencia de 1MHz, a la entrada analógica del LD. El modo de funcionamiento del LD es “estabilizado en corriente” y el potenciómetro deberá estar en una posición intermedia. Llevamos la salida de “monitor de corriente”) al canal 1 del osciloscopio para medir tanto su amplitud como el offset aplicado por el driver. Por medio de un latiguillo de fibra, aplicamos la salida del LD al módulo receptor de 1300 nm. La salida analógica del receptor la llevamos al canal 2 del osciloscopio y al AEE. Para mejor estabilidad, sincronizamos el osciloscopio con el canal 2. IV-4 Práctica 4: Respuesta en frecuencia Idea básica del procedimiento: P Saturación Driver I Muy ampliado Comprobamos que la señal del receptor no está distorsionada en el osciloscopio y observamos su espectro eléctrico, que debe consistir en un pico a 1 MHz y otros picos de mucha menor altura, en los sucesivos armónicos (2 MHz, 3MHz,...). Importante: no se confunda con el pico de mayor altura correspondiente a la componente DC (frecuencia 0), que siempre está presente. Si la sinusoide no está distorsionada, el pico fundamental será superior en 30 dB, o más, a los de los armónicos. Reduzca la polarización del LD hasta conseguir que aparezcan armónicos de gran altura, observe la señal correspondiente en el osciloscopio y explique la forma de onda visualizada. En esta posición tendremos que el punto más bajo de la corriente aplicada al láser coincide con la corriente umbral (en realidad, ligeramente por encima). Mida y anote el valor de Ith y compruebe que se aproxima a los valores medidos por otros métodos en prácticas anteriores. Ith mA IV-5 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Varíe la corriente de polarización y observe qué ocurre con los armónicos cuando la señal se distorsiona, bien por bajar de la corriente umbral, bien por saturación. Compruebe también que la distorsión es pequeña cuando todo el recorrido de la corriente está por debajo del umbral, si bien el pico fundamental tiene un valor mucho más bajo (es lineal, pero prácticamente no emite luz). Cuaderno de Laboratorio: Dibuje un esquema del montaje utilizado, indicando los equipos y sus conexiones y los parámetros utilizados. Dibuje las formas de onda y espectros observados, con sus respectivas cotas, tanto en la medida de Ith, como con distorsión. 2. Espectro de una señal de datos pseudoaleatoria En este montaje realizaremos la transmisión de una señal de datos y analizaremos el espectro de la señal recibida. Emplearemos el emisor LED a 1300 nm y el correspondiente módulo receptor. La señal de datos es una secuencia de máxima longitud (MLS) generada en un registro de desplazamiento de N etapas con una cierta realimentación. El resultado es una secuencia periódica de 2N-1 bits que contiene todas las combinaciones de N bits, salvo la formada por N ceros. Aplicaremos una señal de datos de 10 Mb/s desde la caja de generación de datos a la entrada digital del transmisor. Llevaremos la señal óptica por medio de un latiguillo de fibra al receptor y la salida analógica del módulo receptor la aplicaremos al AEE para analizar su espectro. Compruebe que el espectro obtenido coincide con el descrito en su trabajo previo. Sin embargo, en realidad los datos se repiten cada cierto número de bits y esta frecuencia de repetición también aparece en el espectro en forma de picos separados por una frecuencia menor (la de la trama). Amplíe el espectro hasta observar estos picos, mida su separación con la mayor precisión posible y calcule la longitud de la trama y el número de etapas en el registro de desplazamiento (N). Nota: como esta frecuencia es inferior a 200 kHz, utilice la resolución de 20 kHz en el AEE para poder resolverlos. IV-6 Práctica 4: Respuesta en frecuencia Cuaderno de Laboratorio: Dibuje un esquema del montaje utilizado, indicando los equipos y sus conexiones y los parámetros utilizados. Dibuje los espectros utilizados para medir la tasa binaria y la frecuencia de repetición de las tramas. RB Mb / s Frectrama Hz Longitudtrama N bits etapas 3. Atenuación de la POF y nivel de ruido En este apartado mediremos con el AEE la atenuación de la fibra óptica de plástico (POF). Para ello, aplicaremos a la entrada analógica del transmisor de 630 nm una señal sinusoidal de frecuencia 500 kHz sin offset y con una amplitud en el rango de algunos centenares de milivoltios (más tarde ajustaremos su valor). Por otra parte, llevaremos la salida del receptor de 630 nm al AEE para observar su espectro. Primero conectaremos el emisor y el receptor con un latiguillo de fibra. Mida la longitud de dicho latiguillo ya que la atenuación de la POF hace que no sea despreciable. Ajuste la amplitud de la señal del generador para asegurarse que no hay distorsiones (los armónicos a 1 MHz, 1,5 MHz, … tienen amplitudes, al menos, 30 dB por debajo del fundamental). Recuerde la posición del pico a 500 kHz. Puede mover verticalmente la traza del AEE para hacerlo coincidir con una de las líneas horizontales de la pantalla. A continuación, cambie el latiguillo por el carrete de fibra y observe cuánto ha disminuido el pico fundamental. La diferencia de nivel es causada por la atenuación de la fibra. Tenga en cuenta que el AEE mide potencias (o, más correctamente, densidades de potencia) eléctricas, no ópticas. Conociendo la diferencia entre las longitudes del carrete y el latiguillo, calcule la atenuación de la POF en dB/m. POF dB / m IV-7 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería En la parte inferior de la pantalla del AEE puede observarse el ruido. Para calcular su nivel necesitamos establecer una medida absoluta en el analizador. Para ello, conecte simultáneamente la señal de entrada del AEE al osciloscopio, con el fin de medir su amplitud. Sabiendo que la impedancia de carga del AEE son 50Ω y la amplitud de la señal, calcule su valor en dBm, que será el representado por el pico del AEE. Pseñal mW dBm Mida la diferencia entre el pico de la señal y el fondo de ruido para conocer la densidad espectral de ruido (suponga que es ruido blanco, aunque haya zonas donde no sea plano). Tenga en cuenta la resolución del AEE y exprese su valor en W/Hz. Sruido W / Hz Cuaderno de Laboratorio: Dibuje un esquema del montaje utilizado, indicando los equipos y sus conexiones y los parámetros utilizados. Dibuje los espectros obtenidos con las frecuencias y amplitudes utilizadas para las mediciones. Incluya los resultados obtenidos y los cálculos intermedios. POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA RECOJAN TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PRINCIPIO. SUS COMPAÑEROS SE LO AGRADECERÁN. IV-8 V. Práctica 5: Caracterización de un Sistema de Transmisión Digital y sus componentes pasivos En esta práctica se empleará el método del diagrama de ojo para analizar las características de portadoras ópticas moduladas digitalmente. Analizando la forma de onda de la señal óptica recibida, se observará la degradación de la calidad de transmisión de una señal digital a causa de la atenuación y la dispersión introducida por el sistema óptico. Se compararán las cualidades de transmisión de un enlace a dos longitudes de onda. Para ello se hará un montaje en WDM, cuyos componentes pasivos se habrán caracterizado previamente. La visualización de señales a ambas longitudes de onda se hará de forma simultánea para que la comparación resulte sencilla. Se comprobarán algunas de las opciones de estructuras de un enlace que ofrecen los dos componentes pasivos que se caracterizan: el acoplador plano 2x2 y el WDM. MATERIAL NECESARIO Caja de emisores 2 adaptadores roscados FC-FC Caja de detectores Carrete FO multimodo de 4,5 km Caja de generadores 5 cables BNC-BNC Osciloscopio Medidor de potencia óptica Sistema XYZ de acoplo entre fibras conectorizadas 2 Adaptadores BNC-50 2 WDM 2 Conectores BNC en T 1 acoplador plano 2x2 1 Latiguillo MM FC Febrero 2012 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Conocimientos teóricos necesarios Para la realización de esta práctica es necesario recordar los conceptos y parámetros que se enumeran a continuación. Adicionalmente se incluyen algunos conceptos que debe conocer. Acopladores ópticos: o Parámetros: pérdidas de inserción, relación de acoplo, pérdidas de exceso, directividad. Se denomina acoplador plano a aquél que presenta una respuesta similar en un amplio rango de longitudes de onda. Se denomina acoplador bidireccional a aquél que presenta un comportamiento similar al emplear las entradas como salidas y viceversa. Multiplexores/Demultiplexores ópticos WDM: o Parámetros: pérdidas de inserción, aislamiento. Receptores ópticos: ruido, BER, factor Q, sensibilidad. Transmisores ópticos: relación de extinción (definida como PON/POFF) Sistemas de comunicaciones digitales: Diagramas de ojo, balances de potencia y de dispersión, limitación por potencia y por dispersión, sistemas simplex y full-duplex. Microposicionador XYZ (práctica 3) Preguntas y cálculos previos a la realización de la Práctica Incluya en el cuaderno de prácticas las respuestas a las siguientes cuestiones a) Dibuje el esquema de un acoplador 2x2, y escriba las fórmulas de definición de sus parámetros característicos. b) Dibuje el esquema de un multiplexador/demultiplexador WDM 1x2, y escriba las fórmulas de definición de sus parámetros característicos c) Para el sistema experimental de los apartados V.3 y sucesivos, calcule el mínimo valor de amplitud (mV) que debe observarse en el diagrama de ojo para que el BER sea mejor que 10-9, tanto a 850 nm como a 1300 nm. Para el cálculo de la tensión de ruido emplee los valores típicos del fabricante proporcionados en el apéndice de este manual, suponiendo que la densidad espectral de ruido es constante y que el receptor no está filtrado. Suponga que el ruido no depende de la potencia de la señal óptica de entrada y que la potencia emitida en los bits "0" es despreciable. d) Anote los valores de los parámetros típicos del WDM (Multi Mode WDM) y el acoplador 2x2 (Multi Mode Coupler) que se emplean en la práctica, que están recogidos en las hojas de características del apéndice de este manual. V-2 Práctica 5: Caracterización de Sistemas y Dispositivos Recuerde anotar en su cuaderno de prácticas todos los valores medidos y calculados, así como la respuesta a todas las cuestiones que se plantean en la práctica. En algunas medidas se dan valores estimados o márgenes de valores. Si los resultados obtenidos al realizar la medida no coinciden, repase la medida. Si el error persiste consulte a su profesor. CARACTERIZACIÓN DE COMPONENTES PASIVOS V.1. CARACTERIZACIÓN DE UN ACOPLADOR PLANO 2X2 Objetivos: Caracterizar el comportamiento y determinar los parámetros de un acoplador plano. Método de medida: Directo, monitorizando la potencia de salida en las ramas del acoplador a dos distintas, 820 nm y 1300 nm. Procedimiento experimental: Utilice como fuentes los LEDs de 820 nm y 1300 nm en modo analógico, y como detector el medidor de potencia óptica. Considere como entradas las puertas 1 y 2, y como salidas las puertas 3 y 4. Determine experimentalmente las pérdidas de inserción, la directividad y la relación de acoplo del dispositivo. Rellene en su cuaderno una tabla similar a la adjunta. Si algún valor de potencia no pudo ser medido indique el límite del parámetro correspondiente (mayor que o menor que). Nota: si en algún caso la medida en dBm fuese inviable (Medidor marcando – – – –), y el montaje es correcto, utilice el valor < - 60 dBm, límite de la sensibilidad del medidor. Para 820 y 1310 nm Relación de acoplo entrando por la puerta 1 Relación de acoplo en la salida 3 ……….. Relación de acoplo en la salida 4 ……….. Relación de acoplo entrando por la puerta 2 Relación de acoplo en la salida 3 ……….. Relación de acoplo en la salida 4 ……….. Pérdidas de inserción entrando por la puerta 1 ……….. entrando por la puerta 2 ……….. Directividad entrando por la puerta 1 ……….. entrando por la puerta 2 ……….. V-3 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería CONTESTE en su cuaderno tras la realización de las medidas: V-1-a En la caracterización del acoplador, ¿Ha comprobado si se corresponde con un acoplador plano? ¿Por qué? V-1-b Complemente las medidas realizadas, con las medidas necesarias para determinar si el acoplador es bidireccional. ¿Cuál es el resultado obtenido? V-I-c Compare los valores de los parámetros medidos con las características proporcionadas con el fabricante que se encuentran en el apéndice de este manual. ¿En qué parámetro observa una gran diferencia? ¿Cuál es la causa de esta gran diferencia? Compruébelo numéricamente sabiendo que el índice de refracción de la sílice es aproximadamente 1,5. V.2. Objetivos: CARACTERIZACIÓN DE UN WDM Caracterizar el comportamiento y determinar los parámetros de un multiplexor/demultiplexor en longitud de onda. Método de medida: Directo, midiendo la potencia de salida para una entrada dada, con todas las posibles combinaciones de entradas y salidas, a dos longitudes de onda distintas, 850 nm y 1300 nm. Procedimiento experimental Realice las medidas necesarias para caracterizar el WDM, sin conocer a priori cuál de sus puertas es la común. A partir de los resultados identifique cada una de las puertas (común 820+1300nm, puertas de 820 y 1300 nm). Calcule las pérdidas de inserción, rellenando una tabla similar a la adjunta. Pérdidas de inserción a 820 nm Potencia de entrada ……….. Per. Ins. 12 ……….. Per. Ins. 13 ……….. Per. Ins. 21 ……….. Per. Ins. 23 ……….. Per. Ins. 31 ……….. Per. Ins. 32 ……….. Pérdidas de inserción a 1310 nm Potencia de entrada ……….. Per. Ins. 12 ……….. Per. Ins. 13 ……….. Per. Ins. 21 ……….. Per. Ins. 23 ……….. Per. Ins. 31 ……….. Per. Ins. 32 ……….. Ent./Sal. Común Puerta…… Ent./Sal. 820 nm Puerta…… Ent./Sal. 1300 nm Puerta…… ¿Cuáles de las pérdidas de inserción calculadas anteriormente corresponden al parámetro aislamiento definido en la Introducción de este manual? V-4 Práctica 5: Caracterización de Sistemas y Dispositivos CONTESTE en su cuaderno tras la realización de las medidas: V-2-a) De acuerdo con los valores obtenidos ¿qué configuración de entrada-salida elegiría para utilizar el dispositivo caracterizado como multiplexor de un canal a 820nm y otro a 1300nm? ¿y para el caso de emplearlo como demultiplexor? Dibuje los esquemas correspondientes. V-2-b) Compare los valores de los parámetros medidos (pérdidas de inserción y aislamiento) con las características proporcionadas con el fabricante que se encuentran en el apéndice de este manual.¿Observa diferencias significativas entre sus resultados y los datos del fabricante? Si ha realizado la práctica E1, compare los resultados obtenidos en ambas prácticas. CARACTERIZACIÓN DE SISTEMAS Montaje básico: Para la caracterización de los diagramas de ojos a dos longitudes de onda simultáneamente se empleará multiplexación mediante dos WDM. Las fuentes serán los LEDs de 850 nm y 1300 nm con modulación digital de dos señales de datos. Los receptores serán los correspondientes PIN+amplificador de transimpedancia, en su salida analógica, salvo indicación en contra. En cada apartado se modificará el dispositivo instalado entre los puntos comunes de los WDM, y se observarán simultáneamente los diagramas de ojo en los dos canales del osciloscopio. Tenga en cuenta las siguientes consideraciones para todos los montajes: Deberá sincronizar el osciloscopio en modo externo con la señal de reloj, a una frecuencia inferior a la de datos. Deberá cargar la salida de los receptores con 50 para acoplar impedancias. En cada medida de diagrama de ojo deberá caracterizar la apertura en amplitud y tiempo (véase figura). V-5 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Diagramas de ojo correspondientes a dos longitudes de onda. Se muestra la posición correcta de los cursores para realizar la medida de la apertura del diagrama en tiempo (arriba) y amplitud (abajo). En el ejemplo se ha escogido el canal 1. V-6 Práctica 5: Caracterización de Sistemas y Dispositivos V.3. Objetivos: ENLACE MULTIMODO CORTO: Caracterizar el diagrama de ojo en un enlace con pocos metros de fibra óptica a dos longitudes de onda y diferentes tasas binarias. Procedimiento experimental Dibuje en su cuaderno el esquema del montaje experimental. Seleccione una tasa binaria de 40 Mb/s en ambos canales, visualice simultáneamente los diagramas de ojo en el osciloscopio, y caracterice sus parámetros. Repita las medidas empleando una tasa de 20 Mb/s. Dibuje los diagramas de ojo en el cuaderno anotando la tasa binaria, la frecuencia de sincronismo, la escala horizontal, la escala vertical en cada canal y la apertura en amplitud y tiempo para cada longitud de onda V.4. Objetivos: ENLACE MULTIMODO DE 4,5 KM Caracterizar el diagrama de ojo en un enlace de varios kilómetros de fibra óptica a diferentes longitudes de onda. Determinar la velocidad de transmisión máxima del sistema limitada por dispersión. Procedimiento experimental: Sustituya el latiguillo de fibra del apartado anterior por un carrete de 4,5 km multimodo, y visualice simultáneamente los diagramas de ojo en ambos canales. Observe las diferencias entre 820 nm y 1300 nm a diferentes tasas binarias. Determine la máxima tasa binaria a cada longitud de onda en la que se puede considerara que el diagrama de ojo está abierto. Seleccione una la tasa binaria de 20 Mb/s en ambos canales y caracterice los diagramas de ojo, dibujándolos en forma aproximada en su cuaderno con cotas en ambos ejes. Explique las diferencias, tanto en amplitud como apertura de ojo, con el apartado anterior. ¿Por qué está limitada la tasa binaria a 850nm? V.5. Objetivos: ENLACE CON PÉRDIDAS DE POTENCIA Caracterizar el diagrama de ojo de un enlace de fibra óptica con pérdidas de potencia a diferentes longitudes de onda y velocidades de transmisión de datos. Estudiar la degradación de la señal óptica por atenuación con salidas analógicas y digitales. Método de medida: Parcialmente se utilizará el mismo método que en apartados anteriores, haciendo uso de la entrada de modulación digital en el emisor, y la salida V-7 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería analógica en el receptor. En este último apartado se empleará además la salida digital de los receptores y se comprobará que el diagrama de ojo obtenido para cada caso es distinto. Procedimiento experimental: V.5.A. Sustituya el carrete del montaje anterior, por el microposicionador XYZ Localice aproximadamente la posición de acoplo máximo midiendo la salida del microposicionador XYZ con el medidor de potencia y manipulando los microposicionadores si es necesario. Conseguida la posición de acoplo máximo, lleve la señal a los receptores y visualice el diagrama de ojo, para ambas longitudes de onda a 40 Mb/s. V.5.B. Manipulando únicamente el eje Z del microposicionador, aumente las pérdidas del acoplador hasta que se degrade la transmisión de cada uno de los canales hasta el valor de amplitud calculado previamente, que correspondía a un BER de 10-9. V.5.C. Para cada longitud de onda, mida la potencia media que recibe el detector en cada una de las condiciones del aparatado anterior. Este valor es una estimación de la sensibilidad del receptor para un BER de 10-9. Determine las pérdidas introducidas por el microposicionador XYZ, a cada longitud de onda y la longitud de fibra óptica que introduciría las mismas pérdidas. V.5.D. A partir de los valores de amplitud calculados, de la sensibilidad medida y de la responsividad medida en prácticas anteriores, calcule la relación de extinción de cada emisor. V.5.E. Aumente la potencia recibida manipulando los microposicionares y observe ahora los diagramas de ojo empleando las salidas digitales de los receptores. Para ello seleccione la posición Comparadores ON (Digital-Out ON) en la caja de detectores. Compare la amplitud de señal con la obtenida en las salidas analógicas y observe las diferencias en la forma de degradación del diagrama de ojo con respecto a la observada anteriormente. Estime la sensibilidad de los receptores al emplear las salidas digitales. ¿Por qué en este caso no hay limitación de tasa binaria a 850nm? ¿Cuál es la diferencia con el caso anterior? V-8 Práctica 5: Caracterización de Sistemas y Dispositivos Con el fin de analizar, en conjunto, las diferentes calidades de transmisión de los enlaces que ha medido en esta práctica, rellene en su cuaderno una tabla similar a la mostrada a continuación: Enlace corto Tasa binaria 40 Mb/ps 820 nm 1300 nm Tasa binaria 20 Mb/s 820 nm 1300 nm Apertura en amplitud Apertura en tiempo Enlace de 4,5 Km 820nm 1300nm Tasa binaria 20 Mb/s Apertura en amplitud Apertura en tiempo Enlace con Pérdidas Máximo acoplo 820nm 1300nm Máxima degradación 820nm 1300nm Potencia óptica, dBm Apertura en amplitud Apertura en tiempo Pérdidas en XYZ Distancia equivalente (km) --------820nm 1300nm Sensibilidad salidas analógicas (dBm) Relación de extinción Sensibilidad salidas digitales (dBm) A la vista de estos resultados, analice y exponga las causas de la diferencia de comportamiento (en amplitud y asa binaria) en cada una de las medidas. V-9 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería V.6. COMPONENTES PASIVOS EN UN ENLACE V.6.A. Los enlaces, en cada uno de los tres montajes anteriores (V.3, V.4 o V.5), son un ejemplo de un Sistema de Comunicaciones Simplex. Con el mismo material se pueden establecer enlaces Full-Duplex (en lo referente al medio de transmisión). Modifique las conexiones necesarias para obtenerlo en el caso V.4. Anote los resultados obtenidos y observe si hay diferencias con el caso simplex. Dibuje el esquema del montaje full duplex realizado con dos WDM. V.6.B. Suponga que sólo dispone de un WDM y de un acoplador plano 2x2 como dispositivos pasivos. Realice de nuevo el montaje del apartado V.5 (alto acoplo), utilizando las salidas analógicas y sustituyendo uno de los WDM por un acoplador plano. Dibuje esquemáticamente ambos montajes ¿En qué posición ha de colocar el acoplador (como multiplexor o como demultiplexor)? Si comparamos con los resultados en V.5 ¿debería observar cambios en la longitud de fibra equivalente? ¿y en la sensibilidad? Compruébelo experimentalmente si lo considera necesario. POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA RECOJAN TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PRINCIPIO. SUS COMPAÑEROS SE LO AGRADECERÁN. V-10 VI. Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos En esta práctica se pretende estudiar y comprender el manejo de un Analizador de Espectros Ópticos (OSA), así como familiarizarse con las técnicas de medida que se utilizan para la caracterización de componentes fotónicos activos y pasivos. En particular, se medirán los espectros de emisión de diodos emisores de luz (LED) y diodos láser (LD), y a partir de ellos se calculará la anchura espectral de estas fuentes de luz. Por otro lado, se medirán las características de potencia en transmisión de la fibra óptica (atenuación) y demultiplexores para sistemas WDM (diafonía entre canales). Por último, se medirán las características de una red de Bragg en fibra. MATERIAL NECESARIO Analizador de espectros óptico (OSA) Ordenador personal Caja de emisores Acoplador Plano Monomodo Fibra de Bragg Carrete de fibra MM (5Km) Multiplexor / Demultiplexor WDM Una memoria pen-drive Latiguillo de fibra MM FC 3 acopladores FC-FC 1 polímetro + 2 bananas Febrero 2012 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Conocimientos teóricos previos En primer lugar repase sus conocimientos de señales y sus espectros. Repase las diferencias entre espectros discretos (amplitud y potencia de los armónicos) y continuos (densidad espectral de amplitud y de potencia). Repase además el funcionamiento de las fuentes de luz LED y LD, y el proceso de conversión electro-óptica en diodos láseres tipo Fabry-Perot, tanto en los que configuran su característica espectral (características geométricas y ópticas del resonador de FabryPerot), como los que llevan a la generación de luz coherente (transición de emisión espontánea a emisión estimulada,). Sólo una parte de estos conceptos están referidos en la introducción teórica de este manual, por lo que le recomendamos que consulte la bibliografía recomendada o sus apuntes de la asignatura Comunicaciones Ópticas. Repase las ecuaciones de resonancia en la cavidad. Le serán necesarias para cálculos de la práctica. Tendrá también que conocer el comportamiento en frecuencia óptica de dispositivos pasivos como la fibra óptica, los multiplexores en longitud de onda WDM y los filtros Bragg así como sus parámetros característicos (diafonía, aislamiento, etc.). La introducción teórica de este manual revisa la fibra óptica, y los Anexos de “Características técnicas de los componentes utilizados en las prácticas” proporcionan algunos parámetros medidos de WDMs, pero un repaso teórico es conveniente. Finalmente, consulte el Anexo1_E1 de esta práctica para familiarizarse con la utilización del Analizador de Espectros ópticos OSA. Para guardar los resultados de la práctica, el alumno debe traer al laboratorio una memoria pen-drive. Antes de realizar la práctica, lea detalladamente el manual de utilización del programa (Anexo2_E1) y familiarícese con las distintas opciones que ofrece. La práctica se realiza en dos puestos que acceden en modo cliente-servidor al ordenador que controla el OSA. Recuerde anotar en su cuaderno de prácticas todos los valores medidos y calculados, así como la respuesta a todas las cuestiones que se plantean en la práctica. En algunas medidas se dan valores estimados o márgenes de valores. Si los resultados obtenidos al realizar la medida no coinciden, repase la medida. Si el error persiste consulte a su profesor. VI-2 Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos VI.1. CARACTERIZACIÓN DE COMPONENTES ACTIVOS: MODO DE OPERACIÓN DIRECTO Para la caracterización de componentes activos o fuentes de luz en el analizador de espectros óptico se emplea el método de medida “modo de operación directo” es decir, se conecta directamente la salida de la fuente de luz a la entrada del OSA, extremo del latiguillo de fibra etiquetado como “Optical Input” (Fig. E1.1). ANALIZADOR DE ESPECTROS ÓPTICO (OSA) Entrada del Monocromador Monitor Fuente de luz a caracterizar Monocromador Fig. E1.1.- Diagrama de bloques para caracterización de componentes activos. Modo de operación directo. NOTA: No debe tocar las entradas y salidas físicas del OSA, ya que su uso continuo podría llevar a su deterioro. USE SOLO EL ORDENADOR. NO DEBE TOCAR NINGÚN MANDO DEL OSA En la práctica que se llevará a cabo se caracterizarán dos tipos de fuentes de luz: los diodos emisores de luz (LED) y los diodos láser (LD) Fabry-Perot. El objetivo será la medida del espectro de emisión de las distintas fuentes de luz que se utilizan en comunicaciones ópticas, identificar la ventana (1ª, 2ª ó 3ª ventana) en que trabajan y determinar sus parámetros característicos como su anchura espectral, longitud de onda en el pico de emisión, etc., y cuáles son sus principales diferencias cuantitativas y cualitativas. A) ESPECTRO DE EMISIÓN DE LED 1300 nm A.1) Comprobación del equipo de laboratorio Inicialice el equipo de laboratorio, y compruebe que el programa de control remoto del OSA funciona correctamente. Para lo cual, visualice la traza que presenta el equipo en ausencia de señal óptica de entrada. VI-3 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería A.2) Procedimiento Experimental. Conecte la salida óptica del LED a 1300 nm de la caja de emisores al extremo del latiguillo de fibra etiquetado como “Optical Input” mediante un latiguillo de fibra multimodo. Seleccione el conmutador de modulación en alta frecuencia “DIG.” (en esta posición el potenciómetro de control de potencia está desactivado). Visualice ahora el espectro de la fuente. Como se puede observar, el espectro de emisión del LED queda parcialmente enmascarado por el ruido, por lo cual se hace necesario seleccionar unas condiciones de medida más idóneas. A.3) Establecimiento de las condiciones de medida Para una medida más precisa del espectro de emisión de la fuente, se deberán establecer las siguientes condiciones de medida adecuadas en el OSA, centrando en ambos ejes la zona de la traza a estudiar. A.3.1) Eje de abcisas. Se fijará el centro de la zona de interés con el comando Centro WL y la anchura de la zona con el comando Ancho WL (WLWaveLengthlongitud de onda). Es absolutamente imprescindible introducir las unidades (u para m o n para nm) Al fijar los parámetros Centro WL y Ancho WL, los parámetros de comienzo y final de la traza (start WL y Stop WL) quedan fijados automáticamente. A.3.2) Eje de ordenadas. Observe en el display interactivo el valor máximo de la zona de interés. Se introducirá un valor ligeramente superior como valor de referencia (Ref LevelNivel de Referencia). Ajústese la escala de amplitud logarítmica (Log Scaling) para tener una amplitud adecuada de la traza y obtener las medidas en dBm. Si la medida fuera todavía muy ruidosa, siempre es posible ampliar la sensibilidad. A.3.3) Utilización de Marcadores (Mkr.). Para maximizar la traza que se visualiza en ambos ejes, podemos también hacer uso de los marcadores siguiendo el siguiente procedimiento: 1. Visualice la traza 2. Sitúe uno de los marcadores en el pico más alto pulsando: MKYMax.Si éste no fuera el pico de la zona de interés muévalo con los botones MKYSig.max.Drcha.- o MKYSig.max.Izqda.Los valores del marcador indican el pico de potencia de emisión en dBm (eje vertical) y la longitud de onda de dicho pico en nm. 3. Fije el marcador VI-4 Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos 4. Vuelva al menú de configuración y modifique las condiciones de medida: a. Cambie el Nivel_referencia con los datos del marcador que haya fijado. (así sitúa el nivel de referencia en el máximo de la señal a medir. En este caso del LED.) b. Cambie el Centro_WL con el valor fijado del mismo marcador. De esta forma, tendrá centrado en la pantalla el espectro de emisión de la fuente de luz. Los datos de configuración pueden introducirse directamente sin necesitar fijar el marcador. A.4) Medida de parámetros característicos. Realice la medida y a continuación determine los parámetros característicos de la fuente con ayuda de los cursores del “Visualizador de Trazas”. Los parámetros característicos que se van a determinar a partir de la medida del espectro de emisión del LED serán: Densidad espectral de potencia en el pico de emisión: Se define como la relación entre la potencia en el pico de emisión y el ancho de banda de resolución del filtro óptico sintonizable. RB, (dBm/nm)-, Longitud de onda en el pico de emisión (nm): Se define como la longitud de onda a la cual se produce el pico del espectro del LED. Ancho de banda a 3 dB o anchura espectral (nm).: Es el parámetro que se utiliza para la medida de la anchura espectral de la fuente de luz. Se define como la diferencia entre las longitudes de onda que están 3 dB por debajo del pico de emisión del LED. Valores Típicos: Resolución del filtro: 10nm. Si tiene una resolución distinta no está observando la señal con la máxima resolución posible. Ajuste el parámetro Ancho WL (anchura de la traza) para ver la señal con la máxima resolución. Longitud de onda en el pico de emisión: 1310 nm Potencia en el pico de emisión: entre -35 dBm y -37 dBm Anchura espectral de la fuente 140 nm – 150 nm A.5) Pantalla de resultados Finalmente, imprima (guarde en la memoria pen-drive) la pantalla de resultados. Emplee el botón “Imprime Pantalla” del panel de visualización de trazas. En el menú de impresoras elija “PDF” y la ubicación. Guardará una imagen en formato PDF con las trazas y todos los datos presentes en el panel de visualización de trazas. Si emplea el botón “Imprime Trazas” únicamente guardará las trazas, sin el resto de datos de la medida. VI-5 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería B) ESPECTRO DE EMISIÓN DE LD 1500 nm B.1) Procedimiento experimental. Conecte la salida óptica del LD a 1500 nm al extremo del latiguillo de fibra etiquetado como “Optical Input” mediante un latiguillo de fibra multimodo. Seleccione los conmutadores, de modulación en baja frecuencia “AN.” y de estabilización en corriente. Fije una corriente de polarización del LD de 20mA, para lo cual debe de hacer uso del voltímetro suministrado. Realice una medida y visualice la traza adquirida. B.2) Establecimiento de las condiciones de medida. Ajuste la traza visualizada a la zona de emisión del láser, tal y como lo hizo en la caracterización del LED, centrando ambos ejes (N_Ref y Center_WL) y ajustando los márgenes (Ancho_WL). Vaya ampliando la traza poco a poco en el eje de abcisas, disminuyendo el valor del parámetro "Ancho_WL" y midiendo, hasta llegar a un valor de 10nm. Observará como al ir reduciendo este parámetro van apareciendo los distintos picos Fabry-Perot y simultáneamente, aumenta automáticamente la resolución del filtro (Res_BW –Resolution Band Width Resolución del ancho de banda, mostrado en parámetros de la traza en el “visualizador de trazas”) hasta su máximo valor (0.1nm). B.3) Medida de parámetros característicos. Guarde la medida en una traza y determine los parámetros característicos de la fuente con ayuda de los cursores del “Visualizador de Trazas”. A partir de la medida del espectro de emisión del LD se determinarán los siguientes parámetros característicos: Amplitud del pico de emisión (dBm): Nivel de potencia de la componente espectral de pico del láser Fabry-Perot. Densidad espectral de potencia en el pico de emisión (dBm/nm): Se define como la relación entre la potencia en el pico de emisión y el ancho de banda de resolución del filtro óptico sintonizable. Longitud de onda en el pico de emisión (nm): Longitud de onda a la cual se produce la componente espectral de pico del láser Fabry-Perot. Ancho de banda a 3 dB del modo fundamental (nm): Anchura espectral del modo a la cual se produce el máximo pico de emisión. Espaciado entre modos (nm): Se define como la diferencia entre las componentes espectrales a las que se producen los picos de emisión del láser Fabry-Perot. VI-6 Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos Valores Típicos: Resolución del filtro: 0,1nm. Si tiene una resolución distinta no está observando la señal con la máxima resolución posible. Tenga en cuenta que la luz emitida por cada modo es coherente y por tanto (casi) monocromática. Ajuste el parámetro Ancho WL (anchura de la traza) para ver la señal con la máxima resolución. Longitud de onda en el pico de emisión (modo fundamental): 1550 nm Potencia en el pico de emisión: entre -5 dBm y -15 dBm Anchura espectral del modo fundamental 0,09 nm – 0,11 nm Espaciado entre modos: 0,7 nm – 1,3 nm A partir de la medida del espaciado entre modos, y sabiendo que el índice de refracción del material activo del LD es igual a 3.5, haga una estimación de la longitud de la cavidad. Valor típico: 0,3 mm. Para el cálculo de la longitud de la cavidad repase previamente la teoría de resonancia en una cavidad láser Imprima (guarde en la memoria pen-drive en formato PDF) la pantalla de visualización de resultados. B.4) Medida de la corriente umbral del LD Modifique la escala vertical a unidades lineales. Modifique ahora la corriente de polarización del LD mediante el potenciómetro de control de corriente del LD llevándola al mínimo y aumentándola poco a poco. Observe como el LD pasa de trabajar de régimen de emisión espontánea a emisión estimulada. Determine grosso modo el punto de paso de emisión espontánea a emisión estimulada (el LD comienza a lasear) y determine, por tanto, la corriente umbral del LD. Para ello cada vez que modifique la corriente de polarización del láser realice una medida. Procure localizar el valor aproximado de la corriente umbral con dos o tres medidas por todo el rango, y luego refine el resultado haciendo otras tres o cuatro medidas alrededor del valor esperado de corriente umbral. Esta medida puede realizarse conectando el voltímetro al sensor de corriente y sabiendo que la caída de tensión en la resistencia V=10I. Para finalizar, baje al mínimo la corriente de polarización del LD. Opcionalmente, el alumno puede caracterizar el LED de 820nm y el láser VCSEL que se encuentran en la misma caja de emisores. Este último debe polarizarse a una corriente de unos 5mA (su corriente umbral es de aprox. 3mA) VI-7 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería C) ANALISIS DE LOS RESULTADOS C.1. Rellene la siguiente tabla Parámetro LED LD Unidades Nivel de Referencia del OSA Sensibilidad del OSA Ancho de banda de resolución del OSA Longitud de onda en el pico de emisión Ancho de banda a 3dB del pico Densidad espectral de potencia en el pico Separación espectral entre modos N/A Longitud de la cavidad FP N/A Corriente umbral N/A C.1. Compare los resultados obtenidos Respecto a la potencia del pico de emisión y la densidad espectral en el mismo - punto, ¿Cuál de los parámetros es característico del LED y cuál del método de medida? - ¿Y en el caso del LD? - ¿Cuál es la relación entre las dimensiones del LD y su espectro? - ¿Y en el LED? ¿de qué depende el espectro? - ¿Qué fenómeno se produce en el LD a la corriente umbral que tiene efecto en su espectro? ¿Alguna de las medidas está distorsionada por la precisión o resolución del - medidor? VI.2. CARACTERIZACIÓN DE COMPONENTES PASIVOS: MODO DE OPERACIÓN ESTÍMULO – RESPUESTA La caracterización de los componentes pasivos se realiza mediante el modo de operación estímulo-respuesta, es decir, se excita el dispositivo a caracterizar mediante el espectro VI-8 Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos de emisión de una fuente de luz y se mide su característica de transmisión en potencia. La medida lógicamente dependerá de la fuente de luz utilizada por lo que deberá ser normalizada. El OSA incorpora una fuente de luz blanca que se utilizará para la excitación en lasm medidas espectrales de dispositivos pasivos de amplio espectro, como la fibra y el WDM. También se puede usar una fuente externa: en la medida de la red de Bragg utilizaremos un láser de 1550 nm. En otro tipo de medidas se usan diodos superluminescentes o láseres de cavidad vertical VCSEL. La fuente de luz blanca incorporada en el equipo tiene un espectro de emisión con fluctuaciones relativamente escasas en el rango de 900 a 1600 nm, pero que en rangos de longitudes de onda prácticos requiere la normalización del resultado respecto al estímulo. En el caso de utilizar la fuente de luz blanca seguiremos los siguientes pasos: En primer lugar se elige un margen de longitudes de onda entre los cuales el espectro de luz blanca del OSA sea razonablemente plano. Se fijan las condiciones de medida –en particular la sensibilidad– para que las medidas sean comparables. Se mide y almacena el espectro de la fuente de luz. A continuación se intercala el dispositivo pasivo a medir Se adquiere el espectro (medida en dBm) y se resta el espectro de la fuente de luz. La medida resultante es la característica de transmisión del elemento pasivo en dB. Como es lógico, la medida dependerá del espectro de la fuente de luz utilizada, por lo que se hace necesario normalizar la medida respecto al espectro del estímulo para que sea independiente de la fuente de luz que se está usando. Para ello se restan las trazas. Note que si quiere representar el espectro de atenuación (por ejemplo de la fibra) deberá restar entrada (fuente) menos salida, mientras que si desea representar un espectro de transmisión (por ejemplo en el WDM u otro tipo de filtro) deberá restar salida menos entrada (fuente). La normalización se hace estrictamente necesaria cuando se utilizan otras fuentes de luz más cromáticas como diodos superluminiscentes o un amplificador de fibra dopada con Erbio. Se caracterizarán los siguientes dispositivos pasivos: fibra multimodo, multiplexores / demultiplexores WDM, y una red de difracción en fibra. VI-9 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería El diagrama de bloques para el modo de operación estímulo – respuesta se muestra en la Fig. E1.8. ANALIZADOR DE ESPECTROS ÓPTICO (OSA) Salida de Fuente de Luz Monitor Dispositivo pasivo a caracterizar Monocromador Entrada del monocromado r Fig. E1.8.- Diagrama de bloques para caracterización de componentes pasivos. Modo de operación estímulo – respuesta. A) Fibra multimodo Los parámetros principales que caracterizan el comportamiento de las fibras en los sistemas de comunicaciones ópticas son su atenuación y dispersión. Los analizadores de espectros ópticos carecen de resolución temporal, por lo que solamente podremos medir la atenuación de estas fibras. Se pretende medir la curva característica de atenuación de la fibra multimodo, y por tanto, deberán identificarse las diferentes ventanas de transmisión utilizadas en los sistemas de comunicaciones ópticas. A partir de dicha medida se calculará la atenuación en dB/km de cada una de ellas. Es importante hacer notar que el OSA no mide la atenuación directamente sino la característica de transmisión con respecto a una entrada conocida. A.1) Montaje previo para la normalización de las medidas Conecte el extremo del latiguillo de fibra etiquetado “Source Output” con el extremo del latiguillo de fibra etiquetado “Optical Input” mediante un latiguillo de fibra multimodo. Este latiguillo se añade para asegurar que el número de conexiones es el mismo que con el carrete y así poder calcular con mayor precisión las pérdidas de la fibra. Emplee la configuración por defecto y mida, con objeto de realizar un “Reset” del OSA. VI-10 Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos A.2) Establecimiento de las condiciones de medida. Las medidas se llevarán a cabo entre 900nm y 1600nm. (Ancho WL de 700nm, centrado en 1250nm). Encienda la fuente de luz blanca (se hace por software). Fije la sensibilidad, por ejemplo, a -60dB, mida y guarde la medida en una traza diferente a la traza 0 (en el menú “Manejar Traza”) El espectro visualizado es el de emisión de la fuente de luz blanca en dBm. Esta traza será la que utilizaremos como referencia para la normalización de las medidas. A partir de ahora no cambie las condiciones de medida de longitud de onda, ya que si no, los resultados no serán válidos y tendrá que volver a comenzar todo el proceso de medida. A.3) Montaje para la caracterización del dispositivo pasivo Conecte ahora el carrete de fibra multimodo entre los extremos de los latiguillos de fibra etiquetados como “Source Output” y “Optical Input”. Mida y visualice el espectro, de la señal transmitida por el carrete en la traza 0 (medida en dBm). Para conocer el valor en decibelios (dB) de la pérdidas, reste el valor de la potencia emitida por la fuente de luz blanca (en dBm), que almacenó en otra traza, al valor almacenado en la traza 0. El resultado guarda en la traza 0 la característica de transmisión en decibelios de la fibra. Para ello utilice el menú “Manejar Traza”. Tenga en cuenta que si realiza esta operación al revés (es decir, restando la salida en dBm a la entrada en dBm, obtendrá la transmisión (10 log (Pout/Pin)) en lugar de la atenuación (10 log Pin/Pout)). Recuerde: Lo que entra menos lo que sale es lo que se queda dentro. A.4) Medida de parámetros característicos. Una vez que se ha visualizado en la pantalla del OSA la característica en transmisión de la fibra multimodo, sitúe los cursores en las longitudes de onda correspondientes a la segunda y tercera ventanas de transmisión. A partir de los valores medidos y de la longitud del carrete de fibra calcule la atenuación en dB/km de cada una de las ventanas (2ª y 3ª ventana) identificadas. Recuerde que la atenuación de la fibra se calcula como el cociente entre la perdida de potencia en dB y la longitud de fibra considerada. Valores típicos: Atenuación en segunda ventana: 0,5 dB/km atenuación en tercera ventana: 0,2 – 0,3 dB/km VI-11 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Finalmente, imprima (guarde en disco en formato PDF) la pantalla de visualización de resultados. B) Multiplexor/Demultiplexor WDM Los parámetros característicos que definen el funcionamiento del WDM son las longitudes de onda que se multiplexan / demultiplexan y la diafonía entre canales. Para el caso particular de la práctica se trabajará con un multiplexor / demultiplexor de dos canales para el cual se deberán determinar: Canales a multiplexar / demultiplexar: El número de canales, y las correspondientes longitudes de onda, que puede multiplexar / demultiplexar el dispositivo. Aislamiento entre canales: Se define como el rechazo (en dB) que presenta la selección de una canal frente a los otros. En el laboratorio se trabajará con dispositivos WDM de dos canales que coinciden con la primera y la segunda ventanas de transmisión. El aislamiento se medirá para cada una de las salidas como el cociente (diferencia si se trabaja en dB) de las potencias normalizadas del canal deseado y del canal rechazado. Utilizando el modo de operación estímulo - respuesta descrito para la caracterización de la fibra multimodo, mida la característica de potencia en transmisión de la entrada 1 hacia la salida 2, y de la entrada 1 hacia la salida 3. A partir de las medidas describa el funcionamiento del multiplexor/demultiplexor WDM y calcule el aislamiento entre canales para cada una de las salidas. B.1) Normalización de la medida Puede utilizar la traza de referencia medida anteriormente (A.2) o volver a realizar la medida de la fuente de luz blanca. B.2) Medida de la característica en transmisión. Tomando la puerta 1 del multiplexor como entrada y la puerta 2 como salida, mida la característica en transmisión y calcule el aislamiento entre canales en esta salida. Para ello suponga que la medida a 900nm es válida para 1ª ventana. Imprima los resultados. Reste a la medida obtenida la traza de la fuente de luz blanca. Guarde el resultado de la traza actual 0 en otra traza, distinta a la de la fuente de luz blanca, indicando que es la característica de transmisión del dispositivo WDM entre la entrada 1 y la salida 2, en dB. VI-12 Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos Repita la medida tomando la puerta 1 como entrada y la puerta 3 como salida, restándole la traza de la fuente de luz blanca. En la traza 0 se encuentra ahora la característica en transmisión del dispositivo entre la entrada 1 y la salida 3, en dB. Calcule de nuevo el aislamiento entre canales para la salida 3 e imprima la pantalla de resultados. Visualice simultáneamente las trazas de caracterización del dispositivo WDM. Valores típicos: > 20 dB (señal deseada/señal no deseada). La relación es mayor en la puerta 2 que en la puerta 3. A partir de las medidas realizadas describa el funcionamiento del multiplexor/demultiplexor WDM. Imprima –guarde en disco– las medidas. C) ANALISIS DE LOS RESULTADOS C.1. Rellene la siguiente tabla Atenuación de la fibra Primera ventana: atenuación: dB longitud de onda: nm Segunda ventana: atenuación: dB longitud de onda: nm Tercera ventana: atenuación: dB longitud de onda: nm Canal 1: perdidas de inserción: dB; aislamiento: dB Canal 2: perdidas de inserción: dB; aislamiento: dB WDM C.1. Compare los resultados obtenidos - Indique cual es la componente de atenuación dominante en cada una de las tres ventanas de la fibra. - ¿Es el WDM simétrico, o muestra mejores características de transmisión a alguno de los dos canales? - ¿Es bidireccional o muestra un diferente comportamiento como multiplexor que como demultiplexor? D) RED DE DIFRACCIÓN EN FIBRA (FILTRO PARA SISTEMAS WDM) La última parte de la práctica consiste en observar el funcionamiento de una red de Bragg en tercera ventana. Como fuente de excitación se utilizará el Diodo Láser FP de 1550nm. Una red de difracción de Bragg es una perturbación periódica del índice de refracción del núcleo de la fibra, que refleja las longitudes de onda a las que las microreflexiones producen interferencia constructiva y deja pasar el resto. Los parámetros que definen la característica en transmisión (reflexión) de este dispositivo son: VI-13 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Longitud de onda de Bragg: Definida como la longitud de onda a la cual se produce el pico mínimo de transmisión (o el máximo de reflexión). Reflectividad: Se define como el tanto por ciento de luz que se refleja a la longitud de onda de Bragg. Hay que hacer notar que para dispositivos ideales sin pérdidas, la reflectividad (medida en potencia) es igual a uno menos la transmisividad (medida en potencia). Ancho de banda a 3 dB: Se define el ancho de banda a 3 dB referidos a la longitud de onda de Bragg Relación de supresión de lóbulos secundarios: Es la diferencia (en dB) entre el mínimo de transmisividad (máximo de reflectividad) y el siguiente mínimo relativo. Representa cómo es de ideal el filtro en amplitud. Para realizar las medidas realice un montaje que le permita medir el funcionamiento tanto en transmisión como en reflexión. Para ello utilice un Circulador monomodo. Dibuje un esquema del montaje realizado. Conecte el láser al OSA a través del circulador y observe y registre su espectro. Conserve la traza. Inserte ahora su montaje entre el LD y el OSA y observe y registre el espectro en transmisión. No es necesario normalizar las medidas con respecto a la fuente. ¿Cual es la longitud de onda de Bragg? Conserve la traza sin eliminar la que midió anteriormente directamente del LD. Observe por último la respuesta en reflexión. Compare las respuestas en reflexión y transmisión de dos en dos y las tres juntas y la traza original superponiendo y eliminado trazas . Nota: Se recomienda polarizar el láser a una corriente cercana a la umbral. Es recomendable traer preparado el esquema de ambos montajes. Si tiene dudas consulte a su profesor. D1. Rellene la siguiente tabla Longitud de onda de Bragg: nm Ancho de banda de la de Bragg a 3 dB nm Relacion de supresión de lóbulos secundarios dB VI-14 Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos D2. Compare los resultados obtenidos - ¿Cuáles de las medidas anteriores son fiables? - ¿A qué se deben las diferencias entre el espectro del láser y el espectro de transmisión en los modos más alejados de la de Bragg? - ¿A qué se deben los lóbulos en el espectro de reflexión que no aparecen atenuados en el espectro de transmisión? Explíquelo sobre el esquema del montaje. POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA RECOJAN TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PRINCIPIO. SUS COMPAÑEROS SE LO AGRADECERÁN. VI-15 ANEXO1_E1: Analizador de Espectros Ópticos ANEXO2_E1: CONTROL REMOTO DEL EQUIPO DE LABORATORIO OSA Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería ANEXO1_E1: Analizador de Espectros Ópticos A1.-1. INTRODUCCIÓN El analizador de espectros óptico (Optical Spectrum Analyzer, OSA) se utiliza para realizar medidas de potencia óptica en función de la longitud de onda. Sus aplicaciones incluyen la caracterización de fuentes de luz (diodos de emisión de luz, LED, y láser, LD) en cuanto a su distribución de potencia y pureza espectral (anchura espectral); así como la medida de la característica en transmisión de componentes Fig. E1.1.- ópticos pasivos. En la Fig. E1.1 se Medida típica del espectro de emisión de un LD en tercera ventana. muestra una medida típica de la caracterización de una fuente de luz láser Fabry-Perot en tercera ventana. La anchura espectral de una fuente de luz es un parámetro muy importante en los sistemas de comunicaciones ópticas debido a la dispersión cromática que presenta la fibra y que limita el ancho de banda de modulación del sistema. Este efecto de la dispersión cromática puede verse en el dominio del tiempo como un ensanchamiento en la forma de onda del pulso digital. Debido a que la dispersión cromática es función de la anchura espectral de la fuente de luz, son deseables anchuras espectrales muy estrechas para los sistemas de comunicaciones ópticas de alta velocidad. Como sabemos, los láseres Fabry-Perot no son estrictamente monocromáticos, sino que presentan una serie de líneas espectrales coherentes equiespaciadas con un perfil en amplitud determinado por las características de la ganancia del medio. Esta caracteristica espectral puede apreciarse en la Fig. E1.1, mediante la medida realizada con el OSA puede deducirse. Para obtener láseres de un solo modo se utilizan estructuras especiales como los Reflectores Bragg Distribuidos DBR. El OSA es un instrumento de suma utilidad para determinar las características espectrales y evaluar su impacto en el alcance de sistemas ópticos. A1-VI-2 Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos Por otro lado, el OSA se hace imprescindible en el testeo de las redes ópticas basadas en multiplexión por longitud de onda (Wavelength Division Multiplexing, WDM), así como de los componentes fotónicos que se utilizan para su desarrollo Amplificador de transimpedancia Filtro sintonizable Conversor Analógico Digital pasobanda - Entrada Fotodetector Sintonización en longitud de onda Generador de rampa Posición vertical Posición horizontal Fig. E1.2.- Diagrama de bloques simplificado del analizador de espectros óptico. (multiplexores/demultiplexores, filtros, etc.). A1.-2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El diagrama de bloques de un analizador de espectros ópticos se muestra en la Fig. E1.2. La luz que entra al analizador de espectros ópticos pasa a través de un filtro óptico sintonizable en longitud de onda, llamado monocromador o interferómetro, el cual selecciona las componentes espectrales individuales. A continuación, el fotodetector convierte la señal de potencia óptica en corriente eléctrica proporcional a la señal incidente. Una excepción a esta descripción será el analizador de espectros óptico basado en el interferómetro de Michelson y que será presentado en el siguiente apartado. La corriente en el fotodetector se convierte a tensión mediante el amplificador de transimpedancia y seguidamente se digitaliza. Cualquier procesado posterior de la señal se hace digitalmente. La señal se aplica entonces al eje vertical como datos en amplitud. Un generador en rampa determina la localización horizontal de la traza conforme se representa de izquierda a derecha. Esta rampa también es la encargada de la sintonización del filtro óptico para que la longitud de onda resonante sea proporcional a la posición horizontal. El resultado es la representación de la traza de potencia óptica en función de la longitud de A1-VI-3 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería onda. Es importante destacar que en la Fig. E1.2, la anchura espectral de cada modo del láser es función de la resolución espectral del filtro óptico sintonizable en longitud de onda. En este sentido, la calidad del analizador de espectros óptico vendrá determinada Nivel de potencia óptica 3 dB Rango dinámico Resolución en longitud de onda Sensibilidad Rango de operación en longitud de onda Longitud de onda Fig. E1.3.- Parámetros significativos en las medidas realizadas por un OSA. por los parámetros que caracterizan al filtro óptico paso-banda sintonizable en longitud de onda. En la Fig. E1.3 se representan los principales de estos parámetros: Resolución en longitud de onda: Ancho de banda a 3 dB del filtro óptico pasobanda. Sensibilidad: Mínimo nivel de potencia óptica que puede detectar el analizador de espectros. Rango de operación en longitud de onda: Rango de longitudes de onda en el que puede sintonizarse el filtro óptico paso-banda. Margen dinámico: Diferencia entre la mayor y menor potencia óptica que puede detectar el analizador de espectros. A1.-3. TIPOS DE ANALIZADORES DE ESPECTROS ÓPTICOS Los OSA pueden dividirse en tres categorías: los basados en redes de difracción, y dos tipos basados en estructuras interferométricas, los analizadores basados en el interferómetro Fabry-Perot y los basados en el interferómetro de Michelson. Los dos primeros operan siguiendo el principio de funcionamiento descrito en el apartado anterior. Su principal diferencia radica en el dispositivo utilizado como filtro óptico paso-banda sintonizable. Sin embargo, el analizador de espectros ópticos basado en el interferómetro de Michelson calcula el espectro óptico mediante la transformada de Fourier de un patrón de interferencia. A1-VI-4 Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos A) Analizador de espectros ópticos basado en el interferómetro Fabry-Perot. Un interferómetro Fabry-Perot, selecciona una componente espectral tal como se presenta en la Fig. E1.4. El barrido a lo largo del rango espectral se consigue mediante un giro en el resonador, o una variación de su anchura por efecto piezoeléctrico. Espejos parcialmente transparentes Entrada Fotodetector de luz Salida eléctrica Resonador Fig. E1.4.- Analizador de espectros ópticos basado en el interferómetro Fabry-Perot. Como principales características presenta: Resolución en longitud de onda muy estrecha y fija del orden entre 10 y 100 GHz. Se utilizan para medir el chirp de los láseres. Su principal limitación es el rango de operación de longitudes de onda. B) Analizador de espectros ópticos basado en el interferómetro Michelson. El principio de funcionamiento de este analizador se presenta en la Fig. E1.5. El patrón de interferencia se mide en potencia mediante el fotodetector, que por tanto eleva al cuadrado la suma de la señal con su desplazada y nos da un valor constante correspondiente al cuadrado de la señal más su réplica desplazada, y un término de producto cruzado que es igual a la correlación, en funcion del desplazamiento, de la señal óptica procedente del espejo fijo con la señal óptica proveniente del espejo móvil. Su transformada de Fourier proporciona el espectro óptico de la señal de entrada de luz. Las peculiaridades más sobresalientes de estos analizadores son: Se utilizan para la medida de longitudes de coherencia. Presentan una alta precisión en longitud de onda. A1-VI-5 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Tienen un rango dinámico pequeño debido a la superposición de un fondo de potencia constante a la señal de correlación que deseamos medir. Fotodetector Divisor de haz Entrada de luz Espejo móvil Espejo fijo Fig. E1.5.- Analizador de espectros ópticos basado en el interferómetro Michelson. C) Analizador de espectros ópticos basado en redes de difracción. En la Fig. E1.6 se muestra el esquema del filtro óptico paso-banda sintonizable del analizador de espectros óptico basado en redes de difracción que desvían cada longitud de onda en una dirección de propagación diferente. Un diafragma permite barrer una porción de este espectro que alcanza un fotodetector, como se indica en la figura, o bien se proyecta la luz difractada sobre un CCD o array lineal de diodos obteniéndose las amplitudes relativas en cada direccion del espacio. Red de Entrada difracción de luz Fotodetector Apertura de anchura variable Fig. E1.6.- Analizador de espectros ópticos basado en redes de difracción. Los rasgos característicos de este analizador son: Son capaces de medir tanto espectros de luz coherente como incoherente. Presentan una resolución en longitud de onda variable entre 0.1 y 5 ó 10 nm. Presentan alto rango de operación y alta sensibilidad. Son los más comunes. A1-VI-6 ANEXO2_E1: CONTROL REMOTO DEL EQUIPO DE LABORATORIO OSA En este apartado se pretende dar unas notas introductorias para la realización de medidas con el analizador de espectros óptico. En el caso que presentamos, el analizador estará controlado por un ordenador personal PC a través de un bus de comunicaciones GPIB. Por tanto, el alumno no deberá usar los controles del dispositivo físico OSA. VI.1. FUNCIONAMIENTO DEL PROGRAMA: PANTALLA INICIAL Al arrancar el programa “esclavo” se accede a la pantalla principal de funcionamiento, que se puede ver en la figura E1.6. En dicha pantalla se tiene en todo momento el estado de los cinco registros de funcionamiento. Además se puede observar cómo en el momento inicial, el Registro de Configuración se carga con la denominada Configuración por Defecto (conjunto de valores por defecto que se han introducido en la configuración), mientras que los otros cuatro, los Registros de Trazas, aparecen vacíos. Con respecto a los marcadores, se comienza con sus valores a “0”. Fig. E1.6.- Panel principal del programa ESCLAVO nada mas arrancar el programa. En la figura E1.7 se observa otro ejemplo de dicha pantalla principal, pero ya con los registros de traza llenos, con otra configuración distinta a la anterior y en la que ya se ha hecho uso de los marcadores. En dicha figura aparecen ya marcados los distintos Septiembre 09 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica Número de puesto Visualización de marcadores Opciones principales Acceso a créditos Señalizaciones del estado de los registros de Configuración y Trazas Logo del Departamento Rótulos de los registros de Configuración y Trazas Salida del programa Fig. E1.7.- Ejemplo del panel principal fuera del momento inicial. elementos de visualización y de selección de opciones con que cuenta esta pantalla principal. Como elementos de visualización se tienen: Número de puesto Logo del Departamento de Tecnología Fotónica Displays con el contenido de los marcadores Señalizaciones del estado de los registros de Configuración y Trazas. En este caso se refleja en verde cuando ya han sido salvados, en rojo cuando están sin salvar y en amarillo cuando están vacíos, salvo el de Configuración, que dicho color significa que tiene cargada la Configuración por Defecto. Rótulos de los registros de Configuración y Trazas Los elementos de selección de opciones que se ofrecen son los siguientes: Configurar OSA y/o Medir Visualizar Trazas Cargar Traza Manejar Trazas Salvar trazas Créditos Terminar A2-VI-2 Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos Salvo la opción de Créditos, cuya misión es mostrar los mismos, el resto de las opciones se verán a continuación. VI.2. CONFIGURAR OSA Y/O MEDIR Accediendo a esta opción se muestra el panel representado en la figura E1.8. Los elementos de visualización de dicho panel son: Displays con el contenido de cada uno de los campos del Registro de Configuración, que se corresponden con los parámetros de configuración del OSA. Se utilizarán cuando se efectúe una solicitud medida. Adicionalmente se muestran también los valores de inicio y fin del espectro a medir para una mayor facilidad a la hora de realizar configuraciones, si bien éstos no son parámetros directamente configurables, sino a través del centro y el ancho de dicho espectro. Displays con el contenido de los marcadores. Botones acceso a cambio de valores Cambios globales en Configuración Displays con valores y estados Visualización marcadores Solicita medida Vuelta al menú anterior Fig. E1.8.- Panel de la opción “Configurar OSA y/o Medir. Las opciones seleccionables son las siguientes: Se dispone de siete botones de acceso para cambiar los siete campos de configuración de parámetros del O.S.A. Al pulsar cada uno de ellos se nos solicita el nuevo valor del campo, ofreciéndonos previamente la posibilidad de coger el mismo de uno de los dos marcadores, en los parámetros que se haya configurado dicha posibilidad. Salvar Configuración.- Permite almacenar sobre archivo los valores de configuración que en ese momento se tengan definidos. A2-VI-3 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica Cargar Configuración.- Permite recuperar de un archivo los valores de configuración y cargarlos sobre los correspondientes campos. Cargar Configuración por Defecto.- Carga en todos los campos de configuración los valores por defecto de los mismos. Medir.- Para solicitar una medida sobre el O.S.A. con los parámetros que en ese momento tengamos definidos en el Registro Configuración. Al pulsar esta opción se deshabilitan todas las demás opciones y se ofrece una nueva, la de DETENER MEDIDA, tal y como se muestra en la figura E1.9. Además se visualiza la fecha y hora de comienzo de la solicitud de medida y el tiempo transcurrido. De esta opción se sale con el correspondiente aviso de finalización de la medida, salvo que antes se pulse la opción anterior. Es importante resaltar que los resultados de la medida siempre se guardan sobre la Traza 0, borrando el contenido anterior que pudiera tener, de lo cual se da el correspondiente aviso antes de lanzar la medida. Además en el campo de observaciones se introduce la fecha y hora de realización de la medida. Volver.- Devuelve a la pantalla principal del programa. Fig. E1.9.- Pantalla durante la realización de una medida Es importante resaltar que, por cada medida realizada, se graba en el archivo “Tiempos_de_medidaX.txt” (X = Número de puesto) situado en el Directorio Local, la fecha, hora del inicio y finalización de la medida, la duración y los parámetros de configuración del OSA utilizados para la misma. Dicho archivo no se borra en ningún momento de forma automática, por lo que periódicamente se deberá borrar manualmente, para evitar que adquiera un tamaño excesivo. A2-VI-4 Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos VI.3. VISUALIZAR TRAZAS Opción para la visualización de las trazas contenidas en los Registros de Traza y que se corresponderán con medidas realizadas o con operaciones hechas sobre ellas. Su panel se muestra en la figura E1.10. Otras opciones Selección de visualización de trazas Visualiza marcadores Visualiza parámetros trazas Desplaza y visualiza “puntos marcadores” Visualiza escala Visualiza estado y rótulos trazas Reubica “puntos marcadores” Elemento de visualización de trazas Opciones con “puntos marcadores” Fig. E1.10.- Panel de la opción “Visualizar Trazas” La misión fundamental de esta opción es la de mostrar gráficamente las trazas almacenadas en los correspondientes registros. Cada traza tiene asignado un color que se utiliza para visualizar y localizar rápidamente todos los elementos asociados con ella. Se dispone además de dos “puntos marcadores”, que se pueden desplazar a A2-VI-5 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica voluntad por cualquiera de las trazas y volcar sus coordenadas sobre los marcadores, que posteriormente se pueden utilizar en la opción de configuración. Para desplazar dichos puntos contamos con las correspondientes barras de desplazamiento, cada una de ellas con sus botones de “ajuste fino”. El elemento fundamental es el que se ha denominado el “Elemento de visualización de trazas”, donde se representa la curva de cada traza en su respectivo color. Este elemento permite hacer ampliaciones a voluntad de la parte que se desee, sin más que seleccionar el rectángulo de ampliación con el ratón. En cualquier momento, pulsando el botón Auto Scale, se vuelve de nuevo a la visualización completa de las trazas. Además de dicha representación gráfica, se muestran también los siguientes elementos: Para cada traza se muestran los siguientes parámetros: Nivel de Referencia, Sensibilidad y Ancho de Banda de Resolución, referidos a la medida cuyos resultados almacena la traza. Tipo de escala visualizada en el eje Y (lineal o logarítmica). Estado y rótulos de las trazas. La visualización de estado sigue el mismo criterio de colores que en el panel principal. Coordenadas de los puntos donde se encuentran situados los “puntos marcadores”, así como la posición relativa de uno respecto al otro. Contenido de los marcadores. Para la selección de opciones, se cuenta con las siguientes posibilidades: Cuatro botones rotulados Traza X (X = número de traza), cada uno del color asociado a la traza que corresponda, para ver u ocultar cada una de las trazas. Cambio de escala.- Cambia la escala del eje Y de logarítmica a lineal y viceversa, según el estado anterior en el que se encuentre. Para una correcta visualización, se hace necesario pulsar a continuación el botón Redibuja y el botón Auto Scale. Redibuja.- Actualiza la visualización, después de un cambio de escala o de un cambio de ubicación de algún “punto marcador” MKY->Traza X.- Para situar el “punto marcador” Y sobre la traza X. Mediante un indicador verde al lado de cada botón, queda reflejado sobre qué traza se encuentra cada “punto marcador”. Es necesario pulsar dos veces el botón correspondiente o bien el botón Redibuja, para una correcta visualización gráfica del punto sobre la traza. MKY->Max.- Desplaza el “punto marcador” Y al máximo de la traza donde se encuentre. MKY->Min.- Desplaza el “punto marcador” Y al mínimo de la traza donde se encuentre. MKY->Sig.max.- Desplaza el “punto marcador” Y, al siguiente pico de nivel por debajo del punto donde esté situado, dentro de la traza donde se encuentre. A2-VI-6 Práctica E1: Analizador de Espectros Ópticos MKY->Sig.max.Drcha.- Desplaza el “punto marcador” Y, al siguiente pico de nivel a la derecha del punto donde esté situado, dentro de la traza donde se encuentre. MKY->Sig.max.Izqda.- Desplaza el “punto marcador” Y, al siguiente pico de nivel a la izquierda del punto donde esté situado, dentro de la traza donde se encuentre. Fijar MKY.- Vuelca las coordenadas del “punto marcador” Y, sobre el marcador Y, solicitando las observaciones a incluir en el mismo. Imprime Pantalla.- Lanza la impresión de toda la pantalla sobre la impresora que esté configurada por defecto en el ordenador. Imprime Trazas.- Lanza la impresión del “Elemento de Visualización de Trazas” sobre la impresora que esté configurada por defecto en el ordenador. VOLVER.- Vuelve a la pantalla principal del programa. Cargar Traza Opción que sirve para recuperar una traza desde un archivo seleccionado por el usuario, guardándola sobre uno de los cuatro Registros de Traza. El archivo debe ser de idéntico formato al utilizado por la opción Salvar trazas (punto VII.2.6) para realizar el proceso inverso. Manejar trazas Entrando en esta parte del programa se pueden realizar determinadas operaciones entre las distintas trazas. El panel que se presenta al acceder es el de la figura E1.11. Fig. E1.11.- Panel de la opción “Manejar Trazas” A2-VI-7 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica En la pantalla se presentan el estado y los rótulos de las trazas. Para el estado de las trazas, de nuevo, se sigue el mismo criterio de colores que en el panel principal. Los botones de ejecución de las distintas operaciones son: X=>>Y.- Copia el contenido de la traza X sobre la traza Y borrando el contenido anterior que pudiera tener esta. La traza X no puede estar vacía. Existen botones para todas las posibilidades de copiado. X<<=>>Y.- Intercambia totalmente el contenido de las trazas X e Y. Ninguna de las trazas puede estar vacía. Existen botones para para todas las posibilidades de intercambio. 0 – X=>0.- Resta al nivel de los puntos de la traza 0 el nivel de los puntos de la traza X, guardando el resultado sobre la traza 0. El resto de los datos de la traza 0 se mantienen con el valor anterior. Ambas trazas deben empezar y terminar en los mismos puntos, es decir abarcar exactamente el mismo rango del espectro y, lógicamente, no estar vacías. 0 + X=>0.- Suma al nivel de los puntos de la traza 0 el nivel de los puntos de la traza X, guardando el resultado sobre la traza 0. El resto de los datos de la traza 0 se mantienen con el valor anterior. Ambas trazas deben empezar y terminar en los mismos puntos, es decir abarcar exactamente el mismo rango del espectro y, lógicamente, no estar vacías. Borra Traza X.- Borra totalmente el contenido de la traza X. Se pide confirmación para la realización de esta operación. Existen botones para borrar todas las trazas y, lógicamente, no pueden estar ya vacías. Texto Traza X.- Introduce observaciones para la traza X, solicitándoselas al usuario y ofreciendo como valor por defecto las observaciones anteriores que pudiera contener la traza. Existen botones para todas las trazas. Salvar trazas Con esta opción se puede guardar cualquiera de las trazas en el archivo y la ubicación que se elija. En el caso de que el archivo elegido ya existiese, el programa pediría confirmación antes de eliminar el contenido anterior del mismo. Terminar Este último botón de selección sirve para la finalización total del programa ESCLAVO. Antes de finalizar se hace una comprobación del estado de los cinco registros y, en el caso de que exista alguna traza que no haya sido salvada o bien el registro de configuración no contenga la Configuración por Defecto y tampoco haya sido salvada, se da el aviso correspondiente pidiendo confirmación para salir del programa sin salvar dichos registros. A2-VI-8 VII. Práctica E2: Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo (OTDR) El Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo, más conocido con sus siglas inglesas OTDR (Optical Time-Domain Reflectometer), es el instrumento de campo más importante para el control y supervisión de enlaces de fibra óptica. Posee resolución espacial, es decir, además de detectar los posibles fallos de un enlace, es capaz de ubicarlos en un estrecho tramo del tendido. Esta característica es especialmente interesante en tendidos largos y de difícil acceso, como las líneas soterradas y submarinas. El fundamento del OTDR es relativamente simple. Conectado a un extremo de la fibra a examinar, emite pulsos luminosos, procedentes de un diodo láser y detecta, con una alta resolución temporal, las señales luminosas que devuelve la fibra. El instrumento calcula entonces la distancia a la que se encuentra la causa de esa señal devuelta, según el tiempo que ha tardado en realizar el viaje de ida y vuelta. MATERIAL NECESARIO 1 OTDR 1 carrete SM (1,3 km) 1 Latiguillo SM 4 adaptadores FC-FC 2 Carretes de fibra SM (1 Km) 1 adaptador FC-FC “Defectuoso” 1 Carretes MM 50/125 (2 Km) Tisú Febrero 2012 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Figura E2.1.- Diagrama de bloques de un OTDR genérico. La señal recibida en el Detector del OTDR, procedente del acoplador (o circulador), ver figura E2.1, que separa la señal enviada a través de la fibra óptica a medir y la de retorno de la fibra, tiene en el tiempo diferentes orígenes. La interpretación del origen de la señal detectada nos aporta la información sobre el estado de la fibra óptica. La señal procedente de la fibra se representa en un gráfico en función de la distancia. La distancia se corresponde con el tiempo que ha tardado en llegar la reflexión del pulso emitido por el LD (Laser Diode) al detector. Las reflexiones son producidas por: Reflexión difusa (scattering lineal Rayleigh1) que tiene lugar a lo largo de toda la fibra y es debida a fluctuaciones microscópicas del índice de refracción del medio; constituye la principal contribución a la atenuación de las fibras ópticas. Así pues, se obtendrá un nivel de señal reflejada continuo. En detección aparece como una contribución lineal descendente (en escala logarítmica), debido a la atenuación paulatinamente mayor que sufren los puntos más alejados. La pendiente negativa de esta recta es proporcional a la atenuación por unidad de longitud (dB/km) de la FO2(Fibra Óptica) a la longitud de onda del diodo láser. 1 La dispersión de Rayleigh (en honor a Lord Rayleigh) es la dispersión de la luz o cualquier otra radiación electromagnética por partículas mucho menores que la longitud de onda de los fotones dispersados. -4 Tiene una dependencia con la longitud de onda de ~λ . 2 Al tratarse de un dispositivo de reflexión, todas las contribuciones a la señal detectada por el OTDR sufren doble atenuación: en el camino de ida y en el de vuelta. Sin embargo, esta alteración se corrige automáticamente en la escala de medida, por lo que las pérdidas que se muestran en pantalla corresponden a un solo paso. VII-2 Práctica E2: El OTDR Es importante destacar, sin embargo, que un OTDR no es el mejor método para medir atenuación de fibras ópticas. Otros métodos empleados durante las prácticas son más precisos. Cualquier imperfección en la fibra significa una variación en el índice de refracción y, por tanto, produce una reflexión que se detectará como un pico de señal; a continuación se produce un descenso del nivel de señal (puesto que la luz de retorno procedente de puntos más adelantados experimentará una atenuación equivalente a la vuelta). Estos defectos se localizan en puntos concretos del enlace, cuya localización precisa depende de la resolución espacial. Como imperfecciones se detectan asimismo las pérdidas por curvaturas, soldaduras, conexiones y empalmes provisionales o permanentes que contenga el enlace. Las soldaduras –bien hechas– introducen una pequeña atenuación (< 0,1 dB) por alterar la forma física del núcleo, no producen reflexión al igual que las pérdidas por curvatura. Los empalmes y conexiones suelen dar pérdidas mayores. Como se explica posteriormente, algunos eventos producen un pico reflexivo antes de atenuar, y otros únicamente un descenso de potencia. La salida típica de un OTDR (Figura E2-2) es una representación gráfica de la atenuación en función de la distancia. Cualquier variación en la línea descendente que representa la FO se le denomina “evento”. Los picos de reflexión representados en la gráfica se llaman “eventos reflexivos”; y cuando sólo hay pérdidas “eventos no-reflexivos”. La gráfica tiene al comienzo una brusca bajada que corresponde a la propia conexión entre el instrumento y la FO; y se extiende hasta una distancia determinada, o hasta que el nivel de señal cae por debajo del límite de detección. Conocimientos Teóricos Previos Deberá entender el significado y la dependencia con la longitud de onda, de la señal transmitida, de los siguientes vocablos: Tipos de Fibras ópticas. Atenuación de una fibra óptica, Scattering de Rayleigh. Pérdidas de reflexión de Fresnel. Tipos de conectores y empalmes de fibras ópticas. Pérdidas en la conexión de fibras. MFD – diámetro de campo modal. VII-3 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Cuestiones Previas a. Explique con un dibujo y estime la diferencia de la pérdidas de acoplo que sufren dos señales con direcciones opuestas a su paso por una unión entre una fibra monomodo –SM- y una fibra multimodo –MM-. Considere sólo las pérdidas relacionadas con el tipo de fibra y no por una unión defectuosa. b. Dibuje tres finales de fibra: conector PC, conector APC y fibra rota; indique qué diferencias habrá en la señal reflejada cuando se transmite una señal por dicha fibra. Figura E2-2 Representación de una hipotética medida. La gráfica no está a escala. Las gráficas restantes de este capítulo sí son salidas reales. c. Razone por qué en los apartados VIII.2 y VIII.3 se le indican los valores típicos que debe obtener, en la medida del RDR -Rango Dinámico de Reflexión- y del RDS -Rango Dinámico de Scattering-, sin hacer mención al equipo TFS3031 que le haya tocado emplear para realizar dichas medidas. d. ¿Cómo podría mejorarse el Rango Dinámico de Reflexión y el Rango Dinámico de Scattering? e. ¿Qué ventajas ofrece el emplear un circulador en vez del acoplador dibujado en la Fig. E2-1? VII-4 Práctica E2: El OTDR Recuerde anotar en su cuaderno de prácticas todos los valores medidos y calculados, así como la respuesta a todas las cuestiones que se plantean en la práctica. En algunas medidas se dan valores estimados o márgenes de valores. Si los resultados obtenidos al realizar la medida no coinciden, repase la medida. Si el error persiste consulte a su profesor. VII.1. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Esta práctica se realiza de forma combinada con la práctica E3, Soldadura de Fibras Ópticas. En el Laboratorio se dispone de 2 OTDR Tektronix. Uno de ellos (TekRanger2) está asociado a la máquina de soldar y el otro (TekRanger) se utiliza únicamente en esta práctica. Ambos son un TFS3031 y en lo que respecta a su uso, las diferencias entre ambos son: Las longitudes de onda de trabajo. TekRanger trabaja en segunda y tercera ventana, mientras que TekRanger2 trabaja en primera y segunda ventana. Las fibras para las que están diseñados. TekRanger trabaja con fibras monomodo, mientras que TekRanger2 trabaja con fibras multimodo. Adicionalmente, ambos OTDRs tienen adaptada una impresora para obtener copia de los resultados en pantalla. En esta práctica se propone la realización de una serie de medidas con los OTDR del laboratorio, que permiten simultáneamente evaluar diferentes líneas de transmisión, y observar las posibilidades y limitaciones de la técnica basada en un método no destructivo. En concreto se pretende medir: i) Rango dinámico de reflexión. Informa sobre los límites de medida del nivel de señal recibida, márgenes de representación de los eventos reflexivos. Puede resultar útil si existen eventos que lleguen a saturar el instrumento. ii) Rango dinámico de scattering. Es el rango con que se cuenta para registrar eventos de todo tipo, reflexivos (no saturantes) y no reflexivos. Alcanza hasta el límite de detección del instrumento o hasta el extremo de la fibra. iii) Eventos típicos. Por ejemplo, soldaduras, empalmes, terminaciones pulidas o sin pulir, conexiones planas, redondeadas (PC) o angulares (APC). VII-5 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería iv) Falsas medidas y detecciones. En concreto, se explican las circunstancias en que pueden surgir ecos y fantasmas, fenómenos que pueden falsear las medidas, y se intenta reproducir alguno de ellos. Para facilitar la lectura de los apartados, las introducciones teóricas sobre sus contenidos se incluyen por separado al comienzo de cada sección. DISTRIBUCIÓN DE LOS EQUIPOS A fin de agilizar la realización de la práctica, las medidas se efectuarán de la forma siguiente: 1. El grupo que tenga asignada en primer lugar la Práctica E3, Soldadura, realizará previamente las dos primeras medidas, Rangos dinámicos de Reflexión y de Scattering (Apartados VIII.2 y VIII.3), para familiarizarse con el instrumento, y seguidamente la Práctica E3. Utilizará para todo ello el OTDR TekRange2. 2. El grupo que tenga asignada en primer lugar la Práctica E2, OTDR, realizará los cinco bloques de medidas de esta práctica con el OTDR TekRange. 3. Al finalizar los dos grupos (tiempo estimado, 2h 30m), se intercambiarán y realizarán los bloques de medidas restantes, es decir, los tres bloques finales del OTDR el primer grupo (en el OTDR TekRange monomodo) y la práctica E3 completa el grupo 2, usando el OTDR TekRange2. ¡PRECAUCIONES! El diodo láser para realizar las medidas se activa pulsando el botón START/STOP. Antes de pulsarlo, asegúrese de que hay una fibra conectada al puerto de salida del láser. De otro modo podría provocar daños graves a los componentes electrónicos internos. No desconecte el latiguillo de fibra conectado a la salida del OTDR Todos los conectores deberán estar cubiertos con sus protectores contra el polvo mientras no estén en uso. El OTDR es un instrumento muy sensible, por lo que el polvo puede afectar a las medidas produciendo señales falsas. VII-6 Práctica E2: El OTDR VII.2. MEDIDA DEL RANGO DINÁMICO DE REFLEXIÓN (USAR UNO CUALQUIERA DE LOS OTDR) VII.2.1. Teoría Como se ha comentado, algunos de los eventos detectados por un OTDR son reflexivos, es decir, nos indican que en ese lugar parte del pulso luminoso emitido es reflejado hacia el emisor. En el OTDR, estos eventos se detectan como un brusco aumento de la potencia recibida, seguido de una caída (porque la potencia transmitida a partir de ese punto es menor). La potencia recibida puede saturar al detector si le llega un exceso de señal procedente de un evento muy reflexivo. El problema es especialmente grave cuando el evento está próximo a la fuente. El Rango Dinámico de Reflexión (Reflective Dynamic Range, RDR) se define como la relación entre la potencia reflejada en un evento reflexivo, cercano al conector del panel frontal del OTDR, y la potencia de ruido del sistema. (El nivel de ruido del OTDR está relacionado con el ruido shot de la corriente de oscuridad del detector.) Este parámetro determina el rango sobre el cual el OTDR puede realizar medidas de la reflexión producida en ciertos elementos reflexivos como pueden ser los conectores, acoplos mecánicos etc. Figura E2-2. Determinación del Rango Dinámico de Reflexión (RDR). La medida del RDR ayudará a determinar si el instrumento es capaz de realizar capturas precisas en unas condiciones determinadas. En sistemas de fibra que sean muy sensibles a las reflexiones, será necesario utilizar OTDRs con RDR elevados, para VII-7 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería asegurar que la reflexión de los diferentes eventos se encuentra por debajo del nivel umbral deseado. VII.2.2. Objetivo: Desarrollo de la Práctica Determinar el RDR de OTDR Tektronix TFS3031 (en su versión monomodo de 2ªy3ª ventana o en su versión multimodo de 1ªy2ª ventana) en unas condiciones de medidas predeterminadas. Método de medida: El valor del RDR está asociado con el ancho del pulso que emite la fuente del OTDR (nm)3, el rango de prueba elegido (km) y el tiempo de promedio que se utiliza en la medida (tiempo que tarda en realizar el “número de promedios” –averages- requeridos). Estos parámetros se deben seleccionar consecuentemente con la longitud del enlace que posteriormente se desea caracterizar. En general, los rangos muy largos y los anchos de pulso muy pequeños suponen tiempos de promedio más elevados. Si se selecciona un rango muy inferior o muy superior a la longitud del enlace, se medirá un nivel de ruido inferior o superior, respectivamente, al real. Una vez elegidos los parámetros adecuados del sistema, la medida se realizará valorando la diferencia de señal entre el pico de reflexión y el ruido, como se muestra en la Fig. E2-2. Procedimiento experimental 1.- Compruebe que hay un cordón de fibra4 conectado a la salida del panel frontal del OTDR. 2.- Presione el Botón correspondiente a “Setup” (Botón 1 de la Figura E2-3) y seleccione, mediante las flechas del mando circular (Botón 6, Figura E2-3), las siguientes opciones: Fiber Scan: Manual Test Range: 2 km Pulsewidth: 10 m (100 ns) en una primera medida, y 20 m (200ns) en una 2ª medida. Averages: 2048 3 El ancho del pulso se da en unidades de longitud proporcionales al orden de magnitud del ancho en el 8 -7 tiempo del pulso. Pulsewidth α 10 [m/s] x 2. 10 [m] = 20 m (200 ns). 4 Los cordones de fibra del laboratorio tiene conectores FC-PC que son los válidos para este tipo de medidas. VII-8 Práctica E2: El OTDR Cambiar configuración 1 9 8 2 3 4 5 Iniciar medida 7 6 A Volver a pantalla inicial B Figura E2-3. Aspecto exterior (arriba) y pantalla de menú (abajo) del OTDR Tektronix TFS3031. En esa misma pantalla, seleccionar una longitud de onda de 1300 ó 1310 nm presionando el Botón B (parte inferior de la Figura E2-3). Para volver a la pantalla inicial, presione “EXIT” (Botón A). VII-9 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería 3.- Inicie el proceso de medida pulsando el botón START/STOP (Botón 5). La medida habrá terminado cuando deje de parpadear5 el piloto 7 de la Figura E2-3. 4.- Active el cursor A (Botón 4) y mediante las flechas del botón circular, sitúelo en el máximo del pico inicial de reflexión. Si fuera necesario active el zoom (Botón 3), luego desactívelo. Active el cursor B y sitúelo en la zona de ruido donde los picos presenten una amplitud aproximadamente constante. Asegúrese de estar en alguno de los máximos promedio del ruido (véase nivel adecuado en figura E2-2). 5.- Compare la forma de onda obtenida con la de la figura E2-2. Compruebe la situación de los cursores y anote la diferencia en dB entre ambos (A–B) que aparece en pantalla. Valor Típico del RDR: 16 – 20 dB En el laboratorio el TekRanger2 (MM) tiene el menú en español y el TekRanger (SM) en inglés como el de la Fig. E2-3. VII.3. VII.3.1. MEDIDA DEL RANGO DINÁMICO DE SCATTERING (USAR UNO CUALQUIERA DE LOS OTDR) Teoría El Rango Dinámico de Scattering (RDS) es el parámetro que típicamente se asocia con el rango dinámico de un OTDR. Se define como la relación (en dB) entre la señal “retrodispersada” (backscattered, devuelta) en el conector del panel frontal del OTDR y el nivel de ruido del instrumento. Reflexión del panel frontal Final de la fibra Rango dinámico de scattering Ruido 5 Figura realiza E2-4. varias Determinación delunRango Dinámico de Scattering (RDS). El equipo medias y toma valor medio estable para su representación en la gráfica. VII-10 Práctica E2: El OTDR El RDS resulta muy similar al “Rango de Medida” que determina la atenuación máxima que puede existir entre el instrumento y el evento que se quiere caracterizar, si se desea que el OTDR realice una medida precisa. VII.3.2. Objetivo: Desarrollo de la práctica Determinar el RDS del OTDR Tektronix TFS3031 en unas condiciones de medida predeterminadas. Método de medida: Se evalúa la diferencia de niveles de señal entre el final de la reflexión del panel frontal y el nivel de ruido del instrumento (Figura E2-4). Se realizará en diferentes condiciones de medida para una misma línea de transmisión (monomodo si usa el TekRange y multimodo en el TekRange2). La medida depende de la longitud de la fibra utilizada. Si se emplean fibras de longitudes muy cortas se pueden obtener medidas del RDS ficticiamente superiores que las obtenidas con fibras de mayor longitud. Para evitar una medida errónea se deben utilizar una fibra de prueba con una longitud similar a la que se medirá en situación de campo. Procedimiento experimental 1 km SM o 2 km MM Figura E2-5 1.- Conecte un carrete de fibra monomodo ó multimodo de 1 km SM o 2 Km MM, al cordón conectado al OTDR, según la Figura E2-5. 2.- En el menú SETUP, seleccione los siguientes parámetros: Fiber Scan: Manual Test Range: 2 km para SM o 4 km para MM Pulsewidth: 10 m (100 ns) en una primera medida, y 20 m (200ns) en una 2ª medida. Longitud de onda: 1300-1310 nm Vuelva a la pantalla principal VII-11 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería 3.- Inicie el proceso de medida. 4.- Active el cursor A y sitúelo al inicio de la “forma de onda”, donde la pendiente comienza a ser lineal. Si fuera necesario active el zoom, luego desactívelo. Active el cursor B y sitúelo en la zona de ruido donde los picos presenten una amplitud aproximadamente constante. Asegúrese de estar en la amplitud máxima media del ruido. 5.- Compare la forma de onda obtenida con la de la figura E2-4. Compruebe la situación de los cursores y anote la diferencia en dB entre ambos. Valor Típico RDS: 10 – 12 dB (siempre menor que el RDR) NOTA: SI TENÍA ASIGNADA LA PRÁCTICA E3, SOLDADURA, EN PRIMER TURNO, DETÉNGASE AQUÍ Y PASE A REALIZAR DICHA PRÁCTICA. LOS RESTANTES APARTADOS LOS REALIZARÁ CON EL OTDR TEKRANGE MONOMODO POSTERIORMENTE. SI TENÍA ASIGNADA LA PRÁCTICA E2 EN PRIMER TURNO, SIGA ADELANTE. VII.4. CARACTERIZACIÓN DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN (A PARTIR DE ESTE BLOQUE USAR SÓLO EL OTDR MONOMODO) A.- Localización y medida de pérdidas en eventos Reflexivos. B.- Medida de la Zona Muerta C.- Medida del coeficiente de atenuación de una fibra. VII.4.1. VII.4.1.a. Teoría Eventos Reflexivos Se consideran eventos reflexivos todos aquellos fenómenos en los que se produce un cambio en el índice de refracción del medio de propagación. Los casos más habituales en una línea de transmisión son: los conectores iniciales y finales de la línea las conexiones mecánicas entre fibras (adaptadores, conectores Surco en V) Los empalmes realizados con máquina de soldar y las curvaturas o microcurvaturas son eventos no reflexivos. Una reflexión queda caracterizada por tres parámetros: Distancia a la que sucede Pérdidas que origina en la línea VII-12 Práctica E2: El OTDR Reflectividad que genera, definida como la relación en dB entre la potencia inyectada y la reflejada. NOTA SOBRE CONECTORES El extremo de la fibra óptica en los conectores estándar es plano. Las conexiones se realizan enfrentado dos conectores por medio de una junta roscada. La superficie plana perpendicular a la propagación produce una reflexión intensa. Para reducir la reflexión, se preparan conectores (PC) con pulido redondeado. Aún menos reflexión producen los conectores PC con pulido inclinado (PC angular o APC). En ellos, la reflexión se desvía de manera que no pueda guiarse de retorno. En un conector con pulido plano, la reflexión que se produce es de alrededor del 3,6% ó –14 dB (coeficiente de reflexión de Fresnel). Los conectores comerciales más usuales Final de fibra Conector plano Conector PC Curvatura Soldadura Conector APC (PC en ángulo) Figura E2-6. Distintos eventos reflexivos y no reflexivos que se detectan con OTDR utilizan pulidos tipo PC que, al no ser planos, introducen una reflexión bastante menor. En la Figura E2-6 se pueden observar la Forma de Onda debida a algunos de estos elementos. VII.4.1.b. Zona Muerta Uno de los parámetros principales en un OTDR es su capacidad para detectar eventos reflexivos espaciados una corta distancia. VII-13 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Todos los sistemas de medida tienen un rango de aplicación limitado. En el caso del OTDR el límite se traduce en pulsos detectados con pendientes de bajada no infinitas. Así, si se tienen dos eventos reflexivos muy cercanos, a una distancia crítica inferior a la de ‘Resolución del OTDR’, puede que la señal causada por el primer evento no haya finalizado cuando la del segundo empieza a ser significativa. El resultado es que ambos eventos se confunden. Se denomina Zona Muerta (Dead Zone, DZ) o “Resolución de eventos” a la distancia a partir de la cual se comienza a distinguir entre dos eventos próximos. Este parámetro puede ser muy importante dependiendo de la aplicación. Por ejemplo, si se desea medir y caracterizar una red de fibra óptica en una oficina, donde las distancias entre conexiones pueden ser muy cortas, será necesario un instrumento con una DZ muy pequeña. Por el contrario, si la red que se desea medir es un enlace de larga distancia, donde los empalmes o conexiones se sitúan a varios kilómetros unos de otros, el parámetro será de poca importancia. VII.4.1.c. Zona muerta de pérdida de medición Otro parámetro utilizado para especificar la calidad de un OTDR, es la “zona muerta de atenuación” Pérdida o de Zona Muerta Medición de (Loss- Measurement Dead Zone, LMDZ). Se define como la distancia tras un evento durante la cual no se puede obtener información de la señal del OTDR, debido a limitaciones en el ancho de banda o a saturación del receptor. El parámetro está relacionado con el anterior, aunque aquí se hace referencia a la medición del segundo evento, no ya a su Figura E2-7. Parámetros de caracterización zonas muertas en un evento. de simple detección. Es por ello un criterio más restrictivo que la zona muerta. La LMDZ puede ser notable si se producen eventos muy reflexivos, ya que el pico de potencia que retorna al OTDR puede ser muy elevado comparado con la potencia detectada por scattering Rayleigh. De esta forma, el detector óptico o el preamplificador VII-14 Práctica E2: El OTDR se pueden saturar temporalmente y será necesario un tiempo (distancia en la pantalla del OTDR) para que el detector se recupere. Sin necesidad de llegar a la saturación, debido al ancho de banda limitado del amplificador, la señal no puede volver inmediatamente al nivel de retrodispersión. Cuando esto sucede, no se puede obtener información de la señal presentada por el OTDR, debido a la distorsión de la forma de onda. VII.4.1.d. Coeficiente de atenuación Además de los eventos puntuales que producen pérdidas en localizaciones específicas, la radiación que atraviesa una fibra óptica experimenta una atenuación constante, que procede de varias causas. Las dos más importantes son la reflexión difusa o scattering Rayleigh, y la absorción. La importancia relativa depende de la ventana de transmisión, tal como se mostraba en la Figura Fund-11. La señal base descendente que detecta el OTDR se debe a la retrodispersión, es decir, la parte de la reflexión difusa que se propaga en sentido contrario al de la transmisión. Dicha radiación, en ausencia de otros factores, equivale formalmente a la que se recibiría de un conjunto infinito de emisores situados homogéneamente por toda la fibra. La potencia recibida de cada tramo diferencial irá disminuyendo a medida que el tramo está más lejos de la fuente, por dos razones: La potencia retrodispersada es proporcional a la potencia incidente. Ésta se va atenuando al atravesar la fibra. La potencia retrodispersada, a su vez, se va atenuando durante el camino de vuelta hasta el receptor. Los dos fenómenos, como puede verse, se deben a la atenuación. En pequeña señal, la atenuación se puede considerar lineal en todo el trayecto de ida y vuelta. En esas condiciones, la radiación recibida sufre una atenuación equivalente a un camino doble, puesto que pasa dos veces por el mismo tramo de fibra. Como ya se comentaba en la introducción a la práctica, los OTDR, en general, corrigen esta doble atenuación, y presentan una escala en pantalla que equivale a un solo paso. La atenuación, expresada en dB/km, se calcula directamente midiendo la pendiente del tramo. Aunque no es un método preciso, resulta muy útil por su resolución temporal. Por ejemplo, sirve para detectar tramos defectuosos en tendidos, o para decidir si una atenuación anómala se debe a un tramo en mal estado o a un defecto puntual dentro del VII-15 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería mismo tramo. Permite evaluar la degradación de un enlace con el tiempo, pero no sirve para medir atenuaciones válidas en el diseño de enlaces. En este último caso se emplea la técnica OLTS - Optical Loss Test Set- similar a la empleada en la práctica I, apartado I.4. VII.4.2. Objetivo: Desarrollo de la Práctica Medir los diferentes parámetros que surgen en una gráfica OTDR. Método de medida A) CARACTERIZACIÓN DE EVENTOS REFLEXIVOS. Distancia: En la “forma de onda” adquirida por un OTDR, la distancia a la que se produce un evento reflexivo se corresponde con el último punto de muestreo justo antes de la subida de la forma de onda. Pérdidas: Las pérdidas se valorarán midiendo el nivel de señal (en dBs) antes y después del evento. Reflectividad: La reflectividad se calcula indirectamente a partir de la ecuación siguiente: H R Bns 10 log 10 5 1·D {1} donde: Bns es el coeficiente de retrodispersión (típicamente –80 dB) H es la altura de la reflexión medida en la forma de onda (> 0) D es el ancho del pulso en ns. En la Figura E2-8 se muestran los parámetros que caracterizan un Figura E2-8. Parámetros que caracterizan un evento reflexivo. VII-16 evento reflexivo. Práctica E2: El OTDR B) ZONAS MUERTAS DZ Y LMDZ La zona muerta DZ se define como la distancia entre el comienzo de la zona reflexiva y el punto donde la señal decrece 3 dB respecto del máximo de reflexión (ver Figura E2-7- pag.VIII-15). La zona muerta de pérdida de medición LMDZ se define como la distancia entre el inicio del evento y el punto donde la forma de onda del OTDR ha recuperado el nivel de retrodispersión. Para su medida habrá que determinar el inicio del evento y el punto donde la señal es 0,5 dB superior al nivel de retrodispersión (Figura E2-7). La separación (en metros) entre estos dos puntos dará el LMDZ. C) ESTIMACIÓN DEL COEFICIENTE DE ATENUACIÓN Para medir el coeficiente de atenuación de una fibra se escoge un tramo en que no exista ningún tipo de evento o influencia de ellos. Se mide la pendiente situando los cursores al inicio y al final del tramo. Figura E2-9 Procedimiento experimental 1.- Realice el montaje de la Figura E2-9, Conecte al latiguillo del OTDR un carrete de fibra monomodo, de aproximadamente 1 km. En el otro extremo conecte un segundo carrete SM 1km, y finalmente conecte un carrete multimodo de 2 km. 2.- En el menú SETUP, seleccione los siguientes parámetros: Fiber Scan: Manual Test Range: 8 km Pulsewidth: 20 m (200 ns) Longitud de onda: 1550 nm Vuelva a la pantalla principal VII-17 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería 3.- Obtenga la forma de onda. Imprímala pulsando el Botón 9 y siguiendo las instrucciones de pantalla. Identifique los eventos reflexivos comparando la gráfica y el montaje experimental. 4.- Active el cursor A y sitúelo al inicio del evento reflexivo próximo a 1 km. Asegúrese que está justo al inicio del evento comprobando que en el siguiente desplazamiento del cursor éste se introduce en la zona reflexiva. Si fuera necesario active el zoom, luego desactívelo. Anote la distancia que marca el cursor. 5.- Active el cursor B y sitúelo en la zona lineal después del evento reflexivo. Mantenga el cursor A en la posición anterior. La diferencia en dB entre los cursores dará una estimación de las pérdidas introducidas en el evento. Anote este valor y la diferencia en metros entre los dos cursores. Tenga en cuenta que si existe mucha distancia entre los dos cursores, la medida realizada está incluyendo las pérdidas en la fibra. También tiene que considerar si las fibras acopladas son de iguales características. 6.- Sitúe el cursor B en el punto máximo de la reflexión. Mida la diferencia de señal entre ambos cursores (valor H de la Figura E2-8). Haciendo uso de la ecuación {1}, calcule la reflectividad del evento. (H es siempre una cantidad positiva) Valores típicos: Nº de eventos reflexivos (sin considerar los conectores iniciales ni el latiguillo): 3 Distancia del Primer evento reflexivo: 1 km – 1,1 km Pérdidas intrducidas por el primer evento reflexivo: 0,1 dB – 0,8 dB Distancia entre cursores: 70 m – 130 m H: 7 – 8 (siempre >0) Reflectividad del evento reflexivo 40 – 45 7.- Sitúe el cursor A en el pico de reflexión. Utilice el zoom de la forma siguiente: Presione el mando SELECT del botón circular (Botón 6, Figura E2-3), hasta seleccionar las prestaciones del ZOOM en la esquina inferior derecha de la pantalla. Mediante las flechas del mando circular, ajuste la zona de ampliación centrándola sobre el evento (movimientos verticales y horizontales). Presionar nuevamente SELECT hasta activar CURSOR. VII-18 Práctica E2: El OTDR Active ahora el zoom (Botón 3 de la Figura E2-3). Compruebe que el cursor A está sobre el máximo del evento y sitúe el cursor B, aproximadamente, a 3 dB por debajo del anterior. Nota.- Si no pudiera situar el cursor B cercano a los 3 dB, realice un promedio entre las distancias obtenidas en las dos posiciones más cercanas a este valor. Mueva ahora el cursor A al inicio del evento y anote la separación entre ambos cursores. La medida realizada es lo que se conoce como zona muerta DZ. Valores típicos: DZ 25m – 30m LMDZ 35m – 45m (siempre mayor que DZ) 8.- Sitúe el cursor A en el nivel de retrodispersión lineal, después del pulso. El cursor B sitúelo, aproximadamente, a +0.5 dB del anterior. ¡Cuidado con los signos! Sitúe nuevamente el cursor A al inicio del evento, y anote la distancia entre ambos cursores. Esta medida será el LMDZ del primer evento reflexivo de la línea. 9.- Caracterice el siguiente evento reflexivo de la misma forma que el anterior. Compruebe si existen diferencias entre una conexión SM-SM y otra SM –MM. 10.- Mida el coeficiente de atenuación de cada uno de los tramos de fibra, así como su longitud. Para realizar una medida correcta de la atenuación, sitúe los cursores de manera que abarquen una distancia amplia, en la zona donde no haya influencia de ningún tipo de evento y donde se aprecie una pendiente lineal. La medida de la longitud de los tramos se debe realizar colocando los cursores de inicio a inicio de los eventos (las reflexiones de los conectores, en este caso). Valores Típicos: aproximadamente 0,3 dB/km en todos los tramos 11.- Introduzca un latiguillo entre medias de dos carretes y analice el resultado de la medida obtenida, comparando con la gráfica obtenida sin latiguillo. VII-19 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería VII.5. VII.5.1. VII.5.1.a. IDENTIFICACIÓN DE ECOS Y FANTASMAS Teoría Identificación de Ecos En sistemas ópticos con varios elementos reflexivos, parte del pulso del láser puede reflejarse más de una vez antes de volver al OTDR. Cuando esto sucede se producirá una forma de onda artificial denominada ECO. La señal recorre 4L1 El OTDR localiza el evento reflexivo en 2L1, sin pérdidas y con pico de reflexión bajo, señal muy atenuada. Figura E2-10. Generación de ecos entre dos eventos reflexivos Los ECOS son más frecuentes en OTDRs multimodo con un gran rango dinámico y siempre que se produzcan eventos muy reflexivos. En una forma de onda, los dos primeros eventos reflexivos nunca pueden ser ECOS ya que se necesitan al menos dos eventos de este tipo para generar ECO. Otro rasgo característico de un ECO es que no lleva pérdidas asociadas en la forma de onda. Esto último es debido a que está sumando la señal reflejada varias veces a la de backscatering de la fibra en ese tramo, siendo ésta sin pérdidas. VII-20 Práctica E2: El OTDR Existen OTDRs dotados de la capacidad de detectar automáticamente eventos reflexivos (mediante algoritmos) y determinar cuáles de ellos son ECOS. Es el caso del Tektronix TFS3031 que se utiliza en el laboratorio. VII.5.1.b. Identificación de Fantasmas Otra forma de onda falsa es la conocida como fantasmas. Son muy similares a los ecos pero ocurren por razones muy diferentes. Los fantasmas se deben a una selección incorrecta de los parámetros de medida, en concreto a una frecuencia de repetición del pulso demasiado alta. Si es así, puede suceder que la reflexión al final de la línea de un pulso no haya llegado al detector cuando se lanza el siguiente pulso. En ese momento se inicia una nueva adquisición de datos y la reflexión del final de línea se solapa con la retrodispersión del segundo pulso y aparece como un evento reflexivo. Cuando un evento se desplaza de posición o desaparece cuando se cambia el rango de medida, se le puede identificar como un FANTASMA y no como un ECO. Estos últimos son independientes de los parámetros de adquisición. Si aparece un fantasma durante una adquisición, se debe seleccionar una repetición de pulso más baja para eliminarlo. Cuando no se identifica un evento, se debe realizar la medida con otros valores de ancho de pulso, longitud de onda y dirección de medida. La comparativa entre las diferentes gráficas obtenidas le permitirá evaluar el tipo de evento. Recuerde que los valores de las pérdidas y eventos reflexivos dependen de las condiciones de medida. VII-21 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería VII.5.2. Objetivo: Desarrollo de la Práctica Detectar sucesos, como ecos y fantasmas, que no corresponden a ningún evento real. Método de Medida La localización de los ECOS está asociada a la siguiente fórmula: Z eco 2Zi Zj {2} Donde Zi y Zj son las localizaciones de dos eventos reflexivos (que no tienen por qué ser consecutivos) en el eje de distancias, siendo Z=0 la conexión al OTDR. Procedimiento experimental 1.- Realice el montaje de la Figura E2-11. 2.- En el menú SETUP, seleccione los siguientes parámetros: Fiber Scan: Manual Test Range: 8 km Pulsewidth: 20 m (200 ns) Longitud de onda: 1310 nm Figura E2-11 3.- Obtenga la forma de onda e imprímala. 4.- Identifique todos los eventos de la gráfica y determine la distancia a la que se produce cada uno de ellos. ¿Existen ECOS? 5.- Sustituya el segundo conector FC-FC por el conector marcado como “Conector Defectuoso”. Obtenga la forma de onda e imprímala. Explique las diferencias (si las hay) entre ambos casos. VII-22 Práctica E2: El OTDR 6.- En el menú SETUP, cambie el parámetro “Fiber Scan” de Manual a Intellitrace. Obtenga la forma de onda y edite la Tabla de Eventos presionando el Botón 2 de la Figura E2-3. 7.- Considerando pares de elementos reflexivos y utilizando la ecuación {2}, calcule dónde deberían aparecer los ECOS. Compare los resultados teóricos con los experimentales. Valores típicos: Aparición del eco con conector defectuoso al doble de distancia del primer carrete. 8.- Explique por qué en este apartado ha tenido que emplear un carrete de 1,3km. ¿Aparecen eventos fuera de línea, a más de 2,3km? Indique de dónde provienen. POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA RECOJAN TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PRINCIPIO. SUS COMPAÑEROS SE LO AGRADECERÁN. VII-23 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería No olvide incluir en su cuaderno la solución a las preguntas planteadas en el desarrollo de la práctica (cuestiones, cálculos, curvas…) y todos los resultados de las medidas realizadas. Para facilitar un resumen de los resultados, incluya en su cuaderno las siguientes tablas. Apartados VII.2 y VII.3 Rango Dinámico de Reflexión Condiciones de medida: Longitud de onda________ nm RDR* Rango de Prueba_________km; Promedio_______ Ancho de pulso 10m 20m ¿Qué información le aporta este parámetro? Rango Dinámico de Scattering Condiciones de medida: Longitud de onda________ nm Rango de Prueba_________km; Promedio_______ Ancho de pulso 10m 20m ¿Qué información le aporta este parámetro? * Indique el tipo de equipo empleado el TekRanger o el TekRanger2 VII-24 RDS* Práctica E2: El OTDR CARACTERIZACIÓN DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN Apartado VII.4 Número de eventos que obtiene en la medida: Condiciones de medida: Longitud de onda________ nm; Rango de Prueba_______ __km; Ancho de pulso:________m; Promedio_______ Sin contar el del panel frontal Cursor A Distancia entre cursores: dB Pérdidas introducidas por el primer evento reflexivo: m ________km Inicio del 1er evento. H (>0) Reflectividad: Zona Muerta DZ m LMDZ m ¿Qué le indica este parámetro? Zona Muerta de Pérdida de Medición ¿Qué le indica este parámetro? VII-25 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Cursor A Distancia entre cursores: dB Pérdidas introducidas por el primer evento reflexivo: m ________km Inicio del 2er evento. H (>0) Reflectividad: Condiciones de medida: Longitud de onda:________ nm; 1er Tramo Rango de Prueba:_________km; 3er Tramo 2º Tramo Ancho de pulso:________m; Promedio:___________ Coeficiente de Atenuación Longitud (km) ¿Se corresponden con los valores indicados en los carretes o esperados?______________________________________________________________ ¿Los emplearía para realizar un balance de potencias?_________ SubApartado 11: ¿qué observa al introducir un latiguillo de unos 3 m de longitud entre dos carretes? VII-26 Práctica E2: El OTDR CARACTERIZACIÓN DE EVENTOS NO REALES: ECOS. Medida con conector defectuoso Apartado VII.5 Número de Eventos Condiciones de medida: Longitud de onda:________ nm; Rango de Prueba:_________km; 1er Evento 2º Evento 3er Evento Ancho de pulso:________m; Promedio:__________ Distancia(km) ¿Es un ECO? S/N ¿Está fuera de línea? ¿Por qué se emplea un carrete de 1,3km en vez de uno de 1km? VII-27 … VIII. Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas NOTA IMPORTANTE: ANTES DE REALIZAR ESTA PRÁCTICA ES NECESARIO QUE SE FAMILIARICE CON EL MANEJO DEL OTDR, QUE UTILIZARÁ COMO CONTROL DE CALIDAD DENTRO DE LA MISMA. PARA ELLO DEBERÁ REALIZAR ALGUNOS APARTADOS DE LA PRÁCTICA E2, OTDR, EN PRIMER LUGAR. PASE A LA PRÁCTICA E2 SI NO LA HA HECHO YA, Y SIGA LAS INSTRUCCIONES QUE ALLÍ SE INDICAN. MATERIAL NECESARIO Máquina de empalmar Cortadora de fibra 2 carretes MM (50/125) Peladora de Fibra OTDR Multimodo Alcohol y Tisú Recuerde anotar en su cuaderno de prácticas todos los valores medidos y calculados, así como la respuesta a todas las cuestiones que se plantean en la práctica. VIII.1. EL ACOPLO POR FUSIÓN La técnica más fiable para realizar un acoplo permanente con fibras desnudas es el empalme por fusión de las fibras. Para realizar esta fusión existen diferentes métodos: arco voltaico, microllama o láser de dióxido de carbono. La técnica más usual es la de arco voltaico, en la cual las dos fibras ópticas, debidamente cortadas, se enfrentan y funden mediante el calor que produce el arco voltaico formado entre dos electrodos. El equipo que se utiliza en la fusión de las fibras se suele denominar soldador, empalmadora o fusionador. En el muestrario de firmas comerciales se pueden encontrar tres tipos de máquina de fusión por arco voltaico: manual, semiautomática y automática. Esta clasificación Febrero 2012 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería considera la capacidad del operador de maniobrar tanto en el proceso de alineamiento de las fibras como en el de fusión. Así, por ejemplo, se dice que una máquina de soldar es totalmente manual cuando la acción del operador es necesaria en los dos procesos y semiautomática cuando el operador tiene libertad de acción sólo en uno de ellos. Casi todas ellas tienen en común el tipo de sujeción de las fibras que van a ser fusionadas. Esto se realiza mediante unas plataformas que poseen un surco en forma de V, donde se introducen las fibras (desprovistas, en cierta longitud, de cualquier tipo de protección) y se fijan mediante unas presillas. Otra forma de clasificar las máquinas de empalme es considerando la técnica que utilizan para optimizar el proceso de alineamiento entre las fibras enfrentadas: Alineamiento por comparación de diámetros. Alineamiento mecánico automático. Alineamiento por inyección y detección de luz. VIII.1.1. Alineamiento por comparación del diámetro de las cubiertas de las fibras Este tipo de soldador se compone, básicamente, de las plataformas antes mencionadas con libertad de movimiento en todos los ejes (x, y, z) y de un microscopio que facilita la visión del proceso de alineamiento (en versiones más sofisticadas el microscopio se sustituye por una videocámara). Una vez colocadas las fibras (correctamente preparadas) en sus plataformas, el operador las alínea, tomando el diámetro de sus cubiertas como referencia. Cuando considere "a ojo" un alineamiento óptimo procederá a realizar la fusión. La técnica por comparación de cubiertas, tanto manual como automática, presenta dos limitaciones en su uso. La primera es la baja calidad del empalme cuando se utilizan fibras de distinto diámetro de cubierta. La segunda, cuando aún siendo iguales las cubiertas, las fibras enfrentadas tienen distintas dimensiones de núcleo o cierta asimetría en su perfil de índice de refracción (este último es el caso de las fibras birrefringentes). Debido a las limitaciones que presenta este soldador, suele utilizarse únicamente con fibras multimodo. VIII.1.2. Alineamiento mecánico automático El alineamiento mecánico automático es similar al anterior y presenta limitaciones afines. Su peculiaridad es que las plataformas de sujeción de las fibras están alineadas, de forma que VIII-2 Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas a b e d g c h f Figura E3-1. Máquina de soldar FUJIKURA modelo FSM-01 SV al posicionar las fibras en los surcos, éstas deben quedar perfectamente enfrentadas. El operador sólo tiene libertad de movimientos en el eje z (acercar o separar las fibras). El modelo FUJIKURA FSM-01 SV disponible en el laboratorio pertenece a este grupo y el proceso de fusión se puede realizar tanto automática como manualmente. También dispone de un microscopio para visualizar las fibras enfrentadas. En el caso de observar un alineamiento defectuoso, el operador debe verificar que ha colocado las fibras correctamente en los surcos. Sus elementos principales son (Ver fig. E3-1): a. Microscopio para observar los extremos a soldar. b. Presillas para sujetar la fibra. VIII-3 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería c. Interruptor de alimentación. d. Interruptor iluminación microscopio. e. Selector manual-automático. En modo manual el operario tiene que desplazar las fibras hasta que sus extremos produzcan una ligera presión el uno contra el otro. En modo automático es la propia máquina la que produce esa presión, cuando se está soldando. f. Control de potencia del arco voltaico. g. Mandos para desplazar las fibras según el eje “z”. h. Botones para hacer saltar el arco entre los electrodos. VIII.1.3. Alineamiento por inyección y detección de luz En este caso, la mecánica para alinear las fibras consiste en inyectar luz mediante una curvatura realizada en la fibra y detectar en el otro extremo por el mismo procedimiento, como se indica en la Figura E3-2. Figura E3-2. Inyección/detección de luz para búsqueda de acoplo máximo La fibra se curva con un ángulo propicio de forma que la luz incidente en esa zona entre y se propague por la fibra. En el otro extremo, la luz se radia fuera de la fibra al entrar en la zona VIII-4 Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas curvada (por exceder el ángulo crítico). Esta zona se enfrenta a un fotodiodo para su Figura E3-3 detección. El proceso de alineamiento puede ser realizado por la máquina automáticamente, valorando la potencia medida, o de forma manual dando una lectura de la potencia extraída y siendo el operador el encargado de variar los ejes (x, y, z) para encontrar la lectura máxima. Este tipo de máquinas son las más potentes ya que presentan limitaciones menos restrictivas en cuanto al tipo de fibra óptica a fusionar pero, en cambio, están limitadas a su uso con fibras cuya protección cumpla una serie de características específicas con el fin de poder inyectar y extraer luz por curvatura. VIII.1.4. Selección de una máquina de fusión Para seleccionar una máquina de fusión hay que considerar tres factores: el tipo de fibra que regularmente se empleará, el coste y las pérdidas típicas de empalme declaradas por el fabricante. Estas últimas se suelen presentar en forma de histogramas (figura E3-3), es decir, pérdidas obtenidas en un número determinado de empalmes realizados con esa máquina. En el modelo FUJIKURA FSM-01 SV que se utiliza en el laboratorio, un operario experimentado hará soldaduras con pérdidas del orden de 0.1 dB Por último, hay que mencionar que la tendencia actual en la fabricación de máquinas de fusión es la automatización de los procesos y la disminución de peso y tamaño de los VIII-5 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería equipos. Esto es debido, principalmente, a que la utilización de estas máquinas a nivel industrial se realiza en líneas de tendido con localizaciones tan diversas como conductos Figura E3-4. Etapas en la realización de una soldadura metropolitanos o zanjas campestres. VIII.2. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Objetivo: Realizar un empalme entre dos fibras multimodo y valorar las pérdidas introducidas en el acoplo. Para ello se utilizará una máquina de soldar modelo FUJIKURA FSM-01 SU, semiautomática, descrita anteriormente. Técnica de fusión Los pasos a seguir para obtener un empalme óptimo son (figura E3-4): A) PREPARACIÓN DEL EXTREMO DE LAS FIBRAS. B) PREFUSIÓN C) ALINEAMIENTO D) FUSIÓN E) PROTECCIÓN VIII-6 Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas VIII.2.1. Preparación de los Extremos de las Fibras Los pasos que a continuación se van a detallar son comunes a cualquier proceso de acoplo a fibra, ya sea la fusión entre dos de ellas, el acoplo de luz a uno de sus extremos o la detección de potencia óptica. La preparación correcta de los extremos de la fibra consta de: Pelado y limpieza Corte Pulido Cuando se trabaja con una fibra óptica, hay que tener en cuenta que aunque el núcleo y la cubierta tienen diferentes índices de refracción, visualmente no es posible identificar el área correspondiente a cada una de ellas. Por tanto, en el laboratorio la fibra se “verá” como un único cilindro de sílice. VIII.2.1.a. Pelado y limpieza de la fibra Las fibras comerciales, debido a su fragilidad, siempre van recubiertas de algún tipo de protección o cableado. El primer paso consistirá en eliminar cualquier tipo de protección, es decir, dejar la fibra desnuda. Figura E3-5 En general, el cableado más simple se compone de una protección primaria (silicona adherida) y una cubierta plástica holgada, como se muestra en la figura E3-5; la fibra que utilizará en esta práctica no lleva la protección holgada. Dependiendo Figura E3-6 del material concreto de estas dos protecciones, se deberán utilizar diferentes técnicas para su eliminación: La protección adherida se elimina mediante un pelacables de alta precisión (figura E3-6). La técnica de pelado es similar a la realizada para eliminar la protección de los VIII-7 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería cables de cobre. El desplazamiento fibra-pelacables debe hacerse en la dirección que indica la flecha de éste. Una vez que se tiene la fibra desnuda, hay que proceder a la limpieza de posibles residuos en su superficie transversal. Para ello se utiliza papel tisú impregnado en acetona o isopropanol. VIII.2.1.b. Corte de la fibra Un corte defectuoso puede producir una serie de efectos no deseados como un aumento de la potencia reflejada, pérdidas en conexiones y acoplos, etc. La técnica de corte de una fibra se realiza en dos pasos: El primero consiste en realizar, en la superficie transversal de la fibra, una pequeña incisión perpendicular propagación, al eje de mediante una punta de diamante o una hoja de carbono. En el segundo paso se debe provocar una tensión de igual fuerza a ambos lados de la Figura E3-7 incisión, de forma que ésta se extienda por toda la sección transversal de la fibra (Figura E3-7). La incisión seguida de la tensión, causa una fractura secuencial de los enlaces atómicos del material que compone la fibra, pero únicamente en la dirección que marca la punta de la ranura. Ésta es la razón por lo que la fractura propagada es plana. Por tanto, si la incisión es perpendicular al eje de propagación y la tensión inducida es uniforme, el corte será plano y perpendicular al eje de transmisión. Existen distintos modelos comerciales de cortadoras que realizan el proceso de corte de una forma más o menos sofisticada. En el laboratorio de prácticas se utilizará los modelos CT03 y CT20 de la firma FUJIKURA Corte con el modelo CT03(Ver figura E3-8): 1. Levante las dos piezas que cubren el surco donde se debe alojar la fibra, y alójela en dicho canal. Empuje la fibra hacia la derecha, hasta que no deslice VIII-8 Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas más debido a que la protección adherida hace tope en un estrechamiento del canal dispuesto a tal fin. 2. Fíjela con la presilla de sujeción. 3. Baje una de las piezas que cubre el canal. 4. Baje la otra pieza que posteriormente se encargará de producir la tensión sobre la fibra, para su corte. 5. Haga la incisión en la fibra desplazando la pieza que soporta la hoja de corte. 6. Presione sobre la pieza que se encarga de tensar la fibra para su definitivo corte. Fig. E3-8: Cortador de fibra modelo CT03 Corte con el modelo CT20 (Ver figura 3.9) VIII-9 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Esta máquina realiza de forma continua los procesos de incisión en la fibra y posterior tensión para su corte definitivo. 1. Desbloquear la máquina, actuando sobre el mando de la zona posterior. 2. Retire la protección que cubre la punta de diamante encargada de hacer la incisión sobre la fibra 3. Coloque la fibra en el canal donde debe alojarse. Hay una escala graduada que indica la distancia al punto de corte. Sitúe en el punto adecuado de esa escala el extremo de la protección adherida de la fibra. 4. Fije la fibra con la presilla de sujeción. 5. Baje suavemente la palanca superior de la máquina de corte, Fig. 3-9: Cortadora de fibra modelo CT20 que primero hará la incisión sobre la fibra, y posteriormente el corte definitivo. 6. Vuelva a poner la protección sobre la punta de diamante. 7. Baje la palanca y vuelva a bloquear la máquina. VIII.2.1.c. Pulido de la superficie transversal de la fibra. Si el proceso de pelado y corte de la fibra se ha realizado como paso previo al montaje de un conector óptico, es necesario finalizar con un pulido meticuloso de la superficie transversal de la fibra, con el conector ya engarzado. El material de pulido que se utiliza es un abrasivo (lija) de grano fino, del orden de 0,5 m. El montaje de conectores no es objeto de esta práctica, por lo que no se entra en detalles sobre este proceso. VIII.2.2. Prefusión de los extremos de las fibras La prefusión tiene por objeto que la superficie transversal quede muy ligeramente redondeada (figura E3-4(b)). Este paso se realiza por dos motivos: eliminar las impurezas o residuos que pudieran existir en las caras transversales de las fibras y evitar burbujas de aire dentro de la soldadura. VIII-10 Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas La existencia de burbujas puede producirse aún suponiendo un alineamiento y preparación de los extremos de las fibras perfecto, cuando se procede a la fusión sin haber realizado una prefusión, ya que la fuente de calor que se utiliza (arco voltaico) caliente la fibra de fuera a dentro y posiblemente se fusionarían las cubiertas de las fibras enfrentadas y no los núcleos de las mismas (figura E3-10(c)). Con la prefusión de las caras transversales se consigue que el primer contacto se produzca en el núcleo y la fusión se realizará de dentro a fuera. Como orientación, hay que destacar que la prefusión se realiza con intensidades de arco o tiempos de arco inferiores a los utilizados en la fusión. Como se indica al principio de este apartado, lo que se pretende es hacer un ligero redondeo en el canto de la superficie transversal de la fibra; si se sobrepasa este objetivo y la punta de la fibra queda redondeada, posterior soldadura presentará una excesiva atenuación. Figura E3-10 VIII.2.3. la Alineamiento, Fusión y Protección Las etapas restantes del proceso de soldadura son: Alineamiento de las fibras, situando la zona a fusionar justo en el camino del arco voltaico (figura E3-4(c)). Fusión de las fibras con sus superficies en contacto. Dotación de algún tipo de protección al empalme. Al realizar la soldadura, se ha desprovisto a la fibra de todas sus protecciones por lo que queda expuesta a nuevas roturas. La protección que se utiliza con mayor regularidad es una abrazadera de material termo-elástico en cuyo interior se encuentra un cable de cobre para dar mayor dureza. Esta abrazadera se sitúa en la zona del empalme y se calienta con una fuente de calor moderada. Al ser un material termo-elástico la abrazadera quedará adherida a la fibra. Este proceso no se realiza en esta práctica. VIII-11 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería La figura E3-10 muestra, de forma esquemática, algunos factores que inducen a una soldadura defectuosa. VIII.3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: SOLDADURA Y CONTROL CON EL OTDR 1) Pele y limpie la fibra, siguiendo las instrucciones indicadas en el apartado IX.2.1.a. (Pelado y limpieza de la fibra). Se deben pelar unos 30 mm de fibra. 2) Corte la fibra dejando una longitud desnuda que permita colocarla correctamente en la plataforma de sujeción del soldador (entre 15 y 20 mm.). 3) Levantando las presillas de sujeción, coloque ambos extremos en las correspondientes plataformas y vuelva a bajar las presillas; compruebe que éstas apoyan sobre una zona de fibra con protección adherida. Si lo hacen sobre la fibra desnuda no se sujetará correctamente a la máquina de soldar, debido a su reducido diámetro. Observando por el microscopio, asegúrese que los cortes son suficientemente aceptables. 4) Con el mando de movimiento en la dirección z, sitúe la punta de una de las fibras en el camino del arco y retire ligeramente la otra. Proceda a la prefusión de ese extremo. Debe utilizar una corriente de arco de 75 (AC ADJUST) durante 4 segundos, o aplicar 3 ó 4 descargas breves (el tiempo se controla manualmente presionando simultáneamente los dos mandos de descarga del arco, situados en los laterales del soldador). Para verificar que la punta de la fibra está situada correctamente observe por el microscopio el proceso de prefusión. Repita el paso anterior hasta que observe que la cara transversal de la fibra se ha redondeado ligeramente como se mostraba en la figura E3-4. Se redondean sólo los bordes, no todo el extremo de la fibra. El mando de desplazamiento de la fibra según el eje Z tiene un margen limitado de movimiento, cuando se llega a este límite, emite una señal acústica para indicar que no se debe continuar intentando desplazar la fibra en esa dirección. Si necesita un desplazamiento mayor, deberá mover la fibra de forma manual, para ello presiónela con el dedo, sobre el soporte en “V” para que no se salga del mismo, levante la presilla que la fija y desplácela en la dirección Z, posteriormente vuelva a fijarla con la presilla. VIII-12 Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas Tenga especial cuidado de no manipular cerca del arco voltaico cuando esté en descarga. 5) Retire ligeramente el extremo redondeado y repita la misma operación con el otro extremo de fibra. 6) Acerque las fibras de forma que ambas se puedan visualizar en el microscopio (sin tocarse) y de manera que el enfrentamiento de sus caras quede justamente en el camino del arco voltaico. 7) Proceso de alineación: En la máquina empleada, la alineación está fijada por la situación de las presillas de sujeción. Si observa en el microscopio alguna anomalía en el enfrentamiento de las fibras, sáquelas de la plataforma y vuelva a colocarlas. 8) Conecte uno de los carretes al latiguillo del OTDR y deje libre el otro extremo. Escoja un rango de distancias adecuado (4 km, para abarcar toda la línea) y seleccione el LD de 1300 nm si no lo está ya. Obtenga la traza del OTDR y observe que el final de la traza está a la distancia adecuada (longitud del primer carrete) 9) Con el mando de movimiento en z acerque las fibras de forma que queden enfrentadas en el camino del arco voltaico. Observe y recuerde en qué dirección ha girado los mandos para separar o acercar las fibras. 10) Acerque las fibras hasta que entren en contacto y se presionen levemente (Utilizando el procedimiento manual). Vuelva a obtener la traza del OTDR. Si las fibras están bien enfrentadas debería ver la traza con una longitud suma de los dos carretes. En la intersección de los carretes debería ver un evento reflexivo con pérdidas moderadas. 11) Proceda a la descarga del arco con un tiempo de 2 ó 3 segundos y una intensidad de 85. Al final de la descarga la unión entre las fibras debería ser indistinguible al microscopio. 12) Obtenga la traza del OTDR y localice la soldadura. Debe aparecer en forma de pequeño escalón (es un evento no reflexivo), aproximadamente a la mitad de la distancia de línea (donde antes aparecía el evento reflexivo), ya que ambos carretes tienen parecida longitud. Si en vez del escalón sigue apareciendo un evento reflexivo, repita el procedimiento de descarga y medida tantas veces como sea necesario. VIII-13 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería 13) Mida y anote el nivel de pérdidas existente en la soldadura. Para ello, active alternativamente los cursores A y B, y colóquelos a ambos lados de la soldadura. Tome el dato A–B que ofrece el instrumento en pantalla. Si la medida de atenuación es superior a 0,5 dB repita la descarga. Si no mejora, repita la soldadura desde el principio. Sea consciente de que según vamos dando sucesivas descargas a la unión, ésta va mejorando; mejora que se manifiesta en una mayor uniformidad de la superficie de la zona soldada y una menor atenuación; hasta que llegamos a un punto óptimo, a partir del cuál se deteriora rápidamente la calidad de la soldadura. 14) Una vez concluida la soldadura repita la medida de la atenuación empleando el diodo láser de primera ventana del OTDR. Compare los resultados. POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA RECOJAN TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PRINCIPIO. SUS COMPAÑEROS SE LO AGRADECERÁN. VIII-14 Práctica Opcional IX. Práctica E4: Modos Guiados en Fibras Ópticas En las páginas dedicadas a Fundamentos de las Comunicaciones Ópticas (parte primera de las Prácticas) se daba una explicación simplista del fenómeno del guiado de luz por una fibra. Se explicaban los conceptos de ángulo crítico y de reflexión total, y se llegaba a establecer como condición de guiado que la luz penetrase en la fibra con un ángulo de incidencia comprendido en un cono de aceptación, el cual está caracterizado por su apertura numérica. También se advertía que, al aplicar una teoría electromagnética rigurosa, los planteamientos son diferentes. Para que la luz se guíe se requiere, además, que forme en el interior de la guíaonda una distribución de campo cuya componente transversal sea estacionaria. Se llama modo a cada una de las distintas "formas" en que puede conseguirse tal condición. Su expresión matemática se obtiene resolviendo las ecuaciones de Maxwell correspondientes, con las condiciones de contorno dictadas por el Septiembre 2012 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería confinamiento cilíndrico a que se ve sometida la radiación en una guíaonda circular como es la fibra óptica. El cálculo exacto de la distribución de modos en guíaondas circulares es bastante complicado, a causa del confinamiento existente en dos direcciones ortogonales. Los modos que se originan por esta circunstancia difieren bastante de los simples TE y TM que surgen en GO planas (confinadas en una sola dimensión), y su tratamiento exhaustivo resulta muy laborioso. Afortunadamente existe una aproximación (modos débilmente guiados o weakly-guided modes, WGM) que simplifica el cálculo de forma notable, y que se puede aplicar en todos los casos de interés. Se describen someramente a continuación las “familias” más relevantes de modos en fibras ópticas, y posteriormente se desarrolla el modelo simplificado. IX.1. MODOS EN GUÍAONDAS PLANAS Y CIRCULARES Sea una GO plana en la que se propaga radicación según el eje z, confinada solamente en la dimensión x. Los modos obtenidos tienen una componente Ez o Hz nula, es decir, son transversales eléctricos (TE) o magnéticos (TM). En la Fig. E4-1 se muestra la distribución de Fig. E4-1. Modos en una guíaonda plana simétrica campo de los cuatro primeros modos TE de una GO plana simétrica. El campo tiene una variación armónica en el interior del film o núcleo, y además no está estrictamente confinado al mismo, sino que aparece una componente residual en la cubierta, llamada campo evanescente, que se atenúa exponencialmente con la distancia. Obsérvese que la distribución de campo se desplaza hacia la parte externa al aumentar el orden del modo, y que la componente evanescente crece también. IX.1.1. Modos de cubierta La cubierta no tiene espesor infinito. Si el campo evanescente no se ha hecho nulo (en realidad despreciable) cuando se alcanza la parte externa de la cubierta, el salto de índice de ésta puede llegar a ser condición de contorno, y aparecen modos que se propagan por la cubierta. Este fenómeno se da tanto en GO planas como en fibras. El problema surge porque ni los modos de núcleo ni los de cubierta están estrictamente confinados “a su terreno”, por lo que puede surgir un acoplamiento entre ellos, que IX-2 Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas generalmente se traduce en una pérdida de potencia de los modos guiados en el núcleo, en especial los de orden más alto. En la práctica se suele recubrir la cubierta de la fibra con un material que produzca pérdidas por radiación hacia el exterior, scattering y/o absorción. IX.1.2. Modos con pérdidas o leaky A distancias cortas, la distinción entre modos guiados y no guiados se hace tenue. Una buena parte de modos inclinados no están bien confinados, y van perdiendo potencia durante su propagación. Incluso en modos meridionales, la condición de guiado kn2 kn1 {1} que separa los modos confinados de los no guiados, no es siempre determinante de que la señal luminosa se transporte por modos que cumplen esa condición. Recuérdese que es la constante de propagación, =kn1·sen. Para más detalles, consúltese el apartado Fund II.2. En los modos leaky se cumple que kn2 {2} La mayoría de modos de este tipo desaparece al cabo de unos cuantos cm de fibra, pero algunos con bajas pérdidas pueden “sobrevivir” hasta 1 km. En trayectos cortos, una parte bastante notable de la potencia óptica transportada por la fibra puede deberse a estos modos. IX.1.3. Modos meridionales en fibras ópticas Los modos meridionales en fibras son aquellos que, en comparación con el modelo de rayos, se propagan en el plano que contiene al eje de la FO. Equivalen por tanto a los modos TE y TM de las GO planas, con la salvedad de que se necesitan dos subíndices, l y m, para especificar cada modo, al existir confinamiento en dos dimensiones. Así pues, en FO se hablará de modos TElm y TMlm, en lugar de los TE0 o TE1 de la Figura E4-1. (Nota: En el tratamiento matemático posterior, que se realiza en coordenadas cilíndricas, se emplean como subíndices y m.) IX-3 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería IX.1.4. Modos inclinados o skew Además de los modos meridionales, las FO soportan otros en los que ni Ez ni Hz son nulos. Estos modos híbridos corresponden a trayectorias torcidas o inclinadas (“skew rays”, Fig. E4-2) en modelo de rayos, que describen órbitas helicoidales en la FO. Reciben el nombre de modos HElm o EHlm, dependiendo de si es el campo magnético H Fig. E4-2. IX.1.5. Trayectoria helicoidal de un skew ray o el eléctrico E el que tiene mayor contribución al campo transversal. Modos débilmente guiados La resolución exacta de las ecuaciones de Maxwell que describe la propagación en guíaondas dieléctricas homogéneas y cilíndricas (es decir, en fibras ópticas) es matemáticamente complicada (se deben resolver las seis componentes híbridas del campo electromagnético) y conduce a resultados complejos. Afortunadamente, se puede simplificar considerablemente el tratamiento, con muy pocas pérdidas de exactitud, si se restringe el estudio a las FO empleadas en Comunicaciones Ópticas, o más bien a las FO con una diferencia de índices muy baja, n1–n2 << n1. La condición implica que sólo se guiará radiación con incidencia casi rasante, o lo que es lo mismo, que la apertura numérica NA de la fibra es baja. En tal caso, la distinción entre modos meridionales e inclinados se difumina. La aproximación se denomina de modos débilmente guiados o weakly-guided modes (WGM). Con esta simplificación es preciso resolver sólo cuatro componentes del campo electromagnético, y las expresiones empiezan a ser manejables. IX.1.6. Modos linealmente polarizados La primera consecuencia de la adopción del modelo WGM es la aparición de un nuevo tipo de modos (¡otro más!) denominados modos linealmente polarizados o modos LP. A diferencia de los anteriores, estos modos no son soluciones directas de las E.Max. (a excepción del modo fundamental), sino combinaciones lineales de varias soluciones. Lo que sucede es que, en WGM, los modos HE y EH son “casi” transversales, y en el conjunto de soluciones de modos EH, HE, TE y TM aparecen grupos que tienen constantes de propagación casi idénticas (idénticas en la aproximación). Se dice entonces que los modos están degenerados. Resulta muy conveniente agrupar tales IX-4 Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas modos degenerados como combinación lineal con una constante de propagación común ya que, a todos los efectos, la radiación guiada por cualquiera de los modos del grupo se va a comportar de la misma manera, con independencia del modo concreto que la transporte. En resumen, la adopción de modos LP permite evitar el uso de los modos EH, HE, TE y TM anteriores dentro de la aproximación WGM. En la Tabla I se muestran las correspondencias entre modos exactos y modos LP. Tabla I. Correspondencia entre modos exactos y LP de menor frecuencia de corte Modos LP (ordenados por frecuencia de corte) Modos exactos y número Nº de modos total en el modo LP LP01 HE11 2 2 LP11 TE01, TM01, HE21 2 4 LP21 EH11 2, HE31 2 4 LP02 HE12 2 2 EH21 2, HE41 2 4 LP31 LP12 LP41 LP22 LP03 LP51 LP1m TE02, TM02, HE22 2 EH31 2, HE51 2 EH12 2, HE32 2 HE13 2 EH41 2, HE61 2 TE0m, TM0m, HE2m 2 EHl-1, m 2, HEl+1, m 2 4 4 4 2 4 4 4 LPlm (l0 ó 1) Por lo que respecta a la práctica de laboratorio, los modos que realmente importan son precisamente estos modos LP. Ciertamente no son modos individuales, emanados directamente de las E.Max. Sin embargo, los integrantes de cada modo LP tienen constantes de propagación tan próximas entre sí que resultan imposibles de separar en condiciones normales. Así pues, los modos obtenidos experimentalmente serán siempre combinaciones LP. En la figura E4-4 se pueden observar imágenes de los cuatro primeros modos LP, que serán el motivo de la práctica. IX-5 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Figura E4-4. Los cuatro primeros modos LP En el siguiente apartado se incluye de forma resumida el tratamiento matemático que conduce a la obtención de modos. Partiendo de la E.Max., se llega a la ecuación de onda y se resuelve el caso particular con las condiciones de contorno de la fibra, y la aproximación WGM. Si no desea profundizar en el desarrollo matemático, puede pasar directamente al apartado X.3 . IX.2. RESOLUCIÓN DE LAS ECUACIONES DE LA GUÍAONDA Para estudiar la propagación de ondas electromagnéticas por una guíaonda cilíndrica, parece apropiado utilizar un sistema de coordenadas cilíndricas (r, , z). La propagación de la OEM se hace en el eje z, y las componentes transversales x e y se transforman en r y , lo que permite aprovechar las propiedades de simetría de la GO. La OEM que se propaga por z tiene una dependencia funcional E E0 (r , ) exp j (z t ) {3a} H H0 (r , ) exp j (z t ) {3b} que es armónica en z y t. El parámetro es la constante de propagación, es decir, la componente z del vector de propagación k. En una GO cilíndrica, su valor viene determinado por las condiciones de contorno, las cuales se Fig. E4-5. Coordenadas cilíndricas del sistema. establecen más adelante. Aplicando las E.Max. en coordenadas cilíndricas y separando las componentes, se obtiene para el campo eléctrico: 1 ur r r Er u rE 1 u r z Hr H z t Hz E z {4} de donde se puede establecer un sistema de ecuaciones. En él se han desarrollado los términos /z y /t, que son: IX-6 Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas E jE z {5} E jE t {6} 1 E z jrE jHr r {7a} Las ecuaciones son: E z jEr jH r 1 rE Er jHz r r {7b} {7c} Idéntico cálculo puede hacerse con el campo magnético, obteniendo: 1 Hz jrH jEr r Hz jHr jE r 1 rH Hr jE z r r {8a} {8b} {8c} Este es el conjunto de seis ecuaciones que se mencionaba en un principio, antes de aplicar la aproximación. Como paso previo, las ecuaciones pueden simplificarse por un proceso de reducción de variables. En concreto interesa que las componentes transversales queden expresadas en función de Ez y Hz. Estas son las dos componentes que eventualmente dan cuenta de la propagación. Así, se puede eliminar por ejemplo E entre {7a} y {8b}, permitiendo que la otra componente transversal (Hr) se exprese en función de Ez y Hz. Realizando estas operaciones de forma sistemática se obtiene: IX-7 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Er E Hr H E z H z r r Hz 1 E z j r r 2 H E q z z r r E z 1 H z r r {9} siendo q 2 2 2 k 2 2 . Sustituyendo las dos ecuaciones inferiores en {8c} se obtiene la correspondiente ecuación de onda en coordenadas cilíndricas: 2 E z 1 E z 1 2 E z q 2 Ez 0 r 2 r r r 2 2 {10} y con las otras dos se obtiene la equivalente para Hz: 2 Hz 1 Hz 1 2 Hz q 2 Hz 0 r 2 r r r 2 2 {11} Si se observan las ecuaciones {10} y {11}, se comprueba que Ez y Hz aparecen de forma independiente. Aparentemente, las componentes longitudinales de E y H están desacopladas, y se puede escoger cualquier valor arbitrario de una sin que la otra se afecte. Lo cierto es que aún no hemos impuesto las condiciones de contorno que dicta la propagación por una GO cilíndrica. Si estas condiciones no implicasen, en algún caso, el acoplamiento entre E y H, se podrían obtener soluciones con Ez = 0 (modos TE) o Hz = 0 (modos TM). En los demás casos, si tanto Ez 0 como Hz 0, se obtendrán modos HE o EH, como ya se comentó. Incidentalmente, estos modos híbridos de las GO dieléctricas no aparecen en GO metálicas huecas, que sólo tienen soluciones TE y TM. IX.2.1. Resolución de la Ecuación de Onda en Fibras de Índice Abrupto Para resolver la ecuación {10} se recurre al método de separación de variables. Según este método, supondremos que la solución para Ez tiene la forma Ez AF1 (r ) F2 () F3 (z) F4 (t ) {12} siendo A una constante arbitraria, y F1-4 funciones independientes entre sí de cada una de las variables. IX-8 Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas Los factores F3(z) y F4(t) vienen dados por la propia definición de campo realizada en {3}: F3 ( z) F4 (t ) exp j (z t ) {13} La función F2() puede evaluarse considerando la simetría circular de la GO (al fin y al cabo, para eso utilizamos coordenadas cilíndricas). Se supone implícitamente que la sección de la FO es perfectamente circular y constante y que el perfil de índices tiene simetría radial. Todo ello es bastante exacto en fibras con perfiles especiales. La dependencia funcional ha de ser tal que las componentes del campo no se modifiquen cuando la coordenada se incrementa o decrementa en cantidades múltiplo de 2. Suponemos por tanto una dependencia funcional periódica de la forma: F2 () exp( j) {14} Para cumplir la condición, la constante ha de ser entera, positiva o negativa. La imposición de una condición periódica dictada por la periodicidad del campo da lugar a la aparición de modos (estrictamente, familias de modos). Sustituyendo en la ecuación de onda {10} los factores evaluados hasta ahora, nos queda: 2 F1 1 F1 2 2 q 2 F1 0 r2 r r r {15} En esta ecuación se observa que el factor F1 que nos faltaba, y que contiene la función radial, tiene una dependencia que corresponde a la forma diferencial de las funciones de Bessel. Se puede deducir una ecuación idéntica para Hz. Para la resolución del sistema en una fibra óptica de índice abrupto (FOIA) se va a realizar una suposición adicional, y es que la cubierta se extiende hasta radio infinito. Así la GO que se está estudiando se compone de un núcleo cilíndrico con índice n1, que a una cierta distancia r del eje se transforma bruscamente en n2, el cual se extiende hasta infinito. La suposición se hace necesaria porque, como se veía en la Fig. E4-1, existe un campo no nulo en la frontera con la cubierta, que se va atenuando exponencialmente. Desde un punto de vista matemático estricto, el campo se hace nulo únicamente en el . Así pues, aparecería como condición de contorno adicional el tránsito n2 nx, el recubrimiento exterior de la cubierta, complicando innecesariamente el cálculo. La introducción de esta aproximación no supone errores en la práctica, ya que las FO se suelen construir con cubiertas suficientemente gruesas, de modo que la intensidad de campo en la interfase n2 | nx, es despreciable. IX-9 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Para resolver la ecuación {15} se ha de tener en cuenta que, para cada modo guiado, el campo ha de ser finito en el núcleo, y en concreto para r0, mientras que en la cubierta habrá de tender a 0 cuando r. En estas circunstancias, las soluciones para r<a (siendo a el radio del núcleo) habrán de ser funciones de Bessel de primera clase y orden Fig. E4-6. Funciones J de Bessel de los tres órdenes más bajos. Los cortes por 0 determinan los rangos de los modos. (Fig. E4-6), para las que emplearemos la notación J(ur), siendo u k12 2 k 2 n12 2 {16} Así pues, las expresiones para Ez y Hz en el núcleo quedan como sigue: Ez (r a) AJ (ur ) exp( j) exp[ j (z t )] {17} Hz (r a) BJ (ur ) exp( j) exp[ j (z t )] {18} siendo A y B constantes arbitrarias. En la parte externa (r>a), las soluciones que se adaptan a las condiciones expuestas son las funciones de Bessel modificadas de segunda clase, para las que usaremos la notación K(wr), siendo w 2 k22 2 k 2 n22 {19} Las expresiones para Ez y Hz en la cubierta quedan: Ez (r a) CK ( wr ) exp( j) exp[ j (z t )] {20} Hz (r a) DK ( wr ) exp( j) exp[ j (z t )] {21} Las funciones K de Bessel (Fig. E4-7) tienen la particularidad de que, cuando wr, K(wr) exp(-wr). Para que la expresión tenga sentido físico, se tiene que dar que K (wr)0 para wr. Por consiguiente, w ha de ser positivo. De ahí se deduce w 0 k2 IX-10 {22} Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas que es un límite inferior para . El límite superior viene dado por el comportamiento de J(ur). Para que F1 sea real en el núcleo, u ha de ser real. Por lo tanto k1 {23} Así pues, el rango de soluciones aceptables para es: kn2 k2 k1 kn1 {24} siendo k=2/=/c, la constante de propagación en el vacío, y k1=/v1 y k2=/v2, las respectivas constantes de propagación en ambos medios. IX.2.2. Las Ecuación Modal soluciones para pueden determinarse a partir de las condiciones de contorno. Las componentes tangenciales de Ez y E han de conservarse a uno y otro lado de la interfase, tomando el mismo valor para r=a. Lo mismo sucede para Hz y H. Con ello podemos plantear un sistema ecuaciones de que cuatro permita calcular las cuatro incógnitas A, B, C y D. Así, igualando {17} y {22} para componentes tangenciales (Ez1=Ez2, en r=a Fig. E4-7. dentro=fuera) Funciones K de Bessel de orden más bajo. queda AJ (ua) CK (wa) {25} La componente sale de la segunda ecuación de {9}. El factor q2 dentro del núcleo viene dado por q 2 u2 k 2 n12 2 k12 2 {26} Por otra parte, en la cubierta se cumple w2 2 k22 IX-11 {27} Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Utilizando las ecuaciones {9} con {17} y {18} se puede calcular E1, mientras que si se emplea con {20} y {21} se puede calcular E2. Igualando para r=a j ' A a J (ua) BuJ (ua) j j 2 C K ( wa ) BwK' ( wa ) 0 w a E1 E 2 j u2 {28} donde X’ indica diferenciación respecto al argumento. Idéntico tratamiento puede aplicarse a H, obteniendo un juego equivalente de ecuaciones: BJ (ua) DK ( wa) {29} j ' B a J (ua) A 1uJ (ua) j j 2 D K ( wa ) C 2 wK' ( wa ) 0 w a {30} H 1 H 2 j u2 (Obsérvese que en {28} se utiliza una sola permeabilidad –que será igual a la del vacío– mientras que en {30} se distingue entre 1 y 2.) Componiendo {25}, {28}, {29} y {30} como sistema de ecuaciones se plantea el determinante: J (ua) au 2 J (ua) 0 j 1 ' J (ua) u K ( wa ) 0 j ' J (ua) u J (ua) au 2 aw2 K ( wa ) 0 J (ua) j 2 ' K ( wa ) w 0 j ' K ( wa ) w 0 K ( wa ) aw2 {31} K ( wa ) que se iguala a 0 para encontrar las soluciones. La evaluación de este determinante produce la siguiente ecuación de autovalores para : (J K )(k J k K ) a 2 1 2 2 2 1 1 2 2 w u 2 {32} siendo J J' (ua) uJ (ua) K K' ( wa) wK ( wa) {33} En {24} se imponía un rango de existencia a . En {32} se restringe aún más el panel de valores aceptables de , que queda reducido a una serie de valores discretos dentro del rango mencionado. La ecuación {32} se debe resolver en general por cálculo numérico. Aquí se abordan las soluciones de algunos modos de orden bajo en una FOIA. IX-12 Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas IX.3. MODOS EN FIBRAS DE ÍNDICE ABRUPTO Las funciones J de Bessel tienen un comportamiento oscilatorio amortiguado (Fig. E4-6) que hace que cada una corte por cero m veces, es decir, que cada tenga m raíces. Llamaremos m a estas raíces. Los modos que definen serán TEm, TMm, HEm o EHm (Fig. E-8). En una GO dieléctrica circular, todos los modos son híbridos excepto los de =0. En estos últimos, se anula el miembro derecho de {32} y se obtienen dos ecuaciones: J0 K0 0 {34} k12J0 k22K0 0 {35} y utilizando las relaciones de recurrencia J 0' (r ) J1 (r ) K 0' (r ) K1 (r ) {36} J1 (ua) K ( wa) 1 0 uJ 0 (ua) wK0 ( wa) {37a} k12 J1 (ua ) k22 K1 ( wa ) 0 uJ0 (ua ) wK0 ( wa ) {37b} quedan La primera corresponde a los modos TMom y la segunda a los TE0m. Cuando 0, la solución estricta de {32} ha de hacerse por cálculo numérico, como ya se ha comentado. Existen sin embargo excelentes aproximaciones basadas en la proximidad de índices entre núcleo y cubierta, es decir, en la suposición que soporta la propia aproximación WGM. El tratamiento completo de esta aproximación, demasiado extensa para incluirla aquí, puede encontrarse en: D. Gloge, “Weakly guiding fibers”, Appl. Opt. 10, 2252 (1971), y en: A.W. Snyder, “Asymptotic expressions for eigenfunctions and eigenvalues of a dielectric or optical waveguide”, Trans. IEEE Microw. Theory Tech. MTT-17, 1130 (1969). El tipo de soluciones obtenidas en esta aproximación permite establecer relaciones como: u J 1 (ua ) K ( wa ) w 1 J (ua ) K ( wa ) IX-13 {38} Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería que conducen eventualmente a la definición de modos LP. Estos modos, que no son valores propios (autovalores), sino combinaciones lineales de éstos, se deberían aplicar desde un punto de vista estricto a modos degenerados (es decir, con idéntica ). Las combinaciones escogidas corresponden a modos que son degenerados dentro de la aproximación; por utilización modos de lo tanto, la LP será Fig. E4-8. Soluciones exactas HE, EH, TE y TM obtenidas en una FOIA, en función de la frecuencia normalizada aceptable o no dependiendo de lo V. Obsérvese cómo se asocian uno o varios modos con constantes de propagación muy similares para formar modos LP. buena que la propia aproximación sea, lo cual depende en último término de la proximidad de los índices de núcleo y cubierta. Tabla II. Condiciones de corte de los modos exactos en una GO circular Índice Modo Condición de corte 0 TE0m, TM0m J 0 ( ua ) 0 1 HE1m, EH1m J1(ua ) 0 >1 EHm J ( ua ) 0 HEm n12 ua J ( ua ) 2 1 J 1( ua ) 1 n2 IX.3.1. Condiciones de Corte para los Modos Para calcular el corte de un modo concreto, utilizaremos el criterio siguiente: cuando el modo comience a no quedar confinado en el núcleo diremos que está al corte, ya que ha dejado de ser un modo guiado. Ese criterio es equivalente a calcular las condiciones para las que la intensidad de campo en la cubierta deja de decaer al aumentar el radio. Así, según la condición {27}, se puede calcular {37} para w20. Las ecuaciones obtenidas son también bastante complicadas, por lo que se indicarán simplemente las condiciones de corte de los modos (Tabla II). Obsérvese que el corte viene dictado por el valor de , independientemente de m. IX-14 Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas Las condiciones de corte pueden expresarse en función de la frecuencia normalizada, también llamada parámetro V: V 2a n 2 1 n22 2a NA {39} siendo NA la apertura numérica. Asimismo se puede relacionar con u y w: V a u 2 w2 {40} Fig. E4-9. Diagrama b-V de modos LP para fibras ópticas de índice abrupto. Los puntos b=0 representan las frecuencias de corte de cada modo. El modo LP 01 carece de frecuencia de corte. El siguiente modo (LP11) corta a V=2,405. La FO, pues, es monomodo hasta esa V. siendo a el radio del núcleo. V puede utilizarse también para medir el número de modos que una FO puede soportar. Para ello se usa una representación normalizada, que ya se vio en la Sección Fundamentos de las CCOO, llamada diagrama b-V. El parámetro b, llamado constante de propagación normalizada, se define como: b a 2 w 2 ( / k ) 2 n22 V2 n12 n22 IX-15 {41} Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería IX.3.2. Diagrama b-V de los modos LP En resumen, el diagrama de la figura E4-8 se suele expresar comúnmente en función de parámetros normalizados. El resultado es un diagrama b-V como el de la Fig. E4-9. En esta figura, además, se han introducido modos LP, combinaciones lineales de los modos de la anterior figura agrupados del modo que se mostraba en la misma. Cada modo es guiado a partir de un valor concreto de V. Los modos se cortan cuando =kn2 (esto es, cuando b=0). El modo HE11 carece de frecuencia de corte; sólo deja de propagarse cuando se hace cero el diámetro del núcleo. Los números de los cuadros de la figura corresponden a índices m de los modos LP. Para saber de qué modos exactos procede cada modo LP, basta con observar el valor de , tal como se puede comprobar en la Tabla III. Nótese que sólo aparecen modos TE y TM con Tabla III. Modos que intervienen en la combinación lineal de cada modo LP . Índice del modo LP TE TM HE EH 0 -- -- 1 -- 1 0 0 2 -- >1 -- -- +1 –1 =0, es decir, pertenecientes a la curva J0 de Bessel (véase {34}). Es interesante relacionar los valores obtenidos aquí con una gráfica normalizada de las funciones de Bessel (Fig. E4-10). Se observa que cada frecuencia de corte corresponde al paso por cero de una determinada curva. Por ejemplo, el modo LP02 comienza a existir a partir de V=3,83, primer corte de J1 por cero, mientras que el modo LP12 existe a partir de V=5,52, segundo corte de J0 por cero. Tanto en esta figura como en la anterior se advierte que existe un valor de V por debajo del cual sólo se propaga un modo. Este valor es V=2,405. Cualquier FO cuya frecuencia normalizada V sea inferior se comportará como monomodo. IX-16 Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas Así pues, para conseguir una fibra óptica monomodo basta con reducir su parámetro V por debajo de 2,4. Según la expresión de este parámetro que se daba en {39}, para reducirlo se puede: Reducir el radio del núcleo de la fibra. Reducir la apertura numérica NA, aproximando los índices de núcleo y cubierta. Fig. E4-10. Los cortes por cero de las funciones J de Bessel determinan las frecuencias de corte de Aumentar la longitud de los modos. onda. Una FO monomodo actual tiene un núcleo con un diámetro entre 4 y 9 m (unas pocas longitudes de onda). La diferencia de índices es también muy baja, n0,10,2%. La longitud de onda suele venir predeterminada por la aplicación, por lo que no suele ser un parámetro con el que se pueda contar en este contexto. En todo caso, conviene recordar que una FO monomodo en 3ª ventana, por ejemplo, no es necesariamente monomodo en 2ª ó 1ª ventana. Expresado de otra forma, para calificar una FO de monomodal hay que especificar la longitud de onda a que se trabaja; cualquier FO deja de ser monomodo reduciendo lo suficiente. IX.3.3. Selección de FOs para la práctica Tomaremos como ejemplo las fibras utilizadas en la práctica. Para el diseño de una práctica de visualización de modos, se necesita una fibra que guíe unos pocos modos, suficientes para que la práctica tenga sentido, pero no demasiados, para que puedan separarse. Es difícil encontrar FO comerciales que guíen tres o cuatro modos: o son monomodo, o son multimodo y guían centenares de modos. Lo que sí puede hacerse es aprovechar fibras diseñadas para otra longitud de onda. En esta práctica interesa utilizar radiación visible de 632,8 nm (láser de He-Ne). Si se escoge una fibra monomodo en segunda ventana: AN = 0,11 Ø núcleo = 8m IX-17 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería El cálculo de V (ver {39}) es 2,11 para esa longitud de onda (1310 nm). Como V es inversamente proporcional a , aumenta hasta V = 4,37 a 632,8 nm. Llevado al diagrama b-V, se observa que a esa se guían los 4 primeros modos LP, que son los mostrados en la Figura E4-4. IX.3.4. Modos e intensidad luminosa Los modos guiados de una FO son soluciones matemáticas que predicen distribuciones de campo eléctrico aceptables dentro de las condiciones establecidas por el medio dieléctrico y el confinamiento. Sería de esperar que tales soluciones se correspondieran con algo más tangible, como es la distribución de potencia luminosa en el plano transversal de la FO. La cuestión tiene dos facetas: la propia distribución transversal de potencia y el transporte de dicha potencia luminosa por la FO. Este segundo aspecto no se trata aquí. Por lo que respecta a la distribución, conviene recordar que el hecho de que una guía soporte un determinado modo no significa necesariamente que dicho modo contenga energía luminosa. En la práctica modificaremos la propagación en la fibra para hacer que la potencia se guíe preferentemente por uno u otro modo Identificación de modos por su distribución luminosa Como curiosidad, es posible saber qué modo LP corresponde a una determinada distribución transversal de luz. Recuérdese para ello que el índice del modo aparece ligado a la dependencia angular (variable ) mientras que m, asociado a cortes en funciones de Bessel, es un índice radial. El primero de los índices, , se calcula contando el número de máximos de intensidad que aparecen en una vuelta completa a la sección, tomando como centro el eje de la FO. El índice es la mitad del resultado 2 (nótese que el número de máximos de intensidad es el doble que el de campo, ya que va con |E| ). El segundo es el número de máximos que corta un radio desde el centro hasta la interfase con la cubierta. Cuando se acopla un emisor a una fibra, se excitan unos modos más que otros, dependiendo del perfil de emisión de la fuente, de las condiciones del acoplo, y de las características de la fibra. En teoría se puede llegar a excitar específicamente un modo, con lo que un corte transversal de la fibra presentaría una distribución de intensidad como las de la figura E4-11 (¡suponiendo que se guiasen!). Sin embargo, es importante percatarse de que la teoría de modos desarrollada hasta aquí supone implícitamente que la GO es perfecta (lo que no está muy lejos de la realidad) y que es perfectamente recta (lo que ya resulta bastante menos creíble excepto en experimentos de laboratorio). IX-18 Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas Cualquier imperfección o curvatura de la FO genera un nuevo juego de modos que se haría cargo de la potencia transmitida por el hipotético modo solitario. Este tipo de reparto se denomina termalización puesto que equivale a la migración de calor entre una parte fría y otra caliente de un material o fluido. El mismo mecanismo excita ocasionalmente modos no guiados, influyendo en la atenuación de la FO Fig. E4-11. Boceto de la intensidad luminosa que se observaría en un corte transversal de una FO si sólo se excitase un modo. (pérdidas en curvaturas por encima de radio crítico, por ejemplo). Por esta razón, la distribución luminosa que se observa en el extremo de una FO suele carecer de los máximos radiales y circulares predichos por la teoría de modos, aunque en laboratorio pueden llegar a separarse al menos en trayectos cortos. Por ejemplo: puede variarse el ángulo de incidencia, y aprovechar la dependencia con el ángulo de las constantes de propagación. también puede recurrirse al uso de polarizadores. Al ser linealmente polarizados, unos modos LP son ortogonales respecto a otros, pudiendo visualizarse por separado sin más que interponer un polarizador entre la fibra y la pantalla de proyección. IX-19 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Desarrollo de la Práctica MATERIAL NECESARIO 2 Láseres He-Ne rojos (632,8 nm) 1 Soporte fibra FC 1 Láser He-Ne verde (543,5 nm) 1 Soporte fibra desnuda 1 Caja de emisores 1 Cable coaxial RCA - RCA (2,5 m) 1 Kit de acoplo a fibra desnuda 1 Cordón de Fibra SM (1300 nm) 2 Kits de acoplo He-Ne FC 1 Cordón de Fibra SM (visible) 1 Cámara de vídeo 1 Cinta métrica 1 Ordenador con tarjeta capturadora de vídeo Introducción al manejo de la cámara Durante el desarrollo de esta práctica se utilizará una webcam con visión infrarroja para capturar las imágenes obtenidas. Sobre el objetivo de la cámara se ha colocado un difusor graduado sobre el que se proyectarán los patrones de campo lejano. Para manejar la obtención de imágenes en la webcam debe abrir el programa Webcam Station Evolution SE, cuyo icono se puede encontrar en el escritorio. Al abrir el programa, se pueden ver dos ventanas colindantes: a la izquierda la visión de la cámara, y a la derecha la ventana Captura, que muestra la estructura de directorios donde se puede almacenar la captura de las imágenes, y el botón que permite ejecutar dicha captura. IX-20 Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas Para configurar la cámara debe pulsarse el icono del programa con forma de “sol” situado en el lateral izquierdo del programa. Esto abrirá la ventana de Ajustes de video. En este cuadro de diálogo puede configurarse la obturación de la cámara (en Exposición), brillo, contraste, modo visión nocturna… y otros parámetros necesarios para obtención de las imágenes. IX-21 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería Las imágenes recogidas por la cámara no deben estar saturadas. Para ello, cuando proyecte la salida de una fibra sobre el difusor del objetivo debe ajustar el obturador hasta que no haya zonas blancas. En caso contrario las medidas realizadas serían erróneas. IX.4. VISUALIZACIÓN DE MODOS TRANSMITIDOS EN UNA FIBRA Objetivo: El objetivo de esta práctica es confirmar visualmente los patrones de campo permitidos en la propagación de radiación luminosa por una fibra. Para ello, es necesario seleccionar la propagación individual de cada uno de los modos. Se puede conseguir, como ya se ha comentado, gracias a que cada modo se propaga con un ángulo diferente. De esta forma, seleccionando adecuadamente el ángulo con el que se enfoca el haz procedente del láser sobre la superficie transversal de la fibra, se logra la propagación predominante de un modo específico (de los posibles guiados). Si se utilizan fibras de mayor radio; sin embargo, al permitir la propagación de un número elevado de modos, resulta más complicado seleccionar la propagación individual de cada uno de ellos. La obtención de la configuración de campo eléctrico se realiza mediante la técnica denominada de Campo Cercano. La diferencia entre un patrón de campo lejano o cercano, está relacionada con la distancia que existe entre la salida de la fibra óptica y el plano de observación. Si el objetivo de esta práctica fuera la "medida" de los patrones de campo, deberíamos colocar la pantalla de observación prácticamente pegada a la salida de la fibra, o bien una lente que amplificara la imagen obtenida justo en la cara final de la fibra. No obstante, como el objetivo perseguido es una "visualización" de las formas modales, se puede situar la pantalla a una distancia arbitraria sin perjuicio de la forma modal (aunque probablemente la distribución puntual de potencia haya cambiado). Método de medida Acoplando un láser de He-Ne al extremo de una fibra monomodo (1300nm) desnuda mediante un kit de acoplo, y proyectando el otro extremo en una pantalla situada en el objetivo de la cámara. Se utilizan lentes como elementos auxiliares. El alineamiento completo del sistema de generación de modos puede ser lento y engorroso. Para facilitar la tarea, el sistema se entrega dentro de los rangos de alineamiento necesarios para localizar los modos. Así pues, no realice grandes excursiones con los manipuladores. Se recomienda mover lentamente los controles, y buscar los patrones en recorridos cortos. IX-22 Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas Procedimiento Experimental 1. En primer lugar es necesario acoplar el haz procedente del láser de He-Ne a una fibra con las características indicadas en el apartado X.3.3 mediante el Kit de acoplo F-916. Como no se realiza ninguna medida de potencia, el acoplo se considerará óptimo cuando se observe en la pantalla un patrón de campo de un rojo intenso, correspondiente a alguno de los patrones mostrados en la en la figura E4-4. 2. En principio, proyecte el patrón de salida sobre una pantalla utilizando los postes y bases necesarios. Observe y dibuje patrón de campo obtenido. 3. Proyectando el patrón de campo sobre el objetivo de la cámara digitalice la configuración observada. 4. Varíe el ángulo de incidencia del haz de entrada manipulando alguno de los mandos del Kit de acoplo F-916. Se recomienda una variación muy lenta y secuencial de los mandos para no perder la señal. Con este procedimiento debe conseguir la propagación individual de cada uno de los cuatro modos de menor orden. Dibuje y digitalice las imágenes que obtiene. 5. Vuelva a jugar con los mandos hasta conseguir una distribución de campo que crea que corresponde a la propagación de dos modos. Coloque la lámina polarizadora detrás de la fibra de salida y gírela lentamente hasta visualizar y digitalizar cada uno de los modos dependiendo de la posición de giro de la lámina. Mediante este procedimiento aísle los modos de la figura E4-4. Nota: Grabe todos los ficheros que digitalice en el “escritorio”, cópielos en un disquete al finalizar la práctica y bórrelos del “escritorio” a continuación. IX.5. MEDIDA DE LA APERTURA NUMÉRICA EN UNA FIBRA MONOMODO (1300 NM) A DISTINTAS LONGITUDES DE ONDA Objetivo: Medida de la apertura numérica de una fibra monomodo a dos longitudes de onda: 543 nm, y 820 nm. Para poder realizar la medida en primera ventana es necesario utilizar la cámara en modo Nighshot. Método de medida: Acoplando un cordón monomodo a 1.300 nm a la salida FC de un láser verde y de un diodo de primera ventana de la caja de emisores y proyectando la imagen sobre la pantalla. La apertura numérica se calcula por la relación entre el tamaño de la imagen proyectada y la distancia del extremo de la fibra a la pantalla. AN a 820 nm 1. Conecte un extremo del cordón monomodo (amarillo) al LED de 820 nm de la caja de emisores y el otro extremo al soporte de proyección. IX-23 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería 2. Proyecte la salida sobre una pantalla y anote si se observa algo. 3. Varíe la velocidad del obturador de la cámara hasta que la imagen esté completamente oscura. 4. Active la iluminación nocturna. 5. Enfoque el extremo situado en el soporte de proyección al objetivo de la cámara. 6. Ajuste la velocidad del obturador de la cámara hasta que la imagen no esté saturada. 7. Mida el tamaño de la imagen proyectada y la distancia desde el extremo de la fibra a la pantalla de proyección. Puede ser necesaria la utilización de una campana para eliminar la luz ambiente 8. Calcule la apertura numérica a dicha longitud de onda. 9. Suba la corriente de polarización del LED al máximo. 10. Repita los apartados 6, 7, y 8, del ejercicio anterior. 11. Desactive la iluminación nocturna. 12. Baje al mínimo la corriente de polarización del LED y desmonte el cordón del extremo de la caja de emisores. Valor típico AN: 0,09 AN a 543 nm 1. Conecte un extremo del cordón monomodo (amarillo) al láser verde y el otro extremo al soporte de proyección. 2. Abra el obturador del láser. 3. Proyecte el extremo de salida sobre una pantalla. Dibuje la distribución modal observada. 4. Utilice la lámina polarizadora, deberá ser capaz de ver, al menos, variaciones de luminosidad. Comente por qué no es capaz de separar completamente los modos. 5. Ajuste la velocidad del obturador de la cámara hasta que la imagen no esté saturada. 6. Mida el tamaño de la imagen proyectada y la distancia desde el extremo de la fibra a la pantalla de proyección. 7. Calcule la apertura numérica a dicha longitud de onda. Valor típico: 0,11 8. Intente separar diferentes modos y aislar alguno de los que observó en la práctica anterior. Digitalice las imágenes obtenidas. 9. Cierre el obturador del láser. IX-24 Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas 10. Desmonte el cordón de la salida del láser. 11. A partir de los valores de apertura numérica calculados y conociendo que el radio del núcleo de la fibra es de 5 micras calcular cuantos modos es posible acoplar a 543 nm. v= nº de modos= IX.6. . MEDIDA DE LA APERTURA NUMÉRICA EN UNA FIBRA MONOMODO EN EL VISIBLE Objetivo: Medida de la apertura numérica de una fibra monomodo en visible a 543,5 nm. Método de medida Acoplando un cordón monomodo en visible (cordón de color verde) a la salida FC de un láser verde y proyectando la imagen sobre una pantalla situada sobre el objetivo de una cámara. La apertura numérica se calcula de modo análogo al apartado anterior. 1. Conecte un extremo del cordón monomodo (verde) al láser verde y el otro extremo al soporte de proyección. 2. Abra el obturador del láser. 3. Ajuste la velocidad del obturador de la cámara hasta que la imagen no esté saturada. 4. Mida el tamaño de la imagen proyectada y la distancia desde el extremo de la fibra a la pantalla de proyección. 5. Calcule la apertura numérica a dicha longitud de onda. Valor típico0,08 6. A partir del cálculo de la apertura numérica realizado y sabiendo que el radio del núcleo de la fibra utilizada es de 2 micras calcule cuantos modos sería posible acoplar a dicha longitud de onda. v= nº de modos= . 7. Cierre el obturador del láser. 8. Desmonte el cordón y deje todo como lo encontró. IX.7. VISUALIZACIÓN DE UN PATRÓN DE SPECKLE Cuando una radiación luminosa coherente (láser) se introduce en una fibra multimodo, en ésta se excitan un número determinado de modos que se transmitirán por ella. Cada modo se propagará con una fase relativa respecto al resto pudiendo interferir constructiva o IX-25 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica y Bioingeniería destructivamente entre ellos en cualquier plano perpendicular a la trayectoria de transmisión de la fibra. Recuerde que la luz asociada con una emisión estimulada, como es el caso de un láser, está en fase. El tiempo en el cual la onda se mantiene continuamente en fase se denomina tiempo de coherencia, c, y depende del ancho espectral de la fuente. La distancia a lo largo de la dirección de propagación sobre la cual la radiación permanece en fase se denomina longitud de coherencia, lc. Así, el patrón de radiación que se puede observar al final de la fibra adopta una forma peculiar, compuesta por multitud de pequeñas manchas que se denominan “speckles”. El número de speckles presentes en el patrón speckle es proporcional al número de modos que se están propagando por la fibra ya que cada speckleel se corresponde con la interferencia de un par de modos específico. Después de una distancia de propagación suficiente la dispersión modal puede producir un retardo de propagación relativo entre varios modos que exceda el tiempo de coherencia de la luz. Si esto sucede, el patrón speckle observado tendrá un fondo con un nivel de radiación uniforme. Por otro lado, los modos que se propagan por la fibra, debido a imperfecciones estructurales de ésta o a causas externas a ella, pueden intercambiar parte de la energía que portan produciéndose lo que se denomina acoplo entre modos. Este intercambio de energía repercutirá en el patrón de speckle obtenido haciéndolo inestable en el tiempo. El hecho de que se genere un patrón de speckle, por sí mismo no presenta perjuicios significativos en las prestaciones de un sistema de comunicaciones ópticas. Pero este fenómeno, unido a la existencia de puntos donde se produzcan algún tipo de variación temporal en las características de propagación modal (por ejemplo, empalmes o acoplos entre fibras) genera lo que se conoce como ruido modal. El ruido modal puede llegar a ser un parámetro de considerable importancia en el diseño de un sistema de transmisión, particularmente en sistemas analógicos donde se requiere una elevada relación señal-ruido. Objetivo: Observar el patrón de campo generado al final de una fibra multimodo cuando a través de ella se transmite una luz altamente coherente (láser). IX-26 Práctica E4: Modos en Fibras Ópticas Método de medida: Acoplar la luz procedente de un láser verde a una Fibra una fibra multimodo y proyectar el patrón de salida sobre una pantalla. 1. Conecte un extremo del cordón multimodo al láser verde y el otro extremo al soporte de proyección. 2. Abra el obturador del láser. 3. Proyecte la radiación de salida de la fibra sobre una pantalla y observe el Patrón generado. 4. Compruebe la variación del Patrón de Speckle con variaciones en el camino de transmisión. Para ello mueva el cordón de fibra al tiempo que observa el patrón. POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA DEJE EL PUESTO TAL COMO LO ENCONTRÓ. NO APAGUE EL ORDENADOR NI CIERRE LOS SHUTTER DE LOS LÁSERES. APÉNDICE 1: 1. Fuera del TRATAMIENTO NUMÉRICO ALMACENADAS laboratorio, el alumno podrá Y GRÁFICO DE LAS IMÁGENES realizar representaciones gráficas (bidimensionales o tridimensionales) del perfil de la distribución de energía luminosa. Se recomienda realizarlo con Matlab mediante el procedimiento siguiente: Copiar el archivo “archivo.bmp” en el directorio \MATLAB\toolbox\matlab\iotun Teclear en la línea de comandos de Matlab: >> a=imread (‘archivo’,’bmp’); esto nos guarda una matriz (a) de valores de intensidad luminosa del fichero “archivo.bmp”. 2. Las imágenes que no se vayan a utilizar para medidas de perfil de distribución de energía se recomienda guardarlas en baja resolución en formato PDF. Para ello se utilizará una impresora virtual Adobe, que guarda el contenido de la pantalla en disco con formato PDF. Para imprimir sobre la impresora Adobe, se abrirá la imagen guardada con cualquier programa de gráficos y se utilizará el comando “Imprimir” del Menú “File”. IX-27 Anexo Manual LCOP ANEXO: HOJAS DE CARACTERÍSTICAS En las siguientes páginas se encuentran las hojas de características de algunos de los componentes utilizados en las Prácticas. Con el fin de ilustrar los diferentes tipos de información que es posible manejar, se han incluido tres tipos de características: A) Normativa que debe cumplir un componente, como por ejemplo, la fibra. B) Características genéricas de una serie de componentes, dadas por su catálogo, como en el caso de emisores y receptores, y C) Características concretas de un componente, medidas por el fabricante, como en el caso de los acopladores y WDMs. En algunos casos (los láseres) se han incluido características de los tipos B y C. A continuación se incluye una lista de los componentes cuyas características se adjuntan y sus nombres comerciales y/o fabricantes: Componente Referencia Página Fibra monomodo Fibra multimodo Fibra de plástico (POF) Red de difracción de Bragg en fibra Categoría 2 Categoría 0 HFBR-R 3M Fiber Bragg Grating Technologies A3 A7 A 11 A 13 LED 650 nm LED 820 nm LED 1300 nm Láser 1300 nm Láser 1300 nm Láser 1550 nm VCSEL 850nm HFBR-1527 HFBR-1414T HFBR-1312T LST2525 FU-423SLD F3 FU-627SLD F1 HFE4080 A 17 A 21 A 29 A 37 A 41 A 43 A45 Receptor 650 nm Receptor 820 nm Receptor 1300 nm PIN 1300 nm HFBR-2526 HFBR-2416 HFBR-2316T PDT O411 A 49 A 53 A 34 A 57 WDM Acoplador 50/50 Intelnet Intelnet A 59 A 61 1 of 62 Manual del Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Anexo Componentes Anexo Manual LCOP A2 2 of 62 Anexo Manual LCOP 3 of 62 Anexo Manual LCOP 4 of 62 Anexo Manual LCOP 5 of 62 Anexo Manual LCOP 6 of 62 Anexo Manual LCOP 7 of 62 Anexo Manual LCOP 8 of 62 Anexo Manual LCOP 9 of 62 Anexo Manual LCOP 10 of 62 Anexo Manual LCOP Plastic Optical Fiber and HCS® Fiber Cable and Connectors for Versatile Link HFBR-RXXYYY Series (POF) HFBR-EXXYYY Series (POF) HFBR-HXXYYY Series (HCS) HFBR-VXXYYY Series (HCS) Technical Data • Compatible with HP Versatile Link Family of Connectors and Fiber Optic Components • 1 mm Diameter Plastic Optical Fiber (POF) in Two Grades: Low Cost Standard POF with 0.22 dB/m Typical Attenuation, or High Performance Extra Low Loss POF with 0.19 dB/m Typical Attenuation • 200 µm Diameter Hard Clad Silica (HCS®) Fiber with 8 dB/km Typical Attenuation, Riser or Plenum Rated Jackets, Superior Mechanical Strength Applications • Industrial Data Links for Factory Automation and Plant Control • Intra-System Links; Boardto-Board, Rack-to-Rack • Telecommunications Switching Systems • Computer-to-Peripheral Data Links, PC Bus Extension • Proprietary LANs • Digitized Video • Medical Instruments • Reduction of Lightning and Voltage Transient Susceptibility • High Voltage Isolation Cable Description The HFBR-R/EXXYYY series of plastic fiber optic cables are constructed of a single step-index fiber sheathed in a black polyethylene jacket. The duplex fiber consists of two simplex fibers joined with a zipcord web. Standard attenuation and extra low loss POF cables are identical except for attenuation specifications. The HFBR-H/VXXYYYY series of hard clad silica fiber optic cables are constructed of a single step index pure silica HCS® fiber sheathed in a blue polyvinyl chloride jacket. The duplex fiber consists of two simplex fibers joined with a zipcord web. Riser and Plenum rated HCS® fiber cables are identical except for jacket materials. Polyethylene jackets on all plastic fiber cables comply with UL VW-1 flame retardant specifications. 1000 POF 100 dB/km Features HCS 10 1 620 640 660 680 700 WAVELENGTH – nm Typical POF and HCS Attenuation PVC jackets on HCS® cables are either UL Riser rated or UL Plenum rated. All series of cables are available in unconnectored or connectored options. Refer to the Ordering Guide for part number information. HCS® is a registered trademark of SpecTran Corporation. 11 of 62 5963-3711E (1/97) 245 Anexo Manual LCOP Plastic Optical Fiber Specifications: HFBR-R/EXXYYY Absolute Maximum Ratings Parameter Symbol Min. Max. Unit Storage and Operating Temperature Recommended Operating Temperature Installation Temperature Short Term Tensile Single Channel Force Dual Channel Short Term Bend Radius Long Term Bend Radius Long Term Tensile Load Flexing TS,O TO TI FT FT r r FT -55 -40 -20 +85 +85 +70 50 100 °C °C °C N N mm mm N Cycles 25 35 1 1000 Note 1 2 3, 4 4 Mechanical/Optical Characteristics, TA = -40 to +85°C unless otherwise specified. Symbol αO αR NA DC DJ l/v IL n Min. 0.15 Typ.[5] 0.22 Max. 0.27 0.15 0.19 0.23 0.12 0.19 0.24 0.12 0.16 0.19 0.46 0.94 2.13 0.47 1.00 2.20 5.0 5.3 12 1.492 1.417 0.50 1.06 2.27 Notes: 1. Installation temperature is the range over which the cable can be bent and pulled without damage. Below -20°C the cable becomes brittle and should not be subjected to mechanical stress. 2. Short Term Tensile Force is for less than 30 minutes. 3. Short Term Bend Radius is for less than 1 hour nonoperating. 4. 90° bend on 25 mm radius mandrel. Bend radius is the radius of the mandrel around which the cable is bent. 5. Typical data are at 25°C. 6. Propagation delay constant is the reciprocal of the group velocity for propagation delay of optical power. Group velocity is v=c/n where c is the velocity of light in free space (3xl08 m/s) and n is the effective core index of refraction. 7. Note that αR rises at the rate of about 0.0067 dB/°C, where the thermal rise refers to the LED temperature changes above 25°C. Please refer to Figure 1 which shows the typical plastic optical fiber attenuation versus wavelength at 25°C. Unit dB/m Condition Source is HFBR-15XX (660 mm LED, 0.5 NA) = 50 meters dB/m Source is 650 nm, 0.5 NA monochrometer, = 50 meters Note 7, Figure 1 >2 meters mm mm ns/m g/m nA Simplex Cable Note 6 Without Connectors 50 kV, = 0.3 meters 500 αR – ATTENUATION – dB/km Parameter Cable Standard Cable, Attenuation Type "R" Extra Low Loss, Type "E" Reference Standard Cable, Attenuation Type "R" Extra Low Loss, Type "E" Numerical Aperture Diameter, Core and Cladding Diameter, Jacket Propagation Delay Constant Mass per Unit Length/Channel Cable Leakage Current Refractive Index Core Cladding 400 300 200 100 620 640 660 680 700 λ – WAVELENGTH – nm Figure 1. Typical POF Attenuation vs. Wavelength. 12 of 62 246 Anexo Manual LCOP 13 of 62 Anexo Manual LCOP 14 of 62 Anexo Manual LCOP 15 of 62 Anexo Manual LCOP 16 of 62 Anexo Manual LCOP 125 Megabaud Versatile Link Transmitter HFBR-15X7 Series Description The HFBR-15X7 transmitters incorporate a 650 nanometer LED in a horizontal (HFBR-1527) or vertical (HFBR-1537) gray housing. The HFBR-15X7 transmitters are suitable for use with current peaking to decrease response time and can be used with HFBR-25X6 receivers in data links operating at signal rates from 1 to 125 megabaud over 1 mm diameter plastic optical fiber or 200 µm diameter hard clad silica glass optical fiber. Refer to Application Note 1066 for details for recommended interface circuits. GROUND ANODE CATHODE GROUND GROUND 1 2 3 4 GROUND SEE NOTE 6 Absolute Maximum Ratings Symbol Min. Max. Unit Storage Temperature Parameter TS -40 85 °C Operating Temperature TO -40 70 °C Lead Soldering Temperature 260 °C Cycle Time Transmitter High Level Forward Input Current 10 s IF,H 120 mA Transmitter Average Forward Input Current IF,AV 60 mA VR 3 V Reverse Input Voltage Reference Note 1 50% Duty Cycle ≥ 1 MHz CAUTION: The small junction sizes inherent to the design of this component increase the component's susceptibility to damage from electrostatic discharge (ESD). It is advised that normal static precautions be taken in handling and assembly of this component to prevent damage and/or degradation which may be induced by ESD. WARNING: WHEN VIEWED UNDER SOME CONDITIONS, THE OPTICAL PORT MAY EXPOSE THE EYE BEYOND THE MAXIMUM PERMISSIBLE EXPOSURE RECOMMENDED IN ANSI Z136.2, 1993. UNDER MOST VIEWING CONDITIONS THERE IS NO EYE HAZARD. 17 of 62 22 Anexo Manual LCOP Electrical/Optical Characteristics 0 to 70°C, unless otherwise stated. Parameter Symbol Min. Typ.[2] Max. Unit Condition Note Transmitter Output Optical Power, 1 mm POF PT -9.5 -10.4 -7.0 -4.8 -4.3 dBm IF,dc = 20 mA, 25°C 0-70°C Note 3 Transmitter Output Optical Power, 1 mm POF PT -6.0 -6.9 -3.0 -0.5 -0.0 dBm IF,dc = 60 mA, 25°C 0-70°C Note 3 Transmitter Output Optical Power, 200 µm HCS® PT -14.6 -15.5 -13.0 -10.5 -10.0 dBm IF,dc = 60 mA, 25°C 0-70°C Note 3 Output Optical Power Temperature Coefficient ∆PT ∆T Peak Emission Wavelength λPK Peak Wavelength Temperature Coefficient ∆λ ∆T 0.12 nm/°C FWHM 21 nm Full Width, Half Maximum V IF = 60 mA Spectral Width Forward Voltage VF -0.02 640 1.8 650 2.1 dB/°C 660 2.4 nm Forward Voltage Temperature Coefficient ∆VF ∆T -1.8 Transmitter Numerical Aperture NA 0.5 Thermal Resistance, Junction to Case θjc 140 °C/W Reverse Input Breakdown Voltage VBR 13 V IF,dc = -10 µA Diode Capacitance CO 60 pF VF = 0 V, f = 1 MHz Unpeaked Optical Rise Time, 10% - 90% tr 12 ns IF = 60 mA f = 100 kHz Figure 1 Note 5 Unpeaked Optical Fall Time, 90% - 10% tf 9 ns IF = 60 mA f = 100 kHz Figure 1 Note 5 3.0 mV/°C Note 4 Notes: 1. 1.6 mm below seating plane. 2. Typical data is at 25°C. 3. Optical Power measured at the end of 0.5 meter of 1 mm diameter plastic or 200 µm diameter hard clad silica optical fiber with a large area detector. 4. Typical value measured from junction to PC board solder joint for horizontal mount package, HFBR-1527. θjc is approximately 30°C/W higher for vertical mount package, HFBR-1537. 5. Optical rise and fall times can be reduced with the appropriate driver circuit; refer to Application Note 1066. 6. Pins 5 and 8 are primarily for mounting and retaining purposes, but are electrically connected; pins 3 and 4 are electrically unconnected. It is recommended that pins 3, 4, 5, and 8 all be connected to ground to reduce coupling of electrical noise. 7. Refer to the Versatile Link Family Fiber Optic Cable and Connectors Technical Data Sheet for cable connector options for 1 mm plastic optical fiber and 200 µm HCS fiber. 8. The LED current peaking necessary for high frequency circuit design contributes to electromagnetic interference (EMI). Care must be taken in circuit board layout to minimize emissions for compliance with governmental EMI emissions regulations. Refer to Application Note 1066 for design guidelines. 18 of 62 23 Anexo Manual LCOP BCP MODEL 300 500 MHz BANDWIDTH SILICON AVALANCHE PHOTODIODE HP54002A 50 OHM BNC INPUT POD 50 OHM LOAD RESISTOR HP54100A OSCILLOSCOPE NORMALIZED SPECTRAL OUTPUT POWER 1.2 HP8082A PULSE GENERATOR 0° C 1.0 25° C 0.8 70° C 0.6 0.4 0.2 0 620 630 640 650 660 670 680 WAVELENGTH (nm) Figure 1. Test Circuit for Measuring Unpeaked Rise and Fall Times. Figure 2. Typical Spectra Normalized to the 25°C Peak. 0 PT – NORMALIZED OUTPUT POWER – dB VF – FORWARD VOLTAGE – V 2.4 0° C 2.2 25° C 70° C 2.0 1.8 1.6 1 10 100 IF,DC – TRANSMITTER DRIVE CURRENT (mA) Figure 3. Typical Forward Voltage vs. Drive Current. -5 0° C -10 -15 25° C 70° C -20 -25 1 10 100 IF,DC – TRANSMITTER DRIVE CURRENT (mA) Figure 4. Typical Normalized Output Optical Power vs. Drive Current. 19 of 62 24 Anexo Manual LCOP 20 of 62 Anexo Manual LCOP Typical Link Data HFBR-0400 Series Description The following technical data is taken from 4 popular links using the HFBR-0400 series: the 5 MBd link, Ethernet 20 MBd link, Token Ring 32 MBd link, and the 155 MBd link. The data given corresponds to transceiver solutions combining the HFBR-0400 series components and various recommended transceiver design circuits using off-the-shelf electrical components. This data is meant to be regarded as an example of typical link performance for a given design and does not call out any link limitations. Please refer to the appropriate application note given for each link to obtain more information. 5 MBd Link (HFBR-14XX/24X2) Link Performance -40°C to +85°C unless otherwise specified Parameter Optical Power Budget with 50/125 µm fiber Optical Power Budget with 62.5/125 µm fiber Optical Power Budget with 100/140 µm fiber Optical Power Budget with 200 µm fiber Date Rate Synchronous Asynchronous Symbol OPB50 Min. 4.2 Typ. 9.6 OPB62.5 8.0 15 dB OPB100 8.0 15 dB OPB200 12 20 dB Propagation Delay LOW to HIGH Propagation Delay HIGH to LOW System Pulse Width Distortion Bit Error Rate tPLH 72 ns tPHL 46 ns tPLH -tPHL 26 ns dc dc BER Max. Units dB 5 2.5 10-9 Conditions HFBR-14X4/24X2 NA = 0.2 HFBR-14X4/24X2 NA = 0.27 HFBR-14X2/24X2 NA = 0.30 HFBR-14X2/24X2 NA = 0.37 MBd MBd TA = 25°C, PR = -21 dBm Peak Reference Note 1 Note 1 Note 1 Note 1 Note 2 Note 3, Fig. 7 Figs. 6, 7, 8 Fiber cable length = 1 m Data Rate <5 Bd PR > -24 dBm Peak Notes: 1. OPB at TA = -40 to 85°C, VCC = 5.0 V dc, IF ON = 60 mA. PR = -24 dBm peak. 2. Synchronous data rate limit is based on these assumptions: a) 50% duty factor modulation, e.g., Manchester I or BiPhase Manchester II; b) continuous data; c) PLL Phase Lock Loop demodulation; d) TTL threshold. 3. Asynchronous data rate limit is based on these assumptions: a) NRZ data; b) arbitrary timing-no duty factor restriction; c) TTL threshold. 21 of 62 55 Anexo Manual LCOP 155 MBd Link (HFBR-14X4/24X6) (refer to Application Bulletin 78 for details) Typical Link Performance Parameter Symbol Typ.[1,2] Optical Power Budget OPB50 7.9 with 50/125 µm fiber Optical Power Budget OPB62 11.7 with 62.5/125 µm fiber Optical Power Budget OPB100 11.7 with 100/140 µm fiber Optical Power Budget OPB200 16.0 with 200 µm HCSfFiber Data Format 20% to 1 80% Duty Factor System Pulse Width |tPLH - tPHL| Distortion Bit Error Rate BER Units Max. Units Conditions 13.9 dB NA = 0.2 17.7 dB NA = 0.27 17.7 dB NA = 0.30 22.0 dB NA = 0.35 175 1 10-9 Ref. Note 2 MBd ns PR = -7 dBm Peak 1 meter 62.5/125 µm fiber Data Rate < 100 MBaud PR >-31 dBm Peak Note 2 Notes: 1. Typical data at TA = 25°C, VCC = 5.0 V dc, PECL serial interface. 2. Typical OPB was determined at a probability of error (BER) of 10-9. Lower probabilities of error can be achieved with short fibers that have less optical loss. 22 of 62 59 Anexo Manual LCOP HFBR-14X2/14X4 LowCost High-Speed Transmitters Description The HFBR-14XX fiber optic transmitter contains an 820 nm AlGaAs emitter capable of efficiently launching optical power into four different optical fiber sizes: 50/125 µm, 62.5/125 µm, 100/140 µm, and 200 µm HCS®. This allows the designer flexibility in choosing the fiber size. The HFBR-14XX is designed to operate with the HewlettPackard HFBR-24XX fiber optic receivers. The HFBR-14XX transmitter’s high coupling efficiency allows the emitter to be driven at low current levels resulting in low power consumption and increased reliability of the transmitter. The HFBR-14X4 high power transmitter is optimized for small size fiber and typically can launch -15.8 dBm optical power at 60 mA into 50/125 µm fiber and -12 dBm into 62.5/125 µm fiber. The HFBR-14X2 standard transmitter typically can launch -12 dBm of optical power at 60 mA into 100/140 µm fiber cable. It is ideal for large size fiber such as 100/140 µm. The high launched optical power level is useful for systems where star couplers, taps, or inline connectors create large fixed losses. Housed Product Consistent coupling efficiency is assured by the double-lens optical system (Figure 1). Power coupled into any of the three fiber types varies less than 5 dB from part to part at a given drive current and temperature. Consistent coupling efficiency reduces receiver dynamic range requirements which allows for longer link lengths. Unhoused Product Absolute Maximum Ratings Parameter Storage Temperature Operating Temperature Lead Soldering Cycle Forward Input Current Reverse Input Voltage Symbol TS TA Temp. Time Peak dc IFPK IFdc VBR Min. -55 -40 Max. +85 +85 +260 10 200 100 1.8 Units °C °C °C sec mA mA V Reference Note 1 23 of 62 60 Anexo Manual LCOP Electrical/Optical Specifications -40°C to +85°C unless otherwise specified. Parameter Forward Voltage Symbol VF Forward Voltage Temperature Coefficient ∆VF /∆T Reverse Input Voltage Peak Emission Wavelength Diode Capacitance Optical Power Temperature Coefficient VBR λP CT ∆PT /∆T Thermal Resistance 14X2 Numerical Aperture 14X4 Numerical Aperture 14X2 Optical Port Diameter 14X4 Optical Port Diameter θJA NA NA D D Min. 1.48 1.8 792 Typ.[2] Max. Units 1.70 2.09 V 1.84 -0.22 mV/°C -0.18 3.8 V 820 865 nm 55 pF -0.006 dB/°C -0.010 260 °C/W 0.49 0.31 290 µm 150 µm Conditions IF = 60 mA dc IF = 100 mA dc IF = 60 mA dc IF = 100 mA dc IF = 100 µA dc Reference Figure 9 Figure 9 V = 0, f = 1 MHz I = 60 mA dc I = 100 mA dc Notes 3, 8 Note 4 Note 4 HFBR-14X2 Output Power Measured Out of 1 Meter of Cable Parameter 50/125 µm Fiber Cable NA = 0.2 Symbol PT50 62.5/125 µm Fiber Cable NA = 0.275 PT62 100/140 µm Fiber Cable NA = 0.3 PT100 200 µm HCS Fiber Cable NA = 0.37 PT200 Min. -21.8 -22.8 -20.3 -21.9 -19.0 -20.0 -17.5 -19.1 -15.0 16.0 -13.5 -15.1 -10.7 -11.7 -9.2 -10.8 Typ.[2] -18.8 -16.8 -16.0 -14.0 -12.0 -10.0 -7.1 -5.2 Max. -16.8 -15.8 -14.4 -13.8 -14.0 -13.0 -11.6 -11.0 -10.0 -9.0 -7.6 -7.0 -4.7 -3.7 -2.3 -1.7 Unit dBm peak dBm peak dBm peak dBm peak Conditions TA = 25°C IF = 60 mA dc TA = 25°C IF = 100 mA dc TA = 25°C IF = 60 mA dc TA = 25°C IF = 100 mA dc TA = 25°C IF = 60 mA dc TA = 25°C IF = 100 mA dc TA = 25°C IF = 60 mA dc TA = 25°C IF = 100 mA dc Reference Notes 5, 6, 9 CAUTION: The small junction sizes inherent to the design of these components increase the components’ susceptibility to damage from electrostatic discharge (ESD). It is advised that normal static precautions be taken in handling and assembly of these components to prevent damage and/or degradation which may be induced by ESD. 24 of 62 61 Anexo Manual LCOP HFBR-14X4 Output Power Measured out of 1 Meter of Cable Parameter 50/125 µm Fiber Cable NA = 0.2 Symbol PT50 62.5/125 µm Fiber Cable NA = 0.275 PT62 100/140 µm Fiber Cable NA = 0.3 PT100 200 µm HCS Fiber Cable NA = 0.37 PT200 Min. -18.8 -19.8 -17.3 -18.9 -15.0 -16.0 -13.5 -15.1 -9.5 -10.5 -8.0 -9.6 -5.2 -6.2 -3.7 -5.3 Typ.[2] -15.8 -13.8 -12.0 -10.0 -6.5 -4.5 -3.7 -1.7 Max. -13.8 -12.8 -11.4 -10.8 -10.0 -9.0 -7.6 -7.0 -4.5 -3.5 -2.1 -1.5 +0.8 +1.8 +3.2 +3.8 Unit dBm peak dBm peak dBm peak dBm peak Conditions TA = 25°C IF = 60 mA dc TA = 25°C IF = 100 mA dc TA = 25°C IF = 60 mA dc TA = 25°C IF = 100 mA dc TA = 25°C IF = 60 mA dc TA = 25°C IF = 100 mA dc TA = 25°C IF = 60 mA dc TA = 25°C IF = 100 mA dc Reference Notes 5, 6, 9 14X2/14X4 Dynamic Characteristics Parameter Rise Time, Fall Time (10% to 90%) Rise Time, Fall Time (10% to 90%) Pulse Width Distortion Symbol tr, tf Min. Typ.[2] 4.0 Max. 6.5 tr, tf 3.0 Units nsec No Pre-bias nsec PWD 0.5 nsec Conditions IF = 60 mA Figure 12 IF = 10 to 100 mA Reference Note 7, Note 7, Figure 11 Figure 11 Notes: 1. For IFPK > 100 mA, the time duration should not exceed 2 ns. 2. Typical data at TA = 25°C. 3. Thermal resistance is measured with the transmitter coupled to a connector assembly and mounted on a printed circuit board. 4. D is measured at the plane of the fiber face and defines a diameter where the optical power density is within 10 dB of the maximum. 5. PT is measured with a large area detector at the end of 1 meter of mode stripped cable, with an ST® precision ceramic ferrule (MILSTD-83522/13) for HFBR-1412/1414, and with an SMA 905 precision ceramic ferrule for HFBR-1402/1404. 6. When changing µW to dBm, the optical power is referenced to 1 mW (1000 µW). Optical Power P (dBm) = 10 log P (µW)/1000 µW. 7. Pre-bias is recommended if signal rate >10 MBd, see recommended drive circuit in Figure 11. 8. Pins 2, 6 and 7 are welded to the anode header connection to minimize the thermal resistance from junction to ambient. To further reduce the thermal resistance, the anode trace should be made as large as is consistent with good RF circuit design. 9. Fiber NA is measured at the end of 2 meters of mode stripped fiber, using the far-field pattern. NA is defined as the sine of the half angle,determined at 5% of the peak intensity point. When using other manufacturer’s fiber cable, results will vary due to differing NA values and specification methods. All HFBR-14XX LED transmitters are classified as IEC 825-1 Accessible Emission Limit (AEL) Class 1 based upon the current proposed draft scheduled to go in to effect on January 1, 1997. AEL Class 1 LED devices are considered eye safe. Contact your Hewlett-Packard sales representative for more information. CAUTION: The small junction sizes inherent to the design of these components increase the components’ susceptibility to damage from electrostatic discharge (ESD). It is advised that normal static precautions be taken in handling and assembly of these components to prevent damage and/or degradation which may be induced by ESD. 25 of 62 62 Anexo Manual LCOP Recommended Drive Circuits The circuit used to supply current to the LED transmitter can significantly influence the optical switching characteristics of the LED. The optical rise/fall times and propagation delays can be improved by using the appropriate circuit techniques. The LED drive circuit shown in Figure 11 uses frequency compensation to reduce the typical rise/fall times of the LED and a small pre-bias voltage to minimize propagation delay differences that cause pulse-width distortion. The circuit will typically produce rise/fall times of 3 ns, and a total jitter including pulse-width distortion of less than 1 ns. This circuit is recommended for applications requiring low edge jitter (VCC - VF) + 3.97 (VCC - VF - 1.6 V) Ry = ––––––––––––––––––––––––––––––– IF ON (A) 1 RX1 = – 2 R ) (–––– 3.97 y or high-speed data transmission at signal rates of up to 155 MBd. Component values for this circuit can be calculated for different LED drive currents using the equations shown below. For additional details about LED drive circuits, the reader is encouraged to read HewlettPackard Application Bulletin 78 and Application Note 1038. (5 - 1.84) + 3.97 (5 - 1.84 - 1.6) Ry = ––––––––––––––––––––––––––––– 0.100 3.16 + 6.19 Ry = ––––––––––– = 93.5 Ω 0.100 93.5 ) = 11.8 Ω (–––– 3.97 REQ2(Ω) = RX1 - 1 1 RX1 = – 2 RX2 = RX3 = RX4 = 3(REQ2) REQ2 = 11.8 - 1 = 10.8 Ω 2000(ps) C(pF) = –––––––– RX1(Ω) RX2 = RX3 = RX4 = 3(10.8) = 32.4 Ω Example for IF ON = 100 mA: VF can be obtained from Figure 9 (= 1.84 V). 2000 ps C = ––––––– = 169 pF 11.8 Ω 26 of 62 63 2.0 3.0 1.8 1.6 2.0 1.4 1.2 1.4 1.0 0.8 1.0 0 0.8 -1.0 0.6 -2.0 -3.0 -4.0 -5.0 -7.0 0.4 0.2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 IF – FORWARD CURRENT – mA Figure 9. Forward Voltage and Current Characteristics. P(IF) – P(60 mA) – RELATIVE POWER RATIO – dB P(IF) – P(60 mA) – RELATIVE POWER RATIO Anexo Manual LCOP Figure 10. Normalized Transmitter Output vs. Forward Current. Figure 11. Recommended Drive Circuit. Figure 12. Test Circuit for Measuring tr, tf. 27 of 62 64 Anexo Manual LCOP 28 of 62 Anexo Manual LCOP 1300 nm Fiber Optic Transmitter and Receiver Technical Data HFBR-0300 Series: HFBR-1312T Transmitter HFBR-2316T Receiver Features • Low Cost Fiber Optic Link • Signal Rates over 155 Megabaud • 1300 nm Wavelength • Link Distances over 5 km • Dual-in-line Package PanelMountable ST* and SC Connector Receptacles • Auto-Insertable and WaveSolderable • Specified with 62.5/125 µm and 50/125 µm Fiber • Compatible with HFBR-0400 Series Applications • Desktop Links for High Speed LANs • Distance Extension Links • Telecom Switch Systems • TAXlchip® Compatible Description The HFBR-0300 Series is designed to provide the most cost-effective 1300 nm fiber optic links for a wide variety of data communication applications from low-speed distance extenders up to SONET OC-3 signal rates. Pinouts identical to HewlettPackard HFBR-0400 Series allow designers to easily upgrade their 820 nm links for farther distance. The transmitter and receiver are compatible with two popular optical fiber sizes: 50/125 µm and 62.5/125 µm diameter. This allows flexibility in choosing a fiber size. The 1300 nm wavelength is in the lower dispersion and attenuation region of fiber, and provides longer distance capabilities than 820 nm LED technology. Typical distance capabilities are 2 km at 125 MBd and 5 km at 32 MBd. Transmitter The HFBR-1312T fiber optic transmitter contains a 1300 nm InGaAsP light emitting diode capable of efficiently launching optical power into 50/125 µm and 62.5/125 µm diameter fiber. Converting the interface circuit from a HFBR-14XX 820 nm transmitter to the HFBR-1312T requires only the removal of a few passive components. Receiver The HFBR-2316T receiver contains an InGaAs PIN photodiode and a low-noise transimpedance preamplifier that operate in the 1300 nm wavelength region. The HFBR-2316T receives an optical signal and converts it to an analog voltage. The buffered output is an emitter-follower, with frequency response from DC to typically 125 MHz. Low-cost external components can be used to convert the analog output to logic compatible signal levels for a variety of data formats and data rates. The *ST is a registered trademark of AT&T Lightguide Cable Connectors 29 of 62 5965-3611E (1/97) 29 Anexo Manual LCOP HFBR-1312T Transmitter HFBR-2316T Receiver HFBR-0300 Series 3 CATHODE 6 VCC 2 ANALOG SIGNAL 3, 7 PART NUMBER DATE CODE VEE 12.6 (0.495) 4 5 3 6 4 5 3 6 7 8 2 7 1 8 2 1 BOTTOM VIEW PIN 1† 2 3 4† 5† 6 7* 8† PIN NO. 1 INDICATOR FUNCTION N.C. ANODE CATHODE N.C. N.C. ANODE N.C. N.C. * PIN 7 IS ELECTRICALLY ISOLATED FROM PINS 1, 4, 5, AND 8, BUT IS CONNECTED TO THE HEADER. † PINS 1, 4, 5, AND 8 ARE ISOLATED FROM THE INTERNAL CIRCUITRY, BUT ARE ELECTRICALLY CONNECTED TO EACH OTHER. BOTTOM VIEW 12.6 (0.495) FUNCTION N.C. SIGNAL VEE N.C. N.C. VCC VEE N.C. * PINS 3 AND 7 ARE ELECTRICALLY CONNECTED TO THE HEADER. † PINS 1, 4, 5, AND 8 ARE ISOLATED FROM THE INTERNAL CIRCUITRY, BUT ARE ELECTRICALLY CONNECTED TO EACH OTHER. Package Information HFBR-0300 Series transmitters and receivers are housed is a dual-in-line package made of high strength, heat resistant, chemically resistant, and UL V-0 flame retardant plastic. Transmitters are identified by the brown port color; receivers have black ports. The package is auto-insertable and wave solderable for high volume production applications. 3/8-32 UNEF-2A 2.54 (0.100) 3.81 (0.150) 6.30 (0.248) 7.62 (0.300) 8.31 (0.327) 10.20 (0.400) 3.60 (0.140) 1.27 (0.050) 4 5 3 6 PINS 2,3,6,7 0.46 DIA (0.018) 2 7 8 Note: The “T” in the product numbers indicates a Threaded ST connector (panel mountable), for both transmitter and receiver. PINS 1,4,5,8 0.51 X 0.38 (0.020 X 0.015) 1 2.54 (0.100) HFBR-2316T is pin compatible with HFBR-24X6 receivers and can be used to extend the distance of an existing application by substituting the HFBR-2316T for the HFBR-2416. 7.05 (0.278) 29.8 (1.174) PIN NO. 1 INDICATOR PIN 1† 2 3* 4† 5† 6 7* 8† 5.05 (0.199) YYWW HFBR-X31XT 2, 6 ANODE H Mechanical Dimensions 5.10 (0.202) PIN NO. 1 INDICATOR Handling and Design Information When soldering, it is advisable to leave the protective cap on the unit to keep the optics clean. Good system performance requires clean port optics and cable ferrules to avoid obstructing the optical path. Clean compressed air is often sufficient to remove particles of dirt; methanol on a cotton swab also works well. 30 of 62 30 DIA. Anexo Manual LCOP Panel Mounting Hardware The HFBR-4411 kit consists of 100 nuts and 100 washers with dimensions as shown in Figure 1. These kits are available from HP or any authorized distributor. Any standard size nut and washer will work, provided the total thickness of the wall, nut, and washer does not exceed 0.2 inch (5.1mm). mounting template in Figure 2. When tightening the nut, torque should not exceed 0.8 N-m (8.0 in-lb). Recommended Chemicals for Cleaning/Degreasing HFBR-0300 Products Alcohols (methyl, isopropyl, isobutyl) Aliphatics (hexane, heptane) Other (soap solution, naphtha) Do not use partially halogenated hydrocarbons (such as 1.1.1 trichloroethane), ketones (such as MEK), acetone, chloroform, ethyl acetate, methylene dichloride, phenol, methylene chloride, or Nmethylpyrolldone. Also, HP does not recommend the use of cleaners that use halogenated hydrocarbons because of their potential environmental harm. When preparing the chassis wall for panel mounting, use the 3/8 – 32 UNEF2B THREAD 9.53 DIA. (0.375) 12.70 DIA. (0.50) 1.65 (0.065) HEX-NUT 9.80 (0.386) DIA. 14.27 TYP. (0.563) DIA. WASHER 10.41 MAX. (0.410) DIA. 0.46 (0.018) 8.0 (0.315) NOTE: ALL DIMENSIONS IN MILLIMETRES AND (INCHES). INTERNAL TOOTH LOCK WASHER Figure 1. HFBR-4411 Mechanical Dimensions. Figure 2. Recommended Cut-out for Panel Mounting. HFBR-1312T Transmitter Absolute Maximum Ratings Parameter Symbol Min. Max. Unit Storage Temperature TS -55 85 °C Operating Temperature TA -40 85 °C Lead Soldering Cycle Temperature 260 °C Lead Soldering Cycle Time 10 sec IFDC 100 mA VR 1 V Forward Input Current DC Reverse Input Voltage Reference Note 8 CAUTION: The small junction sizes inherent to the design of this bipolar component increase the component's susceptibility to damage from electrostatic discharge (ESD). It is advised that normal static precautions be taken in handling and assembly of this component to prevent damage and/or degradation which may be induced by ESD. 31 of 62 31 Anexo Manual LCOP HFBR-1312T Transmitter Electrical/Optical Characteristics 0 to 70°C unless otherwise specified Parameter Forward Voltage Symbol VF Min. Typ.[1] Max. 1.1 1.4 1.7 Unit V 1.5 Forward Voltage Temperature Coefficient ∆VF /∆T Condition Ref. IF = 75 mA Fig. 1 IF = 100 mA -1.5 mV/°C V IF = 75 - 100 mA IR = 100 µA Reverse Input Voltage VR 1 4 Center Emission Wavelength λC 1270 1300 1370 nm FWHM 130 185 nm CT 16 pF VF = 0 V, f = 1 MHz ∆PT /∆T -0.03 dB/°C IF = 75 - 100 mA DC ΘJA 260 °C/W Full Width Half Maximum Diode Capacitance Optical Power Temperature Coefficient Thermal Resistance Note 2 HFBR-1312T Transmitter Output Optical Power and Dynamic Characteristics Condition Parameter Peak Power 62.5/125 µm NA = 0.275 Symbol PT62 Min. Typ.[1] Max. Unit TA IF, peak Ref. -16.0 dBm 25°C 75 mA -11.5 0-70°C 75 mA Notes 3, 4, 5 -12.0 25°C 100 mA Fig. 2 -11.0 0-70°C 100 mA 25°C 75 mA Notes -13.5 0-70°C 75 mA 3, 4, 5 -14.0 25°C 100 mA Fig. 2 -13.0 0-70°C 100 mA -14.0 -17.5 PT62 -15.5 -13.5 -17.0 Peak Power 50/125 µm NA = 0.20 PT50 -19.5 -17.0 -21.0 PT50 -19.0 -16.5 -20.5 Optical Overshoot -12.5 -14.5 dBm OS 5 10 % 0-70°C 75 mA Note 6 Fig. 3 Rise Time tr 1.8 4.0 ns 0-70°C 75 mA Note 7 Fig. 3 Fall Time tf 2.2 4.0 ns 0-70°C 75 mA Note 7 Fig. 3 32 of 62 32 Anexo Manual LCOP Notes: 1. Typical data are at TA = 25°C. 2. Thermal resistance is measured with the transmitter coupled to a connector assembly and mounted on a printed circuit board; ΘJC < ΘJA. 3. Optical power is measured with a large area detector at the end of 1 meter of mode stripped cable, with an ST* precision ceramic ferrule (MIL-STD-83522/13), which approximates a standard test connector. Average power measurements are made at 12.5 MHz with a 50% duty cycle drive current of 0 to IF,peak; IF,average = IF,peak/2. Peak optical power is 3 dB higher than average optical power. 4. When changing from µW to dBm, the optical power is referenced to 1 mW (1000 µW). Optical power P(dBm) = 10*log[P(µW)/1000µW]. 5. Fiber NA is measured at the end of 2 meters of mode stripped fiber using the far-field pattern. NA is defined as the sine of the half angle, determined at 5% of the peak intensity point. When using other manufacturer’s fiber cable, results will vary due to differing NA values and test methods. 6. Overshoot is measured as a percentage of the peak amplitude of the optical waveform to the 100% amplitude level. The 100% amplitude level is determined at the end of a 40 ns pulse, 50% duty cycle. This will ensure that ringing and other noise sources have been eliminated. 7. Optical rise and fall times are measured from 10% to 90% with 62.5/125 µm fiber. LED response time with recommended test circuit (Figure 3) at 25 MHz, 50% duty cycle. 8. 2.0 mm from where leads enter case. 1.2 100 1.1 RELATIVE POWER RATIO IF – FORWARD CURRENT – mA 90 80 70 60 50 40 30 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 20 1.1 0.2 1.2 1.3 1.4 1.5 10 1.6 Figure 1. Typical Forward Voltage and Current Characteristics. HFBR-2316T 30 50 70 90 IF – FORWARD CURRENT – mA V F – FORWARD VOLTAGE – V Figure 2. Normalized Transmitter Output Power vs. Forward Current. VCC = 0 V 6 VO 1 GHz FET PROBE 2 3, 7 TEST LOAD ≤ 5 pF 500 Ω 10 Ω 100 pF 0.1 µF 500 Ω 100 pF 0.1 µF VEE = -5 V VEE = -5 V Figure 3. Recommended Transmitter Drive and Test Circuit. 33 of 62 33 Anexo Manual LCOP HFBR-2316T Receiver Absolute Maximum Ratings Parameter Symbol Min. Max. Unit Storage Temperature TS -55 85 °C Operating Temperature TA -40 +85 °C 260 °C 10 s Lead Soldering Temperature Cycle Time Signal Pin Voltage VO -0.5 VCC V Supply Voltage VCC - VEE -0.5 6.0 V Output Current IO 25 mA Reference Note 1 Note 2 CAUTION: The small junction sizes inherent to the design of this bipolar component increase the component's susceptibility to damage from electrostatic discharge (ESD). It is advised that normal static precautions be taken in handling and assembly of this component to prevent damage and/or degradation which may be induced by ESD. HFBR-2316T Receiver Electrical/Optical and Dynamic Characteristics 0 to 70°C; 4.75 V < VCC - VEE < 5.25 V; power supply must be filtered (see note 2). Parameter Symbol Responsitivity RP RMS Output Noise Voltage VNO Equivalent Optical Noise Input Power (RMS) Peak Input Optical Power PN, RMS Output Resistance RO DC Output Voltage VO,DC Supply Current Electrical Bandwidth Pulse-Width Distortion Overshoot 6.5 Max. Unit Condition Ref. 13 19 mV/µW λp = 1300 nm, 50 MHz Note 4 Fig. 1, 5 0.4 0.59 mVRMS 100 MHz bandwidth, PR = 0 µW Note 5 Fig. 2 1.0 mVRMS Unfiltered Bandwidth PR = 0 µW -45 -41.5 dBm 0.032 0.071 µW -11.0 dBm 80 µW PR 30 0.8 ICC BWE Bandwidth * Rise Time Product Electrical Rise, Fall Times, 10-90% Min. Typ.[3] 75 Ohm @ 100 MHz, PR = 0 µW Note 5 50 MHz, 1 ns PWD Note 6 Fig. 3 f = 50 MHz 1.8 2.6 V VCC = 5 V, VEE = 0 V PR = 0 µW 9 15 mA RLOAD = ∞ 125 MHz -3 dB electrical Note 7 0.41 Hz *s tr,tf 3.3 5.3 ns PR = -15 dBm peak, @ 50 MHz Note 8 Fig. 4 PWD 0.4 1.0 ns PR = -11 dBm, peak Note 6,9 Fig. 3 % PR = -15 dBm, peak Note 10 2 34 of 62 34 Anexo Manual LCOP Notes: 1. 2.0 mm from where leads enter case. 2. The signal output is referred to VCC, and does not reject noise from the VCC power supply. Consequently, the VCC power supply must be filtered. The recommended power supply is +5 V on VCC for typical usage with +5 V ECL logic. A -5 V power supply on VEE is used for test purposes to minimize power supply noise. 3. Typical specifications are for operation at TA = 25°C and VCC = +5 VDC. 4. The test circuit layout should be in accordance with good high frequency circuit design techniques. 5. Measured with a 9-pole “brick wall” low-pass filter [Mini-CircuitsTM, BLP-100*] with -3 dB bandwidth of 100 MHz. 6. -11.0 dBm is the maximum peak input optical power for which pulse-width distortion is less than 1 ns. 7. Electrical bandwidth is the frequency where the responsivity is -3 dB (electrical) below the responsivity measured at 50 MHz. 8. The specifled rise and fall times are referenced to a fast square wave optical source. Rise and fall times measured using an LED optical source with a 2.0 ns rise and fall time (such as the HFBR-1312T) will be approximately 0.6 ns longer than the specifled rise and fall times. E.g.: measured tr,f ~ [(specifled tr,f)2 + (test source optical tr,f)2]1/2. 9. 10 ns pulse width, 50% duty cycle, at the 50% amplitude point of the waveform. 10. Percent overshoot is defined as: ((VPK - V100%)/V100%) x 100% . The overshoot is typically 2% with an input optical rise time ≤ 1.5 ns. 11. The bandwidth*risetime product is typically 0.41 because the HFBR-2316T has a second-order bandwidth limiting characteristic. 10 µF TANTALUM HFBR-1312T 2, 6 7 0.1 µF 1 16 5 DATA + 75 Ω 3 3 150 Ω MC10H116A DATA – 4 2 10 NE46134 75 Ω 220 Ω 7 NE46134 2.7 Ω MC10H116B 9 150 HZ + 5.0 V SPECTRAL NOISE DENSITY – nV/ 0.1 µF 220 Ω 2.7 Ω 24 Ω 6 11 V bb 13 15 MC10H116C 12 14 NOTES: 1. ALL RESISTORS ARE 5% TOLERANCE. 2. BEST PERFORMANCE WITH SURFACE MOUNT COMPONENTS. 3. DIP MOTOROLA MC10H116 IS SHOWN, PLCC MAY ALSO BE USED. 8 Figure 1. HFBR-2316T Receiver Test Circuit. 100 75 50 25 0 0 50 100 150 200 250 300 FREQUENCY – MHZ Figure 2. Typical Output Spectral Noise Density vs. Frequency. 6.0 1.1 1.0 2.0 1.5 1.0 0.5 5.0 NORMALIZED RESPONSE 2.5 tr, tf – RESPONSE TIME – ns PWD – PULSE WIDTH DISTORTION – ns 3.0 125 4.0 tf 3.0 tr 2.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0 0 20 40 60 80 100 120 1.0 -60 PR – INPUT OPTICAL POWER – µW Figure 3. Typical Pulse Width Distortion vs. Peak Input Power. -40 -20 0 20 40 60 80 100 TEMPERATURE – °C Figure 4. Typical Rise and Fall Times vs. Temperature. 0.1 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 λ – WAVELENGTH – nm Figure 5. Normalized Receiver Spectral Response. *Mini-Circuits Division of Components Corporation. 35 of 62 35 Anexo Manual LCOP 36 of 62 Anexo Manual LCOP Coaxial Pigtailed Laser Module Technical Data LST252X - 200 µW Coaxial Laser LST282X - 1 mW Coaxial Laser LST292X - 1.6 mW Coaxial Laser LST3X21 - Dual-in-Line Package Features Description • Compact Coaxial Package • Strained Multi Quantum Well (SMQW) Laser Chip • Low Thresholds Current and Operating Currents • Wide Operating Temperature -40°C to +85°C • Optical Power May Be Customized up to 2 mW • Modulation Capability up to 622 Mb/s • Convenient Variety of Pinout and Mounting Flange Options Products in the LST2X2X family are compact coaxial pigtailed laser transmitters, operating in the 1300 nm wavelength region and coupling light to single mode fiber. They are designed for use in short, medium and long distance networks with bit rates up to 622 Mb/s. The device features a high reliability SMQW laser diode and rear facet monitor photodiode. These are electrically connected to four pins in an industrystandard configuration. Applications • • • • • • Telecommunications Fiber in the Loop Inter/Intra Office SONET/SDH Datacommunications Switches Environmental performance is designed to be compatible with the requirements of Bellcore’s TA-NWT-000983 document. Options within the LST2X2X family offer pinouts and pin rotational orientations designed to match existing products available on the market. We also offer a comprehensive range of alternative mounting flanges including a dual in line option. If the specific arrangement or performance you require is not listed, please contact your local representative as our highly flexible design and manufacturing processes allow both physical and electro-optical customization to meet your needs. Laser Safety Warning This device is a Class IIIb (3b) Laser Product. It may emit invisible laser radiation if operated with the fiber pigtail disconnected. To avoid possible eye damage do not look into an unconnected fiber pigtail during laser operation. Do not exceed specified operating limits. 37 of 62 520 5965-7336E (4/97) Anexo Manual LCOP Absolute Maximum Ratings Absolute limiting (maximum) ratings mean that no catastrophic damage will occur if the product is subjected to these ratings for short periods, provided that each limiting parameter is in isolation and all other parameters have values within the performance specification. It should not be assumed that limiting values of more than one parameter can be applied to the product at the same time. Parameter Laser Forward Current Laser Reverse Voltage Photodiode Reverse Voltage Photodiode Forward Current Operating Temperature Storage Temperature Relative Humidity Fiber Pull Strength Mechanical Shock Symbol If Vlr Vr Ipf Tc Ts RH Test Condition DC DC DC DC Temperature measured at case Three times; 10 sec. MIL-STD-883D, Method 2002, Condition A MIL-STD-883D, Method 2007, Condition A Vibration Limits Min. Max. 120 2 20 1 –40 +85 –40 +85 noncondensing 10 500 Units mA V V mA °C °C %RH N G 20 G Performance Specifications Parameter LASER Symbol Rated Optical Power Po Threshold Current Threshold Current Coupled Power in “Off” State Slope Efficiency Drive Current above Ith, for Im = Im (Po, +25°C) Forward Voltage Center Wavelength Ith Ith Pth Wavelength/ Temperature Coefficient Spectral Width Rise and Fall Time η Id Test Condition CW, Tc = –40°C to +85°C, Po as noted below unless otherwise stated Tc = ranges specified above, CW Tc = +25°C 1.0 1.6 mW 10 30 10 3.5 1.5 10 30 10 3.5 1 10 30 10 Tc = +25°C 10 16 50 80 80 128 µW/mA Tc = +25°C 12.5 20 12.5 20 12.5 20 mW 10 33.3 10 33.3 10 33.3 mA If = Ith – 2 mA Tc = +25°C Tc = –40°C to +85°C ∆λ/∆T σ τ 0.2 3.5 1.5 Tc = –40°C to +85°C Vf λ LST252X LST282X LST292X LST3521 LST3821 LST3921 Min. Max. Min. Max. Min. Max. Units One sigma, RMS 10-90%, Ith to Po mA mA µW 1.6 1.6 1.6 V 1286 1336 1286 1336 1286 1336 nm 1260 1360 1260 1360 1260 1360 nm 0.4 0.4 0.4 nm/°C 2.5 0.5 2.5 0.5 2.5 0.5 nm ns 38 of 62 521 Anexo Manual LCOP Performance Specifications (continued) Parameter MONITOR PHOTODIODE Photocurrent Dark Current Capacitance Tracking Error Rise and Fall Time Symbol Im Id C DR tr Test Condition Tc = +25°C, Vr = 5 V, Po = Rated Power Po = 0 µW 1 MHz Im = Im (Po, +25°C) Tc + –40°C to + 85°C 10-90%, Ith to Po LST252X LST282X LST292X LST3521 LST3821 LST3921 Min. Max. Min. Max. Min. Max. Units 200 1000 20 10 –1 +1 200 –1 1000 20 10 +1 2 200 –1 1000 20 10 +1 µA nA pF dB - ns 2 Fiber Pigtail Parameter Fiber Pigtail Length Spot Size (Mode Radius) Cladding Diameter Core/Cladding Concentricity Secondary Jacket Diameter Effective Cutoff Wavelength Minimum 1000 4.5 122 0.8 1150 Maximum Units mm µm µm µm mm nm 5.5 128 1 1 1240 Reliability Target Parameter Median Life Condition 50% inc. in total drive current, Tc = +25°C Min. 2x105 Max. Units hours Other Documentation SMQW Laser Diode Reliability Datasheet LST282X/LST292X/LST3821/LST3921 Interim Qualification Report Publication number 5965-1293E Publication number 5965-5374E 39 of 62 522 Anexo Manual LCOP 40 of 62 Anexo Manual LCOP 41 of 62 Anexo Manual LCOP 42 of 62 Anexo Manual LCOP 43 of 62 Anexo Manual LCOP 44 of 62 Anexo Manual LCOP 45 of 62 Anexo Manual LCOP 46 of 62 Anexo Manual LCOP 47 of 62 Anexo Manual LCOP 48 of 62 Anexo Manual LCOP 125 Megabaud Versatile Link Receiver HFBR-25X6 Series Description The HFBR-25X6 receivers contain a PIN photodiode and transimpedance pre-amplifier circuit in a horizontal (HFBR2526) or vertical (HFBR-2536) blue housing, and are designed to interface to 1mm diameter plastic optical fiber or 200 µm hard clad silica glass optical fiber. The receivers convert a received optical signal to an analog output voltage. Follow-on circuitry can optimize link performance for a variety of distance and data rate requirements. Electrical bandwidth greater than 65 MHz allows design of high speed data links with plastic or hard clad silica optical fiber. Refer to Application Note 1066 for details for recommended interface circuits. GROUND 4 3 2 1 VCC GROUND GROUND SIGNAL GROUND SEE NOTES 2, 4, 9 Absolute Maximum Ratings Parameter Symbol Min. Storage Temperature TS -40 +75 °C Operating Temperature TA 0 +70 °C 260 °C 10 s Lead Soldering Temperature Cycle Time Max. Unit Signal Pin Voltage VO -0.5 VCC V Supply Voltage VCC -0.5 6.0 V Output Current IO 25 mA Reference Note 1 CAUTION: The small junction sizes inherent to the design of this component increase the component's susceptibility to damage from electrostatic discharge (ESD). It is advised that normal static precautions be taken in handling and assembly of this component to prevent damage and/or degradation which may be induced by ESD. 49 of 62 25 Anexo Manual LCOP Electrical/Optical Characteristics 0 to 70°C; 5.25 V ≥ VCC ≥ 4.75 V; power supply must be filtered (see Figure 1, Note 2). Parameter Symbol Min. Typ. Max. Unit Test Condition Note AC Responsivity 1 mm POF RP,APF 1.7 3.9 6.5 mV/µW 650 nm Note 4 AC Responsivity 200 µm HCS RP,HCS 4.5 7.9 11.5 mV/µW VNO 0.46 0.69 mVRMS Note 5 Equivalent Optical Noise Input Power, RMS - 1 mm POF PN,RMS - 39 -36 dBm Note 5 Equivalent Optical Noise Input Power, RMS - 200 µm HCS PN,RMS -42 -40 dBm Note 5 -5.8 dBm 5 ns PWD -6.4 dBm 2 ns PWD -8.8 dBm 5 ns PWD -9.4 dBm 2 ns PWD Ω 50 MHz PR = 0 µW RMS Output Noise Peak Input Optical Power 1 mm POF Peak Input Optical Power 200 µm HCS Output Impedance PR PR ZO DC Output Voltage VO Supply Current ICC Electrical Bandwidth BWE Bandwidth * Rise Time 30 0.8 65 1.8 2.6 V 9 15 mA 125 MHz 0.41 Hz * s Note 6 Note 6 Note 4 -3 dB electrical Electrical Rise Time, 10-90% tr 3.3 6.3 ns PR = -10 dBm peak Electrical Fall Time, 90-10% tf 3.3 6.3 ns PR = -10 dBm peak PWD 0.4 1.0 ns PR = -10 dBm peak Note 7 % PR = -10 dBm peak Note 8 Pulse Width Distortion Overshoot 4 Notes: 1. 1.6 mm below seating plane. 2. The signal output is an emitter follower, which does not reject noise in the power supply. The power supply must be filtered as in Figure 1. 3. Typical data are at 25°C and VCC = +5 Vdc. 4. Pin 1 should be ac coupled to a load ≥ 510 Ω with load capacitance less than 5 pF. 5. Measured with a 3 pole Bessel filter with a 75 MHz, -3dB bandwidth. 6. The maximum Peak Input Optical Power is the level at which the Pulse Width Distortion is guaranteed to be less than the PWD listed under Test Condition. PR,Max is given for PWD = 5 ns for designing links at ≤ 50 MBd operation, and also for PWD = 2 ns for designing links up to 125 MBd (for both POF and HCS input conditions). 7. 10 ns pulse width, 50% duty cycle, at the 50% amplitude point of the waveform. 8. Percent overshoot is defined at: (VPK - V100%) –––––––––––– × 100% V100% 9. Pins 5 and 8 are primarily for mounting and retaining purposes, but are electrically connected. It is recommended that these pins be connected to ground to reduce coupling of electrical noise. 10. If there is no input optical power to the receiver (no transmitted signal) electrical noise can result in false triggering of the receiver. In typical applications, data encoding and error detection prevent random triggering from being interpreted as valid data. Refer to Application Note 1066 for design guidelines. 50 of 62 26 Anexo Manual LCOP Figure 1. Recommended Power Supply Filter Circuit. Figure 2. Simplified Receiver Schematic. Figure 3. Typical Pulse Width Distortion vs. Peak Input Power. Figure 4. Typical Output Spectral Noise Density vs. Frequency. Figure 5. Typical Rise and Fall Time vs. Temperature.. 51 of 62 27 Anexo Manual LCOP 52 of 62 Anexo Manual LCOP HFBR-24X6 Low-Cost 125 MHz Receiver Description The HFBR-24X6 fiber optic receiver is designed to operate with the Hewlett-Packard HFBR14XX fiber optic transmitters and 50/125 µm, 62.5/125 µm, 100/ 140 µm and 200 µm HCS® fiber optic cable. Consistent coupling into the receiver is assured by the lensed optical system (Figure 1). Response does not vary with fiber size for core diameters of 100 µm or less. integrated circuit. The HFBR-24X6 receives an optical signal and converts it to an analog voltage. The output is a buffered emitterfollower. Because the signal amplitude from the HFBR-24X6 receiver is much larger than from a simple PIN photodiode, it is less susceptible to EMI, especially at high signaling rates. For very noisy environments, the conductive or metal port option is recommended. A receiver dynamic range of 23 dB over temperature is achievable (assuming 10-9 BER). receiver from noisy host systems. Refer to AN 1038, 1065, or AB 78 for details. Housed Product The HFBR-24X6 receiver contains a PIN photodiode and low noise transimpedance pre-amplifier The frequency response is typically dc to 125 MHz. Although the HFBR-24X6 is an analog receiver, it is compatible with digital systems. Please refer to Application Bulletin 78 for simple and inexpensive circuits that operate at 155 MBd or higher. The recommended ac coupled receiver circuit is shown in Figure 12. It is essential that a 10 ohm resistor be connected between pin 6 and the power supply, and a 0.1 µF ceramic bypass capacitor be connected between the power supply and ground. In addition, pin 6 should be filtered to protect the VCC 2 ANALOG SIGNAL 3, 7 VEE 4 5 3 6 2 7 1 8 BOTTOM VIEW The receiver output is an analog signal which allows follow-on circuitry to be optimized for a variety of distance/data rate requirements. Low-cost external components can be used to convert the analog output to logic compatible signal levels for various data formats and data rates up to 175 MBd. This distance/data rate tradeoff results in increased optical power budget at lower data rates which can be used for additional distance or splices. 6 PIN NO. 1 INDICATOR PIN 1† 2 3* 4† 5† 6 7* 8† FUNCTION N.C. SIGNAL VEE N.C. N.C. VCC VEE N.C. * PINS 3 AND 7 ARE ELECTRICALLY CONNECTED TO THE HEADER. † PINS 1, 4, 5, AND 8 ARE ISOLATED FROM THE INTERNAL CIRCUITRY, BUT ARE ELECTRICALLY CONNECTED TO EACH OTHER. Unhoused Product PIN 1 2* 3 4* FUNCTION SIGNAL VEE VCC VEE 6 BIAS & FILTER CIRCUITS VCC POSITIVE SUPPLY 300 pF 2 VOUT ANALOG SIGNAL 5.0 mA 3, 7 VEE NEGATIVE SUPPLY Figure 11. Simplified Schematic Diagram. CAUTION: The small junction sizes inherent to the design of these components increase the components’ susceptibility to damage from electrostatic discharge (ESD). It is advised that normal static precautions be taken in handling and assembly of these components to prevent damage and/or degradation which may be induced by ESD. 53 of 62 67 Anexo Manual LCOP Absolute Maximum Ratings Parameter Storage Temperature Operating Temperature Lead Soldering Cycle Symbol TS TA Min. -55 -40 Max. +85 +85 +260 10 6.0 25 VCC Temp. Time Supply Voltage Output Current Signal Pin Voltage VCC IO VSIG -0.5 -0.5 Units °C °C °C s V mA V Reference Note 1 Electrical/Optical Characteristics -40°C to +85°C; 4.75 V ≤ Supply Voltage ≤ 5.25 V, RLOAD = 511 Ω, Fiber sizes with core diameter ≤ 100 µm, and N.A. ≤ -0.35 unless otherwise specified Parameter Responsivity Symbol RP Min. 5.3 Typ.[2] 7 Max. 9.6 Units mV/µW 0.40 11.5 0.59 mV/µW mV 0.70 mV -43.0 -41.4 dBm 0.050 0.065 µW dBm pk µW pk dBm pk µW pk Ω 4.5 RMS Output Noise Voltage VNO Equivalent Input Optical Noise Power (RMS) Optical Input Power (Overdrive) PN Output Impedance Zo dc Output Voltage Power Supply Current Equivalent N.A. Equivalent Diameter PR Vo dc IEE NA D -7.6 175 -8.2 150 30 -4.2 -3.1 9 0.35 324 -2.4 15 V mA µm Conditions Reference TA= 25°C Note 3, 4 @ 820 nm, 50 MHz Figure 16 @ 820 nm, 50 MHz Bandwidth Filtered Note 5 @ 75 MHz PR = 0 µW Unfiltered Bandwidth Figure 13 PR = 0 µW Bandwidth Filtered @ 75 MHz TA = 25°C Figure 14 Note 6 Test Frequency = 50 MHz PR = 0 µW RLOAD = 510 Ω Note 7 CAUTION: The small junction sizes inherent to the design of these components increase the components’ susceptibility to damage from electrostatic discharge (ESD). It is advised that normal static precautions be taken in handling and assembly of these components to prevent damage and/or degradation which may be induced by ESD. 54 of 62 68 Anexo Manual LCOP Dynamic Characteristics -40°C to +85°C; 4.75 V ≤ Supply Voltage ≤ 5.25 V; RLOAD = 511 Ω, CLOAD = 5 pF unless otherwise specified Parameter Rise/Fall Time 10% to 90% Pulse Width Distortion Symbol tr, tf Min. Typ.[2] 3.3 PWD Units ns Conditions PR = 100 µW peak Reference Figure 15 2.5 ns PR = 150 µW peak 2 % 125 0.41 MHz Hz • s PR = 5 µW peak, tr = 1.5 ns -3 dB Electrical Note 8, Figure 14 Note 9 0.4 Overshoot Bandwidth (Electrical) Bandwidth - Rise Time Product Max. 6.3 BW Note 10 Notes: 1. 2.0 mm from where leads enter case. 2. Typical specifications are for operation at TA = 25°C and VCC = +5 V dc. 3. For 200 µm HCS fibers, typical responsivity will be 6 mV/µW. Other parameters will change as well. 4. Pin #2 should be ac coupled to a load ≥ 510 ohm. Load capacitance must be less than 5 pF. 5. Measured with a 3 pole Bessel filter with a 75 MHz, -3 dB bandwidth. Recommended receiver filters for various bandwidths are provided in Application Bulletin 78. 6. Overdrive is defined at PWD = 2.5 ns. 7. D is the effective diameter of the detector image on the plane of the fiber face. The numerical value is the product of the actual detector diameter and the lens magnification. 8. Measured with a 10 ns pulse width, 50% duty cycle, at the 50% amplitude point of the waveform. 9. Percent overshoot is defined as: VPK - V100% –––––––––– x 100% V100% 10. The conversion factor for the rise time to bandwidth is 0.41 since the HFBR-24X6 has a second order bandwidth limiting characteristic. ( ) 0.1 µF +5 V 10 Ω 6 30 pF 2 3&7 POST AMP LOGIC OUTPUT RLOADS 500 Ω MIN. Figure 12. Recommended ac Coupled Receiver Circuit. (See AB 78 and AN 1038 for more information.) CAUTION: The small junction sizes inherent to the design of these components increase the components’ susceptibility to damage from electrostatic discharge (ESD). It is advised that normal static precautions be taken in handling and assembly of these components to prevent damage and/or degradation which may be induced by ESD. 55 of 62 69 Anexo Manual LCOP 3.0 125 100 75 50 25 0 6.0 2.5 tr, tf – RESPONSE TIME – ns SPECTRAL NOISE DENSITY – nV/ HZ PWD – PULSE WIDTH DISTORTION – ns 150 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0 50 100 150 200 250 300 FREQUENCY – MHZ Figure 13. Typical Spectral Noise Distortion vs. Peak Input Power. 0 10 20 30 40 50 60 70 PR – INPUT OPTICAL POWER – µW Figure 14. Typical Pulse Width Density vs. Frequency. 80 5.0 4.0 tf 3.0 tr 2.0 1.0 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 TEMPERATURE – °C Figure 15. Typical Rise and Fall Times vs. Temperature. NORMALIZED RESPONSE 1.25 1.00 0.75 0.50 0.25 0 400 480 560 640 720 800 880 960 1040 λ – WAVELENGTH – nm Figure 16. Receiver Spectral Response Normalized to 820 nm. 56 of 62 70 Anexo Manual LCOP Connectorized PIN Photodiodes Technical Data PDT0X1X Features Description • Industry Standard Connectors–FC, ST® and SC • 1200 nm to 1650 nm Wavelength • High Responsivity • High Reliability Planar InGaAs Photodiode • Range of Flange Options • Low Dark Current • -40 °C to +85 °C Operation The PDT range of products includes a variety of connectorized PIN photodiodes designed for wide operating temperature, low cost applications such as fiber in the loop. The planar InGaAs photodiodes are manufactured using our MOVPE growth technology and give low leakage, high responsivity performance with excellent reliability. Applications • Optical Data Communication Receivers • O-E Convertors • LANS • FDDI Networks • Instrumentation • FITL • Single and Multimode Fiber Communications Systems The construction of the devices includes a hermetically sealed photodiode and is designed to be compatible with the environmental requirements of the Bellcore TA-TSY-000983 document. The product range includes a variety of pinout, connector type and flange mounting options, designed to match the majority of offerings in the marketplace. If the specific arrangement or performance you require is not listed, please contact HewlettPackard. Highly flexible design and manufacturing processes allow both physical and electrooptic customization to suit your needs. ST® is a Registered Trademark of AT&T. ESD WARNING: NORMAL HANDLING PRECAUTIONS SHOULD BE TAKEN TO AVOID STATIC DISCHARGE. 57 of 62 504 5965-5857E (11/96) Anexo Manual LCOP PDT Connectorized PIN Photodiode Specifications Absolute Maximum Ratings Absolute maximum limits mean that no catastrophic damage will occur if the product is subjected to these ratings for short periods, provided each limiting parameter is in isolation and all other parameters have values within the performance specification. It should not be assumed that limiting values of more than one parameter can be applied to the product at the same time. Parameter Reverse Voltage Reverse Current Forward Voltage Forward Current Power Dissipation Operating Temperature Storage Temperature Soldering–10 seconds Symbol Vr Ir Vf If – Tc Ts – Minimum – – – – – -40 -40 – Maximum 20 12 1 5 50 85 85 260 Units V mA V mA mW °C °C °C Performance Specification Parameter Dark Current Reverse Breakdown Voltage Capacitance Responsivity Operating Wavelength Rise/Fall Times Symbol Id Vbr C R λ τr/τf Test Conditions: Unless Otherwise Stated Vr = 5 V, Tc = 25 °C Tc = 85°C Ir = 10 µA PDT031X Min. Max. – 1 – 50 35 – PDT041X Min. Max. – 1 – 50 35 – 1 MHz λ = 1300 nm 80% points – 0.7 1200 1.1 – 1650 – 0.7 1200 1.7 – 1650 pF A/W nm – 0.25 – 0.5 nS 10% to 90% Units nA nA V 58 of 62 505 Anexo Manual LCOP 59 of 62 Anexo Manual LCOP 60 of 62 Anexo Manual LCOP 61 of 62 Anexo Manual LCOP 62 of 62