Práctica 4
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Práctica 4 Atenuación en la fibra óptica OBJETIVO Medir la atenuación por unidad de longitud de una fibra óptica utilizando la técnica “cutback meted” o método reducido. INTRODUCCIÓN En telecomunicación, se denomina atenuación de una señal, sea esta acústica, eléctrica u óptica, a la pérdida de potencia sufrida por la misma al transitar por cualquier medio de transmisión. Así, si introducimos una señal con una potencia P1 en un elemento pasivo, como puede ser un cable, esta sufrirá una atenuación y al final de dicho circuito obtendremos una potencia P2. La atenuación (α) será igual a la diferencia entre ambas potencias. No obstante, la atenuación no suele expresarse como diferencia de potencias sino en unidades logarítmicas como el decibelio, de manejo más cómodo a la hora de efectuar cálculos. La atenuación vendría expresada en decibelios por la fórmula siguiente: 10 log P1 P2 Es probable que la pérdida de potencia o atenuación en un cable de fibra óptica, sea la característica más importante del cable, pues esta tiene varios efectos adversos sobre el funcionamiento que incluyen reducción del ancho de banda, la rapidez de transmisión de información, la eficiencia y capacidad general del sistema. La pérdida de potencia que se producen en un sistema de transmisión por fibra óptica se debe a las propias de la propagación de la señal óptica a través de la fibra, que son las que se tratarán en esta práctica y que también se conocen como atenuación de la fibra; y las causadas por el acoplamiento fototransmisor-fibra, fibra-fotoreceptor y fibra-fibra. Existen 3 causas fundamentales que provocan atenuación de luz en la fibra: 1. Absorción del material, debida a la interacción de la luz con la estructura molecular del material y las impurezas presentes en él. 2. Esparcimiento de luz, provocada por las variaciones en la densidad del material (esparcimiento de Rayleigh). 3. Pérdidas causadas por imperfecciones y deformaciones en la estructura de la fibra, como el cambio de diámetro, microcurvaturas, etc. Esta atenuación depende de la longitud de onda, es decir: luz de diferentes longitudes de onda, introducida en la misma fibra produce diferente atenuación. En la figura 4.1 se puede apreciar el comportamiento de la atenuación en la fibra, sobre un rango espectral de 0.7-1.6 m, que es el rango de interés para fibras fabricadas con base en el silicio. Este rango se establece debido a la disponibilidad de fuentes. Fig. 4.1 Atenuación típica en una fibra óptica de silicio. Los tres picos que se observan en la gráfica, representan pérdidas en la fibra debidas a las impurezas provocadas por la presencia de agua en forma de iones de oxidrilo (OH-) generados en su fabricación. Estas pérdidas unidas a los avances en la fabricación de fuentes para sistemas de comunicación vía fibra óptica, determinaron las distintas regiones de trabajo de estos sistemas de comunicación llamadas “ventanas”. De lo anterior podemos concluir que cuando la luz se transmite a través de un medio absorbente, con imperfecciones e impurezas; la irradiancia decae en forma aproximadamente exponencial conforme aumenta la distancia de transmisión, de la misma forma q sucede en otros sistemas de comunicación guiados o no. Una expresión que determina la cantidad de potencia óptica que se conserva en una fibra después de una distancia de propagación L, conocida como la ley de BeerLambert-Bouguer se expresa como I L I 0 * 10 I(L) I(0) L 10 (1) Irradiancia a la distancia L en Km Irradiancia a la entrada de la fibra L=0 en dB/km Coeficiente de atenuación con unidades dB/km Así una fibra de un kilómetro de longitud con un coeficiente de 10 dB/km, permite q I(L)/I(0)=0.1, en otras palabras que el 10% de la potencia de entrada se obtenga a la salida. Debido a que los diseñadores de fibras ópticas necesitan conocer la cantidad de luz que se conservará después de una cierta distancia de propagación, una de las especificaciones más importantes de una fibra óptica es la atenuación. En principio, la atenuación es la medición más fácil de realizar en una fibra óptica. El método generalmente utilizado es denominado “cutback method”. Todo lo que se necesita es introducir luz de una fuente apropiada en uno de los extremos de una fibra óptica de longitud considerable, medir la potencia óptica en el otro extremo de la fibra utilizando un detector con respuesta lineal y posteriormente, considerando solo un segmento de toda la fibra, es decir, cortando la fibra, medir la potencia óptica obtenida por este segmento pequeño de fibra. Al momento de realizar el corte de la fibra no se debe modificar el arreglo experimental utilizado para introducir la luz, para asegurar que las pérdidas medidas sean debidas únicamente a la atenuación de la fibra y no debidas a las pérdidas de inserción. La transmisión a través de la fibra se determina con la siguiente expresión: Perdidas PF PI (2) donde se ha sustituido PI (potencia inicial) y PF (potencia final) por I 0 e I z respectivamente de la ecuación (1). Expresando las pérdidas en dB se tiene: PerdidasdB 10 log PF PI (3) El signo negativo utilizado permite que las pérdidas sean expresadas con números positivos. De esta forma, las pérdidas pueden ser sumadas y después restadas de alguna potencia inicial, cuando ésta última esté expresada en logaritmos. A manera de comentario, al trabajar con fibras ópticas, frecuentemente se encontrarán potencias expresadas en dBm, que significa “dB con respecto a 1 mW de potencia óptica”. Así por ejemplo, 0 dBm = 1 mW, 3 dBm = 2 mW y -10 dBm = 100 W. Note que cuando pérdidas en dB son restadas de potencias en dBm, el resultado es en dBm. Por ejemplo, una potencia inicial de +3 dBm menos unas pérdidas de 3 dB, resulta en una potencia final de 0 dBm. Esta es una forma compacta de decir “una potencia inicial de 2 mW con un 50 % de pérdidas resulta en una potencia final de 1 mW”. El coeficiente de atenuación, , en dB/km se encuentra dividiendo las pérdidas por la longitud de la fibra L, como se muestra en la siguiente ecuación: dB km 1 L 10 log PF PI (4) La atenuación total se encuentra multiplicando el coeficiente de atenuación por la longitud de la fibra, obteniéndose un resultado logarítmico, en dB, para las pérdidas en la fibra óptica. Algunas deficiencias que presenta este método son las siguientes: Es un método poco exacto en fibras de bajas pérdidas, es decir con coeficientes de atenuación menores de 10 dB/km, ya que de lo contrario, el sistema de medición utilizado debe tener gran resolución. Las mediciones de las perdidas tienen un nivel de incertidumbre, pues dependen de la forma en la cual fue confinada la luz dentro de la fibra. Si la apertura numérica de la radiación de entrada es mayor que la de la fibra, se tienen mayores perdidas que en el caso contrario. Ver fig.4.2. Fibra Fibra Luz incidente Luz incidente (a) (b) Fig. 4.2 Condiciones de confinamiento de luz en una fibra óptica multimodo, a) overfilled.- la luz es inyectada con un ángulo mayor que el del cono de aceptancia, por tanto parte de la potencia de entrada se saldrá de la fibra y las pérdidas serán mayores. b) underfilled.- Toda la potencia de entrada es confinada dentro de la fibra con ángulos pequeños comparados con el ángulo crítico. La solución a estos problemas es: 1. Utilizar fibras de altas perdidas, con coeficientes de atenuación en el rango de 10-100 dB/km. 2. Utilizar un perturbador de modos, que tiene la función de lograr una distribución estable de modos con lo cual se logra minimizar las perdidas debido a las fallas en el confinamiento de la luz dentro de la fibra. PROCEDIMIENTO EQUIPO Y MATERIAL REQUERIDO Modelo Descripción F-MLD Fiber, 100/140 MM, 50 m Fibra multimodo F-MLD 100/140 m Cloruro de Metileno F-CL1 Fiber cleaver Clivador de fibra F-CCConnector halves, for F- Conector medio para fibra F140 MLD MLD CL200 Fiber Microscope Microscopio SG-22-2 Breadboard, 2 ft x 2 ft Tablero de trabajo LHRPLaser, HeNe 1.5 mW, 500:1 Laser de HeNe de 1.5mW, 0151 Polarization Polarización 500:1 UML Laser mount Montaje del laser 340-RC Rod Clamp Abrazadera de barra 41 Short rod Barra corta 1815-C Optical Power Meter Medidor de potencia óptica F-916 Coupler, fiber, w/o lens Acoplador, fibra, lente w/o M-20X Objective Lens, 20x Lente objetivo, 20x FK-BLX Balldriver L-Allen Wrench Juego de llaves L-Allen Set Cantidad 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 A los diferentes haces de luz confinados en la fibra óptica se les llaman modos de propagación, existen modos altos, que son aquellos con ángulos muy cercanos al ángulo de aceptancia, y modos bajos, que tienen ángulos mucho menores que el ángulos de aceptancia. SK-25ª VPH-2 SP-2 FP-1 FM-1 Screw Kit, ¼-20 2 in. Post Holder 2 in. Post Fiber Positioner Mode Scrambler Equipo de tornillos 1/4-20 Retenedor de poste de 2" Poste de 2" Posicionador de fibra Perturbador de modos 1 1 1 1 1 BASES TEORICAS NECESARIAS Para el buen desarrollo experimental de esta práctica, y el logro de los objetivos de la misma se sugiere que el alumno tenga conocimiento de los siguientes temas. - Métodos para medir la atenuación en la fibra óptica: Método cutback, la fibra referenciada, método de reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR) - Modos de propagación en la fibra óptica - Pérdidas en un sistema de comunicación. - Especificaciones de la fibra que se medirá. Experimento.- Medición de las pérdidas en una fibra óptica multimodo. 1. Prepare ambos extremos de la fibra multimodo del carrete de 50 o 500 m. El extremo que se pondrá en el medidor de potencia será referenciado como el extremo lejano. 2. Coloque el extremo lejano de la fibra en un retenedor de fibra que viene con el posicionador de la fibra, e insértelo dentro del FP-1. También debe colocar el detector del medidor de potencia óptica (1815-C). Alinee el detector con el extremo de la fibra para que sea posible medir la potencia de salida. El esquema de esta práctica se muestra en la figura 4.3. ACOPLADOR Lente Perturbador de modos LASER Sostenedor de fibra Medidor de potencia óptica Fotodetector Carrete de fibra Fig. 4.3 Esquema del experimento para medir las pérdiadas en la fibra. 3. Alinee el acoplador de fibra modelo F-916 y el láser de HeNe para que el brillo del haz del láser pase a lo largo del eje del acoplador. Coloque el lente objetivo modelo M-20X en el acoplador de fibra. En seguida ponga el extremo de la fibra en el posicionador de fibra. Cuidadosamente ajuste la fibra para maximizar la luz que incide dentro de la fibra observando las medidas que arroja el medidor de potencia óptico. Fig. 4.4.Disposición final del experimento.. 4. Posicione el FM-1 perturbador de modos en un lugar cerca del extremo de la fibra como se muestra en la figura 4.4. 5. Rote el botón contador del FM-1 en el sentido contrario a la manecillas del reloj para separar completamente las dos superficies. Coloque la fibra entre las dos superficies del FM-1. Rote el botón en el sentido de las manecillas del reloj hasta que las superficies hagan contacto con la fibra. Examine el campo de distribución de la salida de la fibra. Rote más allá el botón contador en el sentido de las manecillas del reloj y verifique el cambio en la distribución cuando cambia el torcimiento de la fibra. Cuando la distribución de la salida alcance la AN de la fibra, se obtiene una aproximación de la distribución estable. No agregue ningún otro torcimiento porque generaría perdidas excesivas. No debe cambiar la disposición de este montaje durante el resto del ejercicio. 6. Mida la potencia de salida en el extremo lejano de la fibra. Anotar la longitud exacta de la fibra. Esta es parte de la información de la etiqueta del carrete. Longitud de la fibra = _________ Potencia de salida PF = _________ 7. Corte la fibra aproximadamente 2 metros después del perturbador de modos como se muestra en la figura 4.5. (Asegúrese de anotar los cambios de la longitud de la fibra en la etiqueta del carrete para que más adelante otras personas puedan obtener buenos resultados). Separe la parte cortada de la fibra, confirme un buen corte y realice de nuevo las mediciones. Longitud de la fibra = _________ Potencia de salida PI = _________ ACOPLADOR Lente Perturbador de modos LASER Sostenedor de fibra Medidor de potencia óptica Fotodetector 2 metros de longitud de fibra. Figura 4.5 Esquema de laboratorio del método cutback para medir la atenuación en la fibra. 8. Calcule la atenuación de la fibra, usando la ecuación 4 y compare estos resultados con la atenuación dada en la hoja de especificaciones de la fibra. Tome L como el valor original de la fibra. Atenuación de la fibra = _________ 9. Conteste las siguientes preguntas ¿Las perdidas de acoplamiento están incluidas en el dato que obtuvo? ¿Los resultados obtenidos concuerdan con el coeficiente de atenuación que maneja el fabricante? ¿Que hace el perturbador de modos con los modos de orden alto? ¿Cuál es la ventana de trabajo de la fibra que utilizó? Describa tres consecuencias inmediatas, en el caso de que presione un poco más la fibra con el perturbador de modos 10.Realice la CONCLUSION de esta práctica. BIBLIOGRAFÍA [1] Newport Corporation. “PROJECTS IN FIBER OPTICS Applications Handbook”. 1999. [2] INTRODUCTION TO OPTICAL FIBER COMMUNICATIONS SYSTEMS; Jones William B. JR; USA; Oxford University Press ,1988. [3] FIBER OPTICS COMMUNICATION AND OTHER APPLICATIONS; Henry Zanger, Cynthia Zanger; USA; Macmillan Publishing Company,1991.
