Fundamentos de Comunicaciones Ópticas: Guía de Prácticas

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 estacionariadetermina 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
2a

(  / k ) 2  n22
n12  n22
n
2
1

 n22 
2a

{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 cuánticaLos 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 eQ /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. 12 ……….. Per. Ins. 13 ………..
Per. Ins. 21 ……….. Per. Ins. 23 ………..
Per. Ins. 31 ……….. Per. Ins. 32 ………..
Pérdidas de inserción a 1310 nm  Potencia de entrada ………..
Per. Ins. 12 ……….. Per. Ins. 13 ………..
Per. Ins. 21 ……….. Per. Ins. 23 ………..
Per. Ins. 31 ……….. Per. Ins. 32 ………..
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 (WLWaveLengthlongitud 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: MKYMax.Si éste no fuera el pico de la zona de interés muévalo con los botones
MKYSig.max.Drcha.- o MKYSig.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=10I. 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
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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
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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 (l0 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
 ur
 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   jE
z
{5}

E  jE
t
{6}

1  E z

 jrE    jHr
r  

{7a}
Las ecuaciones son:

E z
 jEr   jH
r
 


1   rE
Er 

  jHz
r   r
  
{7b}
{7c}
Idéntico cálculo puede hacerse con el campo magnético, obteniendo:

1  Hz

 jrH    jEr
r  


Hz
 jHr   jE
r
 


1   rH
Hr 

  jE 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 r0, 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 E1, mientras que si se
emplea con {20} y {21} se puede calcular E2. Igualando para r=a
 j

'
 A a J (ua)  BuJ (ua)


j  j

 2 C
K ( wa )  BwK' ( wa )  0
w  a

E1  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 TEm, TMm, HEm o EHm
(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
EHm
J  ( ua )  0
HEm
 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 w20. 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
2a

n
2
1
 n22  
2a
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, n0,10,2%. 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 = 8m
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 típico0,08
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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Anexo Manual LCOP
59 of 62
Anexo Manual LCOP
60 of 62
Anexo Manual LCOP
61 of 62
Anexo Manual LCOP
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