Laboratorio de Sistemas de Comunicaciones Ópticas

GRUPO DE INGENIERÍA FOTÓNICA
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
Laboratorio de Sistemas de
Comunicaciones Ópticas
Adolfo Cobo García
Olga Mª Conde Portilla
Fco. Javier Madruga Saavedra
Jesús Mª Mirapeix Serrano
Marian Quintela Incera
Antonio Quintela Incera
Marzo, 2009
“Cuéntame algo, lo olvidaré. Muéstramelo, podré recordarlo. Sin embargo implícame en ello y lo entenderé”
Proverbio Chino
Manipulación de Fibra Óptica
0a
1. Objetivos
Se realizarán manipulaciones básicas con la fibra óptica: pelado, corte y soldadura de fibras. Utilizando fibras estándares de telecomunicación, se conocerán las técnicas y herramientas utilizadas para realizar estas operaciones.
2. Introducción
La fibra estándar empleada actualmente en los sistemas de comunicaciones ópticas es
una fibra de dióxido de silicio (SiO2), de 125 μm. de diámetro, y con un núcleo de aproximadamente 9 μm de diámetro. Es por lo tanto una guia-onda monomodo para la segunda y tercera ventana de transmisión, 1300 y 1550 nm respectivamente. Es posible encontrar también en
la actualidad fibras ligeramente diferentes, como son las de dispersión desplazada, de dispersión nula, o de gran área efectiva, que se diferencian fundamentalmente en la estructura del
núcleo o en un tamaño del mismo ligeramente distinto, si bien el material y el tamaño de la
cubierta son idénticos al de una fibra estándar.
Una operación básica que se realiza sobre la fibra óptica es la preparación de su extremo, bien para introducir luz, para extraer luz, o bien para soldar dos fibras entre y prolongar
el canal óptico. En cualquier caso, es necesario realizar dos operaciones:
•
Pelado de la fibra, que consiste en remover todas las cubiertas protectoras
(normalmente de material plástico) de la misma, de forma que sólo el canal
óptico propiamente dicho (núcleo y cladding) permanece.
•
Corte, cuyo objetivo es que el extremo sea perfectamente plano y perpendicular al eje de la fibra, y así maximizar la eficiencia de acoplo de la luz.
En el caso de la soldadura de fibras, un buen corte es condición imprescindible para que la unión de las fibras sea fiable. Ocasionalmente, puede ser
interesante que el corte no sea estrictamente perpendicular al eje de la fi-
PRÁCTICAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PRÁCTICAS - PÁG. 1
bra óptica, sino que forme un ángulo de varios grados (8º es un valor estandarizado). Con esta técnica se evita la reflexión hacia atrás de la luz que
ocurre normalmente en la interfaz fibra-aire de un conector de fibra óptica
cuando el corte es perpendicular.
Fig. 1. Ejemplos de
cortes de fibra
óptica: Cortes
perfectos, perpendicular (a) y en
ángulo (b); cortes
defectuosos (c) y
(d).
Para el pelado de la fibra se puedan usar dos técnicas:
•
Pelado mecánico, sobre todo para eliminar las capas más externas. Se
puede usar una simple tijera o pelacables. Los recubrimientos de kevlar
(también conocido como aramida) requieren una herramienta especial porque su extrema dureza estropea las herramientas metálicas convencionales.
La capa protectora más interna, denominada cubierta primaria, suele ser
de acrilato (material más usual, para temperaturas y condiciones no extremas) o de poliamida (más resistente y caro). Existen herramientas específicas para eliminar esta capa, que se caracterizan por un diámetro de corte
calculado con mucha precisión para evitar dañar a la fibra en sí. Obviamente, existe una herramienta adecuada para cada diámetro de fibra óptica,
siendo los más típicos 125 y 140 micras.
•
Pelado químico, únicamente para la cubierta primaria. Para el recubrimiento de acrilato se utiliza di-cloro-metano (Cl2CH2) o disolventes comerciales que incluyan este producto (la mayoría de los decapantes para pinturas se basan en este compuesto). La cubierta de poliamida es más difícil de
eliminar: típicamente se emplea ácido sulfúrico (SO4H2) a alta temperatura.
El proceso de corte que mejor resultados obtiene consiste en producir una fisura superficial en la fibra y, a continuación, someterla a una tensión que propaga la fisura hasta producir la rotura. El corte así producido es perfectamente plano y perpendicular.
El corte puede realizarse de forma manual o automática: para ello, existen máquinas
que se encarga de pasar una cuchilla sobre la fibra para producir la micro-fisura, para luego
tensionarla y provocar la ruptura. En las máquinas mas sofisticadas, la tensión que se aplica a
PRÁCTICAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PRÁCTICAS - PÁG. 2
la fibra es regulable, a la vez que la cuchilla es controlada electrónicamente y en contacto
con una vibración ultrasónica. Esto provoca una fisura más limpia y un corte mejor. Otra posibilidad de las máquinas automáticas es conseguir un corte no perpendicular, con un ángulo
ajustable, especialmente útil como ya se ha dicho cuando el extremo de fibra se va a conectorizar y se necesita disminuir la potencia óptica reflejada en el extremo (la luz reflejada hacia
atrás puede desestabilizar el funcionamiento de algunas fuentes de luz tipo láser, por ejemplo). Sin embargo, para la unión de dos tramos de fibra óptica mediante fusión, el corte debe
ser perfectamente perpendicular.
La unión entre dos tramos de fibra óptica puede hacerse de forma temporal o permanente. Para la primera, se pueden emplear soportes acanalados o tubos que ajustan la posición de las dos fibras de forma que se maximiza el acoplo de luz entre ambas, reduciendo así
las pérdidas en el empalme (ver figura 2).
Fig. 2. Unión
temporal
entre dos
fibras mediante tubo
capilar.
2.1 Tipos de conectores ópticos
Otra posibilidad consiste en emplear conectores de fibra óptica. Usualmente, los conectores ópticos sirven para unir los extremos del canal de fibra óptica al emisor, receptor, o a la
instrumentación, pero también es posible unir dos tramos de fibra mediante el oportuno adaptador “hembra-hembra”.
Los conectores más usuales que se manejan en el laboratorio se denominan:
•
FC, que es un conector de alta calidad, apto para fibra monomodo estándar de
telecomunicación, y que se usa mayoritariamente en Europa, mientras que
en Estados Unidos es el tipo ST, muy similar, el más utilizado. El extremo
de fibra óptica esta alojado en un tubo de material cerámico blanco denominado “ferrule”, que garantiza unas pérdidas pequeñas. También existen
versiones multimodo Las pérdidas de inserción típicas de este conector son
aproximadamente de 0.3 dB.
•
ST, en este conector su elevada precisión y el “ferrule” cerámico permite emplearlo tanto con fibras multimodo como con fibras monomodo. Su uso está
muy extendido en aplicaciones LAN tanto interiores como exteriores en fibra óptica. Las pérdidas de inserción típicas de este conector son menores
de 0.5 dB.
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PRÁCTICAS - PÁG. 3
•
SMA, conector ya anticuado que solo es válido para fibras multimodo, cuyo núcleo es
mucho mayor (y por tanto más fácil de alinear) que el de una fibra monomodo.
El “ferrule” en este caso puede ser cerámico o metálico. Las aplicaciones típicas son el acoplo de luz de láseres de alta potencia en aplicaciones médicas,
bio-médicas e industriales. Las pérdidas de inserción típicas de este conector
son mayores de 1 dB.
•
SC, la elevada precisión de este conector y el “ferrule” cerámico lo convierten en un
conector muy apropiado para alinear fibra óptica monomodo. Este conector se
está convirtiendo en muy popular en aplicaciones con fibra óptica monomodo de
telecomunicaciones y en CATV. También existen versiones multimodo. Las pérdidas de inserción típicas de este conector son aproximadamente de 0.3 dB.
•
Plug-In, es un conector propietario de Hewlett-Packard empleado en sistemas de
comunicaciones de bajo coste con fibra óptica multimodo o de plástico.
Figura 3. Conectores de fibra óptica
2.2 Tipos de terminación de los conectores.
Una vez que la fibra óptica está terminada con un determinado tipo de conector, la forma del extremo de la “ferrule” y de la fibra óptica determinará las pérdidas de retorno, es
decir, la relación entre la luz propagándose en la dirección hacia adelante a través del conector y la luz reflejada hacia atrás debido a la superficie del conector. La minimización de las
pérdidas de retorno es de gran importancia en enlaces de fibra óptica analógicos y de alta
velocidad.
Las terminaciones de los conectores pueden ser de tres tipos
•
Plano. Una superficie plana del extremo del conector inducirá unas pérdidas de retorno de aproximadamente -16 dB (4%).
•
PC (“Physical Contact”). Este tipo de terminación implica una leve curvatura de la
superficie del extremo del conector, por lo que existirá un contacto físico entre fibras
cuando se unen dos conectores ópticos. Al eliminar el interfaz fibra-aire, las pérdidas
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PRÁCTICAS - PÁG. 4
de retorno están aproximadamente entre –30 a –40 dB. Está terminación es la mas popular, usada en la mayor parte de las aplicaciones.
•
SPC (“Super Physical Contact”). Es un subtipo del PC, pero mejora la calidad
de la superficie del conector, por lo que las pérdidas de retorno están entre –40
a –55 dB. Se emplea en sistemas de transmisión digital por fibra óptica de alta
velocidad.
•
APC, muy similar al anterior pero con el extremo de fibra óptica y el “ferrule”
terminados en un ángulo de 8º. Las pérdidas de retorno son <-60 dB.
Figura 4. Terminación de los extremos de los conectores.
2.3 Soldaduras de fibras ópticas.
La unión permanente implica “soldar” las fibras, lo que se consigue calentando adecuadamente los extremos hasta fundir el material. Debido al pequeño tamaño de la fibra, y en
particular del núcleo, es necesaria una gran precisión en el posicionamiento de las fibras, así
como en el tiempo y la intensidad del calentamiento. Este proceso se realiza con máquinas
automáticas que consiguen pérdidas en los empalmes realizados de menos de 0.1 dB. En la
figura 3 se muestra esquemáticamente una de estas máquinas, con los dos extremos de fibra
óptica enfrentados y situados entre los dos electrodos que provocan el arco eléctrico.
Estas máquinas realizan de forma mas o menos automática los siguientes procesos:
•
Posicionado óptimo de los extremos de fibra. En las máquinas más modernas, se realiza automáticamente mediante tratamiento de las imágenes
captadas de las fibras por un pequeña cámara de video.
•
Pre-fusión mediante arco eléctrico de baja intensidad para eliminar las posibles partículas de polvo y suciedad sobre la superficie de las fibras.
•
Fusión propiamente dicha entre las fibras, mediante la aplicación simultánea de un arco eléctrico y de un movimiento axial de aproximación. La intensidad del arco, su duración, y los movimientos aplicados dependen del
tipo de fibra óptica y de su fabricante.
•
Re-fusión mediante arco eléctrico más débil, para estabilizar la soldadura.
•
Estimación de las pérdidas del empalme. Dos técnicas son las más utilizadas: estimación de las pérdidas mediante tratamiento de imagen, o inserción de luz en las fibras para la medida directa de las pérdidas.
PRÁCTICAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PRÁCTICAS - PÁG. 5
Fig. 3. Estructura
genérica de una
fusionadora.
3. Desarrollo de la práctica
Se realizarán las tres operaciones básicas con la fibra: pelado, corte y soldadura. El resultado del corte deberá inspeccionarse con un microscopio para controlar su calidad antes
del proceso de soldadura.
-aEl pelado se realizará, bien químicamente empleando di-cloro-metano o un disolvente
apropiado, o bien mediante una tijera de pelado, de forma mecánica. Con el método químico,
debe introducirse el extremo de fibra a pelar (al menos 3 cm) en el disolvente y esperar en
torno a 1 minuto. A continuación se extrae la fibra y se limpia el extremo con un “kleenex” y
alcohol.
-bPara realizar el corte, se sostiene el extremo de la fibra entre dos dedos y, con una cuchilla, se produce una pequeña incisión en el punto donde se desea el corte. Luego basta con
empujar el extremo para propagar la fractura y provocar la ruptura de la fibra.
!
Los trozos de fibra óptica sobrantes en el corte
deben ser desechados con cuidado.
Es conveniente, antes de realizar la fusión de los dos tramos de fibra, comprobar con un
microscopio la calidad del corte. En su defecto, la máquina que realiza la soldadura incorpora
un visor que se puede emplear para este fin.
-cLa soldadura se realizará mediante una máquina específica (fusionadora). En el apéndice
puede encontrarse una descripción e instrucciones de uso de las fusionadoras disponibles en el
laboratorio.
PRÁCTICAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PRÁCTICAS - PÁG. 6
Identificación de Cables Ópticos
0b
1. Objetivos
Introducción a los cables ópticos. Se estudiará la formación y composición de los diferentes tipos de cables usados en los sistemas de comunicaciones ópticas. En el laboratorio, se podrán conocer e identificar diferentes tipos de cables ópticos.
2. Introducción
Dada la fragilidad de la fibra óptica usada en comunicaciones ópticas (125 μm de
diámetro y compuesta de dióxido de silicio -cristal), es importante recubrirla adecuadamente de elementos protectores que permitan su instalación en campo. Además, para optimizar el coste de los enlaces, varias fibras pueden incluirse bajo una misma capa protectora, formando un único cable óptico. El tipo y número de recubrimientos, así como el número de fibras que forman un cable óptico, depende de la aplicación específica, las características técnicas del enlace, y de su lugar de emplazamiento.
La utilización de cables ópticos, con múltiples fibras y recubrimientos, persigue tres
objetivos básicos:
•
Proporcionar dureza mecánica, evitando la rotura de la fibra.
•
Alargar la duración del enlace, evitando el envejecimiento del canal óptico.
•
Evitar las curvaturas, que aumentan la atenuación.
Con estos objetivos en mente, se han implementado multitud de diseños de cables
ópticos, con diferentes materiales y estructura, en función de cada aplicación específica.
El diseño de un cable óptico se estructura en dos fases: tipo recubrimiento primario, y
agrupamiento de las fibras ópticas.
El recubrimiento primario tiene como misión principal el proporcionar algo de dureza mecánica que proteja a la fibra óptica. De hecho, tras la fabricación de la fibra, es necesario, para su manipulación y transporte, añadir un recubrimiento primario, aunque sea
básico. A la hora de elegir un material para realizar un recubrimiento primario, se busca,
PRÁCTICAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PRÁCTICAS - PÁG. 7
además de una resistencia mecánica adecuada, que no genere moléculas de hidrógeno (H2)
incluso a temperaturas altas (en torno a 200 ºC), y que su comportamiento con la temperatura (coeficiente de dilatación) sea lo más parecido al de la fibra óptica, para evitar la
aparición de curvaturas bajo temperaturas extremas.
Existen varios diseños de recubrimientos primarios:
•
Recubrimiento delgado simple (thin coating). Se trata de una capa de
material plástico duro, con un diámetro normalizado de 250 μm. Es el
recubrimiento primario más usual en fibras estándares de telecomunicación.
•
Recubrimiento delgado doble (double thin coating). Una doble capa
plástica, la interior de material más blando y elástico, permite disminuir
el efecto de las curvaturas. El diámetro externo normalizado es también
de 250 μm.
•
Recubrimiento grueso doble (double thick coating). La misma disposición pero con un diámetro global de unas 900 μm.
•
Recubrimiento doble holgado (loose coating). Dos capas plásticas están
separadas por un relleno de aire o de grasa. El diámetro resultante es
mucho mayor (2 mm), pero aísla a la fibra de posibles curvaturas. Además, el material de relleno puede actuar como barrera de las moléculas
de hidrógeno evitando por tanto el deterioro del canal de transmisión
con el tiempo. Su principal problema es que dificulta la soldadura y el
conectorizado.
El agrupamiento de las fibras ópticas para formar un cable óptico puede clasificarse
en 4 tipos:
•
Trenzado.
•
Trenzado con unidades múltiples.
•
Ribbon.
•
Con surco en “V”.
El diseño trenzado consiste en múltiples fibras con recubrimiento primario que son
trenzadas alrededor de un elemento de sostén mecánico (alma) a medida que se produce
el cable. Es el diseño más clásico, que utiliza para su fabricación máquinas similares a las
de los cables de cobre convencionales. Este tipo de diseño permite hasta unas 1.000 fibras
por cable.
El diseño trenzado con unidades múltiples es muy similar al anterior, salvo en que
el recubrimiento primario es siempre del tipo holgado, y en el interior del relleno se aprovecha para incluir más de una fibra óptica. La principal diferencia es la densidad de fibras,
unas tres veces superior. El hecho de utilizar una técnica holgada permite que la fibra sea
insensible a esfuerzos de tracción y contracción, ya que la fibra se acomoda hacia el interior o el exterior respectivamente sin sufrir fuerzas que la puedan dañar.
El cable ribbon o de cinta es el que permite la mayor densidad de fibras por unidad
de área. Se fabrica uniendo múltiples fibras ópticas (incluyendo su recubrimiento primario
individual) entre sí mediante un material plástico, hasta formar una “tira” plana y ancha.
Varias de estas tiras se pueden apilar, consiguiendo una gran densidad de fibras. La distancia entre las fibras dentro de una tira está normalizada, por lo que pueden soldarse simul-
PRÁCTICAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PRÁCTICAS - PÁG. 8
táneamente, facilitando la unión de dos cables ópticos. El principal inconveniente es la
colocación del “alma”, que por otra parte siempre es necesaria para evitar la rotura de la
fibra al tirar del cable durante su instalación.
El cable con surco en “V” se construye alrededor de un elemento plástico que incluye en su centro el “alma”. Sobre la superficie de este elemento, existe un surcos sobre los
que se sitúan las fibras. Cada surco puede albergar una o múltiples fibras, e incluir un relleno de grasa. La densidad que se consigue es media, mientras que las características de
transmisión son muy estables gracias a la protección ofrecida a la fibra.
Fig. 1. Diferentes
diseños básicos de
cables ópticos, de
izquierda a derecha: trenzado,
trenzado múltiple,
ribbon y con surcco en “V”.
Por supuesto, existen múltiples configuraciones basadas en estos cuatro tipos básicos, en las que se modifica el número y tipo de fibra, disposición de las mismas, material y
grosor de los recubrimientos, etc., todo ello para adecuar cada tipo de cable a su aplicación específica.
3. Desarrollo de la práctica
En esta práctica se analizará la constitución de diversos cables ópticos. Cada grupo
elegirá varios de estos cables, y ayudándose de las hojas de características proporcionadas
por el fabricante, deberá:
•
Observar las distintas capas de protección, identificando su material y
cometido.
•
Examinar el tipo, número y disposición de los canales de fibra óptica.
•
Identificar el tipo de cable y su aplicación, de acuerdo a su estructura,
utilizando la información proporcionada por el fabricante.
PRÁCTICAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PRÁCTICAS - PÁG. 9
Medida de la Apertura Numérica
1
1. Objetivos
Se medirá un parámetro básico de la fibra óptica como es su apertura numérica. Para
ello, se empleará un método basado en la medición de la potencia óptica introducida en la
fibra para distintas posiciones angulares de la misma. Este método se aplicará a distintos
tipos de fibra óptica, tanto fibras monomodo como multimodo.
2. Introducción
La apertura numérica de una fibra óptica es un parámetro relacionado con la cantidad de luz que se puede introducir en la misma, así como la dirección angular de la luz
emitida por la misma al final de un canal de comunicaciones ópticas. Se define como el
seno del ángulo máximo de aceptancia cuando el medio externo es aire (n0 = 1)
AN = n0 sen( θ max ) = n1 2 − n2 2
donde n1 es el índice de refracción del núcleo y n2 el de la cubierta o cladding. θmax
es el ángulo máximo de aceptancia: los rayos que lleguen a la fibra con un ángulo mayor,
no se propagarán por la misma. En la siguiente figura, El rayo “A” incide con un ángulo θA <
Fig. 1. Concepto
de apertura
numérica en
una fibra óptica.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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11
θMAX, y se propaga por la fibra. No ocurre lo mismo con el rayo “B”, que es radiado al exterior y se pierde porque su ángulo de incidencia es mayor que el ángulo máximo de aceptancia.
Esta definición de A.N. es aplicable únicamente a fibras de salto de índice, y supone un comportamiento todo/nada, es decir, o bien toda la luz es recogida por la fibra, o no
lo es en absoluto, dependiendo de su ángulo de incidencia. En la práctica, sin embargo, la
potencia óptica acoplada a la fibra decrece progresivamente al aumentar el ángulo, y se
ha tomado el convenio de que el ángulo máximo de aceptancia es aquel para el que la potencia capturada por la fibra o emitida por la misma es un 5% de la máxima. Una idea de
cómo varía la potencia acoplada en función del ángulo se muestra a continuación en la
figura 2.
Fig. 2. Ejemplo de
curva de acoplo
experimental, mostrando la definición
de ángulo máximo
de aceptancia.
El montaje práctico se basa en lanzar un frente de ondas plano sobre la entrada de la
fibra, monitorizando la potencia óptica propagada por la misma. Variando el ángulo de
incidencia de este frente de ondas se puede determinar el ángulo máximo de aceptancia
(cuando la potencia de la luz propagada es el 5% de la máxima), y de ahí se deduce la
apertura numérica.
3. Desarrollo de la práctica
El montaje necesario para esta práctica se muestra en la figura 3, y emplea un láser
de He-Ne con una longitud de onda en el visible (0.63 μm) para producir el frente de ondas
plano. El spot del láser incide sobre la fibra óptica, que se encuentra situada sobre un posicionador XYZ, de forma que puede moverse para obtener el máximo acoplo de potencia.
Este posicionador se encuentra a su vez montado sobre un rotador que permite variar el
ángulo de incidencia entre la luz y la fibra. La potencia introducida en la fibra es monitorizada por el medidor de potencia óptica acoplada al otro extremo de la misma, que muestra en su display directamente la potencia medida en unidades lineales (watios) o logarítmicas (dBm).
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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12
Fig. 3. Montaje
para la medida de
la apertura numérica.
Fibra óptica
LASER
GIF
Rotador
M.P.O.
-aEn primer lugar debe alinearse el extremo de la fibra óptica respecto al haz emitido
por el láser. Para ello, situar el girador lo más recto posible respecto al láser, y mediante
los dos tornillos que incorpora el posicionador de la fibra, situar este extremo exactamente
sobre el eje de giro del rotador, mirando desde arriba. A continuación, mover ligeramente
el láser hasta que su haz incida directamente sobre la fibra, provocando un aumento brusco de la potencia óptica acoplada a la misma. Por último, retocar ligeramente la posición
de la fibra con los dos tornillos micrométricos de forma que se maximice la potencia óptica
acoplada. En estas condiciones, la fibra está alineada con el haz del láser, a al vez que el
centro de giro coincide con su extremo.
1
Anotar el tipo de fibra óptica y la potencia óptica máxima recogida.
!
Es normal que la potencia emitida por el láser sufra
fluctuaciones, especialmente tras el encendido. Es
conveniente promediar las medidas.
-bA continuación, se debe mover el girador hacia una dirección cualquiera, y detenerse
en el momento en que la potencia óptica medida sea despreciable frente a la máxima. Se
iniciarán entonces las medidas, moviendo el girador en la dirección contraria (hacia el
máximo de nuevo), en pasos de media división (1 grado), y anotando la potencia óptica
medida en cada punto. Las medidas finalizarán cuando la potencia óptica haya descendido
nuevamente hasta un valor despreciable, al menos, inferior al 5% de la potencia máxima.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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13
Anotar las medidas de potencia óptica en función del ángulo de giro.
2
-cCon estos datos debe confeccionarse un gráfico con la potencia óptica en el eje de
ordenadas y el ángulo en el de abcisas. Este gráfico debe tener forma de campana, similar
al de la figura 2.
Dibujar aproximadamente el gráfico resultante
3
Se buscan entonces los ángulos θ1 y θ2 para los que la potencia es el 5% de la máxima,
siendo entonces la apertura numérica:
AN = sen
θ 1 −θ 2
2
Determinar los ángulos y la apertura numérica resultante.
4
-dLas medidas deben repetirse con los tres tipos de fibra óptica disponibles:
•
Fibra estándar de telecomunicación 9/125, monomodo, de sílice, n1 = 1,460,
n2 = 1,456.
•
Fibra multimodo de sílice, 100/140 , n1 = 1,460, n2 = 1,432.
•
Fibra multimodo de plástico, 1 mm. de diámetro de núcleo, n1 = 1,490, n2 =
1,404
Comparar el resultado obtenido con el valor teórico esperado. Determinar el
13 error relativo de la medida y comentar la exactitud del resultado.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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14
Modos de Propagación en la Fibra Óptica
2a
1. Objetivos
Se comprobará como una fibra óptica monomodo en 2ª y 3ª ventana se convierte en una
guía-onda multimodo usando una longitud de onda suficientemente corta. Se observará la
distribución espacial del campo de los modos guiados por la fibra, que pueden excitarse
individualmente modificando la forma de introducir luz en la misma y verse fácilmente, a
simple vista, proyectando la luz propagada por la fibra sobre una pantalla.
2. Introducción
La fibra óptica monomodo se diseña para longitudes de onda de 1.3 ó 1.55 μm (segunda
y tercera ventana de transmisión). Para estas longitudes de onda, la fibra es una guía-onda
monomodo, pero esta condición se pierde si la longitud de onda es suficientemente pequeña
(longitud de onda de corte). El número de modos propagados puede determinarse a partir del
parámetro V ó “frecuencia normalizada”:
V=
2π
λ
a AN
donde a es el radio del núcleo (4,5 μm.ç) y AN la apertura numérica (0,11 para la fibra
monomodo estándar de telecomunicación). Una vez determinado el valor de V, el número de
modos LP propagados puede hallarse a partir del diagrama b-V, que se muestra en la figura 1
(izquierda).
Así, para una longitud de onda de 1300 nm el valor de V es menor de 2.405, luego la
fibra tiene un comportamiento monomodo. Para λ = 633 nm, sin embargo, V = 5, y el número
máximo de modos propagados es 4. Los láseres de Helio-Neón empleados en el laboratorio
emiten precisamente a esta longitud de onda. La distribución espacial de luz de estos 4 modos
se puede ver a la derecha en la figura 1.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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15
Fig. 1. Diagrama bV para los modos
linealmente
polarizados (LP) de
una fibra óptica
(izquierda), así
como la
distribución
espacial del campo
de los cuatro
primeros (derecha).
Cambiando las condiciones de introducción de luz a la fibra (especialmente el ángulo de
incidencia, es decir, la orientación espacial de la fibra respecto a la fuente de luz) y
utilizando un scrambler para anular los modos superiores, es posible modificar las condiciones
de propagación y seleccionar alguno de estos cuatro modos. El spot de iluminación de salida
de la fibra puede proyectarse sobre una pantalla, e identificar el(los) modo(s) propagado(s) a
partir de la distribución de luz encontrada.
El scrambler, también denominado “aleatorizador”, es un elemento que, deformando la
fibra óptica mediante unas microcurvaturas, redistribuye espacialmente el campo propagado
por la fibra. Como principal efecto, consigue eliminar los modos de orden superior que se
propagan por la misma, convirtiéndolos en modos radiados o bien en modos de cubierta, que
sólo se propagan durante unos pocos metros y son fuertemente atenuados. Un efecto similar
puede conseguirse realizando un pequeño bucle en la fibra, en torno a 1 cm de diámetro. Este
último método, aún siendo manual, es preferible, ya que el aleatorizador puede romper la
fibra óptica con mucha facilidad si la profundidad de las curvaturas es elevada.
3. Desarrollo de la práctica
El montaje a utilizar incluye una fuente láser de Helio-Neón, un tramo de fibra óptica y
la pantalla, tal como se muestra en la figura 2. La luz procedente del láser se proyecta sobre
la fibra óptica. La posición y dirección del extremo de fibra puede cambiarse para modificar el
ángulo de incidencia de la luz, y así excitar adecuadamente los distintos modos, utilizando un
posicionador que incorpora movimiento lineal en tres ejes (XYZ) y angular en dos (θ, φ). El
scrambler, si se utiliza, puede situarse en cualquier punto del camino óptico, y el patrón de
radiación de la fibra puede observarse en una pantalla situada enfrente del extremo final de
la fibra óptica.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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16
Fig. 2. Montaje para
la visualización de
los modos de
propagación de la
fibra óptica.
-aEn primer lugar se intentará maximizar la potencia óptica acoplada, moviendo los
posicionadores del inicio de la fibra hasta que la luminosidad del spot observado en la pantalla
sea máxima.
A continuación se hará uso del scrambler o bien se curvará manualmente la fibra para
cambiar el número de modos propagados. Si se utiliza el scrambler, se situará la fibra entre
las dos pletinas de “dientes” y se girará el mando en sentido horario hasta que la fibra quede
sujeta. A partir de ese momento, cada raya larga del mando que se gire aumentará la
profundidad de las microcurvaturas en 25 micras. El máximo para evitar la rotura de la fibra
es de 6 rayas (150 micras).
!
Tanto si se utiliza el aleatorizador, como si se
realiza un simple bucle, debe ponerse la máxima
atención para no romper la fibra óptica.
-bSe intentará excitar alguno de los 4 modos propagados, variando:
• La profundidad de las microcurvaturas (mando del scrambler), o bien
realizando bucles de diferente diámetro en la fibra.
• La posición del extremo de fibra.
• La dirección (posición angular) del extremo de fibra.
-cSe intentará comparar el patrón de radiación con el de los primeros modos linealmente
polarizados. Tener en cuenta que puede excitarse más de un modo simultáneamente, y que
siempre es posible obtener el modo fundamental (LP01 = HE11) girando suficientemente el
scrambler.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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17
Dibujar aproximadamente la forma de los modos obtenidos en la pantalla,
1 indicando las acciones necesarias para conseguir visualizar cada uno de ellos.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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18
Observación del Speckle
2b
1. Objetivos
Se analizará el fenómeno de ruido modal en fibras multimodo que transportan luz
procedente de una fuente de gran longitud de coherencia, observando el fenómeno conocido
como “speckle”. Se comprobará la dependencia de este fenómeno con diferentes factores
ambientales y de transmisión.
2. Introducción
La inteferencia intermodal o ruido modal se produce cuando una fibra óptica multimodo
transporta luz procedente de una fuente con gran longitud de coherencia (es decir, con una
anchura espectral muy pequeña), y además se cumple que el tiempo de coherencia de la
fuente es mayor que el tiempo de dispersión intermodal de la fibra, considerando la longitud
empleada. Este fenómeno provoca variaciones aleatorias de la potencia óptica recogida por el
receptor, por lo que debe ser tenido en cuenta en sistemas de comunicaciones ópticas basados
en fuentes coherentes y fibra multimodo.
Si se proyecta el cono de iluminación del extremo final de la fibra sobre una pantalla,
puede observarse a simple vista el patrón espacial de ruido, con puntos brillantes y oscuros,
conocido como “speckle”.
3. Desarrollo de la práctica
Se utiliza el mismo montaje que el empleado para observar los modos propagados (ver
práctica “Modos de propagación en la fibra óptica”), sustituyendo la fibra óptica estándar de
telecomunicación por fibra multimodo de sílice, tal como se muestra en la figura 1.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
19
Fig. 1. Montaje
para la observación
del “speckle” al
final de un canal de
comunicaciones
multimodo.
-aSe maximizará en primer lugar la potencia óptica acoplada, observando la intensidad del
patrón de radiación sobre la pantalla.
-bObservar el patrón de ruido modal sobre la pantalla, y comprobar el efecto que
producen sobre el mismo:
•
Los cambios del camino óptico seguido por la luz en la fibra, desplazando
ligeramente la misma, produciendo curvaturas, etc.
•
Las condiciones de inyección de la fuente de luz, modificando su posición
respecto al extremo inicial de la fibra.
•
La posición de la pantalla, desplazándola ligeramente respecto de su
posición inicial.
•
Ruido acústico ambiental.
•
…
Dibujar aproximadamente el patrón de luz observado en la pantalla,
comentando los efectos sobre el mismo de la posición de la fibra óptica, las
1 condiciones de inyección, etc.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
20
Medida Aproximada de la
Apertura Numérica
2c
1. Objetivos
Se medirá de forma aproximada la apertura numérica de fibras ópticas monomodo y
multimodo, a partir del diámetro del patrón de radiación de la fibra en campo lejano.
Igualmente, se observará cómo el ángulo máximo de aceptancia es afectado por un cambio
en el índice de refracción del medio exterior a la fibra.
2. Introducción
La apertura numérica está relacionada con el ángulo de aceptancia máximo de la fibra, θmax.
AN = n0 sen( θ max ) = n1 2 − n2 2
Siendo n0 es índice de refracción del medio exterior, n1 el del núcleo de la fibra y n2
el de la cubierta. La fibra óptica, al tener simetría circular, define un cono de aceptancia
de luz en su entrada, que se traduce en un cono de iluminación a su salida. Si se consigue
proyectar el patrón de radiación producido a la salida de la fibra óptica y medir su diámetro, es posible determinar (de forma aproximada) su apertura numérica. A partir de las
medidas de la distancia fibra - pantalla (L) y del diámetro del spot (W), se puede calcular
la A.N:
⎛ 1 W⎞
⎟
⎝2 L⎠
θ max = arctan ⎜
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
21
Fig. 1. Montaje para
la medida aproximada de la apertura
numérica.
3. Desarrollo de la práctica
Se utiliza el montaje realizado para observar los modos propagados en la fibra óptica
(ver figura 1), repitiendo el proceso para las fibras monomodo y multimodo.
-aColocar la fibra monomodo en los posicionadores, entre el láser y la pantalla. Ajustar
el scrambler y la posición de la fibra respecto al láser de forma que se propague únicamente el modo fundamental (LP01). Efectuar las medidas de la anchura del patrón de radiación
(W) y de la distancia fibra-pantalla (L).
Anotar los valores obtenidos de distancia, anchura del patrón y apertura numérica. Comparar el valor obtenidos con el esperado teóricamente. Calcular el
1 error relativo y comentar las posibles fuentes de error.
-b-
Repetir el proceso con la fibra óptica multimodo.
Para la fibra multimodo, anotar los valores obtenidos de distancia, anchura del
patrón y apertura numérica. Comparar el valor obtenidos con el esperado teó2 ricamente. Calcular el error relativo y comentar las posibles fuentes de error.
-c-
A continuación, extraer el extremo final de la fibra óptica multimodo y situarlo sobre
una cubeta transparente conteniendo agua. Observar el tamaño aproximado del patrón de
radiación sobre el fondo de la cubierta, situando el extremo de la fibra óptica sobre la superficie de agua. Introducir ligeramente el extremo en el agua y observar el efecto sobre
el tamaño del patrón de radiación.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
22
3
Comentar brevemente la razón de este cambio.
-dColocando la cubeta de agua sobre una escala graduada, es posible incluso tomar
medidas aproximadas del tamaño del patrón de radiación.
Anotar el tamaño del spot dentro y fuera del agua, calculando la apertura numérica en cada caso. Comparar con los valores obtenidos anteriormente en el
4 punto –b-
Datos para la fibra monomodo estándar de telecomunicación: n1 = 1,460 n2 = 1,456.
Fibra multimodo 100/140: n1 = 1,460, n2 = 1,432. Índice de refracción del agua: nagua ≅ 1,3.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
23
Pérdidas por Curvaturas
3a
1. Objetivos
Se analizará el efecto que producen las curvaturas sobre un canal de fibra óptica monomodo, caracterizando la atenuación que se introduce en el canal en función del radio de
las misma.
2. Introducción
Las curvaturas pueden producir efectos perjudiciales en un canal de fibra óptica, debido a la distorsión provocada en la guiaonda, y que suele traducirse en una pérdida de potencia (atenuación), afectando negativamente a las prestaciones del enlace.
Se considera que la atenuación α provocada por una curvatura depende exponencialmente del radio R de la misma según la relación:
α = C1 ⋅ e − C
2 ⋅R
[dB]
donde C1 y C2 son dos coeficientes que dependen de las características de la fibra óptica y de la longitud de onda de la radiación transportada. Por lo tanto, cuanto menor es el
radio de la curvatura, mayor es la atenuación sufrida por la luz propagada.
Esta dependencia inversa entre el radio de curvatura y la atenuación debe tenerse en
cuenta a la hora de diseñar e instalar un enlace de fibra óptica. Así, se considera que existe un radio mínimo de curvatura, denominado radio crítico RC, que no debe nunca alcanzarse porque se provocarían pérdidas elevadas que podrían hacer peligrar el funcionamiento del enlace. Este radio mínimo, para fibras monomodo, está dado por la siguiente expresión empírica:
⎛
λ
⎜ 2,748 − 0,996 ⋅
RC ≈
2
2 2 ⎜
λC
n1 − n2 ⎝
(
20 ⋅ λ
)
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
⎞
⎟⎟
⎠
−3
PÁG.
25
mientras que para fibras en régimen fuertemente multimodo viene dado por:
RC ≈
3 ⋅ n12 ⋅ λ
(
4 ⋅ π ⋅ n12 − n22
)
32
donde n1 es el índice del núcleo, n2 el de la cubierta, λ es la longitud de onda de trabajo y λC la longitud de onda de corte de la fibra. En cualquier caso, siempre que sea posible, conviene evitar cualquier curvatura de menos de 10 cm de radio en una instalación.
La medida de las pérdidas en curvaturas se realizará mediante el método de las pérdidas de inserción. Éste se basa simplemente en inyectar luz por un extremo de la fibra y
medir la potencia óptica al final del tramo. Realizando esta medición con y sin curvatura,
es posible determinar con precisión la atenuación introducida por la misma.
3. Desarrollo de la práctica
Para el desarrollo de la
práctica se empleará una
fuente de luz y un receptor
óptico, ambos integrados en
un medidor de potencia óptica
(MPO) Anritsu. Una plantilla
mecanizada con agujeros de
diferentes radios permite provocar curvaturas de forma
controlada. Las medidas deben
realizarse tanto en segunda
(1300nm) como en tercera
ventana (1550nm).
Fig. 1. Medida
de la atenuación por curvaturas mediante
la técnica de
pérdidas de inserción.
-aEn primer lugar se realiza un bucle con la bobina
completa de fibra, conectando
un extremo al emisor de luz y
el otro al receptor del MPO.
Activar la fuente de luz incluida en el mismo y medir la potencia óptica recogida al final del canal. Esta potencia óptica debe apuntarse y servirá de
referencia para el cálculo de las pérdidas en las diferentes curvaturas.
Apuntar la potencia óptica de referencia sin curvaturas, tanto en 2ª como 3ª
1 ventana.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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26
-bA continuación, se curva un tramo de fibra óptica (en el extremo final del canal, pero
lo más lejos posible del receptor) y se introduce en cada uno de círculos calibrados, anotando en cada caso la potencia óptica recogida y el radio aplicado. Las pérdidas se calculan
restando la potencia óptica en dBm recogida con cada curvatura, de la potencia óptica inicial de referencia.
Confeccionar una tabla en la que se recojan los diferentes radios de curvatura
2 junto con las pérdidas provocadas con cada uno.
Es de esperar que los valores obtenidos de pérdidas tengan una dependencia exponencial con el radio de curvatura.
Representar gráficamente los valores obtenidos y valorar subjetivamente si la
3 gráfica puede aproximarse por una curva exponencial.
Para mayor objetividad, es posible realizar fácil y rápidamente un ajuste de los puntos experimentales de atenuación a una curva exponencial, mediante la opción “Agregar
línea de tendencia” en el menú “Gráfico” del programa Excel®. Para ello, se deberán crear dos columnas de datos en una hoja de cálculo en blanco, la primera con los radios de curvatura y la segunda con la atenuación en dB. Insertando un gráfico del tipo “XY”
y usando la opción “Agregar línea de tendencia” ya comentada es posible obtener
la curva exponencial que mejor ajusta los datos experimentales. Si se seleccionan las opciones “Presentar ecuación en el gráfico” y “Presentar el valor de R
cuadrado en el gráfico” pueden obtenerse también los valores de las constantes C1 y
C2 que definen el comportamiento de la fibra óptica ante las curvaturas, así como el grado
de adecuación de los datos experimentales a la variación exponencial prevista, respectivamente.
Anotar los valores de C1, C2 y R2. Con un valor de R2 superior a 0.9 puede consi4 derarse que la variación es realmente exponencial.
-cSe pide por último obtener una estimación del radio crítico de curvatura para la fibra
utilizada, en ambas ventanas de transmisión. Calcular el valor de radio crítico utilizando la
expresión teórica expuesta en la introducción y obtener aproximadamente las pérdidas para ese valor del radio de curvatura.
Anotar el valor de radio crítico y las pérdidas obtenidas para ese radio
5 (aproximadamente)
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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27
Pérdidas en conexiones ópticas
3b
1. Objetivos
Se trabajará en esta práctica con el método más usual para unir dos tramos de fibra óptica: la soldadura mediante fusión. Se realizará una soldadura entre dos fibras estándares de
telecomunicación, caracterizando posteriormente las pérdidas resultantes en el empalme mediante la técnica de las pérdidas de inserción.
2. Introducción
Los empalmes entre dos fibras ópticas se realizan mediante máquinas especializadas
(“fusionadoras”), que son instrumentos muy sofisticados de alto precio. Aún con el empleo de
máquinas totalmente automáticas, el empalme resultante siempre tendrá pérdidas, que pueden cifrarse en el mejor de los casos en varias centésimas de dB, aunque un valor en torno a
0,1 dB es más usual. La causa de estas pérdidas se encuentran en un enfrentamiento no exacto de las fibras (debe tenerse en cuenta que hay que alinear los dos núcleos de sólo 9 micras
de diámetro), una temperatura de fusión inadecuada, o más comúnmente, a pequeñas diferencias entre las dos fibras a soldar: diferente tamaño de núcleo, pequeñas excentricidades,
diferencias en el dopado de los materiales, ...
Para la medida de las pérdidas en empalmes, el método más utilizado es el de la reflectometría óptica, que presenta además la ventaja de que solo requiere uno de los extremos de
la fibra disponibles. Sin embargo, la precisión obtenida con este método no es muy elevada,
ya que se trata de una medida muy “ruidosa”, basada en medir la luz retro-esparcida en la
fibra, que presenta un nivel extremadamente bajo de potencia óptica.
Se propone en esta práctica utilizar el método de las pérdidas de inserción. Éste se basa
simplemente en inyectar luz por un extremo de la fibra y medir la potencia óptica al final del
tramo. Realizando esta medición antes y después de efectuar el empalme, es posible determinar con precisión las pérdidas del mismo.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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29
3. Desarrollo de la práctica
Se utilizará una bobina completa de fibra óptica monomodo, la
fusionadora de fibra , así como una
fuente de luz y un receptor óptico,
estos últimos integrados en el medidor de potencia óptica Anritsu. Las
medidas se repetirán para las dos
longitudes de onda disponibles, segunda (1300nm) y tercera ventana
(1550nm).
Fig. 1. Medida de la potencia óptica antes de
realizar la
fusión (P1).
-aEn primer lugar se realiza un
bucle con la bobina completa de
fibra, conectando los extremos al
emisor y al receptor ópticos del
MPO, tal y como se indica en la figura 1. Se mide la potencia óptica en
estas condiciones, potencia que
denominaremos P1.
1
Anotar el valor de potencia P1.
-bA continuación se rompe la fibra
a un metro aproximadamente del final (extremo conectado al receptor
del medidor de potencia óptica) y se
fusionan los dos extremos resultantes.
La nueva potencia óptica medida (P2),
comparada con el valor antes de empalmar, indica las pérdidas en el empalme:
α = 10 ⋅ log
Fig. 2. Medida de la
potencia
óptica después de realizar la fusión (P2).
P1
P2
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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30
2
Anotar el valor de P2 y calcular las pérdidas obtenidas.
Es muy importante, durante el transcurso de la práctica, no modificar la conexión óptica
al medidor, especialmente en la parte del emisor, pues un pequeño cambio de posición de los
conectores ópticos puede alterar la potencia introducida en la fibra óptica y afectar a la medida realizada.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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31
Caracterización del Canal Óptico
por Reflectometría
4
1. Objetivos
Se realizará de forma práctica la caracterización de un canal de fibra óptica mediante la técnica de reflectometría, utilizando un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo, (O.T.D.R.: Optical Time Domain Reflectometer). De un canal de fibra óptica formado
por varios tramos de fibra, se medirán sus características más interesantes: longitud de cada tramo, atenuación del enlace, pérdidas en empalmes, reflexiones de Fresnel, ...
2. Introducción
Un O.T.D.R. permite caracterizar muchos de los aspectos de un canal de fibra óptica,
necesitando para ello un solo extremo accesible. Su funcionamiento se basa en medir la
potencia óptica reflejada por la fibra debida al retro-esparcimiento de Rayleigh a medida
que un pulso de luz viaja por la misma. Los diferentes “eventos” presentes en el canal,
modifican la potencia óptica retro-esparcida de una forma característica, lo que permite
identificarlos y, en algunos casos, incluso realizar medidas de algunos parámetros importantes, como puede la constante de atenuación de la fibra óptica o las pérdidas en un empalme.
El O.T.D.R. visualiza en su pantalla este nivel de potencia óptica (eje vertical) en
función del tiempo (eje horizontal) a medida. Este eje horizontal se encuentra calibrado
en distancia por comodidad si se conoce la velocidad de propagación de la luz en la fibra
(es decir, su índice de refracción). Un ejemplo de los eventos más comunes presentes en
un canal de fibra óptica se muestran en la siguiente figura, junto con la traza correspondiente que se visualiza en la pantalla del instrumento.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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33
Fig. 1. Eventos más
característicos en
un canal de fibra
óptica, y su correspondiente traza en
el OTDR.
Los diferentes eventos de este canal son:
c En el punto d = 0 Km existe siempre un fuerte “pico” de señal reflejada. Se debe a la reflexión de Fresnel en el principio del canal, en la interfase aire-fibra.
d Una recta con una pendiente negativa cte. es un tramo de fibra óptica. La longitud de fibra es la diferencia de abcisas entre sus extremos. La atenuación queda
determinada por la pendiente de la recta, y se puede calcular midiendo la potencia óptica al principio y al final del tramo, y dividiendo entre la distancia
horizontal.
e Evento reflexivo, que puede deberse a un empalme defectuoso entre dos fibras o
una rotura. Un evento reflexivo se caracteriza por su reflectividad (porcentaje
de potencia óptica reflejada hacia atrás por el evento con respecto a la potencia
incidente) y sus pérdidas, que pueden medir fácilmente restando los niveles de
potencia de la traza (en decibelios) antes y después del evento.
g Evento atenuativo, es decir, una pérdida puntual de potencia óptica, debida a un
empalme o en una zona defectuosa o deteriorada del canal. Las pérdidas del
evento se pueden calcular restando los valores de potencia recogida (en dBs) antes y después del evento.
h Al final del canal, se observa un “pico” de señal reflejada debido a la reflexión
de Fresnel en el extremo. Si el final del canal se adapta en índice, es decir, se
igual el índice del medio exterior al de la fibra óptica (p.e., con líquido adaptador), este “pico” puede llegar a desaparecer.
Para la caracterización óptima del canal, es necesario configurar adecuadamente el
O.T.D.R. escogiendo unos valores de los parámetros de medida apropiados. Los tres parámetros más importantes a considerar en la medida con un O.T.D.R. son:
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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34
•
La longitud de onda de medida, que debe coincidir con la longitud de
onda de trabajo habitual del enlace. En función de la calidad del
O.T.D.R., es posible encontrarlos con una longitud de onda fija, con módulos ópticos intercambiables, o con diferentes fuentes de luz que pueden seleccionarse a voluntad.
•
La anchura temporal del pulso enviado a la fibra óptica, que debe escogerse fundamentalmente en función de la longitud del canal. Un pulso
ancho transporta mucha energía y permite extender la medida a gran
distancia, pero por el contrario ofrece poca resolución en la detección
de los eventos. Por el contrario, un pulso estrecho es más adecuado para
longitudes pequeñas del canal (típicamente de varios kilómetros), ofreciendo mayor resolución. Debe resaltarse que un evento puntual (longitud despreciable) aparece sobre la traza con una longitud ficticia, que
coincide con la anchura espacial del pulso de luz enviado.
•
El grado de promediado. Dado que la potencia óptica devuelta por la fibra y debida al retro-esparcimiento de Rayleigh es muy pequeña, la señal recogida se encuentra fuertemente enmascarada por el ruido. Este
problema se puede solucionar adquiriendo un gran número de trazas
consecutivamente y realizando el promediado de todas ellas. En general, debe utilizarse un promediado fuerte para aumentar la exactitud de
las medidas.
3. Desarrollo de la práctica
Se caracterizará un canal de comunicaciones mediante el O.T.D.R. OF151 de Tektronics. Del canal se conoce que está formado por varios tramos de fibra óptica estándar de
telecomunicación, unidos por empalmes realizados por fusión o bien mediante conectores
ópticos (removibles), junto con un acoplador óptico realizado en tecnología de fibra. Concretamente, los elementos que lo forman son (no necesariamente por este orden):
-
Cuatro tramos de fibra óptica estándar de telecomunicación.
-
Una conexión óptica realizada mediante fusión.
-
Una conexión óptica realizada mediante conectores ópticos del tipo LC.
-
Un acoplador óptico de fibra, con una entrada y dos salidas, con coeficiente
de acoplo 10/90 (una de las salidas transmite el 10% de la potencia óptica
presente en la entrada y la otra el 90% restante). La fibra de salida del 10%
no se utiliza.
-aEn primer lugar, se configurará adecuadamente el instrumento, fijando los parámetros de adquisición más adecuados. La longitud de onda en el instrumento utilizado es única: 1310 nm, mientras que pueden elegirse dos anchuras temporales para el pulso y tres
diferentes grados de promediado.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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35
Anotar la anchura del pulso y grado de promediados elegidos para el comienzo
de la práctica. Dibujar aproximadamente la traza presente en la pantalla, sin
1
indicar valores en x o y.
-b-
A continuación, se determinará:
•
El número de eventos presentes y de tramos de fibra óptica, identificando el orden en el que se sitúan los elementos que forman el canal.
•
La longitud de los distintos tramos de fibra y del canal en su conjunto
•
La atenuación de la fibra, en dB/Km.
•
La atenuación total del canal.
•
Las pérdidas en los empalmes y eventos atenuativos.
A partir del análisis prelimar de la traza, indicar en orden los elementos pre-
2 sentes en el canal.
3
Anotar la longitud de los tramos de fibra y la longitud total del canal.
Calcular y anotar el coeficiente de atenuación de los tramos de fibra, así como
4 las pérdidas puntuales en los diferentes eventos atenuativos presentes.
-cUna vez caracterizado, se adaptará el final del canal usando líquido adaptador de índice y se comprobará su efecto en la traza mostrada en la pantalla.
5
Describir el efecto observado.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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36
Análisis Espectral de Medios Ópticos
5
1. Objetivos
Se pretende con está práctica estudiar el comportamiento espectral de diversos
dispositivos ópticos, especialmente, de medios ópticos de transmisión (fibra óptica). Utilizando el espectrómetro S2000 de Ocean Optics, se comprobará cómo varía la atenuación
de varios tipos de fibra óptica en función de la longitud de onda, fenómeno que da lugar a
las conocidas ventanas de transmisión. Igualmente, se analizará la aplicación de la técnica
de medida utilizada en esta práctica a la caracterización de la función de transferencia en
el dominio óptico de materiales y dispositivos ópticos.
2. Introducción
El analizador de espectros ópticos es una valiosa herramienta para la caracterización de los sistemas de comunicaciones ópticas. Con él es posible analizar parámetros importantes como el espectro de fuentes de luz, la atenuación del canal de transmisión en
función de la longitud de onda, la ganancia de un amplificador óptico, o la función de
transferencia en el dominio óptico de multitud de dispositivos. Para éstos últimos casos, es
necesaria la utilización de una fuente de luz “blanca”, es decir, una fuente de luz de gran
anchura espectral que emita en todas las longitudes de onda en las que interese medir. El
medio o el dispositivo a caracterizar se sitúa entre la fuente de luz y el analizador de espectros, tal como se muestra en la figura 1.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
37
Software
de control
Espectrómetro S2000
Fuente de
luz blanca
Fig. 1. Caracterización espectral de dispositivos mediante
el analizador de
espectros y la
fuente de luz
blanca.
Dispositivo/Medio
a caracterizar
Debido a que las fuentes de luz perfectamente “blancas” (es decir, con densidad
espectral de potencia óptica constante en todo el rango de medida) no existen, esta técnica exige un proceso de calibración previa. En este proceso, el espectro no ideal recibido
por el instrumento, que incluye tanto la densidad espectral no plana de la fuente como la
absorción selectiva en longitud de onda de los latiguillos de fibra, se almacenará como referencia para el resto de medidas. Con el espectrómetro S2000, ésta se realiza en dos pasos mediante el programa de control “OOIBASE”:
1.
Conectando la fuente de luz directamente al espectrómetro a través de
los dos latiguillos de fibra óptica de conexión (uno multimodo –verde- en
el lado del espectrómetro y otro monomodo –amarillo- en el lado de la
fuente). Se selecciona a continuación la opción del menú “File/Store
Reference Spectrum”, para de esta forma, conocer el espectro (no
ideal) de la fuente de luz blanca (espectro de referencia) y poder ser corregido su efecto sobre la medidas posteriores.
2.
En estas condiciones, se apaga la fuente de luz y se selecciona la opción
del menú “File/Store Dark Spectrum”. El posible ruido presente en
la medida (producido bien por la iluminación ambiente o generado internamente por la electrónica del analizador) es de esta forma eliminado.
Una vez realizado el proceso de calibración, es posible seleccionar los modos de
funcionamiento que se utilizarán en esta práctica:
•
“Scope”, es el modo básico de funcionamiento, en el que se visualiza un
gráfico cuyo eje de abcisas muestra la longitud de onda y el de ordenadas es directamente proporcional a la densidad espectral de potencia
óptica recogida a la entrada del instrumento. Este modo de funcionamiento es básicamente de utilidad para la caracterización de fuentes de
luz.
•
“Transmission”, en el cual se muestra la transmitividad del medio ó
dispositivo en función de la longitud de onda. Un medio no absorbente
presentará una transmitividad del 100%, mientras que el 0% se obtiene si
nada en absoluto de la potencia óptica emitida a una determinada longitud de onda consigue atravesar el medio a caracterizar.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
38
•
“Absorbance”, que permite mostrar la atenuación (siempre a cada longitud de onda) que provoca el medio, medida en decibelios. Un medio
transparente a una determinada longitud de onda se mostrará en la pantalla por lo tanto con una atenuación de 0 dB.
La técnica de caracterización espectral que se utilizará en esta práctica permite,
entre otras cosas, determinar las ventanas de mínima atenuación de la fibra óptica. Es conocido que la atenuación que sufre la luz al propagarse por la fibra óptica es fuertemente
dependiente de la longitud de onda utilizada. Diversos fenómenos contribuyen a la atenuación, como es la absorción atómica predominante en la zona ultravioleta del espectro, la
absorción molecular en la zona infrarroja, o el esparcimiento de Rayleigh. Si a estas contribuciones se una la absorción por impurezas, se obtiene el espectro de atenuación del
medio, que para la sílice se muestra en la figura 2. Pueden observarse las conocidas tres
ventanas de transmisión, si bien con el analizador de espectros disponible en esta práctica,
con un rango de entre 320 y 1000 nm, sólo la primera ventana sería observable. Es de esperar que para fibras ópticas de diferente material, el espectro de atenuación sea distinto
(por ejemplo, las fibras ópticas de plástico presentan la(s) ventana(s) de mínima atenuación en la zona visible del espectro.
Fig. 2. Espectro
de atenuación
de la fibra óptica de sílice.
Un efecto interesante, y que se relaciona con la presencia de modos discretos en la
guía de onda que es la fibra óptica, es la dependencia espectral de la atenuación en las
curvaturas. Se ha demostrado que en un curvatura del canal, los modos de orden superior
son convertidos en modos de cubierta, que se propagan con una gran atenuación, por lo
que se reduce la potencia óptica transmitida. Se comprueba así mismo que cuanto más se
reduce el radio de curvatura (es decir, más “pronunciada” se hace la curvatura), más modos dejan de propagarse. Por lo tanto, el efecto de las curvaturas es bien distinto en función de los modos propagados:
•
Para fibras monomodo, con un único modo propagado, la curvatura también reduce la potencia óptica transmitida ya que parte del campo elec-
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
39
tromagnético deja de guiarse en la parte exterior de la curvatura. Es
importante en este caso el concepto de radio crítico de curvatura, que
no debe superarse porque el modo fundamental prácticamente deja de
propagarse y la atenuación aumenta fuertemente.
•
Para fibras ligeramente multimodo, con sólo varios modos propagados,
se observan saltos más bruscos en la atenuación a medida que se reduce
el radio de curvatura, cuando cada uno de los modos deja de propagarse. Además, esta característica se observa claramente en el espectro de
transmisión, ya que cada modo posee una longitud de onda de corte característica por encima de la cual no se propaga.
•
Para fibras fuertemente multimodo, como son las fibras llamadas precisamente “multimodo”, tanto de sílice como de plástico, y que transportan miles de modos simultáneamente entre los que se reparte la potencia óptica, un aumento de la curvatura produce un aumento progresivo y
“suave” de la atenuación, a medida que dejan de propagarse los modos
de orden superior.
Por otro lado, esta técnica de análisis espectral es particularmente útil para la caracterización de algunos dispositivos, siendo el más representativo el filtro óptico. Este
dispositivo es parte fundamental, por ejemplo, de los multiplexores y demultiplexores en
longitud de onda utilizados por los sistemas WDM de transmisión. Un filtro óptico, al igual
que sus homólogos en el dominio eléctrico, puede tener característica paso-bajo, paso-alto
y paso-banda. Éstos últimos presentan una banda de longitudes de onda de paso que son
capaces de atravesarlos, mientras que las longitudes de onda fuera de esta banda son fuertemente atenuadas. Los parámetros básicos que caracterizan un filtro óptico paso-banda
son:
•
La longitud de onda central, aquella de mínima atenuación, la que se
desea que atraviese el filtro sin atenuación.
•
El ancho de banda, medido como la resta de las longitudes de onda a las
cuales la atenuación aumenta en un factor de 3dB respecto al valor a la
longitud de onda central.
•
La atenuación mínima, que es el valor absoluto de atenuación a la longitud de onda central. Un filtro ideal presenta un valor de atenuación mínima de 0 dB, lo que significa que no ofrece ninguna absorción a la longitud de onda central.
3. Desarrollo de la práctica
El espectrómetro S2000 que se utilizará en esta práctica se conecta a un ordenador
tipo PC, controlándose mediante el programa “OOIBASE”. Una breve descripción de esta
aplicación puede encontrarse en los apéndices. Una ver cargado el programa, se visualiza
en su ventana principal, y en tiempo real, el espectro recogido por el instrumento, que se
encuentra por defecto en el modo básico de funcionamiento, o “Scope”. Si en algún momento del desarrollo de esta práctica se desea almacenar el espectro mostrado en la pan-
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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40
talla para estudiarlo con calma o imprimirlo, se debe utilizar la opción del menú
“File/Export Spectrum” para almacenar los datos mostrados en un archivo.
-aEl primer paso es la conexión al analizador de la fuente de luz blanca y la calibración
del mismo.
Para ello, se utilizarán simultáneamente el cable de fibra óptica multimodo (verde) y
el monomodo (color amarillo) a modo de cable de conexión al espectrómetro. Estos cable
disponen de los conectores ópticos adecuados para interconectar la fuente de luz blanca
(conector FC/PC) con el espectrómetro (conexión óptica SMA). El proceso de calibración se
realizará con estos dos tramos de fibra; posteriormente en esta práctica se conectarán los
elementos analizar entre ambos latiguillos.
Con la fuente de luz blanca encendida, debe visualizarse su espectro en la pantalla.
Es importante seleccionar en primer lugar el valor óptimo del tiempo de integración, de
forma que la “altura” del espectro sea máxima en pantalla, pero sin llegar a la saturación.
) y elegir la opción del menú “File/Store
Detener a continuación la adquisición (
Reference Spectrum”. Reanudando de nuevo la adquisición, y con la fuente de luz apagada, debe elegirse la opción “File/Store Dark Spectrum”.
Realizar un dibujo que describa las conexiones realizadas para la calibración.
1 Anotar el valor de tiempo de integración utilizado.
-bEn estas condiciones, encendiendo de nuevo la fuente de luz blanca, seleccionar el
modo “Transmission" y deberá visualizarse un espectro plano con un valor de transmitividad del 100%, que será el espectro de referencia. Cualquier modificación de la atenuación, producida al insertar un medio entre los dos tramos de fibra óptica, quedará caracterizada por la disminución de la transmitividad en función de la longitud de onda. Alternativamente, se puede utilizar el modo “Absorbance” que mostrará directamente la atenuación del medio en dB.
Se conectarán consecutivamente las diferentes fibras ópticas disponibles, que son:
•
Fibra multimodo de sílice, con una longitud de 50 metros.
•
Fibra multimodo de plástico, con una longitud de 10 metros.
Y se observará:
•
El espectro de atenuación característico.
•
La presencia de ventanas de mínima atenuación.
•
Los valores absolutos y relativos de atenuación en las diferentes ventanas.
•
Las diferencias observadas entre las diferentes fibras ópticas analizadas.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
41
Dibujar aproximadamente el espectro de transmisión (o atenuación) obtenido
2 en la pantalla.
Determinar si existe alguna ventana de mínima atenuación en el espectro observado. Para cada una de ellas, anotar su longitud de onda central y su valor
3
mínimo de atenuación en dB.
Repetir el proceso para la dos fibras ópticas disponibles.
Destacar las principales diferencias encontradas entre los dos tipos de fibra
4 óptica a la luz de los resultados obtenidos.
-cPor último, se estudiará el comportamiento espectral de un filtro óptico paso banda
de aplicación en comunicaciones ópticas, así como de otros dispositivos ópticos “en volumen”
Para ello, se dispone de una “celda” que incorpora dos tramos de fibra óptica, el
primero para recoger la luz procedente de la fuente de luz blanca y proyectarla sobre el
dispositivo a caracterizar; y el segundo para recoger la luz transmitida por el mismo y llevarla hasta el espectrómetro.
En primer lugar, debe repetirse el proceso de calibración usando conectando las fibras ópticas de la celda a la fuente de luz blanca y el espectrómetro, respectivamente
(eliminando en este caso los latiguillos).
Realizar un dibujo que describa las conexiones realizadas para la calibración.
5 Anotar el valor de tiempo de integración utilizado.
Insertar dentro de la celda en primer lugar las gafas usadas en el laboratorio para
protegerse de la radiación de los láseres de He-Ne. Observar el espectro de transmisión o
absorción valorando si las gafas cumplen efectivamente su misión.
Dibujar aproximadamente el espectro obtenido y anotar la atenuación máxima
que se observa en el espectro y su longitud de onda. Igualmente, la atenuación
obtenida a la longitud de onda del láser de He-Ne, 633nm. Calcular aproxima6
damente el rango de longitudes de onda a las cuales la atenuación es al menos
de un factor 10 (10 dB de atenuación o densidad óptica OD1)
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
42
Insertar seguidamente las gafas de sol. Se supone que unas gafas de sol “buenas” deben atenuar fuertemente la radiación ultravioleta e infrarroja, respetando las longitudes
de onda visibles (es decir, con respuesta espectral plana). Estimar la calidad de las gafas a
la vista del espectro obtenido.
Dibujar aproximadamente el espectro obtenido y valorar la calidad de las gafas
7 a la vista del mismo.
Insertar por último el filtro paso banda para comunicaciones ópticas, que está centrado en la primera ventana de transmisión. Observar su espectro de transmisión y determinar sus parámetros característicos. Puede ser necesario en este caso limitar las longitudes de onda mostradas en la pantalla a una zona alrededor de la primera ventana, para
facilitar el cálculo de los parámetros.
8
Dibujar aproximadamente el espectro obtenido y anotar los valores de longitud de onda central, ancho de banda y mínima atenuación.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
43
Caracterización de un Sistema de C.O.
Analógico por Fibra Óptica
6
1. Objetivos
En esta práctica se caracterizará un sistema de comunicaciones ópticas por fibra apto
para la transmisión de señales analógicas. Se comprobarán experimentales algunos de los
parámetros característicos de los bloques emisor, receptor y del canal de fibra óptica, analizando las señales presentes en varios puntos significativos. Finalmente, se comprobará el
funcionamiento del sistema completo en una aplicación real: la transmisión de voz en formato analógico.
2. Introducción
Un sistema analógico por fibra óptica es aquel que reproduce una tensión a la entrada del transmisor a la salida del receptor, con la menor distorsión y ruido posible. Usualmente, las señales de tensión son variables en el tiempo, y la entrada y/o la salida del sistema se encuentran acopladas en alterna mediante un condensador. Otro parámetro importante de estos sistemas que surge por la naturaleza dinámica de las señales, es por tanto su ancho de banda o frecuencia máxima de funcionamiento.
Como la señal a transmitir acoplada en alterna presenta niveles de tensión tanto positivos como negativos, y las fuentes de luz solo emiten con polarización directa (corriente
positiva), es necesario añadir en el transmisor una corriente de bias constante que se suma
a la señal. Así, a la salida del transmisor, se tiene una señal de potencia óptica que puede
modelarse con la expresión:
P = P0 (1 + m ⋅ cos (ωt ) )
donde P es el valor instantáneo de la potencia óptica, P0 su valor medio, y m el “índice de modulación”. Se ha supuesto una variación sinusoidal mediante la función coseno
porque cualquier señal periódica puede ponerse como suma de señales sinusoidales, apli-
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
45
cando el principio de superposición. Es por ello que las señales típicamente utilizadas para
la caracterización de estos sistemas son precisamente sinusoidales.
Esta señal de potencia óptica variable se recoge atenuada en el transmisor (con menor potencia media, pero igual índice de modulación), y es convertida a una corriente proporcional y amplificada convenientemente a una tensión de salida adecuada.
El sistema a analizar se basará en el entrenador de comunicaciones ópticas EF-970 de
PROMAX. De los diversos módulos y configuraciones posibles del equipo, se utilizarán aquellas necesarias para la transmisión de señales analógicas. Las figuras 1 y 2 muestran un diagrama esquemático de los elementos que se utilizarán para esta práctica en el transmisor y
el receptor, respectivamente.
Generador de
funciones
Fig. 1. Esquema del bloque
emisor.
TP1
GAIN
AC Input
G=1/2
TP3
G=20dB
A
P1
Microphone
Fotodiodo
FD1 (Si)
G
Conv. I/V
G=1 V/mA
TP4
Input Switch
Channel 1
Conv. V/I
G=100mA/V
G
TP4
TP10
Ibias
10Ω
P2
TP1
Analog
Output
GAIN
G=20dB
TP7
G=20dB
G=6dB
TP9
Input Switch
Channel Analog
DC Output
Position
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
P2
PÁG.
46
Fig. 2. Esquema del
bloque receptor.
3. Desarrollo de la práctica
Antes de comenzar, es necesario configurar adecuadamente el sistema. El transmisor
se configurará inicialmente para usar la entrada AC del canal 1 (pulsando “INPUTS CH1”
hasta que se ilumine el LED junto a la entrada AC), la ganancia al mínimo (girando el potenciómetro P1) y la corriente de polarización al mínimo (girando el potenciómetro P2
IBIAS también al mínimo). La fuente de luz a utilizar será el LED de 526 nm (pulsar “OUTPUTS CH1” hasta que se ilumine el LED nº 1). La corriente que circula por la fuente de luz
puede leerse en el miliamperímetro del transmisor (pulsando “A-METER CH1/CH2” hasta
elegir el canal 1.
Para los primeros apartados, se utilizará un tramo de fibra óptica de plástico de 1m
de longitud como canal. Dada su corta longitud, las pérdidas pueden considerarse nulas,
por lo que las medidas al final de la fibra pueden considerarse como la potencia óptica al
comienzo del canal.
El receptor se configurará inicialmente como medidor de potencia óptica. Se seleccionará el fotodiodo nº 1 de Silicio (pulsando “ANALOG INPUTS” hasta que se ilumine el
LED junto a este fotodiodo), con tensión inversa de polarización nula (girando hacia el mínimo los potenciómetros P5 y P7). Se activará el medidor de potencia óptica de precisión
pulsando “FUNCTION OF OPTICAL POWER METER” hasta que se ilumine la opción “DC
(modo de precisión)”. Es necesario también seleccionar la longitud de onda correcta
en el medidor de potencia óptica mediante el pulsador “WAVELENGTH”.
-aEn primer lugar se obtendrá la curva P-I (potencia vs. intensidad) de la fuente del
transmisor. Se considera que la linealidad de esta respuesta es un factor determinante para la linealidad del sistema en su conjunto. En un sistema analógico, la no-linealidad provoca la distorsión de las señales y la aparición de nuevas frecuencias no deseadas.
La corriente aplicada se variará mediante el potenciómetro P2 (IBIAS) y se leerá en
el miliamperímetro. La potencia óptica se leerá en el medidor de potencia óptica del receptor, configurado en el modo lineal (pulsando “LOG/LIN dBm/W”). Siendo el canal de
fibra óptica de 1m de longitud, la potencia óptica medida puede considerarse la inyectada
en fibra al comienzo del canal.
Obtener medidas desde 0mA hasta el máximo posible, cada 2 mA. La gráfica P-I obtenida debe ser perfectamente lineal, siendo posible que esta linealidad se pierda para valores altos de corrientes (saturación de la fuente de luz)
Anotar los valores máximos de corriente y potencia óptica. Plasmar (de forma
1 aproximada) los puntos obtenidos en una gráfica P-I
A partir de la gráfica dibujada, determinar si se produce saturación de la luz
emitida, y proponer unos valores máximos y mínimos de corriente que permi2
tan un comportamiento lineal (zona de funcionamiento lineal).
-b-
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
47
A continuación se conectará el canal de fibra óptica de 50m de longitud y se calculará la constante de atenuación de la fibra óptica a la longitud de onda de trabajo.
Situar el potenciómetro P2 (IBIAS) en su punto medio, anotando la potencia óptica
medida. Desconectar la conexión al fotodiodo, e insertar el canal de fibra óptica de 50m
(utilizando un adaptador ST-ST para su conexión al final del tramo de 1m)
!
Manipular las conexiones ópticas con el mayor cuidado
posible. Es muy fácil dañar o ensuciar la fibra óptica.
Anotar la potencia óptica medida en estas condiciones. La diferencia observada se
debe a las pérdidas adicionales provocadas por el tramo de fibra óptica insertado. Calcular
la constante de atenuación (en dB/Km) suponiendo una longitud de canal de 50m.
Anotar los valores de potencia óptica con y sin el canal de fibra de 50m, calcu3 lando la constante de atenuación de la fibra en dB/Km.
-cEl siguiente paso será la verificación del funcionamiento del sistema completo. Se
conectará el generador de funciones a la entrada “AC INPUT” del transmisor, fijando inicialmente una amplitud en el generador mínima, una frecuencia de 1 KHz y señal sinusoidal. Es muy importante fijar un nivel de polarización continua (BIAS) para la fuente de luz.
Teniendo en cuenta que la señal óptica oscilará alrededor del punto de polarización elegido en función de la señal del generador, puede escogerse un punto de polarización en el
centro de la zona lineal de funcionamiento (calculada anteriormente).
Por otro lado, el receptor deberá configurarse para utilizar el canal analógico. Para
ello, se pulsa “FUNCTION OF OPTICAL POWER METER” hasta que se ilumine “FUNCTION
ANALOG”. En esta configuración, se activará la salida analógica. El osciloscopio se conectará sin embargo al punto TP9, ya que tras este punto del receptor existe un control de offset que añade un valor arbitrario de continua a la señal, lo que impide la medida correcta
de su valor medio.
La ganancia del receptor (potenciómetro P1 (GAIN) puede ajustarse inicialmente a
un valor medio.
En estas condiciones, puede visualizarse la señal recibida. Para ello, aumentar la amplitud del generador hasta que se observe en el osciloscopio la señal sinusoidal. El valor
óptimo de amplitud será aquel que aproveche al máximo la zona lineal de funcionamiento
(para no introducir distorsiones). Aunque un cálculo preciso de la no-linealidad es complejo, puede hacerse de forma muy aproximada observando la señal sinusoidal en la pantalla.
Aumentar la amplitud en el generador hasta que la señal comience a distorsionarse.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
48
Anotar los valores de tensión máxima y mínima medida sobre la pantalla del
osciloscopio. Estimar igualmente la amplitud pico a pico de la señal y su valor
4
medio.
Como puede observarse, la señal transmitida por un sistema analógico presenta un
nivel de continua (originado en la corriente de BIAS del transmisor) y una amplitud dependiente a su vez de la amplitud original de la señal a transmitir. Utilizando la expresión para
la potencia óptica instantánea mostrada en la introducción, se pide determinar los valores
de potencia media e índice de modulación para este sistema, al final del canal de fibra óptica. La potencia óptica media es la obtenida en el medidor de potencia óptica del receptor, mientras que el índice de modulación puede calcularse como el cociente entre la amplitud pico y su valor medio (en términos de tensión sobre la pantalla del osciloscopio).
m=
VPICO
VMEDIO
Para evitar el efecto del potenciómetro P2 en la medida, ésta se realizara en el punto de test TP9 (Ver figura 2).
Anotar los valores de potencia media e índice de modulación para la señal óp5 tica recogida por el receptor.
-dLa calidad de transmisión de un sistema analógico se mide en términos de la relación
señal a ruido. La definición más usual es el cociente entre el nivel cuadrático medio de la
señal y el ruido, medido también mediante su valor cuadrático medio, a la salida del sistema.
La principal dificultad para la medida de la relación S/N estriba en la estimación del
ruido, por su naturaleza aleatoria. En cualquier caso, es posible obtener una estimación del
valor de relación S/N observando la señal de salida en la pantalla del osciloscopio.
En las condiciones del punto anterior (amplitud máxima sin no-linealidad y frecuencia
de referencia de 1 KHz) se medirá la amplitud de la señal, en valores pico a pico. Se hará
también una estimación de la amplitud del ruido, que se obtendrá también en valores pico
a pico (puede ser necesario observar la señal en AC y aumentar la sensibilidad de la entrada del osciloscopio para obtener una medida fiable). El valor cuadrático medio de la señal
sinusoidal y del ruido se relaciona con su valor pico a pico según las expresiones:
⎛ v p− p ⎞
v =⎜
⎟
⎝ 2⋅ 2 ⎠
___
2
2
⎛v ⎞
v = ⎜ p− p ⎟
⎝ 2⋅4 ⎠
___
2
(señal sinusoidal)
2
(ruido blanco)
Calcular la relación S/N en unidades naturales y en decibelios.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
49
Anotar el valor obtenido de tensión para la señal y el ruido, así como la rela-
6 ción S/N resultante en dB.
-eOtro parámetro clave del sistema en su ancho de banda de modulación. Éste se calcular a partir de las medidas de la tensión de salida del receptor en relación a la tensión
de entrada en el transmisor, a diferentes frecuencias de modulación.
Para ello, conectar un canal del osciloscopio a la salida analógica del receptor, y el
otro canal, mediante una sonda, medirá la tensión de entrada en el punto de test TP3 del
transmisor. Anotar las tensiones pico a pico de entrada y de salida, calculando su cociente,
a la frecuencia de referencia de 1KHz. La frecuencia máxima de funcionamiento será aquella a la que este cociente se reduzca en un factor √2 (0,707 veces el valor a la frecuencia
de referencia). Calcular este valor y aumentar la frecuencia hasta que se alcance.
Anotar las tensiones pico a pico en la entrada y la salida a la frecuencia de re7 ferencia, su cociente, y la frecuencia máxima de funcionamiento.
-fPor último, se comprobará el funcionamiento del sistema en una aplicación práctica
de comunicación analógica: la transmisión de voz. En el transmisor, se conectará el micrófono a la entrada “MICROPHONE” y se seleccionará esta entrada mediante el pulsador
“INPUTS CH1”. En el receptor, se conectarán los auriculares a la salida del canal analógico. Modificar la ganancia en el transmisor -potenciómetro P1 (GAIN)- y en el receptor potenciómetro P1 (GAIN) hasta que se transmita correctamente la voz.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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50
Caracterización de un Sistema de C.O.
Digital por Fibra Óptica
7
1. Objetivos
En esta práctica se caracterizará un sistema de comunicaciones ópticas por fibra apto
para la transmisión de señales digitales. De él se medirán algunos de los parámetros más
importantes, como es la curva P-I de la fuente de luz tipo láser, la relación de extinción a
la salida del transmisor, la atenuación del canal de fibra óptica o la sensibilidad del receptor. Del sistema completo se analizará su comportamiento dinámico a través del diagrama
de ojo y de la estimación del régimen binario máximo.
La práctica finalizará comprobando el comportamiento del sistema para la transmisión de señales digitales RS232, analizando la calidad de transmisión mediante la medida
de la tasa de error binario (BER)
2. Introducción.
Un sistema de comunicaciones por fibra óptica digital es aquel capaz de reproducir
en su salida una señal digital presente a la entrada del transmisor. La calidad de estos sistemas se mide básicamente en términos de tasa de error de bit (bit error rate, BER), parámetro que a su vez depende directamente de la relación señal a ruido del sistema.
El bloque del transmisor funciona habitualmente con modulación todo-nada, de los
tipos NRZ o RZ, siendo un parámetro básico la potencia óptica media transmitida. Cuando
la fuente de luz es de tipo láser, es necesario sin embargo que la potencia óptica del “cero” no sea nula, trabajando siempre por encima de la intensidad umbral. En estas circunstancias, hay que conocer también la relación de extinción de la señal óptica, por cuanto
afecta a la capacidad del receptor para discriminar los dos niveles digitales:
⎛P ⎞
RE = 10 log ⎜ "0" ⎟
⎝ P"1" ⎠
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
51
A su vez, el valor de relación de extinción óptico es aquel que sitúa la potencia óptica del “cero” justo por encima de la intensidad umbral de la fuente de luz, para lo cual
puede ser necesario conocer su curva P-I.
Otro aspecto importante del comportamiento del sistema digital es su comportamiento dinámico, es decir, su capacidad para transmitir señales a diferentes velocidades. Una
estimación algo subjetiva se consigue a través del diagrama de ojo. Éste se consigue visualizar en la pantalla del osciloscopio insertando en el sistema una secuencia digital pseudoaleatoria, sincronizando adecuadamente el disparo del osciloscopio. La medida de su apertura horizontal y vertical del “ojo” da una idea de la calidad de transmisión a un determinado régimen binario.
Fig. 1 Diagrama de
ojo
Para conocer precisamente el régimen binario máximo de un sistema, se puede medir
el tiempo de subida del 10 al 90% a la salida del mismo, aplicando a la entrada una señal
cuadrada. La limitación de velocidad viene dada entonces por (NRZ):
Rb ≤
0, 7
τr
Fig. 2 Tiempo de subida de un
pulso medido del 10 al
90% de su
valor máximo.
90%
10%
τr
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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52
El sistema que se va a caracterizar se basará en el entrenador de comunicaciones ópticas EF-970 de PROMAX. De los diversos módulos y configuraciones posibles del equipo, se
utilizarán aquellas que permiten la transmisión de señales digitales. Las figuras 3 y 4 muestran un diagrama esquemático de los elementos que se utilizarán para esta práctica en el
transmisor y el receptor, respectivamente. Se ha intentado destacar los controles, conexiones y puntos de medida relevantes para esta práctica.
Como fuente de luz se empleará un diodo láser semiconductor Fabry-Perot emitiendo
en 650nm, un tramo de fibra óptica de plástico (PMMA con núcleo de 975micras), de 50
metros de longitud, y un fotodiodo de Silicio en el receptor.
Fig. 3 Diagrama del
transmisor.
GAIN
DIGITAL
INPUT
TP21
G=20dB
TP4
TP10
Input Switch
Channel 1
Conv. I/V
G=1 V/mA
Conv. V/I
G=100mA/V
A
P1
Fotodiodo
FD1 (Si)
G
Ibias
10Ω
P2
Fig. 4 Diagrama del
receptor.
TP1
Comparador
TP6
FPBajo
500KHz
FPBajo
500KHz
G=20dB
+
Digital
Output
TP16
-
THRESHOLD
Input Switch
Channel Digital
P4 y P6
3. Desarrollo de la práctica
En primer lugar se deberá configurar adecuadamente el sistema. Inicialmente, no se
aplicará señal al transmisor, controlando únicamente la corriente de bias de la fuente (se
ajustará inicialmente la corriente de polarización al mínimo, mediante el potenciómetro
P2 IBIAS). La fuente de luz a utilizar será el Láser de 650nm (pulsar “OUTPUTS CH1” has-
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
53
ta que se ilumine la fuente número 5). La corriente que circula por la fuente de luz puede
leerse en el miliamperímetro del transmisor (pulsando “A-METER CH1/CH2” hasta elegir
el canal 1.
Para los primeros apartados, se utilizará un tramo de fibra óptica de plástico de 1m
de longitud como canal. Al ser un tramo de longitud muy corta, las pérdidas pueden considerarse nulas, por lo que las medidas al final de la fibra pueden considerarse como la potencia óptica al comienzo del canal.
El receptor se configurará inicialmente como medidor de potencia óptica. Se seleccionará el fotodiodo nº 1 de Silicio (pulsando “ANALOG INPUTS” hasta que se ilumine el
LED junto a este fotodiodo), con tensión inversa de polarización nula (girando hacia el mínimo los potenciómetros P5 y P7). Se activará el medidor de potencia óptica de precisión
pulsando “FUNCTION OF OPTICAL POWER METER” hasta que se ilumine la opción “DC
(modo de precisión)”. Es necesario también seleccionar la longitud de onda correcta
en el medidor de potencia óptica mediante el pulsador “WAVELENGTH”.
-aEn primer lugar se obtendrá la curva P-I (potencia vs. intensidad) de la fuente del
transmisor. El objetivo principal será determinar la corriente umbral, comprobando igualmente cómo la respuesta es linealidad por encima de este valor de corriente umbral.
La corriente aplicada se variará mediante el potenciómetro P2 (IBIAS) y se leerá en
el miliamperímetro. La potencia óptica se leerá en el medidor de potencia óptica del receptor, configurado en el modo lineal (pulsando “LOG/LIN dBm/W”). Siendo el canal de
fibra óptica de 1m de longitud, la potencia óptica medida puede considerarse la inyectada
en fibra al comienzo del canal.
Obtener medidas desde 0mA hasta el máximo posible, cada 2 mA.
Anotar los valores máximos de corriente y potencia óptica. Plasmar (de forma
1 aproximada) los puntos obtenidos en una gráfica P-I
A partir de la gráfica dibujada, determinar aproximadamente la corriente umbral. Prolongando la recta que representa la respuesta en la zona de funcio2 namiento como láser, el corte con el eje de abcisas coincide con la intensidad
umbral.
-b-
A continuación se conectará el canal de fibra óptica de 50m de longitud y se calculará la constante de atenuación de la fibra óptica a la longitud de onda de trabajo.
Situar el potenciómetro P2 (IBIAS) en su punto medio, anotando la potencia óptica
medida. Desconectar la conexión al fotodiodo, e insertar el canal de fibra óptica de 50m
(utilizando un adaptador ST-ST para su conexión al final del tramo de 1m)
!
Manipular las conexiones ópticas con el mayor cuidado
posible. Es muy fácil dañar o ensuciar la fibra óptica.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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54
Anotar la potencia óptica medida en estas condiciones. La diferencia observada se
debe a las pérdidas adicionales provocadas por el tramo de fibra óptica insertado. Calcular
la constante de atenuación (en dB/Km) suponiendo una longitud de canal de 50m.
Anotar los valores de potencia óptica con y sin el canal de fibra de 50m, calcu-
3 lando la constante de atenuación de la fibra en dB/Km. Valorar el resultado.
-cEl siguiente paso será la verificación del funcionamiento del sistema completo.
Se conectará la salida digital con niveles TTL del generador de funciones a la entrada
“DIGITAL INPUT” del transmisor, fijando inicialmente una frecuencia de 1 KHz. Es necesario también seleccionar la entrada en el transmisor, pulsando sobre el botón “INPUTS
CH1” hasta que se ilumine el LED correspondiente a la entrada “DIGITAL NEGATIVE”.
La corriente de bias (potenciómetro P2) debe situarse un poco por encima de la corriente umbral, mientras que la ganancia (P1) debe ajustarse de forma que la potencia óptica para el nivel lógico “1” se acerque lo más posible al valor máximo medido en la curva
P-I. En estas condiciones, se consigue la máxima profundidad de modulación, facilitándose
la discriminación entre los niveles lógicos en el receptor.
Por otro lado, el receptor deberá configurarse para utilizar el canal digital. Pulsar
“FUNCTION OF OPTICAL POWER METER” hasta que se ilumine “FUNCTION DIGITAL”.
La potencia óptica indicada en el medidor es la potencia media recibida.
4
Anotar el valor de potencia óptica media recibida.
En esta configuración, se activará la salida digital, que deberá conectarse a un osciloscopio. Hay que comprobar que el conmutador “TTL / RS232”, que se encarga de elegir
los niveles lógicos a la salida del receptor, está en la posición “TTL”, con niveles de 0 y 5V
igual que los introducidos a la entrada del sistema.
La salida preamplificada del receptor (antes del comparador) puede observarse en el
osciloscopio conectando una sonda en el punto de medida TP6 (la masa de la sonda puede
conectarse a cualquier borne TPG, por ejemplo, TPG4).
Esta señal permite calcular el valor de relación de extinción, utilizando los valores
máximos y mínimos de la tensión de la señal visualizada.
Anotar los valores de tensión máxima y mínima y el valor de relación de extin5 ción resultante.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
PÁG.
55
Para completar el sistema, debe configurarse el comparador al final del receptor. En
este sistema, la señal recibida se compara con un nivel de tensión fijo de cero voltios; si es
superior, se genera una salida “1”, si es inferior, se genera una salida “0”. Sin embargo, es
posible variar la tensión de comparación (threshold) sumando o restando un nivel de tensión continua a la señal recibida, utilizando los potenciómetros P4 y P6.
Conectando el osciloscopio al punto de medida TP16, se ajustará el nivel de comparación de forma que la señal sea simétrica respecto al nivel de cero voltios. Este punto
medio de comparación se considera generalmente el óptimo para un receptor digital NRZ.
La señal digital de salida puede observarse en el conector BNC “DIGITAL OUTPUT”, y deberá ser idéntica a la señal de entrada al sistema si todo funciona correctamente.
Indicar si se observa alguna diferencia entre la señal digital de entrada y a la
6 salida del sistema.
-dOtro parámetro importante de estos sistemas es su velocidad (régimen binario)
máximo de funcionamiento. Éste puede obtenerse a partir del ensanchamiento eficaz de
los pulsos (σ) o mediante el tiempo de subida del 10 al 90%. Éste último método puede realizarse fácilmente observando en la pantalla del osciloscopio el flanco de subida de un pulso (nótese que la cuadrícula en la pantalla incluye una guías para calcular los valores del
10 y el 90%). La señal debe visualizarse de forma que los valores de tensión máxima y mínima (sin contar un posible sobre-disparo –overshoot-) coincidan adecuadamente con la
cuadrícula de la pantalla marcadas como 100% y 0% respectivamente. La señal en el receptor se tomará del punto TP16, antes del comparador.
Es habitual que la propia señal de entrada no sea ideal (tiempo de subida distinto de
cero), por lo que es necesario medir igualmente este tiempo de subida para la señal del
generador. El tiempo de subida del sistema puede calcularse como:
2
2
2
τ salida
=τ entrada
+τ sistema
Anotar los valores de los tiempos de subida a la salida y a la entrada, así como
7 el valor resultante para el sistema.
El valor de velocidad máxima puede obtenerse a partir del tiempo de subida del sistema mediante la expresión indicada en la introducción.
8
Anotar el valor obtenido de régimen binario máximo.
-e-
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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56
A continuación se comprobará la calidad de transmisión a diferentes velocidades mediante el diagrama de ojo. Para su visualización se necesita un señal digital pseudoaleatoria, que se obtendrá del analizador de comunicaciones MD6420A de Anritsu (más adelante se utilizarán sus funciones como medidor de tasa de error). La señal pseudo-aleatoria
se tomará del transmisor incluido en el instrumento (cable marcado como “Tx”) y se conectará a la entrada del sistema; mientras que el osciloscopio se conectará al punto de
medida TP6 antes del comparador. Dado el carácter aleatorio de la secuencia de bits, se
hace necesario sincronizar el disparo del osciloscopio con la señal de reloj procedente del
analizador de comunicaciones, conectando el cable marcado como “CLK” al disparo externo del osciloscopio.
Sobre la pantalla se podrá visualizar entonces el diagrama de ojo. Se cambiará el régimen binario, midiendo sobre la pantalla del osciloscopio las aperturas horizontal y vertical para las velocidades de 19200bps, 768Kbps y 8Mbps.
El régimen binario de la secuencia pseudo-aleatoria se modifica en la pantalla
“Interface” (pulsando “NEXT SCREEN” tras el encendido), accediendo con los cursores hasta el valor de “BIT RATE”. Su valor se puede incrementar o decrecer con los botones “MODIFY” (si se pulsa simultáneamente el botón central “COARSE” la velocidad de incremento/decremento es más rápida).
Dibujar el aspecto del diagrama de ojo para las velocidades de 19200bps,
9 768Kbps y 8Mbps, anotando los valores de apertura en cada caso.
-fFinalmente, se comprobará el funcionamiento del sistema en su aplicación para la interconexión de dos ordenadores a través del puerto serie (señales RS232). Se utilizará en
realidad de nuevo el instrumento MD6420A (Data Transmission Analyzer de Anritsu) que
dispone de dos puertos serie, y es capaz de generar un tráfico de datos entre ellos a diferentes velocidades y medir la tasa de error del enlace.
La salida de datos del instrumento ya se encuentra conectada a la entrada del sistema, mientras que la salida digital del sistema deberá conectarse a la entrada de datos del
instrumento (cable “Rx”). Será preciso situar en el conmutador S2(2) del receptor en la
posición ON para que la salida tenga niveles de señal RS232. Se accederá a la pantalla de
medida de tasa de error mediante la tecla “NEXT SCREEN” y a continuación “ERROR”.
Pulsando sobre “START MEAS” se iniciará la comunicación y se mostrará en la pantalla la
tasa de error, a la velocidad previamente configurada.
Se elegirá una velocidad pequeña (p.e., 19200bps), comprobando que la tasa de error
sea cero. Si por el contrario se elegir una velocidad superior a la máxima calculada anteriormente, la tasa de error debe ser muy superior.
En realidad, es de esperar que a bajas velocidades el valor de BER no sea un cero absoluto, pero si suficientemente pequeño para que no pueda ser medido en un tiempo razonable. Hay que tener en cuenta que para medir con una fiabilidad del 95% una tasa de
error típica de 10-9 es necesario enviar y medir 3⋅109 bits correctos, lo que a 19200bps llevaría unas 43 horas. Para evitar este problema, un técnica muy utilizada es “estropear”
algo del sistema y medir la tasa de error resultante (peor, y por tanto medible más rápidamente). Extrapolando los valores obtenidos puede estimarse la tasa de error para un
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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funcionamiento óptimo. Una posibilidad es estropear el valor de tensión de comparación en
el receptor, la relación de extinción en el transmisor, o la potencia óptica media recibida.
Téngase en cuenta que si se reduce la potencia óptica media recibida hasta que la
tasa de error aumente significativamente, se está obteniendo precisamente el valor de
sensibilidad del receptor, un parámetro básico de los mismos.
Para obtenerlo, ajustar el régimen binario de nuevo a 19200bps y actuar sobre el
atenuador variable al final del canal hasta que comiencen a aparecer errores en la pantalla
del analizador de comunicaciones. El valor indicado por el medidor de potencia óptica será
la sensibilidad al régimen binario de 19200bps.
10
Anotar el valor de sensibilidad obtenido.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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58
Introducción a la simulación de S.C.O.
8
1. Objetivos
Esta práctica tiene como objetivo principal iniciarse en las particularidades de la simulación de sistemas de comunicaciones ópticas. Para ello, partiendo de unos requerimientos básicos y utilizando el simulador OptiSystem®, se construirá de forma guiada un
sistema sencillo MI-DD, se analizarán sus prestaciones, y se comprobará el efecto en éstas
de los diferentes criterios de diseño que se pueden plantear.
2. Introducción
En el proceso de diseño de los sistemas de comunicaciones ópticas, la simulación es
un paso fundamental que evita la necesidad de construir y probar costosos prototipos. En la
actualidad, existen modelos muy desarrollados y precisos de todos los dispositivos ópticos,
eléctricos y optoelectrónicos que componen los sistemas de comunicaciones ópticas, por lo
que puede decirse que la simulación es capaz de proporcionar datos fiables sobre el funcionamiento de estos sistemas. Debe tenerse en cuenta además que las prestaciones obtenidas a partir de ecuaciones analísticas sencillas (como el balance de atenuación o de
tiempos) son estimaciones aproximadas, en muchos casos no válidas para tomar decisiones
acertadas de diseño.
En esta práctica, se propone el uso del simulador OptiSystem de Optiwave
(www.optiwave.com), que permite la simulación de sistemas de comunicaciones ópticas a
nivel de capa física. El simulador se basa en la propagación de señales, tanto el dominio
eléctrico como óptico, a través de modelos de los diferentes componentes del sistema:
fuentes de luz, fibra óptica, fotodiodo, etc. Estas señales pueden ser visualizadas por el
usuario gracias a instrumentos virtuales como osciloscopios, analizadores de espectros, o
analizadores de diagrama de ojo, entre otros.
Como principal instrumento, OptiSystem incorpora un estimador de la tasa de error
de bit (BER), que es el criterio de calidad fundamental para un sistema de transmisión digital de cualquier tipo. El proceso de diseño consiste precisamente en elegir los componentes del sistema que permitan, con el menor coste y complejidad posible, cumplir los requisitos planteados en términos de calidad de transmisión.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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El BER se define como el cociente entre el número de errores de bit (ceros confundidos con unos o viceversa) y el número total de bits transmitidos. El valor de BER aceptable
es muy dependiente, entre otros factores, de la aplicación del sistema: en la transmisión
de televisión digital, por ejemplo, hace falta una tasa de errores muy elevada para que sea
perceptible por el usuario (peor de 10-6), mientras que la transmisión de datos en redes
transoceánicas de alta velocidad requiere tasas de error muy pequeñas del orden de 10-12 o
mejor. Un valor típico aceptado en muchos sistemas ópticos es 10-9.
La estimación del BER puede realizarse de dos formas:
1.
Por medición directa, es decir, enviando un número suficiente de bits y contando el número de errores. Éste método es inabordable con el simulador,
no hay más que pensar que para medir una tasa de error mejor de 10-9 es necesario enviar y simular el comportamiento con, al menos, 109 bits, más de
mil millones, con el tiempo de ejecución que ello conlleva.
2.
A partir de la relación señal a ruido. Existe una relación entre la tasa de
error y el parámetro Q, que es a su vez una medida indirecta de la relación
señal a ruido. Para estimar la relación S/N, el simulador construye un “diagrama de ojo” a partir de la señal recibida cuando se transmite una secuencia aleatoria de varios bits. A partir de la estimación de la señal y el ruido en
diferentes instantes temporales, se obtiene un valor del BER. El instante
temporal para el que el valor del BER es mínimo se considera el instante óptimo de muestreo, y el valor mínimo del BER es la tasa de error del sistema.
Fig. 1. Formación de
un diagrama
de ojo con
una señal
NRZ.
El diagrama de ojo es la superposición en una pantalla de varios “trozos” de esta secuencia. En la figura 1 se muestran todas las posibles formas de una señal NRZ durante un
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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periodo de tres bits, mientras que la figura 2 muestra los diagrama de ojo resultantes con
señales NRZ (izquierda) y RZ (derecha).
Fig. 2. Diagramas de
ojo resultantes para señales NRZ
(izquierda) y
RZ (derecha).
Para calcular la tasa de error, se recorren diferentes instantes temporales en el
periodo de bit. Para cada uno, se calcula el valor medio de la señal de los bits a “uno” , I1,
(parte superior del ojo), así como la varianza de la señal, σ1. Se repite el mismo procedimiento para los bits a “cero”, en la parte inferior del ojo. El valor de Q viene dado por:
Q≡
I "1" − I "0"
σ "1" + σ "0"
Fig. 3. Estimación del
parámetro Q y
de la tasa de
error de bit a
partir del análisis del diagrama de ojo.
Y de ahí puede obtenerse el BER mediante la
expresión:
⎡ Q ⎤
1
BER = erfc ⎢
⎥
2
⎣ 2⎦
En esta práctica, se
comprobará cómo las decisiones de diseño afectan a la
calidad de la transmisión,
obtenida a partir del valor
del BER estimado. El uso de un simulador permite obtener resultados más realistas y precisos que las aproximaciones analíticas, a la vez que es más rápido y menos costoso que la
implementación de prototipos hardware.
A modo de recuerdo y resumen de lo visto en la asignatura de Sistemas de Comunicaciones Ópticas, se enumeran a continuación algunas de las opciones de diseño en términos
de elección de componentes y de sus parámetros, indicando su impacto esperado en la
calidad de transmisión (y por tanto, en la tasa de error).
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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61
•
Esquema de modulación. La gran mayoría de los sistemas de transmisión por
fibra óptica utilizan la modulación en amplitud de la potencia óptica emitida
por la fuente de luz, utilizando codificación NRZ o RZ unipolar. La modulación
RZ tiene el doble de contenido frecuencial que la NRZ, por lo que requiere un
sistema con el doble de ancho de banda para su correcta transmisión. Por esa
razón, la codificación NRZ es la más utilizada, aunque la RZ también tiene
ventajas: facilita la recuperación de reloj en el receptor –ventaja que no aparecerá en la simulaciones-, y como la potencia óptica media es menor, se generarán menos efectos no-lineales. En general, si el sistema está limitado por
el balance de tiempos (“dispersión”) o por la atenuación, conviene utilizar
codificación NRZ, si es por efectos no-lineales, la codificación RZ suele ser
ventajosa.
•
Tipo de fuente de luz. Los diodos LED tienen una anchura espectral muy grande (decenas de nm, produciendo una gran dispersión) e inyectan poca luz en
fibras monomodo de núcleo pequeño. Los láseres “multimodo” ó Fabry-Perot
tienen sin embargo una anchura espectral pequeña (algunos nm) y una eficiencia de inyección en fibra mejor. Los láseres monocromáticos (típicamente
basados en estructuras DFB) son los más caros y de mejores prestaciones, con
una anchura espectral varios órdenes de magnitud menor (del orden de MHz
en términos frecuenciales), minimizando el efecto de la dispersión.
•
Potencia óptica media emitida por la fuente de luz. Típicamente, cuanto mayor sea, más elevada será la relación señal a ruido en el receptor, y por tanto
mayor será la calidad. Sin embargo, algunos efectos no lineales perjudiciales
son proporcionales a la potencia óptica propagada por la fibra, por lo que
puede interesar reducir su valor. Al ser los efectos no-lineales muy difíciles de
modelar con ecuaciones sencillas, los simuladores son muy utilizados precisamente para encontrar el nivel de potencia óptimo en un determinado sistema.
•
Chirping. El chirping, modulación de fase y frecuencia no deseada de la portadora óptica por culpa de la señal moduladora, se produce en las fuentes de
luz con modulación directa. Su principal efecto es el ensanchamiento aparente del espectro , aumentando por lo tanto el efecto de la dispersión. Si el
chirping está limitando el funcionamiento del sistema, suele recurrirse a la
modulación externa (mediante un modulador interferométrico Mach-Zehnder
o bien basado en electroabsorción), que producen una modulación de frecuencia indeseada en muchos casos despreciable.
•
Modulación externa. El uso de un modulador óptico externo implica que la
fuente de luz emita una potencia óptica constante, mientras que la señal a
transmitir se aplica a la entrada eléctrica del modulador. Son dispositivos caros y que presentan típicamente grandes pérdidas de inserción (se reduce la
potencia disponible en el canal), pero por el contrario suelen eliminar el efecto del chirping característico de una fuente de luz modulada directamente.
•
Tipo de fibra óptica. Aunque existen innumerables variedades de fibras, de
diferentes materiales, tamaños y estructuras, las disponibles comercialmente
pueden agruparse básicamente en:
o
Fibra multimodo de sílice: núcleo grande (se acopla más luz en la fibra), pero presentan dispersión intermodal. Estas fibras quedan caracterizadas por su “ancho de banda modal” o, lo que es lo mismo, su
producto ancho de banda por longitud definido por la dispersión inter-
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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modal. Siendo su valor típico de decenas o cientos de MHz x Km, quedan reservadas para sistemas de baja velocidad y/o distancias cortas.
Además, sólo en estas fibras de núcleo grande son capaces las fuentes
tipo LED de inyectar potencias ópticas suficientemente grandes. El material (sílice) es el mismo que el de las fibras “monomodo”, así que la
atenuación será la misma.
•
o
Fibra multimodo de plástico: núcleo muy grande (diámetro cercano a 1
milímetro, es muy fácil acoplar luz de cualquier tipo de fuente), pero
el material plástico presenta una absorción de cientos de dB por kilómetro. La dispersión intermodal es también muy elevada, por lo que
quedan reservadas para distancias muy cortas de menos de 100 metros
típicamente.
o
Fibra “monomodo” estándar de telecomunicación. Es la fibra más utilizada hasta la actualidad para sistemas de alta velocidad y larga distancia, pero presenta el problema de que su atenuación es mínima en
tercera ventana (en torno a 1550nm) y su dispersión es mínima en segunda ventana (en torno a 1310nm). Por lo tanto, el cambiar la ventana de transmisión puede arreglar uno u otro de estos problemas, pero
no los dos simultáneamente.
o
Fibras de dispersión modificada. Son fibras con estructuras complejas
que permiten elegir el grado de dispersión deseado en cualquier longitud de onda. Las de dispersión “aplanada” tienen un valor bajo (de
unos pocos ps/nm.Km) en toda la tercera ventana, mientras que las de
dispersión “desplazada” tienen la dispersión mínima en 1550nm. Ésta
última es muy interesante porque a la longitud de onda de 1550nm,
tanto la dispersión como la atenuación se minimizan en la fibra.
o
Fibras para la gestión de la dispersión. Son fibras que tienen valores de
la dispersión grandes o pequeños, pero típicamente negativos. Insertando tramos de estas fibras en un canal convencional es posible reducir el efecto de la dispersión, ya que un parámetro de dispersión D negativo puede “encoger” los pulsos previamente ensanchados por culpa
de la dispersión.
o
Fibras de gran área efectiva. Son fibras en las que el modo fundamental de propagación ocupa un área mayor que en una fibra estándar.
Como los efectos no-lineales se reducen si la luz ocupa un área mayor
(al reducirse la densidad de potencia óptica), se pueden utilizar cuando los efectos no-lineales están limitando las prestaciones del sistema.
Tipo de fotodetector. Hay dos dispositivos para elegir: los de tipo PIN, más
utilizados, generan una fotocorriente pequeña (con responsividad menor de 1
A/W) que necesita ser fuertemente amplificada por un amplificador de transimpedancia (conversor de corriente a tensión). Los receptores basados en fotodiodo PIN suelen estar dominados por el ruido térmico, por lo que un aumento de la potencia recibida se traduce en una mayor relación señal a ruido
y por tanto, mayor calidad. Los de tipo APD tienen una ganancia interna de
corriente, por lo que necesitan un amplificador de transimpedancia de menor
ganancia. Los receptores basados en APD suelen estar limitados por ruido de
disparo (shot), son mucho más complejos y caros, aunque su utilización es interesante cuando la señal recibida es muy débil.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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63
•
Amplificador óptico. Al añadir un amplificador óptico a un sistema se aumenta la potencia óptica disponible a la entrada del receptor, por lo que es posible mejorar su calidad. Para ello, es necesario que el receptor se encuentre
limitado por ruido térmico. Si su receptor está limitado por ruido shot, el ruido aumentará de forma proporcional a la señal, por lo que la relación S/N final será la misma y no se habrá introducido ninguna mejora. Además, hay que
tener en cuenta que un amplificador óptico genera ruido adicional (ruido de
emisión espontánea amplificada, ASE). Si es de tipo de fibra dopada con Erbio
(EDFA), funcionará exclusivamente en tercera ventana, mientras que si es de
tipo semiconductor (SOA) lo hará en el rango de longitudes de onda definido
por el material del amplificador.
3. Desarrollo de la práctica
La práctica se va a desarrollar en 4 bloques con objetivos diferentes:
1.
Cargar el simulador y construir un sistema sencillo, de acuerdo a unas especificaciones, para entrar en contacto con el simulador.
2.
Simular el sistema y analizar los resultados, valorando si cumple o no los requerimientos de calidad utilizando para ello el analizador de tasa de error
(BER analyzer).
3.
Probar una serie de cambios, de forma guiada, considerando a priori su impacto sobre las prestaciones, y comprobando con el simulador el resultado
real.
4.
El profesor indicará unos nuevos requerimientos, y se tendrá que realizar los
cambios necesarios para que –a priori- el sistema funcione correctamente,
comprobando con el simulador si se ha conseguido.
Los requerimientos que se plantean inicialmente para el sistema son:
•
Sistema sencillo MI-DD punto a punto, con un transmisor basado en modulación de intensidad (M I) directa, fibra óptica en régimen monomodo, y
receptor basado en detección directa (DD).
•
Tasa de error mejor de 10-10.
•
Régimen binario de 2,5Gbps
•
Distancia de transmisión de 100Km
Y la elección a priori de componentes y de esquema de modulación es la siguiente:
•
Modulación NRZ
•
Transmisor basado en láser Fabry-Perot, emitiendo en la tercera ventana,
con potencia óptica medida emitida de 0dBm, relación de extinción de
10dB, chirping (parámetro alfa igual a 6), y separación entre modos longitudinales de 20 GHz.
•
Fibra óptica estándar de telecomunicaciones, con los parámetros por defecto, y 100Km de longitud.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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64
•
Receptor basado en fotodiodo PIN y amplificador de transimpedancia,
también con los parámetros por defecto del simulador.
-aSe ejecutará el programa pulsando sobre el icono “OptiSystem”, y una vez cargado
se mostrará el espacio de trabajo vacío. Es necesario crear un proyecto nuevo pulsando
sobre el icono de página en blanco situado a la izquierda de los menús.
En primer lugar, se accederá a los parámetros globales (pinchando dos veces sobre el
Layout ahora vacío) y se comprobará que el régimen binario es el requerido, cambiándose
si no fuera así. La elección por defecto que realiza el software de la ventana de simulación
la vamos a suponer correcta.
Se accederá a la librería de componentes (Component Library), en la carpeta Default, a los diferentes dispositivos, que se irán colocando sobre el Layout vacío:
1. Un generador de secuencia pseudo-aleatoria de bits, como fuente de señal:
/Default/Transmitters
Library/Bits
Sequence
Generator/
Pseudo-Random Bit Sequence Generator.
2. Un codificador NRZ para obtener la señal eléctrica que atacará a la fuente de
luz:
/Default/Transmitters
Library
/Pulse
Generators
/Electrical / NRZ Pulse Generator. Si este componente se sitúa a la
derecha del anterior, el cableado correcto entre ambos se realizará automáticamente.
3. Un láser con modelo basado en parámetros medibles experimentalmente:
/Default/Transmitters Library / Optical Sources /Directly
Modulated Laser Measured
4. Una fibra óptica estándar trabajando en régimen monomodo: /Default/
Optical Fibers Library / Optical Fiber
5. Un fotodetector PIN para recoger la señal óptica al final del canal y pasarla al
dominio eléctrico: /Default / Receivers Library / Photodetectors / Photodetector PIN
6. Un amplificador de transimpedancia para convertir la débil fotocorriente generada por el fotodiodo en una tensión más elevada: /Default / Amplifiers Library / Electrical / Transimpedance Amplifier.
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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Fig. 4. Conexionado
de los elementos del
sistema
propuesto.
Por último, se colocará el analizador de tasa de error (BER Analyzer) para estimar la
calidad de la señal de salida. Sus entradas se conectan como sigue: la primera (Bit sequence) se conecta a la salida del generador de secuencia pseudos-aleatoria, la segunda (Reference) es la señal a transmitir, es decir, la salida del codificador NRZ, y la tercera (Input)
es la señal a analizar, la salida del amplificador de transimpedancia.
Colocados todos los componentes (la posición exacta sobre el layout es irrelevante, lo
que importa es el conexionado de los dispositivos), el sistema tendrá un aspecto como el
mostrado en la figura 4.
-bEl siguiente paso es ajustar los parámetros de los dispositivos de acuerdo a las características y requerimientos del sistema.
La mayoría de los parámetros se dejarán con su valor por defecto. Para cambiar el
resto, hay que pinchar dos veces sobre el icono del dispositivo para mostrar la pantalla con
sus parámetros. Estos aparecen agrupados en diferentes categorías mediante “pestañas”.
Los cambios necesarios para el láser son:
•
La potencia de salida hay que cambiarla a 0dBm: pestaña “Main”, parámetro
“Power”)
•
Hay que fijar un nivel de chirping a través del parámetro alfa (ya que está
presente en todos los láseres modulados directamente): en la pestaña
“Chirp” se fija el parámetro “Alpha Parameter” al valor 6.
•
Hay que indicar que se trata de un láser FP con múltiples modos longitudinales: en la pestaña “Side modes” hay que activar la opción “Calculate
Side Modes”, el número de modos “1”, la separación entre modos (paráme-
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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tros Separation) será 20 GHz, y la relación de supresión de modos laterales
(Suppression Ratio) será de 25dB.
En cuanto a la fibra óptica, es necesario modificar su longitud. Se hará doble clic sobre su icono y el parámetro Length se fijará al valor de 100Km.
Ya es posible realizar la simulación. Se accederá a la opción del menú File-> Calculate o se pulsará sobre el icono
. Aparecerá la ventana de simulación, y se pulsará-
para comenzar. Una vez finalizada (el tiempo de ejecución variará
sobre el icono
entre unos segundos y varios minutos dependiendo de la complejidad del sistema y del
ajuste de la ventana de simulación), deberá aparecer el mensaje “*Calculation
finished!*”, y ya se podrá cerrar la ventana.
-cEl siguiente paso es analizar los resultados de la simulación. Haciendo doble clic sobre el icono del analizador de BER se mostrará la estimación de la tasa de error. Si se activa la visualización del diagrama de ojo (opción “Show eye diagram”) podrá verse una
imagen como el de la figura 5.
Fig. 5. Resultado de
la simulación con el
sistema
propuesto.
El diagrama de ojo es muy interesante pues permite estimar la calidad de forma rápida, aunque un poco subjetiva. Debe tenerse en cuenta que la amplitud vertical del ojo
no es muy relevante, pues dependerá de la ganancia del amplificador de transimpedancia;
mientras que el eje horizontal está en unidades de tiempo de bit: el periodo de un bit
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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abarca desde 0 hasta 1 en el eje horizontal. Sobre el diagrama de ojo, en color rojo, se ha
dibujado el valor del BER, con una escala que recoge únicamente el exponente, es decir,
un valor de log(BER)=-13 equivale a un BER de 10-13.
El diagrama que se obtiene, mostrado en la figura, tiene un ruido bastante elevado,
pero sobre todo, está muy distorsionado por culpa de la dispersión, con grandes oscilaciones (overshoot) de la señal a lo largo de un periodo de bit. El simulador se encarga de mostrar el valor del BER a lo largo del periodo: aquel instante temporal en el que la relación
entre la señal y el ruido es máxima, es el instante óptimo de muestreo. El valor mínimo del
BER, es decir, aquel valor de calidad que se puede conseguir si se muestrea la señal recibida en el instante adecuado, es el calculado por el simulador, en este caso 3⋅10-7. Este dato
indica que el sistema no cumple los criterios de calidad, aunque incluso este valor negativo
es muy optimista porque a la vista del diagrama se comprueba que habría que muestrear
en un instante muy preciso, y que el BER durante la mayor parte del tiempo de bit es mucho peor (mayor de 10-4 ).
Anotar el valor mínimo del BER y dibujar de forma aproximada el diagrama de
1 ojo obtenido.
A continuación se propondrán varios cambios al diseño con la intención de mejorar el
funcionamiento del sistema, se analizará a priori el efecto sobre las prestaciones y se comprobará con el simulador el resultado que se obtiene.
-dA la vista de lo ruidoso que es el diagrama de ojo, surge una idea para mejorar el sistema. Tanto el ruido térmico como el de disparo ocupan una banda frecuencial que va, en
teoría, desde 0Hz hasta infinito. Eso significa que si el ancho de banda del sistema es muy
superior al necesario, se está recogiendo a la salida del receptor ruido innecesario que podría eliminarse. La idea es que si la señal es de 2,5Gbps con modulación NRZ, solo tiene
contenido frecuencial desde 0Hz hasta 1,25GHz. Más allá de este valor, solo hay ruido, pero no señal. Si se añade al sistema un filtro eléctrico paso bajo que quite las frecuencias
altas, es posible reducir el ruido sin afectar a la señal, mejorar la relación señal a ruido, y
por tanto, la calidad.
Efectivamente, la normativa internacional que define los procesos de diseño recomienda que al final de todo sistema se incluya un filtro paso bajo, con respuesta tipo Bessel, y una frecuencia de corte igual a 0,75 veces el régimen binario, en este caso, serían
1,9GHz aproximadamente.
Se comprobará primero el contenido frecuencial de la señal que sale del receptor para ver si reduciendo el ancho de banda se podría reducir el ruido. Se insertará en el sistema un analizador de espectros eléctricos (RF Spectrum Analyzer) disponible en la librería
de componentes en /Default / Visualizer Library / Electrical / RF Spectrum Analyzer , que se conectará a la salida del amplificador de transimpedancia.
Haciendo doble clic sobre su icono (no hace falta simular de nuevo) se mostrará el contenido frecuencial de la señal (color azul) y del ruido (color verde). Aunque de forma no muy
clara, puede comprobarse como la amplitud de la señal decrece con la frecuencia, pero el
ruido permanece constante hasta más de 70GHz (puede verse esta tendencia más clara-
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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mente si se activa la opción de “resolution bandwidth” del instrumento y se fija un
valor alto, por ejemplo, 1000 MHz, que equivale a reducir la resolución de la medida pero
permite ver las tendencias más claramente).
Por lo tanto, estamos recogiendo ruido de alta frecuencia que estropea la calidad, y
podría eliminarse fácilmente con un filtro paso.
Se quitará el analizador de espectros de RF y el cable que une la salida del sistema a
la tercera entrada del analizador de BER. A continuación, se insertará un filtro eléctrico
paso-bajo con respuesta tipo Bessel, que está disponible en /Default / Filters Library / Electrical / Low pass Bessel Filter. Se colocará a la salida del TIA, y
será necesario reconectar la tercera entrada del analizador de BER a la nueva salida del
sistema, que ahora será la salida del filtro. Se incluirá también un analizador de espectros
de RF a la salida del sistema (ahora la salida del filtro). La figura 6 indica cómo debe quedar el sistema tras estos cambios.
Fig. 6. Sistema incluyendo un
filtro a su
salida..
Tras comprobar en los parámetros del filtro que su frecuencia de corte es efectivamente 0,75 veces el régimen binario de la señal, se simulará de nuevo.
Se comprobará cómo el diagrama de ojo mejora ostensiblemente, el BER mínimo se
un poco mayor del valor buscado, 10-10, y tanto la señal como el ruido están ahora limitados en frecuencia.
A la vista del diagrama de ojo puede comprobarse uno de los problemas de esta opción: aunque el ruido prácticamente ha desparecido, la señal digital está muy suavizada,
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con flancos lentos de subida y bajada, y la zona óptima de muestreo, típicamente situada
en el centro del periodo de bit, se hace más pequeña.
Anotar el valor mínimo del BER y dibujar de forma aproximada el diagrama de
2 ojo obtenido.
-eEn las condiciones indicadas, es muy posible que el sistema esté limitado por la dispersión: los flancos de subida y bajada de los diferentes bits simulados dibujan caminos
muy diferentes (“engordando” las líneas que dibujan el ojo), y esto se debe a la distorsión
que han sufrido al propagarse por la fibra óptica.
Debe reducirse el efecto de la dispersión para conseguir que el sistema funcione.
Proponer todos los cambios que se te ocurran de los componentes o de sus pa-
3 rámetros para reducir la dispersión en este sistema.
-eAlgo conocido es que un amplificador óptico no es la solución cuando el sistema está
limitado por la dispersión. Esto se puede comprobar de forma rápida y sencilla con el simulador.
Antes de poner el amplificador óptico, se va a comprobar la potencia óptica disponible al final del canal. Se colocará sobre el layout una medidor de potencia óptica, disponible en la librería de componentes en / Default / Visualizar Library / Optical
/ Optical Power Meter Visualizer, y se conectará a la salida de la fibra óptica.
Anotar la potencia óptica disponible al final del canal.
A continuación se añadirá entre la fibra óptica y el fotodiodo PIN un amplificador en
fibra dopada con Erbio (EDFA), disponible en la librería de componentes en / Default /
Amplifiers Library / Optical / EDFA / EDFA Measured. Se trata de un amplificador con parámetros típicos: ganancia 20dB y figura de ruido de 4dB.
Simular de nuevo y comprobar el resultado en el analizador de BER. Si el sistema está
limitado por la atenuación, la tasa de error debe haber aumentando, ya que ahora tenemos
el ruido adicional ASE (Amplified Spontaneous Emisión) que empeora la relación señal a
ruido. Anotar la nueva potencia óptica disponible antes del fotodiodo, y comprobar que se
cumple la ganancia de potencia especificada.
Indicar la tasa de error conseguida con el amplificador óptico y la potencia
4 óptica disponible con y sin él.
-f-
PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
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Como solución definitiva para que el sistema funcione, se propone reducir la anchura
espectral de la fuente: el ensanchamiento de los pulsos es directamente proporcional a la
anchura espectral, y un láser Fabry-Perot, a priori, no suele tener las prestaciones necesarias para una distancia de transmisión tan larga con una fibra óptica estándar.
Se propone entonces eliminar de nuevo el amplificador óptico del sistema, y sustituir
el láser FP por otro DFB monomodo de mucha menor anchura espectral. Para ello, basta
con desactivar el parámetro “Calculate Side Mode” disponible en la pestaña “Side
Modes”. De esta forma se convierte en un láser monomodo DFB con una anchura espectral
igual a la especificada en su anchura de línea (linewidth), que por defecto es de 10MHZ, un
valor típico para un láser DFB de calidad.
Simular de nuevo y comprobar si se consigue la tasa de error necesaria de 10-10.
Anotar el valor mínimo del BER y dibujar de forma aproximada el diagrama de
5 ojo obtenido.
-gPor último, se pedirá al profesor que especifique unos nuevos requerimientos (más
exigentes) para el sistema, se deberá simular con los cambios indicados y se comprobará si
el sistema funciona o no.
Anotar el valor mínimo del BER y dibujar de forma aproximada el diagrama de
6 ojo obtenido, con los nuevos requerimientos planteados.
Si el sistema no funciona adecuadamente, se pide proponer uno o más cambios que
permitan cumplir los requerimientos, valorando en cada caso la complejidad técnica y el
coste de cada uno de ellos.
Indicar los cambios propuestos y sus efectos en el sistema, valorando la com-
7 plejidad técnica y el coste económico relativo de cada uno de ellos.
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