Práctica 3

Práctica 3
Medición de la apertura numérica
OBJETIVOS
1. Medir la apertura numérica de la fibra por medio de dos métodos.
2. Obtener la grafica de la luz confinada en la fibra con respecto del seno del
ángulo de incidencia
INTRODUCCION
La estructura básica de una fibra óptica son dos cilindros concéntricos, ambos de un
material cristalino con base en el silicio y de diferentes índices de refracción. Como se
explica en la práctica anterior, al cilindro central se le llama núcleo y tiene índice de
refracción n1 y el cilindro exterior es la cubierta con índice n2.
Cuando se hace incidir luz en un extremo de la fibra, el haz luminoso pasa de un medio
(aire, n01) a otro (núcleo n1) con índices de refracción diferentes. Según la ley de Snell,
la dirección de este haz luminoso va a cambiar. Una forma de mostrarlo gráficamente es
utilizando teoría de rayos, en donde tomaremos un rayo como un línea en el espacio
donde la dirección corresponde al flujo de la energía radiante, como se puede observar
en la figura 3.1.
El cambio de dirección de la luz esta por la siguiente ecuación:
n0 sen0  n1sen1
(1)
Rayo A
Rayo B
n0
0
C
1
Rayo C
n2
n1
A
Fig. 3.1 Propagación de rayos en la fibra óptica
Existen rayos que saldrán de la fibra (rayo A), y otros se propagarán dentro de ella (rayo
B y C), esto depende del ángulo de incidencia y de los índices de refracción de los
materiales de la cubierta y el núcleo. Al ángulo límite entre un caso y otro se le llama

El índice de refracción es una característica del material, relacionada directamente con la permitividad y
permeabilidad del medio. También está definido como la relación de velocidades de una onda de luz en el
propio medio y en el vacío.
ángulo crítico c. Los rayos que lleguen a la interfaz núcleo-cubierta con este ángulo
(rayo C), se propagarán en el límite entre las dos superficies, de esta forma se produce
la reflexión total interna.
Una condición para que este fenómeno suceda es que el índice de refracción del medio
incidente sea mayor que el del segundo medio; esto significa que en una fibra óptica el
índice del núcleo siempre es mayor que el de la cubierta. Además aplicando la ley de
Snell en ambas interfaces aire-núcleo y núcleo-cubierta se encuentra que el ángulo de
aceptancia A y el crítico se relacionan de la siguiente forma:
n0 sen A  n1sen(90  C )  n1 cosC
(2)
El ángulo de aceptancia forma un cono llamado cono de aceptancia, que muestra
claramente que todos los rayos dentro de este, serán confinados con éxito dentro de la
fibra.
La apertura numérica (NA) es un parámetro que cuantifica la habilidad de una fibra
óptica para captar luz, por lo tanto esta relacionada directamente con el tamaño del
cono de aceptancia. La expresión matemática de la apertura numérica se describe en la
siguiente ecuación.
AN  sen A  n1 cosc  n12  n22
(3)
El concepto de apertura numérica se usa para describir la potencia colectora de luz de la
fibra y para calcular la eficiencia de acoplo fuente-fibra.
Los valores típicos para la AN son de 0.1 para fibras monomodo y de 0.2 - 0.3 para
multimodo en aplicaciones de comunicaciones. Para aplicaciones específicas existen
fibras con valores de 0.5.
Algunas observaciones importantes sobre este parámetro son:
1. Una AN alta capta más luz en la fibra, sin embargo se reduce el ancho de banda
de la misma, entonces una AN baja incrementa el ancho de banda de la fibra.
2. Una AN grande hace más fácil el acoplamiento fuente-fibra.
3. Una AN grande permite una dispersión modal mayor permitiendo más modos en
los que la luz puede viajar, y viceversa, una AN pequeña reduce la dispersión
limitando el número de modos.
Para medir la AN basta con encontrar el ángulo de aceptancia de la fibra. Para tal
propósito se deja la fibra fija y se mueve la fuente luminosa (Fig. 3.2 (a)) o bien se deja
fija la fuente y se mueve la fibra óptica (Fig. 3.2 (b)).
Fuente
Fibra
Fuente
Fibra
a)
b)
Fig. 3.2 Arreglos para la obtención del ángulo de aceptancia: a)Tamaño del haz de luz aproximado al
diámetro del núcleo la fibra, b)Tamaño del haz mucho mayor que el diámetro del núcleo.
La decisión del arreglo que se utilice queda en función del tamaño del haz luminoso de
la fuente con respecto del tamaño de la fibra.
Potencia aceptada
normalizada
Con cualquiera de los arreglos mostrados en la Fig. 3.2 podemos medir la cantidad de
luz aceptada por la fibra como una función del ángulo incidente. Una gráfica típica de
estos datos se presenta en la figura 3.3.
Fig. 3.3 Gráfica de potencia aceptada contra el seno del ángulo de aceptancia
Para calcular el ángulo de aceptancia a partir de esta gráfica se toman dos límites,
determinados por el punto en donde la potencia aceptada a caído un 5% de su valor
máximo. El rango de ángulos encontrado se divide a la mitad y con este dato podemos
calcular la apertura numérica de forma experimental.
Existe otro método para calcular la apertura numérica de la fibra. Este método es mucho
más sencillo y rápido, pero no es exacto. Solo se utiliza cuando se necesita una
aproximación de la A.N. de la fibra. Este consiste en medir el ancho del haz luminoso
que emana del extremo de la fibra, y la distancia a la que es medido, como se puede
observar en la figura 3.4.
W
L
Fig. 3.4 Medición aproximada de la A.N. de la fibra.
PROCEDIMIENTO
EQUIPO Y MATERIAL REQUERIDO
NOTA: En el apéndice del presente manual puede encontrar las fotografías del equipo
con sus respectivos nombres y modelo.
Modelo
F-MLD
Descripción
Fibra multimodo
Cloruro de Metileno
F-CL1
Fiber cleaver
Clivador de fibra
F-CC-140 Connector halves, for F-MLD Conector medio para fibra
CL200
Fiber Microscope
Microscopio
SG-22-2
Breadboard, 2 ft x 2 ft
Mesa de trabajo
LHRPLaser, HeNe 1.5 mW, 500:1 Láser de HeNe de 1.5mW,
0151
Polarization
Polarización 500:1
ULM
Laser mount
Montura del láser
340-RC
Rod Clamp
Abrazadera de barra
41
Short rod
Barra corta
1815-C
Optical Power Meter
Medidor de potencia óptica
FK-BLX Balldriver L-Allen Wrench Juego de llaves L-Allen
Set
SK-25ª
Screw Kit, ¼-20
Equipo de tornillos 1/4-20
SK-08ª
Screw Kit, 8-32
Equipo de tornillos 8-32
RSP-1T
Rotation Stage, 1"
Plataforma giratoria 1"
MPH-1
Post Holder
Retenedor de poste
MSP-1
1" Micro Series Post
Poste de 1"
VPH-2
2 in. Post Holder
Retenedor de poste de 2"
SP-2
2 in. Post
Poste de 2"
FP-1
Fiber Positioner
Posicionador de fibra
Fiber, 100/140 MM, 50 m
BASES TEORICAS NECESARIAS
Para el buen desarrollo experimental de esta práctica y el logro de los bjetivos de la
misma, se sugiere que el alumno tenga conocimiento de los siguientes temas:
- Trazo de rayos (Optica geométrica)
- Ley de reflexion y refracción, leyes de Snell
- Reflexión total interna
- Propagación de la luz en la fibra óptica
- Hoja de especificaciones de la Fibra utilizada
Experimento I.- Medición de la apertura numérica.
1. Se realizará el armado del experimento y el alineamiento del láser de la siguiente
manera:
a. Atornille el montaje del láser modelo ULM a la abrazadera de barra
modelo 340-RC, utilizando el equipo de tornillos 1/4-20 del modelo SK25A. Coloque la abrazadera de barra en la barra corta modelo 41.
b. Coloque todo esto sobre la mesa de trabajo modelo SG-22-2. Coloque el
Láser HeNe modelo LHRP-0151 dentro del montaje del láser y apriete
cuidadosamente los tonillos para no dañar el láser. Conecte la fuente de
poder del láser a 115V. El láser se enciende con la llave del interruptor
en la parte frontal de la fuente de poder.
c. El alineamiento y la colocación se realiza de tal forma que quede
paralelo a una línea de agujeros en la mesa de trabajo. Esto significa que
el haz de luz que sale del láser debe mantener la misma altura y posición
horizontal hasta el otro extremo de la mesa. Verifique la altura de la
alineación colocando provisionalmente la plataforma giratoria modelo
RSP-1T.
2. Coloque la plataforma giratoria modelo RSP-1T en la mesa de trabajo de manera
que el haz del láser pase sobre el centro de la cavidad de la plataforma. El RSP1T tendrá que ser colocado en esquina a la línea de agujeros, tal como se
muestra en la Figura 3.5. Fije esta plataforma utilizando el retenedor de poste
modelo MPH-1 sobre la plataforma giratoria, un tornillo del modelo SK-08A
para colocar el retenedor de poste y el Micro Serie Poste de 1" en el MPH-1.
Figura 3.5 Arreglo de laboratorio para determinar la AN.
3. Prepare un segmento de fibra, aproximadamente de 2 metros de longitud, con un
buen corte en cada extremo. Inserte uno de los extremos de la fibra dentro del
FPH-S (necesitara al menos 7 – 8 cm de la fibra sin la cubierta exterior para
realizar este paso y los que siguen) y colóquelo dentro del posicionador de fibra
modelo FP-1. El cual debió haber sido montado en la plataforma giratoria,
usando el retenedor de poste (MPH-1) y el Micro Serie Poste de 1" (MSP-1).
4. Oriente el posicionador de fibra (FP-1) para que la punta de la fibra esté en el
centro de la plataforma giratoria. Este es un paso crítico para obtener un valor
exacto de la AN de la fibra (ver figura 3.5).
Figura 3.6 La punta de la fibra está en el centro de la plataforma giratoria.
5. Revise la alineación de su sistema de luz asegurándose que la punta de la fibra
permanezca en el centro del haz de láser cuando se gira la plataforma. Esta
preparación logra una señal plana en el extremo de la fibra.
Coloque el otro extremo de la fibra en un retenedor de fibra (FPH-S) y después
colóquelo en un posicionador de fibra (FP-1).
6. Coloque el medidor de potencia óptica (1815-C) para que el haz de salida de la
fibra incida sobre la cabeza del detector, como se muestra en la figura 3.7. Haga
una capucha de aluminio para que no incida la luz del cuarto en el detector.
Encontrará esto necesario, porque el nivel de potencia obtenido en la señal plana
arrojado es muy pequeño. Bloqueé el haz del láser y anote la potencia que marca
el medidor de potencia óptico y realice una resta de esta cantidad a todos sus
datos.
Figura 3.7 Arreglo para el medidor de potencia óptica.
7. Ajuste todo el sistema de tal forma que se obtenga la máxima lectura del
medidor. Mida la potencia aceptada por la fibra como una función del ángulo
incidente y el haz de la señal. Utilice direcciones de rotación tanto positivas
como negativas, es decir tome datos moviendo la plataforma giratoria primero
con dirección de las manecillas del reloj hasta los 20 grados y en seguida en
contra de las manecillas del reloj, tambien hasta completar los 20 grados. Esto
con el propósito de compensar cualquier error en la alineación del láser.
Una vez que todo el montaje a quedado terminado complete la siguiente tabla:
Ángulo de incidencia Potencia medida Potencia de error Potencia Real
del haz del laser (°)
(W)
(W)
(W)
-20
-19
-18
-17
-16
-15
-14
-13
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Sen i
Potencia Aceptada (%)
-0.3420
-0.3256
-0.3090
-0.2924
-0.2756
-0.2588
-0.2419
-0.2250
-0.2079
-0.1908
-0.1736
-0.1564
-0.1392
-0.1219
-0.1045
-0.0872
-0.0698
-0.0523
-0.0349
-0.0175
0.0000
0.0175
0.0349
0.0523
0.0698
0.0872
0.1045
0.1219
0.1392
0.1564
0.1736
0.1908
0.2079
0.2250
0.2419
0.2588
0.2756
0.2924
0.3090
0.3256
0.3420
100.00
8. Grafique la potencia recibida por el detector como una función del seno del
ángulo aceptado. Bosqueje esta gráfica en el siguiente espacio:
100
90
Potencia Aceptada (%)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
Sin Oi
0.1
0.2
0.3
0.4
Figura 3.8 Gráfica de los datos tomados en las mediciones de la AN de la fibra F-MLD de Newport.
9. Con los datos obtenidos calcule la apertura numérica de la fibra.
AN = ___________
Experimento II.- Medición rápida de la apertura numérica.
10.Con el mismo arreglo sobre la mesa de trabajo:
a. Coloque el sistema de tal forma que se obtenga la máxima lectura de
potencia de salida
b. Quite el medidor de potencia óptica y la cubierta de papel aluminio
11.Haga incidir el haz que emana del extremo de la fibra sobre la tarjeta F-IRC1
colocada a una distancia L del láser procurando que el ambiente sea lo más
oscuro posible
12.Mida el ancho W, del haz sobre la tarjeta, y la distancia L del punto de salida de
la fibra a la tarjeta. La AN de la fibra es aproximadamente sin-1(1/2 w/L). Este es
un método rápido que se usa únicamente cuando se necesita una medición
aproximada de la AN de la fibra.
AN = ___________
13.Conteste las siguientes preguntas:
¿Por qué se considera poco exacto el segundo método para medir la AN?
Justifique la fórmula del segundo método para calcular la AN
Explique como calculo la AN en el experimento I
¿La gráfica de la figura 3.8, tiene la forma esperada? ¿Porque?
¿Los resultados obtenidos concuerdan con el valor de la AN de las
especificaciones del fabricante?
14.Realice la CONCLUSION de esta práctica.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Newport Corporation. “PROJECTS IN FIBER OPTICS Applications
Handbook”. 1999.
[2] OPTICA; Hecht Zajac; USA; Addison-Wesley Iberoamericana; 1986.
[3] FIBER OPTICS COMMUNICATION AND OTHER APPLICATIONS;
Henry Zanger, Cynthia Zanger; USA; Macmillan Publishing Company,1991.