13 Mediciones en fibras ópticas.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE QUILMES
INGENIERÍA EN AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL
Cátedra de Instrumentos y Me diciones
13 Mediciones en fibras ópticas.
13.1 Introducción:
13.1.1 Historia
El uso de señales visuales para las comunicaciones de larga distancia ya se realizaba por
el año 1794 cuando se transmitían mensajes de alerta en código Morse a los navegantes. Esto
demuestra que, las comunicaciones por fibra óptica es una nueva aplicación de una vieja idea,
donde se pasó de tener un medio portador como el aire a la fibra óptica.
En 1976, C. Kao y C. Hockman publicaron un primer informe proponiendo la fibra
óptica como un medio transmisor en donde las pérdidas podrían ser reducidas desde
1000dB/Km. a 20dB/Km. Ya en 1974 fue fabricada la primera fibra óptica con solo 4dB/Km.
Luego, en los 80’, el desarrollo tecnológico de la fabricación de fibras evolucionó
rápidamente obteniéndose en la actualidad pérdidas típicas del orden de 0.2dB/Km.
Como ventajas importantes, un enlace de fibra óptica requiere en general de menos
repetidores que uno con cable coaxil (para tasa de bits equivalentes), además es más liviana,
de menor dimensión, más inmune a la EMI 1, y más apropiada para transmisiones digitales.
Un diagrama simplificado de un enlace de comunicación por fibra óptica se muestra en la
figura 13.1.
Figura 13.1
La fuente óptica puede ser un LED o diodo láser con salida en la región de longitudes de
onda entre 820-850nm. El medio de transmisión puede ser una o varias fibras ópticas que en
general son de vidrio. El detector o receptor puede ser un diodo PIN o uno de avalancha
(APD). Cabe aclarar que en la industria óptica es más común hablar de longitudes de onda en
lugar de frecuencias. Los sistemas ópticos operan hoy en la región entre los 800-900nm. En
la figura 13.2, se observa el espectro óptico mencionado.
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EMI: Interferencia electromagnética
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Figura 13.2
13.1.2 Reflexión total – Apertura Numérica
La transmisión por fibras ópticas es posible por el fenómeno de reflexión interna total.
Cuando la luz golpea una frontera entre dos materiales de diferentes índices de refracción, la
trayectoria del rayo de luz se altera de dos maneras. Primero la luz se refleja, lo cual significa
que la energía de luz se refleja y no entra en el material al otro lado de la frontera. El resto de
la energía penetra en el material, pero la trayectoria del rayo de luz se altera (Figura 13.3).
Figura 13.3
El valor de refracción, o ángulo de desviación a partir de la trayectoria de la línea, está
dada por la ley de Snell:
n 2 cos θ 1
=
(13.1)
n1 cos θ 2
donde: n 1 = índice de refracción del primer material
n 2 = índice de refracción del segundo material
θ1 = ángulo entre la superficie y el rayo incidente
θ2 = ángulo entre la superficie y el rayo refractado
Si el ángulo entre la superficie fronteriza y el rayo fuera pequeño, sería una situación en
la cual el valor de la desviación del rayo a partir de la trayectoria en línea recta causa que la
energía de luz no entre en el segundo material. Esto ocurre si el ángulo θ2 es igual a cero lo
que se deduce como
n
θ c = cos −1 2
(13.2)
n1
El ángulo θc se denomina ángulo crítico y representa una situación donde se refleja toda
la energía de la luz.
Si se tiene que el extremo de una fibra óptica da al aire, los rayos de luz que entran por
ese extremo se refractan hacia el eje central de la fibra porque el índice de refracción del
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vidrio es mayor que el del aire. El ángulo máximo φ que produce una reflexión interna al
ángulo crítico;
n senθ c
senφ = 1
= n1 senθ c
(13.3)
n3
donde: n 1 = índice de refracción del núcleo de la fibra
n 3 = índice de refracción del aire (igual a 1)
θc = ángulo crítico
Se define el ángulo o cono de aceptancia como el doble de φ, esto es:
θ A = 2 sen −1 ( n1 sen θ c )
(13.4)
Por lo tanto, parte de energía luminosa que entra en la fibra fuera del ángulo de
aceptancia se pierde por refracción con el material de recubrimiento en cada reflexión.
Otra forma de cuantificar este cono de aceptancia es la denominada apertura numérica
NA, la cual es más utilizada en el cálculo de pérdidas en fibras ópticas.
NA = n 2 − n1
2
2
(13.5)
Otra propiedad de una fibra para una dada longitud de onda λ, y radio interno a, es la
denominada frecuencia normalizada V:
2πa
V=
NA
(13.6)
λ
Del análisis de la ecuación 13.5, es importante remarcar que la apertura numérica es
independiente de sus dimensiones físicas. Por otro lado, de la ecuación 13.6, podemos
observar que la frecuencia normalizada depende, además de la apertura numérica, del radio
interno a.
13.1.3 Tipos de fibras
En general son fabricadas con vidrios de distintos índices de refracción. Existen tres
categorías de fibras las cuales se diferencian por su modo y sus propiedades físicas:
• Modo simple
• Multimodo con índice de a paso
• Multimodo con índice graduado
Un modo puede ser pensado como el camino que una señal de luz sigue dentro de una
fibra. Una forma de limitar el número de modos propagados en una fibra es disminuyendo el
radio interno a y manteniendo la relación n 1/n 2 tan pequeña como se pueda, a menudo se
logra 1.01 o menos.
Entonces una fibra de modo simple se diseña tal que solo un modo pueda propagarse. De
esta manera, esta fibra no presentará dispersión modal como veremos más adelante. Como
ejemplo, para una fibra con índices de refracción n 1=1.48 y n2=1.46, con longitud de onda de
fuente 820nm, para operar en modo simple, el máximo diámetro interno debería ser 2.6µm
(muy pequeño)
Las fibras multimodo con índice de a paso se caracterizan por tener un cambio abrupto
en el índice de refracción, en cambio las de índice graduado se caracterizan por un cambio
continuo y suave en este índice. En la figura 13.4, se observan estos dos tipos de fibra, y en la
13.5 se observa un corte de un cable con varias fibras en su interior.
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Figura 13.4
Figura 13.5
13.1.4 Pérdidas en fibras ópticas
En un enlace con fibra óptica hay dos parámetros básicos de diseño que limitan la
longitud del mismo sin necesidad de agregar repetidores. Estos parámetros son: las pérdidas,
que se expresan normalmente en dB/km, y la dispersión en MHz/km.
Las pérdidas más comunes son debidas a: un curvado excesivo (valores aproximados de
0.2dB/Km para fibras de modo simple); y luego a los empalmes los cuales pueden ser por
fusión (0.001 a 0.1dB), o mecánicos (0.1 a 0.5dB).
Otra fuente de pérdida son los conectores contra el transmisor o receptor, los cuales
tienen valores típicos de 0.1 a 0.5dB.
Cuando se inyecta cierta energía dentro de una fibra, la mayor parte de ésta se refleja en
las fronteras de los dos vidrios, y por otro lado, parte de esta se pierde, esto es, es absorbida
por el vidrio debido a sus impurezas y/o defectos internos. Esta dispersión es propia del
material y se denomina dispersión de Rayleigh. Este fenómeno se describe en la figura 13.6.
Figura 13.6
Por otro lado, hemos visto que si aplica un pulso de energía luminosa a una fibra, parte
de ésta toma una trayectoria larga, y parte una trayectoria corta, en consecuencia, el pulso
saldrá distorsionado al final de la fibra por los diferentes tiempos de llegada de la energía del
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pulso. Este fenómeno se denomina dispersión modal (figura 13.7), el cual limita el ancho de
banda útil de la fibra.
Figura 13.7
13.2 Medición de potencia en fibra óp tica:
13.2.1 Fuentes y detectores
Las fuentes de luz cumplen con la propiedad de convertir la energía eléctrica en energía
óptica (estable). La energía de luz se transmite como paquetes discretos de energía llamados
fotones. Las dos fuentes de luz más utilizadas en sistemas de comunicaciones por fibras
ópticas son el LED y el diodo de inyección laser (ILD). Ambos son fabricados desde el
mismo componente base, y sus estructuras de juntura son similares, pero difieren
considerablemente en su performance. Los LEDs son menos eficientes que los ILDs pero son
más baratos. El ancho de banda de un ILD es mucho más angosto que el de un LED, y la
salida de la luz tiene un cono de emisión muy angosto, por ello los ILDs son especialmente
utilizados en fibras de diámetro pequeño (aplicaciones de modo simple). Como dato, la
eficiencia de acoplamiento de un LED es del orden del 2%, mientras que en un ILD es mejor
al 50%.
En el presente, los sistemas operan en la región de los 820nm. Para esa longitud de onda
la mínima atenuación esperable es del orden de los 3dB/km. Trabajando a unos 1300nm, se
logra bajar esta atenuación a 0.5dB/km (figura 13.8), pero cabe aclarar que en este caso, las
fuentes y los detectores pasan a ser el cuello de botella en la evaluación de las pérdidas.
Figura 13.8
Los detectores más comunes son los fotodiodos, tanto los PIN (material intrínseco entre
la juntura pn), como los de avalancha (APD). Ambos trabajan polarizados en inversa.
Un fotodiodo puede considerarse como un contador de fotones, luego la potencia en
watts puede obtenerse multiplicando esa cuenta por la energía de un fotón.
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E=
donde:
hc
= h. f
λ
(13.7)
E = energía del fotón
h = constante de Planck: 6.63 x 10-34 W/s 2
c = velocidad de la luz: 3 x 108 m/s
λ = longitud de onda
f = frecuencia
El número de fotones por segundo N para una fuente de luz de potencia p es:
p
p
N= =
(13.8)
E h. f
Se define como eficiencia cuántica η a la relación entre el número promedio de
electrones liberados para la conducción y el número de fotones incidentes. Un fotodiodo muy
eficiente podría tener valores de η cercanas a 1.
Si a la ecuación anterior la afectamos de la eficiencia cuántica, obtenemos los electrones
por segundo, y si además multiplicamos por la carga del electrón Q, obtenemos la corriente
real en amperes:
η.Q. p η.Q. p.λ
I=
=
(13.9)
h. f
h.c
donde: Q = carga del electrón: 1.6 x 10-19 Coulombs
Entonces la fotocorriente de un fotodiodo es proporcional a la potencia incidente, pero
también a la longitud de onda; como consecuencia los medidores de potencia se deben
calibrar para una longitud de onda específica.
13.2.2 Medidor de potencia óptica
Existen dos tipos de mediciones de potencia óptica: mediciones de potencia absoluta, y
mediciones de potencia relativa. Las absolutas son realizadas cuando se miden directamente
fuentes, amplificadores, y receptores, en cambio, en las relativas se miden las pérdidas,
atenuaciones, o ganancias en una red de fibra óptica. Las mediciones relativas se expresan
habitualmente en decibeles (dB), y las absolutas en dBm (referidas a 1 miliwatt de potencia).
Para realizar una medición de las pérdidas ópticas, primeramente se transmite un nivel de
luz conocido con una fuente de luz directamente a un medidor de potencia óptica sin el
enlace a medir, este nivel se considera como nivel de referencia. Luego se intercala el sistema
a medir y se mide la potencia de la señal recibida, la diferencia entre esta potencia y la de
referencia corresponde a las pérdidas del enlace.
En un medidor de potencia óptica, básicamente se convierte el valor de la corriente
generada por el fotodiodo en un valor de tensión, por medio de un amplificador. Luego, para
evitar eventuales voltajes de ruido para bajas potencias, se coloca un filtro pasa bajo, y por
último se inserta este valor en un voltímetro digital. En la figura 13.9, se observa una
construcción básica de un medidor de este tipo.
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Figura 13.9
13.3 Reflectómetro óptico de dominio del tiempo:
13.3.1 Introducción – diagrama en bloques
El reflectómetro óptico de dominio del tiempo es una herramienta muy poderosa para el
mantenimiento e instalación de un sistema de fibras ópticas.
Posterior a la instalación, todo cable de fibra óptica debe ser chequeado para corroborar
que la señal de luz inyectada por un extremo alcance en forma apropiada el otro extremo. El
parámetro más importante que se mide es la atenuación de la señal de luz a lo largo de toda la
fibra. Esta medición, como hemos visto, puede realizarse por medio de una fuente de luz y un
medidor de potencia óptica, pero de esta manera no permite obtener los siguientes datos:
• ¿Cómo están distribuidas las pérdidas?
• ¿Existen pérdidas puntuales de valor inaceptable?
• Si existen rupturas, ¿dónde están ubicadas?
Esta información puede obtenerse a través de un OTDR. Este instrumento básicamente
entrega un gráfico de nivel de señal respecto a la distancia, en donde se puede establecer la
existencia y localización de rupturas, pérdidas en empalmes, conectores, y dobladuras, y la
pérdida total del sistema. El principio de funcionamiento del mismo se basa en la transmisión
de pulsos de luz y el posterior análisis de la energía de luz reflejada debido a la dispersión de
Rayleigh, y la reflexión de Fresnel.
Una ventaja de importancia es que tanto la transmisión como recepción de la señal de luz
se encuentra en un solo instrumento, por lo tanto solo se necesita acceder desde un extremo
de la fibra a testear.
En la figura 13.10 se muestra un diagrama en bloques de un reflectómetro óptico en el
dominio del tiempo. Se inyecta un pulso de luz angosto sobre la fibra a medir, luego la
energía luminosa reflejada no penetra en el transmisor gracias a un acoplador direccional.
Este acoplador también previene que la energía luminosa muy potente del transmisor no
sobrecargue al receptor. El receptor de luz exhibe entonces la energía luminosa reflejada
como función del tiempo respecto al pulso transmitido.
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Figura 13.10
13.3.2 Medición típica
La velocidad con que se propagan los pulsos de luz es igual a la velocidad de la luz
afectada por el índice de refracción del material. Cuando por ejemplo, el pulso se encuentra
con un conector mal alineado se produce una reflexión, entonces puede evaluarse la distancia
en donde se produjo este evento:
c.t
d=
(13.10)
2.n
donde: n = índice de refracción de la fibra
c = velocidad de la luz
t = tiempo transcurrido entre el envío y recepción de la reflexión.
El la figura 13.11, se muestra una pantalla típica de un reflectómetro, en donde se evalúa
una fibra óptica. En general son rectas con pendiente negativa impuestas por la dispersión de
Rayleigh, y luego saltos que pueden ser generados por conectores, empalmes, dobladuras, o
rupturas.
Figura 13.11
Por último, cabe aclarar, que todo OTDR tiene una zona muerta en donde no puede
efectuar mediciones. Esta limitación está dada por el ancho de los pulsos transmitidos y el
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índice de refracción de la fibra. Por ejemplo, para una fibra con n =1.5, el pulso se propagaría
a la velocidad de la luz afectada por este índice, esto es, a 2x108 m/seg. En un 1 nseg el pulso
se propaga 20cm, con lo cual, si el ancho del pulso fuera del orden del nanosegundo, se
enmascaría el pulso reflejado, por lo tanto no sería capaz de detectar reflexiones dentro de
esa ‘zona muerta’.
13.4 Temas a desarrollar:
•
•
•
•
Definir dB y dBm.
¿Cómo se fabrican las fibras ópticas?
¿Cómo se logra una fuente de luz calibrada y estabilizada?
¿Qué es un ORL?¿Qué diferencias tiene frente a un OTDR?
13.5 Bibliografía:
1) 'Instrumentación Electrónica Moderna y Técnicas de Medición' de W. Cooper. Editorial
Prentice Hall 1982.
2) ‘Telecommunication Transmission Handbook’de R. Freeman. Editorial John Wiley &
Sons 1981.
3) ‘Lightwave Test and Measurement’. Reference Guide EXFO 2001.
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