PRÁCTICA 6 MEDICIÓN DE LA ATENUACIÓN POR EL MÉTODO

Sistemas de Comunicaciones Ópticas. Prácticas de Laboratorio
Parte I
PRÁCTICA 6
MEDICIÓN DE LA ATENUACIÓN POR EL MÉTODO DE
RETROESPARCIMIENTO (OTDR)
Objetivo
Aprender qué mediciones se pueden realizar con el equipo OTDR por el método de
retroesparcimiento para identificar el estado del cable de fibra óptica, es decir, medir el
coeficiente de atenuación a lo largo de una fibra óptica; pudiendo determinar la longitud
de la misma, detectar la distribución de la atenuación a lo largo de la fibra óptica por la
presencia de irregularidades ópticas y medir las pérdidas por conexiones, empalmes,
interrupciones, etc., pudiendo localizarlas por la distancia. Además, emplear el equipo
OTDR como fuente óptica para la medición del ensanchamiento de los pulsos ópticos
debido a la dispersión sufrida por la señal óptica.
Equipo
Equipo OTDR.
Carrete de cable óptico de 4 km de longitud de dos fibras ópticas multimodo de
62.5/125 μm, arreglado de un extremo con los conectores ópticos tipo ST.
Equipo Analizador de Señal Óptica.
Fibra óptica multimodo de 5 m con conectores tipo ST.
Disolvente limpiador (alcohol isopropílico o etílico).
Algodón.
Antecedentes de teoría
El equipo OTDR es una herramienta que permite la medición de la atenuación en
decibeles contra la longitud de un cable de fibra óptica, mediante un tren de pulsos
cortos y de alta potencia inyectado y detectado en el mismo extremo de la fibra. Su
nombre proviene de sus siglas en inglés: Optical Time Domain Reflectometer, es decir,
es un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo.
El funcionamiento del OTDR está basado en el esparcimiento de Rayleigh y consiste en
inyectar un pulso de luz monocromático a la fibra óptica, que ha pasado ya por un
acoplador óptico direccional en la entrada de la fibra óptica y que hará que dicho pulso
luminoso no afecte al receptor. En su trayectoria, dicho pulso sufrirá retrodifusiones
provocadas por el esparcimiento de Rayleigh en una fibra óptica regular y por
irregularidades, ondulaciones, curvaturas, empalmes, conectores, agrietamientos,
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reflexiones en el extremo final, etc., lo cual se verá reflejado al tenerse una pérdida de
potencia luminosa, es decir, se presentará una atenuación.
Finalmente, cuando el pulso regresa al equipo, incidiendo sobre el acoplador óptico
direccional, que hará que este pulso llegue al fotorreceptor donde se convertirá en una
señal eléctrica, se amplifica y se procesa para después desplegar los resultados.
Los bloques básicos de un OTDR se muestran en la figura 6.1, y son:
1. Fuente de emisión de pulsos láser;
2. Acoplador óptico direccional;
3. Conector de fibra óptica;
4. Fotorreceptor;
5. Amplificador;
6. Microprocesador;
7. Pantalla.
Figura 6.1 Bloques básicos de un equipo OTDR.
Como ya se mencionó, las mediciones se realizan en función del tiempo, por lo cual
éstas se multiplican por la velocidad de la luz en la fibra para así obtener la distancia; y
en función a la distancia, el OTDR calcula la potencia relativa de la señal retroesparcida
en estudio.
Con esta información el OTDR puede determinar:
- Atenuación del enlace
- Pérdidas por empalmes, conectores, defectos, etc.
- Longitud de la fibra
- Localización de empalmes, conectores, defectos, etc.
Para que sea más claro el uso del OTDR, se recuerdan algunos conceptos.
Se basa en el fenómeno de retroesparcimiento de Rayleigh, por lo que en cada punto
de la fibra se esparce energía en el choque de la señal de impulso con impurezas y
fluctuaciones del índice de refracción de menor tamaño que la longitud de onda en
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propagación, de la que sólo una fracción se mantiene dentro del núcleo y puede
regresar al origen de la fibra. Esta señal de regreso recibida en el origen de la fibra es
una función del tiempo, así como de la distancia respectiva del origen al impulso que se
está propagando por la fibra óptica:
Vg t ⎞ Vgτ
⎛
⎟
Pr (t ) = P0 Rα R exp(− 2αz )dz = P0 Rα R exp⎜⎜ − 2α
⎟ 2 = 0.5ERα RVg exp(− 2αz ) , (1)
2
⎝
⎠
donde:
P0
es la amplitud de la potencia del impulso de excitación,
R
es el coeficiente de potencia óptica esparcida que regresa al origen,
αR
es el coeficiente de atenuación debido al efecto Rayleigh,
α
es el coeficiente de atenuación total de la fibra óptica,
z
es la variable de distancia (z = Vgt/2),
t
es la variable de tiempo,
dz
es la longitud de la sección elemental de la fibra óptica (dz = Vgτ/2),
Vg
es la velocidad media de grupo (Vg =c/n1 ≈ 2x108 m/seg, para el cuarzo),
c
es la velocidad de la luz en el vacío,
n1
es el índice de refracción del núcleo de la fibra óptica,
τ
es la duración del impulso de excitación,
E
es la amplitud de la energía del impulso de excitación (E = P0τ).
En un instante t determinado, contado a partir de la emisión del impulso, las potencias
retroesparcidas en los puntos 1 y 2, situados a distancias respectivas z1 y z2 del origen
serán:
(2)
P1 = 0.5ERα R v g exp(− 2αz1 ) ,
P2 = 0.5ERα R v g exp(− 2αz 2 ) ,
(3)
y el coeficiente de atenuación α de la fibra óptica entre los puntos 1 y 2 valdrá:
α=
10 ⋅ log(P1 / P2 ) ⎡ dB ⎤
.
2(z 2 − z1 ) ⎢⎣ km ⎥⎦
(4)
La potencia del impulso retroesparcido está en proporción directa a la duración del
impulso de excitación. Por esto, con el aumento de la duración del impulso crece el
rango dinámico y exactitud de las medidas. Por otro lado, con el aumento de la duración
del impulso se disminuye la resolución de distancia, que es peor para la localización de
los defectos y conexiones en la fibra. Entonces existe un compromiso por la duración
del impulso de excitación para cada caso particular de medida.
Terminología básica
A continuación se mencionan algunos de los términos más comúnmente utilizados en el
análisis que se realiza con el equipo OTDR.
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Retroesparcimiento. Es la señal proveniente de la fibra misma, ocasionada por el
esparcimiento de Rayleigh, este último debido a pequeños cambios en el índice de
refracción del material, reflejándose una parte de la señal al OTDR y causando un nivel
de retroesparcimiento. Al medir este valor, el OTDR puede determinar las pérdidas
introducidas a lo largo de la fibra por los cambios en el nivel de dicho valor.
Rango dinámico. Este valor se refiere a la distancia dentro de la fibra en la que el
OTDR puede medir. Si el OTDR no tiene un rango dinámico amplio, el nivel de
retroesparcimiento alcanzará el nivel de ruido y eventos pequeños como los empalmes
por fusión pueden permanecer ocultos.
Resolución. Es la exactitud de la localización de los eventos en la fibra óptica o la
medida de longitud del segmento de fibra óptica.
Zonas muertas. Son "puntos ciegos", se le llama así a la longitud de la fibra que no
puede ser analizada debido a que las reflexiones causadas por las conexiones y
empalmes mecánicos tienden a saturar el receptor del OTDR.
Lo mejor para un OTDR sería tener una zona muerta lo más pequeña posible, para lo
cual se puede modificar el ancho del pulso emitido, lo que también afectará el rango
dinámico.
Eventos. Son fenómenos o procesos que ocurren dentro de la fibra, que modifican la
forma de propagación de la luz y que se pueden detectar. En la figura 6.2 se observa
cómo se pueden localizar algunos de estos eventos básicos cuando se grafica la
potencia retroesparcida contra la distancia del cable de fibra óptica.
Eventos reflexivos. Los conectores, empalmes mecánicos y fisuras en la fibra producen
tanto pérdidas como reflexiones. Se presentan cuando existe una discontinuidad
abrupta en el índice de refracción. Estos eventos se identifican fácilmente por un pico,
seguido de una atenuación.
Las pérdidas se determinan por la diferencia de retroesparcimiento, mientras las
reflexiones se determinan por la amplitud de la reflexión por encima del
retroesparcimiento.
Eventos no reflexivos. Los empalmes por fusión y los dobleces producen pérdidas, pero
no reflexiones, y se despliegan en la pantalla del OTDR como una caída repentina de
retroesparcimiento. También se les conoce como eventos tipo escalón.
Evento positivo. Indica una ganancia aparente, pero es debida a la unión de dos
segmentos de fibra con coeficientes de difusión de Rayleigh diferentes.
Fibra continua. Aparece cuando el rango definido es más corto que la fibra bajo prueba.
Final de prueba. Sucede cuando el ancho del pulso no tiene un rango dinámico
suficientemente grande como para llegar al final de la fibra.
Segmento de fibra. Es una región sin eventos.
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Para el desarrollo de esta práctica se utilizará un mini-OTDR de EXFO, modelo FTB230, con tarjeta de OTDR modelo 7212C/D para fibra óptica multimodo. Tiene una
pantalla de control táctil. Los parámetros principales se ajustan automáticamente.
Puede usarse con dos longitudes de onda. También cuenta con la facilidad de poder
imprimir los resultados de las pruebas. Tiene una resolución en atenuación de 0.02 dB,
una resolución en distancia de aproximadamente 1 m, un rango de distancia hasta 40
km, y zonas muertas de 5 m.
Figura 6.2 Gráfica de potencia reflejada vs distancia, en donde se observan algunos eventos
que puede presentar un cable de fibra óptica.
Desarrollo
• Medición de la atenuación y análisis de los eventos
1. Limpiar el conector de un extremo de fibra del cable óptico de 4 km de longitud con
un trozo de algodón mojado en alcohol.
2. Conectar la fibra al OTDR.
3. Configurar al OTDR en el modo experto con los parámetros adecuados: λ = 850
nm, rango = 10 km, ancho de pulso = 30 ns, tiempo = 1 minuto.
4. Obtener en la pantalla del OTDR la gráfica correspondiente a una fibra sin uniones
ni empalmes, con una longitud de 4 km.
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5. Cambiar la longitud de onda a 1300 nm y repetir el punto 4.
6. Realizar la medición de una unión preparada por la brigada que esté realizando la
práctica de empalme por fusión, con las fibras, pero sin fusión entre ellas, sólo
colocándolas de manera unida, para λ = 850 nm y λ = 1300 nm.
7. Realizar la medición de las fibras con la fusión mediante la microempalmadora para
λ = 850 nm y λ = 1300 nm, es decir, con la cooperación de la brigada que esté
realizando la práctica de empalme por fusión.
8. Realizar la medición de las fibras con la unión mediante los conectores ópticos, es
decir, con la cooperación de la brigada que esté realizando la práctica de medición
de la atenuación por el método de las pérdidas de inserción, para λ = 850 nm y λ =
1300 nm.
9. Imprimir los reportes de las mediciones realizadas con el equipo OTDR en los
puntos 6 a 8.
• Medición del ensanchamiento de los pulsos ópticos
10. Limpiar los conectores de los extremos de fibra del cable óptico de 5 m de longitud
con un trozo de algodón mojado en alcohol.
11. Conectar un extremo de la fibra al OTDR y el otro a la entrada óptica del Analizador
de Señal Óptica. No introducir completamente el conector a la entrada óptica del
Analizador ya que el pulso óptico es de alta potencia y este equipo se puede saturar
con el nivel de potencia.
12. Configurar al OTDR en el modo experto con los siguientes parámetros: λ = 850 nm,
rango = 10 km, ancho de pulso = 10 ns, tiempo = 3 minutos. Comenzar la emisión
del láser.
13. Ajustar los controles del Analizador de Señal Óptica para que el pulso ocupe la
mayor parte de la pantalla.
14. Medir el Ancho Completo a la Mitad del Máximo (este parámetro es conocido en
inglés como Full-Width at Half-Maximum - FWHM).
15. Repetir los pasos 12 a 14 pero con una longitud de onda de λ = 1300 nm.
16. Cambiar el cable de 5 m por el cable de aproximadamente 8 km (es el cable de las
fibras empalmadas por fusión de arco eléctrico, empalmadas por la brigada que
está realizando la práctica de empalme por fusión), y repetir los pasos 10 a 15.
Ahora sí se puede introducir por completo el conector a la entrada óptica del
Analizador sin que se sature este equipo.
Resultados
Además de la descripción del desarrollo de la práctica, deberá incluirse en el reporte:
1. Los reportes del OTDR de las mediciones de atenuación de las fibras ópticas
unidas antes de empalmar y las empalmadas, hechas en cooperación con la
brigada que está realizando el empalme por fusión de arco eléctrico.
2. Los reportes del OTDR de las mediciones de atenuación de las fibras ópticas
unidas por medio de los conectores ópticos, hechas en cooperación con la brigada
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3.
4.
5.
6.
7.
Parte I
que está realizando la medición de la atenuación por el método de las pérdidas de
inserción.
La descripción y análisis completo de los resultados de la medición presentados en
los reportes del OTDR, incluyendo la descripción de los eventos observados.
El coeficiente de atenuación α y el cálculo de la incertidumbre total Δα de este
coeficiente, obtenidos por el método del OTDR, de cada una de las fibras ópticas
(marcada y no marcada) empleadas en el punto 6 del desarrollo de la práctica, para
las dos longitudes de onda (850 nm y 1300nm). Para encontrar la incertidumbre Δα,
tomar en cuenta que α = A/L y que las incertidumbres de las variables son: ΔA =
0.02 dB y ΔL = (1m + 0.000025·L[m]).
La descripción teórica de un evento positivo con la propuesta de un método de
solución del problema de medición correcta de pérdidas en este caso (por medio del
mismo equipo OTDR).
Con las mediciones del ancho de los pulsos y considerando que la dispersión en la
fibra de 5 m es despreciable, calcular el tiempo que se ensanchan los pulsos por
unidad de longitud (km) a las dos longitudes de onda (850 nm y 1300 nm).
Las conclusiones generales de la práctica y sobre la incertidumbre del método de
retroesparcimiento.
Material didáctico
1. ToolBox 4.3 Software de aplicación OTDR, Manual de instrucciones, EXFO ElectroOptical Engineering Inc., 1997.
2. FTB-250 OTDR Option specifications, Model 212C/D-74, EXFO Electro-Optical
Engineering Inc., 1996.
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