I. Fibras Ópticas y Dispositivos Pasivos · Son fibras de sílice, como las que habitualmente se...

MANEJO DE LA INSTRUMENTACIÓNESPECÍFICA DEL LABORATORIO

I. Fibras Ópticas y DispositivosPasivos

En el Laboratorio de Comunicaciones Ópticas se manejan varios tipos de fibras ópticas

(FO) que a su vez vienen protegidas de diversos modos. Su manejo depende del tipo de

fibra y del recubrimiento de protección.

I.1. TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS

Se emplearán tres tipos fundamentales de FOs:

FIBRA DE PLÁSTICO (POF, PLASTIC OPTICAL FIBER). Son fibras multimodo hechas de

plástico transparente, que se utilizan en la región visible del espectro (en nuestro

caso, se usarán a 650 nm, en el rojo).Tienen una atenuación muy elevada (se mide

en dB por metro, no por kilómetro) y una dispersión muy alta. Por ello no sirven para

Comunicaciones Ópticas a larga distancia. Sí son útiles, por ejemplo, para conexiones

de pocos metros (por ejemplo, entre dos ordenadores). En el Laboratorio resultan

muy adecuadas porque tienen un núcleo muy grande (en torno a 1 mm), que las hace

ser fáciles de manipular y medir. Además son sencillas de conectorizar.

FIBRA MULTIMODO (MM, MULTIMODE). Son fibras de sílice, como las que habitualmente

se utilizan en Comunicaciones Ópticas, de 125 m ó 140 m de sección y 50, 62,5 ó

100 m de diámetro de núcleo. (Las combinaciones posibles son 50/125, 62,5/125 y

100/140.)

FIBRA MONOMODO (SM, SINGLE MODE). Son fibras de 125 m de sección total, y

núcleo entre 6 y 12 m. Están diseñadas para ser monomodo (V<2,405) a partir de

una determinada longitud de onda. Eso no garantiza que lo sean a todas las

longitudes de onda de los emisores disponibles en el laboratorio.

Laboratorio de Comunicaciones Ópticas –Dpto. Tecnología Fotónica

Intro2

I.2. RECUBRIMIENTOS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

Generalmente, las fibras ópticas que se utilizan en instalaciones reales están protegidas

por una serie de capas protectoras que las aíslan de agentes externos. Las FOs que se

emplean en el laboratorio, en ocasiones, vienen sin la mayoría de esas capas,

precisamente para permitir la manipulación de las mismas:

FIBRA DESNUDA. Dícese de aquélla que carece de recubrimientos plásticos de

protección. Estas fibras son algo más gruesas que un cabello, y llevan únicamente un

recubrimiento de silicona (azul o incoloro en nuestro caso). Se deben manipular con

cuidado, porque se rompen con facilidad. En el Laboratorio hay bobinas de fibra

desnuda de varios kilómetros de longitud, y fragmentos arrollados de algunos

metros. Las fibras de plástico del laboratorio llevan un único recubrimiento negro de

polímero, y tienen un grosor de alrededor de 2 mm.

CABLES DE FIBRA. Cuando no se necesita manipular la propia fibra, se emplean

cables, de aspecto semejante a los eléctricos, en los que las fibras están más

protegidas. Los extremos de estos cables de fibra vienen rematados con conectores.

En el Laboratorio se encuentran cables de fibra de 1-2 m (latiguillos) y carretes

que contienen desde cientos de metros a algunos kilómetros. La parte más frágil de

los cables son los conectores de los extremos.

CÓDIGOS DE COLORES. No existe un código de colores establecido para distinguir las

características de una fibra solitaria (sí los hay para cables multifibra, que son los

habituales en enlaces). Los latiguillos de fibra monomodo del Laboratorio son

habitualmente de color amarillo y los de fibra multimodo suelen ser de color naranja

o verdes. Los carretes llevan normalmente una etiqueta identificativa.

Generalmente son amarillos los monomodo y grises los multimodo. Las fibras POF

de plástico del laboratorio son azules y de color gris oscuro, casi negro. (De todos

modos, las fibras POF se reconocen de inmediato sin más que mirar la punta o el

conector).

I.3. CONEXIONES CON FIBRAS ÓPTICAS

Dentro de cualquier montaje, las fibras deben conectarse con dispositivos emisores,

detectores, o con otras fibras. Según el tipo de montaje y la permanencia que se desee

para el mismo, se utilizan distintos modos de conexionado:

LCOBM –Conceptos Básicos, Instrumentación y Manejo de Dispositivos

Intro 3

EMPALMES O SOLDADURAS DE FIBRA. Cuando se desea realizar una unión permanente

entre dos fibras, se fusionan sus extremos por medio de una máquina de soldar. Esta

operación se realiza típicamente en montajes de campo para unir carretes sucesivos.

EMPALMES PROVISIONALES. Es una variante de laboratorio en la que se enfrentan dos

fibras y se sujetan mecánicamente sobre una superficie metálica provista de una

ranura (surco en V). A veces se añade sobre el empalme una gota de líquido con el

mismo índice de refracción que las fibras, para evitar reflexiones en las interfases.

CONECTORES PROVISIONALES. Permiten conectar, de forma provisional, el extremo de

una fibra y la entrada a un dispositivo emisor o receptor. En determinados tipos de

conectores del laboratorio, también pueden utilizarse para estudiar las propiedades

del haz luminoso emergente, al facultar la manipulación del extremo de la fibra y su

colocación precisa dentro de un montaje óptico.

CONECTORES PERMANENTES. En montajes reales, son los conectores habituales para

los extremos emisor y receptor. En el Laboratorio se pueden encontrar en los

latiguillos y en los carretes de cable. Los conectores de fibra de sílice del

Laboratorio son de tipo FC. Son semejantes a los conectores BNC eléctricos, pero

tienen rosca. Son todos aéreos, del mismo género (macho), y se adaptan entre sí

por medio de pasamuros de doble rosca en los que quedan enfrentados.

I.3.1. Precauciones con los conectores

Es importante observar que los conectores FC van provistos de una lengüeta que

encaja en una ranura del pasamuros. Por lo tanto, el conector sólo encaja

correctamente en una posición. No fuerce nunca los conectores.

Una vez introducido el conector, rosque hasta el final sin forzar. En ese momento el

conector quedará correctamente posicionado.

LAS MEDIDAS REALIZADAS CON CONECTORES MAL POSICIONADOS SON

INCORRECTAS.

Para extraer un conector, desenrósquelo por completo, y sáquelo agarrándolo de la

parte metálica. En ningún caso extraiga el conector tirando del cable de fibra,

porque la partirá.


Intro4

Los conectores deben estar tapados siempre que no se encuentren en uso, para

evitar que se ensucie el extremo de la fibra. Recuerde que está manipulando luz.

Cualquier resto de suciedad en la cara del conector introducirá pérdidas en el enlace.

Los conectores de las fibras de plástico carecen de lengüeta, y se conectan por

presión, hasta escuchar un "clic". Se extraen tirando con cuidado del conector.

I.4. ACOPLADORES

Como es sabido, algunas manipulaciones que resultan muy simples con cables eléctricos

son bastante complejas en FOs. En particular, se encuentran en este grupo todas las

operaciones relacionadas con continuidad de las líneas (empalmes, uniones

provisionales) y con el encaminamiento de la señal (bifurcaciones, divisiones de señal,

inyección de señales a una misma línea, transmisión punto-multipunto). En otras

palabras, resulta más sencillo garantizar la continuidad eléctrica que la óptica.

Para poder realizar estas operaciones de

un modo sistemático, se han desarrollado

familias de elementos pasivos conocidos

con el nombre genérico de acopladores.

Los acopladores (Figura I.1) son dispositi-

vos que combinan y/o separan las señales

procedentes de una serie de FOs. Suelen

distinguirse por su número de entradas y de salidas. Así se habla de acopladores 1x2,

2x2, o en general, MxN. Si las entradas son intercambiables por las salidas (depende de

la tecnología de fabricación) se dice que los acopladores son bidireccionales. Si no es

posible, entonces son unidireccionales.

En general, se desea que el acoplador cumpla ciertos requisitos:

Cualquier señal introducida en una de las entradas debe distribuirse entre las

salidas. La distribución no ha de ser necesariamente equitativa. Por ejemplo, si en el

acoplador 2x2 de la Figura suponemos que y son las entradas, y y las

salidas, una señal introducida en debería salir por y , pero no por . Si

además sale la mitad de la señal por y otro tanto por , se dice que el acoplador

es 50/50 (también se le llama acoplador 3dB por razones obvias). Los valores más

típicos en acopladores de dos salidas son 50/50 y 90/10 (la rama 10, en este caso,

se suele emplear como muestreo).

Figura I.1. Aspecto real de un acoplador2x2 y esquema de un 2x2 y unMxN. Las asignaciones depuertas pueden variar.


Intro 5

La entrada no utilizada no debe recibir señal. La señal recibida en la otra entrada

(o las otras entradas) se considera diafonía. Precisamente, uno de los parámetros de

caracterización de los acopladores es su directividad, que viene a ser como la

capacidad de aislamiento entre diferentes entradas.

A menos que se indique expresamente, un acoplador sólo funciona correctamente

en un estrecho margen de longitudes de onda del espectro, que suele coincidir

con una de las ventanas de transmisión. Cuando un acoplador es insensible a

variaciones espectrales, se dice que tiene respuesta espectral plana o

simplemente que es un acoplador plano. En la Práctica II se experimenta con uno

de estos acopladores.

I.4.1. Parámetros de caracterización de acopladores

Pérdidas de Exceso. Es una medida de la potencia perdida en el acoplador,

comparando la potencia entregada a la entrada y la extraída por las distintas salidas:

)º(log

1

salidasnNP

P10-=P N

j

entradaexceso

{1}

Pérdidas de Inserción. Las pérdidas de inserción son un concepto más general que

el empleado aquí: son las pérdidas introducidas por la mera instalación de un

dispositivo en un sistema. En este contexto, sin embargo, se refiere sólo al canal

utilizado. Así, un acoplador puede tener unas pérdidas de inserción muy altas, si se

refieren a una salida que acople poca potencia.

usadassalidayentradajiPP10-=P

j

iinserción :,log

{2}

Relación de Acoplo. Mide la manera en que se distribuye la potencia entre las

salidas:

salidasjlasdeunaiP

P=(%)R N

j

ii

100

1

{3}


Intro6

Directividad. Potencia de una entrada que se acopla a otras. Tal como está

formulada, es tanto mejor cuanto mayor es:

ikP

P10=Dk

entradai

log {4}

I.4.2. Multiplexores por división en longitud de onda

Otro tipo de dispositivos pasivos de gran utilidad en Comunicaciones Ópticas son unos

elementos capaces de separar diferentes longitudes de onda de un canal. Pueden

considerarse un tipo especial de acopladores 1xN, en los que la potencia óptica

procedente de la única entrada se distribuye entre dos o más salidas según su longitud

de onda (ello permite enviar varias señales simultáneas por la misma fibra y separarlas a

la salida). Reciben el nombre de multiplexores por división en longitud de onda

(wavelength division multiplexer, WDM). Los dispositivos son bidireccionales, es decir,

pueden servir para separar radiación de diferentes longitudes de onda que viaja por la

misma fibra, o para combinar varias longitudes de onda en una sola salida.

Los parámetros de caracterización de los WDM son los mismos que los ya

relatados para los acopladores. Poseen además un parámetro característico, el

aislamiento, que mide la relación de potencias de diferentes longitudes de onda en

la misma salida. Así pues, es una medida del poder de separación espectral del

dispositivo.

)(P)(P

)(P)(P10=Pentrada2j

1entrada1ja

2

log {5}


Intro 7

II. Emisores

Los emisores que se utilizan en Comunicaciones Ópticas son fundamentalmente de dos

tipos: diodos emisores de luz (LED) y láseres, en particular diodos láser (LD). En el

Laboratorio se emplea para la mayoría de montajes una caja de emisores que aparece

en la Figura II.1.

II.1. MÓDULOS DE LA CAJA DE EMISORES

La caja de emisores está

formada por cuatro módulos

semejantes entre sí. Los tres

primeros contienen LEDs de

diferentes longitudes de onda, y

el cuarto lleva incorporado un

diodo láser. El interruptor

general se encuentra en la

parte trasera.

En la Figura II.2 se muestra en

detalle uno de los módulos LED.

De arriba abajo, se observan los

siguientes elementos:

Figura II.1. Esquema de la caja de emisores del Laboratorio. Los tres módulos de la izquierdacontienen LEDs, y el de la derecha es un diodo láser. Las longitudes de onda defuncionamiento están especificadas en cada módulo.

Selector defrec. modulac.

Potencialuminosa

Entrada señalmoduladora LF

Entrada señalmoduladora HF

Emisiónde luz

Encendidodel módulo

Medida decorriente

Figura II.2. Detalles de funcionamiento de un móduloemisor LED.


Intro8

Dos conectores BNC para entrada de señal moduladora.

Un conmutador para seleccionar una de las entradas anteriores (modulación digital o

analógica).

Un potenciómetro para controlar la potencia luminosa de salida del LED o LD.

(a la derecha) Un pasamuros donde se introduce el conector de fibra. En el módulo de

650 nm, el pasamuros instalado es para fibra de plástico. En los tres restantes se

encuentra un pasamuros FC. (¡Recuerde alinear la lengüeta y la ranura!).

Medida de la corriente consumida por el emisor LED. Relacionada con el

potenciómetro anterior. La medida se realiza con un polímetro, registrando la tensión

que cae en una resistencia instalada internamente que equivale a 10 .

El interruptor de encendido del módulo. Salvo indicación expresa, los módulos en

uso deben dejarse encendidos durante toda la práctica.

II.2. EL MÓDULO DEL DIODO LÁSER

En la Figura II.3 se muestra el módulo del

diodo láser. Además de los controles des-

critos en el apartado anterior, este módulo

presenta ciertos elementos adicionales. La

función de estos elementos se explica

recordando que los diodos láser comercia-

les llevan incluido un fotodetector interno

para monitorizar continuamente la

potencia de salida. Este fotodiodo se

integra en un circuito de realimentación

que puede emplearse para estabilizar la

corriente entregada al dispositivo o la

potencia luminosa de salida.

Además conviene advertir que este diodo

láser es una fuente de luz infrarroja (invisible, por tanto) de cierta potencia. Su manejo,

pues, requiere algunas precauciones que se comentan en el siguiente apartado.

Las características propias del módulo emisor LD son:

Figura II.3. Detalles de funcionamientodel módulo emisor LD.


Intro 9

El sensor de corriente incluido en los demás módulos aparece también en el módulo

LD, pero se incluye además un sensor de potencia. Esta medida procede del

fotodiodo de control interno. Así, en el módulo LD se puede monitorizar la corriente

entregada al dispositivo, y simultáneamente, de forma independiente, la potencia de

salida del láser.

En el centro del módulo se ha incluido un nuevo conmutador, etiquetado

CORRIENTE/POTENCIA. Con él se puede escoger el modo de funcionamiento del láser:

estabilización en corriente (se mantiene constante la corriente con independencia de

la potencia de salida) o estabilización en potencia (se manipula la corriente para que

la potencia, medida constantemente por el fotodiodo interno, sea constante).

II.3. PRECAUCIONES DE MANEJO DE LA CAJA DE EMISORES

Las precauciones específicas que deben observarse con la caja de emisores son dos:

Seguridad. Las conexiones etiquetadas "SALIDA FIBRA ÓPTICA" llevan inmediatamente

detrás un LED o diodo láser. En casi todos los casos se trata de luz infrarroja,

invisible al ojo. Aunque la potencia no alcanza niveles elevados, no es aconsejable

mirar a través del conector si la fuente está encendida. Esto es especialmente

importante en el caso del diodo láser, cuya luz colimada se enfoca fácilmente en la

retina. Como norma trabaje siempre con los emisores en un plano horizontal, a

una altura inferior al pecho.

Deterioro del material. No introduzca ningún objeto en los orificios de los conectores.

Tenga cuidado al ajustar los conectores FC. Localice la lengüeta y hágala coincidir

con la ranura del conector pasamuros. Al desconectar, desenrosque completamente y

tire del propio conector, no del cable de fibra.

Control de Potencia. El potenciómetro de control de potencia luminosa debe girarse

lentamente. Es especialmente importante este detalle en el control del diodo láser:

nunca gire con brusquedad este control.


Intro10

III. Generadores

La caja de generadores de señal se muestra en la Figura III.1.

Consta de tres módulos iguales. Cada uno de ellos lleva un conmutador, de 10

posiciones, que controla la frecuencia de la señal, y una pareja de BNCs para salidas de

pulsos de reloj y de datos. En la posición 10, la frecuencia del reloj es de 40 MHz. Cada

posición anterior divide la frecuencia por 2: la 9 corresponde a 20 MHz, la 8 a 10 MHz,

etcétera. La posición 1 corresponde aproximadamente a 78 kHz.

Los tres módulos son idénticos y síncronos, puesto que la señal maestra se produce en

un solo oscilador. Los datos están formados por secuencias seudoaleatorias. Se

generan con un registro de desplazamiento de 6 bits. El código es NRZ. Se puede

producir cualquier combinación excepto 000 000. La secuencia se repite al cabo de 63

bits, de los cuales 32 son '1' y 31 son '0'. El polinomio de generación hace que los bits se

distribuyan de modo que se obtenga la máxima anchura espectral: la mitad de los '1'

aparecen aislados, la cuarta parte en grupos de dos, y así sucesivamente.

Figura III.1. Caja de generadores


Intro 11

Generador de Patrones de TV


Intro12


Intro 13

IV.


Intro14

IV. DETECTORES

La caja de detectores se muestra en la Figura IV.1. Consta de tres módulos equivalentes

situados en la parte izquierda, y uno especial, etiquetado pin InGaAs que ocupa la parte

derecha.

Los tres módulos de la izquierda contienen fotodetectores a tres longitudes de

onda: 650 nm (para fibra de plástico; el conector es también POF), 820 nm y 1300 nm

(primera y segunda ventana, con conectores FC).

En cada uno de los tres módulos, por encima de los conectores de fibra se hallan dos

conectores BNC. Son salidas que permiten extraer la señal recibida por el

fotodetector correspondiente en forma analógica, o en forma digital tras pasar por un

comparador.

El conmutador situado abajo a la derecha conecta y desconecta los circuitos

comparadores. Se ha instalado para evitar que éstos introduzcan ruido cuando no

están usándose. Así pues, si el conmutador está en OFF, las salidas digitales de

los tres módulos de la izquierda estarán desactivadas.

El módulo de la derecha lleva instalado un fotodetector p-I-n con salida analógica,

preparado para poder modificar sus parámetros de funcionamiento:

A la derecha de la salida BNC existe un conmutador que permite seleccionarla resistencia de carga: 2, 10 ó 30 k.

Figura IV.1. Caja de detectores


Intro 15

La tensión de polarización se ajusta con un control giratorio (abajo), y se mideen las bornas adyacentes.

V. Medidores de Potencia ÓpticaEn todos los puestos del Laboratorio existen unas unidades portátiles, semejantes a

polímetros digitales, que se emplean para medir potencia óptica. A tal efecto, poseen en

su parte superior los correspondientes conectores o adaptadores en los que colocar las

diferentes salidas de fibra óptica. Sus características más relevantes se comentan a

continuación:

Los medidores pueden trabajar a diferentes longitudes de onda. Al realizar una

medida, deberá comprobarse que la de trabajo coincide con la del medidor. En

caso contrario la medida realizada será incorrecta. Si el medidor carece de la

longitud de onda que se está empleando, utilice la más próxima dentro de las

posibles selecciones.

Los medidores poseen escalas lineales (mW, W) y escalas logarítmicas (dBm,

dB). Preste atención a la escala que está empleando en cada caso, especialmente

si tiene que cambiar de escala para completar una serie de medidas.

Al tratarse de instrumentos portátiles, la conexión y desconexión de latiguillos de fibra

se hace especialmente delicada. El posicionamiento incorrecto de los conectores FC

en los medidores de potencia es una de las fuentes más comunes de errores de

medida. Adicionalmente, la conexión y desconexión a estos medidores es una de las

causas más frecuentes de roturas de latiguillos. Se recuerda una vez más que,

para posicionar correctamente el conector FC, debe hacerse coincidir su lengüeta con

la ranura del medidor. Para extraerlo, tire siempre del conector, no del latiguillo.

Figura IV.2. Circuito del fotodiodo p-I-n


Intro16

VI. OsciloscopioNota: Los números van referidos a la figura.

Funciones de raya continua (p.ej. VAR, junto a 24 y 28): Para activar

apretar el mando durante 2 segundos. Para desactivar realizar la misma

operación.

Funciones de raya discontinua (p.ej. CHOP, junto a 24 y 25): Apretar

simultáneamente los botones situados a ambos lados de los mandos.

Vernier: Permite seleccionar amplitudes variables. Se emplea para medir tiempos

de subida y bajada. Apretar el botón VAR del canal correspondiente (24 y 28).

Para medir tiempos de subida y bajada se recomienda:

1. utilizar el mando x10 de la base de tiempos

2. variar la posición del eje X, la pendiente y nivel de disparo hasta ver el

flanco de subida con la mayor amplitud posible en el eje de tiempos

3. ajustar la amplitud de la señal en pantalla mediante el vernier a las marcas

de trazos para poder utilizar las marcas 10% y 90%

4. usar los cursores para la medida de tiempos.

Bases de tiempos variables: Apretar botón VAR de la base de tiempos (32).

Modo digital: Apretar el botón ON/OFF de la parte superior (7). En modo

digital la base de tiempos llega hasta 2 µs/div. En modo analógico la base de

tiempos llega hasta 50 ns/div.

Ancho de banda: El ancho de banda es de 150 MHz, salvo en las escalas de

2 mV/div y 5 mV/div donde se reduce


Intro 17


Intro18

Acrónimos habituales en Comunicaciones Ópticasy específicos del Laboratorio

APD. Avalanche photodiode. Fotodiodo

con ganancia empleado en CCOO.

DBR. Distributed Bragg reflection. Diodo

láser de reducida anchura espectral

con reflectores Bragg distribuidos.

DFB. Distributed Feed-back. Diodo láser

de reducida anchura espectral con

retroalimentación distribuida.

EDFA. Erbium-Doped Fiber Amplifier.

Amplificador de fibra dopada con Erbio.

FC. Tipo de conector empleado en el

Laboratorio

FO. Fibra Óptica

Gbps. Gigabits por segundo

LCOBM. Laboratorio de Comunicacio-

nes Ópticas "Brigadier Mathé"

LD. Laser Diode –Diodo láser

LED. Light Emitting Diode – Diodo

Emisor de Luz

MM. Multimodo

OSA Optical Spectrum Analyzer.

Analizador de Espectro Óptico

OTDR Optical Time-Domain

Reflectometer. Reflectómetro Óptico

en el domino del tiempo. Instrumento

de medida y control de líneas de FO.

p-i-n O simplemente pin. Fotodiodo

empleado habitualmente en CCOO.

POF. Plastic Optical Fiber –Fibra Óptica

de Plástico

SM. Single Mode –Monomodo

SMA Tipo de conector paulatinamente

en desuso

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