Laboratorio de Sistemas de INSTRUMENTACIÓN instrumentacion 2008.pdf · Es necesario re-calibrar...

GRUPO DE INGENIERÍA FOTÓNICA UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

Adolfo Cobo García Olga Mª Conde Portilla

Fco. Javier Madruga Saavedra Jesús Mª Mirapeix Serrano

Marian Quintela Incera Antonio Quintela Incera

Marzo, 2009

Laboratorio de Sistemas de Comunicaciones Ópticas

INSTRUMENTACIÓN

PRÁCTICAS DE SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS PÁG. 73

Instrumentación para Sistemas de Comunicaciones Ópticas

Para la instalación y mantenimiento de los sistemas de comunicaciones ópticas se usan un conjunto de instrumentos que tratan de averiguar los parámetros básicos de funcionamiento de estos sistemas. La instrumentación típicamente utilizada se podría dividir en tres categorías:

• Óptica. Es la más característica y particular de estos sistemas, y se encarga de medir parámetros propios del segmento óptico del sistema, desde la salida óptica del transmisor hasta la entrada óptica del receptor. Los instrumentos más utilizados son el medidor de potencia óptica (MPO), el analizador de espectros ópticos (OSA, Optical Spectrum Analyzer) y el Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo (OTDR).

• Electrónica. Se encarga de caracterizar la parte electrónica del sistema, es decir, el transmisor y el receptor. El instrumento más utilizado es el osciloscopio. También puede ser necesario disponer de una señal de prueba para transmitir. En sistema analógicos, se emplean generadores sinusoidales, mientras que para sistemas digitales es habitual inyectar secuencias de unos y ceros, con la codificación adecuada (RZ o NRZ), y con secuenciación aleatoria.

• De comunicaciones. Se encarga de caracterizar el sistema de extremo a extremo, estimando parámetros propios de cualquier sistema de comunicaciones sin importar su tecnología, usualmente de “alto nivel” y más relacionados con aspectos telemáticos: errores de transmisión, eficiencia de protocolos, etc. En comunicaciones ópticas digitales, el más utilizado es el medidor de tasa de error de bit (BERT, Bit Error Ratio Tester).


En la figura anterior se muestra un ejemplo de sistema WDM con dos canales independientes. La parte óptica incluye el canal de fibra óptica, acopladores y filtros ópticos. La parte electrónica consistiría en dos transmisores y receptores. Debe tenerse en cuenta que la frontera entre ambos “mundos” está en la fuente de luz y en el fotodiodo, respectivamente: la fuente de luz tiene una conexión eléctrica (ánodo y cátodo) y una salida luminosa, mientras que el fotodiodo produce una corriente (eléctrica) a su salida, en respuesta a una señal luminosa.

La instrumentación de comunicaciones (caracterización extremo a extremo) considera la entrada y salida de señales digitales o analógicas, sin importar la tecnología de transmisión. Los instrumentos de caracterización de extremo a extremo son aplicables a casi cualquier sistema de comunicación (por radio, fibra, cable eléctrico, …)

Medidor de Potencia Óptica (MPO)

Proporciona el valor de potencia óptica media que recibe en su entrada óptica. Se utiliza para comprobar los niveles de potencia óptica que genera un transmisor, o en diferentes puntos del canal de fibra óptica.

Todos los MPOs presentan dos peculiaridades que hay que tener en cuenta antes de su utilización:

1. Es necesario especificar al instrumento la longitud de onda de luz que reciben, ya que debe calibrarse la respuesta (responsividad) del fotodiodo interno que incorporan. Si la longitud de onda indicada no es la correcta, la medida será también incorrecta.

2. Es necesario re-calibrar periódicamente su amplificador interno, ya que factores ambientales o el propio envejecimiento de los componentes afectan a la media. Se debe este “ajuste del offset” o “ajuste del cero” al manos una vez al día, antes de realizar la primera medida. Durante el procedimiento de ajuste, la entrada óptica debe estar totalmente tapada y sin recibir radiación luminosa.


Analizador de Espectros Ópticos (OSA)

Realiza un análisis del contenido espectral (las “lambdas”) que contiene la radiación luminosa que recibe en su entrada. En su pantalla se muestra un gráfico, el eje horizontal es la longitud de onda (en nm típicamente) y el eje vertical es la cantidad de radiación a cada longitud de onda. Estrictamente, el eje vertical debe estar calibrado en unidades de “densidad espectral de potencia”, por ejemplo, uW/nm, si bien es habitual que el eje no esté calibrado (unidades arbitrarias) o lo esté en términos de potencia óptica directamente (uW, mW, dBm, …)

Es útil para comprobar el espectro de las fuentes de luz, los canales de un sistema WDM, o cómo varía la atenuación de una fibra óptica o un dispositivo óptico en función de la longitud de onda.

En éste último caso, se necesita una fuente de luz que genere todas las longitudes de onda a las que se quiere comprobar la atenuación de la fibra o el dispositivo. A una fuente de luz que genere una gran variedad de “lambdas” simultáneamente se le denomina “fuente de luz blanca”. El ejemplo típico es una bombilla convencional: genera longitudes de onda en todo el rango visible (desde el violeta hasta el rojo) e incluso en el infrarrojo. Si la luz “blanca” se hace pasar por el dispositivo o fibra a analizar, el análisis espectral a la salida nos dirá qué longitudes de onda se han atenuado más o menos.

Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo (OTDR)

Es un instrumento complejo que incorpora una única entrada/salida óptica, a la que se conecta un canal de fibra óptica. Inicialmente, el instrumento “lanza” un pulso de luz estrecho y de gran intensidad al canal de fibra, que viaja a través del mismo. Nada más lanzar el pulso, el instrumento, mediante un fotodiodo, pasa a medir la evolución temporal de la radiación óptica devuelta hacia atrás por el canal y que se introduce hacia el instrumento. Esta radiación se debe a diferentes fenómenos a lo largo del canal que devuelven luz hacia atrás, típicamente, los cambios bruscos de índice de refracción (interfase fibra-aire o aire-fibra al final o principio del canal, reflexión de Fresnel) o bien la luz retro-esparcida –scattering- de Rayleigh).

En la pantalla se muestra un gráfico, en el eje horizontal la distancia, y en el vertical de luz recibida en cada punto. La distancia es posible saberla a través de la velocidad de propagación del pulso de luz por la fibra. La forma de la gráfica, analizada por el usuario, permite determinar el coeficiente de atenuación de la fibra, la posición de conexiones ópticas y fusiones, posibles roturas y su posición, la longitud total del canal, etc.

Osciloscopio

Por su capacidad para visualizar señales eléctricas en el dominio del tiempo, se emplea para estimar diversos parámetros de las señales de entrada (al transmisor) o salida (del receptor) del sistema, por ejemplo, la amplitud pico a pico, valor medio, distorsión, etc. Una medida habitual es el cálculo de la frecuencia máxima de funcionamiento del sistema a partir del tiempo de subida o bajada de los flancos.


Medidor de la tasa de error de bit (BERT)

Es un instrumento de utilidad para cualquier sistema de comunicaciones digital. Presenta una salida con secuencia pseudoaleatoria de unos y ceros, que se inyectan en el sistema a través de su transmisor. Por otro lado, presenta una entrada que recoge los unos y ceros recibidos al final del sistema, a la salida del receptor. Comparando el valor enviado (uno o cero) con la señal recibida en cada momento, se puede detectar los “errores de bit”, es decir, bits que el sistema interpreta equivocadamente debido a que la señal es muy débil (atenuación) o está distorsionada (dispersión). El instrumento incorpora un simple contador que va indicando los bits transmitidos, los erróneos, y el cociente entre ambas magnitudes, que es precisamente la tasa de error de bit (BER).


Fusionadora Fujikura FSM-01SU

Se trata de una máquina poco automatizada y ya anticuada, pero que es capaz de realizar correctamente la soldadura entre dos fibras ópticas multimodo. Después de accionar el interruptor principal (rojo ←), se enciende la luz que permite observar la soldadura por el visor (interruptor verde ↑) y se coloca en modo automático (interruptor blanco →). El mando “AC Adjust” ↓ regula la intensidad del arco eléctrico que produce el calentamiento y su valor depende del tipo y fabricante de cada fibra óptica en particular.


Antes de posicionar la fibra, hay que regular los carriles laterales a la posición media, para tener más margen de maniobra. Los tramos de fibra se posicionan sobre los surcos en “V” mientras se observa a través del visor, de forma que los dos extremos queden lo más próximos posibles. Con los mandos se mueven los carriles laterales hasta que los extremo se encuentren en el centro del campo de visión y separados algunas micras. La fusión se produce pulsando simultáneamente los botones laterales “Arc” durante el tiempo suficiente. La duración exacta del arco eléctrico es calculada por la máquina.

Si la soldadura realizada es correcta, no debe distinguirse a simple vista la separación de los dos tramos a través del visor.


Fusionadora Fujikura FSM-05R

Se trata de una fusionadora portátil con alimentación a baterías. Los parámetros de fusionado (potencia del arco eléctrico, tiempo de fusión, tiempo de pre-fusión y posicionado) son programables. Esta preparada para soldar cables “ribbon” mediante 4 canales paralelos separados la distancia normalizada.

El proceso de fusión es como sigue: En primer lugar, se pulsa en botón “power-on” ← para inicializar la máquina. Se ajustan los dos mandos laterales de posicionado manual (in-out) ↑ en su posición media para aumentar el margen de maniobra de estos posicionadores. Se levanta el visor y los “cepos” → y se posicionan los dos tramos de fibra sobre dos surcos en


“V” enfrentados, cerrando los cepos con mucho cuidado para evitar la rotura de la fibra. Observando por el visor, se posicionan las fibras de forma que sus extremos estén separados una raya.

A continuación se pulsa en botón “Clean/Rearc” ° una vez para realizar la pre-fusión y el botón “Splice” ↓ para la soldadura en si. Este proceso puede tardar varios segundos dependiendo de los parámetros de fusionado. Un pitido indica la finalización del proceso. Pulsando el botón “Clean/Rearc” ° se provoca una re-fusión. Antes de extraer las fibras, debe levantarse el visor y la máquina desplazará ligeramente las fibras para comprobar la calidad mecánica del empalme.


Fusionadora Ericcson FSU-850

Es una máquina automática con todos los parámetros programables (hasta 3 tiempos e

intensidades de fusión) y que permite almacenar múltiples programas para distintos tipos de fibra. Presenta la ventaja de sujetar la fibra mediante una bomba de vacío, lo que aumenta la facilidad de uso.

Secuencia de empleo: pulsar el botón “On/Off” ← y a continuación “yes”. Verificar en la pantalla que el número de programa es adecuado a la fibra que se va soldar (el programa nº 1 es el más apropiado para fibras estándares de telecomunicación). Pulsar el botón “VAC” ↑ y desplazar el cierre de seguridad ° (hacia abajo en la fotografía anterior) de forma que sean visibles los dos electrodos. Los extremos de fibra se posicionan sobre los surcos laterales, debiendo quedar la fibra “pegada” a los mismos gracias al efecto del vacío creado. Observando a través del visor, debe ser posible ver los dos extremos de las fibras ópticas, enfrentados y cercanos entre si.

Cerrando la tapa de seguridad ° (hacia arriba en la fotografía), es posible mover la fibra derecha utilizando las flechas → hasta que ambos extremos estén prácticamente juntos y perfectamente enfrentados. Una vez conseguido el alineamiento, es necesario repetirlo en


otro plano. Para ello, pulsar el botón “Left” y realizar de nuevo el ajuste anterior. La distancia óptima entre las fibras depende del programa seleccionado, pero usualmente debe ser de unas pocas micras, debiendo estar los extremos de las fibras prácticamente juntos.

Cuando las fibras estén bien posicionadas, pulsar los botones “Enable” ↓ durante el tiempo suficiente para realizar las operaciones de pre-fusión, fusión y re-fusión consecutivamente. Para realizar una nueva soldadura, pulsar el botón “Enter”.


Fusionadora Sumitomo Type-35

Se trata de un fusionadora de fibra totalmente automatizada, pensada para la instalación en campo de tendidos de fibra óptica. Se caracteriza por la facilidad de uso y la poca duración del ciclo de fusionado, que permite disminuir los tiempos de instalación del cable. Esta máquina realiza automáticamente el posicionado de las fibras y la fusión, proporcionando además una estimación de las pérdidas del empalme. Para ello, se basa en la captura del proceso mediante una cámara de vídeo y el posterior tratamiento de la imagen.

Para realizar una fusión, poner el botón de encendido (a la derecha) en la posición “AC”←. Levantar la pantalla de vídeo y colocar las fibras en los surcos, de forma que queden a 1 mm de distancia de los electrodos. Cerrar nuevamente la tapa y asegurarse de que la máquina esta configurada para la fibra adecuada (SM para monomodo estándar de telecomunicación y MM para fibra multimodo). Basta pulsar el botón verde “SET” ↑ para que la máquina realice el proceso. Al final del mismo, indicará las pérdidas estimadas del empalme.


Breve introducción a OptiSystem®

El software de simulación OptiSystem de Optiwave (www.optiwave.com) permite la simulación de sistemas de comunicaciones por fibra óptica a nivel de capa física, incorpo-rando una amplia librería de componentes (transmisores, fibras, receptores, amplificadores ópticos, …). Incluye igualmente instrumentos virtuales, como osciloscopios, analizadores de espectros ópticos y eléctricos, o diagramas de ojo; aunque su principal instrumento virtual es un estimador de la tasa de error de bit (BER), parámetro de calidad básico en los siste-mas de transmisión digital.

Otras herramientas disponibles, como simulaciones automáticas para diferentes valo-res de un parámetro cualquiera, o un algoritmo de optimización que es capaz de encontrar la configuración óptima del sistema, permite comprobar de forma rápida y sencilla cómo son afectadas sus prestaciones al modificar los diferentes parámetros de diseño: compo-nentes, longitud de onda de trabajo, potencia del transmisor, esquema de modulación,

Entorno de trabajo

OptiSystem se presenta al usuario como un espacio de trabajo en blanco donde se si-túan bloques que representan los componentes del sistema y que se obtienen de una libre-ría de componentes. Éstos disponen de entradas y salidas (ópticas o eléctricas, según el caso), que se interconectan con “cables” de acuerdo al flujo de la señal en el sistema.

La figura 1 muestra un aspecto general del interface gráfico del programa, en el que se está simulando un sistema MI-DD simple. Puede verse el área de trabajo (Layout) y a su izquierda, la ventana con la librería de componentes (Component Library). En la figura mostrada se está simulando un sistema que incluye (de izquierda a derecha): un generador de secuencia de bits pseudos-aleatoria, un modulador NRZ, una fuente de luz tipo láser, un atenuador variable –que simula el comportamiento de un canal de fibra de diferente ate-nuación-, un fotodiodo PIN como receptor y un filtro paso bajo eléctrico para limitar el ancho de banda de ruido. Puede verse también como se han interconectado los elementos mediante “cables”. Junto a los componentes que forman el sistema se incluyen varios ins-trumentos virtuales que permiten observar las señales: un analizador de espectros ópticos, un osciloscopio y un estimador de la tasa de error (BER analyzer).


Operaciones más comunes

Abrir y guardar un sistema

El sistema simulado puede ser guardado en disco y recuperado de nuevo. Son las op-ciones del menú File -> Save y File -> Open respectivamente. Hay que tener en cuenta que los resultados de la simulación se guardan también en el archivo, pero para poder verlos tras cargar el archivo, es necesario re-calcular los visualizadores (instrumen-tos virtuales) con la opción File->Calculate visualizers.

Modificar los parámetros globales de una simulación

La gran mayoría de parámetros que debe modificarse al simular son los propios de cada componente: eficiencia de un láser, responsividad de un fotodiodo PIN, longitud de la fibra óptica, etc. Sin embargo, existen un parámetros “globales” que definen cómo se rea-liza la simulación, y que deben ajustarse correctamente para que los resultados obtenidos sean válidos.

Para que la simulación sea correcta, debe fijarse una “ventana de simulación” ade-cuada, es decir, una banda frecuencial alrededor de la portadora óptica suficientemente grande como para que todas las señales (y ruidos) presentes en el sistema estén contenidos en ella. Si la elección de parámetros es errónea, la precisión de los resultados queda com-

Fig. 1. Entorno de trabajo del simu-lador OptiSystem.


prometida. Debido a que el simulador trabaja fundamentalmente con señales y modelos en el dominio del tiempo, éste debe muestrear la señal para poder representarla y procesarla. La frecuencia a la que se realiza este muestreo de la señal tiene por tanto una influencia decisiva en el contenido frecuencial permitido, y por tanto en la ventana de simulación. La anchura de esta ventana se define indirectamente fijando uno ó varios de los siguientes parámetros globales de simulación:

• La tasa de bit (bit rate) o régimen binario, en bits por segundp (bps). Por defecto vale 2,5Gbps.

• La frecuencia de muestreo (en Hertzios).

• La ventana temporal (Time Windows), que es el intervalo temporal que dura la simulación.

• El número de bits transmitidos (Sequence Length).

• El número de muestras por bit (Samples per bit).

• El número total de muestras (Number of samples).

Estos parámetros se modifican con la ventana de Global Parameters a la que se accede haciendo doble clic sobre el fondo del layout sobre el que se dibuja el sistema; o

bien a través del menú Layout->Parameters. La figura 2 muestra esta ventana.

Como el régimen binario es un requerimiento que no puede cambiarse, lo más ade-cuado en la mayoría de los supuestos es especificar la tasa de bits en el campo Bit rate,

Fig. 2. Ventana de parámetros globales.


y como valor del parámetro Simulation Windows especificar la opción “Set bit ra-te”. De esta forma el resto de parámetros se ajustan para obtener una ventana adecuada para el régimen binario especificado.

Como todos ellos están relacionados (por ejemplo, el número total de muestras es el número de muestras por bit, multiplicado por el número de bits transmitidos), al modificar alguno de estos parámetros, es posible que otros se modifiquen automáticamente. Si que-remos que el régimen binario sea siempre el fijado por nosotros (por ser un requisito por el diseño) y no se cambie automáticamente por el simulador para ajustar la ventana, debe estar activada además la opción referenced bit rate (lo está por defecto).

Hay que tener en cuenta que en algunos casos la ventana de simulación calculada au-tomáticamente a partir del régimen binario no es adecuada. Típicamente, ocurrirá con fuentes de luz de gran anchura espectral (LEDs y con algunos láseres FP), o con el ruido óptico ASE generador por los amplificadores ópticos.

Modificar los parámetros de un componente

Haciendo doble click sobre el icono de un componente es posible acceder a sus pará-metros internos. Éstos dependerán del tipo de componente. Por ejemplo, para un láser, se puede especificar la potencia media, la longitud de onda de emisión, la anchura espectral, la relación de extinción, etc. Para una fibra óptica, su constante de atenuación, su pará-metro de dispersión, etc.

Un ejemplo de parámetros para el fotodiodo PIN se muestra en la figura 3. Es posible que algún parámetro aparezca de color gris y no se pueda modificar: esto significa que su valor depende de otros parámetros, típicamente, un parámetro global como el régimen binario, y no se posible modificarlo arbitrariamente.

Fig. 3. Ventana de parámetros de un fotodiodo PIN.


Construir un sistema

Sobre el Layout vacío, se irán colocando los diferentes componentes que forman el sistema, además de los instrumentos virtuales. Los componentes están disponibles en la ventana de librerías de componentes (Component Library) de la izquierda, dentro de la carpeta Default. Los iconos que representan los componentes se deben arrastrar con el ratón y soltar sobre el área del Layout. Los instrumentos virtuales se encuentran en la car-peta de Visualizers Library.

La unión de los componentes entre sí se realiza mediante “cables”, pinchando sobre una entrada o salida de un componente, se arrastrará el ratón hasta la entrada/salida con la que se quiere unir. El camino concreto que sigue un cable es elegido por el propio simu-lador. Los componentes, una vez colocados, pueden moverse fácilmente sobre el Layout, ajustándose automáticamente el cableado. Tanto los componentes como los cables pueden borrarse con la tecla Supr.

A la hora de unir los componentes, debe prestarse atención a que el tipo de entrada o salida del componente sea correcta. El simulador dispone de tres tipos de señales:

• Binaria: es una secuencia de unos y ceros “abstractos”, sin amplitud, ni forma de onda, ni ruido, etc. Representa típicamente la señal a transmitir.

• Eléctrica: es una señal en el dominio eléctrico, con su forma de onda, ampli-tud, ruido, etc.

• Óptica: es una señal en el dominio óptico, alrededor de una portadora gene-rada por una fuente de luz.

Fig. 4. Ventana de Layout con un sistema sen-cillo.


No es posible interconectar señales de diferente tipo entre sí, sino que el correspon-diente componente debe realizar la “translación”. Por ejemplo, un modulador NRZ traduce una señal binaria en otra eléctrica; un láser traduce la señal eléctrica en una óptica, y un fotodiodo realiza el proceso contrario, etc. La figura número 4 muestra un ejemplo de sis-tema sencillo: incluye, de izquierda a derecha, una fuente de bits, un modulador de canal NRZ, una fuente tipo LED y un analizador de espectros ópticos para observar el espectro de la fuente.

Simulación del sistema

Se deberá escoger la opción File->Calculate o pinchar sobre el icono . Se desplegará la ventana de simulación, que se muestra en la figura número 5.

Los botones disponibles permiten:

Iniciar la simulación

Pararla en cualquier momento

Cerrar la ventana

Fig. 5. Ventana de simulación.


Análisis de resultados

Los resultados de la simulación son las señales recogidas por los diferentes instru-mentos virtuales, particularmente, por el analizador de tasa de error (BER analyzer) que permite estimar la tasa de error del sistema, y por tanto su calidad.

Para ver la “pantalla” de un instrumento virtual, hay que hacer doble click sobre su icono. Pulsando con el botón derecho del ratón sobre la imagen mostrada, es posible acce-der a funciones de zoom, pan, etc.

Librería de instrumentos virtuales

Se enumeran y comentan brevemente los instrumentos (Visualizers) más comunes:

Medidor de potencia óptica (Power Meter Visualizer). Muestra la potencia óptica media (tanto en dBm como en Wa-tios) de la señal en su entrada.

Analizador de espectros ópticos (Optical Spectrum Analy-zer). Muestra el espectro de la señal óptica aplicada a su en-trada, en términos de longitud de onda o de frecuencia óptica .

Osciloscopio (Osciloscope Visualizer). Es un osciloscopio convencional, que muestra la señal eléctrica en el dominio del tiempo.

Fig. 6. Pantalla de un instru-mento virtual, en este caso, un analizador de BER mos-trando el dia-grama de ojo.


Analizador de espectros eléctricos (RF Spectrum Analy-zer). Muestra el contenido frecuencial de la señal eléctrica aplicada a su entrada.

Analizador de diagrama de ojo (Eye Diagram Analyzer). Muestra el diagrama de ojo. Para su correcto funcionamiento necesita tres señales: la señal binaria a transmitir, la señal eléctrica a transmitir, y la señal eléctrica recibida.

Analizador de tasa de error (BER Analyzer). Estima la tasa de error de la señal recibida a partir del análisis de su diagra-ma de ojo. Como el instrumento anterior, necesita tres seña-les: la señal binaria y la señal eléctrica a transmitir, y la señal eléctrica a la salida del receptor.

Librería de componentes

A continuación se muestran los componentes más utilizados, disponibles en la venta-na de librería de componentes (Component Library).

Generador de secuencia de bits pseudos-aleatoria (Pseudo-random bit sequence generador). Este com-ponente genera una señal binaria de unos y ceros alea-torios. Esta secuencia es la más empleada para com-probar las prestaciones de un sistema, pues el tráfico de datos real tiene un carácter casi aleatorio. Téngase en cuenta que esta señal binaria no puede aplicarse directamente a un transmisor o fuente de luz, debe convertirse antes a una señal eléctrica con la modula-ción adecuada (RZ, NRZ, …)

Generador de pulsos NRZ (NRZ pulse generador). Con-vierte una señal binaria de unos y ceros en una señal eléctrica con modulación NRZ.

Generador de pulsos RZ (RZ pulse generador). Convier-te una señal binaria de unos y ceros en una señal eléc-trica con modulación RZ.

Láser de onda continua (Continuos Wave Laser). Simu-la una fuente de luz tipo láser sin posibilidad de modu-lación directa.

LED. Simula una fuente de luz tipo LED de gran anchu-ra espectral.


Láser basado en medidas con modulación directa (Di-rectly modulated laser measured). Se trata de un componente que simula un láser, que puede ser modu-lado directamente por una señal eléctrica. Además, los parámetros del modelo pueden obtenerse fácil-mente a partir de medidas de un dispositivo real, lo que facilita el modelado de dispositivos comerciales concretos (es decir, se especifican parámetros como la potencia óptica emitida a una determinada corriente de inyección o la anchura espectral, en lugar de pará-metros tales como la eficiencia cuántica diferencial o la longitud de la cavidad, que están relacionados pero son difíciles de conocer.

Modulador de electro-absorción (Electroabsorption modulator). Es un dispositivo que modula la señal óp-tica a base de modificar la absorción óptica de un ma-terial de acuerdo a una entrada eléctrica de control (la señal a transmitir).

Modulador Mach-Zehnder (Mach-Zehnder modulator). Es un dispositivo que modula la señal óptica mediante interferencias controladas de la señal óptica consigo misma, de acuerdo a una entrada eléctrica de control (la señal a transmitir).

Fibra óptica (Optical fiber). Es el modelo general de fibra óptica trabajando en régimen monomodo, que incluye los efectos de atenuación, dispersión y no li-nealidades.

Fibra óptica multimodo (Linear multimode fiber). Es el modelo de una fibra óptica trabajando en régimen fuertemente multimodo, que se caracteriza funda-mentalmente por su anchura de banda modal (Modal bandwidth), es decir, su producto ancho de banda por longitud.

Amplificador de fibra dopada con Erbio (Erbium-doped fiber amplifier EDFA). Dispositivo que amplifica la luz a su entrada, en la zona de tercera ventana.

Amplificador óptico semiconductor basado en ondas progresivas (travelling wave semiconductor optical amplifier). Dispositivo que amplifica la luz a su entra-da, en un rango de longitudes de onda dependiente del material en el que se basa.

Amplificador de transimpedancia (Transimpedance amplifier TIA). Es el componente eléctrico básico de un receptor: convierte la fotocorriente generada por el fotodiodo en una tensión proporcional. Tiene por tanto una entrada y salida eléctricas.


Atenuador óptico (Optical atenuador). Permite ate-nuar una señal óptica.

Acoplador divisor 1x2 (power splitter 1x2). Es un aco-plador óptico de una entrada y dos salidas, para dividir la señal óptica que sale de una fibra en dos caminos diferentes.

Acoplador combinador 2x1 (power combiner 2x1). Es un acoplador óptico de dos entradas y una salida, para combinar la señal óptica de dos fibras en una única fibra óptica de salida.

Fotodetector PIN (Photodetector PIN). Simula un foto-diodo PIN, caracterizado fundamentalmente por su responsividad y corriente de oscuridad.

Fotodetector APD (Photodetector APD). Simula un fo-todiodo APD, caracterizado fundamentalmente por su ganancia, responsividad y corriente de oscuridad.


Medidor de Potencia Óptica ML9002A

El medidor de potencia óptica portátil ML9002A de Anritsu esta diseñado para monitorizar la potencia óptica al final de un cable de fibra óptica en un rango de entre –70 a +10 dBm, es decir, desde menos de 1 nW hasta 10 mW, y con capacidad para detectar luz tanto en el rango visible como en las tres ventanas de transmisión de la fibra óptica. La medida se muestra de forma digital, con cambio de escala automático, y puede elegirse su lectura en dBm o en Watios.

La conexión de la fibra óptica al medidor acepta conectores tipo FC/PC, SMA o Plug-in, mediante adaptadores. El interruptor situado en el módulo receptor permite seleccionar la longitud de onda de medida. Nótese que este interruptor no permite filtrar la longitud de onda indicada de la luz recibida, simplemente modifica la calibración del medidor para ajustarse a la longitud de onda central de la señal a medir.


Opcionalmente, es posible incorporar al instrumento un módulo emisor , basado en diodo LED. Hay disponibles emisores de diferentes longitudes de onda, que permiten verificar, por ejemplo, la continuidad de un canal de fibra óptica, medir la atenuación de un componente óptico, etc.

A la derecha del instrumento se encuentran dos interruptores: el de encendido “On/Off” y el que permite elegir la unidad de la medida, “dBm/Watts”. El medidor se apaga automáticamente tras 5 minutos de inactividad. A la izquierda hay dos conectores: uno es la conexión a un alimentador externo, mientras que el otro proporciona una tensión proporcional a la potencia óptica detectada (1 Voltio a fondo de escala).

El resto de botones realizan las siguientes funciones:

“Shift” Permite acceder a las funciones señaladas en azul, como “Offset”.

“Opt Out” Activa/desactiva la fuente de luz en el módulo emisor opcional.

“Rel” Realiza medidas relativas respecto a la medida actual. Muy útil para estimar pérdidas de dispositivos.

“Offset” Realiza una recalibración del instrumento. Debe realizarse sin potencia óptica en el módulo receptor. Puede ser necesario realizar la calibración antes del uso si se va a trabajar con potencias ópticas pequeñas, del orden de nW.

“Mod” Permite modular con una señal cuadrada de 270 o 1000 Hz la luz emitida por el módulo emisor. Igualmente, la señal recibida es filtrada a estas frecuencias. Esta posibilidad de modulación es útil para aislar la medida de luz interferente, como puede ser la luz ambiente o el ruido óptico de 50 Hz emitido por un tubo fluorescente, por ejemplo.

“Avg” Realiza un promediado de la medida de la potencia óptica, ayudando a eliminar las pequeñas oscilaciones de nivel que dificultan la medida.


OTDR Tektronics OF151

El O.T.D.R. Tektronics OF151 es un instrumento para la segunda ventana de transmisión (λ = 1330 nm) que permite calcular distancias y pérdidas de forma manual sobre la traza empleando cursores móviles y una pantalla LCD donde indica la lectura.

Se enciende tirando del mando “POWER”, y se puede utilizar al cabo de unos segundos, después de un tiempo de calentamiento y re-calibración. A la izquierda de la pantalla están los pulsadores para configurar la medida. Con “FILTER” se elige el nivel de promediado. El modo “SLOW” es el más lento pero ayuda a eliminar el ruido en la traza. Con el conmutador “PULSE” se elige la anchura del pulso, ancho para grandes distancias/poca resolución y estrecho para pequeñas distancias/alta resolución. La traza se adquiere pulsando el botón “SWEEP”.

Para tomar medidas sobre la traza, el instrumento tiene dos modos de funcionamiento: Distancias y Pérdidas, modos que se seleccionan con el conmutador “READOUT MODE”. En el modo de distancias, aparece un cursor vertical en la pantalla que se puede desplazar con el mando del cursor (“ POSITION”). La escala horizontal puede

Promediado: Fast-Medium-Slow

Longitud del pulso: Long-Short

LecturaEscala Vertical: 2 ó 10 dB/div

Escala Horizontal en metros/div. Pulsar para adquirir

una traza

Conexión Óptica

Distancia/Pérdidas

CURSOR


seleccionarse desde 5 hasta 5000 metros/división. La distancia en metros se lee directamente sobre la pantalla LCD de la esquina superior derecha. El modo de pérdidas, el cursor es horizontal y puede desplazarse igualmente con el mando “ POSITION”. Solo hay dos posibles escalas (2 y 10 dB/división) y las medidas deben leerse sobre la pantalla LCD y no sobre la traza. Hay que tener en cuenta que la medida de pérdidas es siempre relativa, y la traza puede desplazarse en vertical a cualquier posición (para tomar un punto de referencia) mediante el mando “ POSITION”.


Espectrómetro S2000 de OCEAN OPTICS

Este instrumento permite analizar el contenido espectral de la luz que recibe a través de un conector SMA para fibra óptica. Este espectrómetro se basa en una red de difracción (o grating) fija, que recibe la luz a través del conector óptico SMA e incorpora una rendija (slit) de 50 um de ancho. La luz es dispersada por el grating sobre un CCD lineal de silicio, con 2048 elementos, que recogen la luz a las diferentes longitudes de onda dispersadas por la red de difracción.

Fig. 1. Principio de funcionamiento de un analizador de espectros ópticos basado en red de difracción.

El rayo de luz que atraviesa la rendija incide sobre el grating, que lo refleja hacia el detector CCD lineal de 2048 elementos. El poder de difracción del grating hace que las diferentes longitudes de onda que componen el espectro de la luz que le llega sean reflejadas en direcciones diferentes, incidiendo sobre una zona u otra del CCD. La posición del grating respecto del CCD y su tipo se configuran a medida por el fabricante, en función del rango espectral que se quiera observar. En este caso, se ha elegido medir entre 332 y 1015 nm, longitudes de onda que se reparten entre los 2048 elementos fotosensibles (“pixeles”) del CCD. La luz con longitud de onda de 332 nm incide sobre el elemento #0 y la luz con longitud de onda de 1015 nm incide sobre el elemento #2047. Haciendo un sencillo cálculo se obtiene que cada pixel recoge fotones en un rango de 0,33 nm, aunque la resolución final del instrumento es peor (en torno a ~1 nm) debido a la dimensión finita de la rendija de entrada. Este espectrómetro no puede trabajar en segunda o tercera ventana porque el CCD está fabricado en Silicio, cuya longitud de onda de corte está alrededor de 1100 nm.

Cada “pixel” se encarga de recoger los fotones correspondientes a su longitud de onda, acumulando fotones durante un tiempo predeterminado, que se conoce como

CCD

Grating


“tiempo de integración”. Finalizado el tiempo de integración, se mide y digitaliza la carga eléctrica en cada pixel, que es proporcional al número de fotones recogidos durante ese periodo. La carga acumulada por cada pixel se digitaliza con 12 bits de resolución, obteniéndose 4096 posibles valores entre 0 y 4095. La intensidad luminosa para cada longitud de onda es mostrada por el espectrómetro en estas unidades, llamadas “cuentas”. Para fuentes de luz débiles, es necesario aumentar el tiempo de integración, para acumular más cuentas. Por el contrario, el período de integración para las fuentes intensas debe ser pequeño para evitar la saturación de cada pixel (la carga acumulada supera el máximo de 4096 cuentas y la medida queda invalidada).

Este espectrómetro muestra el eje horizontal de longitudes de onda en nanometros, pero el eje vertical está en cuentas y debe ser convertida a mano a unidades de potencia óptica si se necesita conocer el valor absoluto de la intensidad luminosa. Para medidas relativas (por ejemplo, medidas de la anchura espectral) se puede trabajar directamente en cuentas.

Como en todos los procesos de medida, el ruido presente en la luz dificulta su análisis espectral. El espectrómetro incorpora dos mecanismos para minimizar los efectos del ruido. Por un lado, es posible realizar el promedidado de varias medidas consecutivas y mostrar en pantalla el espectro “promedio” entre ellas. Por otro lado, también es posible “suavizar” el espectro mediante el promediado entre los valores de varios píxels vecinos.

El espectrómetro es controlado por un programa basado en Windows cuya pantalla principal se muestra a continuación:

Fig. 2. Pantalla principal del software de control del espectrómetro.

Los parámetros básicos para poder observar un espectro de forma adecuada son:


• Rango de longitudes de onda visualizadas (eje de Abcisas). Pulsando el botón se escala la imagen para mostrar el “rango estándar” de longitudes de

onda, entre 332 y 1015 nm. Con el botón es posible seleccionar un rango cualquiera, por ejemplo, para observar un espectro muy estrecho, una determinada línea espectral, o el modo longitudinal de un láser. Pinchando con el ratón en una zona cualquiera del espectro y dibujando una caja es posible seleccionar y visualizar un área cualquiera del mismo.

• Rango de “cuentas” a visualizar. Con el botón se visualiza el rango estándar de 0 a 4095, mientras que el botón permite elegir un rango cualquiera. Pinchando con el ratón en una zona cualquiera del espectro y dibujando una caja es posible seleccionar y visualizar un área cualquiera del mismo.

• Tiempo de integración. Este parámetro es muy importante, pues define el tiempo durante el cual se recogen los fotones en cada pixel. Pulsando el botón o el menú “Setup-A/D Conversion Rate” es posible seleccionar cualquier valor entre 1 milisegundo y 2 segundos. El valor correcto es aquel que muestra el espectro con el mayor número de cuentas posibles, pero sin llegar a la saturación.

• Promediado entre diferentes espectros recogidos consecutivos. Con el botón o el menú “Setup-Data Analysis” se puede seleccionar el número de

muestras que se promedian, entre 1 (no promediar) 29 (fuerte promediado). Normalmente se utilizará el valor de 1, salvo que la señal sea muy ruidosa.

• Suavizado del espectro, es decir, un promediado espacial entre puntos vecinos de un espectro dado. Se accede mediante el botón o el menú “Setup-Data Analysis”, especificando el número de pixels que intervienen en el suavizado, entre 0 (sin suavizado) y 25 (fuerte suavizado). Igualmente, no suele ser necesario emplear suavizado.

El espectro que se muestra en pantalla puede ser impreso mediante el menú “File-Print”. También es posible exportar el mismo como un fichero de texto, de forma que puede ser importado por cualquier programa de análisis y representación de datos, por ejemplo, Excel. Basta pulsar el botón de “foto” para detener la adquisición, acceder al menú “File-Export Spectrum”, pulsar sobre la casilla “Sample” y especificar un nombre cualquiera de fichero. Por defecto, la extensión de este fichero será “.sco”, pero se trata de un fichero de texto que puede ser leído por un procesador de textos o una hoja de cálculo con facilidad. El fichero contendrá dos columnas: la primera guarda los valores del eje de abcisas en nanometros, y la segunda columna el eje de ordenadas, siendo su unidad el número de cuentas. No se debe utilizar la opción “File-Save” ya que el formato resultante solo puede ser leído por esta aplicación.


Tabla con las características principales del instrumento dadas por el fabricante.

Detector: 2048-element linear silicon CCD array

CCD elements: 2048 elements @ 12.5 μm x 200 μm per element

Well depth (@600 nm): 160,000 photons

Sensitivity (estimated): 86 photons/count 2.9 x 10-17 joule/count (wavelength 1 μm) 2.9 x 10-17 watts/count (for 1-second integration)

Effective range: 200-1100 nm

Integration time: 4 milliseconds to 60 seconds (with 500 kHz A/D card) (shorter integration times available with custom electronic interface)

Gratings: multiple grating choices, optimized for UV, VIS or Shortwave NIR

Slit: 50 nm width (slit height is 1000 mm); alternative option is no slit (optical fiber is entrance aperture)

Order-sorting: single-piece, multi-bandpass detector coating for applications from ~ 200-850 nm (available only with 600-line gratings) or Schott glass longpass filters (installed or loose)

Resolution: ~ 0.3 nm-10.0 nm FWHM (depends on groove density of grating and diameter of fiber or width of slit)

Stray light: < 0.05% at 600 nm < 0.10% at 435 nm

Fiber optic connector: SMA 905 to single-strand optical fiber (0.22 NA)


Analizador de Comunicaciones MD6420A

El analizador de comunicaciones MD6420A es un instrumento que permite medir el BER, que es el parámetro mas crítico a la hora de analizar la calidad de una transmisión digital .Se van a utilizar básicamente dos pantallas “interface” y “error”. Cuando se enciende con el mando (“POWER” ) aparece la pantalla principal, y se accede a la pantalla “interface” mediante el botón (“F2”) o mediante la tecla (“NEXT SCREEN”).La pantalla del “interface” se muestra debajo

POWER F2 NEXT SCREEN

BACK SCREEN

CURSOR MODIFY


En la pantalla “interface” se muestran las condiciones del interfaz de transmisión y recepción. Se accede a cada una de las ventanas mediante las teclas (“CURSOR”) y para modificar los valores de los parámetros con el cursor (“MODIFY”) o las teclas (F1,F2,...F6). En esta pantalla SOLO se debe cambiar, según cada caso, el valor del BIT RATE con el cursor (“MODIFY”) , si se pulsa simultáneamente el botón central (“COARSE”) la velocidad de incremento/decremento es mas rápida, y mantener la configuración que está definida.

A la pantalla “error” se accede mediante el botón (“F1”) o la tecla (“NEXT SCREEN”) (nota: si se quiere volver a la pantalla “interface” con la tecla (“BACK SCREEN”)). La pantalla del “error” se muestra debajo

En esta pantalla se muestran los resultados para diversos parámetros relacionados con la medida de errores en la comunicación. Algunos de los más importantes son:

ERROR COUNT- Número de bits erróneos

ERROR RATIO- Relación del número de bits erróneos en función del número de bits transmitidos (BER)

ES- Segundos con errores

SES- Segundos con errores severos (el BER es superior a 10-3).

EFS – Error Free Seconds, número de segundos libres de errores.

Este instrumento dispone de dos puertos serie y puede generar un tráfico de datos entre ellos a la velocidad especificada en el BIT RATE. Pulsando la tecla (“F1”, start meas) comienza la comunicación y en la pantalla “error” se muestra la tasa de error a la velocidad seleccionada. Para finalizar la medida o iniciar una nueva hay que pulsar la tecla (“F1”, stop meas)


Entrenador de Comunicaciones Ópticas, Fibras Ópticas y Láser

El entrenador EF-970B-E es un equipo docente para la demostración y

experimentación de los sistemas de comunicaciones ópticas, de los fenómenos relacionados con la luz y de los principios de la transmisión por fibras ópticas.

El entrenador consta de: • Equipo Emisor, de dos canales independientes, con fotoemisores y láser • Equipo Receptor, con medidor de potencia óptica incorporado

Equipo Emisor

Entradas El equipo dispone de ocho entradas seleccionables. Puede seleccionarse la señal

de entrada a través del canal 1 (CH1), se indica mediante un led de color rojo ,y canal 2 (CH2), con un led de color amarillo.

1. Generador BF: señal senoidal, triangular y cuadrada (Interna) 2. Entrada Analógica DC (75Ω) (Externa) 3. Entrada Analógica AC (75Ω) (Externa) 4. Micrófono (monofónico) (Externa) 5. Entrada Digital (Externa) 6. Entrada Digital Invertida (Externa) 7. Entrada Digital constante a "1" (Interna) 8. Conmutador Digital "1" / "0", mediante la tecla TL1 (Interna)

Módulo Emisor Módulo Receptor


Generador BF (onda cuadrada, triangular, senoidal)

El generador BF dispone de cuatro pulsadores de control. Con el pulsador "SHAPE" se selecciona la forma de onda: cuadrada, triangular o senoidal (estas dos últimas se generan digitalmente).

Canal 1 y 2

El equipo emisor se comprende de dos canales independientes, que permiten transmitir señales desde cualquier entrada óptica y controlar la amplificación del nivel de la señal de entrada. Los potenciómetros P1 y P3 (GAIN) se emplean para controlar la amplificación de la señal de entrada, de los canales 1 y 2 respectivamente. Los potenciómetros P2 y P4 (I-bias) se utilizan para ajustar la corriente DC de los elementos emisores, de los canales 1 y 2 respectivamente.

Miliamperímetro El equipo emisor consta de un miliamperímetro que indica la corriente que circula a

través del fotoemisor escogido. Mediante el pulsador "A-METER CH1/CH2" se elige sobre que canal se efectúa la medida de corriente.

P1

P3

P2

P4

SHAPE


Salidas Ópticas El pulsador "OUTPUTS CH1" selecciona el fotoemisor asociado al canal 1, y con "OUTPUTS CH2" el del canal 2. La elección se realiza cíclicamente entre los seis fotoemisores disponibles, sin estar permitido asociar el mismo fotoemisor simultáneamente a los dos canales.

Realimentación del láser

La naturaleza del láser, cuando se opera sin realimentación hace que su potencia se vea alterada por la influencia que ejercen ciertos factores como la temperatura y el tiempo. El circuito de realimentación permite mantener una potencia óptica estable e inalterable sean cual sean las condiciones externas.

Cuando se selecciona, en el canal 2, el láser (fotoemisor nº 5) mediante el pulsador "FEEDBACK ON/OFF" puede activarse el circuito eléctrico de realimentación. Al conectar la realimentación se ilumina el diodo D1 y el potenciómetro I-bias (P4) del canal 2 se desconecta, no siendo posible el ajuste manual de la corriente del láser.

FUENTES DE LUZ


Equipo Receptor

El receptor consta principalmente de dos bloques independientes (excepto los circuitos de entrada: fotodetectores y conmutadores), uno dedicado para la señal y otro para la medida.

Entradas Ópticas El equipo receptor dispone de cuatro fotodetectores incorporados. La tensión

inversa de polarización de los tres primeros fotodetectores, se ajusta mediante los potenciómetros P5 (BIAS COARSE) y P7 (BIAS FINE). En los fotodetectores nº 4 y 5 (EXT) la tensión inversa está fijada internamente a 0 V, por lo que no es posible su ajuste por parte del usuario. Los pulsadores “ANALOG INPUTS” y “DIGITAL INPUTS” seleccionan que fotodetector se conecta al canal analógico y al digital. La elección del canal analógico se indica mediante leds de color rojo “INPUT 1” …“INPUT 4 (EXT)”, y la del canal digital con leds de color amarillo “INPUT 1” …“INPUT 4 (EXT)”. Los leds “ANALOG OUTPUT ON” Y “DIGITAL OUTPUT ON” indican que el bloque de señal está activo y que se dispone de la señal, de ambos canales, en las salidas BNC.

FEEDBACK ON/OFF

P5 P7 FOTODETECTORES


Bloque de señal: Canal Analógico. El canal analógico tiene una ganancia de 40 dB, mediante dos etapas amplificadoras de 20 dB. Después del primer amplificador, el potenciómetro P1 (GAIN) ajusta la ganancia del canal analógico. El bloque de señal dispone de un conmutador SW3(1) para seleccionar el tipo de acoplamiento DC o AC, que se aplica en la entrada del primer amplificador y en la sección de salida del canal analógico. La sección de audio consta de un filtro paso-banda de un ajuste independiente de ganancia P3 (VOLUME) para regular el nivel de señal aplicada al altavoz interno o auriculares.

Bloque de señal: Canal Digital. La señal que entra en el canal digital sigue unos procesos de filtraje y amplificación para poder ser posteriormente comparada con un nivel de referencia. Se añade o resta un nivel de continua mediante los potenciómetros P4 “THRESHOLD COARSE” y P6 ““THRESHOLD FINE” para variar la tensión de comparación. La amplitud de la salida puede seleccionarse a través del conmutador S2(2) entre nivel TTL y nivel RS-232. Cuando se selecciona este último, el led “RS-232” parpadea para indicar que los niveles de salida corresponden a 10 y -10 V.

Bloque de señal: Medidor de Potencia Óptica. Este bloque efectúa la medida, absoluta o relativa, de la potencia óptica recibida. El medidor de potencia dispone de cuatro modos de medida, seleccionables con el pulsador “FUNCTION OF OPTICAL POWER METER” (A1).

P1 P3

P4 P6


• ANALOG (modo de monitorización). • DIGITAL (modo de monitorización). • 1 Khz (modo de precisión para la medida de la componente de 1

Khz). • DC (modo de precisión).

En el modo ANALOG el medidor indica, orientativamente, la potencia óptica que llega en el fotodetector seleccionado del canal analógico. En el modo DIGITAL, orientativamente, la potencia óptica que llega en el fotodetector seleccionado del canal digital. En el modo DC, el medidor, operando en modo precisión, indica la potencia óptica que llega en el fotodetector seleccionado en el canal analógico. La resolución del medidor de potencia en los modos de monitorización es de 0.1 dB, y en los modos de precisión, de 0.01 dB. En cada fotodetector, se puede realizar la medida de potencia en varias longitudes de onda. Éstas se escogen mediante el pulsador “WAVELENGTH”

A1 WAVELENGTH

Laboratorio de Sistemas de INSTRUMENTACIÓN instrumentacion 2008.pdf · Es necesario re-calibrar...

Documents

Transcript of Laboratorio de Sistemas de INSTRUMENTACIÓN instrumentacion 2008.pdf · Es necesario re-calibrar...