III. Práctica 3: Tiempos de Respuesta de los Componentes de un Enlace

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1 III. Práctica 3: Tiempos de Respuesta de los Componentes de un Enlace En esta Práctica se medirá el ancho de banda de un sistema óptico. Se estudiarán diferentes enlaces variando los elementos que lo componen (fibra, drivers digitales y analógicos, LED o láser, detectores con o sin amplificador), midiendo su respuesta en el tiempo o en la frecuencia. Se introduce la fibra de plástico, midiendo además algunas de sus características, como la apertura numérica. MATERIAL NECESARIO Caja de emisores Latiguillo de fibra MM FC Caja de detectores Latiguillo de fibra de plástico Caja de generadores 3 cables BNC-BNC Osciloscopio 1 conector BNC en T Medidor de potencia óptica Adaptador BNC-50 Generador de funciones GF-917 Soporte para fibra de plástico Carrete MM de 5 km Cinta métrica 1 polímetro + bananas

2 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica PRECAUCIONES ESPECÍFICAS Conecte con cuidado los latiguillos FC: busque la coincidencia de la lengüeta y la ranura antes de roscar. Para sacar los latiguillos FC, desenrosque por completo y tire con cuidado DE LA PARTE METÁLICA, nunca del cable. No encienda ni apague el diodo láser ni la caja de emisores durante toda la práctica. Compruebe las unidades de medida en el medidor. Cuando en alguna parte de la práctica se le indique que debe medir corrientes, esta medida se realizará SIEMPRE de modo indirecto, midiendo tensión en bornas de una resistencia de valor conocido por la que circula la corriente. NUNCA utilice el polímetro en escalas de corriente. Compruebe la longitud de onda en el medidor de potencia antes de cada serie de medidas. III.1. RESPUESTA EN EL DOMINIO DEL TIEMPO Objetivos: Estimar la respuesta en el tiempo de los circuitos y dispositivos optoelectrónicos frente a una función escalón, midiendo las respuestas en el tiempo de sistemas ópticos con diferentes transmisores, receptores, y fibra. Método de medida: Se aplicará una señal cuadrada a la entrada del driver correspondiente al emisor, y se medirán los tiempos de subida o bajada del sistema a la salida del receptor. Al analizar los resultados de las medidas deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones: En todos los casos el tiempo medido (t sis ) corresponde al conjunto del sistema completo: driver + emisor + fibra + detector + preamplificador + osciloscopio. III-

3 Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores Supondremos despreciable, para esta práctica, el tiempo de respuesta de la fibra, cuando se empleen latiguillos de corta longitud. Por tanto en estos casos: t sis t em t rec t osc donde t em incluye el tiempo de respuesta del LED y su driver, y t rec el tiempo del receptor y de su amplificador. Habrá que considerar el ancho de banda del osciloscopio (150 MHz), teniendo en cuenta que la relación teórica entre tiempo de respuesta y ancho de banda para un circuito con un polo simple es t sub = 0.35/ B. Consideraremos como tiempo de respuesta indistintamente al tiempo de subida o de bajada. Las posibles diferencias entre ambos son debidas a las formas de onda, y no deben tenerse en cuenta. Los circuitos de los drivers analógicos de los diferentes LEDs son idénticos, por lo que cualquier diferencia en los resultados debe estar causada por el LED. Ocurre lo mismo con los circuitos de los drivers digitales de los LEDs. Los 3 fotodetectores con amplificador de transimpedancia (650 nm, 80 nm y 1300 nm) tienen una respuesta temporal similar Para la medida de los tiempos de subida y bajada se recomienda: Utilizar el mando x10 de la base de tiempos 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 Ajustar la amplitud en pantalla de la señal mediante el mando de sensibilidad variable (vernier) a las marcas de trazos para poder utilizar las marcas 10% y 90% Usar los cursores para la medida de tiempos. Cuando el flanco de la forma de onda presente oscilaciones en uno de sus extremos y sea difícil medir tiempos 10/90, se pueden estimar como el doble del tiempo 10/50 ó 50/90. Para cambiar del flanco de subida al flanco de bajada, cambiar la pendiente de disparo. III-3

4 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica Se caracterizarán los siguientes conjuntos de transmisores/receptores: M1. Driver digital + LED (1300 nm) + latiguillo fibra multimodo + fotodetector (1300 nm)+ amplificador de transimpedancia (salida analógica) M. Driver analógico + LED (1300 nm) + latiguillo fibra multimodo + fotodetector (1300 nm)+ amplificador de transimpedancia (salida analógica) M3. Driver digital + LED (80 nm) + latiguillo fibra multimodo + fotodetector (80 nm)+ amplificador de transimpedancia (salida analógica) M4. Driver digital + LED (650 nm) + latiguillo fibra plástico + fotodetector (650 nm)+ amplificador de transimpedancia (salida analógica) M5. Driver digital + LED (80 nm) + carrete de fibra multimodo + fotodetector (80 nm)+ amplificador de transimpedancia (salida analógica) M6. Driver digital + LED (1300 nm) + carrete de fibra multimodo + fotodetector (1300 nm)+ amplificador de transimpedancia (salida analógica) Montaje del Apartado III.1 III-4

5 Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores Procedimiento experimental: III.1.A. Realice el montaje experimental de la figura, correspondiente al caso M1 anterior. Seleccione la menor frecuencia posible de la señal de reloj (posición 1) Coloque el conmutador AN./DIG. del LED en la posición DIG. (driver digital), y desconecte las salidas Digital-OUT en la caja de detectores seleccionando la posición Comparadores OFF. III.1.B. III.1.C. III.1.D. Mida el tiempo de subida y de bajada de la señal de salida. Tenga en cuenta que, dependiendo del caso considerado, la medida no será inmediata. Repase las recomendaciones anteriores. Realice los montajes experimentales correspondientes para realizar las medidas de tiempos de subida y bajada en los casos M a M4 descritos anteriormente. Tenga en cuenta que: Al utilizar el driver analógico (caso M), el potenciómetro de control del LED debe estar más o menos a la mitad de su recorrido, a fin de evitar saturación o corte. La posición AN. de los emisores selecciona el driver analógico con entrada por ANALOG IN, y la posición DIG.selecciona el driver digital, con entrada por DIGITAL IN. Mantenga la posición Digital-Out OFF (Comparadores OFF) en la caja de detectores. A partir de los resultados obtenidos deduzca un límite máximo o un valor estimado de tiempo de respuesta y ancho de banda, para los siguientes elementos: Driver digital Driver analógico LED 1300 nm LED 80 nm LED 650 nm Fotodetectores + amplificadores de transimpedancia III.1.E. III.1.F. Realice los montajes experimentales correspondientes para realizar las medidas de tiempos de subida y bajada en los casos M5 y M6 descritos anteriormente. Para ello seleccione una frecuencia intermedia de la señal de reloj (posición 5, 1,5 MHz) y recuerde que el tiempo de respuesta del sistema viene dado por la expresión: t sis t equipos t fibra Calcule el tiempo de respuesta de la fibra a ambas longitudes de onda a partir de las medidas realizadas en los casos M1, M3, M5 y M6. III-5

6 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica III.. RESPUESTA EN PEQUEÑA SEÑAL CON MODULACIÓN SINUSOIDAL Objetivos: Determinar la máxima frecuencia de modulación de transmisores y receptores. En concreto se medirá el ancho de banda: del driver analógico de los LED, y del fotodiodo PIN en función de su resistencia de carga. Método de medida: Se realizará un montaje experimental similar al del apartado anterior, empleando ahora una sinusoide de frecuencia variable como señal de entrada, es decir, de modulación de la fuente de señal óptica. Se aumentará la frecuencia de la señal eléctrica hasta que la respuesta del sistema caiga 3dB respecto al valor en baja frecuencia. Se utilizarán dos montajes sucesivos: Montaje 1. Driver analógico + LED (1300 nm) + latiguillo MM + receptor analógico (1300 nm) Montaje. Driver analógico + Diodo Láser (1300 nm) + latiguillo MM + fotodetector PIN InGaAs (1300 nm) + resistencia de carga En el primer montaje el ancho de banda está limitado por el driver analógico del LED. Nota: De las medidas realizadas en el primer apartado de esta práctica habrá comprobado que es justamente el driver analógico el que posee un tiempo mayor de respuesta y, por tanto, será el que limita en ancho de banda. En el segundo montaje el ancho de banda está limitado por el PIN con resistencia de carga. En este caso se emplea el diodo láser en lugar del LED simplemente para aumentar la potencia óptica y con ello el nivel de señal eléctrica a la salida, puesto que el p-i-n InGaAs no dispone de amplificador. Recuerde que la corriente eléctrica a la salida del p-i-n InGaAs sin amplificador de transimpedancia, es directamente proporcional al nivel de potencia óptica detectada. III-6

7 Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores Montaje de los subpartados III..A, III..B y III..C Procedimiento experimental: AL PASAR DE MEDIDAS X10 A MEDIDAS X1 NO OLVIDE REDUCIR EL BRILLO DE LA TRAZA DEL OSCILOSCOPIO Montaje 1 III..A. Realice el montaje experimental de la figura: modulando la fuente (LED) de señal óptica de 1300nm con una señal sinusoidal de 1kHz, transmita la señal óptica modulada por un latiguillo de fibra, de longitud despreciable, y recupere la señal sinusoidal de 1kHz mediante un fotodetector PIN con amplificador. Visualice ambas señales sinusoidales en el osciloscopio. Para ello, seleccione una señal sinusoidal de 1 khz en el generador, mantenga la posición LF en el conmutador LF/HF del LED y la posición Digital- Out OFF (Comparadores OFF) en la caja de detectores. III..B. Visualice las señales de ambos canales. Ajuste la amplitud de la señal del generador a 100 mv pp. Asegúrese de que el control de potencia del LED está aproximadamente a la mitad de su recorrido. Con los dos ajustes anteriores se pretende asegurar la recepción de la sinusoide sin distorsión por saturación del LED o por falta de potencia óptica en la modulación de la fuente de señal óptica. III-7

8 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica III..C. Mida la frecuencia de corte superior del sistema (f3db). Para ello aumente la frecuencia del generador hasta que la señal de salida sea el 70 % de la medida a frecuencias medias. Si la amplitud de la señal de entrada disminuye al aumentar la frecuencia, vuelva a ajustarla con el mando de amplitud. Compare el resultado con el ancho de banda del driver analógico del LED obtenido en III.1.D. Montaje III..D. Asegúrese de que el mando de potencia del diodo láser está al mínimo y que el conmutador CORR/POT está en la posición CORR. (por motivos de seguridad) Realice el montaje experimental de la figura, es decir: module la fuente (LD) de señal óptica de 1300nm con una señal sinusoidal de 1kHz; transmita la señal óptica modulada por un latiguillo de fibra, de longitud Montaje de los Apartados III..D III..H despreciable, y recupere la señal sinusoidal de 1kHz mediante un fotodetector PIN III-8

9 Práctica 3: Velocidad de Respuesta de Transmisores y Receptores sin amplificador. Conecte el generador de ondas y la salida analog-out del p-i-n para poder visualizar ambas señales sinusoidales en el osciloscopio según los pasos siguientes. No utilice el adaptador BNC 50. Para ello: Seleccione una señal sinusoidal de 1 khz en el generador Mantenga la posición LFAN. en el conmutador AN./DIG.LF/HF del LD, puesto que va a modular con una señal analógica de baja frecuencia. Mantenga la posición Digital-Out OFF (Comparadores OFF) en la caja de detectores, ya que no va a utilizar los comparadores de los receptores digitales. Lleve al máximo el potenciómetro V cc del PIN para asegurar que la unión pn está polarizada en inversa y seleccione una resistencia de carga de 30 k con el conmutador. III..E. III..F. III..G. Ajuste la señal del generador a 100 mv pp con objeto de no superar el recorrido de la curva característica del láser. Conecte el polímetro en escala de voltios DC en las bornas [V= 10*I] del láser y ajuste la corriente de forma que el láser esté por encima del umbral (aprox. 10 ma). Compruebe en la pantalla que la señal de salida del PIN no está distorsionada (si lo está reajuste la amplitud del generador y el punto de polarización). Mida la amplitud de la señal de salida (canal 1). Mida la frecuencia de corte superior por el procedimiento descrito en III..C. Repita las medidas empleando resistencias de carga de 10 k y k, anotando en cada caso el valor de la amplitud de la señal de salida a 1 khz. Compruebe que el ancho de banda medido proviene del PIN + resistencia de carga en todos los casos. Para ello lleve la fibra óptica que transmite la señal procedente del LD al fotodetector de 1300 nm con amplificador de transimpedancia, y observe que la frecuencia de corte es mucho mayor que las medidas anteriormente. Al terminar ponga al mínimo el control de potencia del láser. III..H. Sabiendo que la tensión de salida del PIN es proporcional a R L y que la frecuencia de corte es ( R L C) -1, siendo C la capacidad del conjunto [PIN + cables + osciloscopio], compruebe que el producto [tensión de salida (1 KHz) * f3db] es aproximadamente constante para los 3 valores de R L, y calcule la capacidad C. III-9

10 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica III.3. APERTURA NUMÉRICA DE LA FIBRA DE PLÁSTICO Objetivo: Mediante un método sencillo se medirá la apertura numérica de una fibra óptica. El requisito para utilizar este método es emplear luz visible y utilizar una fibra de plástico, en la que el valor de la AN sea grande. Método de medida: La luz emitida por la fibra de plástico se proyecta sobre una pantalla a una distancia d de la fibra. Se determinará el diámetro D de la zona iluminada. Se considerará que la AN puede aproximarse al seno del ángulo del cono luminoso de salida, que se determinará geométricamente a partir de d y D: D tg AN sen d {1} Procedimiento experimental: III.3.A. Conecte el latiguillo de fibra de plástico al LED de 650 nm y al soporte de plástico. Proyecte la radiación de salida sobre una pantalla, y mida la distancia fibrapantalla y el diámetro del círculo iluminado. Necesitará trabajar en condiciones de baja luz ambiente. III.3.B. Repita las medidas para varias distancias fibra-pantalla. Determine la AN como el promedio de las medidas realizadas. Si el valor obtenido es muy diferente de 0,47, repita las medidas. POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA RECOJAN TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PRINCIPIO. SUS COMPAÑEROS SE LO AGRADECERÁN. III-10

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