PRUEBAS EN CIRCUITOS DE FIBRA ÓPTICA: MEDICIÓN DEL CAMBIO EN LA TRANSMITANCIA ÓPTICA

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1 REVITA COLOMBIANA DE FÍICA, VOL. 34, No., 00 PRUEBA EN CIRCUITO DE FIBRA ÓPTICA: MEDICIÓN DEL CAMBIO EN LA TRANMITANCIA ÓPTICA J. L. Meléndez Romero, J. L. Peña Chaparro, Y. Torres Moreno +, O. Gualdrón González. Grupo de Telecomunicaciones, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones, + Grupo de Óptica y Tratamiento de eñales, Escuela de Física, Universidad Industrial de antander, A.A. 678, Bucaramanga. Colombia, ytorres@uis.edu.co ABTRACT The general objective of this work is to establish a procedure standardized for the measure and monitoring the change in the optic transmittance of circuits and communication devices with optic fiber. This procedure allows to determine, with a reduced degree of uncertainty, the form like changes the transmittance in elements of optic fiber communications before the in agreement presence of different conditions environmental, temporary or physical with the requirements consigned in the standard TIA/EIA FOTP-0. This work represents an important contribution to the process that the UI has decided leadership in Colombia toward the normalization and the approval of rehearsals of acceptance for devices used in systems of optic fiber (mainly used in communications). REUMEN El objetivo general de éste trabajo es establecer un procedimiento estandarizado para la medición y el monitoreo del cambio en la transmitancia óptica de circuitos y dispositivos de comunicación con fibra óptica. Dicho procedimiento permite determinar, con un reducido grado de incertidumbre, la forma como cambia la transmitancia en elementos de comunicaciones con fibra óptica ante la presencia de diferentes condiciones ambientales, temporales y/o físicas acorde con los requerimientos consignados en el estándar TIA/EIA FOTP-0. Este trabajo representa un importante aporte al proceso que la UI ha decidido liderar en Colombia hacia la normalización y homologación de ensayos de aceptación para dispositivos utilizados en sistemas de fibra óptica (principalmente usados en comunicaciones). PALABRA CLAVE: Fibra óptica, transmitancia óptica, comunicaciones por fibra óptica, detectores IR. INTRODUCCIÓN La prueba para la medición del cambio en la transmitancia óptica de dispositivos de fibra óptica, cuyo protocolo constituye el eje de la presente investigación, es un test de laboratorio. La transmitancia óptica es de vital importancia en los sistemas de fibra óptica puesto que permite no sólo dimensionar y presupuestar un sistema de comunicaciones por fibra óptica, sino además, garantizar su eficiencia. 603

2 REVITA COLOMBIANA DE FÍICA, VOL. 34, No.. 00 El protocolo establecido busca unificar las condiciones bajo las cuales deben realizarse los ensayos, asegurando con ello la minimización de las condiciones de inestabilidad que eventualmente podrían causar interpretaciones y resultados erróneos. La prueba desarrollada cumple con el estándar TIA/EIA-455-0A FOTP-0 (Telecommunications Industry Association/ Electronic Industries Association), el cual es análogo al procedimiento IEC e IEC (International Electrotechnical Commission) [1]. La transmitancia en intensidad óptica (T) permite cuantificar la cantidad de luz incidente que pasa a través de un espécimen: I1 T = 10Log [db] (1) I 0 En donde I 0 es la intensidad óptica incidente en el espécimen e I 1 es la intensidad a la salida del mismo. e demuestra una equivalencia entre la transmitancia óptica de un espécimen y la atenuación que sufre una señal transmitida a través del mismo. De esta forma es posible hacer referencia indistintamente a transmitancia óptica ó a atenuación, puesto que las dos características permiten igualmente cuantificar las pérdidas de energía del sistema y proporcionan información acerca de su eficiencia. La relación de la energía obtenida de la fuente con la energía medida a la salida del dispositivo bajo prueba permite calcular la transmitancia. El procedimiento desarrollado en la presente investigación no está dirigido propiamente a medir la transmitancia propia de un material sometido a prueba, sino establecer como cambian los niveles de transmitancia en los dispositivos utilizados en sistemas de fibra óptica, desde una condición establecida como inicial hasta una nueva condición en la que generalmente el dispositivo bajo prueba se ve sometido a cambios de tipo físico, temporal y/o ambiental. Para precisar el cambio sufrido por la transmitancia en un dispositivo bajo prueba (DBP) se parte de la existencia de una condición inicial en la cual, a la salida del DBP se ha registrado, con la ayuda de un detector óptico, una intensidad de energía P O. La señal sensada por el detector en una condición posterior, será denominada P 1. El cambio relativo en la energía de salida experimentado por el DBP entre estas dos condiciones puede expresarse como un cambio relativo en la transmitancia ( D P 1), que en decibeles puede escribirse: P 1 D P 1 = 10Log [db] () P0 Adicionalmente, la utilización de una fibra monitora permitirá compensar las posibles inestabilidades de la fuente. El cambio en la transmitancia, sufrido por la fibra monitora, será: PM 1 D M1 = 10Log [db] (3) PM 0 Puesto que idealmente la fibra monitora permanecerá invariante durante el ensayo, los posibles cambios detectados en dicho dispositivo serán debidos a variaciones en la fuente. De la referencia [1] se puede establecer que estas mediciones son independientes de las características de los detectores y puede expresarse de forma más generalizada como: 604

3 REVITA COLOMBIANA DE FÍICA, VOL. 34, No., 00 T 1 M 1 D 1 = 10 Log 10 Log [db] (4) T 0 M 0 Donde los valores, To y Mo corresponden a las mediciones hechas en la condición inicial para el DBP y la fibra monitora respectivamente, mientras que T1 y M1 conciernen a los mismos en la condición a evaluar. CONIDERACIONE EXPERIMENTALE Los dispositivos que potencialmente podrían ser sometidos a ésta prueba se han subdividido en grupos siguiendo la categorización encontrada en la referencia [1]. Dispositivos del grupo 1: Aquellos elementos cuyas propiedades de transmitancia no se ven afectadas, de forma considerable, por las características de longitud de onda central y ancho espectral de la fuente óptica, e.g. empalmes, conectores, interruptores ópticos electromecánicos típicos y otros. Dispositivos del grupo : Aquellos componentes cuyas propiedades de transmitancia pueden verse significativamente afectadas por las características de la fuente, en gran medida, por la longitud de onda central y el ancho espectral de la fuente óptica, e.g. fibra ó cable, multiplexores ópticos, algunos interruptores ópticos, etc. Esto hace que un elemento importante en la medición del cambio en la transmitancia óptica es la inclusión de una fibra monitora, que básicamente busca compensar las inestabilidades que pudieran presentarse en la fuente óptica durante la prueba [1] y establece una referencia para las mediciones a realizar. Por razones tecnológicas y comerciales se seleccionó como fuente de energía óptica una fuente de láser diodo. Los diodos láser empleados presentan longitudes de onda central de 1310 nm y 1550 nm y se encuentran acoplados a un tramo de fibra óptica, terminada en un conector FC (tipo fiber pigtail ). El suministro de energía del diodo láser proviene de una fuente de corriente altamente estable. Con el fin de maximizar la estabilidad en la longitud de onda central y de reducir la deriva en longitud de onda [3] con respecto a la temperatura de la fuente óptica, el sistema cuenta con un módulo de control que mantiene el láser a una temperatura estable basado en el efecto Peltier. Para dividir el haz de luz entre el espécimen de referencia y la fibra monitora, se utiliza un divisor óptico ( beam splitter ) 50/50%. Los detectores ópticos empleados en la prueba están fabricados de InGaAs y son de tipo PIN []. Presentan un área efectiva de aproximadamente 0.3 cm e incluyen atenuadores que al ser removidos permiten ampliar su rango de detección. Un circuito diseñado y fabricado como conmutador secuencial (ver Figura 1), permite realizar la detección de la señal provista por los dos detectores a fin de realizar la medición dual, de manera Figura 1. Circuito conmutador secuencial. tal que se puedan compensar variaciones lentas en la fuente. 605

4 REVITA COLOMBIANA DE FÍICA, VOL. 34, No.. 00 El equipo de medición es un amplificador lock-in, utilizado en el modo detección sensitiva de fase que extrae de la señal de entrada sólo aquella componente cuya frecuencia y fase se encuentran en un nivel igual a los de la señal de referencia. Con el fin de eliminar cualquier cantidad de luz que pudiera propagarse a través del recubrimiento de la fibra óptica se utilizan algunos sistemas eliminadores o atenuadores de modos del revestimiento [4,5], buscando asegurar que las medidas de energía incluyan solamente aquellos efectos del núcleo []. La figura permite visualizar las conexiones requeridas y una posible disposición de los equipos (acordes con el estándar FOTP-0). En la referencia [] se establece con detalle el procedimiento y los lineamientos básicos a seguir, consideraciones especiales para el adecuado funcionamiento de los equipos, y algunos aspectos relacionados con la manipulación de los DBP. Como actividad previa a la realización de la prueba, debe realizarse la identificación del DBP con el fin de confrontar sus especificaciones ópticas con las características modales de los elementos que conforman el equipo de prueba. e recomienda que el DBP sea conectorizado con el fin de evitar pérdidas adicionales por dispersión que puedan distorsionar las medidas reales. Las conexiones Figura. Interconexión de los equipos. realizadas deberán permanecer estáticas durante toda la prueba, con el fin de reducir las variaciones indeseadas. Una de las labores que requieren mayor atención es la del microposicionamiento de los detectores (debe asegurarse que el haz de luz que llega a cada uno de los detectores cubra totalmente su superficie y evitarse que éstos no sean saturados). Para realizar un control automático de la medición, la salida R-3 del lock-in es conectado a un puerto serial de computador. El programa ACQUIRE.EXE [] elaborado, está diseñado de acuerdo con los requerimientos básicos del procedimiento de prueba y realiza de forma automática algunas de las labores requeridas. Escrito en lenguaje Basic facilita algunos procesos de ajuste y calibración, y realiza el control, adquisición, cálculo y reporte de resultados, permitiendo al operador dedicar su atención a las tareas de supervisión, análisis y verificación del sistema en general. ACQUIRE realiza los procedimientos requeridos para las dos condiciones de prueba y brinda información oportuna acerca de la evolución de la medición. 606

5 REVITA COLOMBIANA DE FÍICA, VOL. 34, No., 00 Para determinar las condiciones en las cuales debe hacerse el muestreo de las señales provenientes de cada uno de los detectores, se desarrollaron varias secuencias de adquisición de datos y se realizó un análisis que permitió caracterizar el comportamiento aleatorio del sistema. Para establecer la aleatoriedad de un conjunto de datos se usaron, el test de diferencias sucesivas, el test de la mediana y el test de signos [6]. El análisis de los histogramas de diferentes muestreos realizados a la señal proveniente de los detectores permitió deducir la normalidad de la distribución (test de Geary [6 ]). Esto se atribuye al teorema del límite central [7]. Para el caso de la estimación de la media µ, puede establecerse un intervalo de confianza con base en el valor promedio de los datos pertenecientes al registro de muestras, tal como lo describe la ecuación: s s x tn: α / µ x x + tn: α / (5) N N Donde, s corresponde a la desviación estándar calculada para el registro de N muestras, y n =N-1 es el número de grados de libertad [,3,5]. La variable t tiene una distribución de student con n grados de libertad. El intervalo de confianza permite argumentar, con una probabilidad de 1-α, que el valor real de la media estará dentro del intervalo de confianza definido. El intervalo de confianza para la desviación estándar, a partir de la media y la desviación estándar de una muestra de la población se establece que se expresa en la siguiente ecuación: N 1 χ α; n 1 σ χ N 1 1 α ; n 1 (6) La variable χ responde a una distribución de probabilidad Chi-Cuadrado [6]. La expresión (4) tomará la forma: µ t1 µ t0 D1 = 10log 10log (7) µ r1 µ r0 El error de propagación: σ T1 T1 σ M1 M1 σ T0 T0 10 σ M0 M σ D = (8) Debido a que cada uno de los registros de datos corresponden a variables aleatorias independientes los términos de la covarianza son despreciables. El error de propagación es el error estadístico en el cálculo del cambio en la transmitancia óptica De acuerdo con el estándar FOTP-0, se diseñaron dos formatos de reporte [], que facilitan la regulación de las condiciones de la prueba y aseguran la recolección de la totalidad de los datos requeridos garantizando que los procedimientos se desarrollen con los niveles de calidad requeridos. REULTADO EXPERIMENTALE Experimentalmente, se midió el cambio en la transmitancia óptica en una fibra sometida a esfuerzos físicos. e usó una fibra de 1.50 m de longitud sometida a una presión arbitraria 607

6 REVITA COLOMBIANA DE FÍICA, VOL. 34, No.. 00 (prensa mecánica). El DBP es un hilo de un cable, tipo monomodo 1310/1550 nm, con revestimiento a gradiente de índice y diámetro 9/15 µm. El cambio medido en la transmitancia óptica es de: D = 5,8094 ± db. CONCLUIONE El protocolo establecido como resultado de ésta investigación asegura el cumplimiento de los exigentes requerimientos del estándar TIA/EIA FOTP-0. La incertidumbre impuesta por el carácter aleatorio del sistema óptico permitió establecer límites de confianza para las mediciones hechas en aproximadamente el 95%. Las experiencias realizadas durante la investigación permitieron cuantificar errores en las mediciones que no superan el 15%. in lugar a dudas, ya que ha sido establecido el procedimiento para la medición del cambio en la transmitancia óptica de acuerdo al estándar, deben iniciarse los procesos de homologación ante organismos encargados del aseguramiento de la calidad. Como respuesta a una alternativa sugerida por el estándar FOTP-0, se propone el uso de un circuito divisor analógico, el cual permitiría obtener mediante hardware el cociente de las señales provenientes del DBP y de la fibra monitora (reduciendo los cálculos computacionales requeridos). ería conveniente usar esferas integradoras para mejorar la sensibilidad [10-14]. REFERENCIA 1. TIA/EIA tandard FOTP-0: Measurement of change in optical transmittance, TIA/EIA, PEÑA Ch. José L. y MELÉNDEZ R. Jorge Luis, Pruebas en Circuitos con fibra óptica : Medición del cambio en la transmitancia óptica, Proyecto de Grado, Universidad Industrial de antander, Photonics, 1999/000 Catalog. NEWPORT Corporation HAGGAN ingh et Al., Analysis of narrow depressed-cladding fibers for minimization of cladding and radiation mode losses in fiber bragg gratings. 3M fiber optics laboratory McCANN Brian P., pecialty optical fibers resolve challenging application problems, Lightwave Magazine, November Commissariat à l énergie atomique, tatistique appliquée a l exploitation des mesures, Masson, BENDAT Julius. and PIEROL Allan G., Random data: analysis and measurement procedures, Wiley-Interscience, ILVA Nelson y MEDINA Francisco José, Pruebas en fibra óptica: Preparación y examen de los extremos de la fibra para propósitos de prueba, Proyecto de Grado, Universidad Industrial de antander, Guide to connectorization and polishing optical fibers, THOR LAB, Newton, NJ, Newport corporation website Thor Laboratories website tanford research systems website citec instruments website Boston electronics corporation website Laser focus magazine website Fotec website. 608