ENLACE DE FIBRA ÓPTICA DE BAJO COSTO PARA LA MEDICIÓN DE SEÑALES ANALÓGICAS EN AMBIENTES DE ALTO RUIDO ELECTROMAGNÉTICO.
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1 ENLACE DE FIBRA ÓPTICA DE BAJO COSTO PARA LA MEDICIÓN DE SEÑALES ANALÓGICAS EN AMBIENTES DE ALTO RUIDO ELECTROMAGNÉTICO. JOHN JAIRO FERNANDO CRUZ GARZÓN Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingeniería Departamento de Eléctrica y Electrónica Bogotá, Colombia 2012
2 ENLACE DE FIBRA ÓPTICA DE BAJO COSTO PARA LA MEDICIÓN DE SEÑALES ANALÓGICAS EN AMBIENTES DE ALTO RUIDO ELECTROMAGNÉTICO. JOHN JAIRO FERNANDO CRUZ GARZÓN Tesis de grado presentado como requisito para optar al título de: INGENIERO ELECTRÓNICO Directora: M.Sc. Ph.D. Margarita Varón Durán Línea de Investigación: Optoelectrónica. Grupo de Investigación: CMUN Universidad Nacional de Colombia Facultad de ingeniería, Departamento de Eléctrica y Electrónica. Bogotá, Colombia 2012
3 No comparto lo que dices, pero defenderé hasta la muerte tu derecho a decirlo. Voltaire
4 A MIS PADRES, FAMILIARES Y AMIGOS, QUIENES APOYARON ESTE SUEÑO.
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7 RESUMEN Este trabajo de tesis presentado en la Universidad Nacional de Colombia tiene como objetivo diseñar y construir un prototipo de enlace óptico análogo, donde se pretende mejorar las características de costos, haciendo un estudio de los componentes en el mercado. Esto representaría ventajas con respecto a los demás enlaces disponibles y abre la posibilidad de diseñar un sistema con características de potencia y transmisión que pueden ser aprovechadas en los laboratorios de comunicaciones y compatibilidad electromagnética del departamento de eléctrica y electrónica. Palabras clave: enlace óptico, láser VCSEL, Fotodiodo PIN, Fotodiodo APD, fibra óptica multimodo, Fibra óptica monomodo, comunicaciones ópticas. ABSTRACT This thesis presented at the National University of Colombia aims to design and build a prototype analog optical link, which pretend to improve the characteristics of cost, making a study of the components on the market. This would represent advantages over other available links and opens the possibility of designing a system with power and transmission characteristics that can be exploited in the laboratories of communications and electromagnetic compatibility of electrical and electronics department. Keywords: optical link, laser VCSEL, PIN photodiode, APD photodiode, multimode optical fiber, single mode optical fiber, optical communications.
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12 INTRODUCCIÓN En numerosas aplicaciones en medición de campos electromagnéticos usualmente se tienen señales de bajo nivel que cubren un amplio rango de frecuencias de khz a algunos GHz En una configuración típica se tiene un lugar de prueba en un extremo y algunos instrumentos de medida en el otro (analizador de espectros, analizador de redes, etc.). Estas partes usualmente están conectadas por radiofrecuencia y el medio puede ser cable (comúnmente coaxial), la distancia entre el sitio de prueba y los instrumentos de medición puede estar en el rango de algunos metros o hasta kilómetros [1]. En estas mediciones se presentan algunos inconvenientes como la interferencia electromagnética (EMI), distorsión de la señal, pérdidas por inserción etc. Estos problemas impactan directamente la integridad de la señal cuando la transmisión se realiza sobre cable conductor tradicional, obteniendo mediciones erróneas. Los enlaces de fibra óptica superan significativamente a los convencionales cables coaxiales en muchos aspectos [1]. Una señal propagada a lo largo del cable de cobre convencional es atenuada debido a los elementos parásitos inherentes a este tipo de línea de transmisión. La cantidad de atenuación es directamente proporcional a la frecuencia de la señal, la longitud y la calidad del cable. En el transporte de señales sobre fibra óptica estas pérdidas son insignificantes y adicionalmente, las señales transmitidas en un enlace de fibra óptica no sufren distorsión debido a la interferencia electromagnética. Por lo tanto se pueden sustituir los sistemas de medición existentes, por enlaces de fibra óptica. Un enlace análogo provee grandes beneficios a los usuarios que requieren una solución a la interferencia eléctrica y problemas en la atenuación de la señal en el monitoreo de señales y distribución sobre largas distancias. Los enlaces de fibra óptica tienen muchas ventajas sobre los enlaces convencionales de cable conductor como: Bajas pérdidas de transmisión, amplio ancho de banda, no radiación, no inducción y no conducción.
13 La propuesta surge de observar el comportamiento de un enlace óptico análogo que fue adquirido en el Laboratorio de Compatibilidad Electromagnética, pero su costo fue elevado debido a las características que posee y los costos de importación y transporte. La idea que se propuso fue lograr diseñar un prototipo de enlace que cumpliera con requisitos mínimos en el costo de sus componentes. En el proyecto propuesto se diseñó y construyó un prototipo de enlace de fibra óptica para mejorar las características de transmisión en ambientes de alto ruido electromagnético, el cual pretendía usarse en un rango de frecuencias y distancias requeridas para aplicaciones en los laboratorios de compatibilidad electromagnética y comunicaciones del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El proyecto propuesto busca diseñar y construir un prototipo de enlace de fibra óptica para mejorar las características de transmisión en ambientes de alto ruido electromagnético. Se pretende realizar el proyecto en el rango de frecuencias requerido para aplicaciones en los laboratorios de compatibilidad electromagnética y comunicaciones del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá.
14 OBJETIVO GENERAL Diseñar y construir un enlace óptico de bajo costo para transmisión de señales en ambientes de alto ruido electromagnético. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Hacer una revisión de los diferentes sistemas de fibra para transmisión de señales en ambientes de alto ruido electromagnético disponibles en el mercado, evaluando sus costos y especificaciones. Realizar un estudio comparativo de los diferentes componentes de un enlace óptico disponibles en el mercado, evaluando costos, potencias de transmisión y distancias máximas. Diseñar un enlace de fibra óptica de acuerdo con los resultados del estudio del mercado y especificaciones del sistema a construir. Construir un prototipo de enlace de fibra. Diseñar y realizar algunas pruebas con el fin de evaluar el desempeño del enlace. ALCANCE DE LOS OBJETIVOS Un prototipo de sistema de transmisión de datos por fibra óptica que permita emitir y recibir señales de hasta 1 GHz en una distancia máxima de 10m.
15 CAPITULO 1. MARCO TEÓRICO Hoy en día la fibra tiene una implementación muy amplia, en menor proporción en los accesos residenciales, debido al alto costo del cableado y por la tasa de retorno baja en la inversión del proveedor de servicios. Con el paso de las décadas la tecnología para la transmisión por fibra ha evolucionado para ofrecer cada vez más altas tasas de transferencia sobre mayores distancias. La figura muestra el crecimiento de la capacidad de los diferentes tipos de redes. Figura 1. Crecimiento de las redes a lo largo de los años. [1] Existe una necesidad de multiplexar la información, por que en muchas de las aplicaciones es más económico llevar altas tasas de información sobre 1 sola fibra que bajas tasas sobre muchas fibras. Hay dos vías fundamentales para incrementar la capacidad de transmisión en la fibra, primero incrementar la tasa de bits, esto requiere equipos electrónicos de alta velocidad TDM. Otra forma es la técnica llamada multiplexación por división de longitud de onda (WDM) equivalente a FDM pero WDM es usada en comunicaciones ópticas. Las redes son entidades con una variedad de funciones diferentes que se realizan por diferentes componentes de la red, con equipos de diferentes vendedores interactuando juntos. Es deseable separar las funciones en
16 diferentes capas, este modelo de capas fue propuesto por la ISO. Cada capa realiza cierto set de funciones y provee cierto set de servicios a la siguiente capa. En una red óptica los datos son llevados de la fuente al destino en forma de luz, sin tener una conversión óptica-eléctrica en su camino, idealmente la red debería ser transparente, sin embargo la red óptica esta limitada en su alcance por muchos parámetros de la capa física, como ancho de banda y la relación señal a ruido, entre otros. Las señales analógicas necesitan mayor señal a ruido que las señales digitales. 1.1 FUNDAMENTOS DE TRANSMISIÓN La longitud de onda y la frecuencia están relacionadas por: C= f λ C denota la velocidad de la luz en el espacio libre el cual es 3 x 10 8 m/s V=f λ V =C/n n 2 =ξ r = 11.7). (V es la velocidad de la luz en un medio). (n es el índice de refracción). (ξ r es la permitividad, en este caso la del silicio La luz estará viajando en la fibra a más o menos x 10 8 m/s La longitud de onda es medida en unidades de nanómetros o micrómetros. Las longitudes de onda de interés en comunicaciones de fibra óptica, están centradas alrededor de 0.8, 1.3 y 1.55 µm, estas longitudes están sobre la banda del infrarrojo y no son visibles para el ojo humano. En comunicaciones ópticas en muy común usar las unidades de decibel para medir la potencia y los niveles de señal a diferencia de las unidades convencionales. Si suponemos que transmitimos una señal de luz con una potencia Pt watts, en términos de db tenemos:
17 En muchos casos es conveniente medir la potencia en mili watts y tener el equivalente en dbm: Como la señal de luz es propagada a través de la fibra, esta es atenuada, por consiguiente la potencia se disminuye y al final del enlace la potencia recibida es Pr, la pérdida por el enlace se define como: En db tenemos: Es importante saber que una medida de confiabilidad, en un enlace análogo se mide por la relación señal a ruido y en un enlace digital se mide con el BER (Bit Error Rate)
18 1.2 PROPAGACIÓN DE LA LUZ EN LA FIBRA ÓPTICA Una fibra óptica es una guía de onda de vidrio muy delgada que consiste en dos partes una interna CORE y una mas externa CLADDING, estos son diseñados para mantener la luz dentro de la guía de onda. El CORE y el CLADDING son hechos principalmente de Silicio (SiO 2 ), el cual tiene un índice de refracción de El índice de refracción de un material es la proporción de la velocidad de la luz en el vacio y en el material. Cuando se construye esta fibra son insertadas ciertas impurezas para que el índice sea ligeramente más alto en el CORE que en el CLADDING. Materiales como el Germanio y el Fósforo incrementan el índice, mientras que materiales como el Boro y el Flúor lo disminuyen. La figura siguiente presenta la sección transversal y longitudinal de una fibra mostrando las regiones de interés. Figura 2. Sección transversal y longitudinal de una fibra. [1] Se usa la teoría del rayo o del enfoque óptico geométrico para facilitar el entendimiento de la propagación de la luz en la fibra. Esta es válida cuando el radio del CORE de la fibra es mucho mayor que la longitud de onda en operación. Estas fibras se denominan multimodo. En este enfoque, la luz puede ser considerada como un conjunto de rayos propagándose en línea recta dentro de un material y siendo reflejados o refractados en la interfaz entre dos materiales.
19 La figura 3 muestra la interfaz entre dos medios con índices de refracción n1 y n2. Un rayo de luz del medio 1 incide en la interfaz del medio 1 con el medio 2, el ángulo de incidencia es el ángulo entre el rayo incidente y la normal de la interfaz de los dos medios y se denota θ1. Parte de la energía es reflejada en el medio 1 como un rayo reflejado y el resto pasa al medio 2 como rayo refractado. El ángulo de reflexión θ1r es el ángulo entre el rayo reflejado y la normal a las interfaces, de la misma manera el ángulo refractado θ2, es el ángulo entre el rayo refractado y la normal. Las leyes de la óptica geométrica dicen: Y La última ecuación se conoce como la ley de snell. Figura 3. Modelo de reflexión y refracción de los rayos de luz. [1] Cuando el ángulo de incidencia incrementa, el ángulo de refracción tambien. Si n1 es mayor que n2, existe un punto donde θ2 = π/2, esto ocurre cuando θ1= sin -1 (n2/n1). Para valores altos de θ1 no hay rayo refractado y toda la energia del rayo incidente es reflejado. Este fenomeno es llamado reflexion interna total.
20 El ángulo mas pequeño de incidencia para el cual tenemos reflexión interna total es llamado ángulo crítico y equivale a sin -1 (n2/n1). La figura 4 muestra la propagación de los rayos de luz debido a la reflexión total interna. Figura 4. Propagación de los rayos de luz debido a la reflexión total interna. [1] Se puede demostrar con la ley de snell que solo los rayos incidentes en un ángulo: Los rayos son llamados rayos guiados y es el ángulo de aceptación. Es conveniente denotar la diferencia de incice de refraccion fraccional como. La capacidad de un sistema de comunicación óptica es medido en términos de producto razon-distancia. Si un sistema es capaz de transmitir X Mb/s sobre una distancia Y km, se dice que tiene un producto de (Mb/s )-km. La dispersión intermodal limita el producto de un enlace de comunicación a esto es cierto para sistemas que que son limitados por pérdidas y dispersión intermodal, pero no tanto para sistemas que son limitados por dispersión cromática y efectos no lineales.
21 La razón física del confinamiento de la luz dentro del CORE de la fibra no puede ser atribuida a la reflexion interna total cuando el radio del CORE es comparable con la longitud de anda de la luz, como en el caso de la fibra mono modo. En cualquier medio con indice de refracción constante, un haz de luz angosto tiende a expandirse debido al efecto llamado difracción. Este efecto puede ser contrarestado usando un medio no homogéneo en el cual el índice de refracción cercano al centro del haz el mayor que el índice del haz en la periféria. En el medio el haz central viaja ligeramente mas despacio que el haz de la periferia. Esto permite al haz ser guiado en el medio y viajar largas distancias con bajas perdidas. La teoría de onda es más general y aplicable a todas las medidas del core. Enfoque desde la Teoría de Ondas La luz es una onda electromagnética, y la propagación a través de un medio está descrita por las ecuaciones de Maxwell. La propagación de la luz puede ser descrita por la asociación de campos vectoriales eléctricos y magnéticos en el espacio y en el tiempo denotados por E(r,t) y H(r,t). Las ecuaciones de Maxwell toman en cuenta las propiedades del material en la propagación de las ondas electromagnéticas, ya que no solo implican E y H, sino que también la densidad de flujo D y la densidad de flujo magnético B. La relación entre P y E en la fibra óptica debido a la naturaleza del Silicio, es el origen de los dos efectos importantes relacionados con la propagación de la luz en la fibra, la dispersión y la no-linealidad.
22 1.3 PROPAGACIÓN DE SEÑALES EN LA FIBRA ÓPTICA La fibra óptica es un notable medio de comunicación comparado con los convencionales. Como el sistema de comunicación evolucionó para manejar distancias más largas y tasas de bits más altas, la dispersión se convirtió en un factor limitante. En un sistema de comunicación se superponen los pulsos y este fenómeno se llama interferencia intersímbolo. La potencia de salida en el extremo final de la fibra de longitud L, esta relacionado con la potencia de entrada: El parámetro α representa la atenuación, normalmente se expresan las unidades de pérdida en db/km, entonces las pérdidas α db significa la relación Pout/Pin en L= 1 km y satisface la igualdad: Las pérdidas pueden ser por la absorción en el Silicio y las impurezas presentes. La absorción del Silicio puro es despreciable en la banda de 0.8 y 1.6 µm que es la utilizada por los sistemas de comunicación.
23 La figura 5 muestra las pérdidas por atenuación en el Silicio en función de la longitud de onda: Figura 5. Pérdidas por atenuación en el Silicio en función de la longitud de onda. [1] Las pérdidas tienen mínimos locales en las bandas tradicionales para sistemas de comunicación óptica (0.8, 1.3 y 1.55 µm), con pérdidas de 2.5, 0.4 y 0.25 db/km (en un sistema típico de comunicación, la señal puede caer en perdidas de db antes de necesitar ser amplificada o regenerada), los picos de absorción que separan estas bandas se debe al vapor de agua residual en la fibra. El ancho de banda puede ser medido en términos de la longitud de onda o en términos de la frecuencia. La banda de pérdidas más bajas está centrada en 1.55 µm y está dividida en 3 regiones: la banda media de 1530 a 1565 nm, banda convencional o C, la banda de los 1565 a 1625 nm la cual consiste en mayores longitudes de onda, llamada banda L es usada para sistemas de alta capacidad, la banda por debajo de 1530 nm es llamada la banda S.
24 Figura 6. Bandas más utilizadas con menores pérdidas. [1] La dispersión cromática es el nombre dado a cualquier efecto en donde diferentes componentes de la señal transmitida, viajan a diferentes velocidades en la fibra, llegando a diferentes tiempos al receptor. Esta dispersión surge por dos razones, la primera es que el índice de refracción del Silicio depende de la frecuencia, así diferentes componentes de frecuencia viajan a diferentes velocidades en el Silicio, este componente de la dispersión cromática es denominado dispersión del material, un segundo componente es la dispersión de guía de onda. La energía de la luz se propaga parte en el núcleo y parte en el revestimiento, y el índice efectivo de refracción se sitúa entre los índices del núcleo y el revestimiento, el valor real del índice efectivo entre esos dos límites, depende de la proporción de potencia que está contenida en el revestimiento y en el núcleo. Si la mayoría de la potencia está contenida en el núcleo, el índice efectivo está cerca al índice de refracción del núcleo; pero si la mayor parte de la potencia se propaga en el revestimiento, el índice efectivo está cerca del índice de refracción del revestimiento. La distribución de potencia entre el núcleo y el revestimiento de una fibra es en sí una función de la longitud de onda, más claramente, a más larga longitud de onda mayor potencia en el revestimiento.
25 Efectos no lineales Los efectos no lineales son necesarios tenerlos en cuenta cuando el sistema envía grandes transacciones de bits o transmite altas potencias. Hay dos categorías de estos efectos, la primera surge debido a la interacción de las ondas de luz con los fonones en el medio, los que influyen en la dispersión; la otra categoría no lineal surge debido a la dependencia del índice refractivo del campo eléctrico aplicado, los efectos son self-phase modulation (SPM) y fourwave mixing (FWM). En los efectos de dispersión (scattering) la energía se transfiere de una onda de luz a otra de mayor longitud de onda (menor energía). La pérdida de energía es absorbida por las vibraciones moleculares. La interacción no lineal depende de la longitud de transmisión y el área de la sección transversal de la fibra, cuanto mayor sea la longitud de enlace, mayor será la interacción y peor el efecto de la no linealidad. Pero como la señal se propaga a lo largo del enlace, su potencia disminuye debido a la atenuación de la fibra. Por lo tanto, la mayoría de los efectos no lineales ocurren en el primer tramo de fibra y disminuye a medida que se propaga la señal. La transmisión de información haciendo uso de la fibra óptica se realiza mediante la variación de un haz de luz el cual no es visible para el ojo humano por que se encuentra debajo del infrarrojo.
26 Figura 7. Ventanas de trabajo en las comunicaciones ópticas en el espectro de loguitud de onda. [10] 1.4 COMPONENTES Los componentes usados en las redes ópticas modernas incluyen acopladores, láser, fotodetectores, amplificadores ópticos, filtros y multiplexores. Láser de semiconductor y LED son las fuentes de luz. El Láser y el LED son simplemente prendidos y apagados rápidamente para transmitir datos digitales. Los fotodetectores de semiconductor habilitan la conversión de señales de luz al dominio eléctrico.
27 Los acopladores son componentes que se usan para combinar o dividir señales. El acoplador más comúnmente usado se hace fundiendo dos fibras juntas, un acoplador puede ser usado para distribuir una señal de entrada de iguales proporciones en dos puertos de salida si la longitud de acoplamiento es ajustada para tal propósito. Los acopladores también se usan para aprovechar una pequeña parte de la potencia del flujo de luz para propósitos de monitoreo y otros. Hay acopladores que son usados para combinar señales de 1310nm y 1550 nm en una misma fibra sin pérdidas. Los láseres necesitan producir una potencia de salida alta. Para sistemas WDM la potencia típica de salida esta en el rango de los 0-10 db. Los parámetros están relacionados con la corriente umbral y la slope efficiency. Ambos están involucrados en la eficiencia de la conversión de la potencia eléctrica en potencia óptica. La corriente umbral es la corriente de excitación en el que el láser empieza a emitir. La slope efficiency es la relación entre potencia óptica de salida a la corriente de excitación. Los láseres necesitan tener un ancho de espectro angosto en una longitud de onda específica de operación. La estabilidad en la longitud de onda es un criterio importante. Al mantener una temperatura constante. El costo de los módulos transmisores y receptores incrementa de acuerdo a la longitud de onda, pero la distancia que permite sin hacer uso de repetidores hace que sea más económico por bit transmitido.
28 1.4.1 LÁSER Un láser es esencialmente un amplificador óptico puesto dentro de una cavidad reflectiva que causa una oscilación por retroalimentación positiva. Los láseres de semiconductor usan semiconductores como medio de ganancia, mientras que los láseres de fibra usan un dopamiento con erbium para lograr esa ganancia. Los láseres de semiconductor son los más populares, son en esencia junturas PN y pueden ser fabricados en cantidades gracias a la tecnología de integración de los semiconductores. Tienen una capacidad de lograr potencias de hasta 20 dbm. Parte de la energía óptica es reflejada a los extremos del amplificador o medio de ganancia, como se ve en la figura 7: Figura 8. Reflexión y transmisión en la interface. [1] Además los extremos de la cavidad son paralelos y planos, el resultado de colocar el medio de ganancia en una cavidad Fabry- Perot, es que esta ganancia es alta solo para las longitudes de onda resonantes dentro de la cavidad. Luego de estar en la cavidad una parte de la luz deja de estar allí y otra parte es reflejada. Si la combinación de ganancia de amplificación y reflexión es alta el amplificador empezará a oscilar, aún en ausencia de una señal de entrada, en un dispositivo seleccionado este punto es llamado umbral de láser.
29 Modos Longitudinales Para que la oscilación de un láser ocurra en una longitud de onda particular deben suceder dos cosas. Primero la longitud de onda debe estar dentro del ancho de banda del medio de ganancia usado. La segunda condición es que la longitud de la cavidad debe ser un múltiplo entero de la mitad de longitud de onda en la cavidad. Para un láser dado, todas las longitudes de onda que satisfacen la segunda condición son llamados modos longitudinales de este laser. El laser llamado Fabry-Perot usualmente oscila en múltiples modos longitudinales, y se puede describir como un láser de modo multiplelongitudinal (MLM). Un laser MLM tiene anchos espectrales mayores, alrededor de 10 nm. Figura 9. Espectro de salida de un (a) láser MLM y (b)un láser SLM. [1] Conocemos que para mejorar un sistema de comunicación se debe tener un ancho espectral lo más angosto posible, lo que minimizará los efectos de la dispersión cromática. Por consiguiente lo que se busca es que un láser trabaje en modo single-logitudinal (SLM). Una oscilación en el modo single-longitudinal puede ser alcanzada usando filtros, para que tenga pérdidas en otras longitudes de onda.
30 Láser De Cavidad Externa La supresión de una oscilación en más de un modo longitudinal puede ser usando otra cavidad, enseguida de la cavidad donde ocurre la ganancia. Esta cavidad externa también tiene longitudes de onda resonantes. El resultado es que el láser es capaz de oscilar solo en las longitudes de onda que son resonantes en las dos cavidades. Esto puede llevar a que el laser esté limitado en un solo modo single-longitudinal. Una de las desventajas de los láseres cavidad externa es que no pueden ser modulados a altas velocidades. Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers (VECSEL) Esta clase de láser alcanza un modo single-longitudinal de una manera diferente. Se sabe que el espaciamiento entre modos para un laser MLM es c/2nl, donde l es la longitud de la cavidad y n es el índice de refracción. Si la longitud de la cavidad es lo suficientemente pequeña, la distancia entre modos incrementan de tal manera que solo que solo un modo longitudinal ocurre dentro del ancho de banda de la ganancia del laser. Resulta que hacer una delgada capa activa más fácil si la capa activa es depositada en un substrato semiconductor (figura 9) Figura 10. Estructura de un VCSEL.[2] Hay ventajas de los VCSEL en las que se incluye una simple y mejor forma de acople con la fibra, fácil envío y testeado.
31 La operación de los VECSEL s que esta en los 0.85 µm, es comercialmente usada por su bajo costo y la interconexión con la fibra en aplicaciones multimodo. Para aplicaciones de fibra mono-modo, los VECSEL s de 1.3 µm están comercialmente disponibles. Aunque están en trabajo de producción los láser que operan a 1.5µm. Láseres Mode-Locked Los láser de modo locked son usados para generar pulsos ópticos estrechos que se necesitan para sistemas TDM de alta velocidad. Diodo Emisores De Luz Los láseres son dispositivos relativamente costosos y de difícil alcance cuando se necesitan para aplicaciones donde el flujo de datos es bajo y las distancias a recorrer son cortas, en estos casos los LED s son una muy buena alternativa. Láser Sintonizable Para redes WDM los láseres sintonizables son muy requeridos. Un sistema WDM de 100 canales, necesitará 100 distintos láser, por eso un laser sintonizable provee la flexibilidad de escoger la longitud de onda a transmitir. Requerimientos de la fuente óptica: El tamaño debe ser comparable con el de la fibra Debe ser fácilmente modulable con una señal eléctrica Debe ser capaz de modular a alta velocidad Eficiencia Potencia Tamaño y peso Costo Los láseres pueden ser usados para aplicaciones análogas, pero deben estar caracterizados y usados solo en la parte lineal de la curva característica de P-I. El ancho del espectro del la fuente óptica impacta directamente sobre el ancho de banda del sistema.
32 Figura 11. Ancho de espectral del LED y el Láser.[2] Un láser provee un rendimiento mayor en el enlace que un LED, por que tiene mayor velocidad de modulación y un ancho de espectro más pequeño, pero el costo del LED es menor MODULACIÓN DIRECTA E INDIRECTA Modulación se llama a la acción de asignar datos en un flujo de luz. El mas simple esquema de modulación se llama on-off keying (OOK). Donde el flujo de luz es apagado y prendido dependiendo si los bits de datos son 1 s o 0 s.
33 OOK tiene 2 formas de realizarse: 1) Por modulación directa de un laser semiconductor o un LED. 2) Usando un modulador externo. La modulación directa se observa en la figura: Figura 12. Modulación directa un un láser. [1] La corriente de excitación en el laser semiconductor es puesto por encima del umbral para un bit 1 y por debajo del umbral para un 0. La relación de potencia de salida para los bits 1 y 0 se llama relación de extinción. Esta modulación es económica por que solo requiere una fuente de luz y ningún otro dispositivo. La mayor ventaja de un laser semiconductor es que pueden ser directamente modulados. La desventaja de la modulación directa es que los pulsos resultantes poseen un chillido (chirped). Chirp es un fenómeno en el que la frecuencia de la portadora de la transmisión varía con el tiempo, y que provoca una ampliación del espectro de transmisión. Un modulador externo es puesto al frete de la fuente de luz y cambia la señal dependiendo de los datos a transmitir. Existen muchos moduladores externos en el mercado y ya existen en un mismo empaque para evitar problemas de espacio y empaquetado; también se pueden incluir circuitos de estabilización de longitud de onda.
34 Hay dos tipos de moduladores externos usados: Modulador lithium niobate: hace uso del efecto electro óptico, donde un voltaje aplicado induce un cambio en el índice de refracción del material, se puede configurar como un acoplador direccional o como un interferómetro Mach-Zehnder. La figura 12 muestra una configuración tipo Mach-Zehnder. Figura 13. Configuración del modulador externo Mach-Zehnder. [1] Modulador de semiconductor de electro-absorción (EA): puede ser fabricado usando el mismo material y las mismas técnicas que en los láseres de semiconductor, y como puede ser integrado, resulta mucho más compacto y de menor precio comparado con el modulador lithium niobate CARACTERÍSTICAS ÓPTICAS DE LA FIBRA Las transmisiones ópticas pueden realizarse en el espacio libre, pero la fibra óptica ofrece algunas ventajas como lo son no necesitar línea de vista (porque transportan luz en las esquinas) y la atenuación en la fibra es independiente de las condiciones climáticas.
35 Requerimientos de la fibra: Baja atenuación. Alto ancho de banda. Buen acople óptico. Fibra Plástica: usada en los enlaces cortos, donde existen EMI, chispas y riegos de choque eléctrico. Sílice de clad plástico (PCS plastic-clad silica): rendimiento medio. Vidrio solido: frágil, se debe tener cuidado al doblar, enrollar o dejar sobre superficies que de alguna maneja ejerzan fuerzas sobre la fibra. Existen 3 perfiles de fibra de uso comercial: Fibra Step-index: de menor costo, fácil acoplamiento y bajo ancho de banda. Medidas de 62.5/125 µm; 50/125 µm Fibra Graded-index: de mayor costo a las demás, fácil acoplamiento y ancho de banda intermedio. Medidas de 62.5/125 µm; 50/125 µm. Fibra single-mode: es la más reciente, es de difícil acoplamiento pero presenta el mayor ancho de banda. Medidas del core de 5 a 10 µm. La fibra se caracteriza por estos perfiles y por los diámetros del core y el cladding. Figura 14. Típica fibra óptica [9]
36 El diámetro del núcleo no aumenta significativamente la eficiencia del acoplamiento pero la capacidad de ancho de banda si se reduce. La menor atenuación ocurre en la ventana de 1550 nm y puede llegar a ser de 0,2 db/km, el la ventana de 1300 nm encontramos una atenuación de 0,5dB/km, y por ultimo en la ventana de 850 nm la atenuación puede ser de 3 db/km. λ TIPO DE FIBRA TAMAÑO ATENUACIÓN (db/km) 800 Step 62.5/ Step Graded Graded Single-mode 1300 Graded Graded Single-mode 62.5/ /125 50/125 x/ /125 50/125 x/ Single-mode x/ Tabla 1. Variación de atenuación con respecto a la longitud de onda y tipo de fibra. [2] Figura 15. Gráfica de la variación de atenuación con respecto a la longitud de onda. [2]
37 La potencia de salida Po al final del enlace depende de la potencia acoplada Pc, la atenuación por unidad de longitud (α) y longitud L. P o = P c 10 (-αl/10) P o =P c -αl (db) (mw) La distancia máxima de transmisión debido a la atenuación es inversamente proporcional a la atenuación de la fibra α. Para enlaces menores a 2 km esto es posible para operar en la longitud de 850 nm; para un área metropolitana por debajo de los 50 km es preferible usar la longitud de 1300 nm; y para redes de larga distancia se usa la ventana de 1550 nm la cual permite 64 km o más. El enlace presenta pérdidas cuando la fibra se doble, encontramos 2 tipos de fibras de acuerdo a esto: Macrobend: con la que se pueden hacer loops, pero la perdidas se incrementan cuando el radio del loop es menor. Microbend: este tipo de fibra solo se puede doblar formando un arco DETECTORES Un detector convierte la señal óptica a una señal eléctrica. El fotodetector genera una corriente proporcional a la potencia óptica incidente. Un diagrama de bloque del receptor de un enlace en un sistema de comunicación digital es mostrado en la figura: Figura 16. Diagrama de bloques del receptor en un enlace de comunicación. [1] El amplificador front-end incrementa la potencia de la señal eléctrica generada a un nivel que se pueda utilizar. En sistemas de comunicación digital, el
38 amplificador-front end es seguido por un bloque de decisión que estima los datos que llegan, el diseño depende del esquema de modulación utilizado Fotodetector Los fotodetectores son fabricados de material semiconductor. Los fotones incidentes en el semiconductor son absorbidos por los electrones en la banda de valencia, estos electrones adquieren mayor energía y son excitados a la banda de conducción dejando un hueco en la banda de valencia. Cuando se aplica un voltaje externo al semiconductor, los pares electrón-hueco dan lugar a una corriente eléctrica, llamada fotocorriente. Es el principio de mecánica cuántica, donde un solo electrón puede absorber la energía de un fotón y transitar entre niveles de energía. Lo anterior implica algunas limitaciones en la frecuencia y longitud de onda a la cual un material semiconductor con una banda GAP Eg puede ser usada como fotodetector. e= carga del electrón (1, C ) Un valor alto para λ el cual satisface la relación se llama longitud de onda de corte λ cut, la siguiente tabla muestra la energía en la banda de GAP y las correspondiente longitudes de onda de corte para ciertos materiales. Tabla 2. Longitudes de onda de corte. [1]
39 Podemos ver en esta tabla que el silicio y el arseniuro de galio no pueden ser usados como fotodetectores en las banda de 1.3 y 1.55 µm. los fotodetectores de silicio son usados en la banda de 0.8 µm. La parte de energía que se convierte en fotocorriente se llama eficiencia del fotodetector (η). Lo óptimo es q η esté muy cerca a 1. La capacidad de respuesta es una de las características más importantes de un fotodetector, I p es la corriente promedio que produce a una potencia óptica incidente P in. Capacidad de respuesta Fotodiodos Pin Para que la eficiencia del fotodetector aumente, un ligero dopado intrínseco es introducido entre los semiconductores tipo N y tipo P. Cada foto diodo se llama fotodiodo PIN. El ancho de los semiconductores tipo P y N es pequeña comparada con la región intrínseca por lo que gran parte de la absorción se realiza en esta región, esto aumenta la eficiencia y la capacidad de respuesta del fotodiodo Fotodiodos APD Los fotodiodos de avalancha (APD) son fotodetectores que aplican un alto voltaje en inversa para tener un efecto interno de ganancia de corriente, debido a la ionización de impacto (Efecto avalancha). [2] Amplificadores Front-End En los sistemas de comunicación son usados dos tipos de amplificadores frontend: alta impedancia y transimpedancia.
40 Los circuitos se muestran a continuación: Figura 17. (a). Amplificador de alta impedancia. (b) Amplificador de transimpedancia. [2] La capacitancia C incluye las debidas al fotodiodo, a la entrada del amplificador y otras que son parásitas. El problema principal es escoger la resistencia de carga R L. El ruido térmico que contamina la fotocorriente es inversamente proporcional a la resistencia, para minimizar el problema de ruido debemos hacer a R L grande; pero el ancho de banda del fotodiodo el cual pone un limite superior a la tasa de bits es inversamente proporcional a la resistencia de carga de salida vista por el fotodiodo R p. Alta impedancia: R P = R L, y debemos escoger una R L que se acomode a la tasa de bits. Entonces hay una compensación entre el ancho de banda del fotodiodo y el comportamiento del ruido. Transimpedancia: R P = R L /(A+1), A es la ganancia. Una consideración para escoger el tipo de front-end es el rango dinámico, la cual es la diferencia entre el más alto y el más bajo nivel que puede manejar; aunque no debe ser problema para los enlaces por lo que los niveles son casi fijos, a diferencia de las redes donde se manejan niveles muy grandes. Un transistor de efecto de campo tiene una impedancia alta de entrada y se usa usualmente como amplificador front-end. Un fotodiodo pin y un FET son comúnmente integrados en el mismo semiconductor (pin FET).
41 1.4.5 CONECTORES Los conectores comerciales de fibra óptica más usuales son: CONECTOR ST: es un conector metálico, con férula de cerámica y sujeción a bayoneta. Se emplea en fibras multimodo, con pulido convexo PC. Figura 18. Conector ST.[AUTOR] CONECTOR SC: Es un conector de plástico, con férula de cerámica y sujeción push-pull. Se usa tanto en fibras multimodo como monomodo tanto con pulido PC y APC. Se comercializa en tres colores diferentes: azul, para fibras monomodo; beige para fibras multimodo y verde para fibras de larga distancia. Figura 19. Conector SC.[AUTOR]
42 CONECTOR FC. Es un conector análogo al ST pero roscado. Figura 20. Conector FC. [5] CONECTOR FDDI. Es un conector de tipo dúplex, que incluye un par de fibras, empelado en redes FDDI. Figura 21. Conector FDDI. [5] CONECTOR LC: Este conector también se presenta tanto en versión simplex y dúplex, es un conector de última generación SFF (Single Form Factor) estos han sido desarrollados para lograr una mayor densidad de interconexión en los paneles de distribución. De esta misma familia SFF están los conectores MT/RJ y MU (mini-sc). Figura 22. Conector LC. [5]
43 La forma SFF tiene la intención de emular la clavija conocida RJ-11/RJ-45 del telefono. Existe otros tipos de conectores para fibra que se resumen en la siguiente tabla, donde tambien se tambien se observan algunas de sus características: Conector Pérdidas Tipo de Aplicaciones por inserción fibra FC db SM,MM Comunicación de datos, Telecomunicaciones FDDI SM,MM Red de fibra óptica db LC 1.15 db (SM) 0.1 db SM,MM Alta densidad de interconexión (MM) SC db SM,MM Comunicación de datos. SC DÚPLEX db SM,MM Comunicación de datos. ST 0.4 (SM) db 0.5 (MM) db SM,MM Seguridad. Tabla 3. Características de los conectores de fibra.sm(single mode), MM(multi mode).
44 1.4.6 T DE POLARIZACIÓN Una T de polarización (figura 23) es una red de tres puertos usada para establecer el punto de polarización de algunos componentes electrónicos sin molestar a los demás componentes. El puerto de baja frecuencia se utiliza para ajustar la polarización, por el puerto de alta frecuencia pasan las señales de radio frecuencia, el puerto combinado se conecta al dispositivo, que ve tanto la polarización y la RF. Figura 23. T de polarización. La T de polarización puede ser vista como un condensador ideal que permite al AC a través de este, y un inductor ideal que bloquea el AC, pero permite a la CC. Las aplicaciones las podemos ver en la polarización de fotodiodos, detectores de placa microcanal, transistores y triodos. Las altas frecuencias no se filtran en el carril de alimentación común y el ruido de la fuente de alimentación no aparece en la línea de señal.
45 Figura 24. T de polarización laboratorio de comunicaciones. [6] BLINDAJE El ruido afecta todo circuito electrónico, la principal función del blindaje es hacer que este ruido inducido tenga un valor muy pequeño, ya que no es posible la eliminación total. Para la reducción del ruido o interferencia electromagnética se usan varias técnicas las cuales pueden ser: Blindaje o apantallamiento. Aterrizaje o puesta a tierra. Balanceo de las líneas de transmisión. Filtrado. Separación y orientación. Control de nivel de impedancia del circuito. Diseño de cableado. Técnicas de cancelación en frecuencia o en el dominio del tiempo.
46 El blindaje es una superficie metálica dispuesta entre dos regiones del espacio que se utiliza para atenuar la propagación de los campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos; sirve tanto para no dejar salir el flujo de los campos de la zona encerrada, como para evitar que en la zona protegida entre algún campo. En el apantallamiento se usan materiales conductivos para reducir las EMI (interferencias electromagnéticas) mediante los mecanismos de reflexión o absorción de los materiales usados para este fin, sobre los equipos electrónicos. Toda barrera que se sitúa entre el emisor y el receptor disminuye o atenúa la intensidad de la interferencia. [11] La estructura metálica proporciona un camino de baja impedancia para las corrientes que se puedan generar por fenómenos de interferencia electromagnética, y así se minimiza el riesgo de que estas corrientes puedan afectar a los sistemas y al cableado que se encuentra en el interior. 1.5 ANCHO DE BANDA DEL ENLACE El ancho de banda del enlace depende de los tiempos de subida (risetimes) del transmisor y del receptor y por la dispersión presentada en la fibra. El tiempo de subida se relaciona con el ancho de banda (en un enlace análogo) por: B=0.35/τ El tiempo de subida del enlace es la suma RMS de los tiempos de subida de los componentes: t link = (t 2 tx+ t 2 rf + t 2 rx) t tx = tiempo de subida del transmisor. t rf = tiempo total de dispersión en la fibra.
47 t rx = tiempo de subida del receptor. Una fibra comúnmente es caracterizada por el producto distancia-ancho de banda B*L o B 0. Este parámetro caracteriza tanto la dispersión modal o de guía de onda en función del tipo de fibra. La fibra step-index tiene valores típicos alrededor de 10 MHz-km.la principal limitación es la dispersión intermodal. La fibra graded index tiene valores de MHz-Km. La dispersión material es dominante en longitudes cortas, mientras que en mas altas longitudes la dispersión material y de guía de onda tienen magnitudes comparables. La fibra single-mode, la cual no tiene una dispersión modal, tiene valores alrededor de 100 GHz-Km. El mejor rendimiento en un enlace se alcanza operando a la mayor longitud de onda y acoplando un laser a una fibra single-mode. El rendimiento mas bajo se alcanza operando a la longitud de onda mas baja con un LED acoplado a una fibra step-index. 1.6 ANÁLISIS DEL ENLACE Si el rendimiento del enlace no es aceptable, realizar un análisis identificará las áreas que presentan problemas; si el rendimiento es mayor al requerido entonces el costo de los componentes puede ser evaluado. El primer paso es definir los requerimientos del sistema, como: distancia del enlace, longitud de la fibra, señal a ruido. Luego del primer paso se determinan las características de cada uno de los módulos: Transmisor: potencia de salida, tiempo de subida, ancho de banda, ancho del espectro.
48 Fibra: la atenuación. Hay tener en cuenta la pérdida por conectores, lo que afecta directamente la potencia presupuestada. Receptor: ancho de banda y sensibilidad. La potencia de salida Pout (P fuente atenuación fibra- pérdidas en los conectores- margen de diseño) debe ser mayor a la potencia mínima P min del receptor para que pueda haber comunicación. El diseño del enlace consta de 3 pasos: Selección de la ventana de trabajo Selección de los componentes de esa ventana. Analizar el rendimiento del enlace. PUESTA A PRUEBA Si la potencia de salida del transmisor es baja, entonces las conexiones eléctricas deben ser revisadas, pero si estas conexiones están bien, el transmisor debe ser reemplazado. Si la potencia transmitida está en los niveles correctos, pero la potencia recibida es baja, entonces los conectores se deben limpiar o se debe revisar que la fibra no esté sometida a algún doblez. Si la potencia recibida es cero, la fibra puede estar quebrada.
49 CAPITULO 2. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA. Debido a las características de la propuesta se puede definir el enlace óptico como unidireccional y se encuentra en la categoría funcional de enlace de recepción. Los enlaces de recepción están diseñados para transmitir una señal detectada por una antena o un sensor a un receptor situado a cierta distancia. Algunos ejemplos pueden ser el enlace de bajada de un sistema celular PCS o un enlace de recepción en un radar. El diagrama de bloques de la siguiente figura es un enlace típico de recepción : [7] RF SIGNAL FROM ANTENNA LOW-NOISER AMPLIFIER DIRECTLY-OR EXTERNALLY- MODULATED LASER FIBER PHOTO- DETECTOR RF SIGNAL TO RECEIVER Figura 25. Enlace de fibra típico de recepción. [7] Existen en el mercado gran cantidad de sistemas de enlaces ópticos por fibra para transmisión de datos analógicos los cuales ofrecen todas las características y beneficios descritos anteriormente, el problema es el elevado costo de estos sistemas; podemos encontrar como ejemplo el enlace de fibra óptica que se encuentra en el laboratorio de compatibilidad electromagnética desarrollado por la compañía PULSE POWER & MEASUREMENT LTD [5], el cual tuvo un costo de $ Este equipo resulta sobredimensionado para la aplicación, dado que maneja anchos de banda demasiado grandes. Es
50 por esto que un dispositivo hecho a la medida de las necesidades, resultaría más económico. La primera parte en el desarrollo de este proyecto fue observar el comportamiento del enlace óptico que adquirió el laboratorio de compatibilidad electromagnética, ellos buscaban una solución de un equipo que pudiera tolerar intensidades de campo eléctrico superiores a 1000V/m en un rango de frecuencias de 1 a 2GHz. Necesitaban obtener mediciones limpias y la fibra óptica es la única opción para evitar que las señales a medir se contaminen con inducciones en cables o blindajes. Este enlace cuenta con un transmisor blindado que acepta una señal de potencia de hasta 1 mw/ 0dBm y batería adjunta, una fibra de 125 metros de longitud y un receptor blindado. 2.1 REVISIÓN DE SISTEMAS DE FIBRA EN EL MERCADO El primer objetivo específico propone: Hacer una revisión de los diferentes sistemas de fibra para transmisión de señales en ambientes de alto ruido electromagnético disponibles en el mercado, evaluando sus costos y especificaciones. Se encontraron las siguientes empresas que disponen enlaces ópticos, se relacionan sus principales características en las siguientes tablas:
51 EMPRESA Pulse Power & Measurement Ltd PART NUMBER PAT-S1-6R PAR-S1-6R DESCRIPCIÓN precio Enlace análogo Señal mínima detectable -155dBm/Hz Transmisión de señales máximo de 5 Km. Tolera intensidades de campo eléctrico superiores a 1000V/m Ancho de banda hasta de 3 GHz Ideal para medidas de campo electromagnético. Conectores RF: SMA Conectores ópticos: FC Fibra monomodo Transmisor y receptor $ 4654,33 US (serie k 1.35 GHz) (no incluye costo de envío) Tabla 4. Características del sistema de enlace óptico de Pulse Power & Measurement Ltd. EMPRESA ANALOG MODULES PART NUMBER 732T/R DESCRIPCIÓN precio Enlace de fibra óptica análogo/digital Aplicaciones de menos de 1 Km de distancia, enlaces de datos análogo/digital y aislamiento por ruido electromagnético (EMI). Fibra multimodo de 62.5/125µm (10 metros). Conectores de salida óptica ST Conector de entrada eléctrica SMA Ganancia ajustable Frecuencia 10MHz $1,202 US (el precio no incluye el patch cord de 10 metros) $245 US gastos de envío. Total $1,447 US
52 Tabla 5. Características del sistema de enlace óptico de ANALOG MODULES. EMPRESA INFINEON TECNOLOGIES PART NUMBER V23815-U1306-M130 DESCRIPCIÓN Precio ENLACE OPTICO PARALELO PAROLI Rx AC, 1.6 Gbit/s 12 CANALES ELECTRICOS, 12 CANALES OPTICOS TECNOLOGIA DE LASERS VCSEL 850 NM FIBRA MULTIMODO DE INDICE GRADUAL 62.5/125µm APLICACIÓN EN TELECOMUNICACIONES DIGITALES Conectores de salida óptica MT $421 US (orden mínima 12) No incluye gastos de envío. Total $ US Tabla 6. Características del sistema de enlace óptico de INFINEON TECNOLOGIES.
53 EMPRESA MITEQ INC. PART NUMBER LBT-50K4P5G DESCRIPCIÓN ENLACE DE FIBRA OPTICA 50 KHz A 4.5 GHz Amplificador de transimpedancia en el emisor y el receptor. Aplicación: enlaces de comunicación entre instalaciones, antena remota. Ganancia de 12 db Máxima potencia de entrada +10 dbm Conectores RF: SMA Conectores ópticos: FC Fibra monomodo 9/125 µm Precio Transmisor $ 2,640 US --- Receptor $ 1,860 US Total $4,500 US (No incluye gastos de envío). Tabla 7. Características del sistema de enlace óptico de MITEQ.
54 2.2 REVISIÓN DE LOS COMPONENTES DE UN ENLACE ÓPTICO EN EL MERCADO El segundo objetivo específico propone: Realizar un estudio comparativo de los diferentes componentes de un enlace óptico disponibles en el mercado, evaluando costos, potencias de transmisión y distancias máximas Fuente óptica La fuente óptica puede ser de 2 tipos, LED o Láser y para definir la que se utiliza en el proyecto usamos los siguientes parámetros: Potencia óptica: mayor en el láser. Ancho del espectro: el láser posee menor ancho de espectro. Acople: facilidad en el láser VCSEL. Velocidad de modulación: mayor en el láser. Tamaño y peso: a diferencia de otros tipos de láser, VCSEL es pequeño, de fácil manipulación. Costo: el LED tiene el menor costo. El semestre anterior se desarrolló la caracterización de un láser VCSEL como propuesta de trabajo de grado, se van a utilizar los resultados obtenidos para el módulo de emisión del enlace óptico. El láser VCSEL posee las siguientes características:
55 Vertical Cavity Surface Emitting Laser in ST OPV315YAT Rango de temperatura 0 C a 85 C Máxima Corriente Continua 12mA Potencia Salida 200µW a 300µW Corriente Umbral 0.8mA a 3mA Rango Longitud de Onda 840nm a 860nm Voltaje Directo 1.6V a 2.2V Costo USD $18,27 Tabla 8. Características láser VCSEL. La fuente de alimentación para el láser escogido (figura 26): Figura 26. Fuente de corriente estable. [4] El circuito consta de: Un condensador para proteger al VCSEL de picos de tensión. Un diodo rectificador usado como elemento de protección en caso de que la tensión de entrada esté mal polarizada. Un trimmer que permite variar la corriente.
56 2.2.2 Fibra óptica Para escoger el tipo de fibra óptica la teoría de comunicaciones ópticas define q para un enlace de corto alcance es provechoso utilizar un fibra multimodo y una ventana de trabajo de 850nm. La distancia del enlace es de 10 m, entonces se adquirió un patch cord de 10 metros de fibra multimodo con conectores ST-ST para el modulo, y un patch cord de conectores ST-SC para las pruebas, debido a que el conector del dispositivo para medir potencia óptica es diferente y un adaptador es difícil de adquirir. Se relacionan a continuación las empresas que ofrecen en sus productos patch cord multimodo con las características antes mencionadas: EMPRESA MICROLINK PART NUMBER Patch cord de fibra óptica DESCRIPCIÓN Tipo de fibra: multimodo Conectores: ST-ST y ST-SC Tamaño 62.5\125 µm Máxima atenuación: 3.5 dbm/km precio Fibra multimodo ST-ST: $ Fibra multimodo ST-SC: $ Total $ Tabla 9. Características patch cord de fibra óptica multimodo (MICROLINK).
57 EMPRESA FORMOSA CABLES PART NUMBER Patch cord de fibra óptica DESCRIPCIÓN Tipo de fibra: multimodo Conectores: ST-ST Tamaño 62.5\125 µm precio Fibra multimodo ST-ST: USD $3.5 Costo de envío USD $175 Total USD $178.5 Tabla 10. Características patch cord de fibra óptica multimodo (Formosa cables). EMPRESA HIPERLINE PART NUMBER Patch cord de fibra óptica DESCRIPCIÓN Tipo de fibra: multimodo Conectores: ST-ST Tamaño 62.5\125 µm Distancia máxima 5m. precio Fibra multimodo ST-ST: USD $4.5 Costo de envio USD $60 Total USD $64.5 Tabla 11. Características patch cord de fibra óptica multimodo (HIPERLINE).
58 2.2.3 Fotodetector Para escoger el detector a utilizar, se dispone de una tabla que relaciona las características de un fotodiodo PIN y una de avalancha: Tabla 12. Comparación de las características de los Fotodetectores. Vemos que las características del APD son mucho mejores, pero el ancho de banda que necesitamos es solo de 1 GHz, entonces el APD estaría sobredimensionado; además de esto el costo de un fotodiodo PIN es 5 veces menor, por lo tanto y por las razones mencionadas se decide utilizar un fotodiodo PIN para el proyecto. Los principales parámetros que se deben tener en cuenta del tipo de fotodiodo escogido son las siguientes:
59 Tabla 13. Parámetros de interés para la comparación de fotodetectores. Resposividad: la traducción correcta de la palabra en inglés Responsivity es capacidad de respuesta, la cual es la relación de la fotocorriente generada y la potencia de luz incidente. La unidades son A/W. Corriente de oscuridad (Dark Current): es la corriente a través del fotodiodo en ausencia de luz. Se puede modelar como una fuente de ruido. A continuación se relacionan las características de este componente dependiendo de la empresa consultada:
60 EMPRESA ADVANCE PHOTONIX PART NUMBER OPTEK TECHNOLOGY OPF482 DESCRIPCIÓN PHOTO DIODE Pico de respuesta en longitud de onda: 860nm Capacidad de respuesta: Min 0.45 A/W, Típica 0.55 A/W Corriente de oscuridad 100pA Tiempo de subida: 1 ns Voltaje inverso Vr: 100V Conector ST precio USD$ Tabla 14. Características del fotodetector PIN OPF482. FINISAR EMPRESA PART NUMBER HFD DESCRIPCIÓN Fotodetector PIN empaquetado con un amplificador de transimpedancia diseñado para cumplir con el rendimiento requisitos para la comunicación de datos de 10 Gbps en fibra óptica multimodo a 850nm. Capacidad de respuesta: Min 0.45 A/W, Típica 0.5 A/W, Max 0.6 Tiempo de subida: Típica 30 ps, Max 50 ps Temperatura de operación Range:-40 C to +95 C; Conector LC Aplicaciones: Ethernet, canal de Fibra y protocolos ATM.
61 Tabla 15. Características del fotodetector PIN HFD EMPRESA JDSU PART NUMBER HFD DESCRIPCIÓN precio PIN fotodetector empaquetado con un amplificador de transimpedancia diseñado para cumplir con el rendimiento requisitos para la comunicación de datos de 2.5 Gbps en fibra óptica multimodo a 850nm. PHOTO DIODE Capacidad de respuesta: Mínimo 0.45 A/W, Típico 0.55 A/W Tiempo de subida: Típico 120 ps, Máximo 150 ps Operating Temperature Range:-40 C to +85 C; Conector óptico LC Aplicaciones incluyen Ethernet, canal de fibra y protocolos ATM. Tabla 16. Características del fotodetector PIN HFD
62 EMPRESA LITEON PART NUMBER ASDL-5771 DESCRIPCIÓN precio PHOTO DIODE Ideal para aplicaciones de 700nm a 1100nm que requieren una alta sensibilidad sobre el ángulo de visión. Pico de respuesta en longitud de onda: 900nm Capacidad de respuesta: Min 0.45 A/W, Típico 0.55 A/W Corriente de oscuridad 30 na Tiempo de subida: Típico 50 ns Operating Temperature Range:-40 C to +85 C; Tabla 17. Características del fotodetector PIN ASDL EMPRESA OPTEK PART NUMBER OPF430 DESCRIPCIÓN fotodiodo PIN Longitud de onda nm Para aplicaciones típicas de corto alcance LAN Diseñado para ser usado con fibras ópticas multimodo. Pico de respuesta en longitud de onda: 860nm Capacidad de respuesta: Mínimo 0.45 A/W, Típico 0.55 A/W Corriente de oscuridad 0.1 na Tiempo de subida: 1 ns Operating Temperature Range:-60 C to +150 C; Voltaje inverso Vr: 100V Campo de visión 80 Empaquetado TO46 Tabla 18. Características del fotodetector PIN OPF430.
63 EMPRESA OPTEK, TEKCIEN PART NUMBER OP910W DESCRIPCIÓN precio Fotodiodo PIN Pico de respuesta en longitud de onda: 860nm Corriente de oscuridad 1 na Tiempo de subida: 10 ns Temperatura de operación Rango:-65 C a +125 C; Reverse Voltage Vr: 60V Empaquetado TO-46 $ pesos Tabla 19. Características del fotodetector PIN OP910W. EMPRESA HONEYWELL SENSING AND CONTROL PART NUMBER HDF DESCRIPCIÓN precio Pico de respuesta en longitud de onda: 860nm Capacidad de respuesta: Min 0.52 A/W, Típico 0.55 A/W Corriente de oscuridad 1 na, Máximo 5 na Tiempo de subida: 3.5 ns Voltaje inverso Vr: 50V Conector ST USD$48.46 por unidad Tabla 20. Características del fotodetector PIN HDF
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