Medición de la apertura numérica

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1 Práctica 3 Medición de la apertura numérica OBJETIVOS 1. Medir la apertura numérica de la fibra por medio de dos métodos. 2. Obtener la grafica de la luz confinada en la fibra con respecto del seno del ángulo de incidencia INTRODUCCION La estructura básica de una fibra óptica son dos cilindros concéntricos, ambos de un material cristalino con base en el silicio y de diferentes índices de refracción. Como se explica en la práctica anterior, al cilindro central se le llama núcleo y tiene índice de refracción n 1 y el cilindro exterior es la cubierta con índice n 2. Cuando se hace incidir luz en un extremo de la fibra, el haz luminoso pasa de un medio (aire, n 0 1) a otro (núcleo n 1 ) con índices de refracción diferentes. Según la ley de Snell, la dirección de este haz luminoso va a cambiar. Una forma de mostrarlo gráficamente es utilizando teoría de rayos, en donde tomaremos un rayo como un línea en el espacio donde la dirección corresponde al flujo de la energía radiante, como se puede observar en la figura 3.1. El cambio de dirección de la luz esta por la siguiente ecuación: n (1) 0sen 0 n1sen 1 Rayo A n 0 1 C Rayo B Rayo C n 1 n 2 0 A Fig. 3.1 Propagación de rayos en la fibra óptica Existen rayos que saldrán de la fibra (rayo A), y otros se propagarán dentro de ella (rayo B y C), esto depende del ángulo de incidencia y de los índices de refracción de los materiales de la cubierta y el núcleo. Al ángulo límite entre un caso y otro se le llama El índice de refracción es una característica del material, relacionada directamente con la permitividad y permeabilidad del medio. También está definido como la relación de velocidades de una onda de luz en el propio medio y en el vacío.

2 ángulo crítico c. Los rayos que lleguen a la interfaz núcleo-cubierta con este ángulo (rayo C), se propagarán en el límite entre las dos superficies, de esta forma se produce la reflexión total interna. Una condición para que este fenómeno suceda es que el índice de refracción del medio incidente sea mayor que el del segundo medio; esto significa que en una fibra óptica el índice del núcleo siempre es mayor que el de la cubierta. Además aplicando la ley de Snell en ambas interfaces aire-núcleo y núcleo-cubierta se encuentra que el ángulo de aceptancia A y el crítico se relacionan de la siguiente forma: n 0sen A n1sen( 90 C) n1 cos C (2) El ángulo de aceptancia forma un cono llamado cono de aceptancia, que muestra claramente que todos los rayos dentro de este, serán confinados con éxito dentro de la fibra. La apertura numérica (NA) es un parámetro que cuantifica la habilidad de una fibra óptica para captar luz, por lo tanto esta relacionada directamente con el tamaño del cono de aceptancia. La expresión matemática de la apertura numérica se describe en la siguiente ecuación. AN sen 2 2 A n 1 cos c n 1 n 2 (3) El concepto de apertura numérica se usa para describir la potencia colectora de luz de la fibra y para calcular la eficiencia de acoplo fuente-fibra. Los valores típicos para la AN son de 0.1 para fibras monomodo y de para multimodo en aplicaciones de comunicaciones. Para aplicaciones específicas existen fibras con valores de 0.5. Algunas observaciones importantes sobre este parámetro son: 1. Una AN alta capta más luz en la fibra, sin embargo se reduce el ancho de banda de la misma, entonces una AN baja incrementa el ancho de banda de la fibra. 2. Una AN grande hace más fácil el acoplamiento fuente-fibra. 3. Una AN grande permite una dispersión modal mayor permitiendo más modos en los que la luz puede viajar, y viceversa, una AN pequeña reduce la dispersión limitando el número de modos. Para medir la AN basta con encontrar el ángulo de aceptancia de la fibra. Para tal propósito se deja la fibra fija y se mueve la fuente luminosa (Fig. 3.2 (a)) o bien se deja fija la fuente y se mueve la fibra óptica (Fig. 3.2 (b)).

3 Potencia aceptada normalizada Fuente Fuente Fibra Fibra a) b) Fig. 3.2 Arreglos para la obtención del ángulo de aceptancia: a)tamaño del haz de luz aproximado al diámetro del núcleo la fibra, b)tamaño del haz mucho mayor que el diámetro del núcleo. La decisión del arreglo que se utilice queda en función del tamaño del haz luminoso de la fuente con respecto del tamaño de la fibra. Con cualquiera de los arreglos mostrados en la Fig. 3.2 podemos medir la cantidad de luz aceptada por la fibra como una función del ángulo incidente. Una gráfica típica de estos datos se presenta en la figura 3.3. Fig. 3.3 Gráfica de potencia aceptada contra el seno del ángulo de aceptancia Para calcular el ángulo de aceptancia a partir de esta gráfica se toman dos límites, determinados por el punto en donde la potencia aceptada a caído un 5% de su valor máximo. El rango de ángulos encontrado se divide a la mitad y con este dato podemos calcular la apertura numérica de forma experimental. Existe otro método para calcular la apertura numérica de la fibra. Este método es mucho más sencillo y rápido, pero no es exacto. Solo se utiliza cuando se necesita una aproximación de la A.N. de la fibra. Este consiste en medir el ancho del haz luminoso que emana del extremo de la fibra, y la distancia a la que es medido, como se puede observar en la figura 3.4.

4 W L Fig. 3.4 Medición aproximada de la A.N. de la fibra. PROCEDIMIENTO EQUIPO Y MATERIAL REQUERIDO NOTA: En el apéndice del presente manual puede encontrar las fotografías del equipo con sus respectivos nombres y modelo. Modelo Descripción F-MLD Fiber, 100/140 MM, 50 m Fibra multimodo Cloruro de Metileno F-CL1 Fiber cleaver Clivador de fibra F-CC-140 Connector halves, for F-MLD Conector medio para fibra CL200 Fiber Microscope Microscopio SG-22-2 Breadboard, 2 ft x 2 ft Mesa de trabajo LHRP Laser, HeNe 1.5 mw, 500:1 Polarization Láser de HeNe de 1.5mW, Polarización 500:1 ULM Laser mount Montura del láser 340-RC Rod Clamp Abrazadera de barra 41 Short rod Barra corta 1815-C Optical Power Meter Medidor de potencia óptica FK-BLX Balldriver L-Allen Wrench Juego de llaves L-Allen Set SK-25ª Screw Kit, ¼-20 Equipo de tornillos 1/4-20 SK-08ª Screw Kit, 8-32 Equipo de tornillos 8-32 RSP-1T Rotation Stage, 1" Plataforma giratoria 1" MPH-1 Post Holder Retenedor de poste MSP-1 1" Micro Series Post Poste de 1" VPH-2 2 in. Post Holder Retenedor de poste de 2" SP-2 2 in. Post Poste de 2" FP-1 Fiber Positioner Posicionador de fibra BASES TEORICAS NECESARIAS Para el buen desarrollo experimental de esta práctica y el logro de los bjetivos de la misma, se sugiere que el alumno tenga conocimiento de los siguientes temas: - Trazo de rayos (Optica geométrica) - Ley de reflexion y refracción, leyes de Snell - Reflexión total interna - Propagación de la luz en la fibra óptica - Hoja de especificaciones de la Fibra utilizada

5 Experimento I.- Medición de la apertura numérica. 1. Se realizará el armado del experimento y el alineamiento del láser de la siguiente manera: a. Atornille el montaje del láser modelo ULM a la abrazadera de barra modelo 340-RC, utilizando el equipo de tornillos 1/4-20 del modelo SK- 25A. Coloque la abrazadera de barra en la barra corta modelo 41. b. Coloque todo esto sobre la mesa de trabajo modelo SG Coloque el Láser HeNe modelo LHRP-0151 dentro del montaje del láser y apriete cuidadosamente los tonillos para no dañar el láser. Conecte la fuente de poder del láser a 115V. El láser se enciende con la llave del interruptor en la parte frontal de la fuente de poder. c. El alineamiento y la colocación se realiza de tal forma que quede paralelo a una línea de agujeros en la mesa de trabajo. Esto significa que el haz de luz que sale del láser debe mantener la misma altura y posición horizontal hasta el otro extremo de la mesa. Verifique la altura de la alineación colocando provisionalmente la plataforma giratoria modelo RSP-1T. 2. Coloque la plataforma giratoria modelo RSP-1T en la mesa de trabajo de manera que el haz del láser pase sobre el centro de la cavidad de la plataforma. El RSP- 1T tendrá que ser colocado en esquina a la línea de agujeros, tal como se muestra en la Figura 3.5. Fije esta plataforma utilizando el retenedor de poste modelo MPH-1 sobre la plataforma giratoria, un tornillo del modelo SK-08A para colocar el retenedor de poste y el Micro Serie Poste de 1" en el MPH-1. Figura 3.5 Arreglo de laboratorio para determinar la AN. 3. Prepare un segmento de fibra, aproximadamente de 2 metros de longitud, con un buen corte en cada extremo. Inserte uno de los extremos de la fibra dentro del FPH-S (necesitara al menos 7 8 cm de la fibra sin la cubierta exterior para realizar este paso y los que siguen) y colóquelo dentro del posicionador de fibra modelo FP-1. El cual debió haber sido montado en la plataforma giratoria, usando el retenedor de poste (MPH-1) y el Micro Serie Poste de 1" (MSP-1). 4. Oriente el posicionador de fibra (FP-1) para que la punta de la fibra esté en el centro de la plataforma giratoria. Este es un paso crítico para obtener un valor exacto de la AN de la fibra (ver figura 3.5).

6 Figura 3.6 La punta de la fibra está en el centro de la plataforma giratoria. 5. Revise la alineación de su sistema de luz asegurándose que la punta de la fibra permanezca en el centro del haz de láser cuando se gira la plataforma. Esta preparación logra una señal plana en el extremo de la fibra. Coloque el otro extremo de la fibra en un retenedor de fibra (FPH-S) y después colóquelo en un posicionador de fibra (FP-1). 6. Coloque el medidor de potencia óptica (1815-C) para que el haz de salida de la fibra incida sobre la cabeza del detector, como se muestra en la figura 3.7. Haga una capucha de aluminio para que no incida la luz del cuarto en el detector. Encontrará esto necesario, porque el nivel de potencia obtenido en la señal plana arrojado es muy pequeño. Bloqueé el haz del láser y anote la potencia que marca el medidor de potencia óptico y realice una resta de esta cantidad a todos sus datos. Figura 3.7 Arreglo para el medidor de potencia óptica. 7. Ajuste todo el sistema de tal forma que se obtenga la máxima lectura del medidor. Mida la potencia aceptada por la fibra como una función del ángulo incidente y el haz de la señal. Utilice direcciones de rotación tanto positivas como negativas, es decir tome datos moviendo la plataforma giratoria primero con dirección de las manecillas del reloj hasta los 20 grados y en seguida en contra de las manecillas del reloj, tambien hasta completar los 20 grados. Esto con el propósito de compensar cualquier error en la alineación del láser.

7 Una vez que todo el montaje a quedado terminado complete la siguiente tabla: Ángulo de incidencia Potencia medida Potencia de error Potencia Real del haz del laser ( ) ( W) ( W) ( W) Sen i Potencia Aceptada (%) Grafique la potencia recibida por el detector como una función del seno del ángulo aceptado. Bosqueje esta gráfica en el siguiente espacio:

8 Potencia Aceptada (%) Sin Oi Figura 3.8 Gráfica de los datos tomados en las mediciones de la AN de la fibra F-MLD de Newport. 9. Con los datos obtenidos calcule la apertura numérica de la fibra. AN = Experimento II.- Medición rápida de la apertura numérica. 10. Con el mismo arreglo sobre la mesa de trabajo: a. Coloque el sistema de tal forma que se obtenga la máxima lectura de potencia de salida b. Quite el medidor de potencia óptica y la cubierta de papel aluminio 11. Haga incidir el haz que emana del extremo de la fibra sobre la tarjeta F-IRC1 colocada a una distancia L del láser procurando que el ambiente sea lo más oscuro posible 12. Mida el ancho W, del haz sobre la tarjeta, y la distancia L del punto de salida de la fibra a la tarjeta. La AN de la fibra es aproximadamente sin -1 (1/2 w/l). Este es un método rápido que se usa únicamente cuando se necesita una medición aproximada de la AN de la fibra. 13. Conteste las siguientes preguntas: AN = Por qué se considera poco exacto el segundo método para medir la AN? Justifique la fórmula del segundo método para calcular la AN

9 Explique como calculo la AN en el experimento I La gráfica de la figura 3.8, tiene la forma esperada? Porque? Los resultados obtenidos concuerdan con el valor de la AN de las especificaciones del fabricante? 14. Realice la CONCLUSION de esta práctica. BIBLIOGRAFÍA [1] Newport Corporation. PROJECTS IN FIBER OPTICS Applications Handbook [2] OPTICA; Hecht Zajac; USA; Addison-Wesley Iberoamericana; [3] FIBER OPTICS COMMUNICATION AND OTHER APPLICATIONS; Henry Zanger, Cynthia Zanger; USA; Macmillan Publishing Company,1991.

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