Transmisión de una señal por fibra óptica

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1 PRÁCTICA 6 Transmisión de una señal por fibra óptica 1º INTRODUCCIÓN. En esta práctica haremos uso diversos tipos de fibra óptica para transmitir luz entre un fotoemisor y un fotodetector. Con este fin utilizaremos un equipo experimental para el entrenamiento y aprendizaje de comunicaciones ópticas fabricado por la empresa PROMAX. Este equipo consta de un módulo emisor con diferentes tipos de fotoemisores y un módulo receptor con distintos fotodetectores. El primer paso es pues familiarizarse con estos equipos, para lo cual es necesario leer con atención la documentación que se adjunta como anexo a este guión. En esta documentación se incluye entre las páginas 9 y 12 una descripción del módulo emisor, entre las páginas 13 y 18 una descripción del módulo detector, y entre las páginas 19 a 29 un resumen de las especificaciones técnicas del emisor, del receptor, y de los accesorios y fibras ópticas incluidos. Se recomienda dividir el trabajo entre los miembros del grupo de prácticas, de modo que por ejemplo alguien se encargue de especializarse en el emisor y otro en el receptor. De esta forma, trabajando como un equipo se logrará mayor eficacia y rendimiento. La documentación mencionada en el párrafo anterior debe estudiarse con detenimiento con anterioridad a la realización de la práctica. De este modo, una vez en el laboratorio tan sólo será necesario dedicar unos 20 minutos a familiarizarse con los equipos e identificar los distintos controles y dispositivos mencionados en la documentación. Se recomienda seguir el mismo criterio de especialización en el reparto del trabajo también durante la realización de la práctica. Las fibras suministradas con el equipo son del tipo 975/1000 µm con conectores ST. El primer número indica el diámetro interior de la fibra y el segundo número el diámetro del recubrimiento. Estas fibras son especialmente adecuadas para la realización de experimentos didácticos debido a que con su elevado diámetro transmiten una gran cantidad de luz. Sin embargo no son el tipo de fibra habitualmente utilizado en las redes de comunicaciones, donde se suelen emplear fibras de 8.3/125 µm o de 50/125 µm y 62.5/125 µm según la aplicación. Por este motivo disponemos en el laboratorio de varias fibras de estos dos últimos tipos, que puede ser interesante usar en algún momento de la práctica para familiarizarse con las fibras utilizadas para telecomunicaciones en la vida real. En la documentación anexa se

2 incluye la hoja del informe de atenuación de dichas fibras realizado por la empresa suministradora. 2º OBSERVACIONES. Es muy importante tener siempre presentes las siguientes observaciones: A) Inicio, conexión y desconexión..- Antes de conectar o desconectar el módulo emisor o el receptor asegúrese de que todos los potenciómetros estén situados en su posición de cero y de que no haya ningún fotoemisor seleccionado, es decir, que todos los fotoemisores estén desactivados. Con esto se pretende evitar que un pico de corriente durante los transitorios de conexión o desconexión pueda dañar a alguno de los diodos. Por la misma razón, al cambiar la selección de fotoemisor en cualquiera de los dos canales es importante asegurarse de que el correspondiente potenciómetro que regula la intensidad de corriente que va a circular por él esté en cero, o dicho de otro modo, cuando se cambia de fotemisor en un canal hay que poner la intensidad a cero..- Cuando se ajusta en el emisor la corriente de polarización I bias, la ganancia (gain) debe estar en su posición mínima, salvo que se especifique otra cosa. B) Cuidado y precauciones..- Extremar el cuidado al conectar y desconectar las fibras de los fotodetectores y fotoemisores. No forzar los conectores ni las fibras: no doblarlos demasiado, no tirar de ellos, y en general tratar todo el material con el máximo cuidado..- Los conectores de las fibras ópticas deben limpiarse periódicamente y protegerse contra los rasguños mediante las cubiertas protectoras. Para la limpieza de estos conectores se dispone de paños antiestáticos y alcohol isopropílico..- Los fotodiodos y fotoemisores que no se utilicen deben protegerse contra rasguños mediante la cubierta protectora..- Cuando no se especifique, se sobreentiende que el latiguillo de fibra óptica que hay que emplear es uno de los que tienen 1 m de longitud. C) El diodo láser..- Debido a la propia naturaleza del láser, cuando se opera sin realimentación la emisión óptica no es estable a causa del efecto del calentamiento. Por ello se recomienda, 2

3 siempre que no se indique lo contrario, operar con el láser realimentado para estabilizar la potencia emitida..- Hay que tener en cuenta que la realimentación del láser únicamente puede activarse cuando está seleccionado en el canal 2, y no en el canal 1..- Cuando se supera la potencia óptica máxima del láser, se activa una protección que reduce permanentemente la emisión óptica a un nivel muy bajo. Para desbloquear la protección del láser hay que desconectar y volver a conectar la alimentación del equipo emisor. D) Medidor de potencia óptica..- Al realizar la medida de potencia en el receptor hay que tener presente que la longitud de onda seleccionada corresponda con la longitud de onda del fotoemisor..- La lectura de potencia del medidor de potencia óptica en los modos analog y digital es meramente orientativa. Para obtener una buena medida de potencia óptica hay que seleccionar el modo DC..- En el modo de medida DC las salidas analog y digital permanecen inactivas para optimizar las prestaciones del medidor..- En el modo de medida de 1 khz del medidor de potencia se indica la potencia óptica de la componente de 1 khz que llega al fotodetector seleccionado en el canal analógico..- En todos los modos a excepción del modo 1 khz la medida de potencia se realiza sobre el valor medio de la señal óptica recibida. En el modo 1kHz la medida de potencia se efectúa sobre el valor pico a pico de la componente fundamental de 1 khz captada por el fotodetector seleccionado en el canal analógico. Consecuentemente la medida en dbm en el modo 1 khz está referida a 1 mw de potencia pico a pico de una señal senoidal pura de 1 khz. E) Fotodetectores..- Al seleccionar un fotodetector hay que tener en cuenta si su sensibilidad (A/W) es adecuada para la longitud de onda de la luz transmitida, pues si la sensibilidad es muy reducida se obtendrá una relación señal/ruido muy baja..- En el fotodiodo de avalancha (APD) la corriente eléctrica aumenta geométricamente con la tensión inversa aplicada. En consecuencia, si ésta es elevada se saturará la etapa de entrada..- La medida de potencia realizada con el fotodiodo de avalancha (APD) no es 3

4 comparable a la efectuada con los otros foto-receptores debido a que el área sensible de este elemento es muy reducida (diámetro 0.1 mm), por lo que sólo una fracción de la energía incidente es captada por la superficie fotosensible. 3º REALIZACIÓN Medida de la potencia óptica. Mediante distintos fotodetectores de diferentes áreas fotosensibles se medirá la potencia óptica emitida por un LED y transmitida por la fibra. Para ello realizar la siguiente selección:.- En el emisor: - Entrada DC en el canal 1. - Medida de la intensidad de corriente para el dispositivo seleccionado en el canal 1. - Salida óptica: fotoemisor nº3 (LED 660 nm) para el canal 1..- En el receptor: - Modo de medición de potencia óptica: DC. - Entrada óptica: fotodetector nº1 (fotodiodo de silicio de 1 mm de lado). - Longitud de onda: 660 nm. Incremente la corriente de polarización I bias del fotoemisor hasta aproximadamente 11 ma y observe visualmente cómo aumenta la intensidad de la luz emitida al elevar la corriente. Conecte mediante un latiguillo de fibra óptica la salida del emisor y la entrada del receptor correspondientes. Mida la potencia recibida en el fotodetector nº1 (fotodiodo p-i-n de silicio, dimensiones: 1 mm de lado) en W y en dbm. Recuerde que la potencia en dbm es la potencia en decibelios respecto a una referencia de 1 mw, es decir, P dbm =10log(P/1mW). En general, para realizar medidas de potencia óptica son más adecuados los fotodetectores de área grande, ya que captan toda (o la mayor parte) de la luz transmitida por la fibra, mientras que los fotodetectores con un área menor son más apropiados para la transmisión y comunicación de datos, ya que al ser más pequeños su capacidad es menor y responden con una velocidad más elevada a la modulación de la luz Medida de la atenuación de la fibra óptica mediante el método de pérdidas por inserción. Comience realizando las siguientes selecciones: 4

5 .- En el emisor: Entrada DC en el canal 1. Medida de la intensidad de corriente para el dispositivo seleccionado en el canal 1. Salida óptica: fotoemisor nº3 (LED 660 nm) para el canal 1..- En el receptor: Modo de medición de potencia óptica: DC. Entrada óptica: fotodetector nº1 (fotodiodo de silicio de 1 mm). Longitud de onda: 660 nm. Conecte mediante un latiguillo de fibra óptica las correspondientes salida del emisor y entrada del receptor. Fije en el emisor una corriente de polarización I bias de aproximadamente 11 ma. Establezca la potencia óptica recib ida en el fotodetector como valor de referencia mediante una pulsación larga en el pulsador reference. Esto significa que las lecturas de potencia irán referidas a partir de ahora a la potencia recibida en el instante en que se oprimió el pulsador. Sustituya el latiguillo por la fibra óptica de 50 m. La potencia relativa que nos dé el medidor nos indicará las pérdidas producidas en la fibra óptica de 50 m, por lo que dividiendo el resultado entre 50 m obtendremos la atenuación en decibelios por metro. Realmente, para ser exactos, deberíamos tener en cuenta que esa potencia relativa nos da las pérdidas en 49 m de fibra en lugar de 50 m, pues la medida de referencia se hizo con un latiguillo de 1 m, pero podemos ignorar la atenuación en 1 m frente a 50. Asimismo se ha supuesto que las pérdidas por reflexión en las conexiones de los extremos son las mismas en ambos casos Dependencia espectral de la atenuación de la fibra óptica. Para medir la dependencia de la atenuación de la fibra con la frecuencia (o longitud de onda de la luz) empezaremos realizando las siguientes selecciones:.- En el emisor: Entrada DC en el canal 1. Medida de la intensidad de corriente para el dispositivo seleccionado en el canal 1. Salida óptica: fotoemisor nº1 (LED 526 nm) para el canal 1..- En el receptor: Modo de medición de potencia óptica DC. Entrada óptica: fotodetector nº1 (fotodiodo de silicio de 2.5 mm). Longitud de onda: 526 nm. Conecte mediante un latiguillo de fibra óptica la salida del emisor con la entrada del receptor y aplique una corriente I bias de 15 ma al LED emisor. Establezca como valor de referencia la potencia medida en el detector mediante una pulsación larga en el botón reference. A continuación sustituya el latiguillo por la fibra de 50 m y lea en el medidor de potencia las correspondientes pérdidas. Dividiendo por 50 m obtendremos las pérdidas en 5

6 decibelios por metro. Repita la misma operación con los fotoemisores nº 2 (LED ambar), nº 3 (LED rojo) y nº 4 (LED infrarrojo), polarizándolos con el máximo valor de la corriente que para cada uno de ellos se indica en las hojas de especificaciones. Finalmente, para el fotoemisor nº 6 (LED que emite a 1300 nm), tenemos que seguir un procedimiento ligeramente diferente debido a dos motivos. Primero porque para esta longitud de onda dentro del infrarrojo la sensibilidad de los fotodiodos de silicio es muy pequeña (la energía de los fotones para esta longitud de onda es inferior al gap del silicio), de modo que utilizaremos el fotodiodo nº 2, que al ser de InGaAs tiene un gap más pequeño. Y el segundo motivo es que la atenuación de la fibra óptica que estamos utilizando es muy grande a esa longitud de onda (véase la curva de atenuación de la fibra incluida como anexo junto a la documentación), de forma que si utilizáramos la fibra de 50 m prácticamente no llegaría luz al detector. Para solucionar este segundo problema usaremos un segundo latiguillo de 1 m conectado con el primero en lugar de los 50 m de fibra. Por consiguiente, conecte primero el fotoemisor nº6 con el fotodetector nº2 mediante un latiguillo de 1 m y aplique el máximo valor de corriente permitido a través del LED. Establezca la potencia detectada como referencia y a continuación añada un segundo latiguillo con ayuda de un adaptador ST-ST. La nueva lectura de potencia relativa será la potencia perdida en 1 m de fibra, y por tanto es directamente el valor de pérdidas en db/m (se supone que las pérdidas en la conexión ST-ST son despreciables frente a este valor). Una vez que tenemos la atenuación específica α (db/m) para los cinco valores de longitud de onda realice una gráfica de α frente a λ Característica P-I de los fotoemisores. En esta última parte estudiaremos las características de potencia emitida (P) frente a intensidad de corriente (I) para el LED nº 3 (rojo) y para el diodo láser (fotoemisor nº 5). Lo más interesante será comparar la característica del láser con la del LED para ilustrar el concepto de corriente umbral en el láser. Como fotodetector usaremos el fotodiodo n º1. Comencemos realizando las siguientes selecciones:.- En el emisor: Entrada DC en el canal 1. Medida de la intensidad de corriente para el dispositivo seleccionado en el canal 1. Salida óptica: fotoemisor nº 3 (LED 660 nm) para el canal 1..- En el receptor: Modo de medición de potencia óptica DC. Entrada óptica: fotodetector nº1 (fotodiodo de silicio de 1 mm). Longitud de onda: 660 nm. 6

7 Conectemos mediante un latiguillo de fibra óptica las respectivas salidas y entradas del emisor y el receptor. Para medir la característica P-I aumentemos la corriente I bias del fotoemisor desde su valor mínimo hasta su valor máximo en incrementos de 2 ma mientras vamos anotando las correspondientes medidas de potencia. Repita el mismo procedimiento para el fotoemisor nº 5 (láser 650 nm). En este caso efectuar incrementos de 1 ma con objeto de observar con detalle la zona umbral (como es lógico, esto significa que en estas medidas el láser se utiliza sin la realimentación). Realice una representación gráfica de la potencia P recibida en el fotodiodo frente a la corriente I bias y compare las respuestas de los dos dispositivos. 4º APLICACIÓN PRÁCTICA. Como aplicación práctica vamos a transmitir una señal analógica de audio desde el emisor al receptor. Utilizaremos la salida de auriculares de una radio o radio-cassette como fuente de señal. En el receptor deberemos ser capaces de escuchar esta señal utilizando el altavoz incorporado con el equipo o bien un altavoz externo conectado a la salida analógica. Seleccione la entrada DC en el canal 1 e introduzca la señal del radio-cassette por el correspondiente conector. Active la medida de corriente (ma) para el canal 1 y la salida óptica de este canal hacia el fotoemisor nº 4 (LED infrarrojo con emisión en 850 nm). Una mediante fibra óptica ese fotoemisor con el fotodetector nº 1 (fotodiodo de silicio de 1 mm). Seleccione en el receptor el modo analógico y la entrada correspondiente al fotodetector nº 1. Conecte un canal del osciloscopio al punto de test TP10 del emisor para observar la corriente que circula por el fotoemisor (no olvide conectar la tierra de la sonda a alguno de los puntos etiquetados como tierra). Ajuste el potenciómetro de corriente de polarización hasta la mitad de su recorrido. Regule el potenciómetro de ganancia observando la señal en el osciloscopio hasta obtener la máxima excursión sin distorsión. En el receptor active el filtro de 100 khz mediante el interruptor S1(2). Seleccione acoplamiento AC mediante el interruptor S3(1). El interruptor S3(2) debe estar en la posición U y el potenciómetro P2 (position) en cero. Respecto al interruptor S2(1) que controla la impedancia de salida, debe estar en la posición de baja impedancia (75 Ω) si se va a utilizar un altavoz externo. Utilice el segundo canal del osciloscopio para ver la señal en la salida analógica o bien en el punto de test TP11. Con ayuda del osciloscopio ajuste la ganancia del amplificador del receptor (potenciómetro P1) de forma que la señal no distorsione la salida analógica. Regule el potenciómetro de volumen del altavoz incorporado para escuchar la señal 7

8 de audio. También puede conectar un altavoz en la salida de auriculares o en la salida analógica (en este último caso el altavoz necesita incorporar un amplificador de audio). ANEXO: EJEMPLO DE GRÁFICAS OBTENIDAS EN APARTADOS 3.3. Y 3.4. α (db/m) 16 Atenuacion especifica λ (nm) Fotoemisor nº5. LASER rojo 650nm Fotoemisor nº3. LED rojo 660nm P 650nm (µw) P 660nm (µw) I bias (ma) I bias (ma) 8