Sistemas de Comunicaciones Ópticas. Prácticas de Laboratorio PRÁCTICA 6 MEDICIÓN DE LA ATENUACIÓN POR EL MÉTODO DE RETROESPARCIMIENTO (OTDR)

Transcripción

1 PRÁCTICA 6 MEDICIÓN DE LA ATENUACIÓN POR EL MÉTODO DE RETROESPARCIMIENTO (OTDR) Objetivo Aprender qué mediciones se pueden realizar con el equipo OTDR por el método de retroesparcimiento para identificar el estado del cable de fibra óptica, es decir, medir el coeficiente de atenuación a lo largo de una fibra óptica; pudiendo determinar la longitud de la misma, detectar la distribución de la atenuación a lo largo de la fibra óptica por la presencia de irregularidades ópticas y medir las pérdidas por conexiones, empalmes, interrupciones, etc., pudiendo localizarlas por la distancia. Además, emplear el equipo OTDR como fuente óptica para la medición del ensanchamiento de los pulsos ópticos debido a la dispersión sufrida por la señal óptica. Equipo Equipo OTDR. Carrete de cable óptico de 4 km de longitud de dos fibras ópticas multimodo de 62.5/125 μm, arreglado de un extremo con los conectores ópticos tipo ST. Equipo Analizador de Señal Óptica. Fibra óptica multimodo de 5 m con conectores tipo ST. Disolvente limpiador (alcohol isopropílico o etílico). Algodón. Antecedentes de teoría El equipo OTDR es una herramienta que permite la medición de la atenuación en decibeles contra la longitud de un cable de fibra óptica, mediante un tren de pulsos cortos y de alta potencia inyectado y detectado en el mismo extremo de la fibra. Su nombre proviene de sus siglas en inglés: Optical Time Domain Reflectometer, es decir, es un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo. El funcionamiento del OTDR está basado en el esparcimiento de Rayleigh y consiste en inyectar un pulso de luz monocromático a la fibra óptica, que ha pasado ya por un acoplador óptico direccional en la entrada de la fibra óptica y que hará que dicho pulso luminoso no afecte al receptor. En su trayectoria, dicho pulso sufrirá retrodifusiones provocadas por el esparcimiento de Rayleigh en una fibra óptica regular y por irregularidades, ondulaciones, curvaturas, empalmes, conectores, agrietamientos, 46

2 reflexiones en el extremo final, etc., lo cual se verá reflejado al tenerse una pérdida de potencia luminosa, es decir, se presentará una atenuación. Finalmente, cuando el pulso regresa al equipo, incidiendo sobre el acoplador óptico direccional, que hará que este pulso llegue al fotorreceptor donde se convertirá en una señal eléctrica, se amplifica y se procesa para después desplegar los resultados. Los bloques básicos de un OTDR se muestran en la figura 6.1, y son: 1. Fuente de emisión de pulsos láser; 2. Acoplador óptico direccional; 3. Conector de fibra óptica; 4. Fotorreceptor; 5. Amplificador; 6. Microprocesador; 7. Pantalla. Figura 6.1 Bloques básicos de un equipo OTDR. Como ya se mencionó, las mediciones se realizan en función del tiempo, por lo cual éstas se multiplican por la velocidad de la luz en la fibra para así obtener la distancia; y en función a la distancia, el OTDR calcula la potencia relativa de la señal retroesparcida en estudio. Con esta información el OTDR puede determinar: - Atenuación del enlace - Pérdidas por empalmes, conectores, defectos, etc. - Longitud de la fibra - Localización de empalmes, conectores, defectos, etc. Para que sea más claro el uso del OTDR, se recuerdan algunos conceptos. Se basa en el fenómeno de retroesparcimiento de Rayleigh, por lo que en cada punto de la fibra se esparce energía en el choque de la señal de impulso con impurezas y fluctuaciones del índice de refracción de menor tamaño que la longitud de onda en 47

3 propagación, de la que sólo una fracción se mantiene dentro del núcleo y puede regresar al origen de la fibra. Esta señal de regreso recibida en el origen de la fibra es una función del tiempo, así como de la distancia respectiva del origen al impulso que se está propagando por la fibra óptica: Vgt Vgτ Pr ( t) = P0Rα R exp( 2αz ) dz = P Rα R exp 2α 0 = 0.5ERα RVg exp( 2αz 2 ), (1) 2 donde: P 0 es la amplitud de la potencia del impulso de excitación, R es el coeficiente de potencia óptica esparcida que regresa al origen, α R es el coeficiente de atenuación debido al efecto Rayleigh, α es el coeficiente de atenuación total de la fibra óptica, z es la variable de distancia (z = V g t/2), t es la variable de tiempo, dz es la longitud de la sección elemental de la fibra óptica (dz = V g τ/2), V g es la velocidad media de grupo (V g =c/n 1 2x10 8 m/seg, para el cuarzo), c es la velocidad de la luz en el vacío, n 1 es el índice de refracción del núcleo de la fibra óptica, τ es la duración del impulso de excitación, E es la amplitud de la energía del impulso de excitación (E = P 0 τ). En un instante t determinado, contado a partir de la emisión del impulso, las potencias retroesparcidas en los puntos 1 y 2, situados a distancias respectivas z 1 y z 2 del origen serán: P = 0.5ERα v exp αz, (2) P ( ) 1 R g 2 2.5ERα Rv g exp 2 1 ( α ) = 0 z, (3) y el coeficiente de atenuación α de la fibra óptica entre los puntos 1 y 2 valdrá: log( P1 P2 ) db ( z z ) km 2 10 / α =. (4) La potencia del impulso retroesparcido está en proporción directa a la duración del impulso de excitación. Por esto, con el aumento de la duración del impulso crece el rango dinámico y exactitud de las medidas. Por otro lado, con el aumento de la duración del impulso se disminuye la resolución de distancia, que es peor para la localización de los defectos y conexiones en la fibra. Entonces existe un compromiso por la duración del impulso de excitación para cada caso particular de medida. Terminología básica A continuación se mencionan algunos de los términos más comúnmente utilizados en el análisis que se realiza con el equipo OTDR. 48

4 Retroesparcimiento. Es la señal proveniente de la fibra misma, ocasionada por el esparcimiento de Rayleigh, este último debido a pequeños cambios en el índice de refracción del material, reflejándose una parte de la señal al OTDR y causando un nivel de retroesparcimiento. Al medir este valor, el OTDR puede determinar las pérdidas introducidas a lo largo de la fibra por los cambios en el nivel de dicho valor. Rango dinámico. Este valor se refiere a la distancia dentro de la fibra en la que el OTDR puede medir. Si el OTDR no tiene un rango dinámico amplio, el nivel de retroesparcimiento alcanzará el nivel de ruido y eventos pequeños como los empalmes por fusión pueden permanecer ocultos. Resolución. Es la exactitud de la localización de los eventos en la fibra óptica o la medida de longitud del segmento de fibra óptica. Zonas muertas. Son "puntos ciegos", se le llama así a la longitud de la fibra que no puede ser analizada debido a que las reflexiones causadas por las conexiones y empalmes mecánicos tienden a saturar el receptor del OTDR. Lo mejor para un OTDR sería tener una zona muerta lo más pequeña posible, para lo cual se puede modificar el ancho del pulso emitido, lo que también afectará el rango dinámico. Eventos. Son fenómenos o procesos que ocurren dentro de la fibra, que modifican la forma de propagación de la luz y que se pueden detectar. En la figura 6.2 se observa cómo se pueden localizar algunos de estos eventos básicos cuando se grafica la potencia retroesparcida contra la distancia del cable de fibra óptica. Eventos reflexivos. Los conectores, empalmes mecánicos y fisuras en la fibra producen tanto pérdidas como reflexiones. Se presentan cuando existe una discontinuidad abrupta en el índice de refracción. Estos eventos se identifican fácilmente por un pico, seguido de una atenuación. Las pérdidas se determinan por la diferencia de retroesparcimiento, mientras las reflexiones se determinan por la amplitud de la reflexión por encima del retroesparcimiento. Eventos no reflexivos. Los empalmes por fusión y los dobleces producen pérdidas, pero no reflexiones, y se despliegan en la pantalla del OTDR como una caída repentina de retroesparcimiento. También se les conoce como eventos tipo escalón. Evento positivo. Indica una ganancia aparente, pero es debida a la unión de dos segmentos de fibra con coeficientes de difusión de Rayleigh diferentes. Fibra continua. Aparece cuando el rango definido es más corto que la fibra bajo prueba. Final de prueba. Sucede cuando el ancho del pulso no tiene un rango dinámico suficientemente grande como para llegar al final de la fibra. Segmento de fibra. Es una región sin eventos. 49

5 Para el desarrollo de esta práctica se utilizará un mini-otdr de EXFO, modelo FTB- 230, con tarjeta de OTDR modelo 7212C/D para fibra óptica multimodo. Tiene una pantalla de control táctil. Los parámetros principales se ajustan automáticamente. Puede usarse con dos longitudes de onda. También cuenta con la facilidad de poder imprimir los resultados de las pruebas. Tiene una resolución en atenuación de 0.02 db, una resolución en distancia de aproximadamente 1 m, un rango de distancia hasta 40 km, y zonas muertas de 5 m. Figura 6.2 Gráfica de potencia reflejada vs distancia, en donde se observan algunos eventos que puede presentar un cable de fibra óptica. Desarrollo Medición de la atenuación y análisis de los eventos 1. Limpiar el conector de un extremo de fibra del cable óptico de 4 km de longitud con un trozo de algodón mojado en alcohol. 2. Conectar la fibra al OTDR. 3. Configurar al OTDR en el modo experto con los parámetros adecuados: λ = 850 nm, rango = 10 km, ancho de pulso = 30 ns, tiempo = 1 minuto. 4. Obtener en la pantalla del OTDR la gráfica correspondiente a una fibra sin uniones ni empalmes, con una longitud de 4 km. 50

6 5. Cambiar la longitud de onda a 1300 nm y repetir el punto Realizar la medición de una unión preparada por la brigada que esté realizando la práctica de empalme por fusión, con las fibras, pero sin fusión entre ellas, sólo colocándolas de manera unida, para λ = 850 nm y λ = 1300 nm. 7. Realizar la medición de las fibras con la fusión mediante la microempalmadora para λ = 850 nm y λ = 1300 nm, es decir, con la cooperación de la brigada que esté realizando la práctica de empalme por fusión. 8. Realizar la medición de las fibras con la unión mediante los conectores ópticos, es decir, con la cooperación de la brigada que esté realizando la práctica de medición de la atenuación por el método de las pérdidas de inserción, para λ = 850 nm y λ = 1300 nm. 9. Imprimir los reportes de las mediciones realizadas con el equipo OTDR en los puntos 6 a 8. Medición del ensanchamiento de los pulsos ópticos 10. Limpiar los conectores de los extremos de fibra del cable óptico de 5 m de longitud con un trozo de algodón mojado en alcohol. 11. Conectar un extremo de la fibra al OTDR y el otro a la entrada óptica del Analizador de Señal Óptica. No introducir completamente el conector a la entrada óptica del Analizador ya que el pulso óptico es de alta potencia y este equipo se puede saturar con el nivel de potencia. 12. Configurar al OTDR en el modo experto con los siguientes parámetros: λ = 850 nm, rango = 10 km, ancho de pulso = 10 ns, tiempo = 3 minutos. Comenzar la emisión del láser. 13. Ajustar los controles del Analizador de Señal Óptica para que el pulso ocupe la mayor parte de la pantalla. 14. Medir el Ancho Completo a la Mitad del Máximo (este parámetro es conocido en inglés como Full-Width at Half-Maximum - FWHM). 15. Repetir los pasos 12 a 14 pero con una longitud de onda de λ = 1300 nm. 16. Cambiar el cable de 5 m por el cable de aproximadamente 8 km (es el cable de las fibras empalmadas por fusión de arco eléctrico, empalmadas por la brigada que está realizando la práctica de empalme por fusión), y repetir los pasos 10 a 15. Ahora sí se puede introducir por completo el conector a la entrada óptica del Analizador sin que se sature este equipo. Resultados Además de la descripción del desarrollo de la práctica, deberá incluirse en el reporte: 1. Los reportes del OTDR de las mediciones de atenuación de las fibras ópticas unidas antes de empalmar y las empalmadas, hechas en cooperación con la brigada que está realizando el empalme por fusión de arco eléctrico. 2. Los reportes del OTDR de las mediciones de atenuación de las fibras ópticas unidas por medio de los conectores ópticos, hechas en cooperación con la brigada 51

7 que está realizando la medición de la atenuación por el método de las pérdidas de inserción. 3. La descripción y análisis completo de los resultados de la medición presentados en los reportes del OTDR, incluyendo la descripción de los eventos observados. 4. El coeficiente de atenuación α y el cálculo de la incertidumbre total Δα de este coeficiente, obtenidos por el método del OTDR, de cada una de las fibras ópticas (marcada y no marcada) empleadas en el punto 6 del desarrollo de la práctica, para las dos longitudes de onda (850 nm y 1300nm). Para encontrar la incertidumbre Δα, tomar en cuenta que α = A/L y que las incertidumbres de las variables son: ΔA = 0.02 db y ΔL = (1m L[m]). 5. La descripción teórica de un evento positivo con la propuesta de un método de solución del problema de medición correcta de pérdidas en este caso (por medio del mismo equipo OTDR). 6. Con las mediciones del ancho de los pulsos y considerando que la dispersión en la fibra de 5 m es despreciable, calcular el tiempo que se ensanchan los pulsos por unidad de longitud (km) a las dos longitudes de onda (850 nm y 1300 nm). 7. Las conclusiones generales de la práctica y sobre la incertidumbre del método de retroesparcimiento. Material didáctico 1. ToolBox 4.3 Software de aplicación OTDR, Manual de instrucciones, EXFO Electro- Optical Engineering Inc., FTB-250 OTDR Option specifications, Model 212C/D-74, EXFO Electro-Optical Engineering Inc.,