Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas

Transcripción

1 I Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas El objetivo de esta práctica es que el alumno caracterice la respuesta en continua de los elementos básicos de un enlace de comunicaciones ópticas: emisores, fibra óptica y detectores. Para ello será necesario que se familiarice previamente con la instrumentación que utilizará en las prácticas del laboratorio. Se medirá la característica Potencia Óptica - Corriente de un LED y de un Diodo Láser, se determinará la atenuación de la fibra óptica y se medirá la respuesta de fotodiodos PIN, con o sin etapa de amplificación. MATEIAL NECESAIO Caja de emisores Caja de detectores Medidor de potencia óptica () Latiguillo de fibra MM Carrete de fibra MM aprox. 5 km 2 Polímetros y sus bananas Acoplador 2x2 Cable BNC-bipolar

2 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica I.0. I.0.1. INTODUCCIÓN Equipamiento básico El equipamiento básico de un puesto está formado por tres unidades ("cajas") conteniendo los dispositivos (Fig. I.1). Identifique los distintos elementos de la lista en su puesto: Caja de emisores: Fuentes ópticas con entrada de modulación digital y analógica (ANALOG_IN, DIGITA_IN) Salida a fibra de plástico: LED 650 nm Salida a conector LED 820 nm LED 1300 nm Ambos con opción de aplicar el driver de modulación digital o analógica siendo los modos de polarización distintos AN. (modulación Analógica) DIG. (modulación Digital) LD 1300nm (sólo modulación analógica) Caja de Detectores eceptores con salida digital y analógica (Digital_OUT, Analog_OUT) El funcionamiento de los comparadores en la salida Digital_OUT requiere conectar el conmutador de Digital_OUT a ON. Entrada de fibra de plástico: fotodetector de 650 nm Entrada conector Fotodetector p-i-n 820 nm + amplificador de transimpedancia Fotodetector p-i-n 1300 nm + amplificador de transimpedancia eceptor con salida analógica (Analog_OUT) Entrada conector Fotodetector p-i-n InGaAs 1300 nm con circuito de polarización controlable. Caja de generadores 3 Módulos iguales con 10 frecuencias diferentes Salida de señal de reloj Salida de señal de datos I-2

3 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas LED nm LED nm LED nm LD nm CONTOL POF SALIDA FIBA ÓPTICA CONTOL SALIDA FIBA ÓPTICA CONTOL SALIDA FIBA ÓPTICA CONTOL CO. POT ON ON ON ON + V=10*I SENSO I OFF SENSO I OFF SENSO I OFF OFF V = 10*I V = 10*I V = 10*I MONITO Caja de emisores nm 820 nm 1300 nm p-i-n InGaAs 2 k 10 k Digital OUT Digital OUT Digital OUT Analog OUT L 30 k Analog OUT Analog OUT Analog OUT ENTADA FIBA ÓPTICA POF FO-In FO-In ENTADA FIBA ÓPTICA FO-In Vcc FO-In ON Digittal OUT OFF Caja de detectores eloj 1 Datos 1 eloj 2 Datos2 eloj 3 Datos 3 Caja de generadores Fig. I.1. Cajas de emisores, detectores y generadores Además se dispone de elementos auxiliares y aparatos de medida: Fibra óptica con conectores de tipo (los latiguillos de fibra monomodo (SM) utilizados en el laboratorio son típicamente de color amarillo, mientras que los de fibra multimodo (MM) son típicamente de color naranja o gris) Medidor de potencia óptica Osciloscopio Hameg Generador de funciones de baja frecuencia, de distintos modelos I-3

4 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica I.0.2. Conectores de fibra óptica Fíjese en la lengüeta del conector macho y en la muesca del conector hembra, adáptelos antes de comenzar a enroscar desde el conector macho. La conexión no debe ser nunca forzada (evitar roturas) y asegúrese de haber enroscado hasta el final (evitar errores de medida). Tanto el conector macho como el hembra tienen protectores. Se los debe encontrar puestos, y volver a ponerlos cuando termine de utilizar los latiguillos y las conexiones de salida en las fuentes y de entrada en los emisores. ecuerde que está midiendo luz, y que la suciedad produce errores de medida. Nunca toque la punta del conector con los dedos. Si utiliza goma de borrar, asegúrese de eliminar todos los restos que queden en la mesa. I.0.3. Medidor de potencia En la figura I.2 se esquematiza el manejo de un medidor de potencia del laboratorio. Está dotado de un conector hembra en su parte superior, donde se acopla el conector del latiguillo de fibra óptica. Observe que existen varias longitudes de onda (deberá seleccionar siempre la más próxima) y escalas lineal y logarítmica de potencia. Botón ON/OFF Selector de 780 nm 850 nm 1300 nm 1310 nm 1550 nm Seleccione la longitud de onda más cercana a la de la señal que desee medir Selección de modo de lectura dbm W El botón ref no lo use nunca Si lo pulsa accidentalmente, puede recuperar el funcionamiento normal pulsando dbm/w I-4 Fig. I.2. Medidor de potencia

5 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas I.1. MEDIDA DE ÓPTICA Objetivos: En este apartado se medirá la potencia óptica emitida por las fuentes LED, con el fin de aprender a manejar el medidor de potencia y a manipular los conectores. Conmutador An./Dig. +5 vol. Conexión a fibra Método de medida: Los LED se emplearán en el modo de polarización digital Dig., en el que la Sensor I Estabilizador de corriente 10 Circuito Modulación Alta Frecuencia Entrada HF digital corriente de polarización es fija, no siendo afectada por el potenciómetro de control de potencia (Fig. I.3). Como no se va a modular, la potencia óptica emitida por el LED es constante. Fig. I.3. Medida de corriente del LED en modo Dig. Procedimiento experimental: La Caja de Emisores deberá encontrársela encendida. Compruebe que los indicadores LED están encendidos en todas las fuentes. Seleccione modo Dig. y realice los puntos siguientes para una de las fuentes LED (820 o 1300 nm) I.1.A. I.1.B. Conecte el latiguillo de fibra óptica a la fuente y al medidor. ecuerde I.0.2 Seleccione en el medidor de potencia la longitud de onda de la fuente LED que vaya a medir. I.1.C. Varíe el potenciómetro de la corriente de polarización (marcado Control de Potencia) del LED correspondiente, y compruebe que la medida no varía. Anote el valor en dbm y en W para la fuente. Si no está comprendido en el rango -9 a -15 dbm para el LED de 820 nm, o de -13 a -19 dbm para el de 1300 nm, repita las medidas, puesto que probablemente no ha realizado correctamente alguna conexión. Si la diferencia persiste, consulte al profesor. I.1.D. Sin variar la fuente LED que esté empleando, varíe la selección de longitud de onda en el medidor de potencia óptica, y anote la potencia medida en cada de una de las posibles longitudes de onda (780 nm, 850 nm, 1300 nm, 1550 nm). Analice la causa de las diferentes lecturas con la misma fuente de potencia. I-5

6 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica Fig. I.4 Nota: Como se verá en la práctica 2, el modo de polarización la señal óptica de salida depende digitalmente de la señal en la entrada Digital_IN, con inversión lógica: cuando en esta entrada se aplica un 0 lógico (0 V, o ninguna tensión aplicada), la potencia emitida es la máxima permitida ( 1 lógico), mientras queal aplicar un 1 a la entrada (tensión de 5 V), el LED no emite potencia ( 0 lógico). Sólo emite 0 s y 1 s. I.2. MEDIDA DE LA ESPUESTA EN DE UN LED Objetivos: Caracterización de la curva de respuesta en continua: potencia emitida en función de la corriente aplicada, curva P-I. Entrada analógica Entrada LF Circuito baja frecuencia Potenciometro 10k Sensor I Estabilizador de corriente vol. Conexión a fibra Fig I.5. Medida de corriente del LED en modo An. Método de medida: Los LED se emplearán en el modo de polarización analógico, An., en el que la corriente de polarización aplicada depende de la posición del potenciómetro de control (Fig. I.5) mediante del mando de control. La potencia emitida se monitoriza en el medidor de potencia (Fig. I.4). La corriente que circula por el LED se medirá en las bornas del sensor de corriente del LED [Sensor I], que proporcionan la tensión en una resistencia de 10 en serie con el LED. I-6

7 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas Procedimiento experimental: ealice los pasos descritos a continuación para la fuente LED de 820 nm. I.2.A. Seleccione la posición An., en el conmutador An./Dig. del módulo de emisores empleado. Conecte el medidor de potencia y el LED por medio de un latiguillo de fibra multimodo. Ajuste la longitud de onda del medidor al valor más cercano al emisor entre los disponibles Conecte el polímetro, en escala de Voltios DC, a las bornas [V = 10 * I] del LED, cuya tensión es proporcional a la corriente que lo atraviesa (ver Fig.I.5). I.2.B. Partiendo de la posición mínima del potenciómetro del módulo emisor, incremente el valor de la corriente aplicada al LED, anote su valor y mida la potencia emitida. El medidor deberá situarse en la escala lineal (mw) no en dbm. Con incrementos de aproximadamente 10 ma obtendrá suficientes puntos para caracterizar la curva P-I. No olvide medir el valor máximo. Si la potencia no es totalmente estable, tome el valor a los pocos segundos de haber modificado la corriente. Dibuje la curva P-I. Cuando finalice las medidas, vuelva el potenciómetro al mínimo. I.2.D. A partir de un punto cualquiera de las medidas anteriores, determine en forma aproximada, la relación Potencia en fibra/corriente inyectada (W/A) del LED. I.2.E. Para la fuente del LED de 1300 nm, repita I.2.A y mida la potencia máxima emitida y la corriente de polarización del LED. Calcule su relación Potencia en fibra/corriente inyectada (W/A). I-7

8 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica I.3. ESPUESTA EN DE UN DIODO LÁSE PECAUCIÓN: Nunca mire directamente a la salida del emisor láser. ealice las conexiones con la potencia al mínimo. No apague el emisor durante toda la práctica Objetivos: En este apartado se analizará la característica de la potencia óptica emitida en función de la corriente en un diodo láser, curva P-I. Adicionalmente se medirá la relación entre la potencia emitida y la corriente fotogenerada en el fotodiodo monitor interno del LD. +5 vol. Entrada LF Analógica Circuito baja frecuencia Conexión a fibra + - Estabilización en potencia Potenciometro 10k Estabilización en corriente Sensor I 10 2,2k Sensor P Fig I.7. Esquema de funcionamiento del módulo láser Fig. I.6. Módulo láser de la caja de emisores Método de medida: El esquema de funcionamiento del módulo láser de la caja de emisores (Fig. I.6) se puede observar en la Fig. I.7. Se empleará el mismo método de medida que en el apartado anterior, variando la corriente de polarización por el diodo láser, anotando la tensión en bornas de una resistencia de 10 [Sensor I] y midiendo la potencia emitida en el medidor de potencia óptica (Fig. I.8). Simultáneamente se medirá Fig. I.8 I-8

9 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas la corriente en el fotodiodo monitor de potencia del diodo láser, anotando la tensión en bornas de una resistencia V Monitor. Procedimiento experimental: I.3.A. Conecte el medidor de potencia al láser de 1300 nm por medio de un latiguillo de fibra multimodo. Coloque el conmutador An./Dig. en la posición An. Ajuste la longitud de onda del medidor de potencia a la longitud de onda de la fuente a caracterizar. Conecte uno de los polímetros, en escala de Voltios DC, a las bornas [V= 10*I] del láser, cuya tensión es proporcional a la corriente que lo atraviesa (ver Fig. I.7 Sensor I). Conecte el segundo polímetro, también en escala de Voltios DC, a las bornas [Monitor], cuya tensión es proporcional a la corriente que circula por el fotodiodo monitor interno que contiene el láser, y por tanto, proporcional a la potencia emitida por el láser (ver Fig. I.7 Sensor P). anote en su cuaderno la expresión final V Monitor = f(p opt.ld ). El conmutador [Corr]/[Pot] en qué posición debe estar para qué usted pueda realizar la medidas de este apartado?. I.3.B. Varíe la corriente aplicada al LD mediante el potenciómetro (aprox. cada 2 ma) y anote los valores de potencia emitida y tensión en el monitor de potencia. No olvide medir los valores máximos. por qué cada 2mA? I.3.C. Dibuje la gráfica P(I) y estime el valor de la corriente umbral. I.3.D. A partir de dos puntos cualesquiera por encima de umbral de las medidas anteriores, determine en forma aproximada, la eficiencia de la pendiente (W/A) del diodo láser (LD). I.3.E. A partir de un punto cualquiera de las medidas anteriores y sabiendo que la resistencia de carga del fotodiodo monitor interno es 2,2 k, determine en forma aproximada las relaciones Tensión en el monitor/potencia en fibra (V/W) y Corriente en el monitor/potencia en fibra (A/W) del LD. Al acabar, coloque el potenciómetro en la posición mínima. I-9

10 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica I.4. MEDIDA DE LA ATENUACIÓN Objetivos: Determinar la atenuación por unidad de longitud de carretes de fibra óptica multimodo en primera y segunda ventana (a 820 nm y a 1300 nm) Método de medida: Directo, monitorizando la potencia extraída de la fibra tras un corto recorrido de fibra (un latiguillo), y comparándola con la potencia recibida por el sistema, en idénticas circunstancias, tras haber atravesado un carrete de fibra de longitud conocida. Las pérdidas se achacan al carrete. Procedimiento experimental: En la caja de emisores, encienda las fuentes LED 820 nm y LED 1300 nm si no lo están ya, y coloque el potenciómetro de control de potencia aproximadamente a la mitad de su recorrido, con el conmutador An./Dig. en la posición An.( por qué?) ealice la secuencia de pasos que se describe a continuación para los dos casos siguientes: 1. Fibra multimodo con emisor LED a 820 nm 2. Fibra multimodo con emisor LED a 1300 nm I.4.A. I.4.B. Conecte la salida del LED al medidor de potencia mediante un latiguillo de fibra multimodo. Mida y anote la potencia transmitida seleccionando correctamente la longitud de onda más cercana de las disponibles en el medidor (ver Apartado Intro.V, descripción del medidor de potencia). Utilice la escala en dbm. Si la potencia emitida por el LED no es estable, espere hasta que se estabilice. I.4.C. Sustituya el latiguillo de fibra por el carrete de fibra MM y anote la potencia transmitida (si no dispone de carrete, deberá ponerse de acuerdo con sus compañeros de otro puesto). I.4.D. Calcule la atenuación (pérdidas por unidad de longitud) en los 2 casos considerados. Si sus resultados fueran muy diferentes de 3 db/km y 0,5 db/km, para 820 y 1300 nm, respectivamente, repita las medidas. I-10

11 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas I.5. ESPUESTA EN COIENTE DE UN FOTODIODO EN FUNCIÓN DE LA ÓPTICA DETECTADA Objetivos: Medir la respuesta de un fotodiodo PIN en función de la potencia óptica incidente. Método de medida: El circuito de polarización del fotodiodo PIN etiquetado PIN- InGaAs del laboratorio está representado en la figura I.9, junto a las curvas características de funcionamiento de un fotodiodo. El fotodiodo trabaja en su zona de respuesta lineal con tensiones de polarización tales que lo mantengan en inversa (tercer cuadrante de la curva V(I). En ese caso la corriente fotogenerada es proporcional a la potencia óptica incidente, siendo el factor de proporcionalidad la esponsividad (A/W). La fotocorriente se mide a partir de la caída de tensión en la resistencia de carga L, que determina la recta de carga (I ph = V L / L ). Fig. I.9. Curvas características de fotodiodos. El punto de trabajo en cada medida está en el cruce de la curva I-V correspondiente a la potencia óptica incidente con la recta de carga del circuito. I-11

12 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica Para caracterizar la respuesta del fotodiodo se variará la potencia óptica emitida por el diodo láser caracterizado en I.3. El diodo láser trabajará en modo de control de potencia para asegurar la estabilidad de la potencia emitida. La potencia emitida por el láser se determinará a partir de la tensión en bornas de la resistencia en serie con su fotodiodo monitor, bornas [Monitor], (ver Fig. I.7 Sensor P). Procedimiento experimental: I.5.A. Conecte la salida del LD-1300 nm de la caja de emisores a la entrada del fotodiodo PIN InGaAs [FO-In], con un latiguillo de fibra multimodo y compruebe que el potenciómetro de control está al mínimo. Conecte un polímetro en bornas [V cc ] (medida de V POL ver Fig. I.9), y ajuste dicha tensión a 10 V, mediante el potenciómetro [V cc ]. Para asegurar que el detector a caracterizar recibe siempre la misma potencia la fuente láser deberá estar controlada por potencia, seleccione la posición [POT] en el conmutador del láser LD-1300nm. Lleve la salida analógica del fotodiodo a un polímetro en escala VDC, y conecte el otro polímetro a las bornas [Monitor] del diodo láser. Sitúe el conmutador de resistencias en la posición L = 30 K I.5.B. Ajuste el potenciómetro de control del diodo láser para que la potencia emitida sea aproximadamente 20 µw; recuerde que la potencia emitida se mide en el polímetro conectado a las bornas [Monitor] del diodo láser, utilizando el factor de proporcionalidad calculado en I.3.E. Mida la tensión en la resistencia de carga del PIN (V L ). I.5.C. epita las medidas anteriores para 40, 60, 80 y 100 µw. epresente en una gráfica los valores de la tensión leída en la resistencia de carga del fotodiodo PIN (proporcional a la corriente fotogenerada) frente a la tensión leída en el monitor de potencia (proporcional a la potencia incidente), y compruebe la linealidad de la respuesta. I.5.D. Calcule la responsividad del fotodiodo. Si el valor obtenido es muy diferente de 0,9 A/W, repita las medidas o los cálculos. I-12

13 Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas I.6 ESPUESTA EN TENSIÓN DE UN FOTODIODO CON AMPLIFICADO DE TANSIMPEDANCIA EN FUNCIÓN DE ÓPTICA DETECTADA Objetivos: Mediante el montaje desarrollado en este apartado se pretende caracterizar la respuesta eléctrica de un fotodiodo con amplificador, en función de la potencia luminosa incidente. Método de medida: En primer lugar se determinará el offset del amplificador, es decir, su tensión continua de salida cuando la potencia óptica de entrada es nula. Posteriormente se medirá la linealidad de la respuesta del detector al variar la potencia óptica incidente. Para la medida de la potencia incidente en el detector se utilizará un acoplador 2x2 y se supondrá que la potencia incidente en cualquiera de las puertas 1 ó 2 se reparte en partes iguales entre las puertas 3 y 4, De este modo, se supondrá que midiendo la potencia en el medidor se puede determinar la potencia que incide al detector. LED nm LED nm LED nm LD nm CONTOL + + POF SALIDA FIBA ÓPTICA CONTOL + + SALIDA FIBA ÓPTICA CONTOL + + SALIDA FIBA ÓPTICA CONTOL POT. CO. SALIDA FIBA ÓPTICA + + SENSO I V = 10*I ON OFF + + SENSO I V = 10*I ON OFF + + SENSO I V = 10*I ON OFF SENSO I + + SENSO P ON OFF V DC Fig. I.10 Procedimiento experimental: I.6.A. ealice el montaje experimental de la Figura I.10. Conecte la salida del LED de 820 nm o a la puerta 1 del acoplador. I-13

14 Laboratorio de Comunicaciones Ópticas Dpto. Tecnología Fotónica Conecte la puerta 3 del acoplador a la entrada del detector de 820 nm. Conecte la puerta 4 del acoplador al medidor de potencia Conecte la salida Analog-Out del detector a un polímetro, en escala de Voltios DC. Compruebe que los conmutadores An./Dig. del LED escogido está en la posición An.. I.6.B. Con el potenciómetro de control de potencia del LED al mínimo mida la tensión de salida del detector (Analog-out). Así medirá el offset de continua del preamplificador. I.6.C. Varíe la potencia de salida, potenciómetro [Control Potencia], del LED y mida la tensión de salida del detector en (Analog-out) aproximadamente cada 2-3 µw de variación de la potencia de salida del acoplador. Si la potencia no es totalmente estable, tome los valores de potencia y tensión en la forma más simultánea que pueda. Al acabar, deje el LED sin emitir, posición mínima del potenciómetro. I.6.D. epresente la tensión leída en el detector en función de la potencia óptica. Deduzca la responsividad del detector amplificado (V/W) a partir de la pendiente de dicha característica. I.6.E. Con el método aprendido mida la responsividad del receptor de 1300 nm empleando la fuente LED de segunda ventana. Es suficiente con que mida el offset del amplificador y su tensión de salida para la máxima potencia, pues su respuesta es lineal. PO FAVO, AL ACABA LA PÁCTICA ECOJAN TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PINCIPIO. SUS COMPAÑEOS SE LO AGADECEÁN. I-14