UNIVERSIDAD DE VALLADOLID LABORATORIO DE REDES BASADAS EN FIBRA ÓPTICA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE VALLADOLID Dpto. de Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería Telemática Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación LABORATORIO DE REDES BASADAS EN FIBRA ÓPTICA Práctica 5 Estudio de las Pérdidas por Desalineamiento en la Fibra Óptica Noemí Merayo Álvarez 18 de Abril de 2005

2 GUIA APRENDIZAJE 5 ESTUDIO DE LAS PÉRDIDAS POR DESALINEMAMIENTO EN LA FIBRA ÓPTICA 5.1 Índice Introducción: Apartado 5.2 Objetivo de la práctica: Apartado 5.3 Puntos importantes de la práctica: Apartado 5.4 Explicación de los aspectos teóricos relacionados con la práctica: Apartado 5.5 Materiales necesarios para la práctica: Apartado 5.6 Instrucciones para la realización de la práctica: Apartado 5.7 Preguntas que se deben incluir en la memoria: Apartado 5.8

3 1 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica 5.2 Introducción En esta guía de aprendizaje se incluyen todos los aspectos teóricos necesarios para comprender el funcionamiento de esta práctica. Así mismo, esta guía abarcará el estudio de las pérdidas por desalineamiento que se producen al acoplar dos fibras ópticas, y qué posibilidades existen para unir fibras ópticas, como por ejemplo uniones o conectores. Estos conceptos teóricos servirán de base para el montaje de la práctica en el laboratorio. Si tiene alguna duda consulte al profesor. La principal fuente de pérdidas tanto en conectores como uniones, son los desalineamientos producidos al acoplar el principio de una fibra con el final de otra fibra. Existen tres tipos de pérdidas por desalineamiento que pueden ocurrir de forma individual o por combinación de varias. Existen por lo tanto, desalineamientos angulares, laterales y longitudinales, también llamados axiales. Estos tipos de desalineamientos se pueden observar con mayor detenimiento en la Figura 5.1. El primero de estos mecanismos de pérdidas, es el desalineamiento lateral, que será el que más contribuirá a las pérdidas totales en una conexión entre dos fibras distintas. Este desalineamiento, se produce porque al conectar las dos fibras, no hay un acople total entre los núcleos de las dos fibras, es decir, que los dos núcleos no coinciden perfectamente (Figura 5.1.a). Esta situación puede ser debida a tolerancias en el diámetro de la fibra, a la excentricidad del diámetro fuera o dentro del núcleo de la fibra respecto a los ejes de la fibra, o a las tolerancias de las máquinas en la construcción del conector.

4 2 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica Figura 5.1. Tipos de pérdidas de desalineamientos en la fibra óptica La separación longitudinal contribuirá a las pérdidas por desalineamiento cuando los extremos de las dos fibras que se conectan no están en contacto entre sí (Figura 5.1.b). En los conectores, generalmente se diseña una pequeña separación dentro del componente, para evitar que las fibras no se dañen entre sí cuando choquen o se toquen entre sí. Este tipo de pérdidas, dependerán de la apertura numérica de las fibras, ya que una gran divergencia podrá aparecer debido a aquella parte de la luz que proviene de la fibra inicial y que es aceptada por la fibra a la que se conecta.

5 3 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica El tercero de los dos mecanismos, el desalineamiento angular (Figura 5.1.c.), generalmente no contribuirá de forma significativa a las pérdidas por conexión. Esto es debido tanto a que las tolerancias especificadas virtualmente eliminan este desalineamiento en los conectores, así como que la conexión en sí entre fibras es menos sensible a las pérdidas angulares. Las curvas de pérdidas teóricas para los tres tipos de desalineamientos cuando fibras de índice gradual se conectan, aparecen dibujadas en las Figuras 5.2, 5.3, y 5.4. Para el caso de fibras de salto de índice, las pérdidas por desalineamiento lateral (Figura 5.2), pueden hallarse calculando el área en la que se solapan los núcleos de las fibras que se conectan, ya que la radiación se presupone constante a lo largo de la parte frontal de las fibras de salto de índice. En el caso de las fibras de índice gradual mostradas aquí, los cálculos son mucho más complicados, porque la radiación dentro del núcleo de la fibra, variará en función de la posición. Por otra parte, las pérdidas axiales debidas a la separación longitudinal entre las dos fibras conectadas (Figura 5.3), se pueden calcular comparando el área de la segunda fibra con el área del haz procedente de la primera fibra a una distancia z desde su cara final.

6 4 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica Figura 5.2. Curva teórica para pérdidas por desalineamiento longitudinal en la fibra óptica Figura 5.3. Curva teórica para pérdidas por desalineamiento axial en la fibra óptica Por último, las pérdidas por desalineamiento angular (Figura 5.4) tienen la misma forma que las pérdidas laterales, reemplazando como factor de escala z/a por sinθ/na.

7 5 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica Figura 3.4. Curva teórica para pérdidas por desalineamiento angular en la fibra óptica Como ejemplo de las tolerancias permitidas al realizar una conexión fibrafibra, consideremos una fibra de salto de índice con diámetro de núcleo = 50 µm y NA = Pérdidas a 0.1 db ocurrirán a aproximadamente a 1 µm de desplazamiento lateral, 4 µm de separación axial o 0.5º de desalineamiento angular. El problema es mucho más complicado cuando se utilizan fibras monomodo. Para una fibra monomodo con diámetro de núcleo = 4 µm y NA = 0.10, las pérdidas a 0.1 db ocurrirán a aproximadamente para 0.1 µm de desplazamiento lateral, 0.7 µm de separación axial o 0.2º de desalineamiento angular. Además, las pérdidas por reflexión de Fresnel contribuirán en una cantidad de 0.2 db por cada una de las caras de la fibra. Imperfecciones en la fibra y la preparación de los cortes en los extremos, podrán afectar a las pérdidas por desalineamiento.

8 6 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica Aquellos conectores que usan sistemas de lentes para minimizar las pérdidas por conexión de fibras, son útiles para disminuir las pérdidas debidas a la separación axial y longitudinal, aunque serán mucho más sensibles a la separación angular. 5.3 Objetivos de la práctica Los objetivos que se pretenden conseguir con la realización de esta práctica son los siguientes: Estudio de los distintos tipos de pérdidas por desalineamiento que se pueden producir al conectar fibras. Medir cuantitativamente las pérdidas por desalineamiento al conectar dos fibras multimodo. Comparar estas medidas con las curvas teóricas y justificar los resultados obtenidos. Seguir familiarizándose con los componentes de Newport. En esta práctica no se utilizarán componentes nuevos, aunque deberemos ser capaces de controlar mejor todos los componentes para ser capaces de obtener resultados en el menor tiempo posible y de la forma más precisa.

9 7 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica 5.4 Puntos importantes de la práctica Los puntos más importantes de esta práctica serán los siguientes: Estudio de la potencia obtenida en la conexión entre dos fibras multimodo. Para ello mediremos primero la potencia a la salida de una de las fibras y después colocando otro trozo de fibra a la salida de la primera, tendremos que acoplarlas de tal forma que obtengamos la mayor potencia posible. Este punto es bastante delicado, puesto que tenemos que tener una gran precisión y paciencia al ir juntado ambas fibras y así obtener la mayor potencia posible. El mejor caso posible, es cuando se obtienen unas pérdidas de 0.25 db al conectar las fibras. Hay que tener mucho cuidado de no juntar mucho las fibras, puesto que si chocan se pueden llegar a romper y tendremos que volver a empezar y realizar de nuevo los cortes. Después de obtener la máxima potencia al acoplar ambas fibras, tendremos que estudiar las pérdidas por desalineamiento, tanto laterales, como axiales y angulares. Haremos una comparativa con las curvas teóricas dadas y justificaremos los resultados obtenidos. De nuevo, utilizaremos el cortador de diamante para realizar los cortes. Para ello habrá que asegurarse en el cortador que la fibra esté lo suficientemente pelada, es decir, que haya un trozo pelado bastante grande para meter la fibra por el cortador sin ningún problema.

10 8 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica 5.5 Explicación de aspectos teóricos Las fibras ópticas tienen una longitud limitada, generalmente de hasta 2 km. Por ello, para establecer enlaces ópticos es necesaria la interconexión. Esto se llevará a cabo mediante diferentes dispositivos o mecanismos. Todos ellos se engloban dentro del concepto de Uniones de Fibra Óptica. En estas uniones, se producen pérdidas de potencia en la señal óptica. Estas pérdidas son debidas tanto a factores intrínsecos (características de las fibras), así como a factores extrínsecos (el modo en el que se realiza la unión). La expresión general que permite el cálculo de las pérdidas totales es la siguiente: donde η es el coeficiente de acoplamiento, y como se puede observar, es igual a la relación entre la potencia que penetra en la segunda fibra (P out ) y la que sale de la primera (P in ). Cuando se habla de fibras monomodo, las expresión global de las pérdidas es la siguiente:

11 9 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica En líneas generales, se puede hablar de dos tipos de pérdidas en las fibras ópticas, las pérdidas debidas a factores extrínsecos y las pérdidas debidas a factores intrínsecos a la fibra. Nosotros concretamente, nos centraremos en el estudio de uniones entre fibras multimodo, y solamente caracterizaremos las pérdidas extrínsecas en este tipo de uniones. Las pérdidas debidas a factores intrínsecos son producidas por la naturaleza de las fibras, como por ejemplo parámetros geométricos u ópticos de las mismas. En una unión de fibras ópticas, cualquier diferencia existente entre los mismos ocasionará este tipo de pérdidas. Hay que hacer una diferenciación entre las uniones de fibras monomodo y las de fibras multimodo. En las uniones entre fibras monomodo, estas pérdidas se engloban en las pérdidas por desajuste del radio del campo modal. Sin embargo, en las uniones entre fibras multimodo, se puede hablar de pérdidas por desajuste de la apertura numérica, por desajuste del diámetro del núcleo y por desajuste del perfil del índice de refracción del núcleo. En las uniones de fibras multimodo las pérdidas extrínsecas, vendrán determinadas por la existencia de una separación longitudinal entre los ejes, de una desviación lateral entre los mismos, o de una desviación angular. Las expresiones para cada uno de los tipos de pérdidas son: Pérdidas por separación longitudinal:

12 10 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica donde z es la separación entre las fibras, a es el radio del núcleo, AN la apertura numérica y n medio el índice del medio entre ellas. Pérdidas por desviación lateral: donde y es la desviación lateral entre las fibras y a es el radio del núcleo. Para fibras de índice gradual existe una expresión particular: donde y es la desviación lateral entre las fibras, a es el radio del núcleo y α el perfil de las mismas. Pérdidas por desviación angular:

13 11 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica donde θ es la desviación angular entre las fibras, n medio el índice del medio entre ellas y AN la apertura numérica. 5.6 Material necesario para la práctica Todo el material necesario para la realización de esta práctica ya ha sido utilizado en prácticas anteriores, por lo que únicamente se enumerarán los componentes necesarios para la realización de esta práctica. En caso de cualquier duda con la instrumentación, se recomienda repasar la documentación aportada con la Práctica 1, ya que en ésta se explicaban todos los componentes con mayor nivel de detalle. Por lo tanto para el desarrollo de esta práctica, serán necesarios los siguientes componentes: Fibra multimodo F-MLD-50 (la utilizada en la Práctica 1) Tablero XSN-22 Láser U-1301P Montura ULM Abrazadera 340-RC (o bien la montura y la abrazadera unidas ya) Barra M-41 para el láser Medidor de potencia 1815-C Detector de potencia con atenuador 818-SL Cortador de diamante F-BK2 Juego de llaves Allen FK-BLX

14 12 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica Base para el acoplador de fibra F-91TS Acoplador de fibra F-916 Lente M-20X Etapa de rotación RSP-2 Soporte para postes MPH-1 Poste MSP-1 2 soportes para postes VHP-2 2 postes SP-2 2 posicionadores de fibra FP-1 SK-25: Kit de tornillos 1/4-20 SK-08: Kit de tornillos Instrucciones para la realización de la práctica Introducción En la Figura 5.5 se representa esquemáticamente el montaje del laboratorio para la realización de la práctica. Intente realizar el montaje lo más fielmente posible a la fotografía dada.

15 13 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica Figura 5.5. Figura del montaje a realizar La radiación del láser se acopla a la fibra multimodo inicial mediante un objetivo de microscopio de 20 aumentos, de manera que tendremos que buscar el foco de la lente y a partir de ese punto fijaremos el acoplador de la fibra F-916 para que no se mueva y se pierda el foco. A continuación encenderemos el medidor de potencia y buscaremos la potencia máxima acoplada a la fibra. Una vez detectada, el extremo final de esta primera fibra se sacará de enfrente del detector y se pondrá en el posicionador de fibra que hemos montado enfrente de la plataforma rotatoria. Para el segundo trozo de fibra, el extremo inicial se colocará en la plataforma rotatoria, mientras que el final se colocará enfrente del detector, para así medir la potencia acoplada a esta segunda fibra. Se buscará el mejor punto de acople, es decir, aquel en el que moviendo y juntado ambas fibras, consiga una mayor potencia y por lo tanto más cercana a la potencia máxima de la primera fibra. El caso óptimo es que se alcancen unas pérdidas de 0.25 db al acoplar

16 14 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica ambas fibras, aunque debido a la dificultad que esto entraña, para esta práctica se permitirán pérdidas de hasta 1 db. Una vez encontrada la potencia para la cual las pérdidas son cómo máximo 1 db, se comenzarán a tomar medidas para los analizar tipos de desalineamientos que se pueden dar al acoplar fibras Instrucciones sobre el montaje A continuación se presentan los pasos a realizar para el montaje de la práctica: 1. Fije la barra M-41 al tablero por medio del tornillo que viene dentro con ayuda del destornillador. 2. Introducir dentro de la barra la montura ULM y ajustarla mediante la rosca que tiene ésta. 3. Introducir el láser por el orificio pertinente y fijarlo con el tornillo que tiene la montura ULM para este propósito. Tenga cuidado de no apretar demasiado el tornillo para ajustar el láser, pues se puede dañar el empaquetado de éste. 4. Coloque la base F-91TS y antes de fijarla asegúrese que el láser la atravesará correctamente. También deberá comprobar que está totalmente recta, si no es así, deberá colocarla moviendo los ajustes laterales que tiene ésta. 5. Coloque encima el acoplador F-916 y coloque la lente de 20X.

17 15 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica 6. Se fija un soporte VPH-2 a la base por medio de un tornillo, y se introduce un poste SP-2 al que se enroscará un posicionador de fibra FP-1 donde irá el extremo final de la primera fibra. 7. Enfrente de este, se coloca otro soporte VPH-2 con un poste SP-2, al que se enroscará el detector que nos medirá la potencia. 8. Se prepararán dos segmentos de fibra F-MLD, cada uno de longitud entre 1-2 metros. Estos cortes los haremos con el cortador de diamante en principio, puesto que es el método más eficiente y rápido. 9. Se introduce el extremo inicial de la fibra en el acoplador y el final en el posicionador de fibra situado enfrente del detector. Tendrá que buscar el foco de la lente, del mismo modo que se hizo en la práctica 2. Para comprobarlo observe los reflejos del láser y la fibra en la pared. Una vez encontrado el foco, se fijará el acoplador a la base mediante los tornillos. Por último, encienda el medidor de potencia y busque la máxima potencia acoplada y apunte el valor. 10. Fije la etapa de rotación RSP-2 al tablero. Se colocará según la figura del montaje y se fijará por medio de dos tornillos y con la ayuda de una llave ALLEN. Se fija el soporte MPH-1 con un tornillo a la etapa de rotación, y se introduce el poste MSP-1 dentro del soporte bloqueando el poste mediante el tornillo que tiene el soporte para tal efecto. Para terminar con la etapa de rotación, se enrosca el posicionador de fibra FP-1 en el extremo del poste MSP Fije enfrente de la etapa de rotación un soporte VPH-2 con un poste SP-2, al que se enroscará en posicionador de fibra FP Coloque el final de la primera fibra de la cual se ha medido su potencia, en el posicionador de fibra que está situado enfrente de la etapa de rotación.

18 16 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica Ahora mediremos la potencia a la salida de la segunda de las fibras preparadas. Para ello, colocaremos uno de los extremos de la fibra en el posicionador situado encima de la etapa de rotación y el otro extremo en el que está enfrente del detector. 13. Intente acercar los extremos de la fibra para que se acople luz de la primera fibra en la segunda. Para ello, ambos extremos deben pasar por el centro de la etapa de rotación. Una vez hecho esto, intentaremos mover los ejes x, y, z de los posicionadotes de las fibras, así como la etapa de rotación, para conseguir el máximo de potencia acoplada. Tenga cuidado y que no choquen ambas fibras, puesto que pueden romperse los extremos. Busque el máximo de potencia acoplada, no para hasta que se consigan pérdidas menores a 1 db. 14. Medir la potencia transmitida a través de del segundo trozo de fibra óptica. Calcular las pérdidas debidas al acople entre ambas fibras, usando para ello la potencia máxima obtenida con la primera fibra y la potencia acoplada en la segunda fibra medida en el paso anterior. Pérdidas entorno a 25 db son un excelente resultado para conexiones de este tipo. Debido a la dificultad que entraña conseguir pérdidas tan bajas, se permiten pérdidas de hasta 1 db. 15. Mida las pérdidas por desalineamiento lateral de la siguiente manera: mida la potencia acoplada en la segunda fibra y calcule las pérdidas totales asociadas en función de la posición. Después de calcular estas pérdidas, restaremos las pérdidas medidas en el paso anterior de el valor calculado. Para ello, habrá que girar el eje y del posicionador de fibra que está enfrente de la etapa rotatoria. Hay que tener en cuenta que cada giro del posicionador equivale a mm. Tendremos que medir los valores para cada movimiento realizado.

19 17 Estudio de las Pérdidas por desalineamiento en la fibra óptica Haremos las mediciones girando el eje hacia ambos lados. Después de tomar las medidas, las normalizaremos las medidas dividiéndolas por el radio del núcleo de la fibra. 16. Para medir las pérdidas por desalineamiento axial, deberemos reajustar la potencia al punto máximo de nuevo. Para ello haremos uso de la ruleta que tiene el posicionador de la fibra en la parte trasera, que girándolo la fibra se mueve hacia fuera o dentro. De esta manera, controlaremos la separación longitudinal entre las dos fibras, y así medir las pérdidas debidas a este tipo de desalineamiento. Igual que en el caso anterior, cada giro de la ruleta supone un movimiento de mm. Deberemos normalizar los resultados obtenidos por el radio del núcleo de la fibra. 17. De nuevo reajustaremos el sistema a la posición inicial donde la potencia es máxima para medir las pérdidas por desalineamiento debidas al desacoplo angular. Para ello haremos uso de la etapa rotacional, moviéndola a ambos lados para cambiar la orientación de los finales de las fibras. Se deberá normalizar el seno del ángulo de desalineamiento por el valor de la apertura numérica de la fibra Ejercicio Teórico. En esta práctica, observamos el problema de conectar fibras con fibras, y lo haremos mediante conectores o Splices. Se pide buscar qué tipo de conectores hay en el mercado y hacer una comparativa entre precios y prestaciones. Presentarlo mediante tablas o algún sistema de este estilo.

20 Puntos a desarrollar en la memoria de la práctica 5.8. Preguntas que se deben incluir en la memoria: En esta práctica observaremos las pérdidas producidas al intentar conectar fibras entre sí, es decir, estudiar las pérdidas de potencia que se producen al intentar conectar dos fibras entre sí. Se pide buscar el mejor punto de acoplo entre ambas fibras, es decir, el punto en el que las pérdidas de potencia al pasar la luz desde la primera fibra a la segunda sea la más pequeña posible. Indicar las potencias conseguidas antes y después del acoplo entre ambas fibras, e indicad las pérdidas en db obtenidas. Estudiad las pérdidas por desalineamiento axial. Comparad los resultados obtenidos con las gráfica teórica. Comentad los resultados y las diferencias entre ambas curvas. En esta práctica, observamos el problema de conectar fibras con fibras, lo cual en la práctica se realizará mediante conectores o Splices. Se pide buscar qué tipo de conectores hay en el mercado y hacer una comparativa entre precios y prestaciones. Presentarlo mediante tablas o algún sistema de este estilo. Si os da tiempo, intentad estudiar los otros dos tipos de desalineamientos, y comparadlos con los valores teóricos. En la siguiente gráfica, se presenta un experimento llevado a cabo en los laboratorios de Newport, en los que aparecen las pérdidas por desalinemiento angular, tanto experimentales como teóricas. Si observáis a bajos ángulos la curva experimental varía mucho, A qué creéis que se puede deber?. Si ahora observáis a más altos grados, hay un tramo en el que las pérdidas no varían mucho, el desalinamiento

21 Puntos a desarrollar en la memoria de la práctica parece no cambiar bruscamente, A qué puede deberse?. Justificar y comentad vuestros razonamientos.