LABORATORIOS LABORATORIO 1 PREPARACION Y CARACTERIZACIÓN DE LA FIBRA En este laboratorio se aprenderá como se preparan los extremos de una fibra óptica para poder ser usada en el laboratorio. Por consiguiente se debe observar la geometría de la fibra. El método que es presentado para medir los parámetros geométricos es especialmente ilustrativo de que aspectos deben ser comprendidos para lograr el objetivo propuesto. Objetivos: Familiarizarse con el manejo de las fibras ópticas, observar los patrones de campo de los modos y medir algunos parámetros característicos de una fibra monomodo y multimodo. Objtivos Especificos: Conocer las características de una fibra óptica Realizar mediciones y obtener la medida de la fibra Aprender a manejar los instrumentos de medida del laboratorio Material: Diodo láser (longitud de onda de emisión 670 nm), fibras monomodo y multimodo, cámara CCD pixels/mm, lámpara halógena y PC. 1. Geometría de la fibra Una fibra óptica es ilustrada en la figura 1 y consiste de un núcleo con un índice refractivo n core de sección transversal con simetría circular de radio a, y diámetro 2 a y un blindaje con incide refractivo n cl el cual envuelve el núcleo y tiene un diámetro exterior d. Valores típicos de diámetros de núcleo van de 4 a 8 µm (1µm = 10-4 mts) para fibras monomodo a 50 a 100 µm para fibras multimodo usadas para comunicaciones a 200 a 1000 µm para fibras de gran núcleo usadas en aplicaciones de transmisión de potencia.
Figura 1. Geometría de una fibra óptica. Bordeando la fibra normalmente existe un enchaquetamiento protectivo. Este enchaquetado esta hecho de un plástico y tiene un diámetro de salida de 500 a 1000 µm; Sin embargo el enchaquetado puede también ser una capa muy delgada de materiales sintéticos; estos materiales serán removidos utilizando un ataque químico con un removedor comercia1 de pintura de autos, este procedimiento constituye la primera etapa de preparación de la fibra. 2. Corte de la fibra Antes de medir una fibra será necesario preparar los extremos de la fibra de tal modo que la luz pueda ser eficientemente acoplada dentro y fuera de la fibra; Esto es hecho utilizando un cortador que utiliza el procedimiento de rayado de vidrio como se ve en la figura 2.10, por consiguiente el procedimiento seguido acá es de la misma forma que el utilizado por un cortador de vidrio, de tal manera que la ruptura de la fibra se propague de manera transversal al eje de la fibra. Este procedimiento constituye la segunda etapa de preparación de la fibra. Figura 2. Corte de una fibra óptica. 3. Medidas de parámetros geométricos. Figura 3. Técnica de corte de la fibra. Para efectuar las mediciones requeridas se tiene primero que conocer los diferentes tipos de fibras ópticas existentes en el laboratorio, luego también se debe aprender a manejar el software de adquisición de imágenes Pc.Scope, para adquirir la imagen de la fibra óptica, y posteriormente efectuar las mediciones requeridas. La medición se basó en el uso de una escala calibrada de 100 en 100 um (es decir la distancia entre 2 unidades consecutivas de la escala representa 100 um) colocada en el área de visualización del microscopio. Las imágenes, vistas a través del microscopio se pueden apreciar en las figuras (a), (b) y (c) para las fibras multimodo Newport, multimodo comercial y monomodo comercial respectivamente.
(a) (b) (c) Figura 5. Tipos de una fibra óptica. 4. Medición utilizando técnicas de imagen. En el momento de tomar la fibra óptica se utiliza el microscopio, el cual tiene una cámara CCD acoplada, de donde se obtiene una imagen la cual puede ser manipulada con ayuda del software de procesado digital de imágenes llamado Pcscope, se deben obtener imágenes como las siguiente: Figura 6. La fibra óptica de frente (a) y en un corte transversal (b) En (a) se aprecia que la fibra de vidrio o de plástico esta metida en una funda protectora; dado su pequeñísimo diámetro, independientemente del material empleado, puede soportar doblarse hasta cierto ángulo sin romperse. Normalmente la fibra o conjunto de ellas se instalan dentro de tubos adecuados para una mayor protección. En (b) se muestra un corte transversal que deja observar el largo de la fibra y su estructura externa para un mejor conocimiento de lo que es capaz de realizar el microscopio con la camara CCD. En el presente laboratorio se debe trabajar con cuatro tipos de fibras opticas: Multimodo (Newport), Monomodo (Newport), Multimodo comercial, Monomodo comercial. El primer paso es tomar un objetivo microscópico de 40x plateado para calibrar el sistema de medida con cierta precisión de tal forma que permita tomar los parámetros geométricos del: Núcleo, blindaje y blindaje exterior. Luego utilizamos el software adquisición de imágenes Pcscope, para adquirir la imagen el cual se calibra a una medida de 1 pixel que es equivalente en ese objetivo a 1 micrómetro y posteriormente se efectúa las mediciones requeridas.
Figura 4. Visualización a través del sistema de procesamiento Pcscope de una fibra óptica. Como se cuentan con los datos exactos de los parámetros geométricos de la Multimodo (Newport), entonces se sugiere comenzar las mediciones con esta fibra óptica, para obtener resultados aproximados de los dados exactos y poder decir que el sistema de medición esta calibrado, para las demás medidas de las fibras ópticas, de las cuales no se disponen de datos. 5. Mediciones de las Fibras ópticas Después de realizar el procedimiento mencionado con la utilización del Pcscope, los datos típicos obtenidos en el proceso de varias tomas se procesan a través de técnicas estadísticas para decir que valor es el más probable para el diámetro del núcleo de la fibra que se mide.
LABORATORIO 2 PERFIL GAUSSIANO En la presente sección se desarrolla un método experimental para la obtención del perfil Gaussiano del haz láser de Helio-Neon que se propaga a través de una fibra óptica monomodo. Se utiliza un software especializado de procesamiento digital de imágenes para el cálculo del perfil Gaussiano del haz láser y con este resultado se halla el Beam-Waist típico del láser. Objetivos: Obtener experimental del perfil Gaussiano del haz láser que viaja a través de una fibra óptica monomodo y multimodo. Material: Diodo láser (longitud de onda de emisión 670 nm), fibras monomodo y multimodo, software especializado de procesamiento digital de imágenes, cámara CCD pixels/mm y PC. 1. Modos de propagación. Cuando la luz, viaja por la fibra óptica, se presenta una distribución de campos electromagnético, la forma que toma esta distribución se conoce como modos de la fibra óptica. Si se tiene cierta información sobre la fibra como los índices de refracción tanto del núcleo como del revestimiento y de las condiciones de frontera para la geometría cilíndrica que presenta estos, se pueden introducir estas condiciones dentro de las ecuaciones de Maxwell's, las cuales rigen la propagación de la luz, para así obtener una ecuación de onda para esta distribución de campo electromagnetico en el interior de la fibra óptica. Además se puede hallar un parámetro muy importante en las fibras que determina el numero de modos (la forma como la distribución compleja de campo luminoso se propaga a través de la fibra óptica) que se permiten propagar en el interior de esta. El número de onda normalizado o simplemente el número V de la fibra, descrito mediante la siguiente ecuación: V = kfana Donde, kf = k f 2 o o es la longitud de onda en el espacio libre, a es el radio del núcleo y NA es la apertura numérica de la fibra. Si este numero V es mayor que 2.405 conocido como frecuencia de corte de la longitud de onda) entonces estamos en presencia de una fibra multimodo, es decir que permite la propagación de luz en varios modos a través de la fibra, pero si V es menor que 2; 405 solo existiría un solo modo de propagación conocido como modo
fundamental y a este tipo de fibra se le llama fibra monomodo; lo anterior es conocido como la condición modal. En guías de onda en las cuales se tiene un diámetro de núcleo extremadamente grande comparada con la longitud de onda de la luz, el orden de los modos posee un patrón de irradiancia gaussiano. Descripción. En primera instancia se desarrollara el montaje que se muestra en la figura 1. Para obtener los resultados de este montaje se requiere la adecuación de la fibra óptica, verificando que los cortes en ambos extremos de esta fueran lo mejor posible, para garantizar que se confinara la mayor cantidad de luz, otro aspecto importante que se debe tener en cuenta es el posicionamiento de la cámara y los difusores. Figura 1. Montaje utilizado En la figura 2 se muestra la distribución de amplitud compleja del campo luminoso que se debe obtener al tomar la salida con la camara C.C.D. (dispositivo de carga acoplada) luego de atravesar por reflexiones sucesivas en la interfaz Nucleo-Revestimiento todo el montaje óptico implementado. Figura 2. Intensidad Óptica detectada La fibra óptica con que se trabaja es la F-SV (de la empresa norteamericana NEWPORT)[1] que según especificaciones del fabricante es una fibra monomodo, en
primer lugar se logra la obtención experimental del radio del núcleo a y la apertura numérica NA. El radio de la fibra se mide a través de sistema de adquisición y tratamiento de imágenes que consta de un microscopio, una cámara CCD y un PC soportado en el software PC-SCOPE. Utilizando una escala micrometrica a la cual se la tomo una imagen para determinar el valor en micrones de un píxel, luego se le toma una imagen al núcleo de la fibra óptica dando como resultado a = 4.2µm. El siguiente paso es la medición de un parámetro estático importante en la fibra óptica como es la apertura numérica, la cual esta relacionada con la capacidad que posee la fibra para aceptar o captar la luz emitida por una fuente óptica coherente. En la implementación para el calculo de la apertura numérica se desarrolla un método geométrico que consiste en tomar la medida de la mancha producida par el haz láser en una pantalla de observación situada a una distancia L del extremo final de la fibra. Al igual que se tomo la medida de la mancha la cual se denomina W; se realizaron varias muestras de W a diferentes medidas de L y se llego al valor experimental NA = 0.998. Resultados a obtener. En la figura 3 se muestra en rojo la Gaussiana obtenida teóricamente y en azul se muestra la gaussiana que se debe obtener experimentalmente hasta obter una similitud del 98%. Después de constatar que el perfil del haz láser de Helio-Neon tiene un patrón de irradiancia Gaussiano pasamos a obtener uno de los parámetros importantes en el acoplamiento de la luz a través de la fibra que es el Beam waist (cintura del haz), este nos representa el punto en el cual se concentra la mayor intensidad del haz láser inmediatamente después que ha salido de la fibra óptica monomodo. Figura 3. Comparación experimental entre los ajustes de la Gaussiana La ecuacion 1 nos permite obtener teóricamente el valor del Beam Waist conociendo los parametros de la fibra. (1)
LABORATORIO 3 APERTURA NUMERICA La apertura numérica es un parámetro que da idea de la cantidad de luz que puede ser guiada por una fibra óptica. Por lo tanto cuanto mayor es la magnitud de la apertura numérica de una fibra, mayor es la cantidad de luz que puede guiar o lo que es lo mismo, más cantidad de luz es capaz de aceptar en su núcleo. De igual forma, gracias a la apertura numérica, es posible conocer el tipo de fibra óptica empleada de acuerdo al número de onda normalizada (V) que caracterice la fibra. Si V >2,405 la fibra óptica es multimodo y si V <2,405 es monomodo. Objetivos: Obtener la medición experimental de la apertura numérica del haz láser que viaja a través de una fibra óptica monomodo y multimodo. Material: Láser (longitud de onda de emisión 670 nm), fibras monomodo y multimodo, software especializado de procesamiento digital de imágenes, cámara CCD pixels/mm y PC. APERTURA NUMERICA La apertura numérica es un número adimensional que caracteriza el rango de ángulos para los cuales el sistema acepta luz. Una forma de calcular la apertura numérica para una fibra óptica se puede describir a continuación: Figura 1 El ángulo crítico gracias a la ley de Snell equivale: Por lo tanto: Ahora, considerando que 3 es complementario a 1, tenemos:
2 2 sen sen 1 3 1 Teniendo en cuenta, la ley de Snell en la entrada tenemos: Si n 1, entonces: 0 Donde e es el ángulo de aceptancia o de entrada. La apertura numérica se define como: Por lo tanto: Montaje Experimental de la apertura Numérica Una buena aproximación para la apertura numérica es considerar que ésta es igual al seno del ángulo que va desde el eje de la fibra hasta el punto en que la intensidad cae hasta un 5 % del valor máximo. Figura 2. Montaje de la Apertura Numérica
Por otro lado, se puede optar una medida de la apertura numérica de manera aproximada, a través de hacer que la fibra óptica transmita haz láser e impacte éste en un blanco u otro obstáculo, o una cámara CCD. Con sólo tener en cuenta, el diámetro de la mancha del haz y la distancia de la mancha del haz a la fibra, se puede obtener la apertura numérica como: W NA sin 1 2L Donde W es el diámetro de la mancha del haz y L es la distancia respecto a la fibra óptica. Figura 2. Material Experimental de la apertura Numérica Figura 3. Medida aproximada de la Apertura Numerica
LABORATORIO 4 ATENUACIÓN En esta experiencia se realizara las medidas de la atenuación de la fibra óptica. Se utiliza varios elementos para realizar esta medida como: el láser, metro y la fibra. En esta experiencia se aprenderá a medir experimentalmente un parámetro importante de la fibra óptica como es como es la atenuación ya que la conociendo la atenuación de la fibra se va a saber la perdida al establecer una comunicación. Objetivos: Medir las características del sistema emisor, detector y fibra óptica a otra longitud de onda. Analizar las propiedades de transmisión trata los aspectos eléctricos tales como la atenuación y la dispersión de señales que viajan por la fibra. Materiales: Láser (longitud de onda de emisión 670 nm), fibras monomodo y multimodo, Medidor de Intensidad. ATENUACIÓN Las propiedades de la Fibra óptica se pueden encuadrar en cuatro grandes grupos: Propiedades ópticas. Propiedades de transmisión. Propiedades físicas. Propiedades geométricas. Las propiedades de transmisión tratan los aspectos eléctricos tales como la atenuación y la dispersión de señales que viajan por la Fibra. La atenuación de la luz que viaja a través de la fibra depende de tres factores: Scattering de Rayleigh, absorción debida a impurezas (especialmente agua) y micro haces debido a pérdidas inducidas por las condiciones mecánicas de las fibras. El Scattering Rayleigh impone el limite inferior a la atenuación alcanzable en la fibra y es debido a in homogeneidades en el corazón de la fibra varia como Las impurezas mas comunes en la fibra es el agua estrictamente (OH) los cuales tienen picos de absorción a 1.8 µ. En una fibra óptica bien construida predomina el scatering sobre todos los otros factores de perdidas. 1 4
Figura 1. Perdidas debido a absorción y scatering en fibras ópticas Transmisión de potencia a través de fibras ópticas. Normalmente en la discusión teórica se asume que no existen perdidas por propagación en las fibras ópticas; sin embargo cuando la luz se transmite a través de un medio absorvente, la irradiancia cae exponencialmente con la distancia de transmisión, la relación que nos permite explicitar este fenómeno se llama Ley de Beer y se expresa como: Donde I (z) es la irradiancia a la distancia z desde el punto z = 0 y Γ es el coeficiente de atenuación expresado en unidades reciprocas a las unidades de z. En algunos campos de la física y de la química donde la absorción por materiales ha sido estudiada detalladamente la cantidad de absorción a una longitud de onda particular para un camino de longitud especifica tal como 1cm puede ser usando para medir la concentración del material absorvente en la solución. Sin embargo el coeficiente de absorción puede ser expresado en unidades inversas de longitud para exponenciales decadentes, en el campo de las fibras ópticas axial como en la mayoría de los campos de las comunicaciones la absorción es expresada en unidades de db/km. En este caso el decaimiento exponencial usa la base 10 en lugar de la base e. Medida experimental de la atenuación En este experimento se debe aprender a medir experimentalmente uno de los parámetros más importantes de las fibras ópticas, la atenuación por unidad de longitud de una fibra óptica multimodo para comunicaciones la técnica utilizada se llama por el método de corte. Figura 2. Montaje experimental Los diseñadores de sistemas de fibras ópticas necesitan conocer cuanta luz permanece en la fibra después de su propagación una distancia dada. El método de corte garantiza que
únicamente las pérdidas por transmisión en la fibra sean debido a esta y no a otras causas es por ello; que se ha de tomar medidas exclusivamente de la irradiancia luminosa que viaja a través de la fibra. La transmisión a través de la fibra se escribe como: Para poder medir la atenuación numérica de la fibra óptica lo primero que se hace, es quitar el revestimiento que la protege esto solo se quita con ataque químico, el cual se utiliza un acido, después de quitar el recubrimiento se realiza los cortes de la fibra hasta que se obtenga un corte optimo. Luego de haber realizado los cortes le inyectamos la luz del láser por un extremo de la fibra y con un dispositivo que mide la potencia de has de luz que le llega (detector). Donde se ha sustituido Pi Potencia inicial y Pf potencia final por I (0) y I (z) respectivamente, Un resultado logarítmico para las pérdidas en decibeles (db) es dado por: ) El signo menos causa que las pérdidas sean expresada como un número positivo, el coeficiente de atenuación Г en decibeles por kilometro, es encontrado dividiendo las pérdidas por la longitud de la fibra Z entonces el coeficiente de atenuación se puede calcular como: Г(dB/km)= El método de corte trabaja bien para fibras con altas perdidas con Г del orden de 10 a 100 db/km para fibras de otro rango de atenuación se presentan dificultades. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Prepare los extremos de la fibra multimodo de cerca de 4 metros, tal y como aprendió en la primera práctica.
2. Ubique los dos extremos de la fibra en microposicionadores. 3. Inyecte la luz del laser de He-Ne con ayuda de un objetivo del microscopio (40x) en uno de los extremos de la fibra. 4. En el otro extremo de la fibra ubique el medidor de potencia. Optimice este ensamble. 5. Utilice el modo scrambler para simular distancias de kilómetros. 6. Realice medidas de la potencia de salida de la fibra con el medidor de intensidad, esto le permite calcular Pf.
7. Sin desmontar la fibra, proceda a cortar un metro de fibra del extremo del detector y realice las medidas de la potencia de salida de la fibra, esto le permite calcular Pi. 8. Con los datos tomados encuentre experimentalmente el valor de Г(dB/km). 9. Realice un informe escrito detallado de su práctica.