13 Mediiones en fibras óptias. 13.1 Introduión: 13.1.1 Historia El uso de señales visuales para las omuniaiones de larga distania ya se realizaba por el año 1794 uando se transmitían mensajes de alerta en ódigo Morse a los navegantes. Esto demuestra que, las omuniaiones por fibra óptia es una nueva apliaión de una vieja idea, donde se pasó de tener un medio portador omo el aire a la fibra óptia. En 1976, C. Kao y C. Hokman publiaron un primer informe proponiendo la fibra óptia omo un medio transmisor en donde las pérdidas podrían ser reduidas desde 1000dB/Km. a 20dB/Km. Ya en 1974 fue fabriada la primera fibra óptia on solo 4dB/Km. Luego, en los 80, el desarrollo tenológio de la fabriaión de fibras evoluionó rápidamente obteniéndose en la atualidad pérdidas típias del orden de 0.2dB/Km. Como ventajas importantes, un enlae de fibra óptia requiere en general de menos repetidores que uno on able oaxil (para tasa de bits equivalentes), además es más liviana, de menor dimensión, más inmune a la EMI 1, y más apropiada para transmisiones digitales. Un diagrama simplifiado de un enlae de omuniaión por fibra óptia se muestra en la figura 13.1. Figura 13.1 La fuente óptia puede ser un LED o diodo láser on salida en la región de longitudes de onda entre 820-850nm. El medio de transmisión puede ser una o varias fibras óptias que en general son de vidrio. El detetor o reeptor puede ser un diodo PIN o uno de avalanha (APD). Cabe alarar que en la industria óptia es más omún hablar de longitudes de onda en lugar de freuenias. Los sistemas óptios operan hoy en la región entre los 800-900nm. En la figura 13.2, se observa el espetro óptio menionado. 1 EMI: Interferenia eletromagnétia Instrumentos y Mediiones Instymed_t13.do 1
Figura 13.2 13.1.2 Reflexión total Apertura Numéria La transmisión por fibras óptias es posible por el fenómeno de reflexión interna total. Cuando la luz golpea una frontera entre dos materiales de diferentes índies de refraión, la trayetoria del rayo de luz se altera de dos maneras. Primero la luz se refleja, lo ual signifia que la energía de luz se refleja y no entra en el material al otro lado de la frontera. El resto de la energía penetra en el material, pero la trayetoria del rayo de luz se altera (Figura 13.3). Figura 13.3 El valor de refraión, o ángulo de desviaión a partir de la trayetoria de la línea, está dada por la ley de Snell: n2 osθ1 = (13.1) n1 osθ 2 donde: n 1 = índie de refraión del primer material n 2 = índie de refraión del segundo material θ 1 = ángulo entre la superfiie y el rayo inidente θ 2 = ángulo entre la superfiie y el rayo refratado Si el ángulo entre la superfiie fronteriza y el rayo fuera pequeño, sería una situaión en la ual el valor de la desviaión del rayo a partir de la trayetoria en línea reta ausa que la energía de luz no entre en el segundo material. Esto ourre si el ángulo θ 2 es igual a ero lo que se dedue omo 1 n2 θ = os (13.2) n El ángulo θ se denomina ángulo rítio y representa una situaión donde se refleja toda la energía de la luz. Si se tiene que el extremo de una fibra óptia da al aire, los rayos de luz que entran por ese extremo se refratan haia el eje entral de la fibra porque el índie de refraión del 1 Instrumentos y Mediiones Instymed_t13.do 2
vidrio es mayor que el del aire. El ángulo máximo φ que produe una reflexión interna al ángulo rítio; n1senθ senφ = = n1senθ (13.3) n3 donde: n 1 = índie de refraión del núleo de la fibra n 3 = índie de refraión del aire (igual a 1) θ = ángulo rítio Se define el ángulo o ono de aeptania omo el doble de φ, esto es: 1 θ = sen ( n senθ ) (13.4) A 2 1 Por lo tanto, parte de energía luminosa que entra en la fibra fuera del ángulo de aeptania se pierde por refraión on el material de reubrimiento en ada reflexión. Otra forma de uantifiar este ono de aeptania es la denominada apertura numéria NA, la ual es más utilizada en el álulo de pérdidas en fibras óptias. 2 2 1 NA = n 2 n (13.5) Otra propiedad de una fibra para una dada longitud de onda λ, y radio interno a, es la denominada freuenia normalizada V: 2πa V = NA (13.6) λ Del análisis de la euaión 13.5, es importante remarar que la apertura numéria es independiente de sus dimensiones físias. Por otro lado, de la euaión 13.6, podemos observar que la freuenia normalizada depende, además de la apertura numéria, del radio interno a. 13.1.3 Tipos de fibras En general son fabriadas on vidrios de distintos índies de refraión. Existen tres ategorías de fibras las uales se diferenian por su modo y sus propiedades físias: Modo simple Multimodo on índie de a paso Multimodo on índie graduado Un modo puede ser pensado omo el amino que una señal de luz sigue dentro de una fibra. Una forma de limitar el número de modos propagados en una fibra es disminuyendo el radio interno a y manteniendo la relaión n 1 /n 2 tan pequeña omo se pueda, a menudo se logra 1.01 o menos. Entones una fibra de modo simple se diseña tal que solo un modo pueda propagarse. De esta manera, esta fibra no presentará dispersión modal omo veremos más adelante. Como ejemplo, para una fibra on índies de refraión n 1 =1.48 y n 2 =1.46, on longitud de onda de fuente 820nm, para operar en modo simple, el máximo diámetro interno debería ser 2.6µm (muy pequeño) Las fibras multimodo on índie de a paso se araterizan por tener un ambio abrupto en el índie de refraión, en ambio las de índie graduado se araterizan por un ambio ontinuo y suave en este índie. En la figura 13.4, se observan estos dos tipos de fibra, y en la 13.5 se observa un orte de un able on varias fibras en su interior. Instrumentos y Mediiones Instymed_t13.do 3
Figura 13.4 Figura 13.5 13.1.4 Pérdidas en fibras óptias En un enlae on fibra óptia hay dos parámetros básios de diseño que limitan la longitud del mismo sin neesidad de agregar repetidores. Estos parámetros son: las pérdidas, que se expresan normalmente en db/km, y la dispersión en MHz/km. Las pérdidas más omunes son debidas a: un urvado exesivo (valores aproximados de 0.2dB/Km para fibras de modo simple); y luego a los empalmes los uales pueden ser por fusión (0.001 a 0.1dB), o meánios (0.1 a 0.5dB). Otra fuente de pérdida son los onetores ontra el transmisor o reeptor, los uales tienen valores típios de 0.1 a 0.5dB. Cuando se inyeta ierta energía dentro de una fibra, la mayor parte de ésta se refleja en las fronteras de los dos vidrios, y por otro lado, parte de esta se pierde, esto es, es absorbida por el vidrio debido a sus impurezas y/o defetos internos. Esta dispersión es propia del material y se denomina dispersión de Rayleigh. Este fenómeno se desribe en la figura 13.6. Figura 13.6 Por otro lado, hemos visto que si aplia un pulso de energía luminosa a una fibra, parte de ésta toma una trayetoria larga, y parte una trayetoria orta, en onseuenia, el pulso saldrá distorsionado al final de la fibra por los diferentes tiempos de llegada de la energía del Instrumentos y Mediiones Instymed_t13.do 4
UNIVERSIDAD NACIONAL DE QUILMES pulso. Este fenómeno se denomina dispersión modal (figura 13.7), el ual limita el anho de banda útil de la fibra. Figura 13.7 13.2 Mediión de potenia en fibra óp tia: 13.2.1 Fuentes y detetores Las fuentes de luz umplen on la propiedad de onvertir la energía elétria en energía óptia (estable). La energía de luz se transmite omo paquetes disretos de energía llamados fotones. Las dos fuentes de luz más utilizadas en sistemas de omuniaiones por fibras óptias son el LED y el diodo de inyeión laser (ILD). Ambos son fabriados desde el mismo omponente base, y sus estruturas de juntura son similares, pero difieren onsiderablemente en su performane. Los LEDs son menos efiientes que los ILDs pero son más baratos. El anho de banda de un ILD es muho más angosto que el de un LED, y la salida de la luz tiene un ono de emisión muy angosto, por ello los ILDs son espeialmente utilizados en fibras de diámetro pequeño (apliaiones de modo simple). Como dato, la efiienia de aoplamiento de un LED es del orden del 2%, mientras que en un ILD es mejor al 50%. En el presente, los sistemas operan en la región de los 820nm. Para esa longitud de onda la mínima atenuaión esperable es del orden de los 3dB/km. Trabajando a unos 1300nm, se logra bajar esta atenuaión a 0.5dB/km (figura 13.8), pero abe alarar que en este aso, las fuentes y los detetores pasan a ser el uello de botella en la evaluaión de las pérdidas. Figura 13.8 Los detetores más omunes son los fotodiodos, tanto los PIN (material intrínseo entre la juntura pn), omo los de avalanha (APD). Ambos trabajan polarizados en inversa. Un fotodiodo puede onsiderarse omo un ontador de fotones, luego la potenia en watts puede obtenerse multipliando esa uenta por la energía de un fotón. Instrumentos y Mediiones Instymed_t13.do 5
h E = = h. f (13.7) λ donde: E = energía del fotón h = onstante de Plank: 6.63 x 10-34 W/s 2 = veloidad de la luz: 3 x 10 8 m/s λ = longitud de onda f = freuenia El número de fotones por segundo N para una fuente de luz de potenia p es: p p N = = (13.8) E h. f Se define omo efiienia uántia η a la relaión entre el número promedio de eletrones liberados para la onduión y el número de fotones inidentes. Un fotodiodo muy efiiente podría tener valores de η eranas a 1. Si a la euaión anterior la afetamos de la efiienia uántia, obtenemos los eletrones por segundo, y si además multipliamos por la arga del eletrón Q, obtenemos la orriente real en amperes: η. Q. p η. Q. p. λ I = = (13.9) h. f h. donde: Q = arga del eletrón: 1.6 x 10-19 Coulombs Entones la fotoorriente de un fotodiodo es proporional a la potenia inidente, pero también a la longitud de onda; omo onseuenia los medidores de potenia se deben alibrar para una longitud de onda espeífia. 13.2.2 Medidor de potenia óptia Existen dos tipos de mediiones de potenia óptia: mediiones de potenia absoluta, y mediiones de potenia relativa. Las absolutas son realizadas uando se miden diretamente fuentes, amplifiadores, y reeptores, en ambio, en las relativas se miden las pérdidas, atenuaiones, o gananias en una red de fibra óptia. Las mediiones relativas se expresan habitualmente en deibeles (db), y las absolutas en dbm (referidas a 1 miliwatt de potenia). Para realizar una mediión de las pérdidas óptias, primeramente se transmite un nivel de luz onoido on una fuente de luz diretamente a un medidor de potenia óptia sin el enlae a medir, este nivel se onsidera omo nivel de referenia. Luego se interala el sistema a medir y se mide la potenia de la señal reibida, la diferenia entre esta potenia y la de referenia orresponde a las pérdidas del enlae. En un medidor de potenia óptia, básiamente se onvierte el valor de la orriente generada por el fotodiodo en un valor de tensión, por medio de un amplifiador. Luego, para evitar eventuales voltajes de ruido para bajas potenias, se oloa un filtro pasa bajo, y por último se inserta este valor en un voltímetro digital. En la figura 13.9, se observa una onstruión básia de un medidor de este tipo. Instrumentos y Mediiones Instymed_t13.do 6
Figura 13.9 13.3 Refletómetro óptio de dominio del tiempo: 13.3.1 Introduión diagrama en bloques El refletómetro óptio de dominio del tiempo es una herramienta muy poderosa para el mantenimiento e instalaión de un sistema de fibras óptias. Posterior a la instalaión, todo able de fibra óptia debe ser hequeado para orroborar que la señal de luz inyetada por un extremo alane en forma apropiada el otro extremo. El parámetro más importante que se mide es la atenuaión de la señal de luz a lo largo de toda la fibra. Esta mediión, omo hemos visto, puede realizarse por medio de una fuente de luz y un medidor de potenia óptia, pero de esta manera no permite obtener los siguientes datos: Cómo están distribuidas las pérdidas? Existen pérdidas puntuales de valor inaeptable? Si existen rupturas, dónde están ubiadas? Esta informaión puede obtenerse a través de un OTDR. Este instrumento básiamente entrega un gráfio de nivel de señal respeto a la distania, en donde se puede estableer la existenia y loalizaión de rupturas, pérdidas en empalmes, onetores, y dobladuras, y la pérdida total del sistema. El prinipio de funionamiento del mismo se basa en la transmisión de pulsos de luz y el posterior análisis de la energía de luz reflejada debido a la dispersión de Rayleigh, y la reflexión de Fresnel. Una ventaja de importania es que tanto la transmisión omo reepión de la señal de luz se enuentra en un solo instrumento, por lo tanto solo se neesita aeder desde un extremo de la fibra a testear. En la figura 13.10 se muestra un diagrama en bloques de un refletómetro óptio en el dominio del tiempo. Se inyeta un pulso de luz angosto sobre la fibra a medir, luego la energía luminosa reflejada no penetra en el transmisor graias a un aoplador direional. Este aoplador también previene que la energía luminosa muy potente del transmisor no sobreargue al reeptor. El reeptor de luz exhibe entones la energía luminosa reflejada omo funión del tiempo respeto al pulso transmitido. Instrumentos y Mediiones Instymed_t13.do 7
Figura 13.10 13.3.2 Mediión típia La veloidad on que se propagan los pulsos de luz es igual a la veloidad de la luz afetada por el índie de refraión del material. Cuando por ejemplo, el pulso se enuentra on un onetor mal alineado se produe una reflexión, entones puede evaluarse la distania en donde se produjo este evento:. t d = (13.10) 2. n donde: n = índie de refraión de la fibra = veloidad de la luz t = tiempo transurrido entre el envío y reepión de la reflexión. El la figura 13.11, se muestra una pantalla típia de un refletómetro, en donde se evalúa una fibra óptia. En general son retas on pendiente negativa impuestas por la dispersión de Rayleigh, y luego saltos que pueden ser generados por onetores, empalmes, dobladuras, o rupturas. Figura 13.11 Por último, abe alarar, que todo OTDR tiene una zona muerta en donde no puede efetuar mediiones. Esta limitaión está dada por el anho de los pulsos transmitidos y el Instrumentos y Mediiones Instymed_t13.do 8
índie de refraión de la fibra. Por ejemplo, para una fibra on n =1.5, el pulso se propagaría a la veloidad de la luz afetada por este índie, esto es, a 2x10 8 m/seg. En un 1 nseg el pulso se propaga 20m, on lo ual, si el anho del pulso fuera del orden del nanosegundo, se enmasaría el pulso reflejado, por lo tanto no sería apaz de detetar reflexiones dentro de esa zona muerta. 13.4 Temas a desarrollar: Definir db y dbm. Cómo se fabrian las fibras óptias? Cómo se logra una fuente de luz alibrada y estabilizada? Qué es un ORL? Qué diferenias tiene frente a un OTDR? 13.5 Bibliografía: 1) 'Instrumentaión Eletrónia Moderna y Ténias de Mediión' de W. Cooper. Editorial Prentie Hall 1982. 2) Teleommuniation Transmission Handbook de R. Freeman. Editorial John Wiley & Sons 1981. 3) Lightwave Test and Measurement. Referene Guide EXFO 2001. Instrumentos y Mediiones Instymed_t13.do 9