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8/2/2019 Instymed_t13

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE QUILMESINGENIERA EN AUTOMATIZACIN Y CONTROL INDUSTRIALCtedra de Instrumentos y Me diciones

Instrumentos y Mediciones Instymed_t13.doc 1

13 Mediciones en fibras pticas.

13.1Introduccin:13.1.1Historia

El uso de seales visuales para las comunicaciones de larga distancia ya se realizaba por

el ao 1794 cuando se transmitan mensajes de alerta en cdigo Morse a los navegantes. Esto

demuestra que, las comunicaciones por fibra ptica es una nueva aplicacin de una vieja idea,

donde se pas de tener un medio portador como el aire a la fibra ptica.

En 1976, C. Kao y C. Hockman publicaron un primer informe proponiendo la fibra

ptica como un medio transmisor en donde las prdidas podran ser reducidas desde

1000dB/Km. a 20dB/Km. Ya en 1974 fue fabricada la primera fibra ptica con solo 4dB/Km.

Luego, en los 80, el desarrollo tecnolgico de la fabricacin de fibras evolucion

rpidamente obtenindose en la actualidad prdidas tpicas del orden de 0.2dB/Km.

Como ventajas importantes, un enlace de fibra ptica requiere en general de menosrepetidores que uno con cable coaxil (para tasa de bits equivalentes), adems es ms liviana,

de menor dimensin, ms inmune a la EMI1, y ms apropiada para transmisiones digitales.

Un diagrama simplificado de un enlace de comunicacin por fibra ptica se muestra en la

figura 13.1.

Figura 13.1

La fuente ptica puede ser un LED o diodo lser con salida en la regin de longitudes de

onda entre 820-850nm. El medio de transmisin puede ser una o varias fibras pticas que en

general son de vidrio. El detector o receptor puede ser un diodo PIN o uno de avalancha

(APD). Cabe aclarar que en la industria ptica es ms comn hablar de longitudes de onda en

lugar de frecuencias. Los sistemas pticos operan hoy en la regin entre los 800-900nm. En

la figura 13.2, se observa el espectro ptico mencionado.

1EMI: Interferencia electromagntica


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Figura 13.2

13.1.2Reflexin total Apertura NumricaLa transmisin por fibras pticas es posible por el fenmeno de reflexin interna total.

Cuando la luz golpea una frontera entre dos materiales de diferentes ndices de refraccin, la

trayectoria del rayo de luz se altera de dos maneras. Primero la luz se refleja, lo cual significa

que la energa de luz se refleja y no entra en el material al otro lado de la frontera. El resto dela energa penetra en el material, pero la trayectoria del rayo de luz se altera (Figura 13.3).

Figura 13.3

El valor de refraccin, o ngulo de desviacin a partir de la trayectoria de la lnea, est

dada por la ley de Snell:

2

1

1

2

cos

cos

=

n

n(13.1)

donde: n1 = ndice de refraccin del primer material

n2 = ndice de refraccin del segundo material

1 = ngulo entre la superficie y el rayo incidente

2 = ngulo entre la superficie y el rayo refractado

Si el ngulo entre la superficie fronteriza y el rayo fuera pequeo, sera una situacin en

la cual el valor de la desviacin del rayo a partir de la trayectoria en lnea recta causa que la

energa de luz no entre en el segundo material. Esto ocurre si el ngulo 2 es igual a cero loque se deduce como

1

21cosn

nc

= (13.2)

El ngulo c se denomina ngulo crtico y representa una situacin donde se refleja todala energa de la luz.

Si se tiene que el extremo de una fibra ptica da al aire, los rayos de luz que entran por

ese extremo se refractan hacia el eje central de la fibra porque el ndice de refraccin del


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vidrio es mayor que el del aire. El ngulo mximo que produce una reflexin interna alngulo crtico;

c

c sennn

sennsen

1

3

1 == (13.3)

donde: n1 = ndice de refraccin del ncleo de la fibran3 = ndice de refraccin del aire (igual a 1)

c = ngulo crtico

Se define el ngulo o cono de aceptancia como el doble de , esto es:

)(2 11

cA sennsen = (13.4)

Por lo tanto, parte de energa luminosa que entra en la fibra fuera del ngulo de

aceptancia se pierde por refraccin con el material de recubrimiento en cada reflexin.

Otra forma de cuantificar este cono de aceptancia es la denominada apertura numrica

NA, la cual es ms utilizada en el clculo de prdidas en fibras pticas.2

1

2

2nnNA = (13.5)

Otra propiedad de una fibra para una dada longitud de onda , y radio interno a, es ladenominada frecuencia normalizada V:

NAa

V

2= (13.6)

Del anlisis de la ecuacin 13.5, es importante remarcar que la apertura numrica es

independiente de sus dimensiones fsicas. Por otro lado, de la ecuacin 13.6, podemos

observar que la frecuencia normalizada depende, adems de la apertura numrica, del radio

interno a.

13.1.3Tipos de fibrasEn general son fabricadas con vidrios de distintos ndices de refraccin. Existen tres

categoras de fibras las cuales se diferencian por su modo y sus propiedades fsicas:

Modo simple Multimodo con ndice de a paso Multimodo con ndice graduado

Un modo puede ser pensado como el camino que una seal de luz sigue dentro de una

fibra. Una forma de limitar el nmero de modos propagados en una fibra es disminuyendo el

radio interno a y manteniendo la relacin n1/n2 tan pequea como se pueda, a menudo se

logra 1.01 o menos.

Entonces una fibra de modo simple se disea tal que solo un modo pueda propagarse. De

esta manera, esta fibra no presentar dispersin modal como veremos ms adelante. Como

ejemplo, para una fibra con ndices de refraccin n1=1.48 y n2=1.46, con longitud de onda de

fuente 820nm, para operar en modo simple, el mximo dimetro interno debera ser 2.6m(muy pequeo)

Las fibras multimodo con ndice de a paso se caracterizan por tener un cambio abrupto

en el ndice de refraccin, en cambio las de ndice graduado se caracterizan por un cambio

continuo y suave en este ndice. En la figura 13.4, se observan estos dos tipos de fibra, y en la

13.5 se observa un corte de un cable con varias fibras en su interior.


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Figura 13.4

Figura 13.5

13.1.4Prdidas en fibras pticasEn un enlace con fibra ptica hay dos parmetros bsicos de diseo que limitan la

longitud del mismo sin necesidad de agregar repetidores. Estos parmetros son: las prdidas,que se expresan normalmente en dB/km, y la dispersin en MHz/km.

Las prdidas ms comunes son debidas a: un curvado excesivo (valores aproximados de

0.2dB/Km para fibras de modo simple); y luego a los empalmes los cuales pueden ser por

fusin (0.001 a 0.1dB), o mecnicos (0.1 a 0.5dB).

Otra fuente de prdida son los conectores contra el transmisor o receptor, los cuales

tienen valores tpicos de 0.1 a 0.5dB.

Cuando se inyecta cierta energa dentro de una fibra, la mayor parte de sta 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 defectos internos. Esta dispersin es propia del

material y se denomina dispersin de Rayleigh. Este fenmeno se describe en la figura 13.6.

Figura 13.6

Por otro lado, hemos visto que si aplica un pulso de energa luminosa a una fibra, parte

de sta toma una trayectoria larga, y parte una trayectoria corta, en consecuencia, el pulso

saldr distorsionado al final de la fibra por los diferentes tiempos de llegada de la energa del


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pulso. Este fenmeno se denomina dispersin modal (figura 13.7), el cual limita el ancho de

banda til de la fibra.

Figura 13.7

13.2Medicin de potencia en fibra p tica:13.2.1 Fuentes y detectores

Las fuentes de luz cumplen con la propiedad de convertir la energa elctrica en energa

ptica (estable). La energa de luz se transmite como paquetes discretos de energa llamados

fotones. Las dos fuentes de luz ms utilizadas en sistemas de comunicaciones por fibras

pticas son el LED y el diodo de inyeccin laser (ILD). Ambos son fabricados desde el

mismo componente base, y sus estructuras de juntura son similares, pero difieren

considerablemente en su performance. Los LEDs son menos eficientes que los ILDs pero son

ms baratos. El ancho de banda de un ILD es mucho ms angosto que el de un LED, y la

salida de la luz tiene un cono de emisin muy angosto, por ello los ILDs son especialmenteutilizados en fibras de dimetro pequeo (aplicaciones de modo simple). Como dato, la

eficiencia de acoplamiento 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 regin de los 820nm. Para esa longitud de onda

la mnima atenuacin esperable es del orden de los 3dB/km. Trabajando a unos 1300nm, se

logra bajar esta atenuacin a 0.5dB/km (figura 13.8), pero cabe aclarar que en este caso, las

fuentes y los detectores pasan a ser el cuello de botella en la evaluacin de las prdidas.

Figura 13.8

Los detectores ms comunes son los fotodiodos, tanto los PIN (material intrnseco entre

la juntura pn), como los de avalancha (APD). Ambos trabajan polarizados en inversa.

Un fotodiodo puede considerarse como un contador de fotones, luego la potencia en

watts puede obtenerse multiplicando esa cuenta por la energa de un fotn.


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fhhc

E .==

(13.7)

donde: E= energa del fotn

h = constante de Planck: 6.63 x 10-34

W/s2

c = velocidad de la luz: 3 x 108m/s

= longitud de onda

f= frecuencia

El nmero de fotones por segundoNpara una fuente de luz de potenciap es:

fh

p

E

pN

.== (13.8)

Se define como eficiencia cuntica a la relacin entre el nmero promedio deelectrones liberados para la conduccin y el nmero de fotones incidentes. Un fotodiodo muy

eficiente podra tener valores de cercanas a 1.

Si a la ecuacin anterior la afectamos de la eficiencia cuntica, obtenemos los electronespor segundo, y si adems multiplicamos por la carga del electrn Q, obtenemos la corriente

real en amperes:

ch

pQ

fh

pQI

.

...

.

.. == (13.9)

donde: Q = carga del electrn: 1.6 x 10-19 Coulombs

Entonces la fotocorriente de un fotodiodo es proporcional a la potencia incidente, pero

tambin a la longitud de onda; como consecuencia los medidores de potencia se deben

calibrar para una longitud de onda especfica.

13.2.2 Medidor de potencia ptica Existen dos tipos de mediciones de potencia ptica: mediciones de potencia absoluta, y

mediciones de potencia relativa. Las absolutas son realizadas cuando se miden directamente

fuentes, amplificadores, y receptores, en cambio, en las relativas se miden las prdidas,

atenuaciones, o ganancias en una red de fibra ptica. Las mediciones relativas se expresan

habitualmente en decibeles (dB), y las absolutas en dBm (referidas a 1 miliwatt de potencia).

Para realizar una medicin de las prdidas pticas, primeramente se transmite un nivel de

luz conocido con una fuente de luz directamente a un medidor de potencia ptica sin el

enlace a medir, este nivel se considera como nivel de referencia. Luego se intercala el sistema

a medir y se mide la potencia de la seal recibida, la diferencia entre esta potencia y la de

referencia corresponde a las prdidas del enlace.

En un medidor de potencia ptica, bsicamente se convierte el valor de la corriente

generada por el fotodiodo en un valor de tensin, por medio de un amplificador. Luego, para

evitar eventuales voltajes de ruido para bajas potencias, se coloca un filtro pasa bajo, y por

ltimo se inserta este valor en un voltmetro digital. En la figura 13.9, se observa una

construccin bsica de un medidor de este tipo.


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Figura 13.9

13.3Reflectmetro ptico de dominio del tiempo:13.3.1Introduccin diagrama en bloques

El reflectmetro ptico de dominio del tiempo es una herramienta muy poderosa para el

mantenimiento e instalacin de un sistema de fibras pticas.

Posterior a la instalacin, todo cable de fibra ptica debe ser chequeado para corroborar

que la seal de luz inyectada por un extremo alcance en forma apropiada el otro extremo. El

parmetro ms importante que se mide es la atenuacin de la seal de luz a lo largo de toda la

fibra. Esta medicin, como hemos visto, puede realizarse por medio de una fuente de luz y un

medidor de potencia ptica, pero de esta manera no permite obtener los siguientes datos:

Cmo estn distribuidas las prdidas? Existen prdidas puntuales de valor inaceptable? Si existen rupturas, dnde estn ubicadas?

Esta informacin puede obtenerse a travs de un OTDR. Este instrumento bsicamente

entrega un grfico de nivel de seal respecto a la distancia, en donde se puede establecer la

existencia y localizacin de rupturas, prdidas en empalmes, conectores, y dobladuras, y la

prdida total del sistema. El principio de funcionamiento del mismo se basa en la transmisin

de pulsos de luz y el posterior anlisis de la energa de luz reflejada debido a la dispersin de

Rayleigh, y la reflexin de Fresnel.

Una ventaja de importancia es que tanto la transmisin como recepcin de la seal de luz

se encuentra en un solo instrumento, por lo tanto solo se necesita acceder desde un extremo

de la fibra a testear.

En la figura 13.10 se muestra un diagrama en bloques de un reflectmetro ptico en el

dominio del tiempo. Se inyecta un pulso de luz angosto sobre la fibra a medir, luego laenerga luminosa reflejada no penetra en el transmisor gracias a un acoplador direccional.

Este acoplador tambin previene que la energa luminosa muy potente del transmisor no

sobrecargue al receptor. El receptor de luz exhibe entonces la energa luminosa reflejada

como funcin del tiempo respecto al pulso transmitido.


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Figura 13.10

13.3.2Medicin tpicaLa velocidad con que se propagan los pulsos de luz es igual a la velocidad de la luz

afectada por el ndice de refraccin del material. Cuando por ejemplo, el pulso se encuentra

con un conector mal alineado se produce una reflexin, entonces puede evaluarse la distancia

en donde se produjo este evento:

n

tcd

.2

.= (13.10)

donde: n = ndice de refraccin de la fibra

c = velocidad de la luz

t= tiempo transcurrido entre el envo y recepcin de la reflexin.

El la figura 13.11, se muestra una pantalla tpica de un reflectmetro, en donde se evala

una fibra ptica. En general son rectas con pendiente negativa impuestas por la dispersin de

Rayleigh, y luego saltos que pueden ser generados por conectores, empalmes, dobladuras, o

rupturas.

Figura 13.11

Por ltimo, cabe aclarar, que todo OTDR tiene una zona muerta en donde no puede

efectuar mediciones. Esta limitacin est dada por el ancho de los pulsos transmitidos y el


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ndice de refraccin de la fibra. Por ejemplo, para una fibra con n =1.5, el pulso se propagara

a la velocidad de la luz afectada por este ndice, esto es, a 2x108

m/seg. En un 1 nseg el pulso

se propaga 20cm, con lo cual, si el ancho del pulso fuera del orden del nanosegundo, se

enmascara el pulso reflejado, por lo tanto no sera capaz de detectar reflexiones dentro de

esa zona muerta.

13.4Temas a desarrollar: Definir dB y dBm. Cmo se fabrican las fibras pticas? Cmo se logra una fuente de luz calibrada y estabilizada? Qu es un ORL?Qu diferencias tiene frente a un OTDR?

13.5Bibliografa:1) 'Instrumentacin Electrnica Moderna y Tcnicas de Medicin' de W. Cooper. Editorial

Prentice Hall 1982.

2) Telecommunication Transmission Handbookde R. Freeman. Editorial John Wiley &Sons 1981.

3) Lightwave Test and Measurement. Reference Guide EXFO 2001.

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