MANEJO DE LA INSTRUMENTACIÓNESPECÍFICA DEL LABORATORIO
I. Fibras Ópticas y DispositivosPasivos
En el Laboratorio de Comunicaciones Ópticas se manejan varios tipos de fibras ópticas
(FO) que a su vez vienen protegidas de diversos modos. Su manejo depende del tipo de
fibra y del recubrimiento de protección.
I.1. TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS
Se emplearán tres tipos fundamentales de FOs:
FIBRA DE PLÁSTICO (POF, PLASTIC OPTICAL FIBER). Son fibras multimodo hechas de
plástico transparente, que se utilizan en la región visible del espectro (en nuestro
caso, se usarán a 650 nm, en el rojo).Tienen una atenuación muy elevada (se mide
en dB por metro, no por kilómetro) y una dispersión muy alta. Por ello no sirven para
Comunicaciones Ópticas a larga distancia. Sí son útiles, por ejemplo, para conexiones
de pocos metros (por ejemplo, entre dos ordenadores). En el Laboratorio resultan
muy adecuadas porque tienen un núcleo muy grande (en torno a 1 mm), que las hace
ser fáciles de manipular y medir. Además son sencillas de conectorizar.
FIBRA MULTIMODO (MM, MULTIMODE). Son fibras de sílice, como las que habitualmente
se utilizan en Comunicaciones Ópticas, de 125 m ó 140 m de sección y 50, 62,5 ó
100 m de diámetro de núcleo. (Las combinaciones posibles son 50/125, 62,5/125 y
100/140.)
FIBRA MONOMODO (SM, SINGLE MODE). Son fibras de 125 m de sección total, y
núcleo entre 6 y 12 m. Están diseñadas para ser monomodo (V<2,405) a partir de
una determinada longitud de onda. Eso no garantiza que lo sean a todas las
longitudes de onda de los emisores disponibles en el laboratorio.
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Intro2
I.2. RECUBRIMIENTOS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS
Generalmente, las fibras ópticas que se utilizan en instalaciones reales están protegidas
por una serie de capas protectoras que las aíslan de agentes externos. Las FOs que se
emplean en el laboratorio, en ocasiones, vienen sin la mayoría de esas capas,
precisamente para permitir la manipulación de las mismas:
FIBRA DESNUDA. Dícese de aquélla que carece de recubrimientos plásticos de
protección. Estas fibras son algo más gruesas que un cabello, y llevan únicamente un
recubrimiento de silicona (azul o incoloro en nuestro caso). Se deben manipular con
cuidado, porque se rompen con facilidad. En el Laboratorio hay bobinas de fibra
desnuda de varios kilómetros de longitud, y fragmentos arrollados de algunos
metros. Las fibras de plástico del laboratorio llevan un único recubrimiento negro de
polímero, y tienen un grosor de alrededor de 2 mm.
CABLES DE FIBRA. Cuando no se necesita manipular la propia fibra, se emplean
cables, de aspecto semejante a los eléctricos, en los que las fibras están más
protegidas. Los extremos de estos cables de fibra vienen rematados con conectores.
En el Laboratorio se encuentran cables de fibra de 1-2 m (latiguillos) y carretes
que contienen desde cientos de metros a algunos kilómetros. La parte más frágil de
los cables son los conectores de los extremos.
CÓDIGOS DE COLORES. No existe un código de colores establecido para distinguir las
características de una fibra solitaria (sí los hay para cables multifibra, que son los
habituales en enlaces). Los latiguillos de fibra monomodo del Laboratorio son
habitualmente de color amarillo y los de fibra multimodo suelen ser de color naranja
o verdes. Los carretes llevan normalmente una etiqueta identificativa.
Generalmente son amarillos los monomodo y grises los multimodo. Las fibras POF
de plástico del laboratorio son azules y de color gris oscuro, casi negro. (De todos
modos, las fibras POF se reconocen de inmediato sin más que mirar la punta o el
conector).
I.3. CONEXIONES CON FIBRAS ÓPTICAS
Dentro de cualquier montaje, las fibras deben conectarse con dispositivos emisores,
detectores, o con otras fibras. Según el tipo de montaje y la permanencia que se desee
para el mismo, se utilizan distintos modos de conexionado:
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Intro 3
EMPALMES O SOLDADURAS DE FIBRA. Cuando se desea realizar una unión permanente
entre dos fibras, se fusionan sus extremos por medio de una máquina de soldar. Esta
operación se realiza típicamente en montajes de campo para unir carretes sucesivos.
EMPALMES PROVISIONALES. Es una variante de laboratorio en la que se enfrentan dos
fibras y se sujetan mecánicamente sobre una superficie metálica provista de una
ranura (surco en V). A veces se añade sobre el empalme una gota de líquido con el
mismo índice de refracción que las fibras, para evitar reflexiones en las interfases.
CONECTORES PROVISIONALES. Permiten conectar, de forma provisional, el extremo de
una fibra y la entrada a un dispositivo emisor o receptor. En determinados tipos de
conectores del laboratorio, también pueden utilizarse para estudiar las propiedades
del haz luminoso emergente, al facultar la manipulación del extremo de la fibra y su
colocación precisa dentro de un montaje óptico.
CONECTORES PERMANENTES. En montajes reales, son los conectores habituales para
los extremos emisor y receptor. En el Laboratorio se pueden encontrar en los
latiguillos y en los carretes de cable. Los conectores de fibra de sílice del
Laboratorio son de tipo FC. Son semejantes a los conectores BNC eléctricos, pero
tienen rosca. Son todos aéreos, del mismo género (macho), y se adaptan entre sí
por medio de pasamuros de doble rosca en los que quedan enfrentados.
I.3.1. Precauciones con los conectores
Es importante observar que los conectores FC van provistos de una lengüeta que
encaja en una ranura del pasamuros. Por lo tanto, el conector sólo encaja
correctamente en una posición. No fuerce nunca los conectores.
Una vez introducido el conector, rosque hasta el final sin forzar. En ese momento el
conector quedará correctamente posicionado.
LAS MEDIDAS REALIZADAS CON CONECTORES MAL POSICIONADOS SON
INCORRECTAS.
Para extraer un conector, desenrósquelo por completo, y sáquelo agarrándolo de la
parte metálica. En ningún caso extraiga el conector tirando del cable de fibra,
porque la partirá.
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Intro4
Los conectores deben estar tapados siempre que no se encuentren en uso, para
evitar que se ensucie el extremo de la fibra. Recuerde que está manipulando luz.
Cualquier resto de suciedad en la cara del conector introducirá pérdidas en el enlace.
Los conectores de las fibras de plástico carecen de lengüeta, y se conectan por
presión, hasta escuchar un "clic". Se extraen tirando con cuidado del conector.
I.4. ACOPLADORES
Como es sabido, algunas manipulaciones que resultan muy simples con cables eléctricos
son bastante complejas en FOs. En particular, se encuentran en este grupo todas las
operaciones relacionadas con continuidad de las líneas (empalmes, uniones
provisionales) y con el encaminamiento de la señal (bifurcaciones, divisiones de señal,
inyección de señales a una misma línea, transmisión punto-multipunto). En otras
palabras, resulta más sencillo garantizar la continuidad eléctrica que la óptica.
Para poder realizar estas operaciones de
un modo sistemático, se han desarrollado
familias de elementos pasivos conocidos
con el nombre genérico de acopladores.
Los acopladores (Figura I.1) son dispositi-
vos que combinan y/o separan las señales
procedentes de una serie de FOs. Suelen
distinguirse por su número de entradas y de salidas. Así se habla de acopladores 1x2,
2x2, o en general, MxN. Si las entradas son intercambiables por las salidas (depende de
la tecnología de fabricación) se dice que los acopladores son bidireccionales. Si no es
posible, entonces son unidireccionales.
En general, se desea que el acoplador cumpla ciertos requisitos:
Cualquier señal introducida en una de las entradas debe distribuirse entre las
salidas. La distribución no ha de ser necesariamente equitativa. Por ejemplo, si en el
acoplador 2x2 de la Figura suponemos que y son las entradas, y y las
salidas, una señal introducida en debería salir por y , pero no por . Si
además sale la mitad de la señal por y otro tanto por , se dice que el acoplador
es 50/50 (también se le llama acoplador 3dB por razones obvias). Los valores más
típicos en acopladores de dos salidas son 50/50 y 90/10 (la rama 10, en este caso,
se suele emplear como muestreo).
Figura I.1. Aspecto real de un acoplador2x2 y esquema de un 2x2 y unMxN. Las asignaciones depuertas pueden variar.
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La entrada no utilizada no debe recibir señal. La señal recibida en la otra entrada
(o las otras entradas) se considera diafonía. Precisamente, uno de los parámetros de
caracterización de los acopladores es su directividad, que viene a ser como la
capacidad de aislamiento entre diferentes entradas.
A menos que se indique expresamente, un acoplador sólo funciona correctamente
en un estrecho margen de longitudes de onda del espectro, que suele coincidir
con una de las ventanas de transmisión. Cuando un acoplador es insensible a
variaciones espectrales, se dice que tiene respuesta espectral plana o
simplemente que es un acoplador plano. En la Práctica II se experimenta con uno
de estos acopladores.
I.4.1. Parámetros de caracterización de acopladores
Pérdidas de Exceso. Es una medida de la potencia perdida en el acoplador,
comparando la potencia entregada a la entrada y la extraída por las distintas salidas:
)º(log
1
salidasnNP
P10-=P N
j
entradaexceso
{1}
Pérdidas de Inserción. Las pérdidas de inserción son un concepto más general que
el empleado aquí: son las pérdidas introducidas por la mera instalación de un
dispositivo en un sistema. En este contexto, sin embargo, se refiere sólo al canal
utilizado. Así, un acoplador puede tener unas pérdidas de inserción muy altas, si se
refieren a una salida que acople poca potencia.
usadassalidayentradajiPP10-=P
j
iinserción :,log
{2}
Relación de Acoplo. Mide la manera en que se distribuye la potencia entre las
salidas:
salidasjlasdeunaiP
P=(%)R N
j
ii
100
1
{3}
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Directividad. Potencia de una entrada que se acopla a otras. Tal como está
formulada, es tanto mejor cuanto mayor es:
ikP
P10=Dk
entradai
log {4}
I.4.2. Multiplexores por división en longitud de onda
Otro tipo de dispositivos pasivos de gran utilidad en Comunicaciones Ópticas son unos
elementos capaces de separar diferentes longitudes de onda de un canal. Pueden
considerarse un tipo especial de acopladores 1xN, en los que la potencia óptica
procedente de la única entrada se distribuye entre dos o más salidas según su longitud
de onda (ello permite enviar varias señales simultáneas por la misma fibra y separarlas a
la salida). Reciben el nombre de multiplexores por división en longitud de onda
(wavelength division multiplexer, WDM). Los dispositivos son bidireccionales, es decir,
pueden servir para separar radiación de diferentes longitudes de onda que viaja por la
misma fibra, o para combinar varias longitudes de onda en una sola salida.
Los parámetros de caracterización de los WDM son los mismos que los ya
relatados para los acopladores. Poseen además un parámetro característico, el
aislamiento, que mide la relación de potencias de diferentes longitudes de onda en
la misma salida. Así pues, es una medida del poder de separación espectral del
dispositivo.
)(P)(P
)(P)(P10=Pentrada2j
1entrada1ja
2
log {5}
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Intro 7
II. Emisores
Los emisores que se utilizan en Comunicaciones Ópticas son fundamentalmente de dos
tipos: diodos emisores de luz (LED) y láseres, en particular diodos láser (LD). En el
Laboratorio se emplea para la mayoría de montajes una caja de emisores que aparece
en la Figura II.1.
II.1. MÓDULOS DE LA CAJA DE EMISORES
La caja de emisores está
formada por cuatro módulos
semejantes entre sí. Los tres
primeros contienen LEDs de
diferentes longitudes de onda, y
el cuarto lleva incorporado un
diodo láser. El interruptor
general se encuentra en la
parte trasera.
En la Figura II.2 se muestra en
detalle uno de los módulos LED.
De arriba abajo, se observan los
siguientes elementos:
Figura II.1. Esquema de la caja de emisores del Laboratorio. Los tres módulos de la izquierdacontienen LEDs, y el de la derecha es un diodo láser. Las longitudes de onda defuncionamiento están especificadas en cada módulo.
Selector defrec. modulac.
Potencialuminosa
Entrada señalmoduladora LF
Entrada señalmoduladora HF
Emisiónde luz
Encendidodel módulo
Medida decorriente
Figura II.2. Detalles de funcionamiento de un móduloemisor LED.
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Dos conectores BNC para entrada de señal moduladora.
Un conmutador para seleccionar una de las entradas anteriores (modulación digital o
analógica).
Un potenciómetro para controlar la potencia luminosa de salida del LED o LD.
(a la derecha) Un pasamuros donde se introduce el conector de fibra. En el módulo de
650 nm, el pasamuros instalado es para fibra de plástico. En los tres restantes se
encuentra un pasamuros FC. (¡Recuerde alinear la lengüeta y la ranura!).
Medida de la corriente consumida por el emisor LED. Relacionada con el
potenciómetro anterior. La medida se realiza con un polímetro, registrando la tensión
que cae en una resistencia instalada internamente que equivale a 10 .
El interruptor de encendido del módulo. Salvo indicación expresa, los módulos en
uso deben dejarse encendidos durante toda la práctica.
II.2. EL MÓDULO DEL DIODO LÁSER
En la Figura II.3 se muestra el módulo del
diodo láser. Además de los controles des-
critos en el apartado anterior, este módulo
presenta ciertos elementos adicionales. La
función de estos elementos se explica
recordando que los diodos láser comercia-
les llevan incluido un fotodetector interno
para monitorizar continuamente la
potencia de salida. Este fotodiodo se
integra en un circuito de realimentación
que puede emplearse para estabilizar la
corriente entregada al dispositivo o la
potencia luminosa de salida.
Además conviene advertir que este diodo
láser es una fuente de luz infrarroja (invisible, por tanto) de cierta potencia. Su manejo,
pues, requiere algunas precauciones que se comentan en el siguiente apartado.
Las características propias del módulo emisor LD son:
Figura II.3. Detalles de funcionamientodel módulo emisor LD.
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El sensor de corriente incluido en los demás módulos aparece también en el módulo
LD, pero se incluye además un sensor de potencia. Esta medida procede del
fotodiodo de control interno. Así, en el módulo LD se puede monitorizar la corriente
entregada al dispositivo, y simultáneamente, de forma independiente, la potencia de
salida del láser.
En el centro del módulo se ha incluido un nuevo conmutador, etiquetado
CORRIENTE/POTENCIA. Con él se puede escoger el modo de funcionamiento del láser:
estabilización en corriente (se mantiene constante la corriente con independencia de
la potencia de salida) o estabilización en potencia (se manipula la corriente para que
la potencia, medida constantemente por el fotodiodo interno, sea constante).
II.3. PRECAUCIONES DE MANEJO DE LA CAJA DE EMISORES
Las precauciones específicas que deben observarse con la caja de emisores son dos:
Seguridad. Las conexiones etiquetadas "SALIDA FIBRA ÓPTICA" llevan inmediatamente
detrás un LED o diodo láser. En casi todos los casos se trata de luz infrarroja,
invisible al ojo. Aunque la potencia no alcanza niveles elevados, no es aconsejable
mirar a través del conector si la fuente está encendida. Esto es especialmente
importante en el caso del diodo láser, cuya luz colimada se enfoca fácilmente en la
retina. Como norma trabaje siempre con los emisores en un plano horizontal, a
una altura inferior al pecho.
Deterioro del material. No introduzca ningún objeto en los orificios de los conectores.
Tenga cuidado al ajustar los conectores FC. Localice la lengüeta y hágala coincidir
con la ranura del conector pasamuros. Al desconectar, desenrosque completamente y
tire del propio conector, no del cable de fibra.
Control de Potencia. El potenciómetro de control de potencia luminosa debe girarse
lentamente. Es especialmente importante este detalle en el control del diodo láser:
nunca gire con brusquedad este control.
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Intro10
III. Generadores
La caja de generadores de señal se muestra en la Figura III.1.
Consta de tres módulos iguales. Cada uno de ellos lleva un conmutador, de 10
posiciones, que controla la frecuencia de la señal, y una pareja de BNCs para salidas de
pulsos de reloj y de datos. En la posición 10, la frecuencia del reloj es de 40 MHz. Cada
posición anterior divide la frecuencia por 2: la 9 corresponde a 20 MHz, la 8 a 10 MHz,
etcétera. La posición 1 corresponde aproximadamente a 78 kHz.
Los tres módulos son idénticos y síncronos, puesto que la señal maestra se produce en
un solo oscilador. Los datos están formados por secuencias seudoaleatorias. Se
generan con un registro de desplazamiento de 6 bits. El código es NRZ. Se puede
producir cualquier combinación excepto 000 000. La secuencia se repite al cabo de 63
bits, de los cuales 32 son '1' y 31 son '0'. El polinomio de generación hace que los bits se
distribuyan de modo que se obtenga la máxima anchura espectral: la mitad de los '1'
aparecen aislados, la cuarta parte en grupos de dos, y así sucesivamente.
Figura III.1. Caja de generadores
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Intro 11
Generador de Patrones de TV
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IV. DETECTORES
La caja de detectores se muestra en la Figura IV.1. Consta de tres módulos equivalentes
situados en la parte izquierda, y uno especial, etiquetado pin InGaAs que ocupa la parte
derecha.
Los tres módulos de la izquierda contienen fotodetectores a tres longitudes de
onda: 650 nm (para fibra de plástico; el conector es también POF), 820 nm y 1300 nm
(primera y segunda ventana, con conectores FC).
En cada uno de los tres módulos, por encima de los conectores de fibra se hallan dos
conectores BNC. Son salidas que permiten extraer la señal recibida por el
fotodetector correspondiente en forma analógica, o en forma digital tras pasar por un
comparador.
El conmutador situado abajo a la derecha conecta y desconecta los circuitos
comparadores. Se ha instalado para evitar que éstos introduzcan ruido cuando no
están usándose. Así pues, si el conmutador está en OFF, las salidas digitales de
los tres módulos de la izquierda estarán desactivadas.
El módulo de la derecha lleva instalado un fotodetector p-I-n con salida analógica,
preparado para poder modificar sus parámetros de funcionamiento:
A la derecha de la salida BNC existe un conmutador que permite seleccionarla resistencia de carga: 2, 10 ó 30 k.
Figura IV.1. Caja de detectores
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Intro 15
La tensión de polarización se ajusta con un control giratorio (abajo), y se mideen las bornas adyacentes.
V. Medidores de Potencia ÓpticaEn todos los puestos del Laboratorio existen unas unidades portátiles, semejantes a
polímetros digitales, que se emplean para medir potencia óptica. A tal efecto, poseen en
su parte superior los correspondientes conectores o adaptadores en los que colocar las
diferentes salidas de fibra óptica. Sus características más relevantes se comentan a
continuación:
Los medidores pueden trabajar a diferentes longitudes de onda. Al realizar una
medida, deberá comprobarse que la de trabajo coincide con la del medidor. En
caso contrario la medida realizada será incorrecta. Si el medidor carece de la
longitud de onda que se está empleando, utilice la más próxima dentro de las
posibles selecciones.
Los medidores poseen escalas lineales (mW, W) y escalas logarítmicas (dBm,
dB). Preste atención a la escala que está empleando en cada caso, especialmente
si tiene que cambiar de escala para completar una serie de medidas.
Al tratarse de instrumentos portátiles, la conexión y desconexión de latiguillos de fibra
se hace especialmente delicada. El posicionamiento incorrecto de los conectores FC
en los medidores de potencia es una de las fuentes más comunes de errores de
medida. Adicionalmente, la conexión y desconexión a estos medidores es una de las
causas más frecuentes de roturas de latiguillos. Se recuerda una vez más que,
para posicionar correctamente el conector FC, debe hacerse coincidir su lengüeta con
la ranura del medidor. Para extraerlo, tire siempre del conector, no del latiguillo.
Figura IV.2. Circuito del fotodiodo p-I-n
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Intro16
VI. OsciloscopioNota: Los números van referidos a la figura.
Funciones de raya continua (p.ej. VAR, junto a 24 y 28): Para activar
apretar el mando durante 2 segundos. Para desactivar realizar la misma
operación.
Funciones de raya discontinua (p.ej. CHOP, junto a 24 y 25): Apretar
simultáneamente los botones situados a ambos lados de los mandos.
Vernier: Permite seleccionar amplitudes variables. Se emplea para medir tiempos
de subida y bajada. Apretar el botón VAR del canal correspondiente (24 y 28).
Para medir tiempos de subida y bajada se recomienda:
1. utilizar el mando x10 de la base de tiempos
2. variar la posición del eje X, la pendiente y nivel de disparo hasta ver el
flanco de subida con la mayor amplitud posible en el eje de tiempos
3. ajustar la amplitud de la señal en pantalla mediante el vernier a las marcas
de trazos para poder utilizar las marcas 10% y 90%
4. usar los cursores para la medida de tiempos.
Bases de tiempos variables: Apretar botón VAR de la base de tiempos (32).
Modo digital: Apretar el botón ON/OFF de la parte superior (7). En modo
digital la base de tiempos llega hasta 2 µs/div. En modo analógico la base de
tiempos llega hasta 50 ns/div.
Ancho de banda: El ancho de banda es de 150 MHz, salvo en las escalas de
2 mV/div y 5 mV/div donde se reduce
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Intro18
Acrónimos habituales en Comunicaciones Ópticasy específicos del Laboratorio
APD. Avalanche photodiode. Fotodiodo
con ganancia empleado en CCOO.
DBR. Distributed Bragg reflection. Diodo
láser de reducida anchura espectral
con reflectores Bragg distribuidos.
DFB. Distributed Feed-back. Diodo láser
de reducida anchura espectral con
retroalimentación distribuida.
EDFA. Erbium-Doped Fiber Amplifier.
Amplificador de fibra dopada con Erbio.
FC. Tipo de conector empleado en el
Laboratorio
FO. Fibra Óptica
Gbps. Gigabits por segundo
LCOBM. Laboratorio de Comunicacio-
nes Ópticas "Brigadier Mathé"
LD. Laser Diode –Diodo láser
LED. Light Emitting Diode – Diodo
Emisor de Luz
MM. Multimodo
OSA Optical Spectrum Analyzer.
Analizador de Espectro Óptico
OTDR Optical Time-Domain
Reflectometer. Reflectómetro Óptico
en el domino del tiempo. Instrumento
de medida y control de líneas de FO.
p-i-n O simplemente pin. Fotodiodo
empleado habitualmente en CCOO.
POF. Plastic Optical Fiber –Fibra Óptica
de Plástico
SM. Single Mode –Monomodo
SMA Tipo de conector paulatinamente
en desuso