Práctica 1: Elementos básicos de un enlace de Comunicaciones Ópticas

I

Práctica 1: Elementos básicos de un

enlace de Comunicaciones Ópticas

El objetivo de esta práctica es que el alumno caracterice la respuesta en continua de los elementos básicos de un enlace de comunicaciones ópticas: emisores, fibra óptica y detectores. Para ello será necesario que se familiarice previamente con la instrumentación que utilizará en las prácticas del laboratorio. Se medirá la característica Potencia Óptica - Corriente de un LED y de un Diodo Láser, se determinará la atenuación de la fibra óptica y se medirá la respuesta de fotodiodos PIN, con o sin etapa de amplificación.

M

N

Caja de emisores Caja de detectores

Medidor de potencia óptica (FC) Latiguillo de fibra MM FC

Carrete de fibra MM aprox. 5 km 2 Polímetros y sus bananas Acoplador 2x2

I-2

I.0.

I

NTRODUCCIÓN

I.0.1.

Equipamiento básico

El equipamiento básico de un puesto está formado por tres unidades ("cajas") conteniendo los dispositivos (Fig. I.1). Identifique los distintos elementos de la lista en su puesto:

 Caja de emisores:

 Fuentes ópticas con entrada de modulación digital y analógica (ANALOG_IN,

DIGITA_IN)

 Salida a fibra de plástico: LED 650 nm  Salida a conector FC

LED 820 nm LED 1300 nm

Ambos con opción de aplicar el driver de modulación digital o analógica siendo los modos de polarización distintos–AN. (modulación Analógica) DIG. (modulación Digital)

LD 1300nm (sólo modulación analógica)

 Caja de Detectores

 Receptores con salida digital y analógica (Digital_OUT, Analog_OUT) El funcionamiento de los comparadores en la salida Digital_OUT requiere conectar el conmutador de Digital_OUT a ON.

 Entrada de fibra de plástico: fotodetector de 650 nm  Entrada conector FC

Fotodetector p-i-n 820 nm + amplificador de transimpedancia Fotodetector p-i-n 1300 nm + amplificador de transimpedancia  Receptor con salida analógica (Analog_OUT)

 Entrada conector FC

Fotodetector p-i-n InGaAs 1300 nm con circuito de polarización controlable.

 Caja de generadores

 3 Módulos iguales con 10 frecuencias diferentes  Salida de señal de reloj

Además se dispone de elementos auxiliares y aparatos de medida:

 Fibra óptica con conectores de tipo FC (los latiguillos de fibra monomodo (SM) utilizados en el laboratorio son típicamente de color amarillo, mientras que los de

fibra multimodo (MM) son típicamente de color naranja o gris)

 Medidor de potencia óptica  Osciloscopio Hameg

 Generador de funciones de baja frecuencia, de distintos modelos

LED - 650 nm LED - 820 nm LED - 1300 nm LD - 1300 nm

ON

+

ON ON ON

OFF OFF OFF OFF

CONTROL POTENCIA SENSOR I CONTROL POTENCIA CONTROL POTENCIA CONTROL POTENCIA SALIDA FIBRA ÓPTICA + + SENSOR I SENSOR I + + + +V=10*I MONITOR + POF SALIDA FIBRA ÓPTICA FC SALIDA FIBRA ÓPTICA FC FC

V = 10*I V = 10*I V = 10*I

POT. CORR.

650 nm 820 nm 1300 nm p-i-n InGaAs

Digital OUT Digital OUT Digital OUT

Analog OUT FO-In 2 k 10 k 30 k FO-In FO-In FO-In Analog OUT Analog OUT Analog OUT ON Digittal OUT Vcc RL OFF POF ENTRADA FIBRA ÓPTICA ENTRADA FIBRA ÓPTICA FC FC FC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2₃ 4 5 6 7 8 9 10 1 2₃ 4 5 6 7 8 9 10

Reloj 1 Datos 1 Reloj 2 Datos 2 Reloj 3 Datos 3

Caja de emisores

Caja de detectores

Caja de generadores

I-4

I.0.2.

Conectores FC de fibra óptica

Fíjese en la lengüeta del conector macho y en la muesca del conector hembra, adáptelos antes de comenzar a enroscar desde el conector macho. La conexión no

debe ser nunca forzada (evitar roturas) y asegúrese de haber enroscado hasta el final (evitar errores de medida).

Tanto el conector macho como el hembra tienen protectores. Se los debe encontrar puestos, y volver a ponerlos cuando termine de utilizar los latiguillos y las conexiones de salida en las fuentes y de entrada en los emisores. Recuerde que está midiendo luz, y que la suciedad produce errores de medida. Nunca toque la punta del conector con los dedos. Si utiliza goma de borrar, asegúrese de eliminar todos los

restos que queden en la mesa.

I.0.3.

Medidor de potencia

En la figura I.2 se esquematiza el manejo de un medidor de potencia del laboratorio. Está dotado de un conector FC hembra en su parte superior, donde se acopla el conector FC del latiguillo de fibra óptica. Observe que existen varias longitudes de onda (deberá seleccionar siempre la más próxima) y escalas lineal y logarítmica de potencia. Botón ON/OFF Selector de  780 nm 850 nm 1300 nm 1310 nm 1550 nm Selección de modo de lectura dBm W Seleccione la longitud de onda más cercana a la de la señal que desee medir

Elbotón “ref” no lo use nunca

Fig. I.2. Medidor de potencia

Si lo pulsa accidentalmente, puede

recuperar el funcionamiento

I.1.

M

EDIDA DE

P

OTENCIA

Ó

PTICA

Objetivos: En este apartado se medirá la potencia óptica emitida por las fuentes

LED, con el fin de aprender a manejar el medidor de potencia y a manipular los conectores FC.

Método de medida:

Los LED se emplearán en el modo de polarización digital Dig., en el que la corriente de polarización es fija, no siendo afectada por el potenciómetro de control de potencia (Fig. I.3).

Como no se va a modular, la potencia óptica emitida por el LED es constante.

Procedimiento experimental:

La Caja de Emisores deberá encontrársela encendida. Compruebe que los

indicadores LED están encendidos en todas las fuentes

.

Seleccione modo Dig. y realice los puntos siguientes para una de las fuentes LED (820 o 1300 nm)

I.1.A. Conecte el latiguillo de fibra óptica a la fuente y al medidor. Recuerde I.0.2 I.1.B. Seleccione en el medidor de potencia la longitud de onda de la fuente LED que

vaya a medir.

I.1.C. Varíe el potenciómetro de la corriente de polarización (marcado Control de

Potencia) del LED correspondiente, y compruebe que la medida no varía. Anote

el valor en dBm y en W para la fuente. Si no está comprendido en el rango -9 a

-15 dBm para el LED de 820 nm, o de -13 a -19 dBm para el de 1300 nm, repita

las medidas, puesto que probablemente no ha realizado correctamente alguna conexión. Si la diferencia persiste, consulte al profesor.

I.1.D. Sin variar la fuente LED que esté empleando, varíe la selección de longitud de

onda en el medidor de potencia óptica, y anote la potencia medida en cada de

una de las posibles longitudes de onda (780 nm, 850 nm, 1300 nm, 1550 nm). Analice la causa de las diferentes lecturas con la misma fuente de potencia.

Entrada HF Estabilizador de corriente R R R 10 Circuito Modulación Alta Frecuencia Sensor I +5 vol. Conexión a fibra FC

Fig. I.3. Medida de corriente del LED en modo Dig. digital Conmutador

I-6

Nota: Como se verá en la práctica 2, el modo de polarización la señal óptica de salida

depende digitalmente de la señal en la entrada Digital_IN, con inversión lógica: cuando en esta entrada se aplica un “0”lógico (0 V,o ninguna tensión aplicada), la potencia emitida es la máxima permitida (“1“lógico),mientras queal aplicar un “1” a la entrada (tensión de 5 V), el LED no emite potencia (“0” lógico). Sólo emite “0”’s y “1”’s.

I.2.

M

EDIDA DE LA

R

ESPUESTA EN

P

OTENCIA DE UN

LED

Objetivos: Caracterización de la curva de respuesta en continua: potencia emitida en

función de la corriente aplicada, curva P-I.

Método de medida: Los LED se

emplearán en el modo de polarización analógico, An., en el que la corriente de polarización aplicada depende de la posición del potenciómetro de control (Fig. I.5) mediante del mando de control.

La potencia emitida se monitoriza en el medidor de potencia (Fig. I.4).

La corriente que circula por el LED se medirá en las bornas del sensor de corriente del LED [Sensor I], que proporcionan la tensión en una resistencia de 10en serie con el LED.

Fig. I.4 Estabilizador de corriente R R 10 Sensor I +5 vol. Conexión a fibra FC R R R Potenciometro 10k Circuito baja frecuencia Entrada LF

Fig I.5. Medida de corriente del LED en modo An. Entrada

Procedimiento experimental:

Realice los pasos descritos a continuación para la fuente LED de 820 nm.

I.2.A. Seleccione la posición An., en el conmutador An./Dig. del módulo de emisores empleado.

 Conecte el medidor de potencia y el LED por medio de un latiguillo de fibra multimodo.

 Ajuste la longitud de onda del medidor al valor más cercano al emisor entre los disponibles

 Conecte el polímetro, en escala de Voltios DC, a las bornas [V = 10 * I] del LED, cuya tensión es proporcional a la corriente que lo atraviesa (ver Fig.I.5).

I.2.B. Partiendo de la posición mínima del potenciómetro del módulo emisor, incremente el valor de la corriente aplicada al LED, anote su valor y mida la potencia emitida.

El medidor deberá situarse en la escala lineal (mW) no en dBm.

Con incrementos de aproximadamente 10 mA obtendrá suficientes puntos para caracterizar la curva P-I. No olvide medir el valor máximo.

Si la potencia no es totalmente estable, tome el valor a los pocos segundos de haber modificado la corriente. Dibuje la curva P-I.

Cuando finalice las medidas, vuelva el potenciómetro al mínimo.

I.2.D. A partir de un punto cualquiera de las medidas anteriores, determine en forma aproximada, la relación Potencia en fibra/Corriente inyectada (W/A) del LED.



I.2.E. Para la fuente del LED de 1300 nm, repita I.2.A y mida la potencia máxima emitida y la

corriente de polarización del LED.

I-8

I.3.

R

ESPUESTA EN

P

OTENCIA DE UN

D

IODO

L

ÁSER

PRECAUCIÓN: Nunca mire directamente a la salida del emisor láser. Realice las conexiones con la potencia al mínimo.

No apague el emisor durante toda la práctica

Objetivos: En este apartado se analizará la característica de la potencia óptica

emitida en función de la corriente en un diodo láser, curva P-I.

Adicionalmente se medirá la relación entre la potencia emitida y la corriente fotogenerada en el fotodiodo monitor interno del LD.

Método de medida: El esquema de funcionamiento del módulo láser de la caja de

emisores (Fig. I.6) se puede observar en la Fig. I.7. Se empleará el mismo método de medida que en el apartado anterior, variando la corriente de polarización por el diodo láser, anotando la tensión en bornas de una resistencia de 10 [Sensor I] y midiendo la potencia emitida en el medidor de potencia óptica (Fig. I.8). Simultáneamente se medirá

Fig. I.8 R R 10 Sensor I +5 vol. R R R R Potenciometro 10k Sensor P Conexión a fibra FC Circuito baja frecuencia Entrada LF Estabilización en corriente Estabilización en potencia + -2,2k

Fig I.7. Esquema de funcionamiento del módulo láser Fig. I.6. Módulo láser de la caja de emisores

la corriente en el fotodiodo monitor de potencia del diodo láser, anotando la tensión en bornas de una resistencia VMonitor.

Procedimiento experimental:

I.3.A. Conecte el medidor de potencia al láser de 1300 nm por medio de un latiguillo de fibra multimodo. Coloque el conmutador An./Dig. en la posición An.

 Ajuste la longitud de onda del medidor de potencia a la longitud de onda de

la fuente a caracterizar.

 Conecte uno de los polímetros, en escala de Voltios DC, a las bornas

[V= 10*I] del láser, cuya tensión es proporcional a la corriente que lo

atraviesa (ver Fig. I.7–Sensor I).

 Conecte el segundo polímetro, también en escala de Voltios DC, a las bornas [Monitor], cuya tensión es proporcional a la corriente que circula por el fotodiodo monitor interno que contiene el láser, y por tanto, proporcional a la potencia emitida por el láser (ver Fig. I.7 – Sensor P). anote en su cuaderno la expresión final VMonitor= f(Popt.LD).

 El conmutador [Corr]/[Pot] ¿en qué posición debe estar para qué usted pueda realizar la medidas de este apartado?.

I.3.B. Varíe la corriente aplicada al LD mediante el potenciómetro (aprox. cada 2 mA) y anote los valores de potencia emitida y tensión en el monitor de potencia. No olvide medir los valores máximos. ¿por qué cada 2mA?

I.3.C. Dibuje la gráfica P(I) y estime el valor de la corriente umbral.

I.3.D. A partir de dos puntos cualesquiera por encima de umbral de las medidas anteriores, determine en forma aproximada, la eficiencia de la pendiente (W/A) del diodo láser (LD).

I.3.E. A partir de un punto cualquiera de las medidas anteriores y sabiendo que la resistencia de carga del fotodiodo monitor interno es 2,2 k, determine en forma aproximada las relaciones Tensión en el monitor/Potencia en fibra (V/W) y

Corriente en el monitor/Potencia en fibra (A/W) del LD.

I-10

I.4.

M

EDIDA DE LA

A

TENUACIÓN

Objetivos: Determinar la atenuación por unidad de longitud de carretes de fibra

óptica multimodo en primera y segunda ventana (a 820 nm y a 1300 nm)

Método de medida: Directo, monitorizando la potencia extraída de la fibra tras un corto

recorrido de fibra (un latiguillo), y comparándola con la potencia recibida por el sistema, en idénticas circunstancias, tras haber atravesado un carrete de fibra de longitud conocida. Las pérdidas se achacan al carrete.

Procedimiento experimental:

En la caja de emisores, encienda las fuentes LED 820 nm y LED 1300 nm si no lo están ya, y coloque el potenciómetro de control de potencia aproximadamente a la mitad de su recorrido, con el conmutador An./Dig. en la posición An.(¿por qué?)

Realice la secuencia de pasos que se describe a continuación para los dos casos

siguientes:

1. Fibra multimodo con emisor LED a 820 nm 2. Fibra multimodo con emisor LED a 1300 nm

I.4.A. Conecte la salida del LED al medidor de potencia mediante un latiguillo de fibra

multimodo.

I.4.B. Mida y anote la potencia transmitida seleccionando correctamente la longitud de onda más cercana de las disponibles en el medidor (ver Apartado Intro.V, descripción del medidor de potencia). Utilice la escala en dBm. Si la potencia emitida por el LED no es estable, espere hasta que se estabilice.

I.4.C. Sustituya el latiguillo de fibra por el carrete de fibra MM y anote la potencia transmitida (si no dispone de carrete, deberá ponerse de acuerdo con sus compañeros de otro puesto).

I.4.D. Calcule la atenuación (pérdidas por unidad de longitud) en los 2 casos considerados. Si sus resultados fueran muy diferentes de 3 dB/km y 0,5 dB/km, para 820 y 1300 nm, respectivamente, repita las medidas.

I.5.

R

ESPUESTA

E

N

C

ORRIENTE DE UN

F

OTODIODO EN FUNCIÓN DE

LA POTENCIA ÓPTICA DETECTADA

Objetivos: Medir la respuesta de un fotodiodo PIN en función de la potencia óptica

incidente.

Método de medida: El circuito de polarización del fotodiodo PIN etiquetado

PIN-InGaAs del laboratorio está representado en la figura I.9, junto a las

curvas características de funcionamiento de un fotodiodo. El fotodiodo trabaja en su zona de respuesta lineal con tensiones de polarización tales que lo mantengan en inversa (tercer cuadrante de la curva V(I). En ese caso la corriente fotogenerada es proporcional a la potencia óptica incidente, siendo el factor de proporcionalidad la Responsividad (A/W). La fotocorriente se mide a partir de la caída de tensión en la resistencia de carga RL,que determina la recta de carga (Iph= VRL/RL).

I-12

emitida por el diodo láser caracterizado en I.3. El diodo láser trabajará en

modo de control de potencia para asegurar la estabilidad de la potencia

emitida. La potencia emitida por el láser se determinará a partir de la tensión en bornas de la resistencia en serie con su fotodiodo monitor, bornas [Monitor], (ver Fig. I.7–Sensor P).

Procedimiento experimental:

I.5.A. Conecte la salida del LD-1300 nm de la caja de emisores a la entrada del fotodiodo PIN InGaAs [FO-In], con un latiguillo de fibra multimodo y compruebe que el potenciómetro de control está al mínimo.

 Conecte un polímetro en bornas [Vcc] (medida de VPOLver Fig. I.9), y ajuste

dicha tensión a 10 V, mediante el potenciómetro [Vcc].

 Para asegurar que el detector a caracterizar recibe siempre la misma potencia la fuente láser deberá estar controlada por potencia, seleccione la posición [POT] en el conmutador del láser LD-1300nm.

 Lleve la salida analógica del fotodiodo a un polímetro en escala VDC, y conecte el otro polímetro a las bornas [Monitor] del diodo láser.

 Sitúe el conmutador de resistencias en la posición RL= 30 K

I.5.B. Ajuste el potenciómetro de control del diodo láser para que la potencia emitida sea aproximadamente 20 µW; recuerde que la potencia emitida se mide en el polímetro conectado a las bornas [Monitor] del diodo láser, utilizando el factor de proporcionalidad calculado en I.3.E. Mida la tensión en la resistencia de carga del PIN (VRL).

I.5.C. Repita las medidas anteriores para 40, 60, 80 y 100 µW. Represente en una gráfica los valores de la tensión leída en la resistencia de carga del fotodiodo PIN (proporcional a la corriente fotogenerada) frente a la tensión leída en el monitor de potencia (proporcional a la potencia incidente), y compruebe la linealidad de la respuesta.

I.5.D. Calcule la responsividad del fotodiodo. Si el valor obtenido es muy diferente de

I.6

R

ESPUESTA

EN

TENSIÓN

DE

UN

FOTODIODO

CON

AMPLIFICADOR

DE

TRANSIMPEDANCIA

EN

FUNCIÓN

DE

POTENCIA ÓPTICA DETECTADA

Objetivos: Mediante el montaje desarrollado en este apartado se pretende

caracterizar la respuesta eléctrica de un fotodiodo con amplificador, en función de la potencia luminosa incidente.

Método de medida: En primer lugar se determinará el offset del amplificador, es decir,

su tensión continua de salida cuando la potencia óptica de entrada es nula. Posteriormente se medirá la linealidad de la respuesta del detector al variar la potencia óptica incidente.

Para la medida de la potencia incidente en el detector se utilizará un acoplador 2x2 y se supondrá que la potencia incidente en cualquiera de las puertas 1 ó 2 se reparte en partes iguales entre las puertas 3 y 4, De este modo, se supondrá que midiendo la potencia en el medidor se puede determinar la potencia que incide al detector.

Procedimiento experimental:

I.6.A. Realice el montaje experimental de la Figura I.10.

 Conecte la salida del LED de 820 nm o a la puerta 1 del acoplador.

VDC SALIDA FIBRA ÓPTICA LED - 650 nm + CONTROL POTENCIA SENSOR I + + + POF V = 10*I ON OFF LED - 820 nm CONTROL POTENCIA + SENSOR I + + + SALIDA FIBRA ÓPTICA FC V = 10*I ON OFF LED - 1300 nm CONTROL POTENCIA SENSOR I + + + + SALIDA FIBRA ÓPTICA FC V = 10*I ON OFF LD - 1300 nm CONTROL POTENCIA + SENSOR I SENSOR P + SALIDA FIBRA ÓPTICA FC POT. CORR. ON OFF Fig. I.10

I-14

 Conecte la puerta 4 del acoplador al medidor de potencia

 Conecte la salida Analog-Out del detector a un polímetro, en escala de Voltios DC.

 Compruebe que los conmutadores An./Dig. del LED escogido está en la posición An..

I.6.B. Con el potenciómetro de control de potencia del LED al mínimo mida la tensión de salida del detector (Analog-out). Así medirá el offset de continua del preamplificador.

I.6.C. Varíe la potencia de salida, potenciómetro [Control Potencia], del LED y mida la tensión de salida del detector en (Analog-out) aproximadamente cada 2-3 µW de variación de la potencia de salida del acoplador. Si la potencia no es totalmente estable, tome los valores de potencia y tensión en la forma más simultánea que pueda. Al acabar, deje el LED sin emitir, posición mínima del potenciómetro.

I.6.D. Represente la tensión leída en el detector en función de la potencia óptica. Deduzca la responsividad del detector amplificado (V/W) a partir de la pendiente de dicha característica.

I.6.E. Con el método aprendido mida la responsividad del receptor de 1300 nm empleando la fuente LED de segunda ventana. Es suficiente con que mida el offset del amplificador y su tensión de salida para la máxima potencia, pues su respuesta es lineal.

P

F

,

A

P

R

T

D

C

E

P

.