emisores ópticos fibra optica
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EMISORES Y RECEPTORES DE FIBRA OPTICA
Emisores ópticos
Entre los emisores ópticos tenemos a los diodos LED y los diodos LASER.
Diodos LED
Son fuentes de luz con emisión espontánea o natural (no coherente), son diodos
semiconductores de unión p-n que para emitir luz se polarizan directamente.
La energía luminosa emitida por el LED es proporcional al nivel de corriente de la
polarización del diodo.
En la figura anterior vemos la representación característica de potencia óptica- corriente
de polarización.
Existen dos tipos de LED:
LED de superficie que emite la luz a través de la superficie de la zona activa.
LED de perfil que emite a través de la sección transversal (este tipo es mas
direccional)
Diodos LASER (LD)
Son fuentes de luz coherente de emisión estimulada con espejos semireflejantes
formando una cavidad resonante, la cual sirve para realizar la retroalimentación óptica,
así como el elemento de selectividad (igual fase y frecuencia).
La emisión del LD es siempre de perfil, estos tienen una corriente de umbral y a niveles
de corriente arriba del umbral la luz emitida es coherente, y a niveles menores al umbral
el LD emite luz incoherente como un LED.
La figura muestra una comparación de los espectros emitidos por un LED y un LD.
Como las características de los espejos son funciones tanto de la temperatura, como de
la operación; la característica potencia óptica- corriente de polarización es función de la
temperatura y sufre un cierto tipo de envejecimiento. Una representación gráfica de la
corriente de umbral, del proceso de envejecimiento se ilustra en la a continuación.
Receptores ópticos
El propósito del receptor óptico es extraer la información contenida en una portadora
óptica que incide en el fotodetector. En los sistemas de transmisión analógica el receptor
debe amplificar la salida del fotodetector y después demodularla para obtener la
información. En los sistemas de transmisión digital el receptor debe producir una
secuencia de pulsos (unos y ceros) que contienen la información del mensaje
transmitido.
Fotodetector
Convierte la potencia óptica incidente en corriente eléctrica, esta corriente es muy débil
por lo que debe amplificarse. Las características principales que debe tener son:
Sensibilidad alta a la longitud de onda de operación
Contribución mínima al ruido total del receptor
Ancho de banda grande (respuesta rápida)
Existen dos tipos de fotodetectores:
Fotodetectores PIN
Genera un solo par electrón-hueco por fotón absorbido. Son los más comunes y están
formados por una capa de material semiconductor ligeramente contaminado (región
intrínseca), la cual se coloca entre dos capas de material semiconductor, una tipo N y
otra tipo P. Cuando se le aplica una polarización inversa al fotodetector, se crea una
zona desértica (libre de portadores) en la región intrínseca en la cual se forma un campo
eléctrico. Donde un fotón en la zona desértica con mayor energía o igual a la del
material semiconductor, puede perder su energía y excitar a un electrón que se
encuentra en la banda de valencia para que pase a la banda de conducción. Este proceso
genera pares electrón – hueco que se les llama fotoportadores.
Fotodetectores de Avalancha APD.-
Presenta ganancia interna y genera mas de un par electrón-hueco, debido al proceso de
ionización de impacto llamado ganancia de avalancha. Cuando a un fotodetector se le
aumenta el voltaje de polarización, llega un momento en que la corriente crece por el
fenómeno de avalancha, si en esta región se controla el fenómeno de avalancha
limitando la corriente (antes de la destrucción del dispositivo), la sensibilidad del
fotodetector se incrementa.
Cuando se aplican altos voltajes de polarización, los portadores de carga libres se
desplazan rápidamente, con mayor energía y liberan nuevos portadores secundarios, los
cuales también son capaces de producir nuevos portadores. Este efecto se llama
multiplicación por avalancha (M) que esta dada por:
Donde:
IT : fotocorriente total
IP : fotocorriente primaria
V : Voltaje de polarización aplicado
VB : Voltaje de ruptura del dispositivo
n : coeficiente
OTDR
Un OTDR es un reflectómetro óptico en el dominio tiempo. Es un instrumento de medición que envía pulsos de luz, a la longitud de onda deseada (ejemplo 3ra ventana:1550 nm), para luego medir sus “ecos”, o el tiempo que tarda en recibir una reflexión producida a lo largo de la FO.
Estos resultados, luego de ser promediadas las muestras tomadas, se grafican en una pantalla donde se muestra el nivel de señal en función de la distancia.
Luego se podrán medir atenuaciones de los diferentes tramos, atenuación de empalmes y conectores, atenuación entre dos puntos, etc.
El OTDR aprovecha los fenómenos presentes en la F.O. para analizar y entregar un resumen detallado de la situación.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOEl OTDR aprovecha 2 cualidades de la fibra: EPARCIMIENTO DE RAYLEIGH
REFLECION DE FRESNEL
ESPARCIMIENTO DE RAYLEIGH
Debido a que el material de las fibras no es homogéneo y al estar sus partículas distribuidas aleatoriamente la luz tiende a dispersarse en todas direcciones
Es de gran importancia tener claro el largo de onda a utilizar en el momento de la exploración; ya que como vemos, obtendremos resultados diferentes en cada ventana de operación, debido a las distintas atenuaciones en cada una de ellas.
REFLECION DE FRESNEL
Ocurre cuando hay un cambio en el índice de refracción de la fibra
La potencia reflejada esta dada por la siguiente formula:
DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN OTDR
El generador de pulsos alimenta al diodo láser, que convierte señal eléctrica a luz.
La función del acoplador es separar la señal enviada de la señal devuelta.
La señal que pasa por el acoplador alimenta al fotodiodo, el cual convierte la señal óptica a eléctrica.
Posteriormente se realiza la conversión analógica a digital de la señal.
Finalmente, luego del procesamiento digital el resultado es enviado a pantalla.
INTERPRETANDO UN OTDR
Esta es la pantalla típica que se ve en un OTDR, en esta se nos muestran las distintas atenuaciones que sufre la fibra a lo largo de su recorrido.
ESPECIFICACIONES DEL OTDR RANGO DINAMICO ZONA MUERTA RESOLUCION PRECISION LONGITUD DE ONDA
RANGO DINÁMICO
Determina la longitud máxima observable de la fibra y por lo tanto la capacidad del OTDR para analizar alguna conexión.
La figura superior muestra un rastro obtenido en 180 segundos con un OTDR de rango dinámico bajo. La figura de más bajo muestra un rastro obtenido en 10 segundos con un rango dinámico alto
ZONA MUERTA
El fotodiodo al recibir un pulso requiere un tiempo para recuperarse de la saturación.El largo de la fibra que no es completamente caracterizado durante el tiempo de recuperación es conocido como zona muerta.
RESOLUCIONEs la distancia mínima entre dos puntos de adquisición, mientras menor es
Esta distancia mayor el número de puntos de adquisición entonces mayor exactitud en la información obtenida. Depende del ancho del pulso.Existen 3 tipos de resoluciones:
Resolución de Despliegue:La resolución de lectura es la mínima resolución del valor mostrado.La resolución de cursor es la mínima distancia o atenuación entre 2 puntos mostrados (valor típico 6[cm] ó 0.01[dB])
Resolución de Perdida:
Se define como la mínima diferencia de pérdida entre 2 niveles de ganancia.
Resolución de Muestreo:Es la distancia mínima entre 2 niveles de adquisición de datos, entre menor sea esta distancia, mejor será la resolución.
PRECISION
Es la capacidad de la medición de ser comparada con un valor de referencia.
LINEALIDAD (Precisión de Atenuación)
La linealidad del circuito de adquisición determina que tan cercana es la correspondencia entre un nivel óptico y un nivel eléctrico, a través de todo el rango.
PRECISION DE DISTANCIA
La precisión de medición de distancia depende de los siguientes parámetros:
Índice de grupo: El índice de refracción se refiere a un único rayo en la fibra, el índice de grupo se refiere a la velocidad de propagación de todos los pulsos de luz en la fibra.
Error de tiempo base: Este se debe a la imprecisión del cuarzo, el que puede variar desde 0.0001 hasta 0.00001. Para tener una idea del error de distancia, se tiene que multiplicar este valor incierto por la distancia medida.
LONGITUD DE ONDA
La atenuación de fibras ópticas varía con la longitud de onda, y cualquier medición debe ser corregida a la longitud de onda de transmisión o a la longitud de onda central (850, 1310 o 1550 nm)
USANDO UN OTDR
Adquisición:Existen 3 maneras de configurar un OTDR:
Automática: El usuario simplemente deja que el OTDR se auto-calibre, y acepta los parámetros calculado por este.
Semi-automática: Un usuario con mayor experiencia puede dejar que el OTDR se autoconfigure, analice los resultados, y luego cambiar algunos de los parámetros manualmente para optimizar la lectura
Manual: Un usuario experimentado puede no elegir la auto-configuración y darse el los parámetros, basado en su experiencia
Algunos de los parámetros a modificar son: el rango (distancia), índice de refracción, ancho del pulso, longitud de onda, etc.
Medición:
Eventos reflectivos: Ocurren cuando hay una discontinuidad en la fibra y ocurre un cambio abrupto en el índice de refracción de la fibra.
Eventos no reflectivos: Cuando no hay discontinuidad, pero existen perdidas.Estos son generalmente empalmes y curvaturas en la fibra.
Las siguientes mediciones pueden ser efectuadas por un OTDR:
Para cada evento: perdida reflectancia localización
Para cada sección de la fibra: largo de la sección Perdida de la sección [dB]Índice de pérdida de la sección [dB/Km] ORL (perdida óptica devuelta)
Para un sistema completo: largo de la conexión pérdida de la conexión [dB] ORL de la conexión
Anomalías:
Fantasmas: Son falsas reflexiones de Fresnel, aparecen por 2 causas:
Un evento reflectivo muy grande en la fibra, que ocasiona una gran potencia de retorno hacia el OTDR.
Algún rango de valores incorrectos en la adquisición de datos.
Ganancia de Empalme: Esta falsa ganancia sucede cuando se tiene un empalme entre 2 fibras con distinto coeficiente de dispersión o al unir 2 tipos de fibra multimodo distintas