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9 1 '1 3 8 7
S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T. ;I CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y
DESARROLLO TECNOLOGICO
ANALISIS Y FABRICACION DE ACOPLA- DORES CON FIBRAS OPTICAS PARA SIS- I
I I TEMAS DE COMUNICACIONES
INGENIERIA ELECTRONICA P R E S E N T A 1
JOSE ANGEL TOLEDO ALVAREZ
// I
CENTRO DE INFORMACIOM C E N I D E T
CUERNAVACA. MOR. JUNIO DE 1991
DlRECClON GdNERAL DE INSTITUTOS TECNOLOGICOS CENTRO NACDNALDCMVIEaIIOHMNY ~ R R Q L W T E C N O L O O I C O
I
SECRETAPIA DI
LOUUCION FUüLIU
Cuernavaca, Mor., a 3 de junio de 1991
OR. JUAN MANUEL RICAÑO CASTILLO DIRECTOR DEL CENIOET
' AT": M.C. ALEJANDRO OIAZ SANCHEZ COORO. MAESTRIA EN ELECTRONICA
Por este'conducto, hacemos de su conocimiento que después de haber sometido a revisión el trabajo de tesis titulado:
"ANALISIS Y FABRICACION DE ACOPLAOORES CON FIBRAS OPTICAS PARA SISTEMAS COMUNICACIONES"
Desarrollado por el Ing. José Angel Toledo Alvarez, y habiendo cumplido con todas las correcciones que se le indicaron, estamos de acuerdo en que se le conceda la autorización de impresión de la tesis y la fecha de examen de - grado.
Sin otro particular, quedamos de usted.
DE
A A T E N T A M E N T E COMISION REVISORA
M.I. ARTURO ARVIZU M.
C.c.p.- Consecutivo Interesado
WR&O WN coLiahalro,C&draai.Mde Electrónica . &4oPs8td c o o 4 CoUgo ~aoital624SO 12-78-13 y H-06- 37
DlRECClON GENERAL DE INSTITUTOS TECNOLOGICOS CENTRO NACONALDEWV18TIQACIOW Y ~ R R Q L W T E C N O L O ~ I C O
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DlRECClON COORDINACION ACADEMICA Of. NO. 613-0-5/18616 .
Cuernavaca, Mor., 4 de junio de 1991.
Ing. José Angel Toledo Alvarez P r e s e n t e
Después de haber sometido a revisión su trabajo de tesis titu!ado.
" ANALISIS Y FABRICACION DE ACOPLADORES CON FIBRAS OPTICAS PARA SISTEMAS DE COMUNICACIONES"
y habiendo cumplido con todas las indicaciones que el Jurado Revisor de Tesis le hizo, se le comunlca que se le concede autorización para que proceda a la impresión de la misma, como requisito para la obtención del grado.
A t e n t a m e n t e
Ciencias 'en Ingeniería Electrónica
C.C.P.: Expediente Archivo
I
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LO QUE ES ES Y
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,
D E D I C A T O R I A
I
/I : A mis padres:
Angel Toledo Matínez y
Ma. del Carmen Alvarez de Toledo
Por todo el amor que me haxi dado, por motivarme a estudiar y en especial: porque me brindarón la opotunidad de vivir y crecer.
A mis hermanas:
Ma. del Rosario ‘lbledo Alvarez y
Flor de Líz Toletlo Alvarez
, Y a toda mi faniilia.
,
A G R A D E C I M I E N T O S
A mis amigos que me apoyarón y motivarón durante m i s estudios y el desarrollo de
I
DI. Fernando Martínez Piñón.
A los miembros del comité de tesis: !I ' M.C. Arturo- Arvizu Mondragon.
I I
j
I ii
M.C. José T. Raniirez Niño
M.C. Carlos G. Perez Perez 1 por el apoyo, BUS comentarios y correcciones al manuscristo presentado.
d ia8 siguientes instituciones: I!
I! ;;
~; Instituto Tecnológico de Minatitlán " Benito Juarez "
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico CENIDET
Instituto de Investigaciones Eléctricas IIE
, .
I. .
Por último, agradezco a Dios, la primera causa de toda creación, por ser él con nosotros y nosotros con él.
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1; contenido t
I
. ,I . 1,
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1 1 Intróducción.
1;
!I ,I 1.1 bntecedentes.'. . . . . . . . . . . : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 'Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
!! 1.3 Desarrollo.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
4 i 2 Teor/a de Fibras Opticas. '!
2.1 Fibra. de índice escalonado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Ecuacion característica.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
!! 2.1.2 Propagación en fibras unimodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Fibras de índice graduado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
: 2.4 Degradación de seíial en fibras ópticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6
1: 3.1 Dispositivos ópticos pasivos y.activos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 !I
I 3.1.1 Dispositivos pasivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Y
., I!
;! 1:
8, 2.1.3 . Propagación en fibras multimodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 O 1; I
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Fibras especiales. 14 '! !,
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S Acopladores con Fibras Opticas. 19 I !
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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Dispositivos activos. ; 22
I, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ! 3.2 Acopladores Ópticos. 25 'i
r
11
3.2.1 Acopladores Ópticos activos y pasivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
k3.Z.Z Tipos de acopladores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
! 13.2.3 -AplicacioIies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . :til
I, I
,!3.2.4 Parámetros básicos de los acopladores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1
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i i
. 3.3 Metodologla para la especificauón de acopladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
i
~
! ~ 5.2.4 Bases y componentes Óptico#: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.5 Dispositivo de estiramiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.6 Dispositivo de encapsulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3 Procedimiento de fabricación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.1 Preparación de las fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.2 Trenzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.3 Sqjeci6n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.4 Preparacibn de la micro.llarna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.5 Fusióri/Estiramiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 I
as
4.1 Acoplamiento evanescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Acoplamiento por batidento modal 51
5.1.1 Ataque qdmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1.2 -Aproximación mecátuca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 . .
iii
6.1.2 Caracterización térmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.1.3 Caracterización geométrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6
I ' A Hojas de datos y Perflles de flbras ópticas. i
,! 7 Conclusiones. 109
7.1 Desarrollo.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
'
'
C Corrida del programa ANCOP.
D Tablas de conversión de temperatura.
iii
X
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
Fibra Optica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fibras ópticas de índice escalonado; a) Multimode y b) Unimodo.. . . . . . . . . Número de modos de propagación vs número V de la fibra. . . . . . . . . . . . . Fotografias de la sección transversal de fibras ópticaa unimodo (a) a 850 nrn y (b) a 630 nm con una magnificación de 500X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fibras ópticas multimodo (a) 50/125 y (b) 62/125 aumentadas 500 veces. . . . . Perfil de índice de refracción y transmisión de rayos en una fibra muitimodo de índice gradual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Perfiles de íiidice de refracción para diíerentes valores de a . . . . . . . . . . . . . Diagrama que muestra la trayectoria del rayo en forma parabólica. . . . . . , . . Sección transversal de fibras especiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.10 Fibra "corbata de moño" con una magnificación 500x. . . . . . . . . . . . . . . . 2.11 Atenuación de la fibra Óptica como una función de la longitud de onda. . . . . .
15
17
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Dispositivos pasivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . Polarizador invasivo de fibra. (a) con capa metálica (b) con cristal birrefringente.
Principio de operación de un aislador basado en el efecto Faraday. . . . . .. . . . Interruptor óptico basado en el movimiento de fibras ópticas. . . . . . . . . . . . Representación esquemática de una lente de fibra óptica práctica con terminación recta y encapsulado de protección. . . . . , . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .
3.6 Modulador con cilindro PZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7'' Amplificador de fibra Óptica unimodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.8 Arreglo experimental para un amplificador de fibra óptica contaminada con d i o
úombeada a 532 nm. . . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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V
3b12 Acoplador WDM con filtros de interferencia., , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I 3.13 Acoplador WDM basado en rejilla de difracdón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
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(b) enlace direccionai, (C) enlace bidirecaonal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.17 Aplicaciones de acopladores en (a) rdectornetríaóptica en el dominio del tiempo
y (b) sensores interferornétricos. . : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.18 Metodología de especificación de acopladores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
i
. .
3.19' Configuración del enlace con WDMs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.20 Cableado y empaquetado del WDM.
3.21 Enlace bidireccional con acopladores 8.3 dB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.22 Encapsulado del acoplador con las fibras guías descubiertas. . . . . . . . . . . . .
. .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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31
i
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I!
32
radio al y a2 de núcleos pi y ps con perfil de índice de refracción n(X,Y). . . . . Coeficiente de acoplamiento normalizado en función de la frecuencia normalizada psra algunos valores de la razón geoinétrica d/a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . (a) Perfil aproximado del acoplador tipo FEB. (b) Sección transversal pera el
I 4.2
4.3
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41 '
43
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48
fusioiiada durante el estiramiento. D es el diámetro de la cintura,6Z es la loiigitud de la zona de fusión y 1 es el estiramiento total.
Equivalencia entre una guía con estructura elíptica y una de doble sección cir- cular. En los dos casos, la excitación de un lado al otro se considera como una superposicióii normal de modos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . ' 4.5
4.6 'Acoplador: .a) Sección transversal y b) Modelo equivalente. . . . . . . . . . . . . . .
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51
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1/11
vi
4.7 Esquema del proceso de acoplamiento por batimíento de modos en un acoplador unimodo . En el cwo (a) los modos excitados se refueraan y m (b) m. c a n c h para diferentes longitudes de estirado o longitudes de onda . . . . . . . . . . . . .
4.8 Diagrama de flujo del procedimiento ANCOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.9 Diagrama de flujo del procedimiento ECAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.10 Diagrama de Aujo del procedimiento RESOLVER . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11 Diagrama de flujo del procedimiento PROC.SOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.12 Diagrama de flujo del procedimiento CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.13 Diagrama de flujo del procedimiento APROXIMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.14 Diagrama de flujo del procedimiento POTENCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15 Diagrama de flujo del procedimiento CARACTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1
5.2
Fabricación de acopladores con fibras ópticas mediante el método de ataque qdmico . 68
Técnicade desgaste mecánico para la fabricación de acopladores . (a) Encapsulado y pulido . (b) Alineemiento de los bloques que contienen las fibras . . . . . . . . . 69
5.3 Técnica de fabricación de acopladores de fibra óptica por el método de . fusión y estiramiento bicónico (FEB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.4 Gases: Oxígeno y Propano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.5 Quemador tipo micro.soplete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
'5.6 Prototipos de boquillas utilizados a) pruebas, b) prototipo fuial y (c) muestras fot ográñcas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Diagrama esquemático de metodo FEB vertical para la fabricación de acopladores . 77
Fotografía del metodo FEB vertical para la fabricación de acopladores . . . . . . . 78
Método FEB horizontal para la fabricación de acopladores: (a) diagrama ea-
5.7
5.8
5.9
I T
quemático y (b) fotografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.10 Dispositivo de estiramiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.11 Dispositivo dr encapsu!ado comercial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.12 Dispositivo de encapsulado empleado ~ 1 1 ei IIE para propósitos de experinieiitación . 81
5.13 Sujeción de las fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.14 Microflama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
85 5.15 Etapa de fusi<vn y estiramiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I, !I
vii . ,
6.1 Medición de atenuación utilizando el medidor de potencia óptica (a) medidón de .referencia y (b) medición del acoplador. . .:. .................... 89
6.2 Caracterh:iÓn mediante la técnica lock-in de recuperación de señales. . . . . . . . 90 6:3 'Diagrama esquemático de la caracterisaciÓn.ténnica de los acopiadores. . . . . . 90 6.4 'Caracterización geométrica de los acopladores (a) transversalmente y (b) lo@-
tudinslmente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ; . . . . . . . . . . . . . . 92 6.5 Gráfica de la atenuación con respecto a la longitud estirada de los acopladores
fabricados: a) para acopladores multimodo y b) para acopladores unimodo. . . . . Resultados de la caracterización térmica para un acopldor multimodo fabricado con el método FEB horizontal. .............................. 98
Gráfica Correspondiente a los incrementos de temperatura con respecto al tiempo programado en la cámara térmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
. . .
97
6.6
6.7
6.8 Secuencia de fotogrdas obtenidas en un microscopio Óptico de IS sección longi- tudinal de un acoplador fabricado utilizando la téehca FEB horizontaf: sección (A) mitad amplificada 100 veces y sección (B) amplificada 250 veces. . . . . . . . 100
6.9 Perf3 longitudinal de un acoplador multimodo fabricado megante el método FEB horizontal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.10 Secuencia de fotografías de la sección longitudinal de un acoplador miiltimodo cuyo perfil geométrico se muestra en la figura anterior. (a) Sección A (magnifi-
6.11 Sección transversal de un acoplador (magnüicación IOOX). . . . . . . . . . . . . . . 102
:.
cación xioo) y (b) Sección B (magnificación ~260). . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.12 Sección transversal de un acoplador (magnilicación 250X). . . . . . . . . . . . . . 103'
6.13 Sección transversal de un acoplador (megnficación 250X). . . . . . . . . . . . . . . 103 . 6.14 Sección transversal de un acoplador unirnodo a 633 n m (magnificación 250X). . . 104
6.15 Sección transversal de un acoplador unirnodo a 1300 nin (magnificación 250X). . 104 6.16 'Sección transversal de un acoplador multimodo de 8 puertos (magnificación 250X).105
6.17 Fotogrda de dos acopIadores de fibras ópticas fabricados en el IIE utilizando el método FEB. El acoplador'superior es de 10 puertos (5 fibras Ópticas) multimodo ,y el inferior es de 2 fibras (4 puertos).
riZOIit8~: a) acoplador de 4 puertos y b) acoplador de 10 puertos. . . . . . . . . . 107
,diante el método FEB horizontal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . ". . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.18 'Prueba óptica de dos acopladores miiltimodo fabricados con el método FEB ho-
, . I
7.1 ,Proceso automatizado para 1a.falnicacióii de acopladores con fibras Ópticas me- 112
i
Lista de Tablas 11
5.1 Caracterización de la flama. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.1 Resultados obtenidos en la caracterización de los acopladores muitimodos fabri- cados con el método FEB vertical. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Resultados de la caracterización de acopladores muitimodo fabricados &n el método FEB horizontal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Mediciones de potencia óptica y parámetros característicos obtenidos en la carac- teriza& de acopladores unimodo fabricados mediante el método FEB horizontal. 95
6.2
6.3
6.4 Medición de atenuación realizadas a los acopladores muitipuertos fabricados. . . 96
viii
1'
Lista de simbolos y abreviaciones.
U Y W
V k a ni na A, A0 Ptot. A
N no MOV) 4.) a Psal. Pent. o1 0 2 I1 I2 Pi
Constante de .desvanecimiento del campo evanescente, factor de adelgazamiento. Constante de propagación. Función de Bessel de primer grado de orden w Función de Hankel de primer grado de orden w Diferencia relativa.de los índices de refracción de una fibra Óptica. Parhetros característicos de los modos transversales, eigenvalores de la ecuación característica. Frecuencia normalizada. Longitud de onda en el espacio libre. Radio del núcleo. Indice de refracción del núcleo. indice.de refracción del revestimiento. Longitud de onda de tracajo. Potencia total transportada por la fibra. Amplitud del campo eléctrico en la interface núcleo
Impedancia característica en el espacio libre. Radio de campo modal. Apertura numérica. Distribución del campo eléctrico del modo incidente. Ancho espectral relativo de la fuente. Distancia en la cual la enhgia se propaga en la fibra. Velocidad de la luz. !
Dispersión debida al material en fibras unimodo. Dispersión en la guía de onda en fibras unimodo. Coeficiente de dispersión. Ancho de banda. Dispersión del perfil. Indice de refracción de grupo. Dispersión del material para fibras multimodo. Indice de refracción con respecto a la distancia radial. Parámetro del perfil, atenuación de la señal. Potencia óptica de salida. Potenc.ia óptica de entrada. Potencia óptica de entrada en el puerto 1. Potenc.ia óptica de entrada en el puerto 2. Potencia óptica de salida'en el puerto 1. Potencia ópticca de salida en el puerto 2. Radio del núcleo de la fibka 1.
revestimiento. . ..
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h +,Y) $t, 4J- B+f B- P A , n b+, b- E
Pl Pa
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D 6.2 1 a0
dD/D
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V
lUl6.2
Dinic. n3 RCM LANs WDM
WICS
FEB C t f
C3d
h d i o del núcleo de la fibra 2. Perfil de índice de refracción. Soluciones fundamentales de la ecuación de onda escalar. Constantes de propagaciÓn de la ecuación de onda e sda r . Constante de propagación común a las soluciones fundamentales para cada fibra en aislamiento. Sección transversal infinita de la fibra. Perfil compuesto, índice de reiracción. Amplitudes modales. Magnitud del campo'eléctrico. Longitud acoplada. Flujo de potencia en la fibra 1. Flujo de potencia en la fibra 2. Longitud de batimianto. Radio de los núcleos. Coeficiente de acoplamiento. Razón de adelgazamiento. Diámetro inicial de la estructura fusionada durante el estiramiento. Diámetro de la cintura. Longitud de la zona de fusión. Estiramiento total del acoplador. Radio final de la cintura del acoplador. Coeficiente de Poisson. Reducción relativa del diámetro de la cintnra. Elongacih relativa de la longitud de 18 zona de fusión. Diámetro inicial de la fibra. hidice de refracción del medio externo. Radio de C ~ U I I ~ Q modal. Local Area Networks (Redes de Area Local). Wavelength Division Multiplexing (Multiplemje Por división dc longitud de onda). Waveleiigth Independent Couplers (Acopladores indepenaentes dt. la longitud de onda). Fusión y Estiramiento Bicónico. coplam miento con fusión fuerte. Acoplamiento con fusión débil. Acoplamiento a 3 dB.
Capítulo 1
Introducción.
1.1 Antecedentes.
En la actualidad, los sistemas de comunicación por fibras ópticas han tomado una gran mportancia ya-que estas constituyen un medio de transmisión competitivo en costo y con un morme ancho de banda (29 O00 GHz/km en el intervalo de longitudes de onda de 1200 a 1600 un) ofreciendo la flexibüidad necesaria para soportar velocidades de transmisión cada vea más &as. Recientemente se han desarrollado fibras con atenuaciones cercanas a 0.2 dB/km a una ongitud de onda de trabajo de 1560 nm.
También, en años recientes se han introducido nuevos tipos de fibras ópticas. Estos incluyen Ibras altamente birrefringentes que mantienen la polarización de la luz y fibras contaminadas :on tierras raras, utilizandose estas para la construcción de sensores y ampllficadores con fibras Sptiuis.
Ademán de utilizar laa fibras ópticas para la construcción de sistemas modernos de comuni- .ación, estas han propiciado la aparición de una nueva tecnología de sensores basados en ellas. 20s sensores con fibra ópticss trabajan a través de la alteración de la luz que viaja en la fibra r esta es utilizada virtualmente para detectar cualquier cambio proporcional a la temperatura, ,osiciÓii, flujo, presión, tensión, corriente, desplazamiento, vibración, etc., y en muchas aplica- .iones estas ofrecen mejores características que otros$sensores. Los sensores con fibras óptiras ,stan incrementando sus aplicaciones en áreas tales como; medicina, química, instrumentación ndustrial y de laboratorio, control de procesos, automatización, etc., además de ofrecer también a posibilidad de detectar la señal distribuida a lo largo de muchos puntos en una fibra óptica.
Debido a lo anterior, y para explotar más eficazmente el potencial de la luz romo un medio le transporte de información para aplicaciones en telecomunicaciones y sensores, se ha hecho iecesario desarrollar dispositivos con fibras ópticas, preferiblemente aquellos compatibles con ibras uiiimodo. Un dispositivo con fibras ópticas realiza una función con una señal de luz mien- ras ésta se mantiene como una onda guíada dentro de la fibra. Ejemplos de estos dispositivos on; acopladores direccionales, filtros espectrales, polarizadores, interruptores, amplificadores, tc.
Dentro de los diversos dispositivos con fibras ópticas, el acoplador direccional recibe una
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Capítulo I: Introducción. 2
atención particular ya que en muchos de los sistemas construidos una de las principales funciones es la de dividir o mezclar la lua en dos o m á s trayectorias que posibiliten la continuación de la misma, lograndose con esto, una optimización eficiente de dichos sistemas. Por tal motivo, Las investigaciones realizadas en este campo han generado diversas técnicas para el análisis y fabricación de acopladores con fibras ópticas. Un acoplador con fibra óptica es un dispositivo pasivo formado por la unión de dos o más fibras que dividen o mezclan la energía óptica de una o varias señales luminosas que se inyectan a través de él. Los acopladores con fibras ópticas tienen aplicaciones tanto en sistemes de comunicación como en sensores. El uso de un acoplador puede hacer posible la transmisión bidireccional por fibra Óptica. En el caso del acoplador unimodal, ie puede realizar dicha transmisión si se multicanaliza en el dominio de la longitud de onda, y a iue este acoplador es selectivo espectralmente. En redes de fibra óptica, el acoplador realim la !unción de derivación óptica pasiva y puede ser empleado en topologías de ducto, d o o estrella En el caao de sensores, los acopladores se utiliean en esquemas interferométricos en loa cuales, a señal luminosa se divide en dos ramas, una de referencia y otra de medición y posteriormente se combinan, utilizando otro acoplador, en una fibra óptica. El resultado es un bathiento de a señal, proporcional a la variable medida y que proporciona resultados más precisos que los )btenidos mediante sensores de fibra óptica por modulación de intensidad.
Por otro lado, en los sistemas eléctricos de potencia y particularrnente en México, es nece- iaria la cofistrucción de una red de comunicaciones cada ve8 m á s eficiente e integrada, así como ie instrumentación adecuada para sensar los parámetros característicos que se manejan en el lector eléctrico como son; tensión, corriente, campos electromagnéticos, etc., como a d a r e s mportantes para la adecuada generación, transmisión, distribución y control de la energía. El zmpleo de la tecnología de fibras bpticas y de dispositivos de fibra facilitará la realización de !stas funciones.
1.2 Objetivo.
El objetivo de este trabajo es desarrollar un sistema de fabricación y caracterización de icopladores con fibras ópticas a partir de un analisis y estudio comparativo de los métodos exis- .entes. Tal objetivo se enmarca dentro de las actividades de fabricación de dispositivos con fibras ipticas que se requieren en los sistemas de comunicaciones ópticas y sensores que se realizan en el Departamento de Comunicaciones del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) y tiene como ilcances la elaboración de herramientas de diseño de acopladores con fibras ópticas mediante el málisis de la teorfa de los acopladores de guía de onda óptica, construcción de 1111 sistema de ‘abricación, y la fabricación y caracterización de acopladores unimodo y multimodo adecuados ,ara comunicaciones ópticas y sensores. Dichos resultados permitirán además inrursionar en el iesarrollo de sistemas basados en otros dispositivos con fibras ópticas tales como amplificadores jpticos.
1.3 Desarrollo.
El desarrollo de este trabajo se encuentra estructurado de la siguiente forma:
En el CapftMo 2, se analizan brevemente los conceptos básicos de las fibras Ópticas unimodo,
1: introducción. 3
multimodo y fibras especiales eníatizando SUS parámetros y características de propagación.
, / En el .Capítulo 3, se estudian los diferentes dispositivos que existen p&a apoyar la cons- trucción de sistemas que utilisan fibras ópticas y Be describen los acopladores particularmente I aquellos construidos con fibras ópticas.
~ ,:I! En el Capítulo 4, se describen los modelos propuestos para el análisis de los,acopladores con fibras Ópticas mediante el estudio de lab teorías existentes y se integran dichos modelos en 4 1 un conjunto de programas de computadora.
I
En el Capitulo 5 , se estudian las diversas técnicas que existen para la fabricación de'los &copladores con fibras ópticas, en especial, la fabricación por fusión y se describe el método Zrnpleado en este trabajo.
En el Capítulo 6, se describe la fabricación y caracterización de los acopladores con fibras mostrando los resultados obtenidos.
Por Gltimo, eii el Capítulo 7 se dan las conclusiones obtenidas al término de este trabajo de tesis así como las perspectivas y aplicaciones para trabajos futuros.
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LUZ LUZ FlBRA OFIlcA
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HECHOS DE VlDRlO DE ALTO CO"ENID0 DE SI02
Figura' 2.1: Fibra Optica.
I! Las fibras ópticas se clasifican en tres grupos básicos; fibras de índice escalonado, fibras NI '.fe índice gradual y fibras especiales de los cuales los dos primeros grupos se subclasifican en
unimodo y multimodo debido al número de modos que se propagan a través de ellas, y el tercer grupo en unimodo únicamente.
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En este capítulo se analizarán los conceptos básicos de las fibras Ópticas, de índice enea- lonado, índice gradual y fibras especiales enfatizando las características de propagación de las fi&ras unimodo y multimodo.
11 11
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'I Capltulo 2: Teoná de Fibra Opticas.
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de refracción hl y un revestimiento con índice de refracción i za (fig. 2.1) ligeramente maor que 1 ' el del núcleo. En esta fibra, el valor del Indice de refracción se incrementa en forma escalonada I
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m=lnQnont
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Figura 2.2: Fibras ópticas de índice escalonado; a) Multimodo y b) Unimodo.
Ecuaci6n caractedstica.
Para el análisis de las fibras ópticas de índice escalonado se puede partir de su ecuación
ili donde y es la constante de desvanecimiento del campo evanescente, p es la constante de propa- gación, a es el radio del núcieo, &(*) es la función de Bessel de primer grado de orden o, H , (*) 4s la función de Hankel de primer grado de orden v . Esta ecuación define los modos propagan- * en una fibra óptica de índice escalonado. Los modos son soluciones.de las ecuaciones de Maxwell que tom& en cuenta las condiciones de frontera de la guía de onda, en otras palabras 'b un modo es una onda natural que tiene una distribución de campo transversal independiente de
'I la dirección de propagación. Tales modos se clasifican según su componente de campo guiado en: I1 modos transversal eléctrico TE, transversal magnético TM e hibridos HE D EH. Se considera que
' 1 1 la superposición lineal de los modos híbridos da como resultado modos polarizados linealmente (modos LP) lo que permite analizar la estructura de campo de.una fibra de índice escalonado $e una forma más simple. 'I
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6 Capftdo 2: T e d a de Fibres OptiP3.9. j!
Se puede expresar también la ecuación 2.1 por medio de una fórmula simplüiccda que proviene del ruiálisis de los modos, polarizados linealmente (LP) ( aproximación de guiamiento débil [2,3] el cual considera que ó E 9 < I), esto es:
.4. . .
(2.2 j
donde:
CJ=ka' W = T a
va = u2 t w2
Esta ecuación característica es más simple que la ecuación caracterfstica exacta y tiene una exactitud de 1 y 10 % para 8 5 0.1 y 6 < 0.25 respectivamente.
Uno de los parámetros m á s importantes en fibres ópticas es la frecuencia normalizada V, el cual relaciona los parámetros básicos de la m i s m a . Este pa rhe t ro está dado por:
. . !
donde ni y na son los índices de refracción del núcleo y del revestimiento respectivamente, a es el radio del núcleo, A0 es la longitud de onda de trabajo y = NA (apertura numérica) [1,21.
I El número de modos propagandose en la fibra de índice escalonado es proporcional al número V de la misma, ya que ésta se ve afectada por sus parámetros físicos. Se dice que u n modo está en corte cuando su campo,en el revestimiento deja de propagarse en forma evanescente y se separa de la guía.
En la figura 2.3 se ilustra el número de modos de propagación en una fibra de índice esralonado como una función de su número V . Note que para V < 2.405 el Único modo que se propaga en una fibra es el modo fundamental HE11 correspondiente al modo LPOI en el análisis aproximado. Por lo tanto es posible diseñar una fibra que soporte Únicamente el modo HE11, es decir una fibia unimodo. Así mismo, la distribución de potencia en una fibra de índice escalonado está dado por la distribución de potencia que transportan los modos guiados en el núcleo y en el revestinliento [i]:
B V z ptot =
donde:
4' Capitulo 2: Teoda de Fibras Opticas. 7
A es la amplitud del campo eléctrico en la interfas núcleo revestimiento y r)o = (e)+ es la impedaneia característica en el espacio libre.
2.1.2
30
25
20
15
10
5
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2 4 6 6 1 0
Figura 2.3: Número de mod- de propagación VI número V de la fibra.
Propagación en ñbras unimodo.
Cuando por el interior de una fibra óptica, únicamente se propaga el modo fundamental L&, ésta, recibe el nombre de fibra óptica unimodo. La propagación de un solo modo por la fibra, se logra, por ejemplo, eliminando los multiples modos de propagación mediante la reducción del diámetro del núcleo de laa fibras Ópticas multimodo (aproximadamente a = 9pm para X a 1300 nm). El dimensionamiento preciso de los parámetros a, A, ni y n2 hacen que la frecuencia normalizada V sea menor que 2.405, por lo que unicamente se propaga un solo modo por la fibra. En la figura 2.4, se muestra la sección transversal de dos fibras ópticas unimodo a la longitud de onda de operación de (a) 850 n m y (b) 1300 nm (en el apéndice A se muestran los perñles de refracción de estas fibras).
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Figura 2.4: Fotografiae de la crxcióii irancvercal de fibras Ópticas unitnodo (a) a 850 n m a 630 n m con una rnagiiificacióti de 5ü0X
(1) )
CaphIo 2: Teon'a de Fibres Opticas. !!
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9
Radio de campo modal (Spot-%e).
Uno de los parámetroa m b importantea de las fibras unimodo es el radio de campo moda (RCM) del modo fundamental ya que determina la eficiencia de inyección de lue dentro de la fibra, al igual que las pérdidas por microcurvatwas (4,5]. Usualmente el radio de c m p o modal Wa está definido como el ancho i / e de la intensidad del modo LPoi o alternatidammte, en terminos del radio de campo modal de un haz Gaussiano el cual da una eficiencia de inyección máxima. La Ultima deñnición proviene del hecho de que el modo LPo, tiene casi siempre una distribución Gaussiana.
El radio de campo modal es una función de 'V y de NA, aunque la dependencia wbre V es unicamente ligera (WO cambia unicamente 2% sobre el intervalo de V = 1.8 a 2.4). De otra manera, la N A tiene im efecto fuerte, ya que una gran NA incrementa el efecto de guiamiento y una mayor cantidad de potencia del modo LPoi es conhada en el núcleo, de modo que el BCM disminuye.
Eficiencia de inyección.
La razón de potencia aceptada por la fibra con respecto de la potencia de un hae incidente está definida como la' eficiencia de inyección y puede cthcularse integrando el producto de los modos incidentes y propagados sobre la sección transversal de la fibra. Así la eficiencia de inyección es:
Efic.de.inyec. =
donde Ei,,ie. es la distribución del campo eléctrico del modo incidente. La máxima cantidad de pohhcia es inyectada dentro de la fibra cuando el BCM del modo LPoi es idéntico B la cintura del haz Gaussiano incidente .
r .!
Propagación.
La propagación de la señal inyectada en d a fibra unimodo se ve afectada por diveisos mecanismos que degradan la señal. Uno de estos mecanismos se conoce como distoraión por retardo.
La distorsión por retardo está compuesta por'la dispersión debida al material y la dispersión en la'guia de onda. La dispersión del material es el efecto dominante y es un resultado del hecho de que el retardo de grupo de una onda óptica propagandose en un medio de vidrio es dependiente de la longitud de onda. Ya que el vidrio que se utiliza en las fibras ópticas es un medio dispersivo, el índice de refracción del núcleo de una fibra unimodo es dependiente de la longitud de onda A0 de la fuente de los sistemas de comunicación. :!
,'Una aproximación de la dispersión debida ai material como componente de la distorsión por retardo en una fibra unimodo es [1,6]:
Capítulo 2: Teoría de Fibras Optigas. I! . .
L AA' @ni AT - -(-)Ai- ' - C Ao., ¿Aa
10
(2.6)
donde 9 es el ancho espectral relativo de la fuente. L es la distancia en la cual la energía se propaga en la fibra. C es la velocidad de la luz. nl es el índice de refracción del núcleo y X, es la longitud de onda de la fuente.
La dispersión en la guía de onda es un resultado del hecho de que les csracterlstices de propagación del modo son una función de la tasa entre el radio del núcleo y la longitud de onda. La ecuación para la dispersión de la &a de onda'es [1,7]:
donde D,V es un coeficiente de dispersión adimensional que ea una f'uuuón del n h V de Is fibra.
2.1.5 Propqación en Abras multimodo.
A diferencia de las fibras unimodo, las fibras multimodo aceptan una gran cantidad de modos que se propagan a través de ella. Típicamente las fibras d t i m o d o tienen un diámetro de núcleo de 50prn, una apertura numérica de 0.2 (que equivale a una diferencia entre los fndices de refracción ligeramente menor al 1%) y un diámetro exterior de 125prn. En la figura 2.5, se muestran dos fibras muitimodo (a) 50/125 y (b) 62/125, aumentadas 25 veces i u s dimensiones originales.
A una longitud de onda de 850nm la correspondiente frecuencia nomaiizada es V = 37 y el número de modos guiados (aproximadamente V2/4 para fibres de núcleo gradual) es N 340. Ademáa, la potencia es inyectada dentro de un número muy grande de modos que tienen diferente distribución espacial de campo, constante de propagación, dispersión cromática y demás.
Puesto que la mayoría de los modos operan lejos del corte y estos se encuentran continados dentro de la fibra, una gran cantidad de la potencia manejada por las fibras multimodo viajan en la región del núcleo. Por eso, les propiedades del revestimiento sólo afectan significativamente a aquellos modos los cuales se encuentran cerca del corte y cuyos campos electromagnéticos se extienden más d á del núcleo.
La existencia de varios cientos de modos, cada uno con su propia constante de propagación, causa una forma de distorsión del pulso el cual no existe en fibras unimodo, denominada dis- persión intermodal. La energía de un impulso inyectado dentro de una fibra multimodo se expande sobre un intervalo de tiempo correspondiente al intervalo de retardo de propagación de los modos. Por lo anterior, la capacidad de la fibra de portar información se ve reducida. Puesto que, en la ausencia de un filtro de modos, la expansión del pulso se incrementa linealmente con la longitud de la fibra, el producto ancho de banda por distancia (BxL) es una figura de mérito para la capacidad de información de una fibra óptica [7].
i:
I I Capítulo 2: Teoría de Fibras Opticas.
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11
Les variaciones de índice de refracción con respecto a la longltud de onda t m b b causa I 1
1 dt (A) L dA
dnU(A) - 8 Mo(A) = - C dA
'l.
I I f2.2 Fibras de índice graduado.
modos y de and, la disperaión intermodal. Esto es nferido nonnaknmte como "Dispersión de perfil" y es un resultado de la diferencia que existe entre el indice de gnipo N = n - A(dn/dA) (el cual d e t d n a el tiempo de transito del pulso) y el índice de refracción n.
I ,
1 A diferencia de la fibra de índice escalonado multimodal, la fibra de índice gradual re ha utilieado ampliamente en sistemas de telecomunicaciones ópticas, debido principalmente a dos <actores importontes; nu ancho de banda relativamente grande y el diámetro del núcleo. El ancho de banda de la fibra de índice escalonado es iimitada fuertemente debido a #u distorsión gor retardo modal. La graduación del perfil del índice de refracción del núcleo de una fibra, ihcrementa el ancho de banda de la misma debido a la igualmzn de loa retardos de grupo de 'I los diferentes gnipos de modos propagandose [2,7,8]. (I
IL Figura 2.6: Perfil de índice.de refracción y transmisión de rayos en una fibra multimodo de inkce gradual.
'!I 1 Las fibras de índice graduado, también conocidas como fibras de núcleo no liomogeneo, no tieiien un Indice de refracción constante en el núcleo, pero tienen un índice n(r) en el núcleo que &hinuye con respecto la distancia radial desde un valor máximo nl con respecto al eje óptico
lb hasta un valor constante nz más allá del radio del núcleo a en el revestinuento como se ilustra e n k figura 2.6.
.I
Esta variadon de índice se representa como: 'I / I
iI lil ,I' Capitulo 2: Teoná de Fibras Opticw.
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13
n(r) = nl(l - 26(?/0)~)'" para r < a(núcico) = nl(l - 26)'/' = n2 para r 2 a(revestiMento) (2.9)
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I
Usando los conceptos de la óptica geométrica, la disminución gradual en el índice de re- fracción desde el centro del núcleo crea mudias refraccionea de los rayos ya que estos inciden
I -DE-
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Laa fibras muitimodos de fndice gradual tienen menor dispersión intermodal que las fibras
chos modos diferentes excitados en la fibra de índice gradual, las diferentes velocidades de grupo muitimodo de índice escalonado debido a su perfil de índice de refracción. Aunque existen mu-
7 I 1
las trayectorias de longitudes más cortas y reduce la dispersión en la fibra. De aquí que las fibras muitimodo de índice gradual con núcieos con perfil de índice parabólico o cercanamente parabólico tienen un niayor ancho de banda de transmisión que las fibras multimodo de índice escalonado.
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I dl' - Capítulo 2: Teoría de Fibras Opticas. '1
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14
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Figura 2.8: biagrama que muestra la trayectoria del rayo en forma parabóuca. I
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Los parámetros definidos para las fibras de índice escalonado (NA, 6, V) pueden aplicarse a las fibras de índice gradual y dan una comparación entre los dos tipos de fibras. S i n embargo, puede notarse que para fibras de indice gradual la situación es m á s compleja ya quela apertura nudr ica es una función de la distancia radial desde el eje de la fibra. La fibra de índice
, gradual, además, acepta menos luz que la correspondiente fibra de indice escalonado con la misma diferencia relativa de índice de refración [6,7]. I 2.3 Fibras especiales.
Figura 2.9: Secciln transversal de fibras especiales
Aunque generalmente se supone que en !a fibra unimodo se propaga únicamente Un modo, para la longitud de oxida de operación esto no es estrictamente verdadero; de hecho, cualquier fibra unimodo típica tiene dos modos de propagación que son muy similares pero cuyos planos de polarización son perpendiculares, estos dos modos sou similares a la potencia óptica llevada pur un modo de polarización el cual puede ser transferido al otro muy fácilmente por cualquier clase
1
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(le perturbación de la fibra, por ejemplo por imperfeccioties estructurales O cambios de teiiipe- ratura, este acoplamiento del modo de polarización medado en la fibra unimodo tiene efectos m’riimos sobre las aplicaciones actuales, sin embargo en un número de aplicaciones potenciales la estaldidad del estado de polarización o la pieservacióii del plano de polarizacióri en la fibra unimodo es esencial [9,1~0].
~?,i cstado de poIarisacióii eii unti fibra unimodo Iiorinai, fiuctiia, porqtie los dos modos de polarización son muy similares, para ser propagados indepeiidientemeiite siii uti modo de acoplamiento entre ellos. Una forma de mantener el estado de polarización en una fibra, es esi.ai>lrcrr diferencias en las constantes de propagación para estos dos modos, tanto como sea posible, introduciendo e,jes de asimetría en la estriictiira de la fibra. Por extensión la transferencia dr potcncin Óptica desde una polarización a la otra puede suprimirse excitando uiiicamciite un modo de polarixacióii
Las diferentes clases de estructuras de fibras que Iiaii sído desarrolladas con este fiii caen regii1arrriciil.e en dos categorías: fibras con núcleo axial no simétrico y fibras con distribucióii axial no simétrica. Las secciones transversales de los tipos de fibras básicas se ilustran eii la figlira 2.9 y en la figura 2.10 se muestra una fotografía de una fibra que mantiene la polarizacióii conocida como fibra “corbata de moño” (apéii<lice A).
Figura 2.10: Fibra “corbata de mofio” con una magiiificacióir 5DOx.
16
I I
Debido a que lae fibras anteriormente mencionadas tienen un coeficiente de expansión /térmico muy diierente de las que usan un revestimiento con silicio puro, esto induce una dis-
12.4 Degradación de seña en fibras ópticas. I1
I
1 , radiación de la energía Óptica [6,7]. La absorción es asociada al material de la fibra, mientras I que la dispersión e8 asociada con las imperfecciones estructurales de la guía de onda.
' 1 ' La atenuadón de la señal (o pérdida de la fibra) se defme como la tasa de la potencia óptica de salida P,d desde una fibra de longitud L, con respecto a b potencia óptica de entrada Pd. Esta taaa de potencia es una función de la longitud de onda.
I
1 1 está dado por [7]: El símbolo Q es comúnmente usado para expresar atenuación en decibeles por kilómetros y
1 , de las caractedsticas 'le1 material, por ejemplo, para los radicales OH la longitud de onda de absorción es de 1390 rim.
Pant /Pad L 01 = lOL0g .( 2.1 O)
" . 11 ! .
:I Gapitdo 2: Teoda de Fibrss Opticas.
1 I
Absorción extrínseca por impurezas atómicas en el vidrio.
aY, WO 1Wü 1100 1200 (so0 1- 1SW 1- 1700 u))(QIIID OE ONDA (nm) I
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17
por impurezas. Sin embargo, estas pueden ser insignificantes si la fibra es expuesta a niveles de radiación núciear, como podrfe ocurrir dentro de 9 reactor o durante una explosión nílclear.
El factor' dominante en la absorción en fibras fabricados por métodos de fusión, es la pre- sencia de impurezas en el material de la fibra tales como el cobre, hierro, radicales OH, etc. La ,absorción resulta desde bandas de absorción electrónica en laregión ultravioleta y desde bandas
1;
IBibliografía
Radio and Electronic Engineer, Vol. 51, No. 7/13, pp. 313-325, Juiy/August 1981. I . [8] Mahlke, Giinther y Ghsing, Peter. Conductores de f ibma ópticas. Marcombo S.A. Buenos
18
1' 1 Capítulo 3
I
I
unicamente con.elementos Ópticos que no generan.ninguna señal y unicamente contribuyen a
Acopladores con Fibras Opticas. I1 g
.I
/I Introduccibn.
En este capítuio se analizarán los dispositivos existentes para la tecnología con fibras Ópticas, enfatieando los dispositivos fabricados unicamente con fibras ópticas. Se estudiará el acoplador /I I fabricado con fibras Ópticas que es la base fundamental de este trabajo, así como otros disposi-
,lj tivos especiales.'
Actualmente los dispositivos pasivos son construidos en base a las fibras ópticas existentes, con óptica integrada o microóptica.
1' I 3.1 Dispositivos 6pticÓs pasivos y activos. I1
,/
1 : es luz difundida o dispersada, en luz polarizada. También permite el paso de la luz polarizada en un eje de referencia y atenúa los ejes no favorecidos [Z]. Este se clasifica en polarizador invasivo y ti0 invasivo.
19
/(Capítulo 3: Acopladores con Fibras Opticas.
I1 I I
20
F i h a 3.1: Dispositivos pasivos. 1
Usualmente el polarieador invasivo emplea una técnica de pulido en su fabricación para / / exponer el núcleo de la fibra (figura 3.2). Este polarizador utiliza la atenuación diferencial de los modos TE 7 TM.
I
L T E X INDlCE ALTO
CRISTAL
CAPA DELcAw\ DE AcEm
Figura 3.2: Polarieador invasivo de fibra. (a) con capa metálica (b) con cristal birrefringente.
El polarieador no invasivo se hace directamente en la ñbra, este trabaja por pérdidas en tune1 diferencial después de que la constante de propagación es dividida por un alto esfuerzo '1 residual o por birrefringencia geométrica.
AISLADOR OPTICO: Un aislador óptico es un dispositivo diseñado para prevenir rcfle- xiones de retorno a lo largo de una trayectoria de transmisión. Para comunicaciones ópticas el uso primario de estos dispositivos es prevenir el retorno de reflexión o luz dispersada dentro de los laseres semiconductores, cuya estabilidad de oscilación es particularmente suceptible a este tipo de disturbios. Este dispositivo también puede ser usado en redes de fibras para suprimir
1 1 ecos y así la distorsión del pulso o señales falsas causadas por los mismos [i,2].
!I
I¡ gapitdo 3: Acopladores con Fibres Opticas.
I M DE Luz
21
Figura 3.3: Principio de operación de un aislador basado en el efecto Faraday.
En el aislador mostrado en la figura 3.3, un cristal de rotación Faraday el cual gira 45O /j el plano de polarización del haz de luz que lo atraviesa, es localizado entre dos polarizadores , orientados a 45" uno del otro. Así un haz de luz que viaja hacia adelante, será polarizada en la orientación del primer polarizador girado 45" a favor de las manecillas del reloj y pesa al segundo polarizador. De otra manera, un retoruo de reflexión que es orientado con el segundo polarizador será girado 45O en contra de las manecillas del reloj debido a la naturaleza no reciproca de la rotación Faraday y así se obtiene d a polarización cruzada con el primer polaricador en este
I punto. I
11 ACOPLADOR DE FIBRA OPTICA: El acoplador de fibra Óptica es un dispositivo que divide o combina la luz de su(s) entrada(s) en dos o más ramas de salida (figura 3.1). Tal dispositivo ayuda a la construcción de sistemas de comunicaciones o sensores (el desarrollo de este trabajo profundiza en el conocimiento de este dispositivo).
I INTERRUPTOR OPTICO: Es' un dispositivo que .habiiita .la transmisión de señales en I. fibras ópticas u otras guían de onda, para ser selectivamente conmutada desde una trayectoria '1 a otra o para ejecutar operaciones lógicas con estas señales [2,3]. Un diiipositivo interruptor de
En este dispositivo, el contacto 'óptico se realiza entre la libra A y otres dos fibras, B y C, I mediante el movimiento mecánico de la fibra A colocada en la esquina opuesta de un encapsuiado '1' rectangular en las cuales las fibras B y C se encuentran fijadas. En la demostración anterior,
el movimiento de I s fibra A se realiza oprimiendo una manga de niquel sujeta a un extremo de ella, el uso de una manga electromagnética podría permitir UI control electromagnético de esie movimiento.
este tipo se muestra en la figura 3.4.
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FILTRO DE FIBRA OPTICA:. Es un disposidivo que permite o bloquea el paso de la luz de longitudes de ondas específicas además de utilizar su propied-d. de dispersión para cancelar o realear el material de la fibra y la dispersión de guia de onda, para ensanchar o comprimir el pulso óptico de entrada. Los filtros simples se basan en el fenómeno de absorción y se pueden utilizar contaminantes absorbentes como filtros de rechazo de'longitudes de onda especificas, se puede aumentar su versatilidad contaminando las fibras con tierras raras, puest,o que la absorción
' de los dopantes difiere a'diferentes longitudes de onda [l].
I
(b) CECCiON TRANSMRCAL I1
Figura 3.4: Interruptor óptico basado en el movimiento de fibras ópticas.
22
11 LENTE DE FIBRA OPTICA Es un dispositivo basado en la expansión o concentración del 1 tamaño del modo fundamental LPoi que se comporta como un lente autoalineado que tiende a
reducir el problema de manejo de las fibras ópticas unimodo, como consecuencia de su pequefio núcleo y tamaño del haz [4]. Como se ilustra en la figura 3.5, este lente consiste en una guía de onda cónica en la cual la luz se transfiere de una sección transversal pequeña a una sección grande o viceversa.
11
I ' EMPk LENTE DE FlBRA OPTiCA
Figura 3.6: Representación esquemática de una lente de fibra óptica práctica con terminación recta y encapsdado de protección. ,
1 3.1.2 Dispositivos activos.
Al contrario de los dispositivos pasivos, los dispositivos activos requieren una entrada externa (eléctrica, Óptica o acústica) para su operación. Esta clase incluye moduladores, controladores de polarización, desplazadores de fr,ecuencia, amplificadores ópticos y acopladores.
il i
1 23 Capitulo 9: Acopladores con Fibrw Opticm.
A continuación se desctiben los dispositivos activos m8s comunes.
'I' MODULADOR: Es un dispositivo que cambia la fase Óptica de la luz medisnte una per- ¡ turbación externa tal como la temperatura, por estiramiento o prensado de la fibra. Est88 berturbaciones cambian la fane de la ius en la fibra por variación de la longitud, el índice de kefiacción efectivo o ambos [l]. Un ejemplo de estos, es el modulador por expansión de fibras, 'el cud utiliza un c f i d r o piesoeléctrico (Pz) como se muestra en la figura 3.6.
I I I
Figura 3.6: Modulador con cilindro PZ.
El m e d s m o de operación utiliza la expansión de la fibra que rodea el cilindro mediante la aplicación de una tensión a través de su pared ocasionando un cambio en la fase de la señal óptica que se propaga a través de la fibra.
I TRANSFORMADOR DE POLARIZACION: Un problema común es transformar el estado
de polarización arbitrario en una fibra y convertirla a una polarización lineal con la orientación apropiada para un componente óptico sensitivo a ella. Una muy buena aproximación utiliza Iluos de fibras, las'cuales funcionan en forma parecida a gruesas placas de 1/4 y 1/2 longitud de onda (I]. Utilizando componentes robustos, la placa de 1/4 de longitud de onda se gira para convertir 11 a una polarización lineal y la placa, de i / 2 X se gira para orientar el plano de la polarización. La analogía con fibras se hace enrollando las fibras, ordinariamente no birrefringentes, en forma 11 de bobinaa, tal que, para la longitud de onda de interés, la combinación de birrefringencia por curvatura y la longitud de la bobina ha retardos relativos de fase de ~ / 2 o T para la luz polarizada a lo largo o normal al plano del lazo. Girar la bobina equivale a girar la placa de onda debido a que la polarización no sigue un dÓblez rápido. La adición de otra bobina de 1/4 X permite la transfonnación a un estado arbitrario de polarización. ,I
AMPLIFICADOR DE FIBRA OPTICA: Es un componente activo que amplifica la luz que 1 viaja dentro del núcleo de una fibra, que transporta la señal preferente, mediante el fenómeno , láser.
!I
1 Este amplificador se puede clasificar en 3 tipos: amplificadores basados en acoplamiento de modos por ondas evanescentes, basados en fibras dopadas con tierras raras y basados en procesos Ópticos no lineales (amplificación Brillouin, Raman o de ganancia paraniétrica) [ J ,5].
En la figura 3.7, se muestra el esquema de un amplificador de fibra óptica basado eii la '1 amplificación de modos por ondas evanescentes. En este caso, se coloca una solución colorante
4
/I 24 Capitulo 3: Acopladores con Fibras Optices.
(!ye) sobre el núcleo expuesto de una fibra, el cual compone la mitad de un acoplador estándar fabricado con el método de aproximación mec8nica. La luz. bombeada viaja a lo largo con la skd y la amplificación ocurre cuando loa csmpos evanescentes de la aeñal bombeada y la señal
I1
I1
acción, reduce loa requerimientos de potencia de bombeo. Un ejemplo experimental de este, se ilustra en la figura 3.8 [6].
penetran en la solución colorante.
SRAL
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WER DE Ud-YM DE YODO
maDWm0
Figura 3.8: Arreglo experimental para un amplificador de fibra Óptica contamineda con erbio bombeada a 532 nm.
I1 I
I
26 CapítUiO 3: Acopladores con Fibrw optic-.
1 El amplificador de Abra puede ter,usado en lugar de un repetidor en redea locales (LANE) y sist- de grandes <tistanciaa. También permite más etapaa aecuencidcs de kiterrupdón ai tH irepetidores y un ineremento en el n*ero de nodoa en una red.
I1 I
I1 I
11
1
3.2 Acopladores ópticos.
3.2.1 I
Acopladores ópticos activos y pasivos.
11 u118 señal Óptica entre dos o J.& trajectorias de salida como se ilustra en la figura 3.9. Los acopladores Ópticos son dispositivos activos o pasivos que permiten la transferencia de
I
I I
(b)
Figura 3.9: Acopladores ópticos. (a) Activo y (b) Pasivo.
1 En contraste con el acoplador activo, un acoplador pasivo es un componente diseñado con
dispositivos puramente ópticos tales como fibras, lentes, reflu, de difracción, espejos, etc. que
;Capítulo 9: Acopladores con Fibma Opticas. 11 21
/jcionales; la luz que entra desde el puerto de entrada emergen Únicamente en los puertos de d i d 8
Una desventaja de esta estructka es el alto costo que resulta el alinear y meapsukr 10s '1 esquemas prácticos de estos acopladores.
J( Otro tipo de acoplador micro Óptico por división del haz, es el acoplador basado en la
I división espacial de la señal desde la fibra de entrada y el acoplamiento a las fibras de salida 11, a través de un iiltro espacial directamente s i n el uso de lentes, Un ejemplo típico de este $ acoplador se muestra en la figura 3.11. En la fabricación de este dispositivo, se utilisa una
técnica fotolitográñca para producir un molde en el cual se produce un unión plana corrida entre la fibra de entrada y la %bra de salida. Parte de la luz no acoplada a esta fibra de salida, es 11 guiada por medio de una guía de onda plástica a una fibra de salida adicional, la derivación. UM
I desventaja de esta estructura es que tiene baja eficiencia de acoplamiento en la rama derivada
y no regresa (excepto por ntrodispersión) al puerto de entrada.
es incompatible con fibras ópticasiunimodo.
i
FIBRA I
,
Figura 3.11: F p l a d o r basado en la división espacial.
Acoplador WDM basado en filtros de interfarenchar El funcionamiento Óptico de estos dispositivos es determinado primeramente por las características de los filtros de interfe- rencia dieléctricos incorporados dentro de su estructura.
La estructura m á s simple de estos dispositivos no contienen más partes ópticas además de las uniones de fibras y los filtros de interferencia formados sobre los extremos de ellw como se muestra en la figura 3.12 [2,8].
Para realizar una separación de longitud de onda por canal de 30 nm, correspondiente a una especificación razonable para la estabilidad y disponibilidad de la fuente de luz, se imponen requisitos completamente rigurosos a los filtros. Estos pueden tener pasos de corte y/o pendientes de corte para realizar un aislamiento intercanal, por decir de 30 dB, mientras mantienen alta transmitancia en banda. Tales filtros han sido desarrollados para estas aplicaciones en forma de paso aito, paso bajo y pasa banda. Estos filtros han sido diseñados para ser lo suñcieutenimte estables contra humedad y temperatura para que no afecten las ventanas de operaciói: para el láser. Aunque por naturaleza este tipo de iiltro puede operar para combinar o separar únicanieiilc
li
"Capítulo 3: Acopladores con Fibras Optjcas. I1 20
I
dos canales de longitud de onda o dos grupos de candm de longitud de onda a un m i m o timipo, un dispositivo WDM de n-canales neceasriamente contendrh al menos n-1 ffltms de intcrfncnCiir.
I Y
INIERFFRD(U4
Figura 3.12 Acoplador WDM con filtros de interferencia.
Además de las desventajas de pérdidas de inserción, las téCII¡CM de fabricación de fütros en las m a s de lea fibras a acoplar dificultan y encarecen la fabricación de estos Mopiadores.
I 1 Acopladores WDM basados e n r e j h de dilección: La principal ventaja de los acopladores basadw en rejillas de diúacción en comparación con los basados en filtros de inter- ferencia es la habilidad intrínseca de la difracción para procesar todos los canales de longitud de onda en paralelo y de aquí evitar una multiplicidad de elementos seleccionadores de lungitaden de onda inuemmtando el número de canales del WDM. Esta pérdida por inserción no necc sariamente se incrementa con el número de candes y además las pérdidas pueden ser uniformes para todos los canaies [2,8]. La forma de este dispositivo se muestra en Is figura 3.13. La rejilla de difracción y los lentes cilíndricos de índice gradual son elementos separados por aire m t n
I
I/ eüos.
REJILLA DE D I M O N
Figura 3.13: Acoplador WDM basado en rejilla de diúacción.
Acopladores con fibras Ópticas: Actualmente el acoplador óptico de mayor aceptarióii es el acoplador de fibras ópticas, que es un acoplador pasivo fabricado únicamente con fibras
29 Capitdo 3: Acopladores con Fibras Opticas.
ópticas sin el empleo de elementos externos. Dichos acopladores son Snálogos a los divisores , electrónicos de potencia o combinadores. Estos acopladores bidirecclonales toman energla en d dominio óptico y lo dividen o combinen en multiples trayectorias (figura 3.9 (b)) dando como resultado un.acoplador con N puertos de entrada y M puertos de salida [1,7]. (El d ü b , la fabricación y caracterización de estos dispositivos se describirán en los capftuloü si@¡entes.) Así mismo, en forma semejante a otros dispositivos ópticos, los acopladores con Abras Ópticas, pueden responder en forma diferente' a distintas longitudes de onda de la luz [8,9]. En genersl, la tasa de luz acoplada dentro de dos o msS piiert08 de salida pueden depender de las longitudea de onda utilizadas. En muchos acopladores las diferencias son despreciables. Sin embargo, si la meta es separar la luz de düerentes longitudea de onda, las diferencias pueden, deliberadamente, hacerse muy grandes.
8.2.2 Tipos de acopladores.
I Las variables que se involucran generalmente en la selección de un acoplador, son:
Número de puertos. I Semitividad a la dirección en la cnai la luz es transmitida.
Acoplamiento pasivo o activo.
Tipo de fibra utilizada en su construcción.
Tasas de acoplamiento y
Niveles de potencia requerldob.
I
Enbbase a estas variables se han desarrollado diferentes tipos de acopladores los cuales pueden etiquetarse como:
I Acoplador en estrella. I
Acoplador en T.
Acoplador direccional.
Acoplador bidireccional.
Divisores.
Mezcladores.
M u l t i d z a d o r e s por división de longitudes de onda.
Acopladores pasivos.
Acopladores activos y
Acopladores NrM.
l
Figura 3.14: Acopladores: I (a) acopiador en T y (b) Acoplador en Edrella.
El acoplador en T está fonnado por tres puertos, y es análogo a los divhores eléctricos, los cuales toman una send de un a b l e pasivo para manejar un dispositivo t e n n i d . Así este tipo de acoplador se muestra usualmente como una fibra guía acoplada con una fibra externa en una configuración en T. La luz de entrada no neceaita ser dividida iguaimente entre los puertos de salida, por esto 10s acopladores en T se fabrican con diferente1 tarsó de potencia acopiadsr en sus puertos de salida [2,7].
A diferencia de los acopladoras'en TI loa acopladoreo en estrella tienen mda de tres puertos, pudiendo llegar hasta Varias decenas. En el concepto clasico del acoplador en estrelia, la ius e8 mezclada en un elemento central mezclador, y la Ius de salida emerge de este elemento dentro de las fibres. La geometría And no es decesarimente paredda a una estrella, pero taies acopladores son normalmente representados de esta forma [Z].
iI I I,
/o una combinacibn de estas, permitiendo así, diversas m s n e r ~ de elegirlas. Pa0 m su fo-mb penerai, estos tipos de acopladores pueden clssfficarse en dos dividones clasiurs, a cop l sdm tipo
I I S.2.S Aplicaciones.
Actualmente, IM aplicaciones de 108 acopladores con fibras ópticas en sistemas de comuni- caciones, sensores e instrumentación, han alcanzado una gran importancia, ya que estos llevan como finalidad reducir la cantidad de componentes ópticos en una instalación, interconectar todos los nodos de una red, dividir, mezclar o combinar diferentes señales Iumiriosas con el fin de optimizar el funcionamiento de estos sistemas y reducir sus costos de construcción [@,lo].
Por ejemplo, en comunicaciones ópticas, los acopladores pueden ser utilizados en una red como se muestra en la Rgura 3.16, donde los dispositivos son conectados individualmente en un bus de datos.
Algunas veces, los acopladore: dividen una entrada simple en dos o m8s seiiaies de salida para manejar multiples dispositivo8 (figura 3.16 (a)), en otros casos, el acoplador combina dim o m8s entradas desde dispositivos separados para proveer la entrada aotros (figura 3.16 (b)). Estas
I 1 iI I
i
I
c&dtulo 3: Acopladores con Fibras Opticas. 31
I I1 funciones son inherentemente direccionales, dependiendo de que manera ae este transmitiendo ia señal. Si las señales son transmitidas en ambas direcciones a travéa del sisteina, el mismo 'kcoplador bidireccional puede servir como divisor y mecclador (figura 3.16 (e)). Por otro lado, en el caso de los acopladores fabricados con fibras unimodo, una de las mds interesantes aplicaciona 'he estos, es la multicanalización por división de longitudes de onda [ill, donde dos o m á ~ seiiales Ison etiviadas a través de una sola fibra a diferentes longitudes de onda, como se muestra en la figura 3.15. En esta aplicación, una sola fibra maneja dos señules (As y A?) producidss por diferentes fuentes de luz viajando en la misma dirección. En el extremo opuato de la fibra, las dos longitudes de onda transmitida, son separadas mediante un wopldor selectivo a estas.
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i
Figura 3.15 Aplicación de los acopladores en mui t i cdseUón por división de longitudes de onda. I
En otras aplicaciones, el acoplador de fibra óptica es utilizado en la recuperación de señales de reflectometrfa óptica en el dominip del tiempo (figura 3.17 (a)) y en sensores de fibras ópticas de tipo interferométrico. En este úitimo ejemplo, la señd luminosa es dividida, mediante u11 acoplador en T, en una señal de referencia y otra de medición, y posteriormente se combinan, utllieando otro acopiador en una fibra óptica (figura 3.17 (b)). El resultado es un betimiento de la señal, proporcional a la variable medida y que proporciona resultados m8s preciios que los obtenidos mediante sensores de ñbras óptica por modulación de intensidad [iZ].
Como se puede observar, la lis& de aplicaciones de los acopladores podría extenderse m8a allá de los mencionados, sin embargo los ejemplos citados anteriormente, ilustran la potencialidad de los mismos.
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TRANSUISOR k
U
32
I I
(4 Figura 3.16: Aplicaciones de acopladores en cornunicaciones ópticas; (a) control de dispositivos, (b) enlace direccional, (C) enlace bidireccionai.
ii Capítulo 3: Acopladores con Fibras Opticas.
I
I I
U u - 1' RECfPTOR U FUENTE
DE Luz ++ FIBRA DE
PRUEBA I
33
Figura 3.17: Aplicaciones de acopladores en (a) reflectornetria óptica en el dominio del tiempo (b) sensores interferométricos.
I
34 spitdo 3: Acopladores con Fibres Opficm.
.2.4 Parámetros básicos de los acopladores. I
A fin de explicar cuales acopladores optimizan la operación de un iisteme, deben considerarse iatro parhe t ros básicos y sus ecuaciopes asociadas. Entos son; atenuación (exceso de p(rdids), tsa de acoplamiento con respecto a las pérdidas, directividad y aisldento [10,14,16]. POI mpEcidad, asumiremos que el número de puertos de entrada (N) y el número de puertos de dida (M) (como se mostró en la figura 3.9 (b)) son igualea a 2 x 2. A continuación (K enlistan ui ecuaciones básicas que se discutirán en seguida:
a Atenuación en exceso = 10 Log((Olt02)/Il]
a Tesa de acopldento/pérdida;
a Pérdida por inserción = Atenuación t Tasa de acopldento/pérdida
a Dmctividad = 10 Log (I2/11)
a Aislamiento: Es la separación de potencia óptica en los canales O1 y O2 entre la longitud de onda especificada. Asumiendo que los niveles de entrada eon los mismos p a cads longitud de onda.
(%) = OZ/(OltOZ) (a) = -10 h g [ o 2 / ( 0 l t O Z ) ]
i Atenuación: El dividir una señal óptica en dos o m8s puertos de salida en un acoplador
asivo, permite que cada m a de las salidas vea una reducción en ia seña l desde el nivel de itrada, en un acoplador perfecto, eslas podrían ser las únicas "pérdidas" experimentadas por I señal, pero existe una atenuación que se d e h e como la diferencia entre la entrada y la una de las saiidas (usualmente expresada en decibeles). Algunas atenuaciones son inevitables 1 acopladores pasivos (y LB usualmente considerado como la potencia que se desperdicia en el :oplador), pero podría generalmente reducirse tanto como sea posible. La atenuación cuantifica eficiencia del acoplador. Este parámetro es el responsable de la pérdida de energía hacia el
iedio ambiente a través de la dispersión u otro mecanismo. Por ejemplo si se inyectan 100 2idades de potencia dentro del acoplador, la atenuación indica que cantidad de unidades no se .opagen hasta ia aalida.
Tasa de acoplamiento/pérdida: Especifica como será dividida la potencia Óptica en un ,oplador y puede ser expresado en % Ó dB. La tasa puede especificarse desde 1 basta 99%. )s acopladores con fibras ópticas son algo diferentes a su contraparte electrónica ya que los imeros son completamente reciprocos Esto es, si la luz es inyectada en el puerto I1 en un oplamiento del lo%, el 10% existirá en el puerto O2 y el 90% en el 01. inversamente la luz yectada en el mismo acoplador en el puerto 12, acoplará el 10% en O1 y el 90% eii 0 2 .
Pérdida por inserción: La tasa de acoplamniento/pérdida en dB más la atenuación cons- .uyen las pérdidaa por inserción. Por ejemplo un acoplador unimodo con una tasa de acopla- iento del 50% y una atenuación de 0.1 dB, tendrá una pérdida nominal por inserción de 3.11 3 (3.01 dB t 0.1 dB). Ya que los acopladores son bidirercionales y debido a que el acoplamiento igual entre ambos puertos de salida (SO%), 3.11 dB será la pérdida por inserción en ambas
recciones, independientemente de cual puerto es utilizado como entrada. Sin embargo si la sa de acoplamiento es del lo%, la pérdida por inserción en O2 cuando inyectamos por 11 Cera 10.10 dB (10.0 dB t 0.1 dB). Inyectando en el mismo acoplador por I2 sin embargo, resultar6
35 Capítulo 3: Acopladores con Fibras Opticas.
i I
en una pbrdi& por inserción de 0.56 dB (0.46 dB t 0.1 dB) en 02, ilustrando 18 reciprocidad del dispositivo.
Directividad La directividad cuanthca la separación entre I1 e I2 o entre O1 y 02; Y la cantidad de reflexión generada dentro del acoplador. Esta medieión debe reacarse con 10s extremos opuestos sumergidos en un fluido de igualación de índice para sepstar las reflexiones externas de las reflexiones del acoplador. Los acopladores así probados podrían proveer >40 dB y >65 dB de directividad para acopladores multimodos y unimodos respectivamente. Obvia- mente, la potencia de I1 reflejada en I2 o la potenda reflejada desde 01 a 0 2 puede resultar en diafonía entre los canales. La ditectividad del acoplador entonces, puede contribuir al nivel de reflexión y al nivel de didonía en un sistema. De hecho, el término directividad es utllicado intercambiablemente con el término aislación del extremo cercano.
Aislación: La aislación o m d s especificatuente la aislación del utremo lejano, se aplica únicamente a dispositivos que funcionan como multicanaiisadores/demulticanalizadores por di- visión de longitudes de onda (WDM). Estos acopladores dividen o combinan señales ópticas
resultan en diafonía entre los canales. Así cualquier cambio en la aislación de los extremos lejanos en los WDM resultan en un cambio en la diafonía del sistema.
I
como una función de las longitudes I de onda. Derivaciones selectivas de estas longitudes de onda
En el apéndice B se muestran las hojas de datos de algunos acopladores comercialea típicos.
3.3 Metodología para la especificación de acopladores.
Al diseñar un sistema, debemos kener en cuenta las pérdidas totales que se verán involucradas en el mismo, aoí como la reflexión, diafonía, atenuación, etc., asf mismo tenemos que consid- erar las limitaciones impuestan por las características de los elementos utilieados tales como conectores, empaixnes y acopladores.
En el caso de los acopladores, la caracterización de los mismos comprenden datos estadísticos de su comportamiento y definen Un intervalo de operación incluyendo las pérdidas totales, re- flexión y diafonía.
En Is figura 3.18 se resume gráficamente la metodología para seleccionar un acoplador [IO]. Tal metodoloía comprende el diseño global del sistema que se quiera instalar considerando los puntos siguientes:
A) Aplicación: Este punto, considera el problema y la solución que se desea cubrir con el diseño del sistema tomando en cuenta las tendencias a corto, mediano y largo plazo según se requieran.
I
I
B) Consideraciones del sistema: Toma en cuenta los intervalos de operación permitidos por el sistema dentro de los cuales el disefiador cubrirá los excesos de pérdidas que genere su instalación.
SONJUT0 DE LIMITES: PERDIDAS POR TRANSMiSlON REFLECCION DlAFONlA
ANAUSIS DE LOS EFECTOS ACUMULATIVOS DE LAS VAR~ABES DEL D a SlsTEMk
4
CONflGURACiON DE PUERTOS. DEPWDENClA DE LA LONGITUD DE ONDA, ESTABILIDAD DE LA PO~IZACION. ESTABILIDAD DE IEMC-
A LAS TENSIONES. MERACIONES Y CHOQUES. Y TiEMPO DE MDA. CION, npo DE ENCAPSUMGO, npo DE CONECTOR, RESISTENCIA
CUMPLE CON LOS -
Figura 3.18: Metodología de especificación de acopladores.
37 Capítulo 3: Acopladores con Fibras Optic-.
I C) Consideraciones de instalación: Considera loa elementos necesarios y ks pkdidas
D) Caracteristicas del acoplador: En este punto se consideran las raracterfsticaa fíiicm 1 que necesita cumplir el acoplador seleccionado para obtener la compatibilidad óptima con los demás elementos del sistema.
E) Análirii IMrgiMl: Aqd s'e análisan las consideraciones que impiden el hinciondento Óptimo del sistema tales como las pérdidas por transmisión, rellexión, y diafonía, en forma global
que involucran así como los intervalos de operación a diferentes condiciones de trabajo. ~
considerando los puntos anteriores. I
j 3.3.1 Ejemplos.
A continuación se describen 3 casos que ejemplifican la metodologIa descrita anteriotmente [io]: I
j I. Crecimiento de une troneal diseñada con flbras unimodo.
A) Aplicación.
El crecimiento de los enlaces de comunicación dentro de las ciudades ha elevado la capacidad de estos de 90 Mbits/seg. a 1.7 Gbits/seg. [lo], por tal motivo las troncales principales son instaladas estrictamente con fibras ópticas unimodo esperando que la demanda del ancho de banda aumente a medida que estd (las fibras ópticas) se aproximen m á s al usuario.
Una alternativa al crecimiento de estos enlaces y al mejor aprovechamiento del ancho de banda de las fibras, es el uso de multicualisadores por división de longitud de onda WDMs y técnicas ópticas coherentes [lS].
I r
I
Figura 3.19 Configuración del enlace con WDMs.
B) Consideraciones del sistema.
El sistema presentado tiene h a distancia por enlace de 20 a 30 Krn y se emplearán dos WDMs con conectores por cada uno. Los limites permisibles son:
Pérdida por transmisión ' < 1.5dB
~
30
< 3o.odB *Reflexión
' 1
~ ~~~
Figka 3.20,: Cableado y empaquetado del WDM.
En este ejemplo los WDMs se, fabricarán con fibras imimodo que satisfagan los requerimen- tos del sistema para todas las condiciones de operación, estos se usarán en una configuraci6n bidirecciond, como se muestra en la figura 3.20, para explotar el aislamiento cercano inherente de los dispositivos, de 65 dB. I
i
( I de f20nm en el peor de los CASOS. L y instalaciones de los WDMs generahate se redaan oficinas centrales con medio ambiente controlado en los cuales se utilizan dispositivos empsqu~ 1 ' t do8 con baja densidad, sin embargo cuando se qu iere trabajar en d campo, se necesita un empaquetamiento y cableado a8a robusto. Las distancias entre el equipo de transmisión de la O ~ & A central y el sistems de fibras p típicamente de.3 metroe.
! ~
I ~
Tensión de estirado I > 501bs. . .
i D) Caracterhticas del acopbdor.
II
.I, I
.Estos WDMs tendrán 6 metros de fibras para enlazar los equipos de transmisión y el
$asos. Dado el límite de 1.5 dB y el incremento que ofrece el conector, esto deja una pCrdida por .,linserción de 1.0 dB para el WDM dur&e todas las condiciones de operación. En este caso, los 'idaños deben incluir el de los conectores, más la tasa de tolerancia de acoplamiento, dependencia I
~
1 ~
Reflexión: La reflexión de los conectores es mucho más grande que los generados por el
'.Sin embargo, un valor más razonable bodría ser de -32.0 dB considerando los casos extremo8 de operación, el cual podría permitir uq resguardo',marginal. Amque el WDM ea un dispositivo de 1x2 puertos, el cuarto puerto puede ser acabado apropiadamente tal que su reflexión no sea
'
~ 11. Enlace bidireccional unimodo. I
I pitdo 3: Acoplsdores con Fibrw Optices.
;< 5*0dB Pérdidaa por transmisión
Reflexión </ -35.0dB
Diafonía < -4O.OdB
40
Consideracioner de htakeiÓn/
Debido al alto costo de los laseres, en este ejemplo no se toman en cuenta. Como resultado, ntervaio de longitudes de onda será de 1310 * 40 nm para todos los casos de operación. más, ya que el tiempo de vida planeado del sistema es de 20 años, se desea tener acopladores t también trabajen en la ventana de I 1550 run para desarrolíos futuros potenciales.
.
I Figura 3.21: Enlace bidirecciond con acopladores a 3 dB.
En esta aplicación se montartí el acoplador en una tarjeta de circuito impreso de alta Isidad. Por lo tanto la bese del acoplador deberá ner tan pequeña como sea posible. El mrto común del acoplador, será terminada con un conector tipo bayoneta de 2.5 mm. El lio ambiente del usuario e8 fuerte y no se tiene control de la temperatura ambiente.
Resumiendo los efectos externos significativos se tienen:
Longitud de onda de operación I 1310 f 40nm
a Tipo de conector
Temperatura de operación
Tipo bayoneta ST de 2.5 mm
-40 8 85°C I
Resistencia a la tensión ~ > 1.0 Ibs
Características del acoplador. :
En este ejemplo se requiere un acoplador independiente de la longitud de onda (WIC) ricado con fibras Corning SMF 2ETM que puedan satisfacer los requerimientos del sistema
C a p h l o 3: Acopladores con Fibres Opticas. I ~
, 1 . 41
a través de todas las condiciones de operación. El WIC 1x2 será usado para poder operar m forma bidireccional utilizando una sola fibra unimodo como c d de transmisión como se iiwtra en la figura 3.21.
1
I ~
PROTECClON MOUWUM CON SILICON
\
Acoplador ideal sin pérdidas
Tolerancia de la tasa de acoplamiento y la dependencia de la longitud de
50.0%
SEWNMRlA - I DIMENSIONES EN MILIMEIROS
Figura 3.22: Encapsulado del acoplador con las íibras guías descubiertas.
I Choque y vibracióa 1 Tiempo de vida
-1.0%
-1.0% 38.0% -10 log(0.38) = 4.2 dB
II
1, Capitulo 3: Acopladores ton Fibres Opticas. 42 '1, e Exceso de pérdida 0.25 dB
érdida del acoplador en ei peor de los canos: 4.45 dB.
Reflexión: Como la reflexión debido a los conectores será mucho más pande que el p nerado por el acoplador, los -35.0 dB deberán ser controlados pot el pulido del conector y especificados para todas las consideraciones de operación. 1 Diafonía: La directividad del acopiador con sus 4 puertos acabado, será de -60 dB a través de todas las condiciones de operación. Así Is. didoda, a semejanza de la refl&ón est& limitada dor el pulido del conector.
111. Bedes de &en local con abras multimodo. I
A) \ Aplicación.
\ La construcción de redes de área local (LANs) con fibras ópticaa continúa en crecimiento, 1 y para la mayor parte de estas redes, las fibras muitimodo proveen un ancho de banda mayor al ddkeado.
I1 I En este ejemplo, se requiere interconectar 8 nodos akededor de un punto central. Aunque se podrían utilizar topologícw en anillo o lineales. Para esta aplicación, un acoplador transmisivo en4estreUa es el más eficiente.
del sistema.
número de nodos su localización y el ancho de banda utilizando fibras
11 dB
de 60/125 pm podría determinar los siguientes límites del acophdor en estrella:
Pérdidas por transmisión
7 I Reflexión No aplicable
< -36.0 dB
de instalación.
Si el sistema utiliza LEDs centrados a 1300 nm, el ancho espectral de 108 LEDs podría I\ i ser de 100 nm. El acoplador en estrella se localizará en un ambiente controlado dentro de un, 11 gabinete cerrado. Los nodos de las fibras se empalmaran en este punto. Debido al gran número 1 de puertos (16) y los requeriinjentos del empalme, las guías del acoplador deben ser protegidas
con 4 cableado adecuado.
Resumiendo los efectos externos significativos se tienen: I 11 hongitud de onda de opereción
I p o de conector
Temperatura de operación
1300 4~ 100 nm ,
Sin conector únicamente empalmado. 11 ii 11
10 a 7OoC
1
I
,
43 Capitulo 3: Acopledores con Fibras Opticas.
Humedad < 70 %
Resistencia a la tensión : > 20 lbs.
I/ 1 t
I I
En este ejemplo, un acoplador en estrella de 8x8 puertos fabricado con fibras C o w 50/125 pm puede satisfacer IM necesidades del sistema a través de todas Lss condiciones de operación (figura 3.23). El ecoplador set& empaquetado en un rack de 48 cm como contenedor (+a 3.24). Las guías serán protegidus con cable de 3mm de diámetro.
NODO 7 LZJ Figura 3.23: Red de área local en estrella.
E) Análisis marginal.
Pérdidas por transmisión: Ya que no existen conectorea, la unica contribución de
.I Desuniformidades debido a la
I tolerancia de la tasa de acoplamiento inyección, temperatura y humedad TOTAL 11.0 dB
1.0 dEl
i I ;1)1
Estrella de 8x8 ideal sin exceso de pérdidas 9 O dB
Capítulo 3: Acopladores con Fibrqs Optices. 44
Reflexión: Debido a Is utilización de los LEDs, no ne toma en cuenta este parhetro.
Diafonía: Por delinición, en el acoplador en estrella, cads transmisor transmite a todos [os receptores,,por lo tanto este parhetro no se toma en cuenta ea el análisis.
L p-425 mm-7 25.4 mm
I El+ + + + + + + *p =+ + + ++ ++ += 4 mm
Figura 3.24: Contenedor del acoplador en estrella.
I
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45
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li
ICapítu1o
.-
,I
4
IModelado de Acopladores con 1Fibra.s Opticas. II
Introducción.
En este capítulo se discutirán las teorfas que existen para el modelado de acopladores con fibras ópticas, estudiando los mecanismos de acoplamiento y enfatisando el modelado por ba- timiento modal ya que es el utilisado en la técnica de fabricación que se elegió para el desarrollo de este trabajo. Asf mismo se describirá el análisis de acopladores unimodo utilizando el método de fusión y estiramiento bicódco (FEB) mediante un programa que evalúa los parhetros car- acterísticos de dichos acopladores.
I Los acopladores de fibra óptica se pueden clssi!icar de la m i s m a manera que estss, es decir,
en acopladores multimodaies y acopladores unimodales. Existen dos m e d s m o s básicos de acoplamiento: el acoplamiento evanescente y el acoplamiento por batimiento modal [3,4]. A continuación se describen estos dos mecanismos para fibras unimodo.
4.1 Acoplamiento evanescente.
Un acoplador óptico consiste, en su versión m á s sencilla, eo dos guías paralelas separades por una distancia " d " correspondiente a la extensión del campo evanescente en los núcleos como se ilustra en la figura 4.1. En este caso, el proceso ffsico de acoplamiento involucra el fenómeno de pulsación óptica entre los campos electromágneticos de las dos fibres.
Es intuitivo pensar que al aproximar dos guías de onda ocurrirá pulsación si la constante de propagación de dgun modo de la primera guía es aproximada a alguna constante de propagación de la segunda.
Las constantes de propagación asociadas con las soluciones fundamentales de campo (eléctrico o magnético) $+ y $- de la ecuación de onda escalar son o+ y o-, respectivamente, mientras a es la constante de propagación común a las soluciones fundamentales para cada fibra Pn ais- lamiento. Cuando la separación de las fibras es infinita, entonces o+ = p- = /r. Para una separación io suficientemente pende:
47
~ . . . , i/ ' '
I
I1 Capítulo 4: Modelado de AcopIadorev F. O.
t
la1 y a 2 de núcleos f i y con perfil de índice de refracción n(X,Y).
'
donde A, es la sección transversal infinita, n denota el p e d compuesto, 6 es el perfil de índice de refracción de la guía no perturbada, & es el campo de la fibra no perturbada, son las soluciones fundamentales de campo de la guía de onda compuesta y k = Z A / X es la longitud de onda en el espacio libre (en la ecuación 4.1 no se escriben los argumentos de las funciones por simplicidad). Aunque se supone que las fibras están separadas electromagnéticamente, podemos simplificar esta expresión ordenando los terminos de las integrales. Sustituyendo para +* desde
I
I sobre el núcleo de la fibra no perturbada, de modo que la contribución dominante en la integral I llega desde el núcleo de la fibra perturbada 2. De aquí, la ecuación 4.1 es aproximada por
Y *-=z-iG
11,
1 I
Asumiendo ahora que Únicamente los modos polarizados -x son envueltos. De aquí l a magnitud E del campo eléctrico tranversal está dado en cualquier otro caso por
!I /I 49 Capítulo 4: Modelado de Acopladpres F. O.
I ?Pro- donde bt y b- son les amplitudes modales. Debido a la gran separación, podmior d
te que, en el extremo z = O de la &A de onda compuesta, la primera fibra eñ I1 . inyectada con una potencia unitaria y exiate cero potencia en la vecindad de la segunda fibrb esto es E = O.
i Para z inñnita, el campo Ea en la sección t r a n u v d de la scgirnda fibra, siguiendo las ecuaciones 4.3 y 4.4 esta dado por
b
Y 8- te el campo correspondiente para la primera fibra en
El = Zb+sezp(i&) cos(Cz) (4.6)
Por lo tanto para obtener el flujo de potencia en cada fibra integramos la intensidad (n,,JZ) ( S O / ~ )l/zIE1)a Ó ( n J 2 ) ( ~ 0 / ~ ) ~ 4 ? 3 ~ ~ ~ sobre la sección transversal infinita y asumiendo que Pl(0) = 1 y P2(0) = O tenemos de 18s ecuaciones 4.5 y 4.6
P&) = COS2(CZ)
4 ( r ) = aen'(Cz) (4.7)
Así la potencia unitaria se conserva y la potencia fluye a lo largo de la guía de onda compuesta. Además, la potencia luminosa oscila desde una fibra a otra en una manera análoga a lan caraterístiuui de un par de péndulos identicos.
Si Zb denota 18 longitud de batimiento, esto es, la distancia a lo largo de la &a de onda en la cual existe una transferencia total de potencia desde una fibra hasta otra fibra y viceversa, entonces de las ecuaciones 4.3 y 4.7 tenemos [3]
( 4 4 Zb = 2 X / c z 4T/(p+ - p- ) -:
ionde C es el coeficiente de acoplamiento,
Cuando la separación se incrementa, p+ -+ 0- y la longitud de batimiento se incrementa de nanera exponencial. Por lo tanto, la transferencia de potencia es claramente una consecuencia le interferencia, o batimiento, entre los campos del modo fundamental de la ecuación 4.4, y iepende Únicamente de la diferencia entre las constantes de propagación escalar.
Para dos fibras con núcleos iguales [3], notamos en la ecuación 4.3 que n - ñ; no es cero inicamente sobre el núcleo de la segunda fibra, por lo tanto !,? integral en el denominador !s proporcional a la normalización de una guía de onda no circular y empleado c.oordenadñs polares para los ejes de la kbra en la figura 4.1 tenernos
Capitulo 4: Modelado de Acopladores F. O.
.I !
60
ldonde 6 2 1 - n,ev/n,,u, n,- y >iiU son los índices de refrscción del revestimiento y el núcleo lrespectivamente. Reduciendo la ecuación 4.9 y utilizando las relaciones que existen mtn Iss I
de Bessel y la ecuación de eigenvalores [3,5], podemos expresar el coeficiente de (KO-
(4.10)
lbonde 6 = 1 - (nr/ni)a siendo n1 y na los índices de retreecidn del núcleo y del revestimiedo kespectivamente, a es el radio de loa núcleos, d es la distancia entre los ejes ópticos de las fibras a acoplar y KO y K1 son las funciones de Bessel modificadas de segundo orden. Los parámetros IU y W son los parámetros de los modos transversales que satisfacen la reiación ür + Wa = Va
I
11
donde V es la I
1
frecuencia normalizada dada por:
0.14 1 8.12'-
o u o in.10- N - 61.08 -
M.06-
c 61.04 - u . w2 -
0
U
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 F r e c u c i n c i a norma I l z a d a V
II Figura 4 . 2 Coeficiente de acoplamiento normalizado en función de la frecuencia normalizada para algunos valores de la razón geométrica d/a.
/I (4.11)
donde JA es la longitud de onda de trabajo. 't i ' en la figura 4.2 [4].
La dependencia del coeficiente de acoplamiento con la frecuencia normalizada V se muestra
!! Considerando que la longitud necesaria para la transferencia total de potencia es h / c , se
verifica que para V <. 1 esta distancia es muy grande, pues la energía está distribuida de uua l . ¡I
Capitulo 4: Modelado de Acopladpres F. O. 51
manera casi uniforme entre los dos núcleos, haciendo similares las constantes de propagación de los dos modos. En el otro extremo, la 1UE está muy coníinada en cads núcleo, siendo pequeña, por lo tanto, la fracción que participa del acoplamiento, exigiendo, en consecuencia, una longitud de interacción grande para el cambio de energía. Para el cwo Intermedio (V 1) estos dos defectos son optimiurdos, haciendo mínima la longitud necesaria para la transferencia completa de la energía electromagnética.
4.2 Acoplamiento por batimiento modal.
El segundo proceso de acoplamiento sucede cuando las fibras que componen el acoplador man- tienen un contacto ffsico estrecho debido a que sus núcleos fueron fundidos forzando asf una propagación continua de la potencia óptica por la capa externa de la misma. Esta fusión de los nUcleos forma una nueva guía de onda en la sección acoplada, tal guía es multimodai y está brrnada por el revestimiento y el medio externo que lo envuelve (como núcleo y revestimiento .espectivmente) [2,6] . Este proceso puede originar dos tipos de acoplamiento: acoplamiento :on fusión fuerte y acoplamiento con fusión débil, debido ai grado de fusión de las fibras a acoplar 41. En la figura 4.3 se ilustra el perfil aproximado para estos dos casos.
'igura 4.3: (a) Perfil aproximado del acoplador tipo FEB. (b) Sección transversal para el caso le fusión fuerte aproximada por un rectángulo. (e) Sección transversal de la geometría de la 'EB débil.
:n principio, el acoplador bicónico puedP ser tratado como una guía única por lo que los núcleos le las guías originales no juegan prácticamente ningun papel y que el acoplamiento se efectúa lor fenómenos de batimiento entre los modos de la guía única 121. I
I
62 Capítulo 4: Modelado de Acopladpres F. O.
14.2.1 Modelo de fusión.
1, '&a hisión de dos fibras da como resultado una estructura geométrica como se ilustra en la figura I/ f.4
D
;I Figura 4.4: Corte longitudinal del acoplador. D,. es el diámetro inicial de la estructura ksionada durante el estiramiento. D es el diámetro de la cintura,62 es la longitud de la EOM I' de fusión y 1 es el estiramiento t o t d
I ,I I
~l F$gura 4;s: Equivalencia entre una guía con estructura elíptica y una de doble sección circular. En los dos casos, la excitación de un lado al otro se considera como una superposición normal de modos.
!I ,L Al término de la fusión y el estiramiento, obtenemos un acoplador de sección recta cuasi- e ptica (como se ilustra en la figura 4.3(a)). Este sistema posee dos ejes preferenciales de simetría, la excitación de un iado de la guíapuede considerarse como una'superposición de los
'I modos fundamentales de un modo LP, de una guía elíptica, como se .indica en la figura 4.5 (8). !I La misma razón puede aplicarse a un sistema de dos guías.circulares paralelas, la excitación de I1 una de las dos guías corresponde a la superposición de dos modos, tal como se muestra en la
f i k a 4.5 (b).
:I
11
I
Capitulo 4: Modelado de Acopladpres F. O. 53
En ambos casos, la energía pasa alternadamente de un lado ai otro, la periodicidad del renómeno depende de las diferencias de las constantes de propagación 0 de 10s modos super. puestos (21.
1.3 Modelo de estiramiento.
Iurante la etapa de estiramiento, las rezones dimmsionales en una sección recta se conservan, )or ejemplo, la rwón bt/d’ de la 4.6 (a). De la misma forma para el modelo equivalente le dos guías circulares, tenanos d(e)/b(e) = 2, el valor inicial de b es igual al radio inicial de :ada fibra. Se enfatiea nuevamente que la configuración esquematizada por la figura 4.6 (b) ea u1 artificio de cálculo que permite evaluar el acoplamiento correspondiente a la configuración *u& elíptica de la figura 4.6 (a). a n2 nm
nl n l
Figura 4.6: Acoplador: a) Sección transveraal y b) Modelo equivalente.
Como primera aproximación, los parámetros dimmslonales transversales del acoplado? iguen una ley parabólica 121. Por ejemplo, el nucleo de una Abra estirada es
a(.) = %(I + rz’) (4.12)
londe ea
es el radio de la cintura. El coeficiente de Poisson u permite determinar el factor 7,
d D / D = - ~ ( d i / 6 ~ ) (4.13)
donde dD/D es la reducción relativa del diámetro de la cintura y dl /6r , la elongación relativa de la longitud de la zona de calentamiento 62. Para el vidrio en fusión, u = 112, que integrando se obtiene
D = Dini,ezp(-l/262) (4.14)
I
c (
9
E
1< U
ti
d
d 8
64 ítulo 4: Modelado de Acopladores F. O.
le Dinic es el diámetro inicial de la fibra, 1 es la longitud total que se cstira el acopladm. la ayuda de las ecuaciones 4.12 y 4.14 obtenemos finaimente \
4[ezp(1/262 - I)] (62 t 1)s Y =
permite calcuiar, en todos los puntos e, todas las variables geométricas ~ansverraks.
81 J=--
,-, n . n 0
(4.15)
ra 4.7: Esquema del proceso de acoplamiento por batimiento de modos en un acoplador iodo. En el caso (a) los modos excitados se refuersan y en (b) se cancelan para diferentes tudes de estirado o longitudes de onda.
Utihando la teorfa de modos acoplados, como se estudia en las referencias [1,7], la potencia iportada para cada una de las guías, para una potencia total unitaria, esta dada por:
J --
&(z) = den a I- C(z’)dz’ (4.16)
Pare el acoplamiento con fusión fuerte el coeficiente de acoplemiento C está dedo por [4]:
3rrx 32nzaz(1 + l /V)’ C =
e le potencia de salida está dada por la ecuación 4.16 y V por:
(4.i7)
(4.18)
e nz y n3 son los indices de refracción del revestimiento y del medio externo resyectivameiite, el diámetro de la cisitura adelgazada y X es la longitud de onda de trabajo.
56 pííulo 4: Mode1ado.de Acopladpres F. O.
, .
En el segundo caso del acoplamiento por fusión débd el coeficiente de scoplamiaito C est6 io por [io,ií]:
ide V' es la Iremencia de corte igual a 2.405 y V est¿ dada por la W h 4.18.
El acopiamimto por batimiento modal se ilustra esquemáticamente en la figure 4.7, para un plador animodal. La lue de la fibre de entrada excita una combkisdón l ind de los mod- orden mds bajo: simétrico y aotisimétrico IS]. Lor modos t i a m difercnkr conrkntes de pageción, de tal forma que si la región de acoplamiento corresponde a un cambio de fw LEO grados, entonces la luz aparecerá en la otra fibra. Este mecanirno de acoplamiento es endiente de Is longitud de onda.
En el caso de acopladores con fibras Ópticas muitimodo, los mecanismos de acoplamiento e8 descritos son un poco diferentes y el análisis mds complejo debido al gran número de modos participan en el proceso, siendo un análisis de teoría de r a p pnferible (1,9]. Como una
nera aproximación, puede decirse que para acopladores muitimodo fabricados mediante la rica FEB, la transferencia de potencia de un núcleo a otro es un proceso gradual que implica neramente, la fuga de aquellos rayos que debido al adelgassmiento de la gula no cumplen el ángulo critico y posteriormente, a la aceptación de rayos que pueden ser captados por el mdo núcleo como consecuencia de su proximidad y geometría [lo].
L Programa para el modelado de acopladores con fibras óp- ticas.
Para el desarrollo de este trabajo ne requiere do un programa pata resolver el modelo emático que se utiliza en el acoplamiento por batidento modal. El objetivo de este programa btener una herramienta para observar el comportamiento teórico de los acopladores con fibras cae y obtener sus pardmetros característicos más importantes, dicho programa se encuentra ucturado como se define a continuación.
Programa principal ANCOP (figura 4.8): En este programa se definen los piubmetros a izar (los más generales) por todos los procedimientos incluidos (que a su vez tienen ciertas ables independientes), se cargan los procedimientos externos y se despliega un menú para la cción de los cálculos incluidos. Estos son:
Ecuación característica (ECAR)
D Coeficiente de acoplamiento normalizado (CAN)
D Coeficientes de acoplamiento aproximados (APROXIMA)
D Potencia de acoplamiento (POTENCIA)
Parámetros característicos (CARACTER)
66 Capitulo 4: Modelado de Acopladores F. O.
al seleccionar que procedimiento se desea, el programa desarrolla dicho procedimiento y d 11 término de ello regresa al programa principal para seleccionar otro cálculo o terminar.
11 Procedimiento ECAR (figura 4.9): En este procedimiento se cáicuian los psr6mctnn o eigenvalores de la ecuación característica de una fibra unimodo mediante Is soluci6n de los $rocedimientos RESOLVER y RES (figura 4.10).
'I
i 1 I
1
II
il
OPCION
,--I--.-- I
Figura 4 . 8 Diagrama de fiqjo del procedimiento ANCOP.
apltulo 4: Modelado de Acopladores F. O.
Figura 4.9: Diagrama de flujo del procedimiento ECAR.
itulo 4: Modelado de Acopladoren F. O.
Figura 4.10: Diagrama de flujo del procedimiento RESOLVER.
DELTAX<-ERROR a NiEROS=NiEROS+l
DELTAX+DELTA
Figura 4.11: Diagrama de flujo del procedimiento PROC-SOL. ,
Los psrámetros de entrada son LSUP y LiNF (Iknite aupaior y U t e Mdor) dmdr de número de iteraciones) encontrando con esto, los c m a de Ir waadón u r a c t a l i t i u y gw
nvalores. \
El procedjmiento RES evalúa el valor del número Y de la fibra y Cucala loa donr de la ieión caracteristica mediante los procedimientoa MIYAGI y PBOC-SOL ( & ~ a 4.11) p a rente8 V .
I
El procedimiento MIYAGI Útilisa la aproximación de Miyagi-Nirhida (ii,i2]. para Cacukr dgenvalores de la ecuación caracteristica de una fibra pairnodo para graden doma del imetro V. Esta aprorimsQdn está dada por:
U=- umv 1 U& 1 u: - ... v + - i (V + 1)s - 28(V + 1)’
de Urn en el valor de U cuando V tiende alinñnito y est6 dsdapor:
U, = 2.40483 ; LPoi
3.83171 ; LPii
5.13562 ; LPa1
5.52008; LPoz
I varios modos de bajo orden, y puede ser usado para modor de ato orden coa errom del excepto para valores muy cercano8 a la frecuencia de corte del modo.
A diferencia del procedimiento MIYAGI, el procedimiento PBOC-SOL c&da loa agenva- I directamente mediante un proceso iterativo para peqaefios vaiorea del p a r h t n , V de la
Procedimiento CAN (figura 4.12): En ente procedimiento w cálcala el coeficiente de MD niento normalieado de una acoplador Mimodo. Primem d e a l ¿ loa e igendom U y V de la rción caracterhtica mediante el procedimiento RESOLVER y RES (descrito anteriormente) #we a los parámetros de entrada “relación diámetro inicial/dhwtro And del acopkdor d/a“ “número de pasos N”. A continuación calcula el coeficiente de acoplamiento con loa velores !nidos.
L.
II! Capítulo 4: Modelado de Acopladpres F. O. /I
Figura 4.12: Diagrama de flujo del procedimiento CAN
61
!I '1 Capftdo 4: Modeldo de Acopledores F. O.
, '
Figura 4.13: Diagrama de flujo del procedimiento APROXIMA.
62
ipítulo 4: Modelsdo de Acopladores F. O.
1 I
i h
co, Sl. s2
63
Figura 4.14: Diagrama de flujo del procedimiento POTENCIA.
I
1, Pasos de iteración N.
' Procedimiento APROXIMA (figura 4.13): Este procedimiento calcula d a n t e f ó d s s
I
'
I1 ~
'
64 Capítulo 4: Modelado de Acopiadpres F. O.
aproximadas el coeficiente de acoplamiento de acopladores d m o d o . Los parámetms de entrsds son:
Radio de k cintura <ro
Longitud total del acoplador L
Longitud de la ZOM de fusión IZ
Longitud de onda de trabajo Lambda
Indice de refracción del núcleo (o revestimiento) ni I
' Indice de refracción del revestimiento (o &e) ni
11 h ó n didmetro inicial/diámetro final del acoplador d/a
Tssa de acoplamiento (en % y dB)
Pérdida por inserción y
' Direccionaüdad.
' NOTA Todos los resultados de los procedimiento aon almacenados en sua archivos corres-
'I 1p Capitulo 4: Modelado de Acoplatiore# F. O.
I LEE
MlDS
RESULTADOS g Figura 4.15 Diagrama de flujo del procedimiento CARACTER.
66
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itmdueción.
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;I Técnicas de fabricación.
1.1 Ataque químico. I Uno de los primeros métodas desarrollados para fabricar acopladoren con fibras 6pticas fue
técnica de ataque químico 111. En este método se emplea un dispositivo como se ilustra en la ura 6.1. Para fabricar un acoplador, primero se descubren del scrilato las fibras a acoplar y se ?nem una o m á s veces para mantenerlas en contacto. Posteriormente las fibraa ne introducen 'un contenedor de cuarzo a través de los puertos 1 y 2, sellando permanentemente estos puertos n cemento epoxico. A continuación se sella temporalmente el puerto 3 y se Uena el contenedor n una solución corrosiva de HF:NH4F = 1:4 (acido fluoriídrico y fluoruro de amonio en un hcentración de 1 x 4) a través del puerto 4. Como se ilustra en la figura 5.1, el contenedor tiene a tapa roscada (puerto 2) mediante la cual se proporciona una tensión controlada a las fibras La mantener su unión, mientras la solución corrosiva reduce los diámetros de los revestimientos I las fibras permitiendo que los núcleos entren en contacto y acoplandolos mediante campos mescentes. Mientras ocurre este proceso, el acoplamiento óptico se monitorea mediante la lección del modo fundamental H E i i a través de la fibra (A) midieiido las salidas de los iremos superiores de las fibras (A) y (B). Cuando el acoplamiento de las fibras alcanza un Lcentaje adecuado se detiene el proceso liberando la solución corrosiva y lavando ion agi1.i kontenedor. Posteriormente se llena nuevamente el contenedor con una solución de aceite <It'
I
I
67
sphdo 6: TecnieeS ¿e FabricaciQ de Acopladores F. O.
ialación de índice concluyendo la fabricación del acoplador.
68
I , el
I ui El primer paso para la fabricación de acopladores mediante está técnica consiste en retirar
revestimiento primario (comúnmente acrilato) de las fibras en la región a ser fiindidas (pltedc*
70 , Capitulo 5: Técnicas ¿e Fabricación de Acopladores F. O. H I
hón, las fibras Re trenzan a fin de mmitenerlas en contacto durante la fusión producida por una fuente de calor (microflama [4,8], arco eléctrico [i] u horno eléctrico [ 5 ] ) aproxtnsdamente
1500°C [5,6,8]. Simultáneamente a la fusión, la región calentada ea estirada mediante dos etapas de estiramiento que sqjetan a las fibras. Durante este proceso conjunto, se realiza una I1 :upervisión continua de I s transferencia de potencia de la fibra guía a la fibra acoplada con el fin de interrumpir el proceso al alcanzarse la tasa de acoplamiento deseada. El estiramiento
11 ocesiona una reducción continua de los diámetros de los núcleos liberando la potencia óptica de hlos y formando una nueva &.a de onda compuesta por la sección adelgeeada/estirada y una II región exterior de menor índice de refracción.
I1
I MICRUPOSICIONADOR
NCNTE OPTIC4 L m O U s E R
HEDIDOR
I
ua 5.3: Técnica de fabricación de acopladores de fibra óptica por el método de fusión y .amiento bicónico (FEB).
I Equipo de fabricación de acopladores de flbras mediante el método FEB.
La técnica empleada en el IIE para la fabricación de acopladores es la técnica de fusión y .&ento biconico (FEB) ya que proporciona un método más eficiente que las otras y reduce iérdidas por atenuación mejorando la calidad del producto fabricado.
' ' 1 ' 1
'Quemador tipo micro-soplete.
0 Boquilla del quemador. 1 1 0 Beses y componentes ópticos. I
. En cflindro de acero al carbón tipo BT-20 con 0.5m3 de gas a 140 Kglcrnz aprox. con regulador de dos pasos tipo HPT-270-B-540 con disfragma de acero inoxidable, para ULI
l .
72 11 Capitulo 5: Téciiicas de Fabricación de Acopladores F. O.
I I I I I I I I I
I I I I I I
Figura 5.4: Gases: Oxígeno y Propano. i I Propano(C3H8):
1 Grado Instrumental.
I 99.5%, inin. de pureza (líquido).
// Tolerancias:
- Propileiio 0.04% max. - Etano 0.05%max. - lsobiitaiio 0.40% niax.
I/ i 1 .
o En cfliiidro de acero al carlión con 1 .3 Kg. de producto a 7.5 I ig /cm2 de p r c s i h aprox. con regulador de dos pasos tipo CPT-281-U-5IlJ con diafragma de nylon rerorzatlo, para un iiitervalo de salida de 0.4 - 8.5 It g/c?n*.
I /I 11 I
I I1
Capitulo 5: Técnicas de Fabricación de Acopladores F. O. I
I
73
El propósito del quemador es tener una cámara de mezcla que uniformize e impida el retorno de la cantidad de gas utilizado. Para este propósito se seleccionó un quemador tipo micro-soplete de la compañía Veriflo Corp., ya que este provee la cámara de mezcla adecuada y perinite el
- fino (figura 5'.5).
Figura 5.5: Quemador tipo micro-soplete.
Las características del quemador se describen a continuación:
Mezcla de gases empleado: Oxígeno y Propatio.
Capacidad del combustible: 1 CFH'.
Presión del gas: 1/4 PSI".
a Capacidad del Oxígeno: 4 CFI-I.
Presión del Oxfgeiio: 3 PSI.
o Temperatura de la flama: 5,252"F.
Velocidad de transferencia de calor: Rápida.
li Capítulo 5: Técnicas de Fabricaci& de Acopladoma F. O.
4 &es cúbicos por hora.
I 5.2.4 Bases y componentes Ópticos.
74
1
** ! !Libres por pulgadas cuadradas.
Para el manejo y sujeción de 18s Abras y del sistema de estiramiento se necesitan elementos
6h.S Boquilla.
La boquilla nos proporciona una f l a a de 6 x 3 ~ 1 mm adecuada8 para el c a l e n t d m t o del Brea descubierta de acrilato de las fibras que formarán el acoplador. Para nueatro caso, se requiere &a flama que toque un &rea longitudinal de 5mm aprorimadamenk ya que con esta longitud id optimizan les dimensiones finales del acoplador (anteriormente se experimentó con un Brea descubierta de 3cm y poco a poco se redujo hasta encontrar el valor lbal).
Antes de encontrar la boquilla adecuada, se intentó trabajar con boquillas puntuales y boquilla8 de perforaciones distribuidas (como se ilustra en la figura 5.6 b), estas boquillas pro- porcionan fl- puntuales, no uniformes y de grandes dimensiones por lo cual no se pueden ütilizar para nuestros propósitos.
1 El prototipo h a l encontrado es el de una boquilla plana como se ilustra en la figura 5.6 b. Dicha boquilla se utiliza para la generación de una microflama adecuada para el sistema de 'kusión. El material utilizado es un tubo de cobre de 1/4 de pulgada con una apertura plana de 11x4 nun.
i I ' r' 1
1 I La base es una placa de acero inoxidable para el montaje de componentes ópticos que nos permite sujetar firmemente 108 postes, etapa de ttaelación y elementos de sujeclón que no8 sirven para montar el dispositivo de estirado de las fibras a acoplar y el dispositivo en el cual se encapsule el acoplador fabricado.
Con la etapa de traslación, se acerca o retira la microflama generada en el quemador.
1 !
'1
Dentro del método FEB para la fabricación de acopladores se analiaarón experimentalmente en el IIE dos variantes con respecto a la forma de estirar las fibras.
En la primera, se utiliza un estiramiento en forma vertical en el cual el extremo inferior de las fibras se sujeta con un peso adecuado que proporciona una tensión por gravedad que forza el estiramiento y fusión de las fibras en el momento en que estas se calientan. Aunque este método
75 Ca,>tulo 5: Técnicas de Fabricacióii de Acopladores F. o.
28nn 4 4 23nn
I I Tubo de cobre' O = 6nn I* Tubo de cobrpl O = 5nn
Figura 5.G: Prototipos de boquillas utilizados a) pruebas, b) prototipo final y (c) muestras fotográíicas.
li Capítulo 5: Tkcnicas de Fabricad& de Acopladores F. O.
11
76
il que el bee daabier ta de las fibras a acoplar Se8 myor que el optima encon- 1 trade que se necesita evitar que el calor de la flama no d d e el acrfirdo res ta te de la
11 parte superior descubierta.
[ L~ est&ura geométrica del acoplador fabricado no es simétrica y por tal motivo no
1
1 La posición en que se fabrica el acoplador dificulta su encapsuledo.
está técnica 8e üuatra ai las fisaras 6.7 y 5.8. f
1 En la segunda variante, loa extremos de les fibraa a acoplar son sujetados ai forma horisontd mediante elemaiúos que proporcionan un estiramiento uniforme. De esta manera, el área de ‘kontacto de las fibras con la flama se reduce y se controla la longitud estirada mediante el lbanejo de los elementos utilisados comg se ilustra en la figura 5.9.
1 La etapa de estiramientoen forma horizontal, en el proceso de fabricación de los acopladores, \puede llevarse a cabo con motores de pasos o sinaonos, que en forma escalonada van estirando , la flbra hasta la longitud deseada. Se consideró que este método introduce disturbios inherentes
óptica entre las fibras, provocando pérdidas por atenuación. Sin embargo queda abierto el UBO de motores para un estudio posterior.
En el íiE se ha propuesto Y utilizado una nueva técnica en la etapa de estiramiento que consiste en un estiramiento por campo msgnetico. Este procedimiento se implement8 debido a
1 las necesidades de estiramiento uniforme y control sobre la longitud deseada, mf como a la dis- 1 minución de disturbios ocasionados por elementos mecánicos en el desplm&ato (*a 6.10).
. se
cumple exactamente con el modelado parabólico empleado.
No se tiene un control adecuado de la longitud de estirado, y
i1 I
alto” de un paso a otro que ocasionan fluctuaciones en. el seoptamiento de la potencia
iI
1 Basicamente, la etapa de entiramiento consiste en la creación de un campo magnético al rededor de un núcleo que sujeta los extremos de las fibras a acoplar, al momento en que la. flama 1 es acercada a las fibras, estas comienzan a “ablandarse” y el campo generado en la bobina atrae \ el núcleo y estira laci fibras propiciando que estas se fusionen.
1 ’I iI ‘I 11 iI
‘I ‘I iI
II
‘I 1
II I
Capitulo 5: Técnicas de Fabricacien de Acopladom F. O.
11
li ii li
Figura 5.7: Diagrama esquemático de metodo FEB vertical para la fabricación de acopladores. !I
I
I/
Capítulo 5: Técriicas de Fabricación de Acopladores F. O. 78
I
!I
81
'I
/1 1; Figura 5.8: Fotografía del metodo liEB vertical para li i fabricacih de acopladorec.
....... . . . ... .. .. . . .
Figura 5.8: Método FEB horizoiital para la fabricación de acopladores: (a) diagrama esque- matico y (b) fotografía.
\
.:. . . . ... Capítulo 6: Técnicas de Fabricacsn de Acoplado- F. O.
81
6.3.6 Dispositivo de encapsulado.
El dispositivo de encapsulado tiene como propósito proteger mecánicamente ai acopledor fabricado y propordonar un nuevo revestimiento a Is nueva guía de onda formada en la sección
, fuadida y adelgamda del acoplador.
I I
I Figura 6.11: Dispositivo de encapsulado comercial.
, uno de los materiales utilizados para encapsular los acopladores es el iNVAR que es una aleación de hierro y nfquel el cual tiene un coeficiente de expansión térmica cercana a las fibras ¿p&a~ (de vidrio) [IO], recubierto con un material dieléctrico de poliester que provee una super- ficie no corrosiva y no conductiva, ademán que puede ir protegido con un empaquetado plástico esgecial para propósitos de manejo rudo (figura 6.11).
iI 1
I I \ I 'I I 1 1
Figura
P, fabrica
FUNDA PLASTICA GüiA
SILICON
I *-g 1
T
i2 : Dispositivo de encapsulado empleado en el IIE para propósitos de experimentación.
propósitos de experimentación, el material utilizado para encapsular los acopladorrs I, es una funda plástica que permite que el nuevo revestimiento de la región adelgazada
02 II
Capítulo 5: Técnicas de Fabricacib de Acopladores F. O.
$ea el aire. Esta funda se monta a su vez sobre una gula de pldstico rigido como se ilustra en le íigura 5.12.
11 5.3 Procedimiento de fabricación.
La fabricación de acopladores por medio del método FEB horizontal, requiere de un manejo kdecuado de los elementos utilizados para evitar que el producto ñud ne dañe al operar el sistema Jb en su defecto al término de este. Por tal motivo es necesario seguir cuidadosamente una serie /de pasos que faciliten la fabricación de acopladoreii. Estos pasos se describen a contiuuación:
I '1 '
S A 1 Preparación de las flbras. i La preparación de las fibras a acoplar requiere el descubrimiento de la envoltura primaria
'1 de acrilato que es el material con que se recubren estas en su fabricación para darle la primera protección mecánica y ambiental que necesita. Para este propósito, se marcan las fibras y se sumerge en una solución de acetona y diclorometano que disuelve el acrilato pero no ataca quimicamente el material de las fibras. Una vez disuelto el acrilato limpiamos las fibras para evitar residuos que se quemen y contaminen el acoplador.
I I ' 6.3.2 "renaado.
El segundo paso es trenzar las fibras a acoplar pera proporcionar un área de contacto entre -
I '1 II ,
las fibres. La magnitud de la sección longitudinal en el que las fibras mantienen un buen contacto es directamente proporcional al número de pasos de la hélice de trenzado. Por Ultimo, al término de la fusión, el trenzado donde no hubo contacto desaparece.
1 I
0.9.9 Sujeción.
En seguida ne introducen las fibras trenzadas a través del dispositivo de encapsulado fijandolas
Capítulo 5: Técliicas de Fabricación de Acopladores F. O. 83
Figura 5.13: Sujeción de las fihras.
5.3.4 Preparación de la micro-fama.
Como ya se comentó, para la fusión de las fibras se requiere una niicro-llama de alta tem- peratura y alta pureza, por lo cual se utiliza Oxígeno y Propano de grado instrumental y un quemador del tipo micro-soplete en combinación con la boquilla seleccionada. Los pasos para operar el quemador y obtener la microílama adecuada son:
Asegurar el cierre de las válvulas de mezcla del quemador.
Abrir la salida de los gases a uiia presi6ii conslarile.
Abrir la válvula de propano del quemador y generar una flama de propaiio.
Abrir la valvula de om’geiio lentamente y mezclarlo con el propauo hasta obtener una Hama adecuada.
Este prorediniiento se realiza rapidameiite ya que el control fino de las válviilas del quemador proporciona uii ajuste rápido de la flama.
Capittrio 5: Técnicas de Pa/~riración dr A C O l J h d O r r S P . O. 84
Figura 5.14: Microíiarna. I En este trabajo se ohtiene una Rama (figura 5.14) de diniensiones adeciiadas (5x3ximm)
In ciiirl se cnracterim utilizando 1111 terrnopnr tipo R. que tlctrctn la ternperntiira <IC, la flatria ilirccl.ariieiitr [ii]. E1 ~ r i i l i v ~ l t h ~ j e gcticrado ~ i o r el tcrrnopar se convierte en iriiidniles (le calor ("C) mediante las tablas apropiadas (Apéndice U). Las mediciones obtenidas se muestran en la tabla 5.1.
2da.
I t a
liciones de temperatiira mV generado Equiv. en "C
1 O . H T I mi>
T a l h 5.1: Caractrrisación de la flaiiia.
El promedio total de temperatura obtenida es de i105"C y las inedicioiies tnás estdiles se mantuvieron por más de 1 minuto. Con esto se asegura que la temperatura <ic la flatiia es adecuada para la rusión del material con qiie sc rahrican las fibras.
Capítulo 5: Téciiicas de Fabricación de Acopladores F. O. 85
5.3.5 Fución/Estiramiento.
Cuando ya se tiene preparada la microflama, se procede a fundir y acoplar las fibras que com- pondrán el acoplador. Para esto, primero se coloca el núcleo de la bobina que siijeta un extremo de las fibras, a una distancia fuera del centro de la bobina, que equivale a la longitud deseada para el acoplador, y a continuación se genera el campo magnético necesario para someter a las fibras a una tensión constante. Esto se Ihgra aplicando una corriente de 0.7 nih aproximada- mente para el diseíio especifico del IIE. Posteriormeiite, se acerca la flama mediante la etapa de traslación hasta que esta toque las fibras y las comiencen a fundir (figura 5.15). Durante el calentantiento y ablandamiento de las fibras, el núcleo comienza a desplazarse busrnndo el equilibrio del campo generado, esto proporciona una tensión decreciente que jala suavemeiite las fibras. Una vez alcanzada la longitud óptima de acoplamiento, la flama es retirada de las fibras y esto detiene la fusión (el paro es inmediato ya que el vidrio deja de ablandarse), procediendo a apagar el campo magnético para el posterior eiicapsulado del acoplador.
Figura 5.15: Elapa de itisión y estiranuento.
5.3.0 Encnpsulado.
Una vez termiiiada la fusión, el extremo de la fibra sujetado al núcleo de la Iiobiiia es Iibrracli, para jalar el acoplador fabricado y meterlo en el dispositivo de encapsulado.
Ya que se cubre completamente el Area fusionada y estirada, se sella con silicon los rxirriiirts
CapítuIo 5: Técnicas de Fabricacijn de Acopladores F. O. 86
del encapsulado. Con esto se protege el acoplador mecánicamente y se asegura que el medio externo que rodea ai acoplador sea el aire contenido en la funda plástica (figura 6.12).
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87
Capítulo 6
Caracterización de Acopladores con Fibras Opticas.
Introducción.
En este capftulo se describid el procedimiento de caracteriración de los acopladores fa- bricados en el IIE en cuanto a su atenuación, geometría y estabiüdad térmica y se mostrarán los resultados obtenidos en el presente trabajo discutiendo las características que se tienen en comparación con otros acopladoren fabricados por diversas compañía.
6.1 Procedimiento de caracterización
6.1.1 Parámetros caractcríaticos.
En su forma más simple, la medición de atenuación de los acopladores fabricados se lleva a cabo mediante el procedimiento siguiente: primero ge obtiene una referencia de la potencia óptica que se inyectará a los acopladores mediante el monitoreo de luz inyectada a una sección de I metro del mismo tipo fibra que se utiliza en los acopladores (figura 6.1 (a)). Posteriormente se inyecta luz de la misma fuente al acoplador que se quiere caracterizar y se mide la potencia Óptica de salida en los puertos correspondientes (figura 6.1 (b)). Con estss lecturas obtenidas se calculan los parámetros básicos que caracterizan al acoplador como son: atenuación, tasa de acoplamiento, directividad, etc.
En forma más precisa, las mediciones de transferencia de potencia óptica del acoplador son realizadas durante el proceso de fabricacion, esto se logra mediante la construcción del sistema ilustrado en la figura 6.2. En este sistema se utiliza ia técnica de recuperación de señales mediante el uso de un amplificador lock-in, el cual escencialmente es un filtro selectivo con un ancho de banda arbitrariamente estrecho. El lock-in es sintonizado a ;a frecuencia de la señal y rechaza la mayor cantidad de ruido no deseado para permitir que la seiial sea medida.
En este sistema, st' inyecta una señal cuadrada de 1 kHz a un transmisor Óptico que utiliza un LED como fuente de luz mediante un generador de formas de onda, al mismo tiempo st=
'
Capítulo 6: Caracterización de Acppladores F. O.
deriva una smal que dimenta la entrada de sincroniracrón del empiificador io&-in.
89
(b)
Figura 6.1: Medición de atennación utilizando el medidor dc potencia bptica (a) medición de referencia y (b) medición del acoplador.
LB s d d proporcionada por el transmisor es inyectada a la fibra gda que formar6 parte del acoplador fabricado, dicha aeñd e8 detectada por un analizador de forma de onda óptica e inyectada al puerto de entrada del amplificador lock-in para su recuperación.
En el momento de la fusión de las fibras, lss variaciones y atenuación de la potencia óptica inyertada es detectada y gráficada con respecto al tiempo mediante un registrador X-Y que se alimenta con la señal recuperada del amplificador. Las señales inyectada y recuperada son monitoreadas en un osciioscopio.
Al término del acoplamiento se mide la potencia óptica de los puertos de salida y ne cá lcukn sus parámetros característicos.
Capitulo 6: Caracteriaación de Acppladom F. O. so
Figura 8.2 C e r e c t e r i d h mediante la técnica lo&-in de recuperación de señales.
6.1.2 Caracterieacibn térmica. 1%
Otra etapa en la caractaicd6n de los acopladores, es la caracterización tkmics (figura 6.3) mediante la cual se puede observar el comportamiento de los acopladores con rtbpecto a lan variaciones de la temperatura. En nuestro caso, se utiliss una cámara térmica programable para someter a los acopladores a pruebas de temperaturas, en un intervalo de O a 606C en pasos de lOoC por cada 10 minutos.
Figura 6.3: Diapama esquebtico de la caracterización térmica de los acopladores.
Capitulo 6: Caracteriseción de Ar,opiadorea F. O. li ;I
91 )t . .
i/ 8.1.9 Caracterización geométrica. I
'I Como última caracterización, se procede a observar y fotograñar iaa secciones t r a n s d e s y ,I
longitudinales de los acopladores fabricados de modo que se analice el grado de fusión con que /j estos se acoplan, asf como el perfil geométrico que forma la estructura bicónica, con la ayuda de I,
un microscopio Óptico y una cámara fotográfica integrada a 61 como se muestra en la ñgura 6.4.
Para observar la sección trsasversal, se toma la mitad de un acoplador y se corta utilicando un cortador de diamente una parte de la sección longitudinal fundida y adelgazada para ad obtener una superficie adecuada, posteriormente se coloca la muestra en un sqjetador de fibras t
y se monta sobre el microscopio iluminando el extremo libre de Is muestra, a continuación 1 se selecciona el lente objetivo adecuado enfocando la muestra hasta observar perfectamente la , sección deseada y fotogratiandola, por último, con la cámara integrada al microscopio (figura 6.4 (a)). I1
\
Para observar la sección longitudinal, se cortan los extremos del acoplador para colocarlo I sobre un porta objetos y montarlo sobre el microscopio, a continuación se desplaza longitudi- ' nalmente y se enfoca por secciones la muestra, a fin de que por cada sección observada se tome I¡
l una fotograñía y así poder reproducir el acoplador en la forma deseada (figura 6.4 (b)).
i
8.2 Resultados obtenidos. 11
Durante el desarrollo de este trabajo, se construyó en el IIE, un sistema de fabricación de !1
/I acopladores de fibras ópticas que emplea la técnica de fuusión y estiramiento bicónico (FEB) horizontal como el que se muestra en la figura 6.3 y con las especlficaciones dadas en el Capftulo 4 para cada uno de los componentes. La nomenclstura empleade para rotular cada acophdor '
fabricado fue la siguiente:
e AM-X: Acoplador multimodo (fabricado con el mCtodo vertical ). AU-X: Acoplador unimodo (fabricado con el método vertical).
t
/I AMH-X: Acoplador multimodo (fabricado con el método horizontal).
e AUH-X: Acoplador Wmodo (fabricado con al método horisontal).
donde la X es el número consecutivo de fabricación. I
Glass y con fibras rnultimodo de 50/125 pm proporcionadas por la compaíúa CONDUMEX (ver // Se trabajó con fibras unimodo para 633 nm, 850 nm y 1300 nm de la compGfa Corning
hojas de datos en el apéndice A), y se fabricarón los siguientes acopladores: I
l e 14 acopladores unimodo de 4 puertos para 633 nm.
8 acopladores unimodo de 4 puertos para 850 nm. I
e 25 acopladores multimodo de 4 puertos.'
e 5 acopladores multimodo de multiples puertos (6, 8, 10,12 y 16 puertos) mi
!
91 Capítulo 6: Caracterización de Acopladores F. O.
6.1.3 Caracterización geométrica.
Como Ultima Caracterización, se procede a óbservar y fotogrdar las secciones t r a n s d m y longitudinales de los acopladores fabricados de modo que se analice el grado de fusión con que estos se acoplan, así como el perfil geométrico que forma la estructura bicónica, con la ayuda de un microscopio Óptico y una c b a fotográfica integrada a é1 como se muestra en k & p a 6.4.
Para observar la sección trsnaversal, se toma la mitad de un acoplador y se corta utiiicsndo un cortador de diamente una parte de la sección longitudinal fundida y adelgsgsds para d obtener una supaficie adecuada, posteriormente se coloca la muestra en un sujetador de flbras y se monta sobre el microscopio iluminando el extremo Ubre de la muestra, a continuación' se selecciona el lente objetivo adecuado eníocando la muestra hasta observar perfectamente l a , sección deseada y fotografiandola, por Ultimo, con la cámaia integrada ai microscopio (figura 6.4 (a)).
Para observar la sección longitudinal, se cortan los extremos del acoplador para colocarlo sobre un porta objetos y montarlo sobre el microscopio, a continuación se despiasa longitud¡- nalmente y se enfoca por secciones la muestra, a ñn de que por cada sección observada se tome una fotografifa y así poder reproducir el acoplador en la forma deseada (figura 6.4 (b)).
6.2 Resultados obtenidos.
Durante el desarrollo de este trabajo, se ConstNyó en el IIE, un sistema de fabricación de acopladores de libras ópticas que emplea la técnica de fusión y estiramiento bicónico (FEB) horizontal como el que se muestra en la figura 5.3 y con 181 especfficaciones dadas en el Capítulo 4 para cada uno de los componentes. La nomenclatura empleada para rotular cada acoplsdor fabricado fue la siguiente:
AM-X: Acoplador multimodo (fabricado con el método vertical ).
AU-X: Acoplador unimodo (fabricado con el método vutical).
AMH-X: Acoplador multimodo (fabricado con d método horizontal).
AUH-X: Acoplador unimodo (fabricado con el método horieontal).
donde la X es el número consecutivo de fabricación.
Se trabajó con fibras unimodo para 633 nm, 850 nm y 1300 nm de la compaíiía Corning Glass y con fibras multimodo de 50/125 firn proporcionadas por la compañía CONDUMEX (ver hojas de datos en el apéndice A), y se fabricarán los siguientes acopladores:
14 acopladores unimodo de 4 puertos para 633 nm.
e 8 acopladores unimodo de 4 puertos para 850 nm.
e 25 acopladores multimodo de 4 puertos.
5 acopladores multimodo de multiples puertos (6, 8, 10,12 y 16 puertos)
MICROSCOPIO OPTIC0
CAHARA
. OBJETIVO
PORTAOBJETOS CON UN ACOPLADOR
SISTEMA DE -- I---- ILUMINACION
MICROSCOPIO OPTICO
' 92
Figura 6.4: Caracterización geométrica de los acopladores (a) transversalmente y (b) longitudi. nalmente.
Capítulo 6: Caracterización de Acopladores F. O. 93
de los cuales se encapsularon 42 acopladores para su posterior caracteriaación. Los acopituiom restantea heron utilizados como muestras para fotografiar nu sección transversal y longitudinal mediante u11 microscopio óptico proporcionado por el Laboratorio de Pruebas Fhicas del Depto. de Siatemas de Combustión del IIE. Los resultados principales se presentan E continuación:
/I
,i
6.a.i Parárnetros característicos. 1 \\. En la tabla 6.1, se presentan los resultados de las medidonea de potencia óptica tomadas
a '3 acopladores multimodo de 4 puertos fabricados con el método FEB vertical, calculándose con estos datos SUB parámetm caracterfsticos de acuerdo a las ddinicimes dadas en la sección 3.2.4 de esta teais. La nomendatura del acoplador de 2x2 puertos se sigue en conformidad con' la idefinición de la íigura 3.9(b):'I1 e I2 son los puertoa de'entrada y O1 y O2 son los puertos de 'h ide. La potencia Óptica es inyectada Únicamente en el puerto I1 durante el proceso de caracterización. La medición de la potencia Óptica de salida se realisa en io8 puertos O1 y 0 2 . La potencia medida en I2 corresponde a la potencia reflejada en el acoplador, la cual idealmente serfa nula Las longitudes de los acopladores non 0.8,Z.O y 0.9 cm. La potencia ópticainyectada en lh fibras es de -16.44 dBm en los tres casos. Los valores medidos de potencia Óptica en loa pueitos 01, O2 e I2 se índicau en dBm en la tabla. Cabe aclarar que para la reslisación de los c~cu los de los parámetros de acuerdo a las definiciones de la sección 3.2.4 debe hacerse la conversión a Watts. La atenuación en exceso de 108 acopladores es 4.6,l.l y 0.6 dB siendo la más baja para el acoplador AM-Ob de 0.9 cm y la más alta para el acoplador AM-4 de 0.8 un. Las tasas'ge acoplamiento son de 98/2,66/46 y 76/25,% para los acopladores AM-4, AM-7 y AM-8b respeCtivamente. La pérdida por inserción es la suma de la atenuación en exceso m á s la tasa de acoplkento expresada en dB's y ne indica en la tabla para los tres acopladores. La directividad es la relación en dB de la potencia en 12 a la potencia en'I1 y los valores obtenidos son 44.98, 24.86 <\23.14 dB. Se observa que los acopladores AM-7 y AM-8b presentan buenas características de atenuación en exceso, 1.1 y 0.5 dB respectivamente ya que los dispositivos comerciales ofrecen atenuaciones en exceso del orden de 0.25 a 1.0 dB. Las tasas de acoplamientode 66/46 y 75/26 % se acerlan también a los valores comerciales estándar de 60/60,10/90 y 26/76 %. Sin embargo, la directividad lograda en los acopladores se aleja de los valores comerciales que van desde 40 a 66 dBi Los valores relativamente bajos de directividad obtenid& se deben en este caso a que no se sumergierón en aceite de igualación. de índice de refracción los puertos O1 y O2 para reducir &i reflexión Fresnel de estos extremos. Puede observarse también, que los acopladores AM-4 y hM-8b, aunque de longitud similar presentan características de atenuación y de tasas de acoplhento muy diferentes debido a la falta de reproducibilidad del método de fabricación vertical. i\,
En la tabla 6.2, se presentan los resultados obtenidos en la caracterización de 3 acopladores multimod& fabricados con SI método horizontal de acuerdo a la técnica descrita en la sección 6.2.1. En teste caso, la longitud de los acopladores fabricados es de 1 cm. La potencia óptica inyectada i n las fibras es de -2.41, -0.41 y -2.55 dBm para los acopladores AMH-7, AMH-5 Y AMH-8 respectivamente. Los valores medidos.de potencia óptica en los puertos 01, O2 y I2 se indican 6n la tabla. La atenuación en exceso obtenida en los acopladores es de 3.04, 1.82 Y 0.72 dB siendo la más baja para el acoplador AMH-8. Las tasas de acopIaIruento son 60/40, 76/24 y 73/27 para los acopladores AMH-i, AMH-5 y AMII-8 respectivamerite. iJas.P6rdidaS por inserción se indican en la tabla y los valores de directividad obtenidos son 26.28, 25.6.1 Y
1,
I\
It
'I
i\
Capítulo 6: Caracterización de Acpplsdorcs. F. O. :.
23.63 para cada scoplador.
. ..
. .
A copiadores multimodo n fabricados con el métc Parámetros Longitud del acoplador (u.): Potencia inyectada (dBm) 11: Potencia de salida (dBm) 01: Potencia de salida (dBm) 02: Potencia en Iz (dBm): Atenuación (dB): Tasa de acoplamiento/pérdida (dB): Tasa de acoplamiento/pérdida (%): Pérdida por Inserción (dB)
Directiddad (dB): (puerto 02):
lo verti AM-4
0.8 -16.44 -21.10 -37.36 -61.42 4.63 16.37
.__ - -
98/2
20.9 44.98 -
d AM-7
2 -16.44 -20.23 -21.10 -41.30 1.18 3.45
66/45
4.83 24.86
- - -
-
AM4b
-16.44 -22.92 -22.92 -39.60
23.14
Tabla 6.1: Resultados obtenidos en la caracterización de loa acopladores multimodos fabricados con el método FEB vertical.
En comparación con el método vertical, los pardmetros earacterhticw y la reproducibilidad de estos se ven mejorados (todos !os acopladores se estiraron apmximadamente 1 cm) pudiendo obtener tasas de acoplamiento y directividades similares para los tres acopladores. La atenua- ción del acoplador AMH-8 de 0.72 dB está dentro del intervalo de valores comerciales (0.25 a 1.0 dB). La directividad obtenida es relativamente bajs (26.28 dB contra 66 dJ3 para acopladores comerciales) y se requerirá de trabajo adicional para mejorar este pardmetro.
En la tabla 6.3, se muestran los resultados obtenidos en la caracterización de 3 acopladores unimodo para 633 nm fabricados con el método FEB horizontal. Las longitudes de los ~cqh- dores son 1.2, 1.4 y 1.0 cm para los acopladores AUH-11, AUH-12 y AUH-6 respectivamente. La potencia óptica inyectada en las fibras es de -24.32, -24.32 y -28.9 dBm para los acopladores AUH-11, AUH-12 y AUH-6 respectivamente. Los valores medidos de potencia Óptica en los puertos 01, O2 e I2 se indican en la tabla. La atenuación en exceso obtenida en 108 acopladores es de 4.2, 3.65 y 2.5 dB siendo la m á s baja para el acoplador AUH-6. Las tasas de acoplamiento son 99/01,99/01 y 78/22 para los acopladores AUK-11, AUH-12 y AUH-6 respectivamente. Las pérdidas por inserción se indican en la tabla. Se puede observar que con un acoplador estirado 1 cm se obtienen, al igual que en los acopladores multimodo, las mejores características y tasas de acoplamiento. La directividad medida PS muy alta debido a que la potencia Óptica captada por la fibra Óptica unimodo de la reflexión Fresnel es extremadamente pequeña. En general se observa que la fabricación de acopladores unimodo es intrínsicamente más dificil que la fabri- cación de acopladores multimodo debido principalmente a las pequeñas dimensiones del núcleo (aproximadamente 4 pm de diámetro para 633 nrn de longitud de onda de operación).
', , '.. I
, . .
, I
Pot&cia inyecteda (dBrn) 11: Potencia de selida (dBm) Oí:
Potencia en ( a m ) E: Atenuación (a): T a n de acoplamiento/pérdida (dB): Tam de aeopldento/pérdida (%): Pérdida por iuserción (dB) (puerto 02): Directivldad (dB):
Potencia de saüda ( a m ) 02 :
Capitulo 6: Carscterissridn de Aeppladom F. O.
- - 2.41 0.41 3.28 2.6 4.95 7.7 24.32 25.23 3.04 , 1.82
39.24 6.26 60/40 76/24
42.28 8.0 26.28 25.64
fabrfcadoa con el método horisontd .Partímetros I AMH-7 I AMH-5 Longitud del acmlador fcml: I 1 I 1
Padmetros Longitud del acoplador (cm): Potencia inyectada (dBm) 11: Potencia de salida (dBm) 01: Potencia de salida (dBm) 02: Potencia en (dBm) 12: Atenuación (dB): Tasa de acoplamiento/pérdida (dB): Tasa de acoplamiento/pérdida (%): Pérdida por Inserción (dB) (puerto 02): Diectividad (dB):
AUH-11 AUH-12 AUH-( 1.2 1.4 1
24.32 24.32 28.90 28.54 20.71 32.44 58.64 46.6 37.96
4.2 3.62 2.5 30.0 25.88 6.592
99/01 99/01 78/22
34.2 29.5 9.092
i Acopladores mdtimodo
3.82 21.10 0.72 5.62 11
73/27 11 Tabla 6.2: &suitadas de la caracterización de acoplsdons muitimodo hbricados COI¡ el método FEB horisontai.
Tabla 6.3: Mediciones de potencia óptica y parámetros característicos obtenidos en la caractc rieación de acopladores Wmodo fabricados mediante el método FEB horizontal.
86 1 Capítulo 6: Carsctedsación ¿e Acqdladores F. O.
Los resultados obtenidoi para atenuación en uceao (2.5 en el mejor de los casos) no estan dentro de los valores comerciales típicos (0.1 a 1.0 dB). Respecto a lu tssss de seopkmknto @ / O 1 y 78/22 %) estas también se alejan de los valores comerciales (50/M) y 10/90 96). La anterior demueutra que el proceso de fabricación de acopladores unimodo requiere de me&m signüicativss para alcaniear las especificaciones de los dispositivos comerciala.
'
Otro parámetro de interés que se cita en las hojea de datoi de los dispositivos c d e s es la tolerancia. Esta se expnse en porciento e indica la desviación del valor real con rapecto al valor nominal de la tasa de acoplamiento. En nuestro caso, este d o r no fue conelderado debido a que para ello se necesitaría fabricar intencionalmente un grupo de dbposltlvos con lu mirmaS crpecüicaciones de dise80. Lo anterior es muy importante y deberá IQ incluido en trabajos futuros.
Por Último, en la tabla 6.4, se muestran los pultados obtmidos en la mediuh de ate nuación de los SCOP~E~OWS multipuertos fabricados con el método FEB horisontd. En nuestro caso fue posible fabricar acopladores de hasta 8x8 puertos. El mejor valor de atenuación en exceso fue de 3.4 dB para el acopiador de 5x5 mientras que el valor comercial de atenuación para un acoplador similar (nx8) es de 1.25 dB. Dichos acopiadoren se fabricaron únicamente para observar su comportamiento y su transferencia de potencia. La atenuación tomada es la mejor, pero varía dependiendo del puerto tomado para inyectarle Ins.
Acopladores multipuextos Número de puertos 1 Atenuación (dB)
I 26.14
Tabla 6 .4 Medición
u 5:; I 53;1 u 8x8 . 22.6
de atenuación realizadas a los acopledorei multlpuertos fabrldos.
L. ...
En la fisura 6.5, ie Ilustra gráficamente el efecto de la atenuación conforme a la longitud de estiramiento para varios acopladores fabricados, Estas gráficas corresponde a un estudio experimental del cual se puede observar que el intervalo de menor atenuación se obtiene con una longitud de estirado en el intervalo de 0.8 a 1.4 cm, tanto en acopladores multimodo como unimodo. Es importante notar que la longitud óptima reportada por otros autores es de 1 cm 8;
Ill.
. . . . .
. .
Capftulo 6: Caracterisación de Acpplado~es F. O. . . ,' . ~
- . - .,. . . .
m U Y
C O
O O
2
J C
3 m d
. . . . . .
A c o p ' l ~ o d o r : un (modo __ 18.0 .. .
16.0 - 14.0 - 12.0 - 10.0 -
8.0 - 6.0 - 4.0 - 2.0 I I 1 I I
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Long i t u d d e I a c o p I o d o r ( cm)
A c o p I o d o r mu I 1 (modo 9.0 T---
8.0 E 7.0 U.
" 6.0 E 5.0 0 4.0
3.0 : 2.0
1.0 0.0
2
E
97
.I
:I
i
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.08.0 L o n g i t u d d e I a c o p I o d o r ( cm)
'. Y PJ)
Figura 6.5: Gráíica de la atenuación con respecto a la longitud estirada de los acopladores fabricados: a) para acopladores multimodo y b) para acopladores unirnodo.
. . Capitdo 6: Csrecteriaación de Aqop1sdores.F. O. ' : 98
a.a.a Caractcriaación térmica.
En la flgura 6.6 se ilustra el comportamiento de Is tasa de acoplamiento con respecto d tianpo expuesto a las variaciones de temperatura de un acopiador maltimodo, ia variación &ma de la tasa de acoplamiento es del 15% en el intervdo de O a BOOC. En esta etapa, #e obiava que los cambios de atenuación se deben fundamentalmente a Las variaciones dimensiondm del dispositivo de encapaulsr, esto es, que al deformarse el encapsulado con respecto a lsa d d o n e a de la temperatura (debido a su bajo codciente de expansión térmica) provoca una tenii6n o compresión longitudinal del acoplador y por lo tanto una VSrfacMn con respecto a nu potencia de acoplamiento.
,
100.0 c\ 90.0
80.0
a o 60.0 o 50.0 a 40.0
30.0 (o 20.0 F 10.a
0.0
U
* .70.0
o
U
O
o
0.0 20.0 40.0 60.0 . aO.O 100.0 120.0 T i e m p o ( m i n u t o s )
Figura 6 .6 Resultados de la caracterización térmica para un acoplador multimodo fabricado con el método FEB horizontel.
Como se mencionó en el Capítulo 4, la elección de un dispositivo para encapsular adecuado, mejora lea características térmicas del acopiador y elimina considerablemente las variaciones de atenuación por efectos de la temperatura (2,3]. 'I
Laa variaciones de los incrementos de temperatura con respecto ai tiempo, con la cual se programó la cámara térmica, se ilustran en la figura 6.7.
I
Capitulo 6: Caracterisseidn de Aqopladons F. O.
70 I I
P 504 ct -3 40 4
A I
w -- I r- f w 2 0 4 p
. 0 20 40 60 e0 100 120
TIEMPO ( MINUTOS)
Figura 6.7: Gráfica correspondiente a los incrementos de temperatura con reapecto al tiempo propamado en la cámara térmica
6.a.a Caracterisación geomCtrica. 1
En la flgura 6.8, se muestra una secuencia de fotogrdw obtenidas en un microscopio Óptico de un acoplador multimodo de 4 puertos fabricados con fibras de 50/126 pm. Puede observarse, en la parte inferior izquierda, cómo las fibras están inicialmente trensadas, conservando sus dimensiones originales, cómo se van adelgazando hasta fusionarse (sección central de la figura) y l idmente cómo aumentan de tamaño en la parte superior derecha. La longitud total de la sección mostrada del acoplador en la fotograíía es de 5.4 mm aproximadamente.
1 En la figura 6.9, se muestra el perfil de un acoplador muitimodo fabricado con el método
FEB horizontal. Este se obtuvo midiendo el diámetro del acoplador formado, con respecto a la longitud de la secuencia fotográfica tomada y aproximandoles con la8 dimensiones originales de las fibras acopladas (50/126 pm de cada fibra). Se pueden observar cambios escalonados durante el acoplamiento, esto puede deberse a qtte durante el proceso de fusión se detenía momentaneamente este, para evaluar su estiramiento y monitorear la potencia acoplada.
i
66
Capítulo 6: Fabricación y CaracterizaciÓn'.de Acopladores F. O. . . . ~,
. __
1 mm
100
__ ('J) '
Figura 6.10: Secuencia de fotografías de la sección longitudinal de u11 acoplador multiiiiodo cuyo perfil geométrico se muestra en la figura anterior. (a) Sección A (magnificación x100) y (b) Sección B (magnificaci6n x250).
Capítulo 6: Caracterización de Acopladores F. O. 102
En la figura 6.10 se muestra un montaje fotográfico de la sección longitudinal de un acoplador fabricado utilizando la técnica PER, también se puede observar claramente el pro- ceso de adelgazamiento. El montaje se muestra en dos secciones debido a que por su fragilidad, el acoplador se quebró durante su manejo.
Figura 6.11: Sección transversal de un acoplador (magnificación 1OOX).
En las figuras 6.11, 6.12 y 6.13 se muestran las secciones transversales de 3 acopladores miiltimodos de 4 puertos a 633 nm fotografiados con la ayuda de un microscopio óptico. En la figura 6.11 se ilustra el acoplamiento con fusión fuerte tomada aproximadamente en la cintura del acoplador.
En la figura 6.12 se observa una fusión débil tomada de un acoplador de sección longitudinal corta y en la figura 6.13 se observa claramente el acoplamiento débil de dos fibras multirnodo, en esta figura, se observan los núcleos y el revestimiento que componen las fibras y el acoplador. Las tomas, fueron realizadas con diferentes aumentos en el microscopio.
103
Capítulo 6: Caracterizacióii de Acopladores F. O. 104
Figura 6.14: Sección transversal de un acoplador unimodo a 633 nm (magnificacióii 250X).
Figura fi.15: Serción transversal de un acoplador unimodo a 1300 nm (magnificación 25112 )
Capítulo 6: Caracterización de Acopladores F. O. 106
Figura 6.17: Fotogralia de dos acopladores de fibras ópticas iabricados en el IIE iililieatido el niétodo FEB. El acoplador superior es de 10 puertos (5 fibras Ópticas) multirnodo y el inferior cs (IC 2 fibras (4 piirrtos).
Capítulo 6: Caracterización de Acopladores F. O. ~ 107
Figura 6.18: Prueba óptica de dos acopladores niiiltimodo fabricados con el nittodo FEB I i n i i -
zoiital: a) acoplador de 4 puertos y b) acoplador de 10 puertos.
Bibliografía
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[4] hdoucer, Francoie and Love, John D. Multipor! Sin&-mude fibre uplitteru. Optical and Qtmtum Electronics 22 (1990) 453- 465.
I
108
Capítulo 7
Conclusiones.
IntroduccMn.
En este capítulo, se resumen los puntos m8s importantes de este trabajo de tesis des- cribiendo los logros alcanzados y sus conclusiones. Así mismo, se describen las perspectima y aplicaciones futura3 del trabajo realizado y por último se dan algunas observaciones importanten acerca del mismo.
7.1 Desarrollo.
7.1.1 Resumen general del trabajo.
En este trabajo se ha desarrollado la metodología necesaria para I s fabricación de acopladores con fibras Ópticas en base a los eatudios preliminares que se reallcaron, así como Is conitrucción de uu sistema de fabricación basado en la técnica de fusión y estiramiento bicónico en forma horizontal.
,
En el Capítulo 2, se estudió brevemente la teoría de las fibras ópticas describiendo los partímetros característicos de las fibras de índice escalonado y gradual ~f cómo una descripción general de las fibrer especialei, enfatieando sus característicer de propagación y los factores que las degradan.
En el Capítulo 3, se describieron los dispositivos basados en fibras ópticas más importantes que existen actualmente resaltando aquellos que son construidos totalmente con fibras. También se estudiaron los acopladores Ópticos dentro de los cuales se subrayó la importancia de los acopladores fabricados con fibras Ópticas, así como sus aplicaciones potenciales. Asimismo se describió una metodologla para la selección de estos acopladores en el diseno de sistemss con fibras ópticas optimieando las pérdidas inherentes dentro de un sistema.
En el Capítulo 4, se analizaron los modelos teóricos de los acopladores y se estudiaron los mecanismos de acoplamiento que intervienen en ellos. Se describió también la realizacióii de u11 programa para el modelado y la caracterización de acopladores con fibras Ópticas uuirnodo enfatisando IM características de acoplamiento y las variacionea de la potencia óptica acoplada ,
109
Capítulo 7: ConcJusiones. 110
con respecto a la longitud de estiramiento de los acopladores.
En el Capitulo 5, se describieron las técnicas que existen para la fabricación de acopladores con fibras ópticas eligiendo el método de fusión y estiramiento bicónico para Is construcción de un iistema de fabricación en el instituto de investigaciones Eléctricas. Por último se describió la metodología desarrollada para la fabricación de dichos acopladores.
En el Capítulo 6, se describió la construcción de los sistemas de caracterhación empleados para evaluar los acopladores fabricadoa mediante la técnica desamoliada y se describieron los resultados obtenidos mostrandolos mediante gráficas, tablar y fotograñas que los ilustran.
'
7.1.2 Logroa obtenidos. I
Ai término de este trabajo se cumplieron los objetivos propuestos ai inicio de éste englobandose en los siguientes puntos:
Se obtuvo el respaldo teórico necesario para el conocimiento y manejo de los acopladores con fibras ópticas así como las herramientas adecuadas para el diseño de sistemas ópticos que los empleen.
Se demolió uu programa en Pascal que ayuda en el modelado matemático de los ace pladores fabricados con fibras Ópticas unimodo y en la caracterización de los parámetros bésicos de los acopladores con fibras ópticas de cualquier tipo de cuatro puertos.
Se especificó y diseñó un sistema de fabricación de acopladores con fibras ópticas basado en la técnica de fabricación mediante e1 método de hsión y estiramiento horizontal.
Se empleó una nueva técnica para realisar el proceso de estiramiento consistente en el desplazamiento lineal de un núcleo de hierro dentro de una bobina. Esta técnica per- mite controlar mediante la cosriaite aplicada a la bobine, la tensión requerida para el estiramiento de l a fibras.
Se fabricaron acopladores de cuatro puertos (además de incursionar en la fabricación de acopladores de múltiples puertos) con fibras ópticas con una atenuación en exceso de aproximadamente 1 dB y 4 dB respectivamente, lo cual, para el caso de los acopladores multimodo, se acerca a la calidad que se puede obtener comercialmente en el extranjero.
Se implantó una metodo!ogía adecuada para la caracterización de los acopladores fabrica- dos obteniendo con esto una experiencia importante para el manejo de trabajos futuros con fibras ópticae.
Capítuio 7: Conciusiones.
7.1.8 Análids de resultadon.
De la reaüsación de este trabajo siguientes:
La tecnología de dispoitivos de fibras ópticas es nueva en México y promete su de gran ayuda para incrementar la capacidad de los r i i tunu de comunicación, redes de &a l d y sensores basados en fibras ópticas.
El acoplador es uno de los dispositivos de fibra óptica m6r relevantes debido a que la fundón que realisa de dividir o combinar haces de Ins se requiere en un gran número de aplicaciones.
El método de fabricación por fusión y estiramiento bicónico es el nub práctico en ni
redisación en comparación con los otros métodos de fabricación. Se demostró que el método de estiramiento horiaontal es m8s reproducible que el método de estiramiento vert id.
La técnica de estiramiento propuesta es máa snicilia que ISS técnicsi de estiramiento horixontal report- en la literatura y es nub reproducible que el método verticd por gravedad.
Se comprobó que una Barns obtenida a partir de la combustión de óxigeno y propano de altapuresa es adecuada para la fusión de IM fibrcrs ópticas con lar ceracterísticss siguientes: dimensiones de 5 x 3 ~ 1 mm y con una temperatura de llOO°C aproximadamente.
Se demostró que es posible fabricar acopladoren de fibras ópticas de cuatro puertos con una atenuación muy cercana a la de los acopladores disponibles comercialmente m el extranjero (1 dB para los acopladores fabricados en este trabajo contra 0.76 dB de un acoplador comercial como el que se presents en el apéndice B).
Se demostró cualitativamente que e8 factible fabricar acopladores de fibra óptica en Mdxico a una fracción del costo de importación de estos ya que el costo de los materiales es mínimo predominando los costos de mano de obra. La inversión necesaria en cuanto al equipo de fabricación no es excesivamente alta por lo que podemos concluir que la fabricación de estos dispositivos en nuestro pds representa una oportunidad debido a que se puede competir en costo con otras compsñlas. <
~. . . . . . . .
lli , . :
. .
de tesis se tuvieron como conclusiones prindprln la^
Este trabajo de tesis muestra la factibiiidad técnica del proceso de fabricación por lo que se está considerando su posible transferencia a una industria nacional.
7.1.4 Perapect ivas y aplicaciones fu tu ras del t r aba jo .
Para la continuación de este trabajo, el proceso de fabricación y caracterización de los acopladores puede ser mejorado y automatizado como se ilustra en la figura 7.1, en este sistema, una microcomputadora controla cada tarea que involucra el proceso de fabricación. Un programa manejado por menú provee flexibilidad completa en la seiección de los parámetros (por ejemplfi; temperatura de la fuente de calor, posición, longitud de estiramiento, etc.) para cada paso
Capítulo 7: Conclusiones.
I
en el proceso de fabricación de acot>ladores. Durar ! la fabrica
112
- del aco~. .Ir, la potencia luminosa de salida desde lo8 dos biaeos del acoplador er monitoreda en tiempo 4, la tasa de acoplamiento y la atenuación se determinan y dwpliegan en pantab cómo una función de la longitud. acoplada. Así, eate proceso, provee un registro de la tasa de acoplamiento y la atenuación cuando el acoplador es ntirado. Con esto, se pueden introducir mejoras en la técnica de estiramiento y en el encapsuiado así como en la automatlsación del mismo. El proceso de generación de la flama puede tambiin ser optimisado mediante la construcción de un sistema automático para la generación y el control de la ílama a pwtir de la combustión del hidrógeno y oxígeno obtenidos de la electrólisis de agua destilada. Lo anterior eliminaría el problema de adquisición de gases especiales.
Figura 7.1: Proceso automaticado para la fabricación de acopladorcl con fibres ópticas mediante el método FEB horizontal.
En el proceso de caracterización se puede ampliar el número de pruebas para lnrluir humedad, choque, vibración, variación del índice de refracción externo, tensión, etc. También es factible la investigación en la fabricación de acopladores para otras longitudes de onda tales como 1500 nm, en la fabricación de multicanalisadores/demulticm&z8dores de longitud de onda y en la aplicación de los acopladores en sensores con fibras ópticas.
As( mismo, la fabricación a gran escala de los acopladores con fibras ópticas mediante la metodología desarrollada hace factible la transferencia de esta tecnología al sector industrial propiciando con esto un desarrollo tecnológico de nuestro pais en esta nueva rama de la tecnologfa con fibras ópticas. Por último, otros factores conierciales que iduirian en I s producción de acopladores serían
a) La existencia de un mercado atractivo, es decir, un gran volúmen de ventas y
b) La obtención de buenos márgenes de ganancia (del orden del 50 al 60%).
Capitulo 7: Conclusiones. r
113 , I
I Es importante considerar que el costo adquisitivo de lon acoplsdores que existen en el mercado es relativamente d to (100 B 600 U.S.A. dóiarn) io que justifies, en este momento, su fabricación en México.
1
I
!
Apéndice A
Hojas de datos y Perfiles de fibras ópticas.
Coming" Opticai Fiber
Product / # ? b r n W
lORNlNO Comng h m w a t e d TelecMnmuntcations R o d m ~ ~ s n n Coming. NY 14831 Te1 (607) 974-7914 Telex 932493 Fax (607) 974-7522
SMF-28m CPC3 Single-Mode Optical Fiber Issued: 5/90
Supersedes 9/89
Corning SMF-28'" optical fiber is a non-dispersion shifted single-mode fiber with a nominal mode- field diameter of 9.5 m. The dispersion minimum, where the fiber information carrying capacity is a maximum, is in the 1300 nm wavelength region.
CpC3 is a mechanically strippable acrylate coating with a 250 prn nominal outside diameter. It is used primarily in loose tube and slotted core cable designs.
Corning SMF-28 CPC3 optical fiber'is designed to meet present day requirements of improved 1550 nm performance through enhanced bend resistance. A mode-field diameter of 9.5 m provides excellent bend resistance in the 1550 nm region where induced attenuation due to excessive bending in splice trays or cables may hamper system performance.
Applications for this product include long-haul telephony, interexchange, feeder and distribution markets carrying data, voice and/or video services where system upgrading to 1550 nm is.a design reqyirement:
Optical Cpeclílcatlons
Attencation:
Standard Attenuation Cells:
Attenuation Cells Wavelength
13M)nm '. 50.36 50.40 1310 nm 50.35 50.40 1550 nm 50.25 50.30
* Available In limited quantities.
Attenuation Uniformity: No point discontinuity greater than 0.1 dB at either 1300 nm or 1550 nm.
Page 1 of 5 -
Envlronmentil Spsciilcatlonr
Environmental Test Method
Temperature Dependence - 60°C to + 85°C
Temperature-Humidity Cycling. -1OOC to +85"C and 4% to 98% Relative Humidity
Water Immersion, 23°C
Induced Attenuation [dBkm]
1300 nm 1550 nm
5O.U S 0.05
'50.05 50.05
50.05 50.05
Heat Aging, 85°C
Operating Temperature Range: -60°C to +85"C
5 0.05 50.05
Standard Length Range:
Glass Geometry:
Cladding Diameter: Core to C/adding Offset: Cladding Non-Circularity.
2;200-25.000 m
125.0 f 2.0 )Im Sl.O)Im c 2.0%
1 Min Cladding Diameter Max. Cladding Diameter
1 - X 100
Coating Geometry:
Coating Diameter: 250f15W Coating Concentricity: 20.70'
Min. Coating Thickness Max. Coating Thickness
Defined as:
Mechanical Specifications
Proof Test:
The entire length of fiber is subjected to a tensile proof stress equivalent to 50 kpsi (0.35 GN/mZ) or 100 kpsi (0.70 GN/m2) for a 1 .O second dwell time.
Page 3 of 5
Refractive Index Profile (typical fiber):
0.6
m I
a 0.2 '"i 0.1 n -0.1
-25 -15 -5 O 5 15 25 Radius (pm)
\
Ordering Information . .
To order Corning SMF-2EM CPC3 optical fiber, contact your sales representative or call the Telecommunications Products Division Sales Department at (607) 974-4270. Please specify the following parameters when ordering:
Fiber Type:
Coating: ' CPC? (250 pm outside diameter)
Desired Attenuation Cell: d B k h
ReelLength: 2,2&-25.000 meters
Corning SMF-28 single-mode' fiber
Total Number of Reels:
Proof Test:
- 50 kpsi (0.35 GN/mz) or 100 kpsi (0.70 GN/m2)
Page 5 of 5
Corning" Optical Fiber
koduct Infanmiion
ZORNINO Gmng ~ncaporated Te!ecanrnuncahMs Roducts [)Myai Coming. NY 14831
Fax(607) T&3x g=%f- 47522
Td (607) 9fa 7914
50/125 pm L D P CPC3 Multimode Optical Fiber Issue4 1/89
supersedes 91s
.O
!!O
General
Corguide' LDF' Long Distance Fiber is a graded index multimode fiber with a 33125 pm core/ cladding diameter. LDF fiber is specified for operation at the 850 nm and 1300 nm wavelengths.
CPC3 is a mechanically strippable acrylate coaling with a 250 pm nominal outside diameter. It is primarily uwd in loose tube and slotted core cabie designs, or overcoated for use in tight buffer cable designs.
Typical applications are'telephony, distribution and local networks, c'arrying data, voice and/or video services. This product offers both the highest bandwidth and the lowest attenuation of any multimode fiber type available.
üptlcal Cpeciflcatlona
Attenuation:
Standard Attenuation Cells:
Special attenuation cells available upon request,
Attenuation Uniformity: No point discontinuity greater than 0.2 dB at either 850 nm or 1300 nm.
Anenuation Difference: The attenuation at 1380 nm does not 8XCeed the attenuation at 1300 nm by more than 3.0 dE/km.
Attenuat:on With Bending: The induced attenuation due to 100 turns of fiber wrapped around a 75 mm mandrel shall not exceed 0.5 dB at 850 nm and 1300 nm.
Page 1 of 4
Core NonCircularity: s 690
Defined as [ 1 .- Min. Core Diameter Max. Core Diameter 1
Coating Geombtry:
~
Dry
5.0
6.0
0.67 Ib. (3.0 N)
Coating Diameter: Coatina Concentric&:
Wet, 14 days in 65OC water soak
- Min. Coating Thickness Defined as: Max Coating Thickness
0.42 Ib. (1.9 N)
250 f 15 pm 20.70
Mechanltal SpeclRcations
Proof Test:
The entire length of fiber is subjected to a tensile proof stress which is equivalent to 50 kpsi (0.35 GNimZ) for a.l.0 second dwell time. Special proof test levels available upon request.
Characterization Data
Characterized parameters are typical value?,.
Core Material Index of Refraction (Peak): 1.4655 at 850 nm 1.4598 at 1300 nm
Fatigue Resistance Parameter (n): 22
Coating Strip Force:
I . Coating Strip Force I I - . I
Spectral Anenuation (typical fiber):
'"1 3.5
0.67
0.0 I I I I I I I I 1 Boo loo0 1200 1400 Is00
Wavelength (nm)
Page 3 of 4
. CORNING Cornirg ~nmrporatsd
Tdecanrnunkatkm Roducts m Ccmirg. N.Y 14831 Tel: (607) 974-7914 Telex: 932498 Fax (607) 974-7522
Coming" Optical Fiber
Pmduct Infbrmaüm
. . ... . ,.
,* . . . 62.5/125 pm L M P c m Muhimode Optical Fiber
1 .o
2.0
O e m l
Corguide* LNF" Local Network Fiber is a graded index multimode fiber with a 62.5/125 prn cord cladding diameter. LNF fiber is specified at the 850 nm and 1300 nm wavelengths.
CPC3 is a mechaniially strippable acrylate coating with a 250 pm nominal outside diameter. It is primarily used in loose tube and slotted core cable designs, or overcoated for use in tight buffer cable designs.
Typical applications are local networks carrying data, voice and/or video services using light emitting diode (LED) sources operating in the 850 nm or 1300 nm wavelength regions. This product offers the greatest resistance to microbending of any multimode optical fiber available.
Optical Speclflcations
Attenuation'
'Standard Attenuation Cells:
I 53.0 - 53.2 I 50.7 - S0.9
Special attenuation cells available upon request.
Attenuation Uniformity: No point discontinuity greater than 0.2 dü at either 850 nm or 1300 nm.
Attenuation Difference. The attenuation at 1380 nrn does not exceed !he anenuation at 1300 nm by more than 1 .O dB/km.
Attenuation With Bending: The induced anenuation dus to 1M3 turns of fiber wrapped around a 75 rnm mandrel shall nd exceed 0.5 dB at 850 nm and 1300 nm.
Page 1 of 4 o 1988 Corning Glass Works
5.0
6.0
Core Non-Circularity: Dafinedas 1 -- Min Core Diameter ]ylm E Max. Core Dameter
Coating Geometry:
coating Diameter: Coating Concentricity:
Min. Coating Thickness Defined as Max. Coating Thckness
250 f 1 5 p ~ 0 . 7 0
Proof Test:
The entire length of fiber is subMed to a tensile proof stress which is equivalent to 50 @si ~
~
. I
~
(0.35 GN/m? for a 1 .@ second dwell time. Special proof test levels available upon request.
Characterization Data
Characterized parameters are t y p d values.
Core Material Index of Retraction (Peak): 1 A776 at aw nrn 1,4719at 1300nm
Fatigue Resistance Parameter (n): 22 ;I
Coating Strip Force:
Coating Srip Force
Dry 0.67 Ib. (3.0 N) Wet, 14 days in 65% water soak 0.42 Ib. íl.9 NI
Coating Strip Force:
Coating Srip Force
0.67 Ib. (3.0 N) 0.42 Ib. (1.9 N) Wet, 14 days in 65% water soak
Spectral Attenuation (typical fiber):
Wmlmgth (nm)
Page3014
WRNlNQ Tdemmmunicaiom Corning G b wo<k Prwucis DMsion CwgukMOptical Fiber Corni , New Ibrk 14831. USA Te1 a y 9 7 4 4411 Telex 932498 Product Informeiion
~
PRSM" Polaritation- Retaining Single-Mode Fiber
b 1kuBd: (107
1.0 introduction
Corning is currenily olfering polarization-retaining singlemode fiber which utilizes stress induced birefringence to produce its pólarization maintaining properties. This fiber may be used lor a..variety of applications. including interferometric sensors and coherent detection communication systems. Avail- able fibers include designs optimized for 850 nm and 1300 nm operation. Fibers with other operating wavelengths are available upon request.
Corning also has the ability to design and produce custom fibers with a variety of geometries and coatings io meet customer requirements for specific applications.
Contact Corning to discuss the fiber design best suited for your applications.
2.0 Product Parametara
850 PRSM'" Fiber 1300 PRSM'" Fiber
Cut.olf Wavelength s 800 nm s1270nm
Anenuation @ 850 nm ~ 6 . 0 dülkm N/A
Anenuation @ 1300 nm NIA s2.0 dülkm
McdeField Diameter (Est.) 5-8 w 7.10 pm
Cladding Outcide Diameter 80.125 pm 125 pm
Coating Outside Diameter 200. 250 pm 250 pm
Page 1 o1 2 O 1987 Corning Glass Works
CORNING Cww Immated Coming" Optical Fiber Telemmmunicahons Products U r n C o r m NY 14831
WllX 932498 Fax (607) 974 7522
Td (607) 974 7914 Produet IncomMZion
§MF/DSW CPC3 Sin le-Mode Dis ersion- Shit ed Optical P iber Issued: 5/90
Supersedes: 8/88
-I
Corning SMF/DSni single-mode dispersion-shifted fiber is designed to operate in the 1550 nm region. A segmented core design has lowered the slope of the dispersion curve while maintaining control of the zero-dispersion wavelength which has been shifted to the attenuation minimapoint at 1550 nm. This improved performance allom systems transmitting at 565 Mbps !o have regenerator spans greater than 80 km. In addition. very long spans without regenerators, over 200 km, are achievable at lower, 140 Mbps. bit rates.
CPC3 is a mechanically strippable acrylate coating with a 250 pm nominal outside diameter. It is used primarily in Iwse tube and slctted core cable designs.
Applications for this product include long-haul telephony, optical ground wire and submarine cables where long spans without regenerators and high data rates are required.
Atteouatlon:
Anenuafion Cell: $0.25 dBhm at 1550 nm
Anenuafion Unikmni~: No point discontinuity greater then O. 1 dB at 1550 nm.
Affenuafion Versus Wavelengfh: The anenuation for the wavelength region from 1525 nm to 1575 nm does not exceed the attenuation at 1550 nm by more than 0.05 dB/km.
Anenuarion wifh Bending: The induced attenuation due to 100 turns of fiber wrapped around a mandrel of 75 mm diameter shall be 5 0.05 dB at 1550 nm.
The induced anenuation due to 1 turn of fiber wrapped around a mandrel of 32 mm diameter shall be SO.5 dü at 1550 nm.
Fiber Cutoff Wavelength (id):
Cable Cutoff Wavelength (Amq): ;I, 1250 nm
Mode-Field Diameter:,
1120nm$)i, s1350nm
8.10 f 0.65 pm at 1550 nm
Mechanical CpeclRcations
Proof Test:
The entire length of fiber IS subjected to a tensile proof stress which is equivalent to 50 kpsi (O 35 GN/m') or 100 kpsi (O 70 GN/mz) for a 1 .O second dwell time
Performance Characterizations
Characterized parameters are typical values.
Attenuation at 1300 nm:
Refractive Index Difference: The refractive index difference between the peak of the core and 'he cladding is 0.9%. and the difference between the peak of the ring and the cladding is 0.3%.
Effective Group Index of Refraction (Ne$
5 0.5 dBhm
1.476at1300nm 1.476 at 1550 nm
Ne, was empirically derived to the third decim.al place using a specilic commercially available OTDR.
Numerical Aperture: 0.17 NA was measured at the one percent power angle of a one-dimensional far-field scan at 1300 nm.
Fatigue Resistance Parameter (n): 22
Coating Strip Force:
Dv: 0.67 Ibs. (3.0 N) Wet 14 days in 65°C wafer soak: 0.42 16s. (1.9 N)
Spectral Attenuation (typical fiber): :::I 3.0
nm dB/Lm a 850 2.06 b 1300 0.11 c (380 0.51
0.0 ! 800 1wo 12W 1 400 1600
Wavelength (nm)
Page 3 of 4
Apendire.
. . . . .
.. ..........................................................................
............
............
.........
............
...........
...........
., .................................................. . .
..
. . . .
....................................................
.................................................... ; p , : . .
. , .
. .
.................................. .. . .
..
...
...
...
...
. .
Perfi3 de i n d i t e de refraccfbn de una Plbra unimodo a 850 urn.
,
...............
. .
......... , ....
...............
Apendiye.. . ~~.~
1.w
120
1 .o0
N
I om o
x < I- 2 o m a Y
O.&
OX
,O.M
I lo2
-100.00 -75.00 -50.00 -ww 0.00 ww 50.00
R A D I O [ M I C R A B ]
.~
Perfi.1 de índice de rePracci6n de una f ibra unimodo a 1300 nm.
............
...............
...............
. .
; i .J.! .....................
. .
........................
........................
P-
...
...
...
...
. . .
. .<
Perfil de rndfce de refracc+Ón de una fibra Óptica "corbata de' moño'*.'l
Apéndice B
Hojas de datos de acopladores comerciales.
-. - I1 = O1 A full llne of rugged hlgh
qurllly mulllmode cOUpl8iS 12 - O' to meet a wlde range oí com-
ponen1 and ryalem needs.
-1 COULD S/N - 400nm l o 1600nm
APPLICATIONS Qauld's mult imode COUDler _ _ _ - -
LAN T A P / E Y M can b e used t o sp l i t l i gh t without significant loss from one to two fibers or combine
from two fibers onto one
Qould'a a l l fiber de8lgn provlder:
o Insensitivity to launch conditions L?.L'?J SINGLE FIBER, FULL DUPLEX =m-Q- 3dü COUPLER m I - I
o Extremely low optical loss
o Availability in numerous fiber sizes
o High directmty
(nominally O.ldB)
and WPM
(Near End Isolation) e -4O.WB
o Full duplex, single fiber transmission
o High resolution OTüR
o A variety of coupling ratios
o Molded strain relieving boot
'
O Opticalsenson
o Network branching
o Sourcedistribution
o SystemiNode bypgss
o Environmental stability
o Mechanical stability
o Numerous packaging options
o Permanently marked leads and
o Two pricelperformance models
package
I1 - - COULD S/N
r 02 I2
633nm, 820nm, 1310nm, 1550nm APPLICATIONS
MACH-ZEHNDER INTERFEROMETER ___ 3dB COUPLER 3dB COUPLER
_c
REFERENCE
PASSIVE BANDWIDTH LIMITE& COUPLER
1 Mb/s
0 Full duplex, single fiber transmission
0 OTDR
o Interferometric sensors
o TrunMoop branching
o Laser feedback
O Ring resonators/Bandwidth limiters
0 Optical mixing
A fu l l l lne of rugged slnglemode couplers to meet a wide range of component and system needs.
Gould's singlemode coupler can be used t o sp l i t l i gh t without significant loss from one to two fibers or combine It
li ht from two fibers onto one d e r .
Gould's patented design provldes:
o Small size
o Extremely low optical loss (nominally 0.05dB)
(Near End Isolation) < -65.üdB o High directivity
o A variety of coupling ratios
o Molded strain relieving boot
o Environmental stability
o Mechanical stability
o Numerous fiber and packaging options
package o Permanently marked leads and
o Three price/períormance models I!
Manufactured unaer ü.s Patent No 4.832.513 FWOIMF
633nm, 820nm, 1310nm, 1550nm, 1270 to 1600nm
APPLICATIONS:
o High speed local area networks
o Local loop distribution
o Subcarrier multiplexing
o Broadband branching
o Narrowband WDM
LOOP DISTRIBUTION
1310nm
1550nm - -
For reliable, low cost multl- pie wavelength brenchlng and combining.
Gould 's s ing lemode NXM trees a n d stars u t i l i ze a patented coupler process and a proprietary intercon- nection technology.
Gould's patented design provides:
0 Multiple configurations (1x4 to 32x32)
O Single wavelength and broadband operation (1270nm to 1600nm)
0 Bidirectional
O Low insertion loss
0 Excellent output uniformity ; 0 High directivity
(Near End isolation) < -5O.OdB
O Environmental stability
0 Mechanical stability
o Numerous packaging and Connectorization options
HünuldOtYrüd under U C. Patent NO 4.632.513 F O W I M F
- - - F o r rugged l o w l O S S
tween 1270nm and 1600nm.
APPLICATIONS Un l i ke s t a n d a r d couplers which must be centered at one
DUAL ~ - - WAVELENGTH OTDR specific wavelength, 'Gould's TEST FIBER WIC provides the same high
per fo rmance i n the reg ion from 1270nm to 1600nm.
G o u l d ' s p a t e n t e d i í e s i g n provides:
o Smallsize
o Insensitivity to operating
o1
I) COULD S/" op slnglemode performance be-. 'I =
- 12
1270nm to 1600nm i
41 WIC
OPTICAL h4IXING
RECEIVE wavelength POWER
o Extremely low optical loss *. A MIXED (nominally 0.05dB)
o Full duplex, single fiber transmission
o Two color OTDR
o Multicolor sensors
o Trunknoop branching
o Laser feedback
o Ring resonators
o Optical mixing
T-L ' o High directivity 1: SIGNAL
(Near End Isolation) < -65.OdB
o A variety of coupling ratios
o Molded strain relieving boot
o Environment stability
o Bidirectional
o Numerous packaging options
o Permanently marked leads and '
LOCAL OSCILLATOR
package
o Three price/periormance models; I
Manufactured under U.C. Patent 4.632.513 FODü38L1F
- o1
- 02
1550nm
13lOnm - USED
APPLICATIONS
For re l i ab le , low Cost wavelength multiplexing and demultlplexlng.
BIDIRECTIONAL ~- WDM
_c 1310nm ++] 1550nm 1550nrn
UNIDIRECTIONAL HOM
_c_
1550nm 1550rim
o Full duplex, single fiber transmission
e Two color telemetry
o Two color OTDR
e Two color optical sources
e Long-haul capacity upgrades
o Local loop drop-and-insert
e Single fiber eudio and video
Gould's singlemode WDM can be u s e d t o comb ine o r separate two opt ica l wave- lengths with virtuall no optical
plication of bandwidth without add i t i ona l f ibers or h igher speed electronics.
loss. The WDM al Y ows multi-
, Gould's patented design provides:
O
e
e
e
e
O
e
e
Small size
Insertion Loss q0.5dB
High directivity (Near End Isolation) <-65.0dB
Molded strain relieving boot
Environmental stability
Mechanical stability
Numerous packaging options
Permanently marked leads and package
I
Minulmlurea under U.S. Patent NO. 4,632.613 fOMCdIF
Apéndice C
Corrida del programa ANCQP.
iii
Apéndice.
Listado de corrida del progrsms ANCOP para el d s i c de acopbdores con fibrsl 6pticaS unimodo.
Menú de Presentación:
QUE QUIERES CALCULAR ?
Al.- ECUACION CARACTERISTICA DE UNA FIBRA UNIMODO. B).- CALCULO DEL COEFICIENTE DE ACOPLAMIENTO NORMALIZADO.
D).- CALCULO DE LA POTENCIA DE ACOPLAMIENTO. E).- CALCULO DE LOS PARAMETROS BASICOS DE LOS ACOPLADOREC. FJ.- SALIDA DEL PROGRAMA.
ELIGE TU OPCION =-======>
c . - CALCULO DEL COEF. DE ACOP. MEDIANTE FORMULAS APROXIMADAS?
Opción A
PROCEDIMIENTO PARA RESOLVER LA ECUACION CARACTERISTICA DE UNA FIBRA DE INDICE ESCALONADO.
imite inferiorl- 1 imite superior:- 10 umero de puntos:= 4
Presentación de resultados en pantalla:
PROCESANDO F
nzerosrm 1 V[l]i= 1.00000000000000E+0000 U [ i ] : - 9.79310750961304E-0001 W[i]:= 2.02362105250359E-0001 B[l]i- 4.09504212439060E-0002
V[2]1p 3.250@0000000000E+0000 t i [ 2 ] : = 1.81172692775726E+0000 W[Z]:= 2.69817447662354E+0000 B[2]:= 6.89244568347931E-0001
V[3]i= 5.59000000000000E+0000 U[31i- 2.02696990966797E+0000 W[3]i- 5.11286544799805E+000@ B[3]:= 8.64178299903870E-0001
V14]i= 7.75000000000000E+0000 U[4]:- 2.12668657302856E+0000 W[4]:= 7.45249652862549E+00@0 B[4]:- 9.24698531627655E-0001
nzeros:- 1
nzerosi= 1 nzeros:= 2
nzeros:= 1 meros:= 2 nZeros:- 3
Aphdice.
Opdón B:
V
PROCEDIMIENTO PARA RESOLVER EL COEFICENTE DE ACOPLAMIENTO EN ACOPLADORES CON FIBRAS OPTICAS UNIMODO Y OBTENER LOS DATOS
PARA LA GRAFICACION DE LA CONSTANTE DE ACOPLAMIENTO NORMALIZADA CONTRA LA FRECUENCIA NORMALIZADA.
Relaclon diemetro inicial/diametro final del acoplador d/ai= 2 Numero de pasos Ni= 4
Presentación de resultados en pantaiitx
PROCESANDO
nzerosr- 1 KO:= 4.17297029383917E
Cnorm[l]:- 5.00073540024459E-0004
nzerosip 1 KO:= 4.95224721715658E
Cnorm[2]1= 9.36577022075653E-0002
U[l]r= 6.24940097332001E-0001 VI1
U[2]i=+ 1.16843676567078E+0000 V(2
0000 K1- 1.15537793428754E+0002 1' 6.25000000000000E-0001
0001 Kl= 1.92251438009043E+0000 t = 1.25000000000000E+0000
nzerosi- 1 KO:= 7.97886031580219E-0002 Kl-. 4.72884059649914E-0001
Cnorrn(31:- 1.19133695960045E-0001 U[31:= 1.48355436325073E+0000 V[3]:= 1.87500000@00000E+0000
nzerost- 1 KO:- 1.52602272218161E-0002 Kl= 1.68290179759424E-0001
Cnorm[4]:= 9.61437448859215E-0002 U[4lim 1.66973984241486E+0000 V[4]:- 2.50000000000000E+0000
Apéndice.
Gréfics obtenida:
O
f 0.06-
c 0.04 - 0.02 - 0.00
O
o
vi
I
0.14
i O
f 0.06
c 0.04 O
0.02 o
0.12 -I n
0.00
O
'O O 0.10 . N - 0.08
! I I I I I 1
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 F r e c u e n c i a n o r m a l i z a d a V
ApCndice. V i i
opción c:
PROCEDIMIENTO PARA CALCULAR EL COEFICIENTE DE ACOPLAMIENTO POR FUSION FUERTE, DEBIL Y PARA UNA TASA DE ACOPLAMIENTO DEL 50%.
Longitud del ecoplador1- le6 Radio de la cintura del acopladort- 5 Indice de refraccion del revestimiento:= 1.46 Indice de refraccion del medio externo:= 1 Longitud de onda de trabajo:= 0.633 Longitud del area de calentamiento:- 0.3e6 Etapas de acoplamiento:- 4
Presentación de resultados m pantah
Cff[0]:- ' 5.10 Cfd[0]:- 1.31
9457 6666
C3dB[0l:- 2.345630
7345693-0003 593186E-0004 5541595E-0005
Cff[l]:- 1.90980779007077E-0003 C f d [ l ] : ~ 2.36581508943345E-0005 C3dB[l]r- 4.19457091993536E-0006 CffI21:- 4.07322804676369E-0004 Cfd[2]:- 1.58666762217763E-0006 C3dB[2]:= 2.80716648148882E-0007 Cff[3]:- 1.13190784759354E-0004 Cfd[3]i- 1.68897216212827E-0007 C3dB[3]i= 2.98558227029844E-0008
QUIERES LEER EL ARCHIVO? (ENTER = SI)
.s . , , ) . :.,.:: Apéndice.
Presmtación de reodtados alm~cessdos:
=E==* OPRIME $ENTE& PARA LEER CADA BLOQUE DE DATOS =--=-
Factor Gams:= 1.01644734922355E-0011
AZlll:= 5.000000@0000000E+0000 VZ[lls- 5.27949790954590E+0001 Cff[l]:= 5.10594574734569E-0003 Cfd[l]t- 1.32966662593186E-0004 C3dB[1]:- 2.34563085541595E-0005
Az[2]:- 8.17639827728271E+0000 VZI21:- 8.63345565795898E+0001 ...- ~ ~~~~
Cff [2] 1' .1.90980779007077E-0003 (!€di21 1'- 2.36581508943345E-0'005 C3dB[2]:~ .4.19457091993.536E-00@6
Az[3]:- 1.77055922017822E+0001 VZ[3]:= 1.86953262329102E+0002 Cff[3]:= 4.07322804676369E-0004 Cfd[3]1= 1.58666762217763E-0006 C3dB[3]1= 2.80716648148882E-0007
A2[41:- 3.35875816345215E+0001 VZ[4]:= 3.54651153564453E+0002 Cff[4]:- 1.13190784759354E-0004 C f d [ 4 ] 1 ~ 1.68897216212827E-0007 C3dB[4]:- 2.98558227029844E-0008
Opción D:
PROGRAMA PARA EL CALCULO DE LA POTENCIA DE ACOPLAMIENTO CON RESPECTO A LA LONGITUD DEL ACOPLADOR.
Longitud del acopladorr- le6 Longitud de la zona de fusions- 0.3e6 Indice de refraccion del nucleo:= 1.46 Indice de refracc.ion del revest irnientos- 1 Radio final de la cintura:= 5 Longitud de onda de trabajoic 0.633 Ciclos de acoplamiento:- 4
P[l]t= 9.619428Q8027743E-0001 P[Z]:= 2.338336M4740994E-0002 P[3]i= 9.42455979658536E-0001 P[4]s= 3.044571@20078@2E-0002
ix . . . . : . .: . . Apéndice.
Gráfica obtenida:
N a l
r a
Opción E:
CALCULO DE LOS PARAMETROC BASICOS DE LOS ACOPLADORES
Dame los slgulentes datos: - Potencia en l a rama de inyecclon Pl:= le-1 - Potencia de salida en la rama acopladora P3t- le-3 - Potencia de salida en la rama acoplada P4:= 2e-2 - Crosstalk P2:- Se-6
RESULTADOS Exceso de perdida:= 6.77780705266196E+0000 dB Razon de acoplamiento ( % ) : - 9.52380952381645E-0001 % Razon de acoplamiento (dB):- 2.11892993696242E-0001 dB Perdida por lnsercion:= 6.98970004335570E+0000 dB Direcc1onalidad:- -4.30102999566589E+0001 dB
Oprime F o f para sallrte del programa o cualquier otra tecla para repetir los calculos.
Apéndice ID
Tablas de conversión de temperatura.
X
Apend'iee.
C
1 TEllYOPAR PLATINO - PLATINO + 13 % ROW0
O I O 0 a00 300 400 500 600 700 800 OC
TIPO A LA¶ lCMPLRAiURAS SE EXPRESAN EN LA ESCALA INTERNACIONAL DE 1910 C.C.M. SE EXPRLSh EN UNIOAOES ABSOLUTAS
- O 2 4 6 O
10 I2 14 16 10
20 22 84 I 6 28
10 32 34 36 30
40 42 44 46 48
80 6s S4 se 58
60 62 84 68 Ea
m ?¶ 7 1 76 7b
60
ea LO
88
Po 92 94 88 90
00 -
- 0.000 0.011 o.oa2 0.033 0.043
0.055 0.W8 0.076 0.009 0.101
0.112 0.124 O.>SM 0.146 0.160
0.172 0.184 O. 196 0.209 0.221
0.234 0.246 0.259 0.272 0.285
0.298 0.311 0.324 0.337 0.350
,CIA63 0.377 0.390 0.403 0.417
0.431 0.145 0.4SO 0.472 0.486
0.300 0.514 O J 2 8 0.543 0.5S7
0.572 0.S86 0.601 0.616 0.631
0.645 -
- 0.64¶ 0.660 0.67s 0.890 0.705
0.721 0.736 0.752 O. 76 7 0.702
0.798 0.0 13 O.O*Q 0.645 0.061
0.077 0.895 0.909 0.925 0.941
0.957 O 974 0.990 1 .ow 1.021
1.039 1.055. 1.072 1.068 1.104
1.121 1.188 1.154 1.171 1.188
1.269 1.222 1.239 1.256 1.273
1.290 1.307 1.324 1.342 1.350
1.377 1.395 1.411 1.428 1.447
1.469 -
- 1.465 1.482 1300 1.517 1.535
Id53 1.571 1.589 1.607 1.625
1.643 1.661 1 .8 19 1.697 1.716
1.734 1.752 1.770 1.788 1.807
1626 1.644 1.663 L I S 1 1.900
1.910 1.937 1.956 1.974 1.993
e.012 2.031 8.050 P.068 2.087
2.107 2.126 2.143 1.164 2.183
2.202 2.221 1240 2.259 2.279
2.298 2.317 2.337 2.356 2.37s
2.393 __-
- 2.395 2,415 2.434 2.454 2.473
2.493 2.5i3 2.532 8.552 2372
2.591 2.611 e.011 2,850 2.670
2.690 2.710 2.730 2.750 2.770
2.790 2.010 2.0.30 2.850 2.870
2.090 2.910 2.930 1.950 2.971
2.991 3.011 3.031 3.051 3.072
3.092 3.112
3.183 5.173
3494 3.214 3.234 3.255 3.276
3.296 3.317 3.337 3.358 3.178
3.399
a . m
__ -
MILIVOLIIOS
S.$<>9 3.420 3.440 3.461 3.481
3302 3.423 3.544 3.565 3.506
3.607 3.627 3.641 3.669 3.690
3.712 3.732 3.753 3.774 3.796
3.617 3.638 3.859 3.880 3.901
3.P23 3.944 3.966 3.907 4.000
4.029 4.090 4.071 4.092 4.113
4.134 4.1¶6 4.177 4.198 4.219
4 241 4.262 4.283 4.30¶ 4.326
4.340 4.369 4.390 4.411
-
4.431
4.455 .
- 4.485 4.4*7 4.498
.4.520 4.542
0.663 4.586 4.607 4.629 4.6¶1
4.672 4.694 4.716 4.730 4.760
3.782 4.004 4.826 4.046 4.870
4.083 4.915
4.939 4.981
b.004 S.026 5.040 5.070 8692
8.115 5.137 5.159
5.204
5.226 5.248 5.271 5.293 5.316
4.917
5.162
3.358 5.360 S.383 9.408 5A2E
5.450 5.472 3.494 5.916 5.540
5.563 .-A
- 5S6J 5366 5do9 5.631 5.654
5177 5.700 9.725 5.748 S.769
5.792 11,814
5.661 8.063
5.907 5.930 8.962 S.976 5.989
6.022 6.044 6.068 rJ.oe1 6.114
6.137 8.160 8.183 0.206 8.PIO
6.2¶2 6.275 6.299
a.aw
6 . w 8.344
6.366 0.391 6 A l 6 8.430 6.481
üdüS 6.500 8.532 6.545 6.579
8.602 6.626 8.619 8.672 8.696
6.720 -
- 6.720 6 . 7 U 6.768 6.791 & E l ¶
6.53ü
6Jü6 6.910 6.934
ass7 6.901 7 .M3 7.029 7.05)
7.076 7.100 7.124 7.147 7.171
7.195 7.219 7.248 7.267 7.291
7.315 1.339 7.364 7.306 1.418
7.430 7AüO 1.464 7.509 7.533
7.577 7.562 7.606 7.631 7.655
7.679 7.704 7.726 7.752 7.777
. 7.001 7.628 9.850 7.875 7.900
7.924
8.a8í
-
- 7.924 7.949 7.973 7.998 8.022
6.047 6.071 0.0%
8.148
6.170 0.195 6 . l t O 6.24s 0.269
6.7.94 6.319 8.343 a.369 8.394
0.121 .
0.419 0.444 0.469 0.494 0.SID
0.544 8.569 8.494 6.619 b.644
6.869 6.894 8.719 6.744 B.769
8.79s 0.020 8.845 8.670 8.895
8.921 8.946 8.971 0.996 9.021
9.047 9.072 9.098
9.149
9.178
9 . 1 a
-
- 0 2 4 6 0
10 12 14 16 16
20 22 *4 26 20
30 32 34 a6 38
40 42 44 46 46
50 52 54 ¶6 50
80 62 64 60 60
70 72 74 70 78
00 62 84 86 LO
00 92 v4 w 08
100 -
Apendice.
16.164 16.192 16.219
16.247 16.275
. .. . . . .
. . . . . .
17.547 17.575 17.603
'll.631 17.658
T E R W I R PLPTINO - PLATINO -t 18 d o ROW0 TIPO R
12.145 12.173 12.200
12.227 12.254 12.282 12.310
- O 2 4 6 8
10 12 14 16 18
20 22 24 26 28
so 32 34 36 38
40
44 46
41
4n
50 53 54 56 58
60 82 64 66 68
70
74 76 78
80 82,
88
90 92 94 96 96
100
71
114 e0
-
83.526 13.554 13.582
13.610 13.638 . 13.666
13.683
- 9.175 9.200 9.226 9.251 9.277
9.30) 9.328 9.354 9.379 9.405
e.431 9.4% 9.482 9.508 9.533
9.559 9.585 9.610 9.636 9.661
9.6117
0.1ao 9.713
9.765 9.790
9.816 9.842 9.868 9.894 9.920
9.946 9.973 9.999
10.025 10.051
10.077 10.103 10.130 10.166 10.102
10.208 10.234 10.260 10.287 10.313
10.339 10.366 10.392 10.419 10.44$
10.471 -
16.386 16.41* 16141
16.497 16.469
- 10.471 10.497 10.523 10.550 10.570
10.603 10.629 10.655
10.709 10.6112
1a.735 10.761 10.788 10.815 10.841
10.669 10.895 10.922 10.9.9 10.916
11.003 11.030 11.0Ul 11.084 11.111
11.138 11.165 11.191
11.246
11.273 11.300 11.327 11.354 11.381
11.408 11.435 11.463 11.490 11.511
11.544
11.599 31.626 11.654
11.681 11.708 11.736 11.763 11.790
11.817
11.2111
11.a71
-
17.168 17.791 17.823
17.176 I 7.850
MILI!
I2.Jü6 12.192 .
12.447 12.476
1a.420
1z.ooe 13.388 12.035 13.416 12.063 13.443
13.745 13.777
13.832 13.860
L J . O O ~
12.090 I 13.471 12.118 13.499
16.608 16.635
16.683 16.691 16.719 16.746 16.774
18.830 10.802
16.858 16.085 16.913
16.940
17.988 u . o i 6
18.043 18.070 10.09ü 18.125 1 ~ 6 a
l e a 0 7 14.i79
18.234 18.261 18.289
18.318
iz.61a
12.641 12.W8 12.696 12.723 12.751
12.770
12.801 13.888 13.916 13.943 I 13.971
12SSO 12.558 12.6116
13.sse
14.027 1Q.055 14.082 14.110 14.1Bü
14.166 12.806 12.834 12.861 12.188
1A.iSi 14.221 14.249 14.277
16.960 16.996 17.024 17.051
17.079 17.106 17.134 17.161 17.189
iü.3i.i 10.371 10.399 18.428
10.4S3 18.481 18.008 18.636 18.563
13.393 14.502 I
12.917 12.944 12.972
1a.028 moo0
TI09
I4.882 14.610 1q.638 1b.666 14.694
i w z i 14.749 14.777 14.604 14.832
14.860 14.888 14.915 14.943 14.971
14.999 15.026 15.054 15.081 15.110
15.136 16.165 10.103 15.221 I¶.ZQ8
15.276 15.304 15.331 15.359 15.387
15.416 16.443 15.470 15.498 16.526
15.551 15.581 15.609 15.637 15.685
15.692 15.720 15.7Q8 1b.775 1s.803
15.831 15.859 15.886 15.914 15.942
15.969
-
-
lQ.304 12.332 14.380
14.416 14 .30~
15.969 17.355 15.997 17.301 16.015 1 17.410
n.oss LB.081 13.111 13.139 13.166
14.448 14.471 14.499 14.527 14.555
16.303 17.686 16.330 17.713 16.358 17.140
15.524 17.906 16.bb2 17.931 Ib.bü0 I 11.960
17.217 18.5W 11.244 18.611 17.272 18645 17.299 18.672 17.327 18.700 L 17.355 18.727
- i w a i
i u i o
10.700 18.7U
18.838
Wüó4 18491 io.ei9 18.846 18:973
19.001 19.028 L9.W 19.003 19.110
19.117 19.164 19.191
19.246
10.271 10.300
19.150 18.312
19.409 19.417 19.46Q 19.491 19.018
>9.545 19.673 19.600 19.627 19.654
19.682 19.709 19.736 19.163 19.790
19.818 i9.84¶
19.800 19.927
19.954 19.981 20.W8 20.039 20.062
20.ODo
1e.21e
1o.azb
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-
- 0
4 6 a
a
40 12 14 16 IO
'Io 22 24 16 28
3a 12 34
u 40 42 44 46 48
w 52 54 06 M
60
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