En este artículo se describe un método rápido y sencillo para la caracterización de dispositivos CWDM y DWDM, basado en la utilización de una fuente de banda ancha y un analizador de espectros óptico.

El ruido de emisión espontánea amplificada (ASE, amplified spontaneous emission) es un factor de degradación típico en enlaces de comunicaciones ópticas de larga distancia que utilizan cadenas de amplificadores ópticos (normalmente EDFAs). Cada amplificador genera ruido a su salida que se va acumulando y amplificando en los sucesivos amplificadores, pudiendo llegar incluso a saturarlos. Los procesos de amplificación de la señal y de generación de ruido ASE en un EDFA se describen de forma esquemática en la figura 1. En la figura 1(a) se puede observar el comportamiento deseado de amplificación de la señal, mediante el cual se excitan los iones de Erbio empleando una longitud de onda de bombeo (980 nm) y éstos transitan hacia un estado metaestable. Desde este estado, los fotones de la señal provocarán su retorno al estado fundamental de menor energía para conseguir una amplificación estimulada de dichos fotones. No obstante, algunos de los iones excitados de Erbio decaen al nivel inferior antes de poder combinarse con un fotón de señal, produciéndose la emisión de un fotón de fase y dirección aleatorias, como se ilustra en la figura 1(b). Precisamente estos fotones son los que contribuyen a la generación de un espectro ASE de banda ancha. Pero lo que habitualmente se traduce en un fenómeno perjudicial, puede encontrar aplicaciones interesantes como la que se describe en este artículo.

Caracterización de dispositivos CWDM y DWDM
El buen funcionamiento de los sistemas y redes ópticas basados en multiplexación de longitud de onda requiere un control de la respuesta espectral de filtros, aisladores, circuladores, multiplexores, demultiplexores, conmutadores y atenuadores. En concreto, interesa conocer su longitud de onda central, ancho de banda, aislamiento de canales, rizado de la banda o pérdidas de inserción, entre otras características. Para su caracterización, existen diversos métodos. Por ejemplo, puede utilizarse un instrumento de laboratorio específico para tal función, o bien realizar un barrido en longitud de onda con un láser sintonizable y medir la potencia a la salida. La desventaja de ambos métodos es que suelen ser costosos. Como alternativa, a continuación se propone un método rápido y sencillo para realizar esta función.

El montaje de laboratorio se muestra en la figura 2. Consiste en una fuente de banda ancha a la que se le conecta el dispositivo bajo test (DUT) y un analizador de espectros óptico (OSA). Un OSA se encuentra prácticamente en cualquier laboratorio, por lo que el único desembolso económico se refiere a la fuente óptica. En el caso de la fuente óptica existen también diversas posibilidades, como un LED superluminiscente (SLED), una fuente ASE o un supercontinuo. Por cuestiones de coste en relación con prestaciones, la mejor opción la constituye la fuente ASE que puede proporcionar un espectro bastante ancho con un nivel de potencia razonable.

El proceso de medida es simple. En primer lugar se captura una traza de referencia en el OSA sin el DUT, es decir, conectando la salida de la fuente directamente al OSA. Posteriormente, se repite la medida pero insertando el DUT. La diferencia en dB entre ambas trazas será la respuesta espectral del DUT. En la figura 3 se muestra un ejemplo de medida. Dependiendo de los parámetros que se desee caracterizar, se empleará un determinado margen de longitudes de onda, ancho de banda de resolución, etc. La calidad de la medida dependerá en gran parte del tipo de OSA empleado (precisión en longitud de onda, margen dinámico), así como de la fuente óptica. A continuación se describen las principales características de la fuente que se deben tener en cuenta.

Selección de la fuente
A la hora de seleccionar una fuente de banda ancha para la caracterización de componentes, y en concreto una fuente ASE, es importante prestar atención a una serie de características tales como: potencia total, potencia de pico y densidad espectral. La potencia total, medida en dBm o mW, se refiere a la potencia total integrada de la fuente, es decir, la que se visualizaría en un medidor de potencia conectado directamente a su salida. La potencia de pico, en cambio, se refiere al mayor nivel de potencia de su distribución espectral medida en un OSA. En este caso, se debe proporcionar también el valor de ancho de banda de resolución para el que se ha realizado la medida. Por último, la densidad espectral de potencia (en dBm/nm) se refiere a la potencia del espectro integrada en ranuras de 1 nm. Esta característica se mide habitualmente con un OSA configurado con un ancho de banda de resolución de 1 nm, de tal modo que la densidad espectral variará con la longitud de onda. El valor de densidad espectral de potencia es importante porque limita el margen dinámico de la medida en el caso de emplear OSAs basados en grating. Por ejemplo, supongamos una fuente de banda ancha con una densidad de potencia relativamente plana de -10 dBm/nm aproximadamente. Si realizamos la medida con un OSA de 0,1 nm de ancho de banda de resolución, esto implica que la potencia de referencia será de unos -20 dBm aprox. Si ahora se conectara un DUT con 50 dB de pérdidas de inserción, esto implicaría una medida de tan sólo -70 dBm para los 0,1 nm de resolución del OSA. Así pues, en el caso de pérdidas de inserción elevadas existirá una limitación en el mínimo ancho de banda de resolución que se puede escoger.

Pero además de los propios niveles de potencia de la fuente, también es importante su estabilidad, que se define para un determinado período de tiempo. En este caso, resulta relativamente sencillo asegurar la estabilidad de la potencia total, pero no así de la densidad espectral. Debido a la naturaleza de las fuentes ASE, a menudo se producen transferencias de energía de una longitud de onda a otra. Estas variaciones de potencia en las ranuras espectrales produce imprecisión en las medidas. Luego para la caracterización medidas. Luego para la caracterización de componentes DWDM, donde se requieren medidas precisas y con repetibilidad, resulta muy importante controlar este parámetro de prestaciones.
Por último, el margen de longitudes de onda que se puede cubrir también es una característica a la que se debe prestar atención. Normalmente, una fuente ASE proporciona un buen nivel de señal en las bandas C y L, donde se produce principalmente la amplificación de Erbio. Como contrapartida, un SLED es menos potente que una fuente ASE, pero puede cubrir una mayor selección de rangos de longitud de onda. Este margen de longitudes de onda resulta especialmente importante cuando se caracterizan componentes CWDM, ya que suelen funcionar en bandas más anchas.

Equipos comerciales
Una vez comentados los fundamentos básicos de la medida, a continuación indicaremos algunos ejemplos de fuentes ASE que se pueden encontrar en el mercado. Como primer ejemplo, en la figura 4 se muestra la fuente FLS-2300B de EXFO. Esta fuente ASE de altas prestaciones se caracteriza por una potencia de salida superior a +14 dBm y una estabilidad espectral de ±0,04 dB/nm (15 minutos) en el margen de 1520 a 1560 nm. El equipo se comercializa con una opción de ganancia aplanada. Otra empresa que dispone de fuentes de banda ancha para caracterización de componentes es Newport Corporation. En este caso, ofrece una fuente ASE de banda ancha (1000-1650 nm) con una potencia de salida de +13 dBm y una buena estabilidad espectral (figura 5). Por último, existen múltiples fabricantes que ofrecen en su catálogo módulos ASE de reducido tamaño. Por ejemplo, en la figura 6 se puede ver uno de ellos. En este caso, se trata de un módulo para banda C (1525-1565 nm) con una potencia de salida de hasta +15 dBm y una estabilidad espectral de ±0,05 dB/nm.

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Francisco Ramos Pascual. Doctor Ingeniero de Telecomunicación

Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Valencia