Las pruebas de pérdida óptica para fibras multimodo pueden verse afectadas por muchas variables, como la disparidad entre fibras, el tipo y la calidad de los latiguillos de referencia de prueba, y las condiciones de inyección de luz en la fibra probada. Este artículo analizará cómo estas diferentes variables pueden afectar al valor de la pérdida óptica de un enlace sometido a ensayo.

Tabla 1. Presupuesto de pérdida óptica y distancias tolerables correspondientes a diferentes aplicaciones

 Los resultados de un experimento controlado demuestran que las mediciones de la pérdida óptica obtenidas utilizando «una fuente de luz de inyección en desbordamiento y el enrollado en mandril como filtro de acondicionamiento de modos» presentan una varianza significativa en función del equipo de pruebas, mientras que las mismas pruebas realizadas con el método de pruebas Encircled Flux (EF) producen una estrecha coincidencia con diferentes instrumentos de pruebas. Encircled Flux es el método de pruebas recomendado por expertos del sector para hacer mediciones precisas de la pérdida óptica tanto para fibra multimodo convencional como para fibra multimodo insensible a las curvaturas, una característica especialmente importante en el caso de aplicaciones de alta velocidad que tienen presupuestos de pérdida óptica muy ajustados. Encircled Flux es el método de pruebas especificado para aplicaciones de Ethernet de 40 G y 100 G.

Tabla 1. Especificaciones TIA-492AAAD para fibra OM4, septiembre de 2009

Pruebas de pérdida óptica - ¿Por qué son importantes?
Proporcionar un método preciso para llevar a cabo pruebas de la pérdida óptica de fibra multimodo está cobrando cada vez más importancia para las aplicaciones de muy alta velocidad de transferencia de datos que imponen requisitos más rigurosos sobre la máxima pérdida tolerable en un canal entre un transmisor óptico y un receptor óptico. A modo de ejemplo, la Tabla 1 muestra el presupuesto de pérdida óptica y la distancia máxima correspondiente a diferentes aplicaciones.
Cuanta más alta es la velocidad de transferencia de datos, más ajustado es el presupuesto de pérdida óptica de un canal. La pérdida máxima tolerable de un canal 10Gb/s Ethernet con fibra multimodo OM3 es 2,6 dB, mientras que la pérdida máxima permisible de un canal 40 Gb/s Ethernet y de un canal 100 Gb/s Ethernet es 1,9 dB con fibra OM3 y 1,5 dB con fibra OM4.

¿Qué factores afectan a la precisión de las pruebas de pérdida óptica?
Hay varios factores importantes que pueden afectar a la precisión de las pruebas de medición de la pérdida óptica:
1.    El tipo y la calidad de los «latiguillos de referencia de prueba»
2.    La disparidad de fibras entre los latiguillos de referencia de prueba y el enlace sometido a prueba.
3.    Las características de la fuente de luz y cómo se acopla la luz en la fibra.
4.    El filtro de acondicionamiento de modos utilizado.
Este trabajo analizará los efectos de todos estos factores en la precisión de las mediciones de la pérdida óptica.

1. Tipo y calidad de los «latiguillos de referencia de prueba»
El tipo y la calidad del «latiguillo de referencia de prueba» tienen una importancia crítica en la precisión de las mediciones de la pérdida óptica sobre el terreno. La geometría del end-face de la férula pulida del conector del latiguillo puede tener un efecto significativo en los resultados de las pruebas y debe cumplir unos parámetros precisos, como el radio de curvatura, el ápex y la protrusión de fibra. Este es el motivo por el que los latiguillos de referencia de prueba tienen que cumplir requisitos de geometría del end-face como los especificados en las normas Telcordia GR-326. Además, la precisión de la prueba de pérdida óptica puede resultar muy disminuida si la superficie del conector del latiguillo está rayada o simplemente sucia. Inspeccione el conector de fibra con un fibroscopio y, si estuviera sucio, límpielo mediante una técnica de limpieza en seco.

¿Cómo sabe que sus resultados de pérdida óptica son fiables? Una forma fácil de comprobarlo consiste en examinar un «buen latiguillo de conexión conocido» que ha sido ya examinado en fábrica. En tal sentido, la mayoría de los fabricantes de latiguillos de conexión indican el valor real de la pérdida en el embalaje de sus latiguillos. Inspeccione y limpie los conectores de los latiguillos. Después, conecte a su equipo este «latiguillo de conexión conocido» como si se tratara de un enlace de fibra y pruébelo utilizando los mismos latiguillos de referencia de prueba que utiliza normalmente para las pruebas de enlaces. Compare los resultados obtenidos sobre el terreno con el valor de la pérdida del latiguillo de conexión probado en fábrica. Si el resultado es significativamente diferente (superior a 0,1 dB), la prueba sobre el terreno no es correcta. El problema puede estar en el equipo, en el método de pruebas o, lo más probable, en los latiguillos de prueba.

2. Disparidad entre dos fibras ópticas empalmadas
La disparidad de fibras es consecuencia de características inherentes de las fibras y no tiene ninguna relación con las técnicas utilizadas para empalmar las dos fibras ópticas. La pérdida intrínseca por acoplamiento debida a la disparidad de las fibras obedece, entre otras, a las siguientes causas:

2.1.    Diferentes diámetros de los núcleos,
2.2.    Error de concentricidad de los núcleos/revestimientos,
2.3.    Diferentes aberturas numéricas.

¿Cuáles son las especificaciones correspondientes a estos parámetros? La Tabla 2 proporciona un resumen de algunas de las especificaciones dimensionales y ópticas de la fibra multimodo OM4.

¿Cuál es la pérdida de acoplamiento intrínseca cuando se empalman dos fibras que están en los  límites mínimo y máximo de la especificación TIA-492AAAD? Las figuras 1, 2 y 3 muestran, respectivamente, la pérdida de acoplamiento intrínseca debida a la disparidad del diámetro de las fibras, al error de concentricidad núcleos/revestimientos y a la disparidad de las aberturas numéricas.

Tal como muestran las Figuras 1, 2 y 3, las pérdidas por disparidad de las fibras pueden ser, en el peor de los casos, suficientemente significativas en comparación con los presupuestos de pérdidas asignados a aplicaciones de velocidades de transferencia de datos de 10 Gigabit y más altas. Entonces, ¿qué ocurre? Generalmente no observamos pérdidas tan altas al hacer pruebas sobre el terreno, por dos razones: 1) la mayoría de las fibras actuales se fabrican con tolerancias más estrechas que las de estas especificaciones, y 2) no todos los modos resultan excitados en la misma medida, es decir, hay menos potencia para los modos de orden superior que para los de orden inferior debido al filtrado de modos utilizado (cuestión que se explica más adelante en este trabajo).

3. Características de la fuente de luz y cómo se acopla la luz en la fibra
Las condiciones de inyección y cómo se acopla la luz en la fibra pueden afectar mucho a las mediciones de la pérdida óptica. En el caso de las fibras multimodo, diferentes distribuciones de la potencia de inyección (condiciones de inyección) pueden resultar en diferentes mediciones de la atenuación.

La distribución de potencia entre los modos de la fibra se consigue controlando el tamaño del punto de inyección y la distribución angular mediante un sistema óptico que acopla la luz a la fibra, tal como muestra la Figura 4.

En la fibra de índice gradual, el índice de refracción más bajo del núcleo en las cercanías del revestimiento hace que los modos de orden superior sigan un recorrido curvado que es más largo que el rayo axial (el «modo de orden cero»). Como los modos de orden superior viajan más lejos en el núcleo de vidrio y tienen mayores probabilidades de ser dispersados o absorbidos, tienen una atenuación mayor que los modos de orden inferior. Por lo tanto, un tramo largo de fibra que haya sido llenado totalmente (todos los modos inyectados en la fibra con el mismo nivel de potencia) tendrá una cantidad más baja de potencia en los modos de orden superior que un tramo corto de la misma fibra. El término «distribución de modos en equilibrio» (EMD) sirve para describir la distribución de modos en una fibra larga que ha perdido los modos de orden superior. Este cambio de la «distribución de modos» entre fibras largas y cortas puede marcar grandes diferencias en las mediciones que se hacen con la fibra. La Figura 5 ilustra la distribución de potencia de los modos relativa para fibra multimodo.

La Figura 5 ilustra la distribución de modos en equilibrio (EMD) correspondiente a un tramo largo de fibra multimodo así como la distribución de potencia de los modos correspondiente a un tramo corto de fibra multimodo cuando se utiliza un filtro de modos. El filtrado de modos elimina los modos de orden superior pero proporciona sólo una aproximación basta a la EMD.

4. Filtro de acondicionamiento de modos

4.1. Filtro de acondicionamiento de modos – enrollado en mandril
Como filtro de acondicionamiento de modos se utiliza generalmente un latiguillo de inyección enrollado en un mandril. El enrollado en un mandril tensa la fibra y aumenta la pérdida de los modos de orden superior cuando se inyecta luz en la fibra sometida a prueba.
En el Anexo A.1.3.1.2 de la norma TIA-455-78B se describe la utilización del enrollado en mandril como filtro de modos. Se utiliza una medición de campo lejano para comparar la distribución de potencia saliente de un tramo largo (superior a 1 km) de fibra sometida a prueba, que ha sido excitada con una fuente de luz en desbordamiento uniforme, con la distribución de potencia saliente de un tramo corto de la fibra con el mandril aplicado. El diámetro del mandril se selecciona con vistas a producir una distribución de campo lejano en el tramo corto que se aproxime a la distribución de potencia de campo lejano del tramo largo.
El método de enrollado en mandril es de uso extendido para pruebas de fibra óptica sobre el terreno. Este método prescribe la utilización de una fuente de luz en desbordamiento, de Categoría 1, y de un latiguillo de referencia de prueba enrollado alrededor de un mandril. La especificación correspondiente a la fuente de luz de Categoría 1 se determina mediante la prueba de Relación de Potencia Acoplada (CPR), ilustrada en las Figuras 6 y 2. La cláusula 6.4.2.1 de la norma ANSI/TIA-568-C.0 proporciona los diámetros de mandril aceptables para tipos de cable multimodo comunes (cinco vueltas).
El problema que tiene el método de prueba con enrollado en mandril radica en que puede originar una gran variabilidad de las mediciones. Esta variabilidad es debida a 1) diferencias en la distribución de potencia de los modos de la fuente de luz acoplada según los equipos utilizados, pues la especificación de la Categoría 1 es bastante laxa** y 2) diferencias en las características de las fibras multimodo utilizadas en los latiguillos de referencia de prueba, pues los efectos del curvado pueden variar en función del fabricante de la fibra.

4.2. Filtro de acondicionamiento de modos - Encircled Flux
Encircled flux (EF) es un nuevo método de control de la distribución de potencia de la luz que se inyecta desde el extremo de un latiguillo de referencia de prueba (TRC) al efectuar mediciones de la pérdida óptica.
Los límites superior e inferior de la distribución de la potencia de luz están especificados en función del radio del núcleo y para las longitudes de onda de 850 nm y 1300 nm, como muestra la Figura 7 [3]. Este método EF fue desarrollado por expertos en óptica con objeto de reducir la variabilidad de las mediciones de la pérdida de enlaces en comparación con otros métodos de medición de la pérdida óptica que utilizan una fuente de luz de inyección en desbordamiento y filtros de acondicionamiento de modos (por ejemplo, enrollado en mandril). Encircled Flux es además el método de prueba especificado en la norma IEEE 802.3ba para 40 Gb/s Ethernet (40GBASE-SR4) y 100 Gb/s Ethernet (100GBASE-SR10).

La TIA Adopta Encircled Flux en la nueva norma de prueba de fibra
El método de prueba Encircled Flux está especificado en la norma TIA-526-14-B, «Mediciones de la pérdida de potencia óptica de cable de fibra multimodo instalado» y está armonizado con la norma IEC 61280-1-4. La TIA está trabajando en la actualidad en un nuevo Apéndice 2 de la norma ANSI/TIA-568-C.0 que enfoca diferentes cuestiones de la fibra óptica. Una sección de este apéndice sustituye el método de prueba de enrollado en mandril especificado en las normas TIA-455-78B y TIA-526-14-A por lo siguiente:
Para el cableado multimodo, las normas de cableado describen que las mediciones de la atenuación se tomarán de conformidad con la norma TIA-526-14-B, que exige que la salida del latiguillo de inyección cumpla condiciones de inyección específicas determinadas por la anchura espectral y la distribución de potencia de los modos. Estas condiciones de inyección las puede proporcionar el propio instrumento de pruebas de campo o mediante el uso de un acondicionador de modos externo.

Comparativa de mediciones de la pérdida óptica obtenidas mediante inyección en desbordamiento (OFL)/enrollado en mandril según TIA-426-14-A, Método B, en contraste con Encircled Flux de TIA-426-14-B, Anexo A

A fin de entender mejor la variabilidad de las mediciones de la pérdida óptica, hemos diseñado un experimento controlado en el que mantenemos constantes todas las variables excepto las condiciones de inyección.
En una primera serie de pruebas, se analizaron los mismos enlaces permanentes PL a), PL b), y PL c) con los mismos latiguillos de referencia de prueba (con MMF convencional), TRC #1 y TRC #2, enrollados alrededor de un mandril de 22 mm, utilizando dos diferentes aparatos de pruebas OLTS #1 y OLTS #2. En una segunda serie de pruebas, sustituimos los latiguillos de referencia de prueba por latiguillos que contienen un módulo EF incorporado, módulo EF #1 y módulo EF #2, en vez del enrollado en mandril. Se midió la pérdida óptica en las diferentes condiciones de inyección descritas anteriormente en los tres enlaces permanentes de 20 metros de 2 conectores siguientes:
Enlace permanente a) con fibra multimodo convencional
Enlace permanente b) con fibra multimodo insensible a las curvaturas de proveedor A
Enlace permanente c) con fibra multimodo insensible a las curvaturas de proveedor B
La Figura 8 muestra los datos de las pruebas.

** Nota: Una diferencia de 4 dB del valor CPR de una fuente de luz de Categoría 1 representa un incremento del 150% de la potencia de los modos de orden superior.

Resultados medidos
Los resultados del experimento controlado se presentan en la Figura 9. La primera serie de pruebas se llevó a cabo en las mismas condiciones, con una fuente de luz de inyección en desbordamiento y un filtro de acondicionamiento de modos consistente en el enrollado en mandril. Hay una diferencia de aproximadamente 0,5 dB en la pérdida óptica cuando las pruebas se efectúan con el aparato OLTS #1 con respecto al OLTS #2, diferencia que afecta a todos los enlaces permanentes con independencia del tipo de fibra. ¿Cuál es la causa de esta discrepancia?
La diferencia de las mediciones de la pérdida se puede atribuir a la cantidad de luz que se acopla en la fibra multimodo con cada uno de los dos instrumentos de prueba. Aunque las dos fuentes de luz tienen la especificación de Categoría 1, las especificaciones no son suficientes para garantizar que se inyecta una distribución uniforme de potencia de los modos desde el extremo de un latiguillo de referencia de prueba cuando se utiliza el filtro de modos de enrollado en mandril. Una diferencia en las mediciones de 0,5 dB puede significar la diferencia entre la aprobación y la no aprobación del enlace cuando se trabaja con presupuestos de pérdida del orden de 1,5 dB a 2,6 dB.
En la segunda serie de pruebas, las mediciones de la pérdida óptica coinciden (con una tolerancia de +/- 0,1 dB) con los dos instrumentos de pruebas (OLTS #1 y OLTS #2) cuando se utiliza un filtro de acondicionamiento de modos Encircled Flux.

¡Buenas noticias!
La buena noticia es que hay en el sector una coincidencia general sobre los procedimientos de pruebas en los que se puede confiar que proporcionen mediciones de la pérdida óptica exactas y repetibles. El método de pruebas Encircled Flux reduce la variación de las mediciones de la pérdida hasta un +/- 10% para mediciones de la atenuación del enlace superiores a 1dB. La conformidad con EF se puede conseguir mediante un dispositivo controlador de modos, que puede estar integrado en el equipo de pruebas o que puede ser un dispositivo externo que se inserta entre la fuente de luz y la fibra sometida a prueba.
El dispositivo controlador de modos es un dispositivo pasivo que garantiza que las condiciones de inyección cumplen los requisitos IEC 61280-4-1 con independencia de la fuente de luz que se utilice (LED o láser).

Conclusión
Las pruebas de la pérdida óptica sobre el terreno no son tan sencillas como parece y pueden resultar afectadas por muchas variables, como la disparidad de las fibras, el tipo y la calidad de los latiguillos de referencia de prueba y las condiciones de inyección (OFL/enrollado en mandril en contraposición con Encircled Flux).
Los rigurosos requisitos de pérdida óptica para aplicaciones de alta velocidad plantean la necesidad de un método de pruebas de precisión para el examen de enlaces sobre el terreno. Los expertos del sector recomiendan el método de pruebas Encircled Flux por la precisión de las mediciones de la pérdida óptica tanto para MMF convencional como para BIMMF.
Encircled Flux es además el método de pruebas especificado para aplicaciones de Ethernet de 40G y 100G.

Autor:

Autor: Paul Kish, Director de Sistemas y Normas de Belden

Sobre el autor
Paul Kish, Director de Sistemas y Normas de Belden, es un colaborador clave en el desarrollo de normas de cableado TIA, ISO y IEEE y es miembro además del Comité de Información Técnica y Métodos de BICSI.

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