La tecnología DWDM ofrece una solución económica para hacer un uso más eficiente y flexible de las infraestructuras y redes de fibra óptica ya instaladas. Conforme aumenta la demanda de ancho de banda de los usuarios, las redes ópticas DWDM se convierten en la mejor opción. Pero tales redes multicanal poseen unos requisitos de instalación y mantenimiento distintos a los de los sistemas ópticos monocanal. Al mismo tiempo, los dispositivos fotónicos empleados en dichas redes deben caracterizarse con precisión durante y tras el proceso de fabricación.

Por lo tanto, son necesarios procedimientos de medida y caracterización de dispositivos y subsistemas ópticos DWDM, así como de análisis de los parámetros de funcionamiento de la red óptica para asegurar la calidad de servicio que espera el usuario. En el presente artículo se analizarán los principales parámetros y procedimientos de medida de dispositivos ópticos DWDM, dejando para un siguiente artículo el análisis de los parámetros de funcionamiento y de los principales equipos de medida en redes ópticas DWDM.

Medidas de test sobre dispositivos DWDM

Cuando se desea analizar la calidad de los componentes ópticos, ya sea en I+D, en cadenas de producción o por motivos de mantenimiento, resulta crítica la existencia de completas y rigurosas pruebas de medida. Por ello, los ingenieros de diseño y de producto deben conocer en profundidad los procesos de medida de parámetros ópticos clave de los componentes, así como la interpretación de los resultados de las medidas. A continuación se comentarán brevemente los principales parámetros ópticos que se pueden medir en un dispositivo DWDM.

Pérdidas de inserción

Al igual que en cualquier dispositivo electrónico, las pérdidas de inserción hacen referencia  a la diferencia entre la potencia (en este caso óptica) que entra al dispositivo y la que sale del mismo. Lo ideal es que fueran lo más pequeñas posible. Este valor se define para una determinada longitud de onda de la señal óptica. Por lo tanto, en el caso de dispositivos DWDM es necesario especificar este valor para todas las longitudes de onda de los canales de trabajo. Conviene indicar que las pérdidas de inserción se definen en el caso de dispositivos DWDM pasivos como filtros, acopladores o multiplexadores, ya que en el caso de dispositivos activos como por ejemplo amplificadores ópticos se definen la ganancia, es decir, su inverso.

El fabricante suele dar una gráfica de las pérdidas del dispositivo en función de la longitud de onda de la señal óptica para toda la banda donde se prevé la utilización de dicho componente. En esta gráfica se especifican las longitudes de onda de los canales DWDM de acuerdo con la rejilla de la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones), junto con su tolerancia permitida debido a variaciones de la longitud de onda del transmisor. Luego la mejor forma de definir las pérdidas de inserción es referirse a la mayor pérdida (caso peor) dentro del canal UIT en cuestión. Por ejemplo, en la figura 1 se representan dichos parámetros para el caso de un filtro de canal DWDNM. Finalmente, a la hora de especificar las pérdidas de inserción es importante conocer si el dispositivo ha sido medido con o sin conectores.

Rizado

Como se observa en la figura 1, la banda de paso de un dispositivo DWDM no es perfectamente plana. El valor de las pérdidas de inserción refleja las pérdidas del dispositivo a una longitud de onda, pero no aporta información acerca de la variación de las pérdidas a lo largo de la banda de paso o del canal UIT. Por ello, se ha definido el parámetro de rizado para caracterizan dicha variación con la longitud de onda. El rizado se define como la diferencia entre las pérdidas de inserción máxima y mínima sobre la banda de paso, tal y como se indica en la figura 1. De esta forma, conociendo el valor de rizado se pueden estimar las posibles variaciones de la potencia óptica transmitida y comprobar si el dispositivo cumple con las especificaciones para las que ha sido diseñado. En la mayoría de los dispositivos, valores altos de rizado son inaceptables.

Otro parámetro directamente relacionado es la pendiente máxima del rizado. En este caso, hace referencia a la variación de la potencia del canal como consecuencia de pequeños cambios en la longitud de onda del transmisor. Se especifica en unidades de dB/nm y su valor puede hacer que un dispositivo no sea adecuado aún teniendo bajas pérdidas de inserción y rizado.

Ancho de banda

El ancho de banda de un dispositivo óptico, al igual que en cualquier componente electrónico, se define como el ancho espectral para el cual la respuesta del dispositivo excede un cierto valor (típicamente -3 dBm de su valor máximo o FWHM, véase la figura 1). Para definir el ancho de banda resulta indispensable especificar dicho umbral, siendo valores típicos 0,5, 1, 3 ó 20 dB por debajo del máximo. El ancho de banda de un dispositivo sirve para dos propósitos. Por una parte, identificar el margen espectral donde el dispositivo presenta valores de pérdidas aceptables (unos 0,5 ó 1 dB), es decir, lo que se denomina la banda de paso de un multiplexor, por ejemplo. Y por otra parte definr la selectividad o caída de las faldas de un filtro, por ejemplo. En este caso se toma el valor de ancho de banda a -20 dB. De este modo, un filtro rectangular ideal poseerá valores de ancho de banda a -0,5, -3 y -20 dB idénticos. Los fabricantes comienzan a utilizar un nuevo parámetro conocido como figura de mérito (FOM) para describir la forma de la respuesta de un filtro. Este parámetro se define como:

FOM = ancho de banda a -3 dB

Ancho de banda a -20 dB

Idealmente la FOM será igual a 1 y, en general, filtros de órdenes mayores tendrán una banda de transición más abrupta y un valor de FOM más cercano a la unidad.

Longitud de onda central

La longitud de onda central se utiliza habitualmente para describir un canal de un multiplexor y se define como el valor mitad entre las longitudes de onda de corte superior e inferior de la banda de paso (aquellas para las cuales las pérdidas aumentan en 3 dB). No coincide necesariamente con la longitud de onda den pico (aquella de mínimas pérdidas). Sin embargo, para un dispositivo con una respuesta perfectamente simétrica sí que coinciden ambas longitudes de onda. La longitud de onda central se calcula habitualmente como el punto medio entre las longitudes de onda para las cuales se obtienen unas pérdidas de 3 dB.

Directamente relacionado con este parámetro se encuentra la longitud de onda nominal, la cual corresponde a la longitud de onda de operación del dispositivo y que se encuentra normalmente en la rejilla UIT. El transmisor óptico trabajará cerca de esta longitud de onda con una cierta tolerancia, luego éste es otro parámetro importante a ser medido en el caso de transmisores láser para sistemas DWDM. La longitud de onda de salida de los láseres sufre derivas con la temperatura que deben tener rigurosamente controladas (véase CONECtrónica nº 40 pp. 14-16).

Pérdidas e retorno ópticas

Cuando se inyecta luz en un componente óptico, la mayor parte de la potencia óptica se transmite, pero también existe una pequeña fracción que se absorbe o que se refleja. La potencia óptica reflejada constituye un efecto no deseado por múltiples razones. Por una parte, contribuye a aumentar las pérdidas. Por otra parte, los transmisores láser para DWDM son muy sensibles a la luz reflejada, ya que una reflexión no deseada puede degradar la estabilidad del láser o la relación señal a ruido del sistema. En algunos casos las reflexiones incluso pueden dañar el propio dispositivo. Al mismo tiempo, la luz reflejada puede volver a reflejarse, combinándose con la señal original y dando lugar a interferencias multicamino que causan problemas de demodulación. Por último, las reflexiones que ocurren en el interior de un EDFA, especialmente en extremos opuestos del bloque de ganancia, contribuyen a empeorar el nivel de ruido del amplificador.

En los sistemas de fibra óptica, las reflexiones causadas por dispersión de Rayleigh y reflexiones de Fresnel. En el primer caso, al dispersión Rayleigh ocurre en el interior de las fibras ópticas debido a interacciones entre las ondas de luz y las moléculas del cristal,. La intensidad de la dispersión depende de la longitud de onda de la señal y de la composición del cristal. Valores típicos se sitúan en torno a -70 dB/m. Por otro lado, las reflexiones de Fresnel se producen en puntos discretos donde aparecen discontinuidades, como por ejemplo en el interior de conectores o adaptadores. Estas reflexiones son el resultado de huecos de aire, desalineamientos o cambios en el índice de refracción.

Las pérdidas de retorno son un valor en dB positivo, ya que hacen referencia a la atenuación que sufre la onda reflejada en relación con la onda incidente (potencia incidente sobre potencia reflejada), mientras que las reflexiones se cuantifican con un valor en dB negativo (potencia reflejada sobre potencia incidente). En general interesan valores elevados de pérdidas de retorno, si bien existen dispositivos donde ocurre todo lo contrario puesto que en este caso la reflexión es el fenómeno deseado. Algunos ejemplos de estos dispositivos serían las redes de difracción de Bragg o los espejos. El montaje experimental para medir las pérdidas de retorno ópticas es bastante simple y se representa en la figura 2. El fotodetector se encarga de medir directamente la potencia óptica reflejada por el dispositivo bajo test (DUT). No obstante, se necesita realizar una calibración previa del sistema por medio de un DUT cuyo valor sea conocido.

En los dispositivos DWDM las pérdidas de retorno deben medirse para todas las longitudes de onda de interés. Esto puede realizarse de dos formas distintas: bien utilizando una fuente óptica sintonizable, o bien utilizando una fuente ASE (amplified spontaneous emission) de banda ancha. En el caso de un multiplexor, las medidas deben realizarse sobre cada una de las entrada, por lo que el proceso de medida será difícil de automatizar para dispositivos con gran número de canales.

Directividad

El parámetro de directividad de un dispositivo fotónico con múltiples entradas es una medida del aislamiento que existe entre las mismas. Este parámetro resulta especialmente importante en el caso de multiplexores, donde como se ha comentado previamente se deben minimizar las reflexiones hacia los transmisores del sistema. A menudo resulta suficiente con realizar la medida de directividad para determinados canales. El montaje resulta muy parecido al de la figura 2. La única diferencia consiste en que la fuente óptica se aplica en una de las entradas del multiplexor y con el receptor óptico se mide la potencia que vuelve por cada una de las otras entradas. La directividad es, pues, la diferencia en dB entrel a potencia óptica inyectada y la potencia óptica medida. Para dispositivos con gran número de canales, esta medida resulta también difícil de automatizar.

Aislamiento de canal y diafonía

Estos parámetros de medida son bastante típicos en el caso de multiplexores y filtros de canal DWDM. El aislamiento se refiere al rechazo de la potencia de un canal específico respecto a otro. En la figura 3 se representa de forma esquemática el parámetro de aislamiento en dispositivos DWDM. Por otra parte, la diafonía se define de forma similar pero se refiere al rechazo de la potencia de todos los otros canales respecto a uno determinado.

Efectos dependientes de la polarización

Como se ha visto con anterioridad (véase CONECtrónica nº 48), resulta prácticamente imposible controlar el estado de polarización de una señal que viaja a través de una red de fibra óptica. Este hecho, unido a que multitud de componentes fotonicos poseen unas características dependientes del estado de polarización de la señal de entrada, obliga a realizar medidas de la dependencia de determinados parámetros de los dispositivos con la polarización para asegurar unas prestaciones y un funcionamiento fiables. Los principales parámetros que dependen de la polarización son las pérdidas de inserción, el ancho de banda y la longitud de onda central. Cada uno de estos parámetros debe medirse a diferentes estados de polarización utilizando un controlador de polarización. Aunque idealmente deberían medirse para todos los estados de polarización posibles, en la práctica resulta suficiente con unos cuantos casos aleatorios.

Las principales medidas que suelen realizarse son las pérdidas dependientes de la polarización y la longitud de onda dependiente de la polarización. La primera medida hace referencia a la variación de las pérdidas del dispositivo para los diferentes estados de polarización. Cuando se añaden a las pérdidas de inserción proporcionan el caso peor de pérdidas en un componente para una longitud de onda determinada (usualmente, la longitud de onda nominal de operación). Dependiendo del dispositivo, las pérdidas dependientes de la polarización se pueden medir sobre un determinado rango espectral.

Los dispositivos se diseñan habitualmente para tener un valor pequeño de pérdidas dependientes de la polarización. No obstante, existen algunas excepciones como pueden ser los polarizadores. Generalmente, las pérdidas dependientes de la polarización son mínimas en la banda de paso del dispositivo y mayores en los bordes y en la banda de rechazo. Algunos fabricantes realizan medidas tan sólo en el centro del canal y en los bordes de la banda de paso. Valores de menor de 0,1 dB en esta región son satisfactorios para la mayor parte de las aplicaciones.

Otros parámetros de medida relativos a la polarización son el ancho de banda y la longitud de onda central dependientes de la polarización. Ambos parámetros hacen referencia a los cambios que se producen en la respuesta espectral del dispositivo como consecuencia de cambios en la polarización de la señal de entrada y pueden medirse de forma simultánea. Una de las técnicas de medida consiste en realizar medidas de las pérdidas de inserción y de las pérdidas dependientes de la polarización en función de la longitud de onda de la señal y representarlas en una gráfica. La envolvente del gráfico refleja los posibles valores de pérdidas para diferentes estados de polarización, a partir de lo cual se pueden extraer las variaciones del ancho de banda y de la longitud de onda central en los casos peores,. Finalmente, otra alternativa de medida consiste en el empleo de un analizador de espectros óptico con el cual se realizan diferentes barridos para múltiples estados de polarización distintos.

Medida de la respuesta espectral de un dispositivo

Tal y como se ha explicado anteriormente, la determinación de muchos parámetros de los dispositivos fotónicos DWDM requieren la medida de la respuesta espectral del dispositivo para cada canal óptico. Para realizar esta medida existen diferentes montajes experimentales posibles, los cuales comentaremos a continuación. La elección de uno y otro depende de cuestiones tales como resolución espectral, margen dinámico o número de canales DWDM a medir.

El primero de los montajes puede hacer uso de una fuente ASE de banda ancha que genera una distribución de potencia sobre el margen completo de canales DWDM. Esta fuente se conecta al DUT y la respuesta del dispositivo se mide por medio de un analizador de espectros óptico. El analizador de espectros se habrá calibrado previamente mediante la medida del espectro de salida de la fuente ASE. El montaje experimental se muestra en la figura 4. La principal limitación de esta técnica es que la resolución de la medida queda determinada por el ancho de banda de resolución del analizador, el cual es típicamente de unos 0,05 nm.

Para mejorar la resolución de la medida, lo cual es crítico para determinados dispositivos DWDM, suele sustituirse la fuente ASE por un láser sintonizable de ancho de línea reducido. En este caso la resolución vendría determinada por el paso de sintonización del láser, consiguiéndose valores tan altos como 0,001 nm con un excelente margen dinámico. La medida consistiría en realizar un barrido con el analizador de espectros para cada paso de sintonización del láser. El principal inconveniente de la técnica, no obstante, es que necesita una mayor cantidad de tiempo para realizar la medida, especialmente en el caso de dispositivos multicanal.

Otra alternativa consiste en el empleo de un láser sintonizable y varios medidores multicanal de potencia óptica, tal y como se muestra en la figura 5, cada una de ellos encargado de medir varios canales DWDM del DUT. En este caso, la medida es independiente del número de canales del dispositivo, consiguiéndose gran rapidez en la medida. La resolución de la medida viene determinada por la fuente láser, mientras que el margen dinámico lo determina el ruido de emisión espontánea de la fuente. Pueden obtenerse valores de margen dinámico de unos 60 dB. Al mismo tiempo, con esta técnica se pueden medir también las pérdidas de retorno ópticas y las pérdidas dependientes de la polarización modificando ligeramente el montaje de la figura 5.

Finalmente, para aumentar todavía más la rapidez de la medida, el láser sintonizable puede operarse en un modo de funcionamiento con barrido continuo. La precisión en longitud de onda se controla con un instrumento de referencia, y al mismo tiempo se suele colocar un controlador de polarización para realizar medidas de parámetros dependientes de la polarización. En la práctica, se tiende a emplear esta última configuración.

Autor: Francisco Ramos Pascual. Doctor Ingeniero de telecomunicación. Titular de Escuela Universitaria. Universidad Politécnica de Valencia. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.">

Más información o presupuesto