Una evolución inteligente de los sistemas de medición del ancho de banda

Cables Fibra Óptica

El EMBc (ancho de banda modal efectivo calculado) mejora los anteriores métodos de medición utilizando el perfil DMD de la fibra y las características de la fuente de luz VCSEL para certificar con precisión el rendimiento OM3. Los avances tecnológicos han supuesto en el pasado nuevos desafíos y han fomentado las innovaciones en metrología. Por ejemplo, los motores de alto rendimiento presentan unas tolerancias muy ajustadas en términos de holguras y otros atributos físicos. El concepto del producto desarrollado en el laboratorio sólo llega a hacerse realidad si es posible medir estas holguras con una impresionante precisión y exactitud. La utilización de métodos de medición menos estrictos se traduciría en conceptos brillantes que jamás llegarían a la fase de producción o a la carretera. Este concepto es igualmente válido en muy diversos campos. Los equipos de medición de primera generación han de evolucionar para satisfacer los requisitos cada vez más estrictos de las aplicaciones funcionales avanzadas. El desafío del especialista en metrología consiste en innovar y desarrollar sistemas de medición de diseño inteligente, capaces de soportar las necesidades evolutivas del producto evaluado. La demanda de sistemas de comunicaciones ópticas de mayor velocidad para aplicaciones en edificios ha forzado el desarrollo de importantes mejoras en la tecnología de medición de fibra óptica multimodal. La medición del ancho de banda OFL (overfilled launch o inyección saturada), desde hace tiempo el estándar en caracterización del rendimiento de la fibra multimodal, carecía de la precisión y relación con la funcionalidad que se precisa para realizar una medición de evaluación de atributos. Aunque el ancho de banda OFL ofrecía un resultado en megahercios (el estándar tradicional en aplicaciones ópticas y de cobre), la falta de relación con la funcionalidad en sistemas de alta velocidad tanto LED como láser ha impulsado la búsqueda de mejores sistemas de medición del ancho de banda. Con la aparición de los estándares OM3 (fibra multimodal de 50/125 µm optimizada para láser de 850 nm), el ancho de banda OFL ha dado paso a un método de medición de la fibra más preciso, llamado DMD (retraso de modo diferencial). Los resultados de DMD, reconocidos como «medición de la fibra pura», se han adaptado para evaluar fibras aptas para su uso en aplicaciones de alta velocidad (= 1 GHz). Algo más que retroalimentación Históricamente, las mediciones DMD se han limitado a procesar la retroalimentación, más que a realizar una evaluación del rendimiento. Desde sus primeros momentos, DMD se ha utilizado principalmente como herramienta de evaluación de procesos y ajuste. La medición proporciona información detallada sobre los retrasos relativos entre los grupos modales de una fibra. Sin embargo, para procesar el control y la retroalimentación, no era necesario contar con una medición muy precisa ni de gran sofisticación, por lo que un sistema DMD típico no tenía capacidad para la evaluación del ancho de banda de la fibra ni su rendimiento en funcionamiento. Pero a medida que se desarrolló el estándar OM3, fue estableciéndose la aplicación de esta herramienta de retroalimentación del proceso como sistema para evaluar el rendimiento del ancho de banda de la fibra. Durante el desarrollo de los estándares, se buscó un método para evaluar el rendimiento de las fibras basándose en los resultados de DMD. La primera prueba que se desarrolló fue el uso de plantillas de enmascaramiento DMD o máscara DMD, que está formada por seis plantillas únicas. Cada plantilla permite una cantidad definida de retraso de modo diferencial en picosegundos/metro (ps/m) como función de la ubicación radial en la fibra. Cada plantilla posee una máscara interna y externa, además de cuatro máscaras deslizantes que deben satisfacer los criterios de designación OM3. Sin embargo, antes de evaluar los datos DMD en comparación con las máscaras de cada plantilla, se procesan los datos en bruto para acondicionar los resultados. Estos pasos de acondicionamiento contribuyen a superar importantes defectos en los sistemas de medición a costa de la capacidad de evaluación del método de selección de la fibra. El ejemplo más claro de las limitaciones del proceso de evaluación DMD es el uso de la amplitud FWQM (anchura total a la cuarta parte del máximo) para definir el retraso de modo diferencial entre los impulsos inicial y retrasado. El uso de FWQM permite a la máscara DMD pasar por alto todas las señales iniciales y de seguimiento con una amplitud menor del 25 por ciento. En la figura 3 (Respuesta DMD para una  única inyección desplazada) se muestra un ejemplo de este filtrado. El dibujo muestra la salida normalizada de una sonda DMD en una única posición radial en el núcleo. La potencia recibida se normaliza al máximo de potencia de la respuesta del impulso y se identifican los puntos FWQM inicial y retrasado en esa ubicación. En este ejemplo, un impulso inicial tiene una amplitud normalizada ligeramente inferior al 25 por ciento del máximo, por lo que se ignora todo el impulso al determinar DMD y no se aplica a las plantillas de enmascaramiento. Sin embargo, la omisión de este impulso inicial podría afectar al rendimiento real del sistema y la funcionalidad de enlace en un sistema de alta velocidad. Coste de fabricación frente a precisión Es evidente que este paso de acondicionamiento puede omitir o minimizar el impacto de atributos de respuesta significativos que podrían afectar al rendimiento del sistema. Además de la omisión de impulsos iniciales o retrasados y otras señales recibidas inferiores al 25 por ciento del máximo normalizado, el uso del filtrado FWQM puede permitir a los sistemas de medición tener una excesiva oscilación óptica y eléctrica. Por tanto, los resultados tomados con sistemas de medición menos robustos pueden utilizarse para determinar su adecuación a la máscara DMD, ya que se ignoran las señales espurias inferiores al 25 por ciento de la potencia máxima normalizada. Aunque estos sistemas pueden reducir el coste de fabricación, esta reducción se consigue a costa de la precisión y exactitud de la medición, lo que podría traducirse en problemas de rendimiento funcional. Se incorporan en el uso de la máscara DMD otras adaptaciones de medición especiales, tales como la eliminación aritmética de la señal de referencia. Esta eliminación aumenta la comodidad a expensas de la precisión. Para eliminar adecuadamente la respuesta del sistema de medición a fin de aislar la respuesta de la fibra, es preciso deconvolucionar el impulso de referencia de la respuesta del impulso recibido de forma congruente con la teoría de sistemas LTI (lineal invariante en el tiempo). La simple sustracción aritmética del impulso de referencia puede conducir a una falta de escalabilidad en los resultados de las máscaras. Por ejemplo, dos sistemas de medición, cada uno con distintas respuestas temporales, pueden producir resultados distintos para la misma fibra. La máscara puede mostrar una adecuación mediante una sustracción aritmética simplista de la referencia, mientras que las mediciones más adecuadas con deconvolución pueden indicar que la fibra no es capaz de un rendimiento del sistema a altas velocidades. La máscara DMD también presenta problemas en relación con su capacidad para garantizar que todas las fibras sean compatibles con todos los transmisores conformes con el estándar. Cada plantilla admite una cantidad variable de retraso de modo como función de la posición radial en el núcleo. Los retrasos temporales variables en las regiones interna y externa representan los distintos niveles de rigidez de los requisitos a cumplir, según las características de tamaño del punto de los transceptores utilizados en sistemas de alta velocidad. Los resultados DMD sólo precisan pasar una de las seis plantillas de enmascaramiento para calificar una fibra como OM3, pero esto puede provocar problemas funcionales en la aplicación. Los sistemas reales utilizan VCSEL (láser de cavidad vertical de emisión por superficie) de 850 nm con límites EF (flujo inscrito) definidos. Estos límites definen la cantidad de luz que debe inyectarse en una ubicación radial específica del núcleo de la fibra. En el caso de las fibras OM3, los VCSEL podrían emitir hasta un 30 por ciento de su potencia dentro de los primeros 4,5 µm del radio del núcleo y al menos el 86 por ciento de su luz a los primeros 19 µm del radio del núcleo. Obviamente, determinadas combinaciones de VCSEL con fibras que pasan por una máscara concreta podrían provocar problemas de rendimiento. Por ejemplo, el acoplamiento de una fuente VCSEL externa activa con una fibra que tenga mayor capacidad de dispersión modal en las posiciones radiales más elevadas podría poner en riesgo el rendimiento satisfactorio del enlace del sistema. Además, la máscara sólo se aplica a los primeros 23 µm de radio para una fibra con núcleo de 25 µm de radio. Aunque los VCSEL pueden tener un punto de inyección de tamaño ligeramente menor que las fuentes tradicionales (p. ej., LED), no debería ignorarse el retraso de modo en las posiciones radiales más altas. Por lo general, una fibra multimodal recibe un valor medido que describe el rendimiento de ancho de banda de la fibra multimodal. Los usuarios de banda ancha no están familiarizados con los resultados de la máscara DMD. Si se indica un valor de máscara, se asigna a la fibra un conjunto de valores de retraso en picosegundos por metro (ps/m). En algunos casos sólo puede ofrecerse un resultado de apto/no apto en relación con la especificación OM3, sin datos de medición adicionales. Es posible que los valores de retraso no puedan convertirse a un valor de ancho de banda más familiar, pero su significado y escalabilidad no son iguales a los valores normalizados comprobados de MHz•km habituales en las industrias de las comunicaciones ópticas y por cable de cobre. Las limitaciones inherentes a la máscara DMD han forzado a la comunidad de medición del ancho de banda a buscar innovaciones. Los usuarios finales precisaban un valor de ancho de banda con el que estuvieran familiarizados, en MHz•km, que indicase claramente la capacidad de rendimiento y garantizase el rendimiento en un sistema óptico de alta velocidad con VCSEL homologados. La medición DMD seguía constituyendo el sistema más eficaz disponible para caracterizar la fibra, pero era preciso que se mejorase significativamente mediante innovaciones que permitieran alcanzar el objetivo deseado de un valor de ancho de banda real. La nueva medición y el resultado ofrecido debían contar con una capacidad suficiente para abarcar una amplia gama dinámica y de respuesta de frecuencias que permitiera su uso en un sistema de medición de mayor potencia. Si los resultados de salida DMD fueran suficientemente refinados y robustos, podrían añadirse al perfil del punto de luz procedente de los transceptores reales, lo que permitiría obtener un valor calculado fiable del ancho de banda. Por comodidad, los proveedores de VCSEL habían definido restricciones sobre EF, por lo que se comprendía bien la distribución de la energía óptica inyectada a la fibra. La combinación de estos dos atributos (DMD de la fibra y ubicación de la energía de inyección VCSEL) parecieron constituir la forma de llegar a un sistema de medición más optimizado. Los resultados DMD sólo precisan pasar una de las seis plantillas de enmascaramiento para calificar una fibra como OM3, pero esto puede provocar problemas funcionales en la aplicación. Los sistemas reales utilizan VCSEL (láser de cavidad vertical de emisión por superficie) de 850 nm con límites EF (flujo inscrito) definidos. Estos límites definen la cantidad de luz que debe inyectarse en una ubicación radial específica del núcleo de la fibra. En el caso de las fibras OM3, los VCSEL podrían emitir hasta un 30 por ciento de su potencia dentro de los primeros 4,5 µm del radio del núcleo y al menos el 86 por ciento de su luz a los primeros 19 µm del radio del núcleo. Obviamente, determinadas combinaciones de VCSEL con fibras que pasan por una máscara concreta podrían provocar problemas de rendimiento. Por ejemplo, el acoplamiento de una fuente VCSEL externa activa con una fibra que tenga mayor capacidad de dispersión modal en las posiciones radiales más elevadas podría poner en riesgo el rendimiento satisfactorio del enlace del sistema. Además, la máscara sólo se aplica a los primeros 23 µm de radio para una fibra con núcleo de 25 µm de radio. Aunque los VCSEL pueden tener un punto de inyección de tamaño ligeramente menor que las fuentes tradicionales (p. ej., LED), no debería ignorarse el retraso de modo en las posiciones radiales más altas. Por lo general, una fibra multimodal recibe un valor medido que describe el rendimiento de ancho de banda de la fibra multimodal. Los usuarios de banda ancha no están familiarizados con los resultados de la máscara DMD. Si se indica un valor de máscara, se asigna a la fibra un conjunto de valores de retraso en picosegundos por metro (ps/m). En algunos casos sólo puede ofrecerse un resultado de apto/no apto en relación con la especificación OM3, sin datos de medición adicionales. Es posible que los valores de retraso no puedan convertirse a un valor de ancho de banda más familiar, pero su significado y escalabilidad no son iguales a los valores normalizados comprobados de MHz•km habituales en las industrias de las comunicaciones ópticas y por cable de cobre. Las limitaciones inherentes a la máscara DMD han forzado a la comunidad de medición del ancho de banda a buscar innovaciones. Los usuarios finales precisaban un valor de ancho de banda con el que estuvieran familiarizados, en MHz•km, que indicase claramente la capacidad de rendimiento y garantizase el rendimiento en un sistema óptico de alta velocidad con VCSEL homologados. La medición DMD seguía constituyendo el sistema más eficaz disponible para caracterizar la fibra, pero era preciso que se mejorase significativamente mediante innovaciones que permitieran alcanzar el objetivo deseado de un valor de ancho de banda real. La nueva medición y el resultado ofrecido debían contar con una capacidad suficiente para abarcar una amplia gama dinámica y de respuesta de frecuencias que permitiera su uso en un sistema de medición de mayor potencia. Si los resultados de salida DMD fueran suficientemente refinados y robustos, podrían añadirse al perfil del punto de luz procedente de los transceptores reales, lo que permitiría obtener un valor calculado fiable del ancho de banda. Por comodidad, los proveedores de VCSEL habían definido restricciones sobre EF, por lo que se comprendía bien la distribución de la energía óptica inyectada a la fibra. La combinación de estos dos atributos (DMD de la fibra y ubicación de la energía de inyección VCSEL) parecieron constituir la forma de llegar a un sistema de medición más optimizado. Aparición de EMBc Los proveedores de fibra encontraron la solución a este problema en el EMBc (ancho de banda modal efectivo calculado). EMBc es un sistema de medición que permite calcular un valor único del ancho de banda para cualquier combinación de fibra y distribución de la energía óptica de la fuente, ya sea medida a partir de un transmisor real o derivada teóricamente para una distribución de la fuente óptica EF definida. El método de medición EMBc fue el segundo sistema métrico de evaluación incorporado en los estándares OM3. El cálculo de EMBc aumenta el nivel del rendimiento del sistema de medición DMD. Para crear un sistema de medición DMD preparado para EMBc, se precisan horas de diseño de ingeniería y selección minuciosa de componentes. A diferencia de la máscara DMD, que pasa por alto la energía de los impulsos de salida por debajo de una amplitud del 25 por ciento, EMBc utiliza toda la señal óptica recibida para calcular el valor del ancho de banda. Por tanto, es preciso eliminar o reducir en gran medida las fuentes de ruido, oscilación fuente/detector y otros dispositivos espurios de medición. Un sistema DMD preparado para EMBc debe utilizar fuentes láser (generalmente un láser Ti:zafiro) detectores y componentes periféricos ópticos y mecánicos del máximo rendimiento. Es preciso utilizar un tamaño de punto excepcionalmente pequeño para la señal sonda, con el fin de garantizar que se midan adecuadamente los retrasos del grupo en cada ubicación específica del núcleo de la fibra. Adicionalmente, para obtener un EMBc preciso y exacto, es fundamental utilizar prácticas particularmente cuidadas, como son el centrado preciso de la fibra sonda en relación con la fibra sometida a prueba, la adecuada selección de la horquilla temporal del osciloscopio, unas técnicas apropiadas de muestreo temporal y la recogida completa de toda la potencia recibida. El valor EMBc se aplica de forma distinta a la máscara DMD. Aunque se requiere que una fibra pase una sola máscara para ser clasificada como capacitada para OM3, se requiere que tenga valores EMBc (ancho de banda en MHz•km) por encima de un valor umbral definido como estándar al evaluarla con la distribución de potencia de inyección de 10 VCSEL representativos. Las 10 distribuciones de potencia de inyección abarcan por completo la especificación EF para VCSEL capacitadas para OM3 anteriormente descrita. Cualquier pequeño fallo de retraso en el perfil DMD de la fibra o retrasos de modo excesivos en cualquier área localizada tendría como resultado una importante reducción del EMBc. Esto es contrario a la aplicación de la máscara DMD, que ignora las señales inferiores al 25 por ciento del máximo normalizado. El mínimo de los 10 valores EMBc se utiliza para establecer la medida apto/no apto del registro (llamado mínimo ancho de banda modal efectivo calculado, o minEMBc). Esto garantiza que el peor emparejamiento posible de DMD fibra y fuente VCSEL defina de forma conservadora el rendimiento de la fibra. Por tanto, minEMBc constituye una prueba mucho más rigurosa de la adecuación y funcionalidad que la máscara DMD. La potencia de 10 Un examen más detallado de la figura 6 (Fuentes para el modelo TIA) muestra que existe un amplio rango de posibles valores EF transmisor adecuados que abarcan desde activos en el centro (con una potencia óptica cercana al 30 por ciento a 4,5 µm hasta activos en el exterior (apenas un 86 por ciento de potencia óptica a 19 µm). Las 10 ponderacio- nes representan por completo la distribución de transmisor teórica que se consideró en la determinación de las especificaciones OM3. Las evaluaciones independientes de las distribuciones EF de los transmisores han confirmado la adecuación del uso de estas 10 ponderaciones estándar relativas a la distribución total de las fuentes reales. De hecho, estos estudios han descubierto otro punto sobre las distribuciones EF de los transmisores. Algunos trabajos recientes sugieren que las fuentes de mayor limitación (Fuentes 1 y 5, según vemos en la figura 5, Cálculo de EMBc) son poco habituales en la población real de transceptores. Una revisión de los resultados minEMBc reales en fibras de producción revela que estas dos ponderaciones producen la inmensa mayoría de los valores minEMBc. En otras palabras, es muy improbable que las fuentes que producen los valores minEMBc aparezcan en un sistema real. Este hecho proporciona a minEMBc una capa adicional de seguridad, ya que las fuentes más comunes tienden a tener un resultado EMBc muy superior al valor minEMBc. Además, minEMBc es muy robusto y puede adaptarse fácilmente a nuevos estándares y distribuciones de transceptores a medida que aparezcan en el mercado nuevas fuentes y aplicaciones. Los estándares de rendimiento mejorados para sistemas de medición DMD pueden explicar cómo evolucionó EMBc, pero no abordan el requisito más importante de los atributos de una fibra: la relación con la funcionalidad del sistema. Como se ha indicado anteriormente, una fibra óptica multimodal sólo ha de satisfacer una de las seis plantillas de enmascaramiento para satisfacer los requisitos de OM3. El DMD máximo en cualquier fibra aislada puede variar entre 0,33 y 0,7 ps/m, dependiendo de la plantilla de enmascaramiento que satisfaga la fibra. Si una fibra pasa una plantilla de enmascaramiento concreta, por ejemplo, podría emparejarse con un VCSEL que no está optimizado para una fibra con ese perfil DMD concreto. Como resultado, la asociación entre el rendimiento de la máscara y la funcionalidad real del sistema puede resultar problemática. Sin embargo, EMBc utiliza los dos datos de enlace más significativos: el perfil DMD de la fibra y las características de la fuente de luz VCSEL. Se utiliza el EMBc mínimo de 10 láseres diversos para certificar el rendimiento OM3. El uso de los valores EMBc más conservadores proporciona la máxima seguridad de que la fibra operará de la forma designada al emparejarse con un VCSEL conforme con los estándares en un enlace óptico. La evaluación de minEMBc como función del BER de un sistema o penalización de la dispersión puede inducir a pensar que este sistema métrico no está totalmente correlacionado con todas las fuentes VCSEL. Como el valor minEMBc representa la medida del ancho de banda registrada, una fibra que cumpla este requisito será totalmente compatible con toda la gama de transceptores conformes con los estándares. Cada VCSEL único conforme con el estándar tendrá su EF único, que proporcionará un EMBc único. El EMBc específico suele ser muy superior a los requisitos especificados para fibras OM3. En consecuencia, las fibras con minEMBc apto darán lugar a un resultado satisfactorio en sistemas OM3 al emparejarse con un transceptor conforme con el estándar. La comparación de BER o penalización de la dispersión para un enlace concreto, sin embargo, puede no correlacionarse bien con el valor minEMBc de la fibra. Para optimizar la correlación con BER y penalización de la dispersión, la comparación de EMBc y la funcionalidad del sistema deben utilizar la ponderación para el VCSEL que se estudia. Algunos estudios técnicos recientes reflejan la tendencia hacia una evaluación de la funcionalidad de los sistemas basada en el EMBc calculado para una combinación fuente/fibra determinada, en lugar del uso del valor minEMBc, muy conservador. Están previstos trabajos futuros que demostrarán la correlación de fibra/EMBc fuente específica con atributos de rendimiento del sistema, como penalización de energía o proporción bits/errores. Métodos alternativos Si la imitación es la forma más sincera de halago, EMBc tiene razones para sonrojarse. Las organizaciones de normalización del sector han acordado recientemente desarrollar OFLc (ancho de banda con saturación calculada) como método de medición alternativo para el ancho de banda OFL. OFLc utilizará el DMD de una fibra y una ponderación acordada para calcular el valor de ancho de banda OFL. Este método eliminará la tremenda variabilidad en los valores de ancho de banda OFL debidos a la variación permisible en inyecciones con saturación y otras diferencias entre puntos de referencia en sistemas de medición. Aunque es posible que no convierta a OFL en una medición más funcional, debería fomentar un acuerdo en términos de sistemas de medición al comparar sistemas DMD de igual capacidad. Nombre: Luiggi Escalante CI. 18878611 CRF Fuente: http://www.conectronica.com/cables-fibra-optica/una-evolucion-inteligente-de-los-sistemas-de-medicion-del-ancho-de-banda

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