Medidor de potencia óptica

Un medidor de potencia óptica ( OPM ) es un dispositivo que se utiliza para medir la potencia de una señal óptica . El término suele referirse a un dispositivo que se usa para medir la potencia promedio en sistemas de fibra óptica . Otros dispositivos de medición de potencia de luz de uso general se denominan habitualmente radiómetros , fotómetros , medidores de potencia láser (que pueden ser sensores de fotodiodo o sensores láser de termopila ), medidores de luz o luxómetros.

Un medidor de potencia óptica típico consta de un sensor calibrado , un amplificador de medición y una pantalla. El sensor se compone principalmente de un fotodiodo seleccionado para los rangos de longitud de onda y niveles de potencia adecuados. En la pantalla se muestra la potencia óptica medida y la longitud de onda configurada. Los medidores de potencia se calibran utilizando un patrón de calibración trazable.

Un medidor de potencia óptica tradicional responde a un amplio espectro de luz; sin embargo, su calibración depende de la longitud de onda. Esto no suele ser un problema, ya que la longitud de onda de prueba generalmente se conoce, pero presenta algunas desventajas. En primer lugar, el usuario debe configurar el medidor a la longitud de onda de prueba correcta; y en segundo lugar, la presencia de longitudes de onda espurias puede generar lecturas erróneas.

Los medidores de potencia óptica están disponibles como instrumentos de sobremesa o portátiles independientes, o combinados con otras funciones de prueba, como una fuente de luz óptica (OLS), un localizador visual de fallos (VFL), o como subsistema en un instrumento modular o de mayor tamaño. Generalmente, un medidor de potencia se utiliza solo para medir la potencia óptica absoluta, o con una fuente de luz equivalente para medir las pérdidas.

Cuando se combina con una fuente de luz, el instrumento se denomina equipo de prueba de pérdida óptica (OLTS, por sus siglas en inglés) y se utiliza normalmente para medir la potencia óptica y la pérdida óptica total. Los OLTS más avanzados pueden incorporar dos o más medidores de potencia, lo que les permite medir la pérdida de retorno óptico . El documento GR-198 , Requisitos genéricos para fuentes de luz estabilizadas portátiles, medidores de potencia óptica, medidores de reflectancia y equipos de prueba de pérdida óptica , analiza en detalle los equipos OLTS.

Como alternativa, un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo (OTDR) puede medir indirectamente la pérdida del enlace óptico si sus marcadores se colocan en los puntos terminales para los que se desea medir la pérdida de la fibra. Esta medición unidireccional puede resultar bastante imprecisa si hay varias fibras en un enlace, ya que el coeficiente de retrodispersión varía entre ellas. La precisión puede mejorarse si se realiza un promedio bidireccional. El documento GR-196, archivado el 7 de marzo de 2012 en Wayback Machine , titulado "Requisitos genéricos para equipos tipo reflectómetro óptico en el dominio del tiempo (OTDR)" , analiza en profundidad los equipos OTDR.

Los principales tipos de sensores semiconductores son el silicio (Si), el germanio (Ge) y el arseniuro de indio y galio (InGaAs). Además, estos pueden utilizarse con elementos atenuadores para pruebas de alta potencia óptica o con elementos selectivos de longitud de onda para que solo respondan a longitudes de onda específicas. Todos funcionan en un circuito similar ; sin embargo, además de sus características básicas de respuesta a la longitud de onda, cada uno presenta otras características particulares.

• Los detectores de silicio tienden a saturarse a niveles de potencia relativamente bajos y solo son útiles en las  bandas visible y de 850 nm, donde generalmente ofrecen un buen rendimiento.
• Los detectores de germanio se saturan a los niveles de potencia más altos, pero presentan un rendimiento deficiente a baja potencia, una linealidad general baja en todo el rango de potencia y, por lo general, son sensibles a la temperatura. Su precisión para las pruebas a 1550 nm es solo marginal, debido a la combinación de la temperatura y la longitud de onda que afecta la respuesta, por ejemplo, a 1580  nm. Sin embargo, ofrecen un rendimiento útil en las bandas de longitud de onda de 850, 1300 y 1550  nm, de uso común, por lo que se utilizan ampliamente donde se acepta una menor precisión. Otras limitaciones incluyen: no linealidad a bajos niveles de potencia y una baja uniformidad de respuesta en toda el área del detector.
• Los detectores de InGaAs se saturan a niveles intermedios. Ofrecen un rendimiento generalmente bueno, pero suelen ser muy sensibles a la longitud de onda alrededor de los 850  nm. Por ello, se utilizan principalmente para pruebas de fibra monomodo en el rango de 1270 a 1650  nm.

Una parte importante del sensor de un medidor de potencia óptica es la interfaz del conector de fibra óptica. Se requiere un diseño óptico cuidadoso para evitar problemas de precisión significativos al utilizarlo con la amplia variedad de tipos de fibra y conectores que se encuentran habitualmente.

Otro componente importante es el amplificador de entrada del sensor. Su diseño requiere mucha atención para evitar una degradación significativa del rendimiento en una amplia gama de condiciones.

Un OPM típico es lineal desde aproximadamente 0 dBm (1 milivatio ) hasta aproximadamente -50 dBm (10 nanovatios), aunque el rango de visualización puede ser mayor. Por encima de 0 dBm se considera "alta potencia", y las unidades especialmente adaptadas pueden medir hasta casi +30 dBm (1 vatio). Por debajo de -50 dBm es "baja potencia", y las unidades especialmente adaptadas pueden medir hasta -110 dBm. Independientemente de las especificaciones del medidor de potencia, las pruebas por debajo de aproximadamente -50 dBm tienden a ser sensibles a la luz ambiental parásita que se filtra en las fibras o conectores. Por lo tanto, cuando se realizan pruebas a "baja potencia", es recomendable algún tipo de verificación de rango/linealidad de prueba (fácilmente realizada con atenuadores). A niveles de baja potencia, las mediciones de la señal óptica tienden a volverse ruidosas, por lo que los medidores pueden volverse muy lentos debido al uso de una cantidad significativa de promedio de señal .

Para calcular dBm a partir de la salida del medidor de potencia  : El método de cálculo lineal a dBm es: dB = 10 log ( P1 / P2 ) donde P1 = nivel de potencia medido (por ejemplo, en mWatts ), P2 = nivel de potencia de referencia, que es 1  mW

La calibración y precisión de los medidores de potencia óptica es un tema controvertido. La precisión de la mayoría de los patrones de referencia primarios (por ejemplo, peso , tiempo , longitud, voltio , etc.) se conoce con alta exactitud, generalmente del orden de una parte en mil millones. Sin embargo, los patrones de potencia óptica mantenidos por diversos laboratorios nacionales de normalización solo se definen con una precisión de aproximadamente una parte en mil. Cuando esta precisión se degrada aún más a través de sucesivos eslabones, la precisión de calibración del instrumento suele ser de solo unos pocos  porcentajes. Los medidores de potencia óptica de campo más precisos afirman tener una precisión de calibración del 1 %. Esto es órdenes de magnitud menos preciso que un medidor eléctrico comparable.

Los procesos de calibración para medidores de potencia óptica se describen en la norma IEC 61315 Ed. 3.0 b:2019 - Calibración de medidores de potencia de fibra óptica.

Además, la precisión real en uso suele ser significativamente menor que la precisión de calibración declarada, una vez que se consideran factores adicionales. En aplicaciones típicas de campo, estos factores pueden incluir: temperatura ambiente, tipo de conector óptico, variaciones de longitud de onda, variaciones de linealidad , variaciones de geometría del haz y saturación del detector.

Por lo tanto, lograr un buen nivel de precisión y linealidad en los instrumentos prácticos requiere habilidad en el diseño y una alta competencia en la fabricación.

Dada la creciente importancia mundial de la fiabilidad de la transmisión de datos y la fibra óptica, así como la drástica reducción del margen de pérdida óptica de estos sistemas en los centros de datos, se hace mayor hincapié en la precisión de los medidores de potencia óptica y en el cumplimiento adecuado de la trazabilidad mediante la calibración acreditada por la Cooperación Internacional de Acreditación de Laboratorios (ILAC), que incluye la trazabilidad metrológica a las normas nacionales y la acreditación de laboratorios externos según la norma ISO/IEC 17025 para mejorar la confianza en las afirmaciones generales sobre la precisión.

Un tipo de medidores de potencia de laboratorio presenta una sensibilidad extendida del orden de -110 dBm. Esto se logra mediante el uso de un detector y una lente muy pequeños, así como un modulador de luz mecánico a una frecuencia típica de 270  Hz, de modo que el medidor mide luz alterna. Esto elimina los inevitables efectos de deriva eléctrica continua. Si el modulador de luz se sincroniza con un amplificador síncrono (o de detección síncrona) adecuado, se consiguen mayores aumentos de sensibilidad. En la práctica, estos instrumentos suelen tener una precisión absoluta menor debido al pequeño diodo detector y, por la misma razón, solo son precisos cuando se conectan a fibra monomodo. En ocasiones, estos instrumentos pueden tener un detector refrigerado, aunque con el abandono de los sensores de germanio y la introducción de los sensores de InGaAs, esto es cada vez menos común.

Los medidores de potencia óptica suelen mostrar la potencia promedio en el tiempo. Por lo tanto, para las mediciones de pulsos, es necesario conocer el ciclo de trabajo de la señal para calcular el valor de potencia pico. Sin embargo, la potencia pico instantánea debe ser menor que la lectura máxima del medidor, o el detector podría saturarse, lo que resultaría en lecturas promedio erróneas. Además, a bajas frecuencias de repetición de pulsos, algunos medidores con detección de datos o tono pueden producir lecturas incorrectas o ninguna lectura. Una clase de medidores de "alta potencia" cuenta con algún tipo de elemento atenuador óptico delante del detector, que generalmente permite un  aumento de aproximadamente 20 dB en la lectura de potencia máxima. Por encima de este nivel, se utiliza una clase completamente diferente de instrumento "medidor de potencia láser", generalmente basado en detección térmica.

• Medición de la potencia absoluta en una señal de fibra óptica. Para esta aplicación, el medidor de potencia debe estar correctamente calibrado a la longitud de onda que se está probando y configurado para dicha longitud de onda.
• Medición de la pérdida óptica en una fibra, en combinación con una fuente de luz estable adecuada. Dado que se trata de una prueba relativa, la calibración precisa no es un requisito indispensable, a menos que se utilicen dos o más medidores debido a problemas de distancia. Si se realiza una prueba de pérdida bidireccional más compleja, se puede prescindir de la calibración del medidor de potencia, incluso cuando se utilizan dos medidores.
• Algunos instrumentos están equipados para la detección de tonos de prueba ópticos, lo que facilita la comprobación rápida de la continuidad del cable. Los tonos de prueba estándar suelen ser de 270  Hz, 1 kHz y 2 kHz. Algunas unidades también pueden determinar uno de los 12 tonos disponibles ^{[ 1 ]} para la comprobación de la continuidad de la fibra óptica.  

Las características típicas de automatización de pruebas suelen aplicarse a las aplicaciones de pruebas de pérdidas e incluyen:

• La capacidad de configurar la unidad para que lea 0  dB a un nivel de potencia de referencia, normalmente la fuente de prueba.
• La capacidad de almacenar lecturas en la memoria interna para su posterior recuperación y descarga a un ordenador.
• La capacidad de sincronizar la longitud de onda con una fuente de prueba permite que el medidor se ajuste a dicha longitud de onda. Esto requiere una fuente específicamente adaptada. La forma más sencilla de lograrlo es mediante el reconocimiento de un tono de prueba, pero la mejor es mediante la transferencia de datos. El método de datos ofrece la ventaja de que la fuente puede enviar información útil adicional, como el nivel de potencia nominal, el número de serie, etc.

Un medidor de potencia óptica (OPM) de propósito especial, cada vez más común y conocido como "medidor de potencia PON", está diseñado para conectarse a un circuito PON ( red óptica pasiva ) en funcionamiento y medir simultáneamente la potencia óptica en diferentes direcciones y longitudes de onda. Esta unidad es esencialmente un medidor de potencia triple, con varios filtros de longitud de onda y acopladores ópticos. La calibración precisa se complica debido al ciclo de trabajo variable de las señales ópticas medidas. Puede incluir una pantalla simple de aprobado/reprobado para facilitar su uso por operadores con poca experiencia.

La sensibilidad a la longitud de onda de un medidor de potencia de fibra óptica es un problema cuando se utiliza un fotodiodo para la medición de voltaje y corriente. Si la medición sensible a la temperatura reemplaza la medición de voltaje y corriente mediante un fotodiodo, la sensibilidad a la longitud de onda de un medidor de potencia óptica puede reducirse. Por lo tanto, si el fotodiodo se polariza inversamente con una fuente de voltaje constante y se alimenta con corriente constante, al ser activado por la luz, la unión disipa potencia. La temperatura de la unión aumenta y el aumento de temperatura medido por el termistor es directamente proporcional a la potencia óptica. Debido al suministro de corriente constante, la reflexión de potencia hacia el fotodiodo es prácticamente nula y la transición de electrones entre la banda de valencia y la banda de conducción, y viceversa, es estable.

• Atenuador óptico

• Notas de aplicación de la OPM
• Nota de aplicación de greenTEG sobre medición de potencia láser
• Directrices para la especificación de OPM