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Fabricación de la Fibra óptica
1. Introducción
La fibra monomodo es excelente para las transmisiones de larga distancia,
mientras que la multimodo es fácil de manejar e interconectar y lo hace muy
popular, y es la escogida en el mercado del área local, tanto las LAN como WAN.
2. Proceso de tres-paso
Para convertir la materia prima en fibra óptica, se siguen tres pasos:
1.-fabricación del preformado de vidrio puro.
2.-estirado del preformado.
3.-las pruebas y mediciones.
El primer paso en la fabricación de la fibra óptica, es fabricar una varilla de vidrio
sólida, conocido como preformado. Químicos altamente puros principalmente el
tetracloruro de Silicio y Tetracloruro de germanio se convierten en vidrio durante la
fabricación del preformado. Estos químicos se usan en proporciones variables
para fabricar las regiones del núcleo en los diferentes tipos de preformados.
Los núcleos de fibras normalmente usan el sílice, con cantidades variables de
germanio que es agregado para aumentar el índice refractivo del núcleo.
3. Materiales usados por la fibra
Existen varios materiales que pueden ser utilizados en la fabricación de la fibra,
pero solo algunos de ellos tienen las características especiales requeridas por la
fibra.
 El material debe permitirnos fabricar fibras, delgadas, flexibles y largas.
 El material debe ser transparente a una longitud de onda particular para
poder guiar la luz de manera eficiente.
 Compatibilidad física de los materiales que tengan pequeñas diferencias de
índice refractivo para el núcleo y el cladding.
 Finalmente, debe de ser un material que sea abundante y barato.
4. Tipos de Fibra
Dos de los materiales que cumplen con estos requisitos son el plástico y el vidrio:
 Fibra de Vidrio
La mayoría de los vidrios transparentes ópticos con el cual están fabricadas las
fibras están compuestos por los óxidos de vidrio. El más popular es la sílica
(SiO2). Un vidrio compuesto de silica pura conocido como vidrio de sílice, o sílice
vitrea. El vidrio es fabricado por la fusión o mixtura de óxidos de metal, sulfuros o
seleniuros.
Algunas de sus propiedades buscadas son su resistencia a la deformación por
altas temperaturas, buena durabilidad química, y alta transparencia tanto en la
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región visible como infrarroja que son de interés en los sistemas ópticos.
Para producir dos materiales diferentes y con pequeñas diferencias de índices de
refracción entre el núcleo y la corteza, el flúor u otros óxidos son comúnmente
agregados al silicio. Estos dopantes lo podemos clasificar en dos grupos básicos:
o
Dopantes que incrementan el IOR
o
Dopantes, que disminuyen el IOR.
Por ejemplo, el B2O3 y los dopantes de flúor que hacen decrecer el IOR, mientras
que el GeO2, P2O5 incrementarán el IOR de un material tal como mostramos en
la figura.
La siguiente lista nos muestra algunos dopantes que se usan para fabricar el
núcleo y el cladding de varias fibras.
Core
SiO 2
GeO 2 -SiO 2
P 2 O 5 -SiO 2
Cladding
B 2 O 3 -SiO 2
SiO 2
SiO 2
 Fibras de vidrios Halide
El segundo tipo de vidrio usado es del tipo halide. Se ha encontrado que el vidrio
de fluoruro tiene perdidas de transmisión extremadamente baja para longitudes de
onda que van en el rango de 0.2 a 0.8 μm. Los vidrios de fluoruros pertenecen a la
familia general de los vidrios halide que forman el grupo VII de la tabla periódica, y
que empiezan con el Fluoruro, cloro, bromo y Yodo. El material en el que los
investigadores se han concentrado es el vidrio de metal pesado de fluoruro, que
usa ZrF4 (Fluoruro de Zirconio) como su mayor componente. Algunos otros
constituyentes necesitan ser adicionados para lograr que el vidrio tenga una
moderada resistencia a la cristalización.
La mezcla de zirconio, bario, lantano, sodio y aluminio, este tipo de vidrio (también
conocido como ‘ZBLAN’) es cientos de veces más transparente que el vidrio de
sílice, fue descubierto accidentalmente por POULAIN y LUCAS en la Universidad
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de Rennes en Francia.
ZBLAN es el material que forma el núcleo de la fibra de vidrio para lograr en el
vidrio un índice refractivo bajo, remplazando parcialmente el ZrF4 por el HaF4 se
obtiene el cladding de ZHBLAN. Teóricamente, la mínima atenuación de este
material está estimada en 0.001 dB/Km.
Desafortunadamente, las fibras de vidrio de fluoruro son muy difíciles de producir
en la Tierra. Los fundidos tienden a cristalizar antes de que se forme el vidrio. La
razón es que la gravedad produce la convección o mezcla en el fundido. En efecto,
la gravedad la ‘remueve’, y, en un proceso conocido como dilución de corte, el
fundido se vuelve más fluido. En los fundidos que son más fluidos, como esos
removidos por la gravedad, los átomos se mueven más rápidamente, por lo que
pueden disponerse en arreglos más geométricos más rápidamente. En fundidos
más espesos y viscosos, los átomos se mueven más lentamente. Es más difícil
que se formen patrones regulares. Es más probable que el fundido forme un vidrio.
De aquí que teóricamente una microgravedad, los fundidos deberían de ser más
viscosos de lo que lo son en la Tierra.
 Fibra de Vidrios Chalcogenide (Calcogenuros)
Además de permitir la creación de amplificadores ópticos, las propiedades no
lineales de las fibras de vidrios pueden ser explotadas para otras aplicaciones,
tales como la fabricación de switches ópticos y los láseres de fibra. Los vidrios del
tipo Chalcogenides pueden ser usados satisfactoriamente en estas aplicaciones
debido a que su alta no linealidad. Las fibras de vidrios Chalcogenides, contienen
Arsenio, Germanio, Fósforo, Sulfuro, Selenio o Telurio.
Los vidrios chalcogenides están basados en los elementos calcogenuros con base
S, Se y Te y la adición de otros elementos tales como el Ge, St y Sb que conducen
a la formación de vidrios estables. Asimismo se pueden agregar componentes
Halides conduciendo a la formación de vidrios Chalcohalides.
Desde que los vidrios chalcogenides transmiten mayores longitudes de ondas que
los vidrios de sílica en el IR y que los vidrios Fluoridos, existe un potencial muy
amplio de aplicaciones para estos tipos de vidrios. Estos pueden dividirse en dos
grupos, tanto pasivos como activos.
Las aplicaciones pasivas están referidas a la conducción de la luz de un punto a
otro, sin cambiar las propiedades ópticas, más que las relacionadas con las
pérdidas debido al scattering, absorción, y reflexión asociadas con la fibra.
Las aplicaciones activas son aquellas en las cuales la luz inicial al ser propagada a
través de la fibra es modificada por un proceso diferente al de las pérdidas
producidas por el scatetring, absorción y reflexión. Por ejemplo los láseres, fuentes
amplificadoras de luz, fuentes de luz, efectos grattings y los efectos no lineales
 Fibra Óptica de Plástico
Como mencionamos antes, el plástico es algunas veces usado en lugar de la fibra
óptica de vidrio. Las fibras de plásticos han sido usados tradicionalmente en
espacios de distancias cortas (hasta 100 metros) y donde no se requiere
resistencias físicas: Por ejemplo, pueden ser utilizados en aplicaciones médicas y
para la fabricación de algunos sensores donde solo se requieren longitudes cortas
de fibra. En adición, la flexibilidad mecánica del plástico permite a estas fibras
tener núcleos amplios. Este factor permite su uso por lo barato, y hace atractivos
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estos tipos de sistemas. Los siguientes son algunos ejemplos de los componentes
usados en las fibras de plástico:
• Núcleo polysterene / cladding methyl methacrylate.
• Núcleo polymethyl methacrylate /cladding copolymer
Comparando las fibras de plásticos a su contraparte el vidrio, el espectro de
transmisión es similar. La POF son más livianas y bajas en costo. Sin embargo las
POF son menos usadas debido a su alta atenuación en comparación a las de
vidrio. Otra limitación es que el plástico está limitado a un determinado rango de
temperatura.
La fibra óptica de Plástico cuya abreviatura es POF, típicamente usa núcleo de
Polimetilmetacrilato PMM de gran pureza con un recubrimiento de polímeros
fluorados como cubierta.
Son de gran diámetro, 96% de su sección está conformada por el núcleo que
permite la transmisión de la luz.
5. Proceso de fabricación
Paso 01: Fabricación del Preformado
La sección del preformado viene a ser una ampliación a escala de las dimensiones
geométricas y del perfil del índice de refracción del conductor de fibra óptica.
Calentando un extremo de la preforma se estira hasta obtener el conductor de
fibra final, aplicándose en simultaneo el revestimiento (coating) que hace las veces
de cubierta protectora del conductor.
Tenemos los siguientes métodos conocidos:
Método por fusión de vidrio o Método directo
A. Método de la varilla en tubo (rod in tube)
Este fue uno de los primeros métodos usados, en este proceso y es uno de los
más simple, se introduce una varilla de vidrio de alto índice como núcleo en un
tubo que hace de recubrimiento y está formado por vidrio de con un bajo índice de
refracción. Las dimensiones de la varilla y del tubo son tales que prácticamente no
queda espacio entre una y otro.
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Una varilla de vidrio como núcleo se coloca dentro del tubo de vidrio del cladding.
En el extremo de este ensamblado se aumenta la temperatura; y ambos vidrios
son ablandados obteniéndose una fibra por arrastre. .La varilla y el tubo son
normalmente de 1 m. de longitud. La varilla del núcleo tiene típicamente 30 mm de
diámetro. El vidrio del núcleo y el vidrio del cladding deben tener temperaturas de
ablandamiento similares.
Este método es relativamente fácil: apenas se necesita comprar la varilla y el tubo.
Sin embargo, uno debe tener mucho cuidado para no introducir impurezas entre el
núcleo y el cladding.
La desventaja de este método simple consiste en que después del estirado de la
fibra quedan pequeñísimos deterioros e impurezas en la superficie de separación
entre ambos vidrios, lo que ocasiona elevadas atenuaciones del orden de los 500
a 1000 dB/Km. , por este método solo se fabrican fibra ópticas multimodos de perfil
escalonado.
Estas fibras no son usadas en la transmisión de imagen e iluminación pero no son
utilizadas en telecomunicaciones
B Método de los dos crisoles (double crucible o compound melting)
Este método se usa para evitar el inconveniente del método de la Varilla en tubo,
los vidrios correspondientes al núcleo y al recubrimiento son unidos en estado de
fusión y luego se estira la fibra de este material directamente al salir del estado de
fusión y no se utiliza una preforma sólida.
Fig. Crisol doble
El vidrio fundido del núcleo se coloca en el crisol interno.
El vidrio fundido del cladding se coloca en el crisol exterior.
Los dos vidrios se unen en la base exterior y la fibra se obtiene por arrastre. Pueden
producirse Fibras de gran longitud.
Pueden obtenerse fibras de índice escalón y fibras de índice gradual con este método.
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Se le denomina método de los dos crisoles ya que los vidrios usados para el
núcleo y el cladding se funden en crisoles separados.
Este método permite obtener fibras de perfil gradual por difusión o intercambio de
iones entre los vidrios del núcleo y del recubrimiento, a esto se le denomina
Método Selfoc.
Ya que resulta difícil mantener una total limpieza de los crisoles las impurezas que
llegan por este método se agregan al de los métales de transición ya existente e
incrementan la atenuación que va de los 5 a los 20 dB/Km. A 850 nm. Este método
es utilizado para la fabricación de fibras de gran diámetro (más de 200 um).
Paso 02. Fabricación de la preforma por técnica de deposición de vapor
La primera empresa que utilizo este método fue la empresa Corning en 1970,
logrando disminuir dramáticamente la atenuación.
La deposición se puede efectuar por diferente formas: Sobre la superficie externa
de una varilla de substrato en rotación (Método OVD, outside vapor deposition),
sobre la superficie frontal de una varilla de cuarzo (Método VAD, vapor axial
deposition) o sobre la superficie interior de un tubo de vidrio de cuarzo en rotación
(Método IVD, inside vapor deposition), este último método puede utilizar la energía
para la deposición del vidrio ya sea desde afuera por medio de un quemador
detonante de gas (Método MCVD, modified chemical vapor deposition) o desde
adentro con una llama de plasma (Método PCVD, plasma activated chemical vapor
deposition).
En todos estos métodos la deposición se produce por la descomposición de
compuestos volátiles de alta pureza en una llama de gas detonante. Los Químicos
usados son el Oxígeno (O2) y el tetracloruro de Silicio (SiCl4) que reaccionan para
obtener sílice (SiO2).
El sílice puro se dopa con otros químicos tal como el óxido del boro (B2O3), el
dióxido de germanio (GeO2) y el pentoxido de fósforo (P2O5) con el objeto de
modificar el índice refractivo del vidrio.
A Método de Deposición de Vapor externo (OVD)
La fabricación de la preforma se efectúa en dos etapas, en primer lugar se hace
rotar con un dispositivo adecuado una varilla de substrato de vidrio de cuarzo
AL2O3 o grafito en torno de su eje longitudinal, al tiempo que se calienta en una
estrecha zona desde afuera con la llama de un quemador de gas detonante o gas
propano.
Junto con las sustancias dopantes requeridas por el perfil de índices de refracción
como los metales halogenados (SiCl4, GeCl4, BCl3, PCl3) se le suministra
oxígeno (O2) al quemador, en el cual estos compuestos se convierten en los
correspondientes óxidos. Estos a su vez se depositan sobre la varilla rotante en
forma de finas partículas..
Al imprimirle un movimiento de vaivén en sentido longitudinal, se obtiene por
capas una preforma porosa de vidrio. A cada una de estas capas se le puede
dopar en forma diferente, agregando en determinada proporción distinta
sustancias dopantes a la sustancia básica del SiO2, lográndose reducir los perfiles
graduales, continuamente de la primera capa, el dopado con GeO2 con el cual se
forma el núcleo hasta llegar al recubrimiento con una deposición de SiO2 puro.
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Para un perfil escalonado, se mantiene constante el dopado de cada capa.
Una vez obtenida la deposición de suficientes capas para el núcleo y el
recubrimiento de la fibra; se retira la preforma cilíndrica de la varilla de substrato.
En la etapa final la preforma se calienta hasta su punto de fusión, con
temperaturas entre 1400 y 1600 oC, la preforma se contraerá convirtiéndose en
una varilla de vidrio firme y libre de burbujas, transparente cuyo hueco interior se
ha cerrado. Durante el sintetizado de la preforma se lava esta con cloro gaseoso
para quitar del vidrio todo vestigio de agua cuya presencia provocaría una elevada
atenuación.
Fig.- Los vapores químicos se oxidan en una llama en un proceso llamado hidrolisis.
La deposición se hace por fuera de una vara de sílice conforme la antorcha se mueve
lateralmente.
Cuando la deposición está completa, la varilla es alejada y el tubo resultante se colapsa
térmicamente.
B Método VAD o Deposición de Vapor axial (AVD)
La deposición de las partículas provenientes de un quemador de gas oxhídrico
tiene lugar sobre una cara frontal de una varilla rotante de vidrio de cuarzo.
La preforma porosa resultante se estira en sentido ascendente de tal forma que se
mantiene constante la distancia entre el quemador y la preforma que va creciendo
en sentido axial. Para fabricar el perfil de índices de refracción del núcleo y del
recubrimiento se pueden utilizar varios quemadores simultáneamente.
Es posible producir diferentes perfiles de índices de refracción, según la
construcción de los quemadores, su reparación y la temperatura durante la
deposición. La contracción de la preforma se produce con la ayuda de un
calefactor anular, a continuación de la deposición quedando la preforma
transparente. Para secar la preforma, es decir eliminar la humedad residual, se
hace circular cloro gaseoso en torno a la misma.
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Fig. La deposición ocurre en el extremo de un sílice en rotación conforme los vapores
químicos reaccionan para formar la sílica. El núcleo preformado y pueden hacerse fibras
muy largas con esta técnica. Pueden fabricarse fibras del índice escalón y fibras del índice
gradual de esta manera.
C Deposición de Vapor Químico modificado (MCVD)
Este método se realiza en dos etapas.
Primero: se hace rotar un tubo de vidrio puro alrededor de su eje longitudinal en un
torno u otro dispositivo adecuado al tiempo que se calienta una estrecha zona del
mismo desde afuera por medio de un quemador de gas detonante que se
desplaza a lo largo del tubo.
Fig. En el método MCVD, ocurren un aserie de reacciones químicas que transforman una
mezcla de gases en una varilla solida de vidrio llamado Preforma.
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A través del interior del tubo se hace pasar el oxígeno y los compuestos de
halogenuros gaseosos (SiCl4, GeCl4, PCl3) requeridos para el respectivo dopado.
Por este motivo los compuestos halógenos se descomponen en el interior del tubo
y no en la llama del quemador, como ocurre en los métodos OVD y VAD.
Por esta causa se produce en la cara interior del tubo la deposición de numerosas
y delgadas capas en un proceso llamado vitrificación, que se pueden dopar según
el perfil del índice de refracción requerido. El propio tubo constituye la sección
externa del vidrio del recubrimiento y las capas que se depositan en su interior
conforman la sección interna de la fibra es decir el núcleo.
Cada capa de vidrio se forma con la siguiente secuencia: a 16000 oC y dentro de
la zona de calentamiento se forman partículas finas que se depositan sobre la cara
interior del tubo. Al ser desplazado el quemador en la dirección del flujo, las
partículas se funden para formar una delgada y transparente capa del vidrio.
Una vez completada la deposición de las capas necesarias se pasa a la segunda
etapa del método MCVD que consiste en calentar el tubo por secciones
longitudinales hasta aproximadamente 2000 oC. De esta manera se produce el
colapso del tubo para formar la varilla.
Ya que los gases que reaccionan en el interior del tubo se mantienen libres de
hidrogeno, este método no requiere procesos especiales de secado, ya que el gas
utilizado para el calentamiento que en general contiene una proporción de
hidrógeno, solo actúa sobre el exterior del tubo, no teniendo influencia sobre el
proceso ningún otro factor ambiental.
Los químicos son mezclados dentro de un tubo de vidrio que está rodando en un
torno. Ellos reaccionan y las partículas sumamente finas de germanio o vidrio de
silicio o de fosforo son depositados en la parte interna del tubo. Un quemador
móvil que sigue al tubo: Causa una reacción que toma lugar y entonces enfoca el
material depositado. La preforma es depositado capa por capa que empezando
primero con la capa del cladding y es seguido por la capa del núcleo. Variando la
mezcla de los químicos se cambia el índice refractivo del vidrio.
Cuando la deposición está completa, el tubo se colapsa a 2000 C dentro de una
preforma de sílice de alta pureza con un núcleo de composición diferente. La
Preforma es entonces colocado en un horno para el estirado.
D Deposición de Vapor Químico Modificado reforzado con plasma (PMCVD)
En este método las preformas se produce con el mismo procedimiento que en el
caso del método MCVD. La diferencia radica en la técnica empleada para la
reacción. Por medio de la excitación de un gas con ayuda de microondas, se
obtiene un plasma. El gas que se ioniza, es decir se descompone en sus cargas
eléctricas. Al reunificarse éstas, se libera calor que se utiliza par fundir materiales
de elevado punto de fusión. Así en el proceso del plasma, se disocian los
halogenos con ayuda de un plasma de baja presión y luego,con oxigeno, se
forman SiO2. Las partículas formadas en este proceso se precipitan directamente
a temperaturas del orden de los 1000 C, formando una capa de vidrio.
Dado que a la llama de plasma se le imprime un rápido movimiento de vaiven a lo
largo del tubo, se pueden producir más de 1000 capas delgadas, lo cual permite
incrementar la exactitud del perfil de índices de refracción
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FIG.5.7. La Deposición de Vapor Química Modificada con reforzamiento de plasma es
similar en principio de MCVD. La diferencia queda en el uso de un plasma en lugar de una
antorcha.
El plasma es una región de gases ionizados eléctricamente calentados. Proporciona calor
suficiente para aumentar la reacción química que está dentro del tubo y la velocidad de
deposición.
Esta técnica puede usarse para fabricar fibras muy largas (50 km). Se usa para los dos
tipos de fibra de índice escalon e índice gradual.
Paso 02: Estirado de la Fibra y el Devanando en carrete
Estirado de la fibra
La punta de la preforma se calienta a aproximadamente 2000°C en un horno.
Cuando el vidrio se ablanda, una cuerda delgada de vidrio ablandada cae ayudada
por la gravedad y se enfria al caer.
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Cuando la fibra es arrastrado su diámetro es constantemente supervisado
Una cubierta de plástico se aplica entonces a la fibra, antes de que toque cualquier
componente. La capa protege la fibra del polvo y humedad. La fibra se envuelve al
final del proceso alrededor de una bobina.
Durante el proceso del estirado, el diámetro de la fibra es controlado a 125 micras
dentro de una tolerancia de 1 micra. El valor real del diámetro es comparado con
los 125-micrometros, y las desviaciones se corrigen con cambios en la velocidad
de arrastre. Si el diámetro de la fibra aumenta, la velocidad del estirado,se
aumenta; si el diámetro de fibra empieza a disminuir, la velocidad se disminuye.
Una a dos-capa de proteccion se aplica entonces a la fibra–una capa interna
suave y una capa exterior dura. Estas capas son tratadas por lámparas
ultravioletas. El proceso de estirado es automatizado yno requiere virtualmente de
ningún operador
Paso 03: Pruebas y Mediciones
Luego del estirado la fibra pasa a la etapa de prueba y medidas en la cual se
verifican todos los parámetros ópticos y geométricos. Existen tres tipos de
pruebas: mecánico, óptico, y geométrico.
Primero: Se prueba la fuerza de tensión de la fibra. Cada bobina de fibra es
arrastrada y se enrolla a través de una serie de cabrestantes y sujeta a cargas
para asegurar que la fibra muestre una fuerza de tensión mínima de 100,000
lb/pg2. La fibra se devana en carrete y se corta a longitudes específicas.
Segundo: La fibra óptica también se prueba para evitar defectos puntuales con un
reflectometro óptico, el cual indicara cualquier anomalía a lo largo de la longitud de
la fibra.
Una serie de parámetros ópticos dependen de la longitud de onda. Estos
parámetros incluyen: la atenuación, y el ancho de banda, La apertura numérica, la
dispersión cromática.
Tercero: las fibra multimodos y monomodos son probados en sus parámetros
geométricos, incluye pruebas del diámetro del cladding, la no circularidad del
cladding, cubierta del diámetro exterior, la no circularidad del diámetro exterior,
error de concentricidad del cladding y del núcleo, y diámetro del núcleo.
La comprobación medioambiental y mecánica también se realiza periódicamente
para asegurar que la fibra mantenga su integridad óptica y mecánica. Estas
pruebas incluyen la fuerza de tensiona y operación en rangos de temperatura,
dependencia de la atenuación con la temperatura, dependencia de la temperatura
y humedad, y su influencia en el envejeciendo.
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Bibliografía
http://lafibraopticaperu.com/fabricacion-y-materiales-de-la-fibra-optica/
https://es.wikipedia.org/wiki/Fabricaci%C3%B3n_de_la_fibra_%C3%B3ptica
http://grupos.unican.es/gif/co5/CO5_0809_T4_Fabricacion_1tpp.pdf
http://www.xatakaciencia.com/tecnologia/como-se-fabrica-la-fibra-optica
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