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de

Las tesinas

Belgrano

Facultad de Ingeniera y Tecnologa Informtica

Ingeniera Industrial

Procesos de fabricacin de fibras pticas

N 34 Maximiliano Crdoba

Tutor: Eduardo Castellarin

UNIVERSIDADDE BELGRANO

Departamento de InvestigacinDepartamento de InvestigacinDepartamento de InvestigacinDepartamento de InvestigacinDepartamento de InvestigacinMarzo 2003

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Tesinas Procesos de fabricacin de fibras pticas

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ndice

1. INTRODUCCIN ............................................................................................................................ 52. ANTECEDENTES Y MARCO DE DESARROLLO .......................................................................... 63. ESTRUCTURA ............................................................................................................................... 6

4. MODELO DE PROPAGACIN ....................................................................................................... 75. DEGRADACIN DE LA SEAL ..................................................................................................... 9

Prdida de potencia ptica (Atenuacin) ........................................................................................ 9Prdidas por dispersin ................................................................................................................ 14

6. CLASIFICACIN DE LAS FIBRAS PTICAS ............................................................................... 19Materiales que conforman el ncleo y el revestimiento ................................................................. 23

7. PROCESOS DE FABRICACIN DE FIBRA PTICA ................................................................... 28MCVD (Deposicin modificada de vapor qumico) ......................................................................... 34PCVD (Deposicin de vapor qumico mediante plasma a baja presin) ......................................... 39OVPO (Deposicin exterior de vapor mediante oxidacin) ............................................................ 40VAD (Deposicin axial de vapor) ................................................................................................... 43Comparacin de las distintas tcnicas descriptas para la fabricacin de preformas ..................... 47

Proceso Sol-Gel de fabricacin de preformas ............................................................................... 49Recubrimiento .............................................................................................................................. 50Estiramiento a partir de vidrio fundido ........................................................................................... 51Fibras plsticas ........................................................................................................................... 53

8. COMPARACIN CON OTROS SISTEMAS CONVENCIONALES DE TELECOMUNICACIONES.. 559. PRECAUCIONES DE SEGURIDAD ............................................................................................. 5910.CONCLUSIN.............................................................................................................................. 6011.BIBLIOGRAFA CONSULTADA .................................................................................................... 61

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1. Introduccin

Para solucionar el problema del intercambio de informacin, el hombre ha inventado diferentes formas dehacerlo, desde la comunicacin con seas hasta la comunicacin a distancia por medio de dispositivos detecnologa avanzada. Los avances logrados en el rea de telecomunicaciones han permitido que el hombre

se desempee de una manera ms eficiente, y es esta eficiencia lo que, en gran medida, ha motivado aalgunas empresas a exigirse mayores retos. De esta forma, se ha llegado a alternativas de gran impacto atravs del tiempo como son:

El correo, tren, avin, cables de comunicacin, microondas, etc. Las tecnologas suelen atravesar ciclosde promesa, exageracin, desilusin, rechazo y renacimiento. Hoy en da se estn tomando accionesconcretas en el rea de telecomunicaciones en respuesta de la oferta y la demanda, gracias a esto hasurgido la FIBRA PTICA. Una nueva corriente tecnolgica como opcin para incrementar la densidad delas telecomunicaciones ms rpidamente y con un mejor servicio.

Como portadora de informacin, en poco ms de 10 aos la fibra ptica se ha convertido en una de lastecnologas ms avanzadas que se utilizan como medio de transmisin de informacin. Este novedosomaterial vino a revolucionar los procesos de las telecomunicaciones en todos los sentidos, desde lograr unamayor velocidad en la transmisin y disminuir casi en su totalidad los ruidos y las interferencias hasta

multiplicar las formas de envo en comunicaciones y recepcin por va telefnica.Las fibras pticas son filamentos de vidrio de alta pureza extremadamente compactos. El grosor de unafibra es similar a la de un cabello humano. Fabricadas a alta temperatura con base en silicio, su proceso deelaboracin es controlado por medio de computadoras, para permitir que el ndice de refraccin de suncleo, que es la gua de la onda luminosa, sea uniforme y evite las desviaciones. Entre sus principalescaractersticas se pueden mencionar que son compactas, ligeras, con bajas prdidas de seal, ampliacapacidad de transmisin y un alto grado de confiabilidad debido a que son inmunes a las interferenciaselectromagnticas de radio-frecuencia. Las fibras pticas no conducen seales elctricas por lo tanto sonideales para incorporarse en cables elctricos sin ningn componente conductivo y pueden usarse en con-diciones peligrosas de alta tensin. Tienen la capacidad de tolerar altas diferencias de potencial sin ningncircuito adicional de proteccin y no hay problemas debido a los cortos circuitos Tienen un gran ancho debanda, que puede ser utilizado para incrementar la capacidad de transmisin con el fin de reducir el costopor canal. De esta forma es considerable el ahorro en volumen en relacin con los cables de cobre.

Con un cable de seis fibras pticas se puede transportar la seal de ms de cinco mil canales o lneasprincipales, mientras que se requiere de 10,000 pares de cable de cobre convencional para brindar el mismoservicio, con la desventaja que este ltimo medio ocupa un gran espacio en los ductos y requiere de grandesvolmenes de material, lo que tambin eleva los costos.

Comparado con el sistema convencional de cables de cobre donde la atenuacin de sus seales, (decre-mento o reduccin de la potencia) es de tal magnitud que requieren de repetidores cada dos kilmetros pararegenerar la transmisin, en el sistema de fibra ptica se pueden instalar tramos de hasta 70 km. Sin quehaya necesidad de recurrir a repetidores lo que tambin hace ms econmico y de fcil mantenimiento estematerial.

Originalmente, la fibra ptica fue propuesta como medio de transmisin debido a su enorme ancho debanda; sin embargo, con el tiempo se ha planteado para un amplio rango de aplicaciones: adems de latelefona, automatizacin industrial, computacin, sistemas de televisin por cable y transmisin de infor-

macin de imgenes astronmicas de alta resolucin entre otros.

Concepto de transmisin

En un sistema de transmisin por fibra ptica existe un transmisor que se encarga de transformar lasondas electromagnticas en energa ptica o luminosa, por ello se la considera el componente activo deeste proceso. Una vez que es transmitida la seal luminosa por las minsculas fibras, en otro extremo delcircuito se encuentra un tercer componente al que se le denomina detector ptico o receptor, cuya misinconsiste en transformar la seal luminosa en energa electromagntica, similar a la seal original. El siste-ma bsico de transmisin se compone en este orden, de seal de entrada, amplificador, fuente de luz,corrector ptico, lnea de fibra ptica (primer tramo), empalme, lnea de fibra ptica (segundo tramo), correc-tor ptico, receptor, amplificador y seal de salida.

En resumen, se puede decir que este proceso de comunicacin, la fibra ptica funciona como medio detransportacin de la seal luminosa, generado por el transmisor de LEDS (diodos emisores de luz) ylseres.

Los diodos emisores de luz y los diodos lseres son fuentes adecuadas para la transmisin mediantefibra ptica, debido a que su salida se puede controlar rpidamente por medio de una corriente de polariza-

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cin. Adems su pequeo tamao, su luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje necesario para mane-jarlos son caractersticas atractivas.

En este trabajo, se estudiar nicamente la fibra ptica, dejando de lado los emisores, receptores ytodos los dems componentes de un sistema de telecomunicaciones.

2. Antecedentes y marco de desarrollo

La historia de la comunicacin por fibra ptica es relativamente corta. En 1977, se instal un sistema deprueba en Inglaterra; dos aos despus, se producan ya cantidades importantes de pedidos de este mate-rial. Antes, en 1959, como derivacin de los estudios en fsica enfocados a la ptica, se descubri una nuevautilizacin de la luz, a la que se denomin rayo lser, que fue aplicado a las telecomunicaciones con el fin deque los mensajes se transmitieran a velocidades inusitadas y con amplia cobertura. Sin embargo, estautilizacin del lser era muy limitada debido a que no existan los conductos y canales adecuados parahacer viajar las ondas electromagnticas provocadas por la lluvia de fotones originados en dicha fuente.

Fue entonces cuando los cientficos y tcnicos especializados en ptica dirigieron sus esfuerzos a laproduccin de un ducto o canal, conocido hoy como la fibra ptica. En 1966 surgi la propuesta de utilizar

una gua ptica para la comunicacin. Esta forma de usar la luz como portadora de informacin se puedeexplicar de la siguiente manera: Se trata, en realidad, de una onda electromagntica de la misma naturalezaque las ondas de radio, con la nica diferencia que la longitud de las ondas es del orden de micrmetros enlugar de metros o centmetros.

3. Estructura

La fibra ptica es una hebra muy fina, de un vidrio muy especial, que puede ser de solamente 125 micrasde dimetro. Esta hebra de vidrio tiene aproximadamente el mismo grosor que un cabello humano.

Se ha demostrado que las ondas electromagnticas que conforman la luz tienden a viajar a travs de unaregin que posea un ndice de refraccin alto. Por tanto, se hace el centro de la hebra de vidrio l ncleo

(cristal de silicio) de esa clase de materiales. Algunas fibras de vidrio tienen un dimetro de ncleo denicamente 50 micras, y tiene un ndice de refraccin de tipo gradual. La importancia de contar con unncleo de este tipo es conseguir un ncleo que posea un ancho de banda algo mayor que el que tendra otrocuyo ndice de refraccin fuera idntico en todas partes.

Ahora que ya tenemos el ncleo y con el fin de retener la luz dentro de l, necesitamos recubrirlo conalguna clase de material, de un ndice de refraccin diferente. Si no lo hacemos, no se obtendran lasreflexiones necesarias en la unin de ambos materiales. De este modo, se ha formado otro revestimiento enel ncleo que se denomina cubierta (silicona) y que tiene un ndice de refraccin menor que el del propioncleo. Finalmente, para hacerlo ms robusto y prevenir daos a la cubierta, se suele formar una protec-cin o envoltura (poliuretano) sobre la cubierta que generalmente es de algn tipo de material plstico.

Hemos de tener en consideracin la transmisin digital de impulsos de luz a velocidades muy altas, atravs de esta fibra, y nos gustara conocer de qu manera, por su conducto y simultneamente, puedenenviarse a travs de ella mltiples conversaciones, imgenes, etc.

En la figura 3.1 se visualizan las tres partes que componen una fibra ptica.

revestimineto

aislante

ncleo

Fig.3.1

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4. Modelo de propagacin

Introduccin

El canal de fibra ptica no permite que los rayos de luz deseados escapen de su interior. Es capaz demanejar transmisin de esos rayos de luz en dos sentidos de tal forma que uno puede (pero no necesaria-

mente) mirar por un extremo y ver lo que est pasando en el otro extremo. Con estos rayos de luz existe laposibilidad de transmitir sonido, datos e imgenes. Estos sistemas de transmisin de fibra ptica abren unconcepto completamente nuevo en sistemas de comunicaciones. Adems, poseen ventajas nicas encuanto a eliminacin de ruidos e interferencias.

Esta es la esencia de la fibra ptica. La canalizacin de rayos de luz a travs de caminos de fibrapticas y la generacin de frecuencias de luz apropiadas y de una forma tambin apropiada para permitirfcilmente el paso, cualquiera que sea el tipo de sustancia que se emplee para el canal. Esto implica quedistintos tipos de sustancias (los cuales caen dentro de la categora ptica o de vidrio) poseen diferen-tes caractersticas que hacen la conductividad de ciertas frecuencias de luz ms sencillas que de otras. Enun concepto elemental, significa simplemente que algunos tipos de fibras pticas conducen determinadasfrecuencias de luz mejor que otras frecuencias. Se debe generar la frecuencia de luz apropiada que pase atravs de un tipo de fibra dada.

Conceptos modernos de luz y propagacin

Se asocia la creacin de luz con el paso de electricidad a travs de un cable en una ampolla de vidrio. Sesabe tambin, que la luz es un componente del espectro electromagntico por James Clerk Maxwell. De-mostr que los rayos de luz eran ondas de naturaleza electromagntica y demostr tambin que tales rayosu ondas tienen todos la misma velocidad en el espacio libre. Esa velocidad es 3* 108 m/seg. El margen delas radiaciones electromagnticas va desde una frecuencia cero (Hertzios) hasta frecuencia infinita, y la luzvara en un margen de frecuencias cuyas longitudes de onda van desde 102 m a travs de la regin ultravio-leta de 108 m subiendo en frecuencia a travs de la regin de los rayos gamma de longitud de onda 1014 m.

No debera sorprendernos considerar que si la velocidad de la luz es una constante en el espacio libre yque si la velocidad consiste en un valor promedio sobre una distancia infinita, que pudieran y debieran existiralgunas fluctuaciones en esa velocidad en distancias finitas ms pequeas y a travs de varios tipos demedios de conduccin. Se piensa en la reduccin de la velocidad de propagacin de los rayos de luz al

atravesar varias lentes. Mientras que la componente de velocidad total sobre una distancia infinita en elespacio libre permanezca constante, no se violar la ley de la cual parti Maxwell en sus teoras.

Los experimentos han demostrado que esas variaciones finitas de la velocidad son ciertas.

Reflexin y refraccin de la Luz

Si un rayo de luz viaja de un medio a otro, se curvar en el caso en que los dos materiales poseandiferentes propiedades de conductividad de rayos luminosos. Un ejemplo tpico es como un humano obser-vando a un pez en el agua, le ve en un punto donde realmente no est situado. El motivo por el que se curvanlos rayos de luz es debido a que nuestra visin se basa en los rayos que penetran en nuestros ojos, y losrayos que forman el pez son rayos de luz reflejados, que salen del pez (y del agua) y entran en otro mediocon distinta conductividad.

La figura 4.1 muestra la refraccin de un rayo de luz que cambia de medio y por lo tanto de ndice de

refraccin.

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Es importante considerar ahora la trayectoria que describe el rayo a medida que se aproxima a la

superficie de un medio diferente. El ngulo, medido desde una perpendicular a esa superficie, se denomina

ngulo de incidencia del rayo sobre esa superficie.

Tambin podra existir un ngulo crtico de incidencia de forma que excederlo puede dar lugar a una

situacin de no-reflexin (propagacin). En la transmisin de ondas de radio cuando las ondas que no son

reflejadas golpean la capa de Heaviside unas son reflejadas y otras no. Las que no son reflejadas gol-

pean la capa con un ngulo mayor que el crtico para la reflexin y de esta forma atraviesan la capa deHeaviside a lo largo de una lnea refractada.

Leyes de refraccin y reflexin

Los rayos reflejados y refractados estn situados en un plano que contiene el rayo incidente y la perpen-

dicular (normal) a la superficie del material de reflexin o refraccin, siendo el ngulo de incidencia igual al

ngulo de reflexin.

Ley de Snell

Willebrob Snell fue la persona que descubri la ley relacionada con estos fenmenos en el ao 1621. Lo

que l propuso es una ecuacin que ha permanecido vigente durante varios cientos de aos, que es impor-

tante para nuestro concepto de cmo viajan los rayos de luz a lo largo de nuestro tubo luminoso. La

expresin comnmente utilizada de esta ley es:

Ley de Snell = n1

sen (f1) = n

2sen (f

2). Fig. 4.2

lo cual dice simplemente que la relacin de los ndices de refraccin es igual a la relacin de los senos

del ngulo de incidencia y el ngulo de refraccin.

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Un rayo de luz que viaja a travs de la cubierta y que penetra en el material del ncleo de la fibra, se curvaun ngulo menor que el de incidencia. O por decirlo de otra manera, el ngulo de incidencia es mayor que elngulo de refraccin

5. DEGRADACIN DE LA SEAL

Prdida de potencia ptica (Atenuacin)

La atenuacin de la seal, tambin conocida como prdida de la fibra o prdida de seal, es una de laspropiedades ms importantes de una fibra ptica, porque determina el mximo de separacin entre repetido-ras. Por lo tanto, determina el nmero de ellas entre la emisin de una seal y la recepcin de la misma.

Como las repetidoras son costosas de fabricar, instalar y mantener, el grado de atenuacin en la fibra es unfactor de gran influencia sobre el sistema de costos.

La luz que viaja en una fibra ptica pierde potencia con la distancia que recorre. Estas prdidas son enfuncin de la longitud de onda y de impurezas e imperfecciones del material por el cual se propaga. Para laslice, las longitudes de onda ms cortas son las que ms se atenan. Por lo tanto, las prdidas ms bajasse encuentran en longitudes de onda ms largas (1550 nm), que se utiliza frecuentemente para transmisio-nes de larga distancia.

Las prdidas de potencia de la luz en una fibra se miden en decibeles (dB/Km). Las especificaciones deun cable de fibra ptica se expresan como la atenuacin en dB por un Km de longitud. Este valor se debemultiplicar por la longitud total de la fibra en kilmetros para determinar las prdidas del cable.

La atenuacin de la seal se define como:

a = 10 log ( Pin/P

out) / L

Donde:a = atenuacin en decibeles por Kilmetro [dB/Km]P

in= Potencia de entrada

Pout

= Potencia de salida

L = longitud

Por ejemplo, si una fibra tiene una atenuacin de 3 dB/Km, lo que equivale a una prdida del 50% de lapotencia.

En la figura 5.1 se grafica la relacin entre la atenuacin y la longitud de onda.Las prdidas por atenuacin de la seal son causadas por diversos factores y pueden clasificarse en

prdidas intrnsecas y extrnsecas:

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Extrnsecas:

Prdidas por curvatura (radiacin)

Prdidas por conexin y empalme

Intrnsecas: Prdidas inherentes a la fibra

Prdidas que resultan en la fabricacin

Reflexin de Fresnel

Perdidas por curvatura

Las prdidas por curvatura se producen porque los rayos de luz en el exterior de una curva pronunciada

no pueden viajar con suficiente rapidez como para mantener el ritmo de los dems rayos, y se pierden. A

medida que la luz recorre la curva, la luz del exterior de la misma debe viajar ms deprisa para mantener una

fase constante de la onda. Segn se va reduciendo el radio de curvatura, se llega a un punto en que parte de

la onda tendra que viajar ms rpido que la velocidad de la luz. En ese punto, la luz del guiaondas se pierde.

Las prdidas por curvatura tambin pueden ocurrir en escala ms pequea. Curvas pronunciadas del

ncleo de una fibra con desplazamientos de unos pocos milmetros o menos, causadas por la proteccinexterior de la fibra, la fabricacin, el procedimiento de instalacin, etc., pueden causar tambin prdidas de

potencia. Las cuales se denominan prdidas por microcurvaturas y pueden ser significativas para grandes

distancias.

Figura 5.2 Prdidas por curvatura

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Prdidas por conexin y empalmes

Empalmes: los empalmes mecnicos tienen generalmente las mayores prdidas, a menudo en el rango

que va desde 0,2 dB a 1.0 dB, dependiendo del tiempo de empalme.

Los empalmes por fusin tienen prdidas ms bajas, generalmente menores de 0,2 dB. con la utilizacin

de un buen equipo se logran prdidas de 0,07 dB. Las prdidas pueden atribuirse a un montn de factores

incluyendo, un mal corte, burbujas de aire, contaminacin, desadaptacin del ndice de refraccin, desadap-tacin del dimetro del ncleo, pero principalmente son causadas por problemas de alineacin (figura 5.3):

a) mala alineacin lateral: es el desplazamiento axial o lateral entre dos piezas de cable contiguas. La

prdida puede ser desde un par de dcimas de decibel a varios decibeles. Esta prdida generalmente es

insignificante si los ejes de las fibras estn alineados dentro del 5 % del dimetro de la fibra.

b) mala alineacin de la separacin o separacin de la extremidad: cuando se realiza un empalme las fibras

deben tocarse. Cuanto ms separadas estn las fibras, mayor ser la prdida de la luz.

c) mala alineacin angular o desplazamiento angular: si el desplazamiento angular es menor que 2, la

prdida ser menor de 0,5 dB.

d) acabado de superficie imperfecta: las puntas de las dos fibras unidas deben estar altamente pulidas y

encuadrarse juntas adecuadamente. Si las puntas de las fibras estn a menos de 3 de la perpendicular,

las prdidas sern menores de 0,5 dB.

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Conexiones: las prdidas de los conectores de fibra ptica estn frecuentemente en el rango que va

desde 0,3 dB a 1,5 dB, y dependen en gran medida del tipo de conector utilizado. Otros factores que

contribuyen a las prdidas por conexin incluyen la suciedad o los contaminantes en el conector, la instala-

cin impropia del conector, una cara daada del conector, un corte pobre, desadaptacin de los ncleos de

las fibras, desadaptacin del ndice de refraccin.

Prdidas inherentes a la fibra

Esta clase de prdidas puede dividirse en:

Por absorcin: las prdidas por absorcin en las fibras pticas son anlogas a la disipacin de potencia

en los cables de cobre; las impurezas en las fibras absorben la luz y la convierten en calor. El vidrio ultrapuro

utilizado para fabricar fibras es aproximadamente 99,999% puro. Aun as, las prdidas por absorcin entre 1

y 1000 dB/Km son tpicas.Esencialmente, hay tres factores que contribuyen a esta clase de prdidas: absorcin ultravioleta, infra-

rroja y de resonancia del ion.

- Absorcin ultravioleta. Es provocada por electrones de valencia en el material de silicio del cual se

fabrican las fibras. La luz ioniza a los electrones de valencia en conduccin. La ionizacin es equivalente

a la prdida total del campo de luz y, en consecuencia, contribuye a las perdidas de transmisin de la

fibra.

- Absorcin infrarroja. Resultado de fotones de luz que son absorbidos por los tomos de las molculas,

en el ncleo de vidrio. Los fotones absorbidos se convierten en vibraciones mecnicas aleatorias tpicas

de calentamiento.

- Absorcin de resonancia de ion. Es causada por los iones OH en el material. La fuente de los iones OH-

son molculas de agua que han sido atrapadas en el vidrio, durante el proceso de fabricacin. Tambin

es causada por las molculas de metales tales como hierro, cobre y cromo.

Importantes avances tecnolgicos ha permitido reducir el contenido residual de OH de las fibras a menos

de 1 ppb. En la figura 5.4 se muestra la evolucin de la atenuacin de las fibras en funcin de la longitud de

onda.

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Figura 5.4

Por dispersin de Rayleigh: responde a las prdidas de luz debido a variaciones en la densidad ptica,

composicin y estructura molecular.

Durante el proceso de fabricacin, el vidrio es producido en fibras largas, de un dimetro muy pequeo.

En esta etapa el vidrio est en un estado plstico (no lquido y no slido).

La tensin aplicada al vidrio durante este momento causa que el vidrio se enfre y desarrolle irregularida-

des submicroscpicas que se forman, de manera permanente, en la fibra. Cuando los rayos de luz que se

estn propagando por una fibra chocan contra una de stas impurezas, se difracta. La difraccin causa que

la luz se disperse o se reparta en muchas direcciones. Una parte de la luz difractada continua por la fibra y

el resto se escapa por la cubierta. Los rayos de luz que se escapan representan una prdida en la potencia

de la luz. Esto se llama prdida por dispersin de Rayleigh.

En la figura 5.5 se ilustra la relacin entre la longitud de onda y la prdida de dispersin de Rayleigh.

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El grfico 5.6 muestra las prdidas totales por absorcin en la fibra ptica

Prdidas resultantes de la fabricacin de la fibra

Las irregularidades durante el proceso de fabricacin pueden dar lugar a prdidas de rayos luminosos.

Por ejemplo, un cambio de 0,1 % en el dimetro del ncleo puede significar una prdida de 10 dB/Km.

Por lo tanto es muy importante mantener una alta precisin durante todo el proceso de fabricacin de la

fibra para minimizar las prdidas.

Reflexin de Fresnel

La reflexin de Fresnel ocurre en cualquier frontera de un medio donde cambie el ndice de refraccin,

causando que una parte de los rayos incidentes sean reflejados al primer medio. El extremo de una fibra es

un buen ejemplo de este hecho. La luz, que viaja del aire al ncleo de la fibra, es refractada al ncleo. Sin

embargo, parte de la luz, alrededor del 4 %, es reflejada devuelta al aire. La cantidad que se refleja puede

calcularse utilizando la siguiente frmula:

Prdidas por dispersin

El ancho de banda de una fibra ptica est limitado por la dispersin total de la fibra (ensanchamiento del

pulso). La dispersin limita la capacidad de transmisin de informacin porque los pulsos se distorsionan y

se ensanchan, solapndose unos con otros y hacindose indistinguibles para el equipo receptor. Para evitar

que esto ocurra, los pulsos se deben transmitir a una frecuencia menor, reduciendo la velocidad de transmi-

sin de datos.

Como se muestra en figura 5.7 :

a) Los pulsos originales de datos pticos son discretos, unos y ceros que pueden ser fcilmente identifica-

dos.

b) Despus de que la seal se ha propagado una cierta distancia a lo largo de la fibra ptica, tiene lugar la

dispersin. Los pulsos se ensanchan pero pueden ser todava decodificados por el equipo receptor.

c) Tras una propagacin an mayor por la fibra, la seal se distorsiona totalmente y el equipo receptor no

puede decodificarla.

Potencia de luz reflejada en la fronteraLuz reflejada (%) = 100 x (n1-n2)2 / (n1+n2)2

Donde n1 = ndice de refraccin del ncleo

n2 = ndice de refraccin del aire

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DispersinTotal

Dispersin

Cromtica

Dispersin

Modal

Dispersin

Guia-onda

Dispersin

Material

La dispersin es en funcin de la longitud de la fibra ptica, cuanto mayor sea la longitud, ms pronuncia-

do ser el efecto. Puede dividir en dos categoras: dispersin cromtica y dispersin modal (tambin llama-

da dispersin multimodo). La dispersin cromtica puede ser posteriormente subdividida en dispersin guia-

onda y dispersin material, como se representa aqu grficamente:

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Dispersin modal

La dispersin, tambin conocida como esparcimiento del pulso, explicada anteriormente es causada porla diferencia en los tiempos de propagacin de los rayos de luz que toman diferentes trayectorias por unafibra. Es la apertura del impulso de luz y por lo tanto su unidad de medida es [ms/Km].

Dispersin cromticaLas fibras pticas sufren otro tipo de dispersin, la cual est asociada al hecho de que las fuentespticas no son monocromticas, a este tipo de dispersin se denomina cromtica y se debe principalmentea dos fenmenos fsicos: Dispersin cromtica de material Dispersin cromtica de guia-onda

Dispersin cromtica de material: Los materiales que se emplean para fabricar fibras pticas tienenndices de refraccin en funcin de la longitud de onda, y por lo tanto la velocidad de onda de los fotones esen funcin de su longitud. Los diodos emisores de luz (LED) emiten luz que contiene una combinacin delongitudes de onda. Cada longitud de onda, dentro de una seal de luz compuesta, viaja a una velocidaddistinta. En consecuencia, los rayos de luz que simultneamente se emiten de una LED y se propagan poruna fibra ptica no llegan, al extremo lejano de la fibra, al mismo tiempo. Esto resulta una seal de recepcin

distorsionada.La dispersin cromtica puede eliminarse utilizando una fuente emisora monocromtica tal como una

diodo de inyeccin lser (ILD).

Dispersin cromtica de gua-onda: Esta clase de distorsin es debido a la anchura espectral de lafuente de luz, cuando el ndice de refraccin permanece constante. La razn de esto es que la geometra dela fibra causa que la constante de propagacin de cada modo cambie con la longitud de onda de la luz. Estetipo de dispersin es prcticamente despreciable.

En las fibras multimodo tanto de ndice de refraccin escaln como gradual, generalmente, la dispersinmultimodal es mayor que la dispersin cromtica, por lo tanto esta ltima se desprecia en un buen nmerode aplicaciones de telecomunicaciones.

Una comparacin de los mecanismos de dispersin que sufre un pulso ptico cuando se propaga a lo

largo de una fibra ptica se ilustra en la figura 5.8.

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Figura 5.8

Ancho de banda

Una medida de la capacidad de transmisin de la informacin de una fibra ptica es el producto del anchode banda por la longitud de la fibra, expresados en Mhz x Km, donde el ancho de banda es definido como lafrecuencia a la cual la funcin de poder de transferencia experimenta una cada de 3 dB.

En los sistemas reales la distorsin del pulso no depende de la inversa de la longitud, pero es cierto queesta afectado por la longitud debido a imperfecciones en la estructura, empalmes, conexiones, variacionesde dimetro y del ndice de refraccin, microcurvaturas, etc., que se encuentran a lo largo de la fibra. Por lotanto, basndose en hechos empricos, la dependencia de la longitud se evala como 1/L. Definiendo elancho de banda B de una fibra de L longitud como:

B = Bo/Lq

Donde :Bo = ancho de banda de 1 Kmq = factor de concatenacin @ 0,5

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Fig. 5.10. Representacin grfica de la apertura numrica de una fibra.

6. Clasificacin de las fibras pticas

Las fibras pticas pueden ser clasificadas segn diferentes criterios:

Modo de propagacin Materiales que conforman el ncleo y el revestimiento

Dimensiones del ncleo y del revestimiento

Caractersticas de transmisin

Modo de propagacin

Las fibras pticas se clasifican bajo este criterio de acuerdo a la forma en que los rayos de luz emitidos

se propagan dentro de ellas.

Existen dos clases principales:

- Fibras monomodo (single-mode)

- Fibras multimodo (multi-mode)

Para determinar analticamente estos tipos de fibras y para encontrar el diseo ptimo del ncleo para un

formato y tipo de revestimiento conocido existe una ecuacin que establece estas condiciones

2 a/ . (2 . n . n)0,5 2.41 = monomodo

2.41 = multimodo

Donde:

a = radio del ncleo

= longitud de onda

n = diferencia entre los ndices de refraccin del ncleo y el revestimiento

n = ndice de refraccin del ncleo

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Fibras multimodo

Una fibra multimodo es una fibra que puede propagar en ms de una trayectoria los rayos de luz, ya que posee

un ncleo de mayor dimetro que permite una mayor apertura numrica. El nmero mximo de modos de luz que

pueden existir en el ncleo de una fibra se puede determinar matemticamente por la siguiente expresin:

Nmero de modos de una fibra ptica

M = 1+2D . (n12 n22)0,5 / Donde:

D = dimetro del ncleo

n1 = ndice de refraccin del ncleo

n2 = ndice de refraccin del revestimiento

= longitud de la onda de la luz

Una fibra multimodo se utiliza comnmente en aplicaciones de comunicacin de corta distancia (gene-

ralmente menos de unos pocos kilmetros).

De acuerdo con el perfil del ndice de refraccin existen dos tipos de fibras multimodo:

Fibra multimodo de ndice escaln

Fibra multimodo de ndice gradual

Fibra multimodo de ndice escaln

Las fibras multimodo de ndice escalonado estn fabricadas a base de vidrio, con una atenuacin de 30

dB/km, o plstico, con una atenuacin de 100 dB/km. Tienen una banda de paso que llega hasta los 40 MHz

por kilmetro. En estas fibras, el ncleo est constituido por un material uniforme cuyo ndice de refraccin

es claramente superior al de la cubierta que lo rodea. El paso desde el ncleo hasta la cubierta conlleva por

tanto una variacin brutal del ndice, de ah su nombre de ndice escalonado. (Figura 6.1)

Este tipo de fibra tiene una apertura de luz a fibra grande y, en consecuencia permite que ms luz entre

al cable. Los rayos de luz que le pegan a la interface ncleo-revestimiento en un ngulo mayor que el ngulo

crtico son propagados por el ncleo en una manera zigzageante, reflejndose continuamente en el lmite de

la interface. Por lo contrario, los rayos que inciden en la interface con un ngulo menor al crtico, entran al

revestimiento y se pierden.

Los rayos de luz viajan por caminos muy diferentes en el ncleo de la fibra a la misma velocidad, con lo

cual llegan a su destino en distintos tiempos. Si la luz incidente tiene forma de pulso, ste se presentar

disperso en el otro extremo de la fibra, (Figura 6.2).

Tal esparcimiento del pulso restrin-

ge la velocidad de transmisin de datos

ya que son inversamente proporciona-

les. Un pulso ms ancho significa que

se pueden enviar menos pulsos porsegundo, lo que resulta una disminucin

del ancho de banda de la transmisin.

Este es el factor principal que limita

la velocidad de la transmisin de datos

en una fibra multimodo.

Su utilizacin a menudo se limita a

la transmisin de informacin a cortas

distancias, algunas decenas de metros

y flujos poco elevados. Su principal ven-

taja reside en el precio ms econmico.

r

n r

0-a +a

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COMPARACIN DE LOS TRES TIPOS DE FIBRAS PTICAS

* International Electrotechnical Commission. Publicacin 793-1: Optical Fibers, Part 1 : Generic Specification.

TIPO VENTAJAS DESVENTAJAS

MONOMODO Dispersin mnima. En consecuencia, . Ncleo muy pequeo,un pulso de luz entrado al cable puede difcil de acoplar la luz.reproducirse muy exacto en el lado Menor apertura numrica.receptor. . Fuente de luz y Mayor ancho de banda dispositivos de empale Mayor velocidad de transmisin de ms costosos.informacin

MULTIMODONDICE ESCALN Bajos costos y fciles de fabricar. . Alta dispersin. Grandes Fcil acoplamiento de la fuente de emisin diferencias en tiempo de

de luz. Apertura numrica relativamente propagacin, debido a quegrande. la luz toma muchas

trayectorias. Bajo ancho de banda. Baja velocidad de transmisin.

MULTIMODONDICE GRADUAL No existen ventajas y desventajas sobresalientes. Son de fcil acoplamiento

de luz, pero ms difciles que las multimodo escaln.Baja dispersin (menor que la fibra multimodo ndice escaln y mayor que lasmonomodo).Este tipo de fibra se considera una fibra intermedia comparada con los otros

tipos.

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Materiales que conforman el ncleo y el revestimientoEsencialmente, hay tres variedades de fibras pticas disponibles actualmente. Las tres variedades estn

construidas de vidrio, plstico o una combinacin de vidrio y plstico. En la siguiente tabla se ilustran estostres tipos:

NCLEO REVESTIMIENTO CATEGORA *

VIDRIO VIDRIO A1: Indice gradualA2: Indice escaln

VIDRIO PLSTICO A3

PLSTICO PLSTICO A4

Las fibras con ncleo de vidrio y revestimiento de vidrio, llamadas SCS ofrecen las mejores caractersti-cas de propagacin y baja atenuacin. Por otra parte, mecnicamente son las menos fuertes y las mssusceptibles a los incrementos de atenuacin cuando se exponen a la radiacin.

Las fibras monomodo siempre tienen ncleo y revestimiento de vidrio.Las fibras con ncleo de vidrio y revestimiento plstico, frecuentemente llamadas PCS (slice cubierta

de-plastico) incluyen low-loss silicone resins y fluoridized polyalkenes y polymethylacrylates en el revesti-miento plstico. Poseen una atenuacin baja y resultan menos afectadas por la radiacin que las fibrastotalmente de vidrio. Estos cables se utilizan mucho en aplicaciones para fines militares.

Las fibras de plstico tienen varias ventajas sobre las fibras de vidrio. En primer lugar son ms flexiblesy como consecuencia ms fuertes que el vidrio. Son fciles de instalar, pueden resistir mayores presiones,son menos costosas y pesan aproximadamente 60% menos que el vidrio. La desventaja principal de estetipo de fibras es la alta atenuacin, con lo cual no propagan la luz tan eficientemente como el vidrio.

Como consecuencia las fibras de plstico se limitan a corridas relativamente cortas, como pueden serdentro de un mismo edificio o complejo de edificios.

Por los tanto la seleccin de una fibra para una aplicacin especfica ir en funcin de los requisitosconcretos del sistema y las contrapartidas que ofrece cada tipo.

Adems del vidrio, slice fundida (SO2), en estado puro el dopado es el elemento principal para la fabrica-

cin de fibras de alta calidad, con bajas prdidas. Se han hecho pruebas con otros vidrios compuestos porNa

2O+CaO o Na

2O+B

2O

3logrando disminuir las elevadas temperaturas del proceso de fabricacin necesa-

rias para trabajar el silicio puro. Pero no se han obtenido buenos resultados ya que las prdidas de estasfibras son elevadas.

En la actualidad, Bell Laboratories estn investigando la posibilidad de usar otra sustancia no-silicato,cloruro de zinc. Los experimentos preliminares han indicado que las fibras hechas de esta sustancia sernhasta 1000 veces ms eficientes que el vidrio.

Dimensiones del ncleo y del revestimientoLas dimensiones del ncleo y del revestimiento, como se explic anteriormente, estn relacionadas con

el modo de propagacin de la luz dentro del ncleo de la fibra. Por ejemplo, si el dimetro del ncleo de lafibra es hasta 3 veces mayor que la longitud de onda, es una fibra monomodo. Por otra parte si el dimetroes mayor que ste factor es una fibra multimodo.

Las fibras pticas que se usan en telecomunicaciones se fabrican en cinco grupos principales, teniendoen cuenta los dimetros del ncleo y del revestimiento:

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CLASE NCLEO REVESTIMIENTO RECUBRIMIENTO TUBO O PROTECCIN

I 8 a 10 125 250 o 500 900 o 2000

II 50 125 250 o 500 900 o 2000

III 62,5 125 250 o 500 900 o 2000

IV 85 125 250 o 500 900 o 2000

V 100 140 250 o 500 900 o 2000

Dimetros comunes de una fibra ptica y de su proteccin [m]

El tamao de una fibra se especifica en el formato ncleo/revestimiento. Por lo tanto, una fibra 62,5/125significa que la fibra tiene un ncleo de 62,5 mm de dimetro y un revestimiento de 125 mm de dimetro.

El recubrimiento envuelve al revestimiento y puede tener un dimetro de 250 a 500 mm. Para la fabrica-cin de cables se utiliza una proteccin plstica de 900 mm de dimetro que envuelve el recubrimiento.

I. Ncleo: 8 a 10/125 mUna fibra que tenga un tamao de ncleo de 8 a 10/125 mm se conoce como una fibra monomodo. Puede

propagar la mayor tasa de datos y tiene la atenuacin ms baja. Se utiliza frecuentemente para aplicacionesde transmisin de datos a alta velocidad o para largas distancias. Debido al pequeo dimetro de su ncleo,el equipamiento ptico utiliza conectores de alta precisin y fuentes lser. Esto implica un aumento decosto del equipamiento.

Es interesante aclarar que el equipamiento de las fibras monomodo a menudo es mucho ms caro queel de las fibras multimodo. Sin embargo, un cable de fibras monomodo es ms barato que un cable de fibrasmultimodo.

II. Ncleo: 50/125 mLa fibra cuyo tamao del ncleo es 50/125 mm fue la primera fibra de telecomunicaciones en venderse en

grandes cantidades y es bastante corriente hoy en da. Su pequea apertura numrica y pequeo tamaodel ncleo hacen que la potencia de la fuente acoplada a la fibra sea la menor de todas las fibras multimodo.Sin embargo, de todas las fibras multimodo, es la que tiene mayor ancho de banda potencial.

III. Ncleo: 62,5/125 mLa fibra de dimetros 62,5/125 mm es, en el presente, la ms popular para transmisin multimodo y se

est convirtiendo en estndar para muchas aplicaciones. Esta fibra tiene un ancho de banda potencialmenor que la anterior, pero es menos susceptible a las prdidas por microcurvaturas. Su mayor AN y sumayor dimetro de ncleo proporcionan un acoplamiento de luz ligeramente mayor que la fibra 50/125.

IV. Ncleo: 85/125 mEsta es una fibra de medidas europeas y no es popular en Norteamrica. Tiene buena capacidad para

acoplar luz y utiliza el revestimiento de dimetro estndar de 125 mm. Esto permite la utilizacin de conec-tores y empalmes estndar con esta fibra.

V. Ncleo: 100/140 mEs la fibra multimodo de mayor dimetro del ncleo 100/140 mm lo que la convierte en la ms fcil de

conectar. Es menos sensible a las tolerancias del conector y a la acumulacin de suciedad en el mismo.Acopla la mayor cantidad de luz de la fuente, pero tiene un ancho de banda significativamente ms bajo queotras de tamao de ncleos ms pequeos. Generalmente se utilizan para tendidos de longitud intermediay con muchos conectores que tienen requerimientos de baja velocidad de datos. No es muy comn y es decompleja fabricacin.

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CLASE NCLEO AN PRDIDAS ANCHO LONGITUDDE BANDA DE BANDA

I 8 a 10 La ms pequea Las ms bajas El mayor 1.350-1.550

II 50 Ms alta Ms bajas Ms grande 850-1.310

III 62,5 Media Bajas Medio 850-1.310IV 85 Grande Altas Ms pequeo 850-1.310

V 100 La ms grande Ms altas El ms pequeo 850-1.310

Caractersticas de transmisinDependen en gran medida de la longitud de onda utilizada para transportar la informacin.La longitud de onda es la distancia que ocupa un ciclo de una onda electromagntica, depende de la

velocidad de la luz y de la frecuencia de la onda. Se enuncia matemticamente como:

= c/f

donde:= longitud de onda [nm]c = velocidad de la luz [m/s]f = Frecuencia [Hz]

En la figura 6.5 se ilustra el espectro de longitud de onda electromagntica.

Se ha descubierto por medio del anlisis matemtico y tambin a travs de experimentos que en variosmateriales existen las llamadas ventanas pticas. Esto significa que a unas determinadas frecuencias, lasondas pasarn a travs de estos materiales ms fcilmente que a otras frecuencias. En el caso de las fibraspticas, si se modula a determinadas frecuencias los efectos de la dispersin y las prdidas de materialdebidas a propagacin de ondas tienden a cancelarse unas con otras y crear ventanas. Algunos experi-mentos tienden a demostrar que trabajando en frecuencias an mayores que las infrarrojas, se puede llegara conseguir mejores caractersticas de transmisin y de esta manera mejorar la calidad de la transmisin.

Existen 4 ventanas (regiones de longitud de onda) que hoy en da se utilizan para transmitir informacina travs de una fibra.

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Wavelenght region (windows) Major use Typical fibers

Around 630 nm Short-haul data transmission Plastic

Around 850 nm General purpose Graded-index glass, PCS, step-index glass

Around 1300 nm Long-haul trunk lines Grade-index silica, single-mode silica

Around 1550 nm General purpose High-grade silica (single-mode)

En la figura 6.6 se ilustran las 3 ventanas actualmente utilizadas para la transmisin de seales.

Junto con la regin de longitud de onda, los criterios de transmisin ms importantes son:

- La atenuacin [dB/Km]

- El ancho de banda [MHz]

La apertura numrica puede tambin ser usada para clasificarlas, especialmente para elegir una determi-

nada fibra para una determinada fuente. La Dispersin es otro criterio alternativo de ancho de banda.

CATEGORIAIEC FIBRA APERTURA NUMRICA

Monomodo 0,1

Indice gradual

A1 50/125 0,2

Indice gradual

100/140 0,3

A2, A3 Indice escaln 0,2 0,5

A4 Plsticas 0,5 0,66

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Una manera de clasificar fcilmente las fibras de acuerdo a la atenuacin que coincide con el material,

longitud de onda y modo de propagacin se ilustra en la figura 6.7. El costo de las fibras aumenta con la

disminucin de la atenuacin

En cuanto al ancho de banda una fcil clasificacin es ilustrada en la figura 6.8.

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7. Procesos de fabricacin de fibra ptica

Con el fin de atender la creciente necesidad de las diversas aplicaciones de comunicacin de voz, datos

y video a travs de la fibra de vidrio ha sido necesario desarrollar un procedimiento para la fabricacin, de

forma econmica, tanto de fibras monomodo como multimodo.

En 1970, Corning Glass Works, en Estados Unidos, fabric la primera fibra ptica de bajas prdidas,representando un adelanto significativo en la produccin de vidrio de alta pureza, con contenido de impure-

zas de ciertos metales de transicin en el vidrio de 10 a 50 partes por mil millones y con una atenuacin de

16 dB/Km. Este evento estimul gran cantidad de investigaciones y desarrollos a lo largo de todo el mundo,

logrando disminuir las prdidas llegando, hoy en da, a una atenuacin de 0,10 dB/Km.

Requerimientos generales

La performance de la fibra ptica depende, fundamentalmente, del proceso de fabricacin y los materia-

les utilizados para los mismos.

La materia prima debe ser tan pura como sea posible para prevenir la absorcin y dispersin de la luz. La

contaminacin durante la fabricacin debe mantenerse lo ms baja posible para asegurar una alta calidad en

el producto terminado.

En la actualidad casi todas las fibras se fabrican a partir de vidrios que tienen un gran contenido de slicedopado con xidos, tales como los xidos de boro, titanio, germanio o fsforo. Esto no quiere decir que sea

el nico tipo de fibra porque se est experimentando con otros vidrios (Silicatos de sodio, calcio, plomo,

sulfuros, seleniuros, etc.).

El silicio, como otros materiales, presenta una fuerte absorcin en el ultravioleta que depende de la

estructura electrnica de los tomos y en el infrarrojo, la cual est asociada a las vibraciones de los mismos

tomos. Aunque las frecuencias a las que se presentan estos dos fenmenos estn alejadas de las frecuen-

cias pticas utilizadas, las absorciones anteriores son tan fuertes que sus bandas de absorcin se extien-

den algo en la regin ptica de nuestro inters.

En la siguiente figura 7.1 se ilustra la variacin de la atenuacin de las fibras en funcin con los dopantes

que se utilizan para ajustar el ndice de refraccin. Entre los ms comunes se encuentran Ge, P, B. Desde

este punto de vista el dopante ms ventajoso es el germanio.

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A parte de los materiales y dopantes utilizados en la fabricacin de la fibra, que son controlables de

modo relativamente fcil, los materiales pueden contener impurezas que originan importantes absorciones.

En este sentido, las impurezas ms perniciosas son el vapor de agua y los tomos de metales de transi-

cin, tales como el vanadio, cromo, hierro, manganeso, cobalto y nquel. Estas impurezas se encuentran

como iones en los vidrios y su concentracin debe ser menor de una parte en 10 9, si queremos que la

atenuacin no exceda 1 dB/Km en la regin de longitudes de onda alrededor de 1 mm. La banda de absor-cin causada por los iones Fe++ va de 0,7 a 1,3 mm y la de los iones de Cr++ de 0,6 a 0,7 mm.

La absorcin debido a los OH- surge de la presencia de las molculas de agua en el vidrio. Los iones OH-

presentan su lnea de absorcin fundamental a 2,8 mm, pero con segundos y terceros armnicos a 1,4 y

0,95 mm respectivamente. Para que desaparezcan estos picos es necesario que la concentracin de los

iones OH- sea menor que una parte en 109, constituyendo el denominado vidrio seco en contraposicin al

hmedo. En la figura 7.2 se aprecia que los mnimos de atenuacin se presentan a 0,9 1,0, 1,2, 1,3 y 1,55

mm. Si el vapor de agua es eliminado y se utilizan fibras de slice dopadas con germanio, la atenuacin en

los mnimos a 1,3 y 1,55 mm es mucho ms baja que a 0,85 mm.

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Los principales criterios por los cuales la calidad de un proceso de produccin es clasificado son:

Atenuacin

Dispersin. Ancho de banda

Resistencia mecnica

Un aceptable proceso de produccin debe asegurarse su calidad fijando requerimientos concernientes a

estos parmetros. Estos deben ser cumplidos en todo proceso para lograr un alto estndar de calidad y sedeben asegurar que estos parmetros sean uniformes en toda la fibra.

Bajo un punto de vista totalmente econmico,

El out-put

La velocidad de produccin

Son importantes criterios de evaluacin de los procesos. El out-put debe ser entendido como la cantidad

de producto final, fibra ptica, que cumple con ciertos parmetros tcnicos fijados en el proceso.

Por lo tanto algunas preguntas bsicas deben ser respondidas sobre cualquier proceso de produccin.

- Existen pasos crticos dentro de los procesos de fabricacin reduciendo drsticamente la cantidad de

producto final?

- Es esencial un exigente proceso de control sobre ciertos parmetros para lograr un elevado out-put?

- Es posible una produccin continua de fibra ptica?

- Es posible fabricar fibras de extensa longitud y alta calidad?

- Es limitado el largo de la fibra que puede producirse de un estiramiento?El criterio de evaluacin ms importante de los procesos de fabricacin de fibras pticas es la versatili-

dad del mismo. La maquinaria y tecnologa que se dispone es apropiada para la produccin de una gran

variedad de fibras pticas o slo lo son para una clase de fibras?

Despus de dar una explicacin general de todos los procesos de produccin, en las siguientes seccio-

nes, se describir cada proceso en detalle y se evaluarn, a travs de las respuestas a las preguntas

planteadas anteriormente.

Finalmente, se debe aclarar que, antes de comenzar con cualquier proceso de produccin, debe existir

una etapa de diseo, en la cual se determinar el dimetro, perfil del ndice de refraccin, corte de longitud

de onda, etc. para satisfacer las especificaciones dadas de ancho de banda, atenuacin, apertura numrica

y sensibilidad a la microcurvatura. Este diseo esta ntimamente relacionado con la eleccin de las materias

primas y dopantes. El diseo de las fibras no ser tratado en este trabajo. Pero debemos saber que este

proceso, para alcanzar una alta performance, se realiza bajo mtodos empricos de prueba y error.

Explicacin general de los procesos de produccin

Bsicamente existen dos caminos para la fabricacin de fibras (Figura 7.3):

1- Primera etapa de fabricacin de la preforma y luego una segunda etapa de fabricacin de la fibra. Es el

ms utilizado hoy en da para la fabricacin de:

- Fibras de alta calidad, con ncleo de vidrio y revestimiento de vidrio (SCS)

- Fibras con ncleo de vidrio y revestimiento de plstico, (PCS)

2- Fabricacin directa de la fibra a partir de la fundicin.

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Polimerizacin y

estirado de la fibra

Produccin de Fibras pticas

Preforma + Fabricacin

Vapor

Phase Sol-gel

Reaction

Fabricacin directa a partir de fundicin

Vidrio Plstico

Crisol de Crisol de

doble pared doble pared

En el interior de un tubo de cuarzo Exterior, sobre un mandril

Modifie Plasma- Outside Vapor

Chemical activated Vapor Axial

Vapor Chemical Phase Deposition

Deposition Vapor Oxydation

Deposition

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Las guiaondas pticas utilizadas para las telecomunicaciones consisten principalmente de vidrio de

slice (SiO2), con el ncleo de la fibra ptica dopado con germanio y fsforo para incrementar el ndice de

refraccin y posiblemente, boro o flor para reducirlo. En la figura 7.4 se muestra la variacin del ndice de

refraccin de acuerdo con el tipo y concentracin de los distintos dopantes.

El xido de silicio natural, obtenido en forma de cristales de cuarzo o arena de silicio, no puede ser usado

directamente para la fabricacin de fibra ptica debido a la gran cantidad de impurezas que contiene tales

como xidos de metales. Es por ello que tiene que ser procesado. Figura 7.5

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El dixido de silicio es depositado en un reactor donde por medio de una reduccin con carbono y una

posterior cloracin se obtiene tetracloruro de silicio, SiCl4

en estado lquido en condiciones normales de

presin y temperatura. El silicio puro requiere de altas temperaturas para licuarlo. El agregado de dopantes,

en particular germanio, boro y fsforo, reducen el punto de fusin del vidrio e incrementa su viscosidad.

Debido a que la presin de vapor de las impurezas metlicas es mucho menor que la del tetracloruro de

silicio, mediante una destilacin fraccionada se logra desprender del SiCl4

cloruros metlicos y monxido

de carbono obtenido como resultado de la reduccin del SiO2

Para recuperar el dixido de silicio ya purificado, necesario para la fabricacin de fibras de alta calidad

del SiCl4en estado de vapor existen dos tcnicas posibles:

- Hidrlisis. Haciendo reaccionar el SiCl4, introduciendo H

2y O

2. De esta manera se logra liberar el cloro de

la molcula transformndolo en HCl a 1000 C como residuo y SiO2en finos granos ligeramente hme-

dos. Por lo tanto, es necesario secarlo, para eliminar el agua residual producto de la reaccin anterior, latcnica ms conveniente es mediante la incorporacin de gas Cl

2. Este proceso de secado permite el

aumento de la transmisin de la luz a travs del vidrio.

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- Oxidacin. Originada por una reaccin trmica iniciada a 1300 C. De esta manera, agregando oxgeno

el SiCl4

se quema liberando Cl2como residuo y obteniendo finos granos secos de SiO

2de alta pureza,

como producto de esta reaccin exotrmica.

El dixido de silicio purificado es sinterizado a temperaturas mayores a 1200C para luego solidificarse,

libre de burbujas.

Procesos de preparacin de la preforma

Existen distintos procesos de fabricacin de preformas, entre ellos se distinguen cuatro que consisten

en la deposicin de slice dopado:

MCVD: Deposicin modificada de vapor qumico

PCVD: Deposicin de vapor qumico mediante plasma a baja presin

OVPO: Deposicin exterior de vapor mediante oxidacin

VAD: Deposicin axial de vapor

En los dos primeros mtodos la reaccin comienza en el interior de un tubo de silicio, mientras que en

los dos restantes en el exterior de un tubo de silicio.

MCVD (Deposicin modificada de vapor qumico)

Este proceso fue desarrollado por Bell Lababoratories en 1974 y mejorado por diversos laboratorios de

todo el mundo.El proceso comienza a partir de un tubo de silicio fundido de 96 porciento de pureza cuyas dimensiones,

en general, son de aproximadamente 25 mm de radio exterior y 19 mm de radio interior y 1000 mm de

longitud. Que contiene menos de 130 ppm de OH.

El tubo es colocado en una bancada y se lo hace girar, mientras los reactantes pasan por el interior del

tubo acompaados por un gas transportador como puede ser el Ar o N2. El calor se aplica exteriormente

mediante uno a ms quemadores de gas oxgeno o H2/O

2que se desplazan lateralmente calentando el tubo.

Las reacciones producidas por los reactantes introducidos dentro del tubo de silicio, calentado por las

llamas de los quemadores, dan lugar a finas partculas de vidrio que son depositadas en direccin de la

posicin del quemador.

A medida que estas partculas son depositadas formando capas, son sintetizadas simultneamente

formando finas capas de vidrio transparente. Esto se logra, moviendo el quemador a lo largo del tubo en

direccin del gas que fluye en su interior. Generalmente de 30 a 100 capas son depositadas por variaspasadas del quemador. La composicin de cada capa puede ser variada durante cada pasada por la adicin

de distintos dopantes en el flujo de gas. Mediante un programa apropiado de deposicin pueden fabricarse

tanto fibras con ndice escaln como con ndice gradual.

Finalmente, el ltimo paso es la consolidacin de la preforma hueca para dar lugar a un cilindro macizo

de vidrio. Este ltimo proceso se denomina colapsado y es generado por un fuerte calentamiento exterior de

la preforma.

Fig. 7.6

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El sistema de alimentacin de gas es un subsistema crtico. ste es el encargado de mezclar, controlary monitorear el fluido de los constituyentes de alta pureza del caudal de gas. Tetracloruro de silicio ytetracloruro de germanio en estado lquido a temperatura ambiente, son contenidos en recipientes a travsde los cuales fluye el gas transportador (carrier). Otros componentes, especialmente fluoruros, en estadogaseoso son agregados al flujo de gas desde cilindros presurizados. Todos estos componentes son ingresa-

dos al interior del tubo para reaccionar y realizar la deposicin.Equipos modernos operan bajo microcomputadoras para suministrar la cantidad requerida de cada unode los componentes del gas, la velocidad del quemador y regular la temperatura del tubo.

El fluido residual que sale por el otro extremo del tubo, luego de haber reaccionado contiene una mezclade gases y slidos incluyendo SiO

2, GeO

2, Cl

2y GeCl

4que no reaccion. Existen equipos de regeneracin

para recuperar el germanio que no reaccion para ser reutilizado.En el siguiente cuadro se muestran todos las operaciones que se realizan en este proceso de fabricacin

de la preforma.

Clasificacin del tubo

Limpieza del tubo

Presentacin del tubo

Calentamiento

Reaccin qumica

Nucleacin y crecimiento de

partculas

Deposicin de partculas

Consolidacin

Colapso

Over clandding (opcional)

Caracterizacin de la preforma

Deposicin

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Clasificacin del tubo: El tubo es medido en todas sus dimensiones, sus extremos, ovalidad, etc.Limpieza del tubo: El tubo, generalmente, es sometido a un proceso de desengrase y a una lluvia

cida para removerle cualquier impureza o vestigio que se encuentre incrustado en la superficie.Presentacin del tubo: el tubo es ajustado y alineado precisamente en el sujetador de la bancada

donde va a ser trabajado. Es necesario tener gran cuidado en esta tarea y asegurarse que el tubo quede libre

de estrs utilizando una articulacin. La conexin con el sistema de alimentacin de gas debe ser ajustadafuertemente para evitar escapes.Calentamiento: Esta etapa consiste en hacer correr el quemador a lo largo del tubo calentndolo hasta

una temperatura de 2000C. El quemador es monitoreado por una computadora que recoge datos de distin-tos sensores y regula la temperatura con un error de 1C. Este bao de calor sirve para homogeneizar lapreforma y eliminar el resto de las impurezas que hayan quedado en el tubo.

Deposicin: una vez acondicionado el tubo, el programa de deposicin puede empezar. Primero, esnecesario que el tubo se encuentre calentado. Luego pequeas capas de slice pura de 10 a 15 mm sondepositadas en el interior del tubo. Estas capas previenen la fuga de OH desde el tubo substrato hasta laparte central de la futura fibra, donde causara grandes aumentos de prdida.

Este proceso desde un punto de vista fsico-qumico incluye varias reacciones, las cuales se pasarn adescribir en detalle.

La reaccin de oxidacinSiCl4 + O2SiO2 + 2 Cl2

Comienza entre los 1000 y 1300C hasta los 1500C donde todo el SiCl4

es oxidado a SiO2

. El GeCl4

solo reacciona parcialmente para formar GeO2

arriba de 1550C. Pero a temperaturas ms altas, la altapresin del Cl

2resultante de la oxidacin del SiCl

4evita la formacin de GeO

2.

El problema es encontrar una temperatura exterior del tubo consistente con una distribucin de tempera-tura interior del tubo para favorecer la oxidacin, deposicin y posterior sintetizacin. MCVD es operado,generalmente, a una temperatura exterior mayor a 1500C. El valor exacto depender de la cantidad dedopantes y su composicin.

La incorporacin de iones OH en la preforma puede ser evitada en este paso del proceso por:1- exceso de Cl

2que captura el H

2presente transformndose en HCl

2- cuidadosa purificacin de las materias primas

3- disminucin de la presin parcial del O2 agregando Ag o He como buffer o disminuyendo el exceso deO

2.

El mecanismo de deposicin de partculas en MCVD es llamado termoforesis: una partcula suspendidaen un gradiente de temperatura experimenta una fuerza neta en direccin a donde la temperatura disminuye.En la figura 7.7 se muestra las tpica trayectorias de una partcula. La eficiencia de la deposicin es:

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= 0.8 [1 - (Te/Trxn)]

Donde:Te = la temperatura de equilibrio a la cual el gas y la pared del tubo equilibran en direccin a la zona calienteTrxn = temperatura a la cual ocurre la reaccin qumica.

El valor de Te es un importante parmetro del proceso que depender del largo de la trayectoria delquemador, la velocidad, la temperatura ambiente y del espesor de la pared del tubo.

La deposicin no puede ser arbitrariamente incrementada aumentando la tasa del gas ya que, posible-mente, existan regiones del tubo donde no se ha alcanzado la Trxn. Para evitar esta situacin se puede:1- Utilizar una baja tasa de flujo de gas2- Agregar He al flujo de gas para aumentar la difusin trmica3- Operar a altas temperaturas

El control de la Te es muy importante para minimizar deposiciones que se vayan angostando en funcinde la longitud. En ningn caso se pueden evitar completamente este tipo de deposiciones en las puntas deltubo y su largo es de alrededor de los 15 cm, puede ser disminuido agregando He en el flujo de gas y aguacomo refrigerante en el exterior del tubo. Las secciones que hayan sufrido un angostamiento en la deposi-cin son residuos o scrap.

Consolidacin: luego de finalizar la deposicin es necesario realizar la consolidacin mediante el sinte-

rizado. En MCVD, este paso se realiza simultneamente luego de la deposicin por el barrido del quemadora lo largo del tubo. Se debe tener mucha precaucin ya que una mala consolidacin (o un exceso en latemperatura de deposicin)provocara burbujas en la fibra de vidrio. Generalmente, la temperatura de esteproceso vara entre 1500 1800 C.

Colapso: la fase de colapso sirve para dar lugar a un cilindro macizo de vidrio de aproximadamente 1 cmde dimetro a partir del tubo consolidado. En MCVD, el proceso de consolidacin de la preforma puede serdejado de lado y realizar el proceso de colapsado en la misma bancada (o no). Dejando pasar el quemadorunas seis veces a lo largo de la preforma es suficiente para colapsarla. La temperatura de colapso es entre1900-2100C.

Un problema inherente a este proceso es la volatilizacin del GeO (GeO2GeO(-) + O

2) de la superficie

interna de la preforma, al colapsarse. Esto puede causar una falla cada en el perfil del ndice de refraccinde la futura fibra. Pueden tomarse medidas para controlar este fenmeno como controlar el volumen de

GeCl4 para compensar GeO2 quemado.Las condiciones para realizar el colapso fueron determinadas mediante hechos empricos.Overcladding: Este proceso es opcional y sirve para agregar material adicional de revestimiento de

menor calidad o para ajustar la relacin ncleo/revestimiento.Un tubo de silicio es calzado sobre la preforma colapsada y se funde sobre sta. ste proceso tambin

tiene lugar en una bancada donde se lo hace girar y se utiliza la misma fuente de calor que en los procesosanteriores. La temperatura necesaria para fundir el sobrerrevestimiento sobre la preforma es del orden de1900-2100C.

La ventaja de este proceso es que pueden trabajarse preformas de paredes ms delgadas para controlarms eficientemente el proceso de deposicin y luego agregar revestimiento adicional para alcanzar la rela-cin ncleo/revestimiento deseada.

Caracterizacin de la preforma: las dimensiones de la preforma finalmente procesada son registra-das y documentadas. Es chequeada y revisada cuidadosamente bajo procedimientos de control de calidad

para detectar alguna posible imperfeccin que causara un incremento de las prdidas de la futura fibraptica. Es manipulada con mucho cuidado, utilizando guantes de proteccin y almacenada en depsitosacondicionados especialmente protegindola de la suciedad.

En la figura 7.8 se esquematiza este proceso de fabricacin de preformas.

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PCVD (Deposicin de vapor qumico mediante plasma a baja presin)

Este proceso fue implementado por Philips (1976). Los principales pasos de este proceso son ilustrados

en el siguiente esquema.

Clasificacin del tubo

Limpieza del tubo

Presentacin del tubo

Deposicin

Enfriamiento del tubo

Colapsado

Overcladding (opcional)

Caracterizacin de la preforma

Los pasos de Clasificacin, Limpieza, Presentacin, Calentamiento y Colapsado son los mismos

descriptos en el proceso anterior. La diferencia principal, y ventaja, de este mtodo comparado con el MCVD

es que un no isothermal plasma inicia una reaccin heterognea en la pared interior del tubo. Gracias a

este plasma se evita la formacin de soot porque se trabaja con temperaturas ms bajas. PCVD es un

proceso de baja temperatura. La eficiencia de la deposicin del SiO2es casi 100% y la del GeO

285%.

La figura 7.9 muestra un esquema de este proceso.

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El horno calienta el sustrato que gira en su interior a 1200C. Un resonador de microondas alrededor del

tubo transfiere energa electromagntica en el orden de 1 KW en el interior del tubo, donde a baja presin (1

a 4 KPa) el no isothermal plasma es formado. Una bomba provee el vaco necesario.

Deposicin: La deposicin del SiO2 y GeO2 ocurre de manera heterognea (slo sobre la pared interna

del tubo) upon initiation of the plasma. El resonador de microondas barre el tubo y capas muy finas (0,5

mm) sin depositadas en su paso.

La tasa de deposicin es de 0,5 gr/min. Puede ser aumentada incrementando la energa de las microon-

das.

OVPO (Deposicin exterior de vapor mediante oxidacin)

Outside Vapor-Phase Oxidation.

Este proceso fue creado por Corning Glass Works (1973). Tambin es conocido como OVD, Outside

Vapor Deposition.

Los pasos del siguiente proceso son ilustrados en el siguiente esquema.

La diferencia esencial de ste mtodo en comparacin con los dos explicados anteriormente es que el

proceso de deposicin de las finas partculas de slice se realiza lateralmente en el exterior del tubo de

vidrio, provocado por los reactantes que esta vez se encuentran mezclados con el gas del quemador.

Estas partculas, de 0,1 mm de dimetro, se pegan entre ellas formando una preforma porosa sobre un

mandril giratorio. Una vez finalizada esta etapa, se retira el eje y se sinteriza esta preforma porosa convirtin-

dose en una preforma de vidrio transparente lista para generar la fibra ptica.

Caracterizacin del mandril: una barra de grafito de aproximadamente 5 mm de dimetro y 1 m de

largo aproximadamente sirve como mandril, girando sobre su propio eje sujetado a una bancada. Sobre stese depositarn las finas partculas de vidrio para dar lugar al ncleo y revestimiento de la futura fibra ptica.

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Presentacin del mandril

Deposicin

Separacin del mandril

Consolidacin y eliminacinde oxhidrilos

Colapsado

Caracterizacin de la

preforma

Puede estar incluido en el

proceso de fabricacin de la

fibra.

Deposicin: los reactantes, generalmente SiCl4 y GeCl4, se introduce en un quemador de gas-oxgeno

o gas-Hidrgeno, cuya llama se desplaza lateralmente sobre un mandril que a su vez rota sobre su eje. En

la llama se produce la reaccin qumica de los reactantes con el oxgeno, dando lugar a unas finas partculas

de slice dopado que se depositan sobre el mandril giratorio. Estas partculas, en estado parcialmente

sinterizadas, forman capas unindose mutuamente formando as el ncleo y revestimiento de la fibra cuando

el rodillo es lateralmente recorrido por el quemador. La tasa de deposicin en este caso es superior a 5 gr/

min. con una eficiencia del 50%. Una gran cantidad de capas permiten un control muy preciso del perfil del

ndice de reflexin.

La composicin de los reactantes cambia con cada una de las capas depositadas, lo que conduce al

perfil de ndice de refraccin deseado tanto en el ncleo como en el revestimiento.

Separacin del mandril: la preforma porosa obtenida es desvinculada del mandril con mucho cuidadode no daarla. Este paso es crtico ya que puede incrementar las prdidas en gran medida.

Consolidacin y eliminacin de los oxhidrilos: la preforma porosa es sujetada de un extremo e

introducida, verticalmente, en un horno que se encuentra a unos 1500C. Donde se produce la sinterizacin

de la misma. La atmsfera del horno esta compuesta por gas He con un bajo porcentaje de gas cloro. El

helio asegura una preforma transparente, libre de burbujas y el cloro purga el vidrio eliminando los OH que

pueda contener mediante la siguiente reaccin:

2 (Si OH) + Cl2SiO Si + 2HCl + O

2.

Este tratamiento reduce el nivel de oxhidrilos desde 200 ppm hasta 0.1 ppm.

Colapsado: La preforma transparente obtenida como resultado de los pasos anteriores debe ser colap-

sada en otro horno a 1800-2200C, dependiendo de la composicin del vidrio, para eliminar el orificio delcentro por el cual se encontraba el mandril. Alternativamente, este paso puede ser omitido y el agujero de la

preforma es eliminado por calentamiento en el proceso de fabricacin de la fibra propiamente dicho.

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En la figura 7.10 se ilustran los principales pasos de este proceso, que incluyen:

a) Proceso de deposicin

b) Secado

c) Sinterizado

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VAD (Deposicin axial de vapor)

Este proceso fue desarrollado por Ibaraki Electrical Comunications Laboratory (1977) y es utilizado por la

mayora de los productores de fibra japoneses (Sumitomo, Furukawa, Fujikura).

Se denomina VAD, deposicin axial de vapor. De nuevo, los reactantes se inyectan en la llama de un

quemador producindose, como en el mtodo anterior, un chorro de finas partculas de slice dopado de 0.05

mm a 0,2 mm que se depositan en el extremo de una preforma sustrato. La preforma crece en la direccinaxial debido al movimiento de rotacin y de elevacin vertical que sufre el mandril acorde con este crecimien-

to, comprobndose su simetra circular y crecimiento uniforme. Figura 7.11

La preforma porosa, cuya densidad es de 0,2 0,4 gr/cm3, debe ser consolidada para transformarse en

una preforma transparente lista para someterse al estiramiento para formar la fibra ptica.

Los pasos de este proceso se ilustran en el siguiente esquema.

Preparacin de rodillo

sustrato

Deposicin

Deshidratacin

Consolidacin

Elongacin

Overcladding

Caracterizacin de la

preforma

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Preparacin de rodillo sustrato: El rodillo sustrato, generalmente de slice, es sujeto verticalmente

sobre el equipo. El dimetro de ste coincide con el dimetro de la futura preforma consolidada.

Deposicin: Los quemadores contienen una mezcla de gases que esta compuesta por O2, H

2y SiCl

4,

GeCl4

y POCl4. Un gas inerte, Ar, fluyen entre el O

2y H

2para prevenir daos en los quemadores. Un

consumo tpico del gas de quemador utilizado comnmente podra ser 7 l/min de O2, 4 l/min de H

2y 1 l/min

de Ar. Para la fabricacin de fibras monomodo generalmente se utilizan 2 quemadores: uno para la deposi-

cin del ncleo y otro para la del revestimiento. Para las fibras multimodo un quemador en suficiente, pero

varios quemadores aumentan la velocidad de deposicin. Para realizar un perfil de ndice de refraccin

especifico es necesario tener controlar cuidadosamente los siguientes parmetros: la estructura de la llama

del quemador, la posicin, la temperatura de la flama, la distancia de la misma con respecto del rodillo, larelacin H

2/O

2, la forma de la preforma, la calidad de la materia prima, la temperatura en la superficie de la

preforma. Este ltimo es monitoreado mediante un pirmetro determina la concentracin de GeO2y por lo

tanto el perfil de ndice de refraccin. Mediante un mapeo bidireccional de la temperatura de la preforma

(500-900C) un dispositivo de control regula la composicin del gas, el flujo y la velocidad de pull logrando

un absoluto control automatizado de la produccin de la preforma. Circuitos cerrados de TV y sensores lser

He-Ne ayudan a controlar ntegramente el proceso.

Para prevenir una posible ovalacin de la preforma el mecanismo encargado de ejercer el pull debe estar

perfectamente calibrado.

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Deshidratacin: han sido identificadas cuatro fuentes de contaminacin de la preforma a partir de OH:

Impurezas de la materia prima tales como SiHCl3, SiH

2C

l2y HCl; produciendo Si-OH.

Contaminacin directa a partir de la llama H2/O2 de los quemadores.

Contaminacin durante el proceso de jacketing, durante la elongacin

Contaminacin en el proceso de fabricacin de la fibra, propiamente dicho.

Para poder eliminar los posibles contaminantes OH de la preforma es necesario realizar este proceso dedeshidratacin (Fig.7.12) En esta figura se muestra la cmara en la cual pueden realizarse el proceso de

deshidratacin y consolidacin.

La deshidratacin se logra, agregando SOCl2mediante dos reacciones:

SOCl2+ H

2OSO

2+ 2 HCl

SOCl2+ Si-OH SO

2+ HCl + Si-Cl

A una temperatura de 900-1350C. El tiempo total de este proceso es de aproximadamente 90 minutos.

Una deshidratacin

lenta a baja tempera-

tura (1150C) es pre-

ferible antes que unarpida a alta tempera-

tura. A alta tempera-

tura los poros de la

preforma comienzan a

cerrarse, dando inicio

a la consolidacin,

dejando atrapadas

molculas de OH.

Trabajando a bajas

temperaturas es posi-

ble reducir el conteni-

do de impurezas OHa menos de 0,1 ppm.

El gas SOCl2pude re-

emplazarse por Cl2.

Consolidacin: la

preforma opaca y po-

rosa se transforma en

una homognea y

transparente mediante

este proceso. Se redu-

ce la preforma a 1/8 de

su volumen original.

Como se indic

anteriormente, en la

figura 7.12 esta eta-

pa puede realizarse en

la misma cmara que

la deshidratacin.

ig. 7.12

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Elongacin: una vez consolidada la preforma, cuyo dimetro exterior es ahora de 25 mm es elongadahasta que este sea aproximadamente de 10 mm. Este paso en necesario junto con el de overcladding, paraajustar precisamente la relacin ncleo/revestimiento deseada.

Las preformas de fibras de ndice gradual pueden consistir solamente de material del ncleo, mientrasque las preformas para fibras de modo simple tienen al menos una parte de material de revestimiento

depositado. La elongacin es lograda sobre un dispositivo donde la preforma es expuesta a la llama de unosquemadores que se mueven en direccin contraria a uno de los soportes de la bancada que se traslada amayor velocidad.

Este paso puede ser omitido por otros procesos donde el revestimiento es sinterizado simultneamentecon la deposicin del ncleo.

Overcladding: este paso, como fue descripto en el proceso MCVD, es usual en este tipo de proceso.Caracterizacin de la preforma: Idem proceso MCVD.En la figura 7.13 se muestra otro esquema de este proceso de produccin de preformas donde puede

visualizarse como la llama es aplicada en la parte inferior del rodillo producindose la deposicin de laspartculas de dixido de silicio dopado y el consecuente crecimiento horizontal de la preforma que luegoser sometida al secado y posterior sinterizado.

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Tendencias de produccin

En la produccin de preformas para fibra ptica pueden ser observadas distintas tendencias para hacerms eficiente este proceso. Estas tendencias se ponen en evidencia mediante patentes y publicacionescientficas en revistas o congresos.

Existen rigurosos esfuerzos para incrementar la productividad:

Incrementar la tasa de deposicin Aumentar el tamao de la preforma Aumentar el out put mejorando los procesos crticos Haciendo la fabricacin de la preforma un proceso continuo Utilizacin de nuevos materiales ms econmicos que permitan realizar fibras de mejor calidad Mejorar el proceso de control

Otras investigaciones se estn realizando referidas a: Reemplazo el P y B como dopantes. Debido a que el boro induce perdidas y los grupos P-OH han sido

identificados como los responsables del aumento gradual de la atenuacin. Los fluoruros y Al2O

3son

mejores candidatos para ser utilizados como dopantes para disminuir e incrementar el ndice de refrac-cin respectivamente.

Reduccin del contenido de OH Reduccin de la atenuacin de la fibra a una longitud de onda de 1,55 mm

Desarrollo de distintos mtodos de fabricacin de preformas (sol-gel process)La velocidad de fabricacin de la fibra mediante el estirado tambin es un factor limitante en el proceso de

fabricacin que merece ser estudiado.

Comparacin de las distintas tcnicas descriptas para la fabricacin de preformas

Primeramente se proceder a enumerar las ventajas y desventajas de cada uno de los procesos. Luegose realizar una comparacin entre los mismos.

MCVD

Ventajas

Deposicin interior. Con lo cual se logra una baja contaminacin Flexible / verstil

Limitaciones Proceso discontinuo Requiere un tubo sustrato de muy alta calidad Baja eficiencia de deposicin de GeO2 (10-20%) Existen variaciones en el perfil del ndice de refraccin Tamao de preforma limitado Es necesario un tubo de slice

Este proceso a tenido una amplia expansin alrededor de todo el mundo y es probablemente el mtodoms sencillo para realizar preformas.

Dependiendo de los requisitos de calidad, el 10 a 50 % de las preforma no es utilizado para la fabricacinde la fibra, debido al problema de disminucin del perfil de ndice de refraccin. nicamente las versiones dealta tasa de deposicin de este proceso son apropiadas para fabricar fibras de modo simple.

PCVD

Ventajas

Baja temperatura de deposicin Deposicin interior Alta eficiencia de deposicin Buen control de temperatura Buen control de dimensional

Limitaciones

Proceso discontinuo Tasa de deposicin limitada

Incorporacin de hidrgeno Tamao de preformas limitado Es necesario un tubo de slice

Los parmetros de este proceso son fcilmente controlables.

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OVPO

Ventajas

Buen control del perfil No es necesario el colapsado, pero agrega complejidad al proceso de estiramiento de

la fibra.

Gran tolerancia de contaminacin de hidrgeno en las materias primas No es necesario un tubo de slice Buen control dimensional (tolerancias, excentricidad, ovalacin) Alta tasa de deposicin Pueden lograrse preformas ms largas

Limitaciones

La fabricacin con un agujero central requiere mayor control de la atmsfera Limitacin en la apertura numrica de la fibra El control de la deposicin es complejo

La fabricacin de fibras multimodo bajo este proceso tiene un problema especfico que es la fractura dela preforma debido a un shock trmico.

VADVentajas

Posible proceso continuo Bajos niveles de OH alcanzados Amplia tolerancia de contaminacin por hidrogeno en materias primas Permite la fabricacin de preformas largas No es necesario el proceso de colapsado No se necesita un tubo de slice Alta tasa de deposicin

Limitaciones

El control del ndice de refraccin es crtico y complejo

Variacin de la densidad de las partculas de slice Dificultad en la dopacin con fluoruroEn cualquiera de estas tcnicas, las impurezas de iones de metales de transicin no son problema

generalmente.Para lograr buenos resultados es necesario un control sobre la temperatura, con un error de 2 C., al

igual que un preciso control del flujo de gas.En el siguiente cuadro se realiza una comparacin de todos los mtodos de deposicin de vapor de slice

teniendo en cuenta el nmero de capas depositadas, la tasa de deposicin, la eficiencia de deposicin deSiO

2y GeO

2y tiempo de fabricacin.

MCVD PCVD OVPO VAD

N de capas 30 - 100 500 1000 1000 N/A

Tasas de deposicin. 0,5 1 g/min 0,5 g/min 1-4 g/min 1-4 g/min(1) (2,3 g/min) (1,3 g/min) (6 g/min)

Eficiencia de la deposicin de SiO2

40 70 % Casi 100 % 50 % 60 80 %

Eficiencia de la deposicin de GeO2

10 20 % 70 90 %

Tiempo de fabricacin de la preforma. 7 Hs/15 Kg 4 Hs/8 Kg 6 Hs/10 Kg(2) de preforma de preforma de preforma

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1) Las tasas expresadas entre parntesis son alcanzadas mediante mejoras en el proceso.2) El tiempo es para lograr fibras de 50/125 mm

Proceso Sol-Gel de fabricacin de preformas

Este es un mtodo totalmente distinto a los exhibidos con anterioridad.

Est compuesto por los siguientes pasos:1. Hidrlisis: de metales alkoxides, para crear un gel en presencia de agua y un solvente. Ej: Si(OCH3)4 + H2O + metanol en la siguiente proporcin molar 1:4:4,5

2. Secado del gel: para formar un gel con cuerpo poroso (densidad = 1,1 g/cm3), durante 1 semanaa 70C.

3. Cloracin: para reducir el alto contenido de OH (1000 p.p.m.)4. Sinterizado: el gel de cuerpo poroso es sometido a un proceso de sinterizado para lograr una

preforma transparente de vidrio.

Esta ltima etapa es realizada a 1100 C bajo una atmsfera de He, para formar unvidrio sin poros, completamente homogneo.Las principales ventajas de este mtodo son:

Baja temperatura Produccin en masa

Este proceso todava no ha sido difundido a niveles industriales, solo ha sido utilizado en laboratorios.

Fabricacin de la fibra

Las preformas fabricadas por cualquiera de los mtodos mencionados son ahora estiradas hasta formarla fibra. Pero antes de someterla al proceso de estirado es necesario exponerla a la llama de un quemadora 1700-1900 C. para eliminar cualquier impureza que se halle incrustada en

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