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 CladdingSiO 2 B 2 O 3 -SiO 2GeO 2 -SiO 2 SiO 2P 2 O 5 -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 supervisadoUna 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.

6. 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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