INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

EMPALME DE FIBRAS OPTICASPRACTICA

PRESENTAN: MORALES JIMENE EMMANUEL

PROFESORA: MONDRAGON MEDINA JUANITA NANCY

Mxico. D.F. 2009

OBJETIVO GENERAL Obtener los conocimientos prcticos necesarios para realizar un empalme de fibras pticas por el mtodo de fusin con la menor atenuacin posible OBJETIVOS PARATICUALR Realizar un empalme de fibra ptica por el mtodo de fusin procurando obtener una atenuacin entre 0.03 - 0.05 dB INTRODUCCION Desde el ao 1970 en que se fabricaron las primeras fibras pticas con una atenuacin de 20 dB/km, los sistemas de comunicaciones pticas se han convertido en una realidad gracias a las continuas mejoras tecnolgicas que han permitido alcanzar atenuaciones de 0,2 dB/km. Ahora bien, para aprovechar las bajas prdidas de transmisin de las fibras pticas resulta crucial el diseo ptimo de las tecnologas de conexionado de las mismas (empalmes y conectores). Los requisitos fundamentales que deben cumplir los distintos mtodos de conexionado de fibras se pueden resumir en: reducida degradacin de las propiedades de transmisin de la fibra (bajas prdidas de conexin y/o reflexiones), alta fiabilidad de la conexin, manejo sencillo incluso para su realizacin en campo por parte de operarios e instaladores y, finalmente, bajo coste. El intenso trabajo de investigacin llevado a cabo hasta el momento ha permitido satisfacer todos estos requisitos. En el presenta artculo se analizan a continuacin las principales tcnicas de alineamiento y empalme de fibras pticas. Empalme de fibras por fusin directa Existen diversos mtodos de empalme de fibras pticas por fusin directa, todos ellos clasificados en base al tipo de fuente de calor utilizada: una descarga elctrica, un lser gaseoso o una llama. El primero de ellos es el ms ampliamente utilizado en el caso de fibras de slice. En especial, se han desarrollado varias tcnicas para realizar empalmes por medio de descarga elctrica, tales como el mtodo de prefusin, el mtodo de descarga de alta frecuencia con un elevado voltaje de trigger (HHT), y el mtodo de calentamiento uniforme para realizar empalmes de mltiples fibras. Posteriormente comentaremos con algo ms de detalle en qu consiste cada uno de ellos. Los mtodos de empalme por fusin directa utilizan una fuente de calor para fundir y unir las fibras pticas. A diferencia de otros mtodos que utilizan materiales de adaptacin o adhesivos, en este caso no existe ningn otro material ms que la propia fibra en la regin del empalme. Por lo tanto, este mtodo posee inherentemente bajas prdidas por reflexin y alta fiabilidad. El procedimiento de empalme de fibras por fusin utilizando descarga elctrica se muestra en la figura 1. En primer lugar, se quitan las cubiertas de las fibras y se cortan. Ambas fibras se sitan con una cierta separacin entre ellas en una mquina empalmadora de fibras y se pulsa un botn para comenzar el proceso. Hasta este punto el trabajo se realiza manualmente por parte de un operario. En el momento de pulsar el botn de la mquina, sta comienza a mover las fibras para reducir la separacin entre las mismas. Durante el movimiento de las fibras, se genera una descarga elctrica que se mantiene durante un perodo de tiempo predeterminado. Este proceso tiene lugar de forma automtica en la mquina empalmadora. Por ltimo, la regin donde se ha producido el empalme se protege para facilitar el

manejo de la fibra. Actualmente existen mquinas completamente automticas que realizan todas las acciones: desde quitar las cubiertas hasta proteger el empalme. Corte de la fibra y mtodo de prefusin La calidad obtenida en el extremo de la fibra tras el corte afecta a las prdidas del empalme posterior, resultando difcil obtener superficies pulidas mediante la tcnica de empalme por fusin directa. Por este motivo, se han propuesto diversas tcnicas de corte de fibras que no utilizan mquina de pulir. En cuatro de estas tcnicas, a la fibra se le hace una muesca y posteriormente se dobla para realizar el corte. Entre las distintas posibilidades para producir dicha muesca se encuentran: un filo de cuchilla, una descarga elctrica, un alambre caliente o un lser de CO2. Incluso existe otra posibilidad que consiste en realizar una muesca y tirar posteriormente de la fibra sin doblarla. De entre todos los mtodos, el ms ampliamente utilizado es el basado en la muesca con cuchilla o elemento similar y posterior doblez de la fibra. Aparte de otros factores de prdidas ms comunes presentes al realizar empalmes, tales como desplazamiento lateral o inclinacin, el nico factor de prdidas en el caso del mtodo de empalme por fusin es la formacin de burbujas confinadas entre ambos extremos de las fibras. Cuando se produce esto, las burbujas introducen elevadas prdidas de unos pocos decibelios o incluso ms. En los procedimientos de empalme anteriores a la existencia del mtodo de prefusin, ambas fibras se presionaban ligeramente y posteriormente se fusionaban por medio de una descarga elctrica. Sin embargo, cuando los extremos de las fibras no eran lisos se producan desplazamientos laterales y dobleces, adems de una mayor probabilidad de formacin de burbujas como consecuencia del confinamiento de aire entre las superficies rugosas. Precisamente para evitar todo esto se propuso el mtodo de prefusin. El procedimiento consiste en situar los extremos de ambas fibras con una separacin de unas micras y posteriormente prefusionarlos con una descarga elctrica, lo que produce unas superficies lisas. Entonces stas se desplazan y presionan bajo la descarga. Tras tocarse los extremos, ambas fibras permanecen presionadas debido al movimiento. El calentamiento, por otro lado, contina incluso una vez que ha cesado el desplazamiento. El tiempo de descarga para la prefusin es inferior a 1 segundo. Por otro lado, el tiempo global de descarga es de unos pocos segundos y para fibras monomodo resulta relativamente pequeo en comparacin con el necesario para fibras multimodo. Con este mtodo se obtienen bajas prdidas en la regin del empalme incluso para superficies no perfectas. Dado que es difcil obtener superficies perfectamente pulidas fuera del laboratorio, este mtodo resulta beneficioso en la construccin de una mquina empalmadora para estos fines. Mtodo HHT En la prctica existen dos tipos de descargas elctricas que se clasifican en descarga de corriente continua (DC) y descarga de corriente alterna (AC). En general, una descarga AC se prefiere sobre una descarga DC. En el caso de una descarga DC solamente se gasta un electrodo, mientras que en la descarga AC se gastan simultneamente y de forma simtrica los dos electrodos. El mtodo HHT pertenece precisamente al grupo de descargas AC, y como se ver a continuacin una descarga de alta frecuencia posee propiedades beneficiosas. En el circuito de alimentacin utilizado en el mtodo HHT, un voltaje DC de entrada de 12 V se convierte a una seal pulsante de frecuencia 20-40 KHz mediante conmutacin empleando dispositivos semiconductores. Estas frecuencias de trabajo son bastante comunes en el caso de circuitos de alimentacin de potencia y existen gran cantidad de componentes semiconductores disponibles. El generador de disparo situado a la salida de un transformador y compuesto de diodos y condensadores se encarga de activar los electrodos de descarga. Finalmente, existe un circuito de realimentacin para el control de la conmutacin.

En ciertos experimentos comparativos utilizando descargas elctricas de baja y de alta frecuencia se han medido caractersticas diferenciadoras en cuanto a su eficiencia. Los experimentos se han llevado a cabo para unas frecuencias de descarga de 50 Hz y 20 KHz, con una separacin entre electrodos de 1,5 mm. Las distribuciones espaciales de la descarga obtenidas en ambos casos presentaban un perfil prcticamente gaussiano, tal y como se muestra en la figura 2. Sin embargo, en el caso de la descarga a 20 KHz se obtenan valores de pico inferiores y anchuras espaciales superiores que para la descarga a 50 Hz. Esto significa que la descarga a 20 KHz produce una distribucin espacial de la energa ms plana (distribucin de calor ms uniforme y estable que la descarga de baja frecuencia), lo cual es deseable en el caso de realizar empalmes de mltiples fibras simultneamente. Tcnicas de alineamiento de fibras Tanto los mtodos de prefusin como de descarga estable son importantes para conseguir bajas prdidas en los empalmes. Sin embargo, tambin resulta crucial un buen alineamiento previo de las fibras. Las distintas tcnicas de alineamiento pueden clasificarse en fijas y mviles. En la tcnica fija las fibras no se desplazan lateralmente, sino que stas se sitan en posiciones predeterminadas. Este mtodo se conoce tambin como alineamiento pasivo y es ampliamente utilizado en las mquinas empalmadoras debido a su simplicidad. Cuando se utilizan fibras con una excentricidad de ncleo pequea, este mtodo es vlido no slo para fibras multimodo sino tambin para fibras monomodo. Dado que las tecnologas de fabricacin de fibras han mejorado en la actualidad, es posible conseguir empalmes de varias fibras monomodo de forma simultnea con valores de prdidas inferiores a 0,05 dB utilizando mquinas que emplean esta tcnica. En cambio, en las tcnicas mviles las fibras se desplazan lateralmente hasta obtener posiciones precisas previamente a la descarga. Este mtodo se conoce tambin con el nombre de alineamiento activo. Hasta la fecha se han propuesto mltiples tcnicas para realizar el alineamiento, especialmente durante las primeras fases de desarrollo de los empalmes de fibras monomodo, las cuales presentaban una elevada excentricidad en el ncleo en comparacin con las fibras actuales. Una de estas tcnicas es la de monitorizacin de la potencia ptica, la cual se basa en la medida de la potencia ptica transmitida para realizar el alineamiento. Existen tres posibilidades dependiendo de los puntos del sistema que se utilizan para realizar la medida. En la tcnica de tres puntos se utilizan una fuente ptica, una mquina de empalme y un detector situados en tres puntos diferentes del sistema. En este caso, para hacer uso de la potencia ptica detectada para alinear las fibras se requiere un dispositivo transmisor y unos cables metlicos. Con este mtodo se han obtenido valores de prdidas por empalme de unos 0,1 dB con una desviacin tpica de 0,08 dB. Por otro lado, en la tcnica de dos puntos se sita un detector cerca o en la propia mquina empalmadora. De este modo, el equipamiento solamente se coloca en dos puntos del sistema y la potencia ptica transmitida se detecta localmente por medio de la radiacin que produce una curvatura de la fibra. Finalmente, en la tcnica de un punto se colocan todos los componentes en el mismo emplazamiento. Tanto la inyeccin como la deteccin de potencia se realiza en la mayora de los casos por medio de la curvatura de la fibra. Los mtodos visuales son otras de las tcnicas no fijas de alineamiento de fibras. En una de las tcnicas se utiliza un microscopio para observar en una direccin o en dos direcciones perpendiculares los dimetros exteriores de las dos fibras. Para observar las dos direcciones se coloca un espejo cerca de las fibras. La imagen aumentada puede verse directamente o indirectamente, en este ltimo caso a travs de un monitor de TV y una cmara. Dado que para el alineamiento se utiliza como referencia el dimetro exterior de las fibras,

esta tcnica es poco eficiente en el caso de fibras monomodo con excentricidad en el ncleo. Para ello debera utilizarse algn mtodo de monitorizacin directa del ncleo, como por ejemplo: el uso de la fluorescencia de un ncleo de slice dopado con Germanio y excitado con luz ultravioleta, el uso de un microscopio de contraste por interferencia diferencial, el uso de un divisor de haz y luces inyectadas en ambas direcciones o el uso de un microscopio ordinario. Finalmente, la tcnica basada en la utilizacin de un sensor de luz tambin pertenece al conjunto de tcnicas mviles. En esta tcnica se detectan las posiciones de las fibras en dos direcciones perpendiculares por medio de dos sensores de luz por cada fibra, por lo que son necesarios cuatro sensores en total. En las tcnicas mviles resulta imprescindible la presencia de mecanismos muy precisos para realizar los movimientos finos que se precisan durante el alineamiento. Algunos mecanismos propuestos consisten en una plataforma mvil de precisin controlada por un motor, un dispositivo piezoelctrico o un dispositivo de deformacin elstica. Las caractersticas de linealidad en el movimiento, desplazamiento mximo y tamao dependen de la tcnica de alineamiento y del diseo de la mquina empalmadora. Proteccin del empalme Generalmente la cubierta de las fibras se elimina previamente a la realizacin del empalme. Durante el proceso consistente en eliminar las cubiertas, cortar las fibras y situarlas en la mquina empalmadora, e incluso en el proceso de calentamiento, se producen grietas en las fibras que debilitan su resistencia. La resistencia de las fibras tras realizar un empalme se reduce en un 10% aproximadamente, por lo que se hace necesaria la posterior proteccin de la zona tratada. A la hora de seleccionar un mtodo de proteccin se deben considerar factores tales como: fiabilidad (variacin de las prdidas de empalme y rotura), facilidad de manejo y coste. Cuando el mtodo de proteccin o su diseo no es bueno, las prdidas del empalme sufren gran variacin con la temperatura. Si por el contrario se realiza de forma adecuada, las prdidas varan tan slo 0,02 dB para rangos de temperatura desde -30 C hasta +60 C. De entre los distintos mtodos de proteccin utilizados destacan: una ranura con forma de V (V-groove) de plstico con cubierta, un par de lminas de cristal cermico, un tubo que se contrae con el calor junto con una varilla de acero o un molde de plstico. Finalmente, para la sujecin se utilizan como adhesivos una reaccin qumica, la fundicin del material o resinas fotosensibles. Mquinas de empalme de fibras Existen disponibles comercialmente multitud de mquinas de fcil manejo para realizar automticamente el empalme de diversos tipos de fibras pticas: monomodo, multimodo, fibras de dispersin desplazada, fibras mantenedoras de polarizacin, etc. La mayora emplean los mtodos de prefusin y HHT para realizar la unin. Para su funcionamiento disponen de una pequea batera interna de 12 V o de conexin a la red. Empalme de fibras utilizando mtodos mecnicos o adhesivos A diferencia de las tcnicas ya analizadas, tanto los mtodos mecnicos como la utilizacin de adhesivos para realizar el empalme de fibras no se basan en la generacin de calor. Por lo tanto, ambos mtodos presentan varios aspectos comunes en lo relativo al posicionamiento de las fibras. La tcnica bsica utiliza ranuras en V realizadas en distintos materiales, tanto duros como blandos. En el caso de materiales blandos es posible realizar empalmes entre fibras de diferente dimetro, ya que el material se deforma para hacer coincidir los centros de ambos ncleos. El mtodo usual de alineamiento que se utiliza es el fijo (alineamiento pasivo). Dado que ninguno de los dos mtodos utiliza fusin, el posicionamiento de las fibras

depende de la precisin del substrato y de su evolucin con el tiempo. La clave se basa en un substrato preciso de baja prdida y con fiabilidad a largo plazo. Existen multitud de materiales propuestos, tales como silicio, metales, plsticos y acero. Cuando el coeficiente de dilatacin trmica del substrato es similar al de las fibras de slice, resulta fcil eliminar la variacin de las prdidas con la temperatura y asegurar una fiabilidad a largo plazo. Generalmente suelen emplearse materiales de adaptacin entre las fibras en ambos mtodos (mecnicos y adhesivos) para reducir las prdidas del empalme y las reflexiones. Aunque las prdidas del empalme no son sensibles al ndice de refraccin, la reflexin s que resulta muy sensible. Por lo tanto, se necesita una adaptacin de ndices muy precisa para suprimir las reflexiones. Cuando se requiere muy baja reflexin, tambin debe tenerse en cuenta la variacin con la temperatura del ndice de refraccin del material de adaptacin. Algunos ejemplos de materiales de adaptacin seran el gel y resina de Silicio, adhesivos fotosensibles o resinas de epoxy. En el mtodo de empalme basado en adhesivo se prefiere que ste sirva simultneamente como material de unin y de adaptacin. Una unin mecnica utiliza una fuerza mecnica para mantener el alineamiento de las fibras, por lo que existe la posibilidad de volver a conectarse (reconfiguracin). No obstante, resulta generalmente bastante difcil en comparacin con un conector ptico. Por otra parte, una unin adhesiva utiliza un material adhesivo para cumplir la funcin de mantener alineadas las fibras. En este sentido es similar a un empalme por fusin, dado que tiene la caracterstica de ser permanente. As pues, un empalme mecnico es similar a un conector ptico, mientras que un empalme adhesivo es similar a un empalme por fusin. Los empalmes son las uniones fijas para lograr continuidad en la fibra.

En las fibras monomodo los problemas de empalme se encuentran principalmente en su pequeo dimetro del ncleo Dn = 10m, esto exige contar con equipos y mecanismos de alineamiento de las fibras con una mayor precisin. Las prdidas de acoplamiento se presentan en las uniones de Emisor ptico a fibra, conexiones de fibra a fibra y conexiones de fibra a fotodetector. Las prdidas de unin son causadas frecuentemente por una mala alineacin lateral, mala alineacin de separacin, mala alineacin angular, acabados de superficie imperfectos y diferencias ya sea entre ncleos o diferencia de ndices, como los indicados en la figura.

DESARROLLO 1. Tener el material necesario para la realizacin del empalme de una fibra ptica por fusin

Empalmadora Adaptador de corriente para la empalmadora

Kit de herramientas Tijeras para cortar Kevlar Pelador de coating (color) Pelador de revestimiento Pinzas Gafas de proteccin Regla Marcador

Alcohol Isoproplico Paos

Cortador de alta precisin para fibra ptica Fibra ptica

2. Antes de comenzar el procedimiento, ponerse las gafas de proteccin para evitar que durante este proceso entre un trozo de fibra en los ojos ya que esto puede causar ceguera. 3. Con el pelador de coating, se pela unos 5cm de coating inclinado el pelador para evitar cortar la fibra ptica

4. Se limpia los residuos del coating de la fibra con el pao humedecido con alcohol Isoproplico.

5. Se procede a cortar la fibra a unos 8 a 16mm con un cutter o cortador de precisin con hoja de diamante, colocamos la fibra dentro del canal, haciendo coincidir el fin del coating con la divisin correspondiente a la medida.

6. Cuidando que la fibra no contacte con nada, se introduce en la zapata de la empalmadora, sobre las marcas indicadas. Una vez cortada, la fibra no se vuelve a limpiar ni tocar.

7. Repetir el procedimiento con la otra fibra. 8. Procedemos a colocar las fibras en la empalmadora sin que se crucen, a la altura de los electrodos

9. En el display se observaran las puntas de cada fibra, mostrando el ngulo de corte realizado en cada fibra, si el ngulo es perfectamente recto podremos empalmar, sino fuera as la empalmadora no nos permitira empalmar y se tiene que cortar la fibra nuevamente.

10. Una vez que las fibras tengan un ngulo de corte recto, procedemos a realizar el empalme. Presionando el botn de empalme, estando la empalmadora ajustada en automtico, la misma proceder a alinear en los ejes X e Y, y a acercar las puntas a la distancia adecuada.

11. Una vez alineadas las fibras, a travs de un arco elctrico dado entre dos electrodos, aplicar una corriente de prefusin durante el tiempo de prefusin, y luego una corriente de fusin durante el tiempo de fusin.

12. Luego har una estimacin aproximada del valor de atenuacin resultante.

LOSS = 0.05 dB

CONCLUSIONES Es interesante el proceso para hacer el empalme por el mtodo de fusin, uno es capaz de apreciar las complicaciones que puede tener el realizar una red con esta tecnologa, desde el simple hecho de tener que realizar los cortes de las fibras en un ngulo recto hasta el realizar el proceso de fundicin. Creemos que el aspecto predeterminante de este procedimiento es la atenuacin; es el aspecto que mas se cuido en todo el proceso, desde quitar la capa de acrilato hacer el corte con el sistema adecuado para hacer el corte correcto, la utilizacin de alcohol isopropilico para procurar no tener residuos en la fibra. La fibra no debe tener residuos, mas es igual de importante en la empalmadora lograr la alineacin exacta de los ncleos, lo cual no es tarea fcil, a pesar de tener la visin microscpica de la empalmadora. Anqu es la primera vez que realizamos un empalme por fusin, obtuvimos el empalme a la primera, ya que manejamos correctamente las herramientas para cortar la fibra y fusionarla, despus de dicho proceso logramos alinear las fibras y hacer la fusin con la energa de los ctodos, obteniendo una atenuacin de 0.05 decibeles, lo cual parece haber sido un buen empalmado, aunque sigue teniendo prdidas considerables para un sistema completo. Aun as, estamos convencidos de que fue un buen trabajo, pues creemos que en este, como en muchos otros casos, la perfeccin se obtiene con la experiencia. El empalme no siempre sale a la primera, ya que notamos que varios de nuestros compaeros cortaban y cortaban la fibra debido a que su ngulo de corte no era perfectamente recto, y no a todos los que les quedo el empalme con la misma atenuacin a la nuestra, ya hubo empalmes menores a 0,05 dB. Es importante saber que manejar la fibra ptica requiere de mucho cuidado, ya que si entra en contacto con nuestro cuerpo, esta se puede adentrar hasta llegar al sistema circulatorio y de ah al corazn o en el caso de los ojos requerira de ciruga, esto es porque la fibra es tan pequea que es difcil de distinguir.

BIBLIOGRAFIA [1] Fiber optics handbook: fiber, devices, and systems for optical communications McGraw-Hill telecom Professional Telecom Series McGraw-Hill Telecom Engineering Series Telecom Engineering Autores : Michael Bass, Eric W. Van Stryland, Optical Society of America Editores: Michael Bass, Eric W. Van Stryland Editor: McGraw-Hill Professional, 2002 ISBN: 0071386238, 9780071386234 N. de pginas: 416 pginas Ttulo: Autor: Editor: ISBN: N. de pginas: Ttulo: Comunicaciones pticas: conceptos esenciales y resolucin de ejercicios Mara Carmen Espaa Boquera Ediciones Daz de Santos, 2005 847978685X, 9788479786854 390 pginas Ttulo:

[2]

[3]

Handbook of fiber optic data communication: a practical guide to optical networking Autor: Casimer DeCusatis Editor: Casimer DeCusatis Edicin: 3, ilustrada Editor: Academic Press, 2008 ISBN: 0123742161, 9780123742162 N. de pginas: 784 pginas

[ 4 ] http://www.youtube.com/watch?v=uSIu5PHsfNs&feature=player_embedded