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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

CARACTERIZACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE EMPALME POR FUSIÓN EN FIBRAS ÓPTICAS POR

MEDIO DE CAPTURA Y PROCESAMIENTO DE IMÁGENES DE

ALTA RESOLUCIÓN

T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES

PRESENTA:

ING. GABRIELA SÁNCHEZ MELÉNDEZ

DIRECTOR DE TESIS:

DR. ALEXANDRE MICHTCHENKO

MÉXICO D.F. 2008

DEDICATORIA

A LA MEMORIA DE MI PADRE… SALOMÓN SÁNCHEZ GUZMÁN

GRACIAS POR TODO LO QUE ME ENSEÑASTE, PERO SOBRE TODO GRACIAS POR BRINDARME EL AMOR QUE SIEMPRE ME

DISTE. NUNCA TE OLVIDARE.

AGRADECIMIENTOS

A MI MAMÁ MARÍA JUANA MELÉNDEZ GARCÍA GRACIAS POR DARME LA FUERZA NECESARIA PARA SEGUIR

ADELANTE, POR CREER EN MÍ Y POR MOTIVARME SIEMPRE. TE AMO.

A MIS HERMANOS MARGARITA Y JUAN POR SU EJEMPLO DE

CARÁCTER Y BONDAD. ME HAN HECHO MEJOR PERSONA.

A MIS AMIGAS DE SIEMPRE MARLÉN, FAVIOLA Y KARINA POR QUE SE QUE SIEMPRE ESTAN AHÍ CUANDO LAS

NECESITO.

A ALAN POR LOS EXCELENTES MOMENTOS COMPARTIDOS.

A MIS AMIGOS DE TRABAJO ISABEL Y GREGORIO, POR LA CONFIANZA DEPÓSITADA EN MÍ.

AL M. EN C. DAVID VÁZQUEZ ALVAREZ POR SU COMPAÑÍA EN LOS BUENOS Y MALOS MOMENTOS DE MI VIDA. GRACIAS

POR CREER EN MÍ.

AL DR. ALEXANDRE MICHTCHENKO POR SU AMISTAD Y GUÍA A LO LARGO DE ESTE TRABAJO.

AL DR. RAÚL CASTILLO PÉREZ POR HABERME PERMITIDO LA REALIZACIÓN DE LAS PRUEBAS. GRACIAS POR EL ASILO Y LA

COMIDA.

A TODOS GRACIAS.

- GABRIELA SÁNCHEZ MELÉNDEZ

ÍNDICE

Índice Capítulo 1. Características generales 1.1 Introducción 1 1.2 Características generales de la fibra óptica 6 1.3 Tipos de fibras ópticas 8 1.4 Características generales de los empalmes de fibras ópticas 12 1.5 Tipos de empalmes en fibras ópticas 13 Capítulo 2. Pérdidas en conexiones de fibras ópticas 2.1 Introducción 17 2.2 Pérdidas por atenuación 17 2.3 Pérdidas por dispersión 19 2.4 Pérdidas por acoplamiento 20 2.5 Causas principales de malos empalmes mecánicos o por fusión 23 Capítulo 3. Recomendaciones en el tratamiento y preparación de la fibra óptica al realizar conexiones 3.1 Introducción 31 3.2 El corte de la fibra óptica 32 3.3 Empalmadoras utilizadas para unir fibras ópticas 34 3.4 Método de empalme de fibras ópticas por fusión directa 35 3.4.1 Corte de la fibra y método de prefusión 36 3.4.2 Método HHT 37 3.4.3 Técnicas de alineamiento de fibras 38 3.4.4 Protección del empalme 40 3.5 Proceso de preparación de la fibra óptica 41 3.5.1 Preparación de los extremos de las fibras ópticas 41 3.6 Medición de parámetros en la fibra óptica 46 3.6.1 Medición de la apertura numérica 47 3.6.1.1 Medición de la atenuación 48 3.6.1.2 Mode scrambler 48 3.6.1.3 Método del corte (cut back) 49 3.6.1.4 Método del retroesparcimiento (back scattering) 50 3.6.1.5 Método de la inserción 52

i

ÍNDICE

Capítulo 4. Pruebas y resultados obtenidos 4.1 Introducción 53 4.2 Optimización 55 4.2.1 Formulación del modelo 56 4.3 Empalmadora de fusión utilizada 57 4.3.1 Procedimiento de ajuste aplicado en la empalmadora 58 4.4 Obtención de imágenes 60 4.4.1 Histogramas 63 4.5 Procesamiento de las imágenes 64 4.6 Pruebas y resultados obtenidos 70 Conclusiones 87

Recomendaciones para trabajos futuros 89 Apéndices A Estándares de fibras ópticas 90 B Especificaciones de la empalmadora utilizada 92 C Artículos presentados en congresos 100 Bibliografía 123

ii

ÍNDICE DE FIGURAS

Índice de figuras Capítulo 1 1-1 Vista esquemática de las capas que forman una fibra óptica 6 1-2 Modos de transmisión, dependientes de la longitud de onda de la

señal 7

1-3 Fibra monomodo, solo permite un modo de transmisión 8 1-4 Fibra multimodo, permite varios modos de transmisión 9 1-5 Cono de aceptación (NA), dentro del cual todos los rayos

emitidos entrarán en el núcleo 9

1-6 Fibra óptica multimodo de índice escalonado 10 1-7 Fibra óptica multimodo de índice gradual 10 1-8 Enlace por fibra óptica 12 1-9 Empalme mecánico 14 1-10 Empalme por fusión 15 1-11 Máquinas empalmadoras para realizar soldadura de fibras

ópticas 15

1-12 Procedimiento de empalme de fibras ópticas por fusión 16

Capítulo 2 2-1 Macro y micro curvaturas en fibras ópticas 19 2-2 Atenuación y dispersión en una fibra óptica 19 2-3 Desalineación lateral, X es la distancia de desalineación que

existe 21

2-4 Desalineación de separación angular, se produce cierto grado de inclinación θ, entre las fibras ópticas

21

2-5 Mal acabado de superficie, en los extremos hay impurezas que generarán un mal empalme

21

2-6 Recubrimiento holgado de un empalme de fibras ópticas 24 2-7 Parámetros usados para el cálculo de pérdidas en empalmes 24 2-8 Caso de desviación entre los centros de los núcleos de una fibra

emisora y receptora 25

2-9 Contribuciones de las desviaciones del núcleo de una fibra desde el centro del tubo cuando la fibra tiene cubierta

26

2-10 Contribuciones de las desviaciones del núcleo de una fibra desde el centro del tubo cuando la fibra no tiene cubierta

27

2-11 Núcleos de fibra desviados e incompatibilidad de diámetros 28 2-12 a) Los centros tienen el mismo diámetro; b) El núcleo emisor es

más grande que el núcleo receptor 29

2-13 Núcleo de forma elíptica 29

iii

ÍNDICE DE FIGURAS

Capítulo 3 3-1 Corte de la fibra óptica 32 3-2 Algunas situaciones obtenidas después de cortar la fibra óptica 33 3-3 Tipos de cortadoras, que se utilizan hoy en día 33 3-4 Sistema de inyección y detección de luz 35 3-5 Capas básicas que recubren una fibra óptica 36 3-6 Distribuciones espaciales de la descarga 38 3-7 Alineamiento de fibras mediante ranuras en V: substratos duro y

blando 40

3-8 Pelado y limpieza de la fibra óptica 42 3-9 Pinzas para la limpieza de la fibra óptica 42 3-10 Corte de la fibra 43 3-11 Proceso de pulido previo a la conectorización de la fibra óptica 44 3-12 Fibra después de pulir 44 3-13 Colocación de la fibra en la empalmadora para el proceso de

prefusión y fusión 45

3-14 Protección del empalme 45 3-15 Etapas en la realización de un empalme 46 3-16 Medición de la apertura numérica 48 3-17 Mode scrambler 49 3-18 Método del corte (parte 1) 50 3-19 Método del corte (parte 2) 50 3-20 Método de retroesparcimiento 51 3-21 OTDR 51 Capítulo 4 4-1 Procedimiento de empalme de fibras ópticas por fusión 53 4-2 Diagrama que esquematiza el problema a resolver y la solución

propuesta 54

4-3 Proceso de empalme y de verificación de calidad 54 4-4 Etapas de la optimización 55 4-5 Tiempos de empalme y acción recíproca 57 4-6 Representación de una imagen a escala de grises en MatLAB 61 4-7 Imagen mostrada al utilizar la función imshow 62 4-8 Utilización de la función impixel 63 4-9 Sistema implementado para la obtención de imágenes 64 4-10 Material utilizado para la conectorización de la fibra 65 4-11 Etapa de pulido de la fibra para conectorizar 66 4-12 Fibras ópticas conectorizadas, listas para usarse 66 4-13 Fuente y medidor utilizados durante la experimentación 66 4-14 Imagen obtenida a través del sistema implementado 67 4-15 Imagen obtenida y convertida a escala de gris 68 4-16 Sección de la imagen utilizar 68

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

4-17 Imagen seccionada para procesar 69 4-18 Imagen a utilizar para el análisis de los empalmes, a) imagen de

control; b) imagen de empalme 69

4-19 Imagen obtenida con el régimen 3 (M’mode Standard), a) imagen de control, b) imagen de empalme

70

4-20 Gráficas de la imagen de control y la imagen de empalme respectivamente, representa el área oscura de la imagen (área bajo la curva), para el caso de una línea negra en el área de empalme

71

4-21 Histogramas de: a) la imagen de control y b) la imagen de empalme

72

4-22 Imagen obtenida con el régimen a procesar, a) imagen de control, b) imagen de empalme

73

4-23 Gráficas de la imagen de control y la imagen de empalme respectivamente, representa el área oscura de la imagen

74


75

4-25 Imagen obtenida con el régimen 1 (M’mode Warm), a) imagen de control, b) imagen de empalme

76

4-26 Imagen obtenida con el régimen 1 (M’mode Warm), a) Imagen de control, b) imagen de empalme

76


77

4-28 Otro caso de aparición de burbuja, a) imagen de control, b) imagen de empalme

78

4-29 Gráfica de “oscuridad” del caso de burbuja en empalme 79 4-30 Histogramas para el caso de una burbuja, en la zona de empalme 79 4-31 Imagen obtenida con el régimen “Ópt”, a procesar, a) imagen de

control, b) imagen de empalme 80

4-32 Gráficas de la imagen de control y la imagen de empalme respectivamente, representa el área oscura de la imagen

81


82

4-34 Imagen obtenida de un buen empalme, a) imagen de control, b) imagen de empalme

83

4-35 Gráficas de un caso de empalme con el régimen Ópt 84 4-36 Histogramas del empalme e imagen de control del último caso 84 4-37 Distribución de la luminosidad de la lámpara en la empalmadora 85

v

OBJETIVO Y JUSTIFICACIÓN

Antecedentes

Las fibras ópticas han presentado un gran avance en las telecomunicaciones que requieren de banda ancha, a través de ellas podemos enviar señales ópticas, brindándonos una gran ventaja en cuanto a los medios comunes, incluso los inalámbricos, pues este tipo de comunicación no sufre pérdidas debido a factores externos. El crecimiento que se ha tenido en los últimos años ha sido grande con respecto al crecimiento en las redes por cable de cobre. Ya que a través de este medio podemos ofrecer una gran cantidad de servicios de manera simultánea. De modo que es conveniente estudiar los problemas que se pueden presentar en los enlaces a través de fibras ópticas para que las comunicaciones tengan un funcionamiento óptimo y las pérdidas que puedan encontrarse sean reducidas, ofreciendo una mejor comunicación y servicio. Planteamiento del problema Desde las primeras instalaciones hasta las actuales se ha visto un mejoramiento en las características de la fibra óptica. Como ya se dijo el crecimiento en el uso de ésta tecnología va en aumento, además, las características físicas, tamaños y tipo de las fibras han cambiado, por lo que es de suma importancia estudiar el cómo unir y/o conectar redes de fibras ópticas, ya que las primeras en instalarse requieren de crecimiento e incluso las redes ópticas actuales requieren enlaces mucho más largos por lo que buscamos caracterizar y optimizar el proceso de empalme por fusión para poder brindar una mejor comunicación con el uso de este medio. Objetivo

Caracterizar los empalmes por fusión en fibras ópticas a través del procesamiento de imágenes (de alta resolución), para poder optimizar el proceso de empalme y verificar la calidad de los mismos. Justificación Para la instalación de sistemas de fibra óptica es necesario utilizar técnicas y dispositivos de interconexión como empalmes y conectores. Las pérdidas de acoplamiento se presentan en las uniones de:

• Conexiones de emisor óptico a fibra óptica.

vi

OBJETIVO Y JUSTIFICACIÓN

• Conexiones de fibra óptica a fibra óptica.

• Conexiones de fibra óptica a fotodetector.

En caso de que los núcleos no se empalmen perfecta y uniformemente, una parte de la luz que sale de un núcleo no incide en el otro núcleo y se pierde, sumando además que en una comunicación a través de fibra óptica suele existir más de un empalme. Por lo tanto las pérdidas que se introducen por esta causa pueden constituir un factor muy importante en el diseño de sistemas de transmisión, particularmente en enlaces de telecomunicaciones de gran distancia.

Como dijimos, en la actualidad se instala un gran volumen de fibras ópticas en un sin fin de aplicaciones de telecomunicaciones, los ingenieros de estos sistemas comienzan a considerar el creciente impacto de los empalmes en éstos. Los empalmes producen pérdidas en los sistemas y provocan a su vez un profundo impacto en la calidad, rendimiento y costo de instalación del mismo.

Por lo tanto se busca contribuir en el análisis de la instalación, puesta en marcha y/o

expansión, así como en el mantenimiento de nuevas redes ópticas, para ofrecer las recomendaciones pertinentes en cuanto a las conexiones y las pérdidas producidas en cada una de éstas, brindando así un mejor servicio de comunicación y entrega de la información.

vii

RESUMEN

Resumen En este trabajo se presenta un análisis detallado del proceso de empalme, cómo debe ser interpretado, cómo debe realizarse y se muestra un método de cómo verificar la calidad del empalme; particularmente, un empalme por fusión. Se busca la forma de caracterizar el proceso y con ello buscar la optimización del mismo para poder ofrecer conexiones con menor pérdida en comunicaciones a través de fibras ópticas. Comenzamos mostrando un panorama general de las fibras ópticas, su uso en los diferentes tipos de redes, su crecimiento actual (su uso en sistemas de telecomunicaciones), se puede observar una comparación de ventajas y desventajas al utilizar fibra óptica a diferencia de otros medios de transmisión. Así mismo, analizamos los tipos de acoplamiento que se suelen realizar y las pérdidas que se pueden encontrar en las comunicaciones a través de fibra óptica; finalmente encontraremos el proceso de los empalmes por fusión, un análisis detallado de los equipos que existen en la actualidad para realizarlos, de modo que se mencionan los diferentes métodos que ofrecen las empalmadoras actuales para medir las pérdidas en un empalme y saber si es aceptable o no. Encontraremos también el proceso completo del empalme en una sección de tratamiento de la fibra óptica, pues este es un parámetro muy importante y debe cuidarse al realizar empalmes por fusión, finalmente se podrán observar las mediciones realizadas, las gráficas, los datos obtenidos y el tratamiento de datos e imágenes para la caracterización del proceso y optimización del proceso de empalme.

viii

ABSTRACT

Abstract

This work presents a splice process analysis detailed, how should it be interpreted?, how should it be realized? And it shows a method to verify the splice quality, particularly, a fusion splice. There is looked the way to optimize the process and with it to look for its the characterization, to be able connections with smaller loss in optic fibers communications.

We start by showing a fibers optics panorama, their use in the different types of networks, their current growth (the use in networks in telecommunications systems), it is possible to observe an advantages and disadvantages comparison on having use fiber optic contrary to other transmission means. Likewise we analyze the joining types that are usually carried out and the losses that can be in the fiber optic communications; finally, we will find the fusion splices process, a equipments analysis detailed that exist at the present time to realize them, so the different methods are mentioned that they offer the actual splicers to measure the losses in a splice and knowledge if it is acceptable.

We will also find the complete process in a section of the fiber optic treatment, because this is a very important parameter that should take care when carrying out connections, finally we will able to be observed the realized measurements, the graphs, the obtained information and the data and images processing for the process characterization.

ix

CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES

Capítulo 1 Características generales En este capítulo comenzaremos por explicar las etapas, condiciones promotoras y tendencias de evolución de las fibras ópticas, así mismo se presentarán algunas características generales de éstas, también se mencionarán los tipos de acoplamientos y de pérdidas que podemos encontrar en las fibras ópticas, parámetros que serán de importancia para la elaboración de este trabajo. 1.1 Introducción

Los progresos tecnológicos anuncian profundos cambios en el sector de las telecomunicaciones, señala la OCDE (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos) en su último informe, en donde destaca que la banda ancha permanece todavía como uno de los principales recursos de crecimiento para las empresas de telecomunicaciones y enfatiza que las empresas deberán decidir en un futuro próximo en qué medida deben proseguir sus inversiones en las redes de próxima generación, como la fibra óptica, más que mantener las inversiones en redes de cobre tradicionales. Las redes de fibra permiten transmitir más rápidamente mayor cantidad de datos que las redes actuales de banda ancha, como las de cable o ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). Pero el desafío surge debido al aumento de la demanda de servicios (como televisión de alta definición, imágenes de alta resolución videos, transmisiones en tiempo real), que necesita más ancho de banda que la que pueden ofrecer las redes actuales. La OCDE prevé un aumento de la demanda de comunicaciones por fibra óptica que transformará de nuevo la capacidad de los operadores. Un ejemplo que puede citarse es el de Japón, donde la mayoría de los operadores han decidido migrar rápidamente a la fibra óptica, lo que permite que los consumidores tengan un mejor servicio y más barato. Según el reporte de la OCDE, la demanda de suscriptores con la misma capacidad de ancho de banda (nos indica la capacidad máxima del medio) para bajar y subir información aumentará en el futuro, lo que añade otro factor de evolución de este sector [1].

Al respecto podemos afirmar que no existe aún una solución universal a los desafíos

que se avecinan, ya que los países que ya han comenzado el desarrollo de redes de fibra óptica han seguido caminos diferentes. Una proyección realizada por IDATE (consultores y analistas de alto nivel en Telecomunicaciones) estima que el mercado de Internet por fibra óptica será en todo el mundo de 42 millones de abonados en 2010. Asia y Estados Unidos serán las regiones líderes, seguidas de Europa, que pasará de los 650,000 abonados actuales a los 7 millones dentro de cuatro años [2].

Gran parte de la evolución del mercado de la fibra óptica está dependiendo del comportamiento de los grandes operadores, que condicionan el crecimiento de banda ancha

1


y cada uno de ellos tiene sus propias estrategias respecto de la infraestructura. Ya que el mercado de la banda ancha pretende evolucionar hacia la fibra óptica, se ha observado que para las empresas esta transición no está exenta de riesgos. Ha llamado mucho la atención el peligro que están corriendo algunos operadores con sus inversiones de fibra óptica para canalizar nuevas tecnologías. Podemos mencionar como dato adicional que el crecimiento de la banda ancha derivada del ADSL en el segundo trimestre de 2006 ha sido el más bajo en toda la historia, ya que según POINT TEPIC (Agencia londinense de análisis de mercados), se ha situado en el 7.1% en todo el mundo, lo que significa una singular caída respecto al crecimiento de 8.5% a finales del 2005. De las diferentes regiones del mundo, sólo el Sudeste de Asia y Asia-Pacífico registran un leve incremento en el mismo periodo, ya que el consumo de banda ancha se registró de 4.35% a 4.5%. Asia – Pacífico es la región que menor incremento representa debido a la saturación del mercado. Norteamérica y Europa padecen un problema parecido, situando su crecimiento en el consumo de banda ancha en el 4.82% y el 5.64% respectivamente. En cuanto al crecimiento China sigue siendo el líder del mercado de banda ancha, ya que representa el 19% del total mundial [3].

Según POINT TEPIC se puede ver que ADSL ha ido decayendo desde el tercer trimestre del 2005, siendo más notorio en los países de la región Asia – Pacífico, ya que casi todos los abonados han emigrado a tecnologías de banda ancha basadas en fibra óptica. Esta migración comenzó con el uso de la fibra óptica en las comunicaciones con las grandes redes que transportaban información de un continente al otro y de una ciudad a otra. La inversión se justificaba porque el volumen utilizado de un continente al otro era bastante considerable. Conforme creció el flujo de información surgió la necesidad de hacer llegar la fibra óptica a los grandes complejos de edificios y posteriormente a cada edificio en particular. Como ya se mencionó la fibra óptica ha ido reemplazando en forma paulatina al cobre, conforme las necesidades de comunicación y el tráfico de información han ido creciendo. La evolución de los sistemas de comunicaciones nos llevará hasta la presencia de la fibra óptica en las conexiones de escritorio. Esto es muy importante ya que la FTTH (Fiber To The Home) representa ventajas de gran relevancia, pues en las ciudades que se ha implantado se empieza a utilizar la videoconferencia para hablar con los servicios médicos, en sistemas de seguridad, contra algunos desastres (por ejemplo los incendios), o con fines educativos [3].

José Ramón Rodríguez, gerente de la Organización y Sistemas de Información del Ayuntamiento de Barcelona, reconoce que existe “una demanda social de banda ancha que tenemos que cubrir con iniciativas imaginativas, públicas, privadas o mixtas”. El objetivo es que dentro de tres años el 80% de la población pueda acceder a esta oferta de banda ancha. Es de pensarse que el próximo paso será hacer llegar un cable de fibra óptica directamente a su escritorio. Los enlaces largos y las tecnologías como los conectores de fibra óptica hacen esto posible, de modo que un conector de fibra óptica en la placa de pared se ve casi igual al conector de un teléfono convencional. Las ventajas que el esquema FTTH ofrece son las siguientes:

• Alta capacidad para transportar información. Un solo cable puede manejar hasta 30 mil llamadas telefónicas al mismo tiempo.

2


• Reducción en los costos de instalación, administración y mantenimiento de los servicios del edificio.

• Vida útil muy superior a la de los sistemas de cobre.

• Aumento en la productividad de los servicios. Un solo cable de fibra óptica puede

manejar a la vez los servicios de teléfono, televisión, computadoras y alarmas.

• Inmunidad a las interferencias electromagnéticas.

• Baja atenuación de la señal.

• Admite un gran ancho de banda (mayor a 1Ghz), es absolutamente confidencial.

• Se establecen comunicaciones a grandes distancias.

• Tiene aislamiento dieléctrico entre los puntos de conexión.

A mediano plazo, la supervivencia y crecimiento de las empresas estarán determinados por la información que viajará en su totalidad a través de los cables de fibra óptica. En menos de 10 años, la fibra óptica llegará a su escritorio [3].

Por ejemplo, la Comisión Europea ayuda a las zonas más atrasadas en tecnologías de la información a conectarse con banda ancha, dedicando fondos estructurales y de desarrollo rural. Y es que según sus propios datos, el año pasado, en poblaciones rurales o alejadas de las grandes ciudades europeas sólo tenía banda ancha el 60% de las empresas y hogares, frente a más del 90% que disfrutaba de estas conexiones en las urbes [4].

Podemos agregar que EUROCITIES, una red de más de 120 ciudades de 30 países europeos fundada en 1986 como foro de intercambio de ideas y experiencias, señala que no existe Sociedad de la Información sin una velocidad de conexión alta, y que la banda ancha no es real si no se accede a la red a través de fibra óptica. Se ha observado durante los últimos quince años, que los sistemas de comunicaciones han experimentado muchos cambios notables y dramáticos, en donde los sistemas de microondas terrestres han alcanzado su máxima capacidad, y los sistemas de satélite pueden proporcionar, cuando mucho, sólo un alivio temporal a la gran demanda siempre en aumento. Es obvio que sean necesarios sistemas de comunicación económicos que puedan transmitir gran cantidad de información y proporcionar un servicio de alta calidad. Este nuevo tipo de sistema de comunicación pudiera ser el de las fibras ópticas, ya que poseen gran capacidad para transmitir información, sus costos resultan económicos y además, han sido probados experimentalmente demostrando que pueden ofrecer un servicio de alta calidad. Los sistemas de fibra óptica representan grandes utilidades para las comunicaciones, ya que un cable de fibra óptica se usa frecuentemente como un medio de comunicación para muchas aplicaciones diferentes, éste posee muchas ventajas sobre otros sistemas similares. Algunas de estas ventajas son:

3


• La fibra óptica tiene la capacidad de transmitir grandes capacidades de información. Con la tecnología presente se pueden transmitir 60,000 conversaciones simultáneas con dos fibras ópticas. Un cable de fibra óptica puede contener hasta 200 fibras ópticas, lo que incrementaría la capacidad del enlace a 6,000,000 de conversaciones, una ventaja considerable sobre los cables convencionales donde por lo general un gran cable multipar puede llevar 500 conversaciones, un cable coaxial puede llevar 10,000 conversaciones y un enlace de radio por microondas o satélite puede llevar 2,000 conversaciones.

• Un cable de fibra óptica tiene un diámetro mucho más pequeño y es más ligero que

un cable de cobre de capacidad similar. Esto le hace fácil de instalar, especialmente en localizaciones donde ya existen cables y el espacio es escaso.

• Los enlaces de fibra óptica bien diseñados son inmunes a condiciones adversas de

humedad y temperatura y se pueden utilizar incluso para cables subacuáticos. La fibra óptica tiene también una larga vida de servicio.

En la Tabla 1-1 se muestran los diferentes medios de transmisión que actualmente

se utilizan con algunas de sus características más relevantes. Tabla 1-1. Medios de transmisión actualmente utilizados.

MEDIO CARACTERÍSTICAS Capacidad Distancias

máximas Costos Aplicaciones

más comunes Cable de

cobre Canales de voz con señales analógicas. Señales digitales de 64Kbps hasta 8Mbps con tecnologías xDSL. Hasta 1Gbps en redes LAN.

5.5 km Es costoso el tendido, sin embargo las compañías de telefonía local cuentan ya con el cableado

Telefonía local. Acceso a Internet de alta velocidad con ISDN y xDSL. Redes LAN.

Cable coaxial

Hasta 120 canales en TV por cable. Hasta 140Mbps en sistemas de transporte.

10 km El cable no es muy costoso, lo es más el tendido y el derecho de vía

Redes de TV por cable. Poco uso en redes LAN. Conexiones entre centrales y equipos de transmisión.

Radiofrecuencia

Canales de radio y TV con señales digitales hasta 128Kbps.

20 km El uso de las frecuencias en muchos países requiere de subastas

Telefonía móvil. Telefonía local inalámbrica. Radiolocalización. Radio y TV.

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Tabla 1-1. Medios de transmisión actualmente utilizados (continuación).

MEDIO CARACTERÍSTICAS Capacidad Distancias

máximas Costos Aplicaciones

más comunes Microondas 64Kbps - 155 Mbps. 1 km

a l00 km

En satélites:

36,000 km

El uso de las frecuencias en muchos países requiere de subastas

Enlaces de acceso: punto a punto punto a multipunto Redes satelitales

Fibras ópticas

2Mbps - Tbps con WDM. En redes LAN de 10Mbps - Gbps.

250 km

Lo costoso es el tendido de los cables y el derecho de vía

Redes de acceso a corporativos. Enlaces de larga distancia.

Redes de TV por cable.

Rayo láser 2Mbps - 622Mbps. Distancias no

mayores a 3 km

No hay pago por el medio. El único costo es el equipo

Enlaces de acceso punto a punto.

A pesar de que los sistemas de fibra óptica son un excelente medio para transmitir

información, se tienen que tener en cuenta por pocas que éstas sean, las desventajas que presentan, principalmente son dos las más importantes

• Se necesita un camino físico recto para el cable de fibra óptica. El cable se puede enterrar directamente, situar en tubos o disponer en cables aéreos a lo largo de caminos homogéneos. Esto puede requerir la compra o alquiler de la propiedad.

• Debido a que la fibra óptica es predominantemente de vidrio de sílice, son

necesarias técnicas especiales para la instalación de los enlaces, no se puede aplicar métodos convencionales de instalación de cables en un sistema de fibra óptica.

Las redes de datos y los sistemas de cableado estructurado, necesitan mejorar sus

anchos de bandas para el transporte de voz, datos e imágenes, por este motivo cada día más frecuentemente se recurre al cable de fibra óptica como medio de transmisión en las redes. El uso de la fibra óptica permite la conexión de puntos distantes, se puede utilizar para la interconexión de centros de cableado (backbone), para la interconexión de edificios y también para uso en ambientes industriales.

Las principales ventajas de la fibra óptica son la inmunidad a las interferencias

electromagnéticas, la baja atenuación de la señal, admite un gran ancho de banda (mayor a 1Ghz), es absolutamente confidencial, se establecen comunicaciones a grandes distancias, y tiene aislamiento dieléctrico entre los puntos de conexión.

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1.2 Características generales de la fibra óptica Comenzaremos por mencionar las características físicas de una fibra óptica así

como las capas que cubren a la fibra de sílice hasta el exterior. Una fibra óptica consiste en un material transparente cilíndrico y largo que confina

y propaga ondas luminosas, normalmente vidrio de sílice. La fibra óptica está compuesta de tres capas diferentes como se observa en la figura

1-1: el núcleo central que está formado por un cilindro de vidrio de sílice a través del cual viaja la señal luminosa; el revestimiento que es un tubo colocado alrededor del núcleo, se conforma de un material de vidrio y su función es asegurar la conducción de la luz en el interior del núcleo, esto se debe a que el material de la envoltura tiene un índice de refracción distinto al del núcleo, y por último el recubrimiento que es de material plástico y por lo tanto dota de protección al revestimiento, es la capa más externa de la fibra óptica.

Figura 1-1. Vista esquemática de las capas que forman una fibra óptica.

La fibra va a contener toda la energía luminosa que entra en el cilindro interior (núcleo), ayudándose del cilindro siguiente (revestimiento), éste es el que hace que la luz rebote dentro del primero, impidiendo que la luz salga del núcleo; siendo las dimensiones de esta fibra muy pequeñas normalmente del orden de μm (micrometros).

En las comunicaciones por fibra óptica se trabaja con radiaciones electromagnéticas con longitudes de onda (λ) comprendidas entre 750 nm y 1650 nm (las radiaciones visibles al ojo humano están comprendidas entre 400 nm y 750 nm). En general para fibras ópticas se usan tres puntos de trabajo bien definidos denominados:

• Primera ventana (850 nm). • Segunda ventana (1310 nm).

• Tercera ventana (1559 nm).

6


El empleo de las diferentes ventanas depende de cómo se pueden obtener las mejores prestaciones de transmisión de las fibras ópticas, o del equipo óptico en su conjunto.

Una vez definidas las características geométricas y físicas de una fibra, observaremos que al variar la longitud de onda λ también varía la cantidad de modos que pueden ser conducidos. Cada modo se caracteriza por un valor de longitud de onda, para toda fibra existe un modo único, llamado modo fundamental, que existe en todos los valores de λ.

Del mismo modo, una vez determinada la longitud de onda de la radiación electromagnética, si ha de disminuir el diámetro del núcleo disminuirá el número de modos en que se propagan las ondas. Al ser la radiación luminosa considerada de dimensiones muy pequeñas, los rayos quedan confinados en el plano que pasa por el eje de la fibra.

En las fibras ópticas la luz se propaga por reflexión interna en la interfase entre el núcleo y el revestimiento. Por lo tanto, puede definirse un ángulo de aceptación máximo, más allá del cual la radiación que incide en el revestimiento no se propagará.

Los ángulos donde se provoca la reflexión total interna son varios, esto define toda

una gama de ángulos que no necesariamente son continuos. Entonces se establece dentro de la fibra lo que se denominan "modos", que son los típicos modos de transmisión dentro de las guías. Según el diámetro de la fibra y las características físicas y geométricas, va ser el número de modos que pueden transportar; por otro lado, los modos también están influidos por la longitud de onda como puede verse en la figura 1-2.

Toda esta gama de ángulos también queda acotada en función de otro parámetro de

importancia en las fibras ópticas que es la apertura numérica (NA), el cual se definirá más adelante [5].

Figura 1-2. Modos de transmisión, dependientes de la longitud de onda de la señal.

7


1.3 Tipos de fibras ópticas

Debido a la existencia de muchos modos o caminos de propagación de la luz, ocurre que la longitud recorrida por los rayos es distinta y por lo tanto un impulso de luz a la entrada de la fibra saldrá disperso, con lo cual queda limitado el ancho de banda de la fibra óptica. Teniendo en cuenta el modo de propagación se han clasificado a las fibras en:

• Monomodo (single mode)

Las fibras ópticas monomodo tienen un diámetro del núcleo mucho menor (comparables a la longitud de onda de la luz), lo que permite que se transmita un único modo de propagación y se evite la dispersión. Los diámetros de núcleo y cubierta típicos para estas fibras son de 9/125 μm. Las fibras monomodo también se caracterizan por una menor atenuación que las fibras multimodo, aunque como desventaja resulta más complicado el acoplamiento de la luz y las tolerancias de los conectores y empalmes son más estrictas. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias y transmitir elevadas tasas de bit, las cuales vienen limitadas principalmente por la dispersión cromática y los efectos no lineales.

La fibra óptica monomodo es utilizada para las conexiones interurbanas,

básicamente son instaladas por las prestadoras de servicios públicos, ya que permite el uso de amplificadores a una distancia entre sí de 40 km. o más, mientras que las líneas de transmisión de cobre necesitan más de tres amplificadores cada 10 km. En la figura 1-3 se observa una fibra monomodo típica.

Figura 1-3. Fibra monomodo, solo permite un modo de transmisión. • Multimodo (multimode)

Este tipo de fibra fue el primero en fabricarse y comercializarse. Su nombre

proviene del hecho de que transporta múltiples modos de forma simultánea, ya que este tipo de fibra se caracteriza por tener un diámetro del núcleo mucho mayor que las fibras monomodo. En la figura 1-4 se observa una fibra multimodo típica.

La fibra óptica multimodo es instalada dentro de edificios comerciales, oficinas,

bancos y dependencias donde la distancia entre centros de cableado es inferior a los 2 Km.

8


Figura 1-4: Fibra multimodo, permite varios modos de transmisión.

El número de modos que se propagan por una fibra óptica depende de su apertura numérica o cono de aceptación de rayos de luz a la entrada. En la figura 1-5 se observa el cono de aceptación de los rayos emitidos por una fibra óptica (NA).

El mayor diámetro del núcleo facilita el acoplamiento de la fibra, pero su principal

inconveniente es que tiene un ancho de banda reducido como consecuencia de la dispersión modal. Los diámetros de núcleo y cubierta típicos de estas fibras son 50/125 y 62,5/125 μm.

Figura 1-5. Cono de aceptación (NA), dentro del cual todos los rayos emitidos entrarán en el núcleo.

En la fibra óptica multimodo se puede disminuir la dispersión haciendo variar

lentamente el índice de refracción entre el núcleo y el recubrimiento. El índice de refracción es máximo en el centro de la fibra y mínimo en los extremos.

Existen dos tipos de fibra óptica multimodo: o Índice escalonado (step index): Tiene dispersión, reducido ancho de banda y son

de bajo costo dado que resultan tecnológicamente sencillas de producir. Se caracteriza por el cambio rápido en el ángulo de refracción al incidir el rayo en el revestimiento como se ve en la figura 1-6.

9


Figura 1-6. Fibra óptica multimodo de índice escalonado.

o Índice gradual (graded index): Más costosa pero de gran ancho de banda. Se caracteriza por el cambio suave en sus modos de transmisión, como se observa en la figura 1-7, de manera que puede transmitir diversas señales al mismo tiempo al igual que la anterior.

Figura 1-7. Fibra óptica multimodo de índice gradual.

Cada uno de estos tipos de fibra óptica, tienen núcleo de diferentes diámetros, la fibra monomodo tiene un núcleo de 9 micrones, y la multimodo llega al mercado con dos medidas: con núcleo de 62,5 micrones y en 50 micrones [6]. La fibra óptica permite distintas longitudes de onda nominales, comprendidas entre los 850 nm, 1310 nm y los 1550 nm según las siguientes denominaciones:

• Fibra óptica 1000 Base SX (está dentro de la ventana de los 850 nm).

• Fibra óptica 1000 Base LX (está dentro de la ventana de los 1300 nm).

Estas características determinan los parámetros de Gigabit Ethernet de ancho de banda de la fibra óptica y pérdidas del enlace por atenuación en la fibra óptica, tal como se indica en la Tabla 1-2.

Tabla 1-2. Ancho de banda de los diferentes tipos de fibras ópticas.

CARACTERÍSTICAS 1000 BASE - SX 1000 BASE - LX

Longitud de onda (nm) 850 1300 Tipo de F.O. (μm) 62.5 50 62.5 50 9 Ancho de banda (MHz/km.) 160 - 200 400 - 500 500 400 - 500 s/d Distancia (m) 220 - 275 500 - 550 550 550 5000 Pérdida del enlace (dB) 3.2 – 3.2 3.4 – 3.9 4 2.4 – 3.5 4.7

10


La “ventana” de longitud de onda nominal de la fibra óptica multimodo está comprendida entre los 850 nm y los 1300 nm, y la fibra óptica monomodo tiene la “ventana” entre los 1310 nm y los 1550 nm [7].

En la Tabla 1-3 se muestran algunos tamaños típicos de las fibras ópticas según el fabricante que las produce así como la longitud de onda óptima que transmiten, esto con la finalidad de ver que no siempre son iguales las características geométricas de la fibra, de modo que éste puede ser un factor primordial al momento de efectuar conexiones entre ellas.

Tabla 1-3. Tamaños típicos de las fibras ópticas según el fabricante.

Tipo de fibra y número

Fabricante Diámetro de núcleo

(μm)

MFD (Mode Field

Diameter (mm)

Longitud de onda

(nm)

SM-027 SG / ECA 7.0 10.4 1310 SM-004 Optical fibres 8.0 9.8 1310 SM-028 Fujitsu 8.0 9.5 1310 SM-016 Corning 7.7 9.4 1310 SM-006 AT & T 7.7 9.2 1550 DSF-010 Alcatel 5.3 8.0 1550 SM-009 Ensing Bickford 5.0 5.7 1060 SM-010 Ensing Bickford 4.4 5.0 980 EDF-010 Fujitsu 3.5 4.6 1550 SM-021 Lycom 3.0 3.6 830 EDF-002 Fibercore 3.2 1550

Las normas internacionales han determinado los colores de la fibra óptica para su

fácil identificación, así por ejemplo, la norma ANSI/EIA/TIA 598, dispone el ordenamiento de los colores para cada hilo de la fibra óptica. La Tabla 1-4 muestra el ordenamiento de colores, de acuerdo a esta norma.

Tabla 1-4. Colores de la fibra óptica según la norma ANSI/EIA/TIA 598 A.

No. COLOR No. COLOR1 Azul 7 Rojo 2 Naranja 8 Negro 3 Verde 9 Amarillo4 Marrón 10 Violeta 5 Gris 11 Rosa 6 Blanco 12 Agua

Para la cobertura exterior también se determinaron los colores y usos mostrados en

la Tabla 1-5, los cuales determinan también el tipo de fibra de la que se trata, para en todo

11


identificar qué tipo de fibra se tiene instalada al momento de realizar alguna reparación o extensión de redes ópticas.

Tabla 1-5. Colores determinados de la cobertura exterior para fibras ópticas.

COLOR TIPO DE FIBRA Naranja Multimodo Amarillo Monomodo Verde o Azul LS0H o LSZH (coberturas libres de halógenos)

1.4 Características generales de los empalmes de fibras ópticas

En un enlace por fibra óptica existe siempre, según sea el extremo, una fuente óptica por acoplar con una fibra o una fibra por acoplar con un detector óptico, como se puede observar en la figura 1-8.

Figura 1-8. Enlace por fibra óptica. El acoplamiento o la interconexión tienen por objeto transferir el máximo de energía

luminosa de un elemento a otro. El acoplamiento fuente – fibra o fibra – detector se hace por medio de conectores.

Un enlace puede necesitar también la unión de dos fibras entre sí, ya sea por que la

fibra resulte más corta que la longitud del enlace total por realizar o bien por que por ejemplo, los parámetros exteriores de instalación imponen una longitud limitada a la fibra; es necesario entonces, poder conectar dos fibras entre sí. Si esta conexión tiene que ser desmontable, se habla de conector fibra a fibra o si debe ser permanente se habla de empalme o unión [8].

12


Como se dijo, para la instalación de sistemas de fibra óptica es necesario utilizar técnicas y dispositivos de interconexión como empalmes y conectores. Los conectores son dispositivos mecánicos utilizados para recoger la mayor cantidad de luz, normalmente realizan la conexión del emisor y receptor óptico, es decir se colocan en los extremos. Para el caso de las uniones fibra – fibra se utilizan con mayor frecuencia los empalmes, que son las uniones fijas para lograr continuidad en la fibra óptica.

En caso de que los núcleos no se empalmen perfecta y uniformemente, una parte de

la luz que sale de un núcleo no incide en el otro núcleo y se pierde. Por tanto las pérdidas que se introducen por esta causa pueden constituir un factor muy importante en el diseño de sistemas de transmisión, particularmente en enlaces de telecomunicaciones de gran distancia.

En las fibras monomodo los problemas de empalme se encuentran principalmente en su pequeño diámetro del núcleo Dn = 10μm, esto exige contar con equipos y mecanismos de alineamiento de las fibras con una mayor precisión.

Las pérdidas de acoplamiento se presentan en las uniones de:

• Emisor óptico a fibra • Conexiones de fibra a fibra

• Conexiones de fibra a fotodetector.

1.5 Tipos de empalmes en fibras ópticas

Existen fundamentalmente dos técnicas diferentes de empalme que se emplean para unir permanentemente entre sí fibras ópticas.

• Empalmes mecánicos

Es importante que las caras del núcleo de la fibra óptica coincidan exactamente. Consta de un elemento de auto alineamiento y sujeción de las fibras y de un adhesivo adaptador de índice que fija los extremos de las fibras ópticas permanentemente.

Después de realizado el empalme de la fibra óptica se debe proteger con:

o Tubos metálicos. o Tubos termoretráctiles.

o Tubos plásticos.

13


En todos los casos para el sellado del tubo se utiliza adhesivo o resina de secado rápido. En la figura 1-9 se observa la manera de realizar un empalme mecánico, en el cual se utiliza un adhesivo comúnmente llamado epóxico, cuyo índice de refracción en casi igual al de la fibra óptica a unir, de modo que éste no afecte la transmisión de la luz en la fibra.

Al aplicar este adhesivo también estamos fijando ambos extremos de la fibra de

modo que de alguna forma éste quedará sujeto y se considerará un empalme permanente, es decir, no será desmontable.

Figura 1-9. Empalme mecánico; 1) Fibra óptica a unir; 2) Extremos preparados para la unión, es aquí donde se colocará el epóxico.

• Empalmes por fusión

Existen diversos métodos de empalme de fibras ópticas por fusión directa, todos ellos clasificados en base al tipo de fuente de calor utilizada: una descarga eléctrica, un láser gaseoso o una llama. El primero de ellos es el más ampliamente utilizado en el caso de fibras ópticas de sílice. En especial, se han desarrollado varias técnicas para realizar empalmes por medio de descarga eléctrica, tales como el método de prefusión, el método de descarga de alta frecuencia, el HHT (elevado voltaje de “trigger”) y el método de calentamiento uniforme para realizar empalmes de fibras múltiples. Los métodos de empalme por fusión directa utilizan una fuente de calor para fundir y unir las fibras ópticas. A diferencia de otros métodos que utilizan materiales de adaptación o adhesivos, en este caso no existe ningún otro material más que la propia fibra en la región del empalme. Por lo tanto, este método posee inherentemente bajas pérdidas por reflexión y alta fiabilidad. Los elementos involucrados en un empalme por fusión de fibra óptica se muestran en la figura 1-10.

14


Figura 1-10. Empalme por fusión; 1) fibra óptica a unir; 2) electrodos, a través de los cuáles se llevará a cabo la descarga; 3) microscopio; 4) Vista transversal de lo observado a través del microscopio; 5) área de trabajo (fibra óptica a empalmar).

Actualmente existen máquinas “automáticas” que realizan el conjunto de acciones

mencionadas, algunos modelos se muestran en la figura 1-11.

Figura 1-11. Máquinas empalmadoras para realizar soldadura de fibras ópticas.

El procedimiento de empalme de fibras ópticas por fusión utilizando descarga eléctrica se muestra en la figura 1-12. En primer lugar, se quitan todas las cubiertas de ambos extremos de la fibra a unir y se cortan. Ambas fibras se sitúan con una cierta separación entre ellas en una máquina empalmadora de fibras y se pulsa un botón para comenzar el proceso.

Hasta este punto el trabajo se realiza manualmente por parte de un operario. En el

momento de pulsar el botón de la máquina, ésta comienza a mover las fibras para reducir la separación entre las mismas, aunque siempre debe revisarse antes de proceder a la aplicación de la descarga eléctrica sobre las fibras a unir. Después, durante un pequeño movimiento de las fibras, se genera una descarga eléctrica que se mantiene durante un período de tiempo predeterminado.

Este proceso tiene lugar de forma “automática” en la máquina empalmadora. Por

último, la región donde se ha producido el empalme se protege para facilitar el manejo de la fibra [9].

15


Esta preparación de la fibra será tratada con más detalle en el Capítulo tres.

Figura 1-12. Procedimiento de empalme de fibras ópticas por fusión.

16

CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS

Capítulo 2 Pérdidas en conexiones de fibras ópticas

En este capítulo presentaremos un análisis de las pérdidas que podemos encontrar en un sistema de comunicación a través de fibra óptica, es decir todas las pérdidas que se pueden insertar en un enlace al realizar las conexiones necesarias, también veremos en qué parte de todas éstas pérdidas se encuentra situado el objetivo particular de este trabajo dando así un panorama general de la magnitud de este problema que se presenta al realizar la unión de fibras ópticas. 2.1 Introducción La fibra óptica es un canal de transmisión o de propagación de la luz, que tiene características propias ligadas a su capacidad de propagación del flujo energético. Estas características intrínsecas de la fibra son la apertura numérica, el diámetro del núcleo y el perfil del índice. Cada fibra óptica posee sus propias características intrínsecas; así, cuando se unen o se conectan dos fibras, hay un defecto de continuidad en el mecanismo de propagación, lo que puede causar pérdidas. Es necesario hacer la instalación de manera que el flujo energético pueda acoplarse en la fibra receptora. La instalación nunca es perfecta por lo que se originan pérdidas, que no se deben a la fibra sino a la técnica de instalación.

Como se mencionó, las pérdidas en empalmes pueden ser:

• Intrínsecas a la fibra por: diferencia de diámetro entre los núcleos de las fibras; excentricidad de los núcleos respecto del revestimiento, núcleos ligeramente elípticos, diferencia entre los perfiles de los índices de refracción entre las dos fibras, diferencia entre los valores de los ángulos de aceptación de las fibras.

• Extrínsecas a la fibra por: limpieza insuficiente del revestimiento, corte defectuoso,

ejes de la fibra no alineados, ejes de fibra no paralelos e imperfección en la fusión. 2.2 Pérdidas por atenuación

Según lo mencionado anteriormente aparecen múltiples factores que introducen pérdidas significativas en un enlace de fibra óptica. Uno de los factores que es preponderante en la transmisión a través de este medio lo encontramos cuando la transmisión de luz en una fibra óptica no es 100 % eficiente. Esta pérdida de luz en la transmisión es llamada atenuación.

17


La atenuación en una fibra óptica es medida al comparar la potencia de salida con la potencia de entrada, se mide en decibeles por unidad de longitud, generalmente está

expresada en decibeles por kilómetro (dB/km), según la relación ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

O

S

PP

log10 , [8]. Donde

PS y PO son las potencias de salida y entrada respectivamente.

Los factores que influyen en la atenuación se pueden agrupar en dos.

• Factores propios

Podemos destacar fundamentalmente los siguientes:

o Pérdidas por absorción (materiales dentro de la fibra) o Pérdidas por dispersión o Disipación de luz fuera del núcleo de la fibra o Pérdidas de luz fuera del núcleo causado por factores ambientales

o Atenuación por empalme

Cuando empalmamos una fibra con otra, en la unión se produce una variación del índice de refracción lo cual genera reflexiones y refracciones, sumándose la presencia de impurezas, todo esto resulta en una atenuación. Se mide en ambos sentidos tomándose el promedio. La medición en uno de los sentidos puede dar un valor negativo, lo cual parecería indicar una amplificación de potencia, esto no es posible en un empalme, pero el promedio debe ser positivo, para resultar una atenuación.

De este tipo de pérdidas podemos encontrar dos tipos:

— Por inserción

Es la atenuación que agrega a un enlace la presencia de un conector o un empalme [10].

— De retorno o reflactancia

Es la pérdida debida a la energía reflejada, se mide como la diferencia entre el nivel de señal reflejada y la señal incidente, es un valor negativo y debe ser menor a -30 dB (típico -40dB). En ocasiones se indica obviando el signo menos.

Las pérdidas por absorción, dispersión y disipación se detallarán más adelante.

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• Factores externos El principal factor que afecta son las deformaciones mecánicas. Dentro de éstas se encuentran las curvaturas, esto conduce a la pérdida de luz por que algunos rayos no sufren la reflexión total y se escapan del núcleo [12,13]. Las curvas a las que son sometidas las fibras ópticas se pueden clasificar en macro curvaturas (radio del orden de 1cm o más) y micro curvaturas (el eje de la fibra se desplaza unas decenas de micra sobre una longitud de unos pocos milímetros), ver figura 2-1.

Figura 2-1. Macro y micro curvaturas en fibras ópticas. 2.3 Pérdidas por dispersión

Los empalmes utilizados para conectar ambos extremos de las fibras causan también una pérdida de la señal en el rango de 0.5 dB. Así mismo los conectores o interfaces incurren también en pérdidas de 1 dB o más [11].

La dispersión es la distorsión de la señal, resultante de los distintos modos (simple y

multimodo), debido a los diferentes tiempos de desplazamiento de una señal a través de la fibra. En un sistema modulado digitalmente, esto causa que el pulso recibido se ensanche en el tiempo, para una mayor referencia vea la figura 2-2. No hay pérdida de potencia en la dispersión, pero se reduce la potencia pico de la señal. La dispersión aplica tanto a señales analógicas como digitales. La dispersión es normalmente especificada en nanosegundos por kilómetro (ns/km).

Figura 2-2. Atenuación y dispersión en una fibra óptica.

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La dispersión de una energía óptica cae en las siguientes categorías.

• Dispersión modal

La luz viaja en trayectorias diferentes para cada modo en una fibra. Cada ruta varía la longitud óptica de la fibra para cada modo. En un cable largo, el estiramiento y sumatoria de todos los modos de la fibra tienen un efecto "de longitud"sobre el pulso óptico.

• Dispersión espectral

El índice refractivo es inversamente proporcional a la velocidad de la luz que viaja en un medio y su velocidad varía con respecto a su longitud de onda. Sin embargo, si dos rayos tienen diferentes longitudes de onda son enviados simultáneamente sobre la misma trayectoria, estos arribarán ligeramente a diferentes tiempos. Esto causa los mismos efectos de la dispersión modal, ensanchando el pulso óptico. La dispersión modal puede ser minimizada reduciendo el ancho del espectro de la fuente óptica.

• Dispersión de Rayleigh o material

Durante el proceso de fabricación, el vidrio es producido en fibras largas, de un diámetro muy pequeño. Durante este proceso, el vidrio está en un estado plástico (no líquido y no sólido). La tensión aplicada al vidrio durante este proceso, causa que el vidrio se enfríe y desarrolle irregularidades submicroscópicas que se forman de manera permanente, en la fibra. Cuando los rayos de luz que se están propagando por una fibra óptica chocan contra una de estas impurezas, se difractan. La difracción causa que la luz se disperse o se reparta en muchas direcciones. Una parte de la luz difractada continua por la fibra y parte de ésta se escapa por la cubierta. Los rayos de luz que se escapan representan una pérdida en la potencia de la luz. Esto se llama pérdida por dispersión de Rayleigh [14].

2.4 Pérdidas por acoplamiento

Las pérdidas por acoplamiento pueden ocurrir en cualesquiera de los tres tipos de uniones ópticas: conexiones de fuente a fibra, de fibra a fibra y conexiones de fibra a fotodetector.

Las pérdidas de unión son causadas más frecuentemente por:

• Desalineación lateral

Ocurre cuando hay un desplazamiento axial o lateral entre dos piezas de cable de fibra óptica contigua, se puede ver en la figura 2-3.

20


Figura 2-3. Desalineación lateral, X es la distancia de desalineación que existe.

• Desalineación de separación

Ocurre cuando se empalman fibras, las fibras deben tocarse, entre más separadas estén las fibras mayor será la pérdida de luz, incluso puede ser angular, como se observa en la figura 2-4.

Figura 2-4. Desalineación de separación angular, se produce cierto grado de inclinación (θ), entre las fibras ópticas.

• Mal acabado de superficie

Las puntas de las dos fibras a unir deben estar altamente pulidas, de lo contrario éstas no podrán alinearse. En la figura 2-5 se puede ver un caso típico de superficies no aptas para empalmar.

Figura 2-5. Mal acabado de superficie, en los extremos hay impurezas que generarán un mal empalme.

Es importante mencionar que existen dos tipos de acoplamiento básico:

21


• El acoplamiento por conector

Es un empalme de fibra óptica a algún extremo de la comunicación, sirve para acoplar un extremo a una fibra; se debe tener en cuenta el tipo de conector que se va a usar y el lugar en que se encuentra, de tal manera que si instala un panel de conexiones deberán usarse también cordones de conexión o latiguillos. Un latiguillo es un cordón de conexión cortado a la mitad, y un cordón de conexión es un cable de fibra óptica de corta longitud con conectores en ambos extremos. Un latiguillo de fibra óptica se usa para terminar una fibra óptica con un conector, el latiguillo se empalma a la fibra óptica para proporcionar una terminación de calidad con un conector de fábrica. En la Tabla 2-1 se pueden ver los conectores más utilizados en fibra óptica.

Tabla 2-1. Tipos de conectores usados para acoplar fibras ópticas.

TIPO DE CONECTOR

DESCRIPCIÓN CONECTOR

SC Es un conector ampliamente utilizado con fibras monomodo

LC Es un conector prácticamente nuevo, utiliza revestimientos de 1.25 mm la mitad del

conector ST FDD Sirve para hacer dobles conexiones que

cumplan con las especificaciones de la red óptica.

SC Es un conector ampliamente utilizado con fibras monomodo

SC - DUPLEX Es un derivado del conector SC

MT – ARRAY Es un conector para 12 fibras en un cable. Su

uso debe ser predeterminado y establecido por un fabricante

ST Es el conector más popular para fibras multimodo, se coloca de manera sencilla

• El acoplamiento por empalme

Es una técnica que se utiliza para unir permanentemente dos fibras ópticas en una conexión de bajas pérdidas. Estas conexiones se pueden realizar usando uno de estos dos métodos: o Empalmes mecánicos

Un empalme mecánico es una técnica alternativa de empalmado que no requiere una empalmadora de fusión. Un empalme mecánico es un conector de fibra

22


pequeño que alinea dos fibras desnudas de manera precisa y que las asegura mecánicamente. Para fijar permanentemente la unión se utilizan cubiertas de epóxico o resina sintética directamente sobre las fibras desnudas, como se dijo anteriormente en la figura 1-9.

o Empalme por fusión

Un empalme por fusión proporciona la conexión de pérdidas más bajas. Para realizar este tipo de empalme se utiliza un dispositivo denominado empalmadora de fusión. La empalmadora de fusión alinea con precisión las dos fibras, generando un pequeño arco eléctrico para soldar las dos fibras.

Normalmente luego de realizar un empalme, éste debe ser protegido, por lo que se

coloca en una bandeja de empalmes la cual se cierra a presión, luego ésta es colocada en una caja de empalmes de tal manera que se proteja la bandeja de empalmes de posibles daños de animales o causados por las condiciones del ambiente.

Presentaremos algunas propuestas de cómo manejar este tipo de problemas en fibras

ópticas así como su tratamiento para analizar dónde podemos encontrar menor pérdida u obtener un mejor manejo de éstas. 2.5 Causas principales de malos empalmes mecánicos o por fusión.

Para analizar algunas de las causas de pérdidas mencionadas anteriormente consideraremos que la fibra óptica debe ser introducida en un tubo capilar para que esté lo más alineada posible, y así evitar en lo posible los problemas que podemos encontrar con mayor frecuencia que son las pérdidas asociadas a: núcleos desalineados y de diferente diámetro, así como para la diferencia de apertura numérica y por incompatibilidad de núcleos.

Recordemos que las fibras ópticas tienen un centro óptico (núcleo) rodeado por una región de revestimiento óptico, y una capa de polímero que recubre dicho revestimiento y que en algunos casos puede ser removida. De modo que cuando dos fibras ópticas son introducidas en un tubo de cristal (para realizar un empalme) hasta que hacen contacto físico donde es aplicado un fluido para minimizar las reflexiones; asumiremos hasta entonces que las fibras son del mismo tipo y que tienen las mismas especificaciones.

Consideremos un empalme mecánico con recubrimiento holgado como se ve en la

figura 2-6. En este caso la transmisión de la fibra emisora hacia la fibra receptora si los núcleos

de la fibra están desalineados, si los núcleos tienen diámetros diferentes ó si los núcleos tienen aperturas numéricas diferentes será menor al 100%. Pueden sumarse además otras

23


pérdidas si los núcleos no son circulares y algunas otras debido al tipo de empalme que se realice.

Figura 2-6. Recubrimiento holgado de un empalme de fibras ópticas.

En la referencia [15] podremos observar un conjunto de ecuaciones con las cuales podemos conocer las contribuciones de pérdidas en empalmes, su cálculo está en función de los parámetros geométricos de la figura 2-7.

Figura 2-7. Parámetros usados para el cálculo de pérdidas en empalmes. a, b, A y B representan los radios del núcleo y del revestimiento respectivamente; Tmín y Tmáx representan la pared más delgada y más gruesa entre el núcleo y la cubierta; DC y DT son el diámetro de la fibra a la cubierta y de la fibra al tubo exterior.

La cubierta concéntrica es definida usando el valor mínimo y máximo de la cubierta

más delgada.

max

minTC T

TDD =

(1) donde Tmín y Tmáx representan la pared más delgada y más gruesa entre el núcleo y la cubierta; DC y DT son el diámetro de la fibra a la cubierta y de la fibra al tubo.

Los diámetros del núcleo y del revestimiento son definidos como diámetros circulares que dan la mejor instalación, es decir, que se pueden alinear correctamente con respecto a los perímetros del núcleo y del revestimiento. Pero para una forma elíptica del núcleo y del revestimiento la mejor instalación es:

24


2ba2D

22

n+

=

(2) donde Dn es el diámetro del núcleo; a y b son los radios de la fibra, mostrados en la figura 2-7, y

2BA2D

22

r+

= (3)

donde Dr es el diámetro del revestimiento; A y B son los radios del revestimiento, mostrados en la figura 2-7.

Las no-circularidades del núcleo y el revestimiento son:

nCN D

b2a2N −=

(4) donde NCN, Dn, a y b son las no circularidad, el diámetro y los radios del núcleo.

Y

rCR D

B2A2N −=

(5) donde NCR, Dr,, A y B son la no circularidad, diámetro y radios del revestimiento.

Como ya se dijo antes uno de los problemas que podemos encontrar es el de los

núcleos desalineados. Si colocamos dos fibras dentro de un tubo muy delgado, los núcleos pueden quedar desajustados, como se observa en la figura 2-8. En ella se muestra un caso donde, la desviación entre los centros es máxima y además muestran una pequeña “no - circularidad”.

25


Figura 2-8. Caso de desviación entre los centros de los núcleos de una fibra

emisora y receptora, Y es la desviación que se ha causado. Con respecto al revestimiento de la fibra podemos considerar tres contribuciones

para una desviación de núcleos de fibra óptica con revestimiento, como se muestra en la figura 2-9, los cuales dan la más grande desviación cuando todos están en la misma dirección.

Figura 2-9. Contribuciones de las desviaciones del núcleo de una fibra desde el

centro del tubo cuando la fibra tiene cubierta. Donde, Δ1, Δ2 y Δ3 representan la desviación entre el centro de la fibra/tubo; revestimiento/cubierta y, núcleo/revestimiento, respectivamente.

La desviación entre el centro de la fibra y el centro del tubo es:

2DDΔ rT1

−=

(6) donde Δ1 es la desviación entre los centros fibra - tubo; DT y Dr son el diámetro del tubo y revestimiento, respectivamente.

La desviación de la cubierta - revestimiento Δ2 es la más grande cuando el eje menor del revestimiento es alineado a lo largo de la desviación.

( B2D

DD11

121Δ r

TC

2 −⋅

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+−= ) (7)

donde Δ2 es la desviación entre el revestimiento y la cubierta; DC, DT, Dr son el diámetro de la fibra - cubierta, fibra - tubo y fibra - revestimiento, respectivamente; B es el radio de la parte más larga de la fibra,

26


y

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+−=

2C1D

2CD

21

4CDB

2CN2

r

2CNrCNr (8)

donde B es el diámetro mayor de la fibra; Dr es el diámetro del revestimiento y CCN es el revestimiento no circular.

La figura 2-10 muestra las contribuciones de la desviación del centro de la fibra la

cual ha sido descubierta. Para una fibra sin esmalte no hay que especificar la desviación de la capa que la cubre.

Figura 2-10. Contribuciones de las desviaciones del núcleo de una fibra desde el centro del tubo cuando la fibra no tiene cubierta; donde Δ1 y Δ3 representan las desviaciones: fibra - tubo y por núcleo - revestimiento.

La desviación es:

22BDΔ T1

−= (9)

donde Δ1 es la desviación entre el centro de la fibra y el centro del tubo; DT es el diámetro del tubo y B es el radio de la parte más larga de la fibra.

La desviación total es ligeramente más grande cuando la fibra tiene recubrimiento a pesar de que solo hay dos contribuciones que se reflejan directamente en las pérdidas ocasionadas.

Las pérdidas por desviación del centro e incompatibilidad del diámetro nos arrojan que la potencia óptica a menudo es distribuida uniformemente entre las fibras ópticas que se encuentran a no más de 10 metros de la fuente (será la misma a lo largo de esa longitud), un empalme o un conector. Los resultados pueden ser exactos por medio de una expresión

27


para la forma geométrica de la figura 2-11 y siempre que la desviación sea más grande del 5% del diámetro del núcleo.

Figura 2-11. Núcleos de fibra desviados e incompatibilidad de diámetros. Dnr, Dne son los diámetros de los núcleos del receptor y emisor; Y es la desviación de los núcleos.

Cuando tenemos pérdidas por diámetros de núcleo mal colocados. La expresión estándar que utilizamos para núcleos concéntricos con diámetro mal colocado es dada por:

2

ne

nrd D

D1P ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= (10)

donde Pd es la pérdida por núcleo mal colocado; y Dnr, Dne son el diámetro del núcleo receptor y emisor respectivamente.

Podemos encontrar que también existen pérdidas por apertura numérica diferente ya

que ésta es un número adimensional que caracteriza el rango de ángulos para los cuales el sistema acepta luz, como se dijo en el Capítulo uno.

La reflexión interna causada por el revestimiento y el núcleo es la que causa que la

luz sea guiada a lo largo de la longitud de una fibra óptica, la luz debe estar contenida dentro de un ángulo aceptable para que pueda entrar al núcleo. El cono de aceptación ó apertura numérica mide el rango de aceptación de la luz dentro de la fibra óptica. El ángulo sobre el cual la fibra acepta la luz depende del índice de refracción del núcleo y revestimiento del vidrio del que está hecha la fibra. Para el caso de que las fibras tengan diferente apertura numérica, la pérdida por transmisión óptica (Pinc. NA) es:

[ ]⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−−=

2

e

rinc.NA NA

NA1211log10dBp (11)

donde Pinc. NA [dB] es la pérdida por transmisión óptica; NAr y NAe son la apertura numérica del centro del núcleo receptor y centro del núcleo emisor.

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La figura 2-12 muestra dos núcleos de fibra emitiendo y recibiendo, la línea

punteada indica la localización en donde las fibras tiene la misma apertura numérica y toda la luz emitida es recibida, debajo de la línea punteada la recepción del núcleo tiene una apertura numérica pequeña y sólo una porción de la luz de la fibra emisora se pierde.

Figura 2-12. a) Los centros tienen el mismo diámetro; b) El núcleo emisor es más grande que el núcleo receptor.

Usando la ecuación (12) podemos calcular la pérdida debida a un diámetro de

núcleo mal colocado Pinc. dia.[dB].

[ ]⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

2

ne

nrinc.dia. D

D121dBP (12)

donde Pinc. dia. [dB] es la pérdida de incompatibilidad de diámetro, Dnr y Dne son el diámetro del núcleo receptor y del núcleo emisor. Los fabricantes no especifican la tolerancia de la apertura numérica, sin embargo la tolerancia es de ± 0.015 típicamente.

Es importante destacar que por el contrario de lo que se piensa, por el manejo a

veces indebido que se le da a la fibra óptica algunas veces éstas no son circulares, sino que se observa que tienen una ligera forma elíptica, de modo que para núcleos de fibras de forma elíptica las pérdidas ópticas son las más grandes y ocurren cuando el núcleo receptor es girado 90° con respecto al núcleo emisor, como se ve en la figura 2-13.

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Figura 2-13. Núcleo de forma elíptica. Donde a y b son los radios de la fibra emisora y receptora.

La pérdida de este tipo de empalme (Pelip [dB]) en este caso es:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−= −

abtan

π4log10 [dB] P 1elip (13)

donde Pelip [dB] es la pérdida elíptica; a y b son los radios de la fibra emisora y receptora.

Se modificó esta expresión reduciendo la pérdida lineal a la mitad tomando en cuenta el efecto del núcleo desviado o desalineado, de modo que ahora la expresión es:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−−−= −

abtan

π41

211log10 [dB] P 1elip (14)

donde Pelip [dB] es la pérdida elíptica; a y b son los radios de la fibra emisora y receptora. Como se ha visto a lo largo de este capítulo son muchas las causas que deben considerarse al momento de realizar un empalme, aún que aquí se han expuesto algunas de las más comunes, veremos en capítulos posteriores que pueden sumarse todavía otros problemas que acarrean más pérdidas al momento de realizar empalmes de fibra óptica, principalmente los empalmes por fusión, los cuales son el objeto de estudio de este trabajo.

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CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES

Capítulo 3 Recomendaciones en el tratamiento y preparación de la fibra óptica al realizar conexiones En este capítulo se hará mención del proceso a seguir en la realización de conexiones entre fibras ópticas, mostraremos a detalle la forma correcta de realizar los empalmes y el tratamiento previo que se le debe dar a la fibra óptica para obtener un empalme de excelente calidad y obtener la menor cantidad de pérdidas en él, estos resultados se mostrarán en el Capítulo 4. 3.1 Introducción

Las interconexiones mencionadas anteriormente, deben introducir el mínimo de pérdidas de energía luminosa; la transferencia de energía de un elemento a otro deber ser máxima. Como existen fibras ópticas cuya atenuación es inferior a 1 dB/Km, toda conexión que produzca una pérdida de 1 dB del flujo energético acorta en más de un kilómetro la longitud potencial del enlace. El objeto de la conexión es realizar interconexiones con pocas pérdidas [16].

Una especificación clave de las fibras ópticas es la excentricidad de la fibra.

Típicamente los valores son de alrededor de 1 μm. Para las fibras multimodo con diámetro de núcleo de 50 hasta 200 μm no son valores significantes. Sin embargo, para la fibra monomodo con diámetro de núcleo de 8 hasta 12 μm este tamaño de desviación entre la geometría del centro de la fibra y la localización del núcleo puede dar una pérdida de potencia del 15 a 30 %. El núcleo debe estar también colineal con el recubrimiento exterior, ya que la alineación de los conectores con la fibra es un factor clave, pues para fibras monomodo es mucho más peligroso tener cualquier tipo de desalineación ya que el tamaño del núcleo se ve reducido por lo que la transmisión se ve afectada en más porcentaje que por ejemplo una fibra multimodo cuyo diámetro es mucho mayor. En conjunto todos estos puntos derivan en un empalme ineficiente para la transmisión de potencia en la fibra óptica, es decir, se insertan pérdidas. Todos los tipos de pérdidas mencionados, hacen crecer significativamente las pérdidas, en especial cuando hablamos de fibras ópticas monomodo pues el diámetro de su núcleo es mucho menor que el de las fibras multimodo, así entonces cualquier desalineación puede causar una cantidad mayor de pérdida en la señal luminosa.

Un empalme típico fibra – fibra inserta pérdidas de 0.1 dB a 0.25 dB; aunque parece

un valor muy pequeño no debemos perder de vista que debemos sumar esta pérdida por cada empalme que realicemos, de modo que la pérdida total en un enlace puede volverse mayor [17].

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Cuando dos fibras monomodo son unidas en una conexión, casi siempre existe un hueco entre ellas; esto ocasiona reflexiones de Fresnel, las cuales resultan en una significante cantidad de potencia reflejada dentro de la transmisión en la fibra. Esta situación puede traer errores significantes en sistemas de comunicación por fibra óptica.

Para minimizar estos efectos debemos reducir el hueco tanto como sea posible ya

sea puliendo el final de la fibra cada vez que se vaya a realizar un empalme o hacer un corte “perfecto” para evitarlo, ya que de lo contrario las pérdidas por reflexión para estos casos son cercanas a los 11 dB. Para lograr esto existen herramientas que nos permiten aproximarnos a lo que se llamó un corte perfecto, sin embargo, la persona que lo realice debe tener la suficiente práctica y habilidad para lograrlo, por otro lado debemos cuidar la limpieza de los extremos ya que cualquier impureza también puede desencadenar un mal empalme, para esto existen métodos aplicados por las empalmadoras para eliminarlas, como se verá más adelante.

3.2 El corte de la fibra óptica

Existe cierto número de factores que tienen marcada influencia en la calidad de los empalmes de fibra óptica y uno de los más importantes es el corte de la fibra para realizar el empalme [18].

El corte de la fibra óptica es el proceso en el que el extremo de la fibra sufre un

pequeño rayado y doblez que ocasiona que se fracture en forma limpia en todo el diámetro de la fibra, esto puede verse en la figura 3-1.

Figura 3-1. Corte de la fibra óptica, después de hacer la muesca procede hacer un pequeño doblez de la fibra para que el corte se realice en su totalidad.

Lo que se persigue mediante el corte es realizar una ruptura limpia que deje

expuesta una cara sin rugosidades y que sea perpendicular al eje de la fibra, esto a fin de minimizar los defectos que pueden aparecer cuando los cortes están chuecos uno respecto al otro, como se ve en la figura 3-2. Un corte perfecto presentará un ángulo de 0º lo que significará que la cara de la fibra tiene un ángulo de 90º con respecto a cualquier parte del eje de la fibra.

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Figura 3-2. Algunas situaciones obtenidas después de cortar la fibra óptica.

Las cortadoras de fibra óptica van desde la más sencilla que es portátil cuyo

elemento de corte es de carburo, las que tienen elemento de corte de diamante y las más complejas que realizan el corte mediante ultrasonido (ver figura 3-3) y que pueden proporcionar en forma consistente cortes con ángulos que tienen fracciones de grado.

Figura 3-3. Tipos de cortadoras, que se utilizan hoy en día. Los empalmes pueden ser como se mencionó antes de dos tipos: mecánicos o por

fusión. El proceso para realizar empalmes mecánicos requiere que la persona que los realice tenga una práctica constante y además que sea muy cuidadoso al realizar los diversos procedimientos de empalme y de utilización de equipo asociado a éste. Muchos empalmes mecánicos pueden ser monitoreados durante el proceso de instalación y pueden ser ajustados hasta que con el equipo de prueba OTDR (Optical Time Domain Reflectometer- Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo) se obtenga una atenuación eficiente. Una vez obtenido el valor deseado, el empalme mecánico se fija o se cierra para que las fibras queden sujetas y firmes. El empalme mecánico se realiza mediante el alineamiento de los diámetros exteriores de las fibras que se empalman.

Los empalmes mecánicos realizados en fibras ópticas nuevas son mucho más

consistentes ya que éstas tienen buena concentricidad en el núcleo. Cuando se realizan reparaciones o cuando se trabaja en fibras de cables instalados con anterioridad, la desigualdad en la concentricidad de las fibras puede provocar resultados de baja calidad con la utilización de los empalmes mecánicos. El costo relativo del equipo para realizar

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empalmes mecánicos es relativamente bajo en comparación con el requerido para los empalmes por fusión, pero los materiales consumibles (empalme en sí mismo) es muy alto en comparación con los consumibles para empalmes por fusión [19].

3.3 Empalmadoras utilizadas para unir fibras ópticas Los empalmes de fusión se realizan mediante la unión por medio de la "soldadura"

debida a la aplicación de un arco eléctrico que funde ambas fibras ópticas en sus extremos, el equipo que se utiliza en la fusión de las fibras se suele denominar empalmadora, soldador o fusionador. Aunque el costo inicial del equipo para fusión es considerablemente elevado, el resultado de los materiales consumibles para realizar los empalmes por fusión es muy bajo y el resultado del empalme de fusión es considerablemente superior al obtenido mediante los empalmes mecánicos. Dentro de las empalmadoras de fusión hay dos tipos de ellas. Las que verifican la calidad de los empalmes y las que no verifican los mismos. Mencionaremos algunos de ellos de más relevancia [24].

El principio básico de los empalmes por fusión es el de preparar los extremos de las

fibras a unir, de modo que éstos sean homogéneos al unirse preliminarmente. Además para garantizar un empalme de calidad es necesario posicionar las fibras de manera precisa, es decir, alinearlas de modo que no presenten ningún problema de los mencionados en el capítulo anterior, y calibrar la empalmadora para estabilizar y controlar la temperatura del arco que producirá la unión de las fibras.

Las firmas comerciales ofrecen tres tipos de máquina de fusión por arco voltaico:

manual, semiautomática y automática. Esta clasificación considera la capacidad del operador de maniobrar tanto en el proceso de alineamiento de las fibras como en el de fusión. Así, por ejemplo, se dice que una máquina de soldar es totalmente manual cuando la acción del operador es necesaria en los dos procesos y semiautomática cuando el operador tiene libertad de acción sólo en uno de ellos.

El sistema que utilizan las empalmadoras que verifican la calidad del empalme es el

denominado LID (Local Inject and Detect System) o Sistema de Inyección y Detección (de luz) en forma Local, que consiste en introducir luz en una fibra y verificar la recepción en la otra (de las que se van a empalmar), este procedimiento se ve en la figura 3-4. En muchas ocasiones se adiciona a este sistema un sistema de posicionamiento de las fibras lo que permite realizar los empalmes en forma más eficiente y con una calidad consistentemente buena. Las empalmadoras que tienen el sistema LID, proporcionan los empalmes más consistentes de todas las formas de empalme en un rango promedio de 0.05 dB en forma confiable cuando la concentricidad de los núcleos de las fibras es el principal problema a resolver. Posteriormente se verá que no siempre es así, ya que al realizar los experimentos se observó que pueden aparecer otro tipo de problemas al realizar empalmes por fusión, esto se mencionará en secciones posteriores.

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Otro tipo de empalmadora es la que utiliza el sistema de alineamiento de perfiles. Éstas son muy confiables pues ocupan el segundo lugar en confiabilidad ya que son afectadas por la concentricidad de las fibras.

Existen otras empalmadoras que utilizan el sistema de canales V para alinear las

fibras. Se ubican en tercer lugar en cuanto a su eficiencia ya que realizan el acercamiento y alineamiento de las fibras tomando en cuenta el diámetro exterior de la fibra. Sin embargo cabe mencionar que cualquier tipo de empalme por fusión tiene mejor desempeño que los empalmes de tipo mecánico.

Figura 3-4. Sistema de inyección y detección de luz.

Los costos de los equipos y las interfases para fibra óptica en la actualidad

permanecen con precios mayores que los que se utilizan para cobre. Esto se debe parcialmente a la limitada producción de los componentes de fibra óptica debido a la gran capacidad de transmisión (ver anexo B). Esta situación se está revirtiendo en forma acelerada en los últimos tiempos ya que existe la tendencia de llevar las señales mediante cables de fibra óptica hasta el escritorio.

El uso de cobre para unir dos puntos es la solución más económica en la actualidad.

Existen algunos sistemas en base a cobre que permiten desempeños que se equiparan a las especificaciones de FDDI (Fiber Distributed Data Interface) en distancias cortas. Esta combinación proporciona un gran desempeño cuando se utiliza en conjunto con sistemas de fibra óptica de gran capacidad.

3.4 Métodos de empalme de fibras ópticas por fusión directa Recordemos la estructura básica de una fibra óptica observando la figura 3-5.

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Figura 3-5. Capas básicas que recubren una fibra óptica. Es de importancia mencionar que estas tres capas de la fibra se utilizan como

referencia al momento de realizar los empalmes [25]. Existen diversos métodos de empalme de fibras ópticas por fusión directa, todos

ellos clasificados en base al tipo de fuente de calor utilizada: una descarga eléctrica, un láser gaseoso o una llama. El primero de ellos es el más ampliamente utilizado en el caso de fibras de sílice. En especial, se han desarrollado varias técnicas para realizar empalmes por medio de descarga eléctrica, tales como el método de prefusión, el método de descarga de alta frecuencia con un elevado voltaje de trigger (HHT), y el método de calentamiento uniforme para realizar empalmes de fibras ópticas múltiples. Posteriormente comentaremos con algo más de detalle en qué consiste cada uno de ellos.

En primer lugar, se quitan las cubiertas de las fibras y se cortan, como se ve en la figura 1-12. Ambas fibras se sitúan con una cierta separación entre ellas en una máquina empalmadora de fibras y se pulsa un botón para comenzar el proceso. Hasta este punto el trabajo se realiza manualmente por parte de un operario. En el momento de pulsar el botón de la máquina, ésta comienza a mover las fibras para reducir la separación entre las mismas. Durante el movimiento de las fibras, se genera una descarga eléctrica que se mantiene durante un período de tiempo predeterminado. Este proceso tiene lugar de forma automática en la máquina empalmadora. Por último, la región donde se

caracterizaciÓn y optimizaciÓn del proceso de … · 2017. 9. 1. · 2-5 mal acabado de...

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