viii. práctica e3: soldadura de fibras Ópticas · viii. práctica e3: soldadura de fibras...
TRANSCRIPT
!"#$"$%&'()(&
VIII. Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas
NOTA IMPORTANTE: ANTES DE REALIZAR ESTA PRÁCTICA ES NECESARIO QUE SE FAMILIARICE CON EL MANEJO DEL OTDR, QUE UTILIZARÁ COMO CONTROL DE CALIDAD DENTRO DE LA MISMA. PARA ELLO DEBERÁ REALIZAR ALGUNOS APARTADOS DE LA PRÁCTICA E2, OTDR, EN PRIMER LUGAR. PASE A LA PRÁCTICA E2 SI NO LA HA HECHO YA, Y SIGA LAS INSTRUCCIONES QUE ALLÍ SE INDICAN.
VIII.1. EL ACOPLO POR FUSIÓN
La técnica más fiable para realizar un acoplo permanente con fibras desnudas es el
empalme por fusión de las fibras. Para realizar esta fusión existen diferentes métodos: arco
voltaico, microllama o láser de dióxido de carbono. La técnica más usual es la de arco
voltaico, en la cual las dos fibras ópticas, debidamente cortadas, se enfrentan y funden
mediante el calor que produce el arco voltaico formado entre dos electrodos. El equipo que
se utiliza en la fusión de las fibras se suele denominar soldador, empalmadora o fusionador.
En el muestrario de firmas comerciales se pueden encontrar tres tipos de máquina
de fusión por arco voltaico: manual, semiautomática y automática. Esta clasificación
Recuerde anotar en su cuaderno de prácticas todos los valores medidos y calculados, así
como la respuesta a todas las cuestiones que se plantean en la práctica.
MATERIAL NECESARIO Máquina de empalmar
2 carretes MM (50/125)
OTDR Multimodo
Cortadora de fibra
Peladora de Fibra
Alcohol y Tisú
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica
VIII-2
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.
Casi todas ellas tienen en común el tipo de sujeción de las fibras que van a ser
fusionadas. Esto se realiza mediante unas plataformas que poseen un surco en forma de V,
donde se introducen las fibras (desprovistas, en cierta longitud, de cualquier tipo de
protección) y se fijan mediante unas presillas.
Otra forma de clasificar las máquinas de empalme es considerando la técnica que
utilizan para optimizar el proceso de alineamiento entre las fibras enfrentadas:
! Alineamiento por comparación de diámetros.
! Alineamiento mecánico automático.
! Alineamiento por inyección y detección de luz.
VIII.1.1. Alineamiento por comparación del diámetro de las cubiertas de las fibras
Este tipo de soldador se compone, básicamente, de las plataformas antes mencionadas
con libertad de movimiento en todos los ejes (x, y, z) y de un microscopio que facilita la
visión del proceso de alineamiento (en versiones más sofisticadas el microscopio se
sustituye por una videocámara).
Una vez colocadas las fibras (correctamente preparadas) en sus plataformas, el
operador las alínea, tomando el diámetro de sus cubiertas como referencia. Cuando
considere "a ojo" un alineamiento óptimo procederá a realizar la fusión.
La técnica por comparación de cubiertas, tanto manual como automática, presenta
dos limitaciones en su uso. La primera es la baja calidad del empalme cuando se utilizan
fibras de distinto diámetro de cubierta. La segunda, cuando aún siendo iguales las cubiertas,
las fibras enfrentadas tienen distintas dimensiones de núcleo o cierta asimetría en su perfil
de índice de refracción (este último es el caso de las fibras birrefringentes).
Debido a las limitaciones que presenta este soldador, suele utilizarse únicamente
con fibras multimodo.
VIII.1.2. Alineamiento mecánico automático
El alineamiento mecánico automático es similar al anterior y presenta limitaciones afines. Su
peculiaridad es que las plataformas de sujeción de las fibras están alineadas, de forma que
Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas
VIII-3
al posicionar las fibras en los surcos, éstas deben quedar perfectamente enfrentadas. El
operador sólo tiene libertad de movimientos en el eje z (acercar o separar las fibras).
El modelo FUJIKURA FSM-01 SV disponible en el laboratorio pertenece a este
grupo y el proceso de fusión se puede realizar tanto automática como manualmente.
También dispone de un microscopio para visualizar las fibras enfrentadas. En el caso de
observar un alineamiento defectuoso, el operador debe verificar que ha colocado las fibras
correctamente en los surcos. Sus elementos principales son (Ver fig. E3-1):
a. Microscopio para observar los extremos a soldar.
b. Presillas para sujetar la fibra.
Figura E3-1. Máquina de soldar FUJIKURA modelo FSM-01 SV
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica
VIII-4
c. Interruptor de alimentación.
d. Interruptor iluminación microscopio.
e. Selector manual-automático.
• En modo manual el operario tiene que desplazar las fibras hasta que sus
extremos produzcan una ligera presión el uno contra el otro.
• En modo automático es la propia máquina la que produce esa presión,
cuando se está soldando.
f. Control de potencia del arco voltaico.
g. Mandos para desplazar las fibras según el eje “z”.
h. Botones para hacer saltar el arco entre los electrodos.
VIII.1.3. Alineamiento por inyección y detección de luz
En este caso, la mecánica para alinear las fibras consiste en inyectar luz mediante una
curvatura realizada en la fibra y detectar en el otro extremo por el mismo procedimiento,
como se indica en la Figura E3-2.
La fibra se curva con un ángulo propicio de forma que la luz incidente en esa zona entre y se
propague por la fibra. En el otro extremo, la luz se radia fuera de la fibra al entrar en la zona
Figura E3-2. Inyección/detección de luz para búsqueda de acoplo máximo
Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas
VIII-5
curvada (por exceder el ángulo crítico). Esta zona se enfrenta a un fotodiodo para su
detección.
El proceso de alineamiento puede ser realizado por la máquina automáticamente,
valorando la potencia medida, o de forma manual dando una lectura de la potencia extraída
y siendo el operador el encargado de variar los ejes (x, y, z) para encontrar la lectura
máxima.
Este tipo de máquinas son las más potentes ya que presentan limitaciones menos
restrictivas en cuanto al tipo de fibra óptica a fusionar pero, en cambio, están limitadas a su
uso con fibras cuya protección cumpla una serie de características específicas con el fin de
poder inyectar y extraer luz por curvatura.
VIII.1.4. Selección de una máquina de fusión
Para seleccionar una máquina de fusión hay que considerar tres factores: el tipo de fibra que
regularmente se empleará, el coste y las pérdidas típicas de empalme declaradas por el
fabricante.
Estas últimas se suelen presentar en forma de histogramas (figura E3-3), es decir,
pérdidas obtenidas en un número determinado de empalmes realizados con esa máquina.
En el modelo FUJIKURA FSM-01 SV que se utiliza en el laboratorio, un operario
experimentado hará soldaduras con pérdidas del orden de 0.1 dB
Por último, hay que mencionar que la tendencia actual en la fabricación de máquinas
de fusión es la automatización de los procesos y la disminución de peso y tamaño de los
Figura E3-3
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica
VIII-6
equipos. Esto es debido, principalmente, a que la utilización de estas máquinas a nivel
industrial se realiza en líneas de tendido con localizaciones tan diversas como conductos
metropolitanos o zanjas campestres.
VIII.2. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
Objetivo: Realizar un empalme entre dos fibras multimodo y valorar las pérdidas
introducidas en el acoplo.
Para ello se utilizará una máquina de soldar modelo FUJIKURA FSM-01 SU,
semiautomática, descrita anteriormente.
Técnica de fusión
Los pasos a seguir para obtener un empalme óptimo son (figura E3-4):
A) PREPARACIÓN DEL EXTREMO DE LAS FIBRAS.
B) PREFUSIÓN
C) ALINEAMIENTO
D) FUSIÓN
E) PROTECCIÓN
Figura E3-4. Etapas en la realización de una soldadura
Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas
VIII-7
VIII.2.1. Preparación de los Extremos de las Fibras
Los pasos que a continuación se van a detallar son comunes a cualquier proceso de
acoplo a fibra, ya sea la fusión entre dos de ellas, el acoplo de luz a uno de sus extremos
o la detección de potencia óptica.
La preparación correcta de los extremos de la fibra consta de:
! Pelado y limpieza
! Corte
! Pulido
Cuando se trabaja con una fibra óptica, hay que tener en cuenta que aunque el
núcleo y la cubierta tienen diferentes índices de refracción, visualmente no es posible
identificar el área correspondiente a cada una de ellas. Por tanto, en el laboratorio la fibra
se “verá” como un único cilindro de sílice.
VIII.2.1.a. Pelado y limpieza de la fibra
Las fibras comerciales, debido a su
fragilidad, siempre van recubiertas de
algún tipo de protección o cableado. El
primer paso consistirá en eliminar
cualquier tipo de protección, es decir,
dejar la fibra desnuda.
En general, el cableado más
simple se compone de una protección
primaria (silicona adherida) y una
cubierta plástica holgada, como se
muestra en la figura E3-5; la fibra que
utilizará en esta práctica no lleva la
protección holgada.
Dependiendo del material
concreto de estas dos protecciones, se
deberán utilizar diferentes técnicas para su eliminación:
La protección adherida se elimina mediante un pelacables de alta precisión (figura
E3-6). La técnica de pelado es similar a la realizada para eliminar la protección de los
Figura E3-5
Figura E3-6
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica
VIII-8
cables de cobre. El desplazamiento fibra-pelacables debe hacerse en la dirección que
indica la flecha de éste.
Una vez que se tiene la fibra desnuda, hay que proceder a la limpieza de posibles
residuos en su superficie transversal. Para ello se utiliza papel tisú impregnado en
acetona o isopropanol.
VIII.2.1.b. Corte de la fibra
Un corte defectuoso puede producir una serie de efectos no deseados como un aumento
de la potencia reflejada, pérdidas en conexiones y acoplos, etc.
La técnica de corte de una fibra se realiza en dos pasos:
! El primero consiste en realizar,
en la superficie transversal de
la fibra, una pequeña incisión
perpendicular al eje de
propagación, mediante una
punta de diamante o una hoja
de carbono.
! En el segundo paso se debe
provocar una tensión de igual
fuerza a ambos lados de la
incisión, de forma que ésta se
extienda por toda la sección transversal de la fibra (Figura E3-7).
La incisión seguida de la tensión, causa una fractura secuencial de los enlaces
atómicos del material que compone la fibra, pero únicamente en la dirección que marca la
punta de la ranura. Ésta es la razón por lo que la fractura propagada es plana.
Por tanto, si la incisión es perpendicular al eje de propagación y la tensión inducida es
uniforme, el corte será plano y perpendicular al eje de transmisión.
Existen distintos modelos comerciales de cortadoras que realizan el proceso de
corte de una forma más o menos sofisticada. En el laboratorio de prácticas se utilizará los
modelos CT03 y CT20 de la firma FUJIKURA
Corte con el modelo CT03(Ver figura E3-8):
1. Levante las dos piezas que cubren el surco donde se debe alojar la fibra, y
alójela en dicho canal. Empuje la fibra hacia la derecha, hasta que no deslice
Figura E3-7
Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas
VIII-9
más debido a que la protección adherida hace tope en un estrechamiento del
canal dispuesto a tal fin.
2. Fíjela con la presilla de sujeción.
3. Baje una de las piezas que cubre el canal.
4. Baje la otra pieza que posteriormente se encargará de producir la tensión
sobre la fibra, para su corte.
5. Haga la incisión en la fibra desplazando la pieza que soporta la hoja de corte.
6. Presione sobre la pieza que se encarga de tensar la fibra para su definitivo
corte.
Corte con el modelo CT20 (Ver figura 3.9)
Fig. E3-8: Cortador de fibra modelo CT03
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica
VIII-10
Esta máquina realiza de forma continua los procesos de incisión en la fibra y posterior
tensión para su corte definitivo.
1. Desbloquear la máquina, actuando sobre el mando de la zona posterior.
2. Retire la protección que cubre la punta de diamante encargada de hacer
la incisión sobre la fibra
3. Coloque la fibra en el canal donde
debe alojarse. Hay una escala
graduada que indica la distancia
al punto de corte. Sitúe en el
punto adecuado de esa escala el
extremo de la protección adherida
de la fibra.
4. Fije la fibra con la presilla de
sujeción.
5. Baje suavemente la palanca
superior de la máquina de corte,
que primero hará la incisión sobre
la fibra, y posteriormente el corte definitivo.
6. Vuelva a poner la protección sobre la punta de diamante.
7. Baje la palanca y vuelva a bloquear la máquina.
VIII.2.1.c. Pulido de la superficie transversal de la fibra.
Si el proceso de pelado y corte de la fibra se ha realizado como paso previo al montaje de
un conector óptico, es necesario finalizar con un pulido meticuloso de la superficie
transversal de la fibra, con el conector ya engarzado. El material de pulido que se utiliza
es un abrasivo (lija) de grano fino, del orden de 0,5 µm.
El montaje de conectores no es objeto de esta práctica, por lo que no se entra en
detalles sobre este proceso.
VIII.2.2. Prefusión de los extremos de las fibras
La prefusión tiene por objeto que la superficie transversal quede muy ligeramente
redondeada (figura E3-4(b)). Este paso se realiza por dos motivos: eliminar las impurezas o
residuos que pudieran existir en las caras transversales de las fibras y evitar burbujas de
aire dentro de la soldadura.
Fig. 3-9: Cortadora de fibra modelo CT20
Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas
VIII-11
La existencia de burbujas puede producirse aún suponiendo un alineamiento y
preparación de los extremos de las fibras perfecto, cuando se procede a la fusión sin haber
realizado una prefusión, ya que la fuente de calor que se utiliza (arco voltaico) caliente la
fibra de fuera a dentro y posiblemente se fusionarían las cubiertas de las fibras enfrentadas
y no los núcleos de las mismas (figura E3-10(c)). Con la prefusión de las caras transversales
se consigue que el primer contacto se
produzca en el núcleo y la fusión se
realizará de dentro a fuera. Como
orientación, hay que destacar que la
prefusión se realiza con intensidades de
arco o tiempos de arco inferiores a los
utilizados en la fusión.
Como se indica al principio de este
apartado, lo que se pretende es hacer un
ligero redondeo en el canto de la superficie
transversal de la fibra; si se sobrepasa este
objetivo y la punta de la fibra queda
redondeada, la posterior soldadura
presentará una excesiva atenuación.
VIII.2.3. Alineamiento, Fusión y Protección
Las etapas restantes del proceso de soldadura son:
! Alineamiento de las fibras, situando la zona a fusionar justo en el camino del arco
voltaico (figura E3-4(c)).
! Fusión de las fibras con sus superficies en contacto.
! Dotación de algún tipo de protección al empalme. Al realizar la soldadura, se ha
desprovisto a la fibra de todas sus protecciones por lo que queda expuesta a nuevas
roturas. La protección que se utiliza con mayor regularidad es una abrazadera de
material termo-elástico en cuyo interior se encuentra un cable de cobre para dar mayor
dureza. Esta abrazadera se sitúa en la zona del empalme y se calienta con una fuente
de calor moderada. Al ser un material termo-elástico la abrazadera quedará adherida a
la fibra. Este proceso no se realiza en esta práctica.
Figura E3-10
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica
VIII-12
La figura E3-10 muestra, de forma esquemática, algunos factores que inducen a una
soldadura defectuosa.
VIII.3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: SOLDADURA Y CONTROL
CON EL OTDR
1) Pele y limpie la fibra, siguiendo las instrucciones indicadas en el apartado IX.2.1.a.
(Pelado y limpieza de la fibra). Se deben pelar unos 30 mm de fibra.
2) Corte la fibra dejando una longitud desnuda que permita colocarla correctamente en
la plataforma de sujeción del soldador (entre 15 y 20 mm.).
3) Levantando las presillas de sujeción, coloque ambos extremos en las
correspondientes plataformas y vuelva a bajar las presillas; compruebe que éstas
apoyan sobre una zona de fibra con protección adherida. Si lo hacen sobre la fibra
desnuda no se sujetará correctamente a la máquina de soldar, debido a su reducido
diámetro. Observando por el microscopio, asegúrese que los cortes son
suficientemente aceptables.
4) Con el mando de movimiento en la dirección z, sitúe la punta de una de las fibras en
el camino del arco y retire ligeramente la otra. Proceda a la prefusión de ese
extremo. Debe utilizar una corriente de arco de 75 (AC ADJUST) durante ! 4
segundos, o aplicar 3 ó 4 descargas breves (el tiempo se controla manualmente presionando
simultáneamente los dos mandos de descarga del arco, situados en los laterales del soldador).
Para verificar que la punta de la fibra está situada correctamente observe por el
microscopio el proceso de prefusión. Repita el paso anterior hasta que observe que
la cara transversal de la fibra se ha redondeado ligeramente como se mostraba en la
figura E3-4. Se redondean sólo los bordes, no todo el extremo de la fibra.
El mando de desplazamiento de la fibra según el eje Z tiene un margen limitado de
movimiento, cuando se llega a este límite, emite una señal acústica para indicar que
no se debe continuar intentando desplazar la fibra en esa dirección. Si necesita un
desplazamiento mayor, deberá mover la fibra de forma manual, para ello presiónela
con el dedo, sobre el soporte en “V” para que no se salga del mismo, levante la
presilla que la fija y desplácela en la dirección Z, posteriormente vuelva a fijarla con
la presilla.
Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas
VIII-13
5) Retire ligeramente el extremo redondeado y repita la misma operación con el otro
extremo de fibra.
6) Acerque las fibras de forma que ambas se puedan visualizar en el microscopio (sin
tocarse) y de manera que el enfrentamiento de sus caras quede justamente en el
camino del arco voltaico.
7) Proceso de alineación: En la máquina empleada, la alineación está fijada por la
situación de las presillas de sujeción. Si observa en el microscopio alguna anomalía
en el enfrentamiento de las fibras, sáquelas de la plataforma y vuelva a colocarlas.
8) Conecte uno de los carretes al latiguillo del OTDR y deje libre el otro extremo.
Escoja un rango de distancias adecuado (4 km, para abarcar toda la línea) y
seleccione el LD de 1300 nm si no lo está ya. Obtenga la traza del OTDR y observe
que el final de la traza está a la distancia adecuada (longitud del primer carrete)
9) Con el mando de movimiento en z acerque las fibras de forma que queden
enfrentadas en el camino del arco voltaico. Observe y recuerde en qué dirección ha
girado los mandos para separar o acercar las fibras.
10) Acerque las fibras hasta que entren en contacto y se presionen levemente
(Utilizando el procedimiento manual). Vuelva a obtener la traza del OTDR. Si las
fibras están bien enfrentadas debería ver la traza con una longitud suma de los dos
carretes. En la intersección de los carretes debería ver un evento reflexivo con
pérdidas moderadas.
11) Proceda a la descarga del arco con un tiempo de 2 ó 3 segundos y una intensidad
de 85. Al final de la descarga la unión entre las fibras debería ser indistinguible al
microscopio.
12) Obtenga la traza del OTDR y localice la soldadura. Debe aparecer en forma de
pequeño escalón (es un evento no reflexivo), aproximadamente a la mitad de la
distancia de línea (donde antes aparecía el evento reflexivo), ya que ambos carretes
tienen parecida longitud. Si en vez del escalón sigue apareciendo un evento
reflexivo, repita el procedimiento de descarga y medida tantas veces como sea
necesario.
Tenga especial cuidado de no manipular cerca del arco voltaico cuando esté en descarga.
Laboratorio de Comunicaciones Ópticas – Dpto. Tecnología Fotónica
VIII-14
13) Mida y anote el nivel de pérdidas existente en la soldadura. Para ello, active
alternativamente los cursores A y B, y colóquelos a ambos lados de la soldadura.
Tome el dato A–B que ofrece el instrumento en pantalla. Si la medida de
atenuación es superior a 0,5 dB repita la descarga. Si no mejora, repita la soldadura
desde el principio.
Sea consciente de que según vamos dando sucesivas descargas a la unión, ésta va
mejorando; mejora que se manifiesta en una mayor uniformidad de la superficie de la
zona soldada y una menor atenuación; hasta que llegamos a un punto óptimo, a
partir del cuál se deteriora rápidamente la calidad de la soldadura.
14) Una vez concluida la soldadura repita la medida de la atenuación empleando el
diodo láser de primera ventana del OTDR. Compare los resultados.
POR FAVOR, AL ACABAR LA PRÁCTICA RECOJAN
TODO Y DÉJENLO COMO ESTABA AL PRINCIPIO.
SUS COMPAÑEROS SE LO AGRADECERÁN.