DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA EMPALMADORA POR FUSION DE FIBRA OPTICA. Holmes E. Pinto Lorenzo Mattos V. César O. Torres M.
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1 DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA EMPALMADORA POR FUSION DE FIBRA OPTICA Holmes E. Pinto Lorenzo Mattos V. César O. Torres M. holmes_pinto@hotmail.com torres.cesar@caramail.com Laboratorio de Óptica a Informática Universidad Popular del Cesar Abstract: El presente artículo describe la primera etapa del diseñó, construcción y puesta en funcionamiento de un dispositivo electrónico que permite el empalme permanente de dos fibras ópticas multimodo por fusión a través de la generación de un arco de alto voltaje entre sus electrodos; lo cual garantiza la obtención la temperatura adecuada para la correcta fusión de la fibras, al permitir el acople de sus extremos; posibilitando así; un óptimo empalme. Keywords: Acoplamientos ópticos con fibra, empalme por fusión de fibras ópticas. 1. INTRODUCCIÓN En los sistemas que utilizan fibras ópticas se requiere realizar uniones entre el portador y los equipos terminales, además de unir entre si secciones consecutivas de fibra, esto debido a la longitud total de instalación, la cual muchas veces es mayor a la suministrada por los fabricantes de fibra. Ante esta situación se deben diferenciar dos conceptos; el de empalme el cual se entiende como unión permanente de dos secciones de fibra y el de conector el cual corresponde a uniones temporales entre dos secciones de fibra Componentes para el acoplamiento de fibras Los empalmes y conectores tienen cada uno su correspondiente aplicación, los primeros son muy utilizados para la conexión de cables de fibra a módulos transmisores y receptores y en la conexión de dispositivos en sistemas de comunicaciones ópticas; mientras que los segundos se utilizan para unir permanentemente secciones de fibra en comunicaciones de gran distancia, así como para la construcción de sistemas integrados sensores basados en fibras ópticas.
2 1.2. Perdidas por alineamiento de las fibras 2π V = a. NA (1) λ 0 Por tanto tendrá un valor de 150; esto significa que un numero grande de modos serán soportados por esta fibra, convirtiéndola en multimodal. El detector utilizado es un medidor de potencia modelo 815 de la Newport, permitiendo una precisión de centésimas de µw Acoplamiento de fibras por fusión térmica Fig. 1. Pérdidas por alineamiento Las principales causas de las perdidas tanto en los conectores como en los empalmes son debidas a los desalineamientos de las secciones transversales de las fibras a unir y obedecen a tres situaciones en particular como se muestra en la figura 1. Por consiguiente el estudio de las perdidas obtenidas en la realización de uniones entre fibras es de gran interés. Finalmente uno de los grandes problemas por el cual atraviesan los estudiantes de fibras ópticas es casi de manera generalizada la falta de un equipo de esta naturaleza debido a su cuantioso costo, este aspecto fue la motivación fundamental para iniciar el proceso de construcción de esta valiosa herramienta. 2. MATERIALES Y EQUIPOS El montaje experimental utilizado consta de una fuente de emisión láser de He-Ne con potencia de salida de 5mw y longitud de onda de λ 0 = 633 nm, polarizado linealmente, la fibra utilizada es de tipo multimodo, comercialmente diseñada para telecomunicaciones con valores de NA= 0.29 de apertura numérica y radio del núcleo de a=50µm, con longitud total de 2 mts de tal manera que para estos valores el parámetro de guía de onda característico o numero V es calculado de la relación: El método más utilizado para unir permanentemente dos fibras es el acoplamiento por fusión térmica, este mecanismo normalmente consta de un circuito que produce un arco eléctrico de gran voltaje a través de dos electrodos, en el presente trabajo la descarga es lograda con el circuito de alimentación de un monitor convencional el cual genera cerca de voltios; los electrodos son dos puntas de un multimetro, de tal forma que se controla manualmente el tiempo de descarga, así como la separación de los electrodos y con ayuda de dos micro posicionadores que tiene movimientos en tres direcciones se manipulan los dos extremos de las fibras a unir. Hasta el momento los mejores datos corresponden a una separación de 5 mm de los electrodos entre los cuales se encuentran las dos fibras a fusionar, tiempo de descarga de 1 mseg y una separación de los extremos de las fibras correspondientes a 1mm Componentes electrónicas del dispositivo diseñado Como se describió en la introducción del numeral 2 el montaje total consta de un sistema de emisión de la radiación electromagnética en este caso un láser, un sistema de acople entre la fuente de radiación y la fibra, la longitud total de la fibra y finalmente el sistema de detección.
3 El circuito electrónico utilizado para producir la descarga es mostrado en la figura 2. Y fue seleccionando de varias tarjetas de monitores la etapa de potencia de alto voltaje para generar un voltaje de voltios Aproximación y nueva descarga de mayor intensidad permitiendo que la fibra se funda a una temperatura de 600 grados (ver fig. 5). Fig. 4. Alineamiento de las fibras Fig.2. Circuito electrónico de descarga El control temporal de la descarga se obtiene con ayuda del circuito electrónico mostrado en la figura 3. Fig. 3. Circuito temporizador 3. PROCEDIMIENTO DE EMPALME. El proceso de fusión, una vez realizado previamente el pelado y limpieza de los extremos de la fibras, se desarrollan en varias etapas a mencionar: Fig. 5. Fusión de las fibras Al finalizar la descarga de arco se separa muy ligeramente las fibras para que el diámetro de la juntura sea uniforme (ver figura 6). Posicionamiento micrométrico de los extremos, ya sea manual o electrónico (ver fig. 4). Prefusión por arco de baja intensidad para conseguir el redondeo de los extremos que se van a unir
4 comprobó que el equipo cumple con el propósito de soldar con resultados de poca atenuación de la fibra. (Ver tabla 1.) P i (mw) P f (mw) Tabla Fig. 6. Empalme de las fibras El sistema esquemático completo del dispositivo se muestra en la figura 7. tiene una etapa de alimentación de + 90 voltios quien provee a la etapa de alto voltaje. El modulo de desplazamiento posiciona la fibra para que quede perfectamente alineada; cuando esto ocurre el circuito temporizador se dispara y durante 5 segundos activa la etapa de alimentación. Por consiguiente, en los cátodos de la etapa de alto voltaje, se genera un voltaje de 25 KV; el arco formado por el alto voltaje alcanza una temperatura de 600 grados en el punto de unión permitiendo así la fusión de la fibra. Fig. 7. Esquema total de la empalmadora 4. RESULTADOS Las pruebas realizadas hasta ahora se encuentran dentro del rango lineal de funcionamiento del equipo en cuanto al tiempo de fusión, pues, si el tiempo es aumentado hasta alcanzar cinco segundos la fibra se puede romper. También la distancia de los electrodos es fundamental para controlar la potencia del arco de alto voltaje, pues, a mayor separación, esta se disminuye. Durante su implementación se Con ayuda de la ecuación de calculo de perdidas por el acoplamiento dada por: P ( db ) P f = 10 * log (2) P Se obtiene que el valor promedio de las pérdidas por fusión de las fibras es de 0.36 db, resultado un poco alejado del rango aceptado para este tipo de procedimientos (0.1 db), lo cual obedece al proceso manual de posicionamiento implementado hasta ahora. 5. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS 1. La Fusionadora de fibra Óptica es un equipo que le permite a los estudiantes optimizar su labor en los procesos de montajes de fibra óptica, logrando el buen desarrollo de sus trabajos experimentales Son muchas las ventajas que ofrece este equipo, por su bajo costo económico, su confiabilidad, su versatilidad y que si bien no esta al alcance de uno de las grandes Compañías Instrumentales de Electrónica, puede realizar fusiones bastante aproximadas a la hora de trabajar con este Por las ventajas que el equipo muestra se recomienda la implementación de éste en todas las instituciones que no cuentan con el presupuesto necesario para la comprar una herramienta tan costosa. 4. El proyecto prosigue en su segunda etapa, la cual consiste en automatizar el proceso de alineamiento mediante la utilización de motores paso a paso controlados por computador; así como el diseño de un circuito electrónico que incorpore el valor mínimo de atenuación para el empalme, indicando i
5 el momento exacto de la fusión de las dos fibras a empalmar. AGRADECIMIENTOS El primer autor expresa sus agradecimientos al personal del laboratorio de óptica de la Universidad Popular del Cesar, al asesor científico, Doctor César Torres y asesor metodológico, Ingeniero Lorenzo Mattos. 6. REFERENCIAS [1] NEWPORT CORPORATION, Projects in Fiber Optics, New York, [2] H. Kressel and J. K. Butler, semiconductor Lasers and Heterojunction LED s Academic Press, New York, [3] S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Jhon Wile & Sons, New York, [4] M. K. Barnoski, Fundamentals of Optical Fiber Communication, 2nd Edition, M. K. Brnoski ed., Academic Press, New York, 1981, p 158.
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