Elementos y Equipos Eléctricos

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1 5.- Fibras Ópticas Las fibras ópticas e sistemas de comuicacioes y e geeral e sistemas de trasmisió de señales, después de u largo periodo de experimetació y elaces pilotos, etre los años 1975 y 1980 etro e su etapa de empleo masivo. Los primeros elaces se difudiero e el campo de las telecomuicacioes co fibras ópticas que teía ateuacioes de hasta 50 db/km, hoy co distitos métodos de obteció de materiales de extrema pureza y de fabricació se obtiee fibras ópticas co ateuacioes de 0,2 db/km. Y elaces de hasta 200 km. Si teer que utilizar repetidoras. A medida que se fue avazado co el uso de las fibras ópticas o solo se utiliza e la trasmisió de voz, sio que comezó a utilizarse e la trasmisió de datos. Uo de los lugares que tiee gra utilizació es e el campo de la elaboració y trasmisió de datos e el campo de la eergía, destiados a la supervisió y cotrol de equipos e istalacioes. El maejo de esta eorme catidad de datos ha sido cofiado tradicioalmete a distitos medios de comuicació (oda portadora, micro odas, para largas distacias), ormalmete estos datos a trasmitir parte de lugares dode se trabaja co altas tesioes y detro de fuete co fuertes campos magéticos, los que fácilmete puede producir iterferecias. Al ser la fibra óptica u material totalmete dieléctrico o es afectada por este tipo de iterferecias, además como la trasmisió se realiza co fotoes, es u elemeto que se puede istalar si que se corra igú riesgo de corto circuito. La fibra óptica esta costituida por dos cilidros coaxiales de silicio de alta pureza, que por medio de la reflexió de a luz se logra trasmitir iformació, presetado vetajas co respecto a los coductores de materiales metálicos, etre las pricipales figura: Trasmite luz, e cosecuecia o se itroduce iterferecia. Tiee gra capacidad de trasmisió (180 a 200 comuicacioes telefóicas a la vez) co respecto a los coductores de cobre. La trasmisió o es iterferida por campos eléctricos y magéticos La eergía puesta e juego e la trasmisió es muy baja Gra acho de bada Diámetro reducido Peso reducido Material totalmete dieléctrico: o existe posibilidad de tesioes iducidas que puede producir chispas o cortocircuitos Pricipio de fucioamieto: Para las trasmisioes por fibra óptica se utiliza las logitudes de oda del ifrarrojo, o sea 800 a 1600 m, siedo los valores preferidos los de 850, 1300,1550 m que es dode está las de meores iterferecias. Trasmisió co Fibra Óptica Luz Visible 1600 m. 800m. Las fibras ópticas se compoe de u cilidro material dieléctrico llamado úcleo rodeado por u revestimieto tambié dieléctrico co u ídice de refracció 112

2 ligeramete iferior al úcleo. La forma de propagació de la señal se basa e las propiedades de refracció y reflexió de la luz (reflexió total). Supogamos dos sustacias diferetes: Pricipio de Reflexió 1 águlo de icidecia N 2 águlo de reflexió = y 2 ídices de refracció. Cuado u rayo lumioso icide sobre la superficie de separació dos sustacias, ua fracció de la misma se refleja. La proporció de la luz reflejada es fució del águlo que forma el rayo de luz icidete co la perpedicular a la superficie de separació de los medios. Por rayo de luz se etiede la trayectoria detro de la cual se extiede la eergía lumiosa. Para el rayo lumioso es reflejado y su águlo de reflexió 2 que este forma co la perpedicular a la superficie de separació de la sustacia vale: * El rayo icidete, el reflejado y la perpedicular a la superficie de separació de los medios, se ecuetra e u mismo plao. * El rayo reflejado se halla e el semiplao opuesto e relació co el rayo lumioso icidete y la perpedicular a la superficie de separació de las sustacias. * El águlo formado por el rayo icidete co la perpedicular, y el águlo reflejado co la perpedicular so iguales Refracció de la Luz. 1 > 2 1 N águlo de icidecia águlo de refracció 2 113

3 Si u rayo lumioso icide co u águlo de modo oblicuo desde ua sustacia óptimamete meos desa (aire) a otra más desa (vidrio), su direcció de propagació se quiebra y su trayectoria cotiúa e la seguda sustacia co u águlo de refracció, diferete al de icidecia. Para ua sustacia isotópica, o sea u medio o material que preseta idéticas propiedades e todas sus direccioes, vale la ley de refracció de Sell. El cociete etre el seo del águlo de icidecia y el seo del águlo de refracció es costate e igual a la relació de las velocidades de la luz c 1 /c 2 e ambas sustacias. se c = 1 LEY DE SNELL se c2 De dos sustacias trasparetes, se cosidera más desa a aquella que posee la meor velocidad de propagació de la luz. Cosiderado la trasició desde el vacío ( aire) e el cual la velocidad de la luz c 0 a ua sustacia co velocidad de la luz c 1 se obtiee: se c = 0 se c2 La relació etre la velocidad de la luz e el vacío c 0 y la de luz e ua sustacia (c), se deomia ídice de refracció "" (o más exactamete ídice de refracció etre dos fases) de esa sustacia, y es ua costate del material. El ídice de refracció del vacío ( aire) 0 es igual a uo. Para dos sustacias diferetes co los ídices de refracció correspodietes velocidades de la luz c 1 y c 2 vale: 1 y 2 y las C 1 = 0 C 1 = C 0 C 2 = 0 C 2 = C 0 C C de dode se obtiee otra expresió de la Ley de Refracció de Sell. se c = 0 = se c2 La relació del seo del águlo de icidecia al seo del águlo de refracció es iversamete proporcioal a la respectiva relació de los ídices de refracció etre dos sustacias. La sustacia óptimamete mas desa es aquella que tiee u ídice de refracció mayor y ua velocidad de la luz meor. El ídice de refracció de ua sustacia depede fudametalmete de la correspodiete logitud de oda de la luz: e el caso del vidrio de cuarzo y las logitudes de oda del ifrarrojo, de gra importacia para las comuicacioes ópticas, este ídice decrece cotiuamete cuado se icremeta la logitud de oda. La magitud del ídice de refracció vale para odas lumiosas que se propaga solamete co ua úica logitud de oda y co amplitud costate. E estas 114

4 codicioes las odas o puede trasmitir iformacioes, lo cual se logra solo cuado se aplica modulació a las mismas. E las comuicacioes ópticas (digitales) la modulació se efectúa por medio de pulsos lumiosos, se trata de grupo de odas de corta duració que cotiee odas lumiosas de diferetes logitudes. Las diferetes odas itegrates de estos grupos o se propaga co la misma velocidad ya que sus logitudes de oda difiere etre sí. La velocidad de propagació de u grupo de odas se deomia velocidad de grupal, para la cual se defie el ídice de refracció del grupo g por medio de la relació: g = d. d Las variacioes de y g e fució de la logitud de oda lumiosa cuarzo puro se observa e la figura. para vidrio de Se observa que el ídice de refracció del grupo es para cada logitud de oda, mayor que el ídice de refracció, del de u rayo de ua sola logitud de oda. Para calcular los tiempos de propagació de las señales ópticas se debe utilizar solamete el ídice de refracció grupal. Como se dijo al pricipio la logitud de oda tiee ua gra importacia e la trasmisió, y se puede observar que el ídice de refracció preseta u míimo e 1300 m Reflexió Total: Cuado el rayo lumioso icide co u águlo cada vez mayor desde ua sustacia óptimamete más desa co u ídice de refracció 1 sobre la superficie de separació, co ua sustacia óptimamete meos desa co ídice de refracció 2, el águlo de refracció β comieza a aumetar, y llega a tomar el valor de 90º para u determiado águlo de icidecia. Para ese valor de águlo de icidecia, el águlo refractado ya o viaja por la seguda sustacia sio que lo hace paralelo a la superficie de separació de las dos sustacias. El águlo de icidecia que hace que ocurra este feómeo se deomia águlo límite de las dos sustacias, y todos aquellos rayos que icida co u valor de águlo alfa superior al águlo límite, ya o se va a refractar por la seguda 115

5 sustacia sio que se va a reflejar totalmete por la sustacia que veia viajado, a este feómeo se lo cooce como reflexió total. La reflexió total puede ocurrir úicamete cuado u rayo lumioso icide desde ua sustacia ópticamete más desa sobre otra ópticamete meos desa y uca se da e el caso iverso. αl α2 α1 β1 β2 Aplicado la Ley de Sell se cumple Se α1 = 2 Se β1 1 y para el águlo limite, cuado β se hace igual a 90º Se αl = 2 Se β0 1 Se αl = 2 1 o sea que el águlo limite es fució de la relació de los ídices de refracció de las dos sustacias. A medida que se cotiua aumetado e águlo de icidecia por ecima del águlo limite, todos los rayos ya o so reflejados e la superficie de separació de ambas sustacias sio que se propaga por la sustacia óptimamete mas desa, que es por la que veia viajado ates de la icidecia Apertura Numérica E los coductores de fibras ópticas se utiliza el efecto de la reflexió total para coducir el rayo lumioso e virtud de ser estos coductores dos tubos cocétricos, el iterior su "úcleo" formado por u vidrio co u ídice de refracció 1 y evolviédolo a este u "recubrimieto" formado co u vidrio co ídice de refracció 2. El valor de 1 es mayor que

6 Recubrimieto αo αo θ Núcleo 1 Aalizado la expresió se 0 = 0 = que icida co u águlo meor que (90 - so coducidos e el úcleo. 2 1 se cocluye que todos los rayos lumiosos 0 ) co respecto al eje de la fibra óptica Para acoplar al úcleo u rayo lumioso desde el exterior de la fibra (aire co ídice de refracció 0 =1) el águlo (etre el rayo lumioso y el eje de la fibra óptica) se rige de acuerdo a la ley de refracció de Sell se se L se se se se cos 0 o 1 se 0 0 Cosiderado la codició de águlo límite se 0 = se se El máximo águlo de acoplamieto max se deomia águlo de acoplamieto del coductor de fibra óptica y úicamete es fució de los ídices de refracció 1 y 2 de los materiales. Al seo del águlo de aceptació se lo deomia apertura umérica (AN) del coductor de fibra óptica. 117

7 se AN Este valor es de gra importacia para el acoplamieto de la luz a los coductores de fibra óptica. Todos los rayos lumiosos que icida sobe el eje del coductor de fibra óptica co u águlo (sólido) que el águlo de acoplamieto máximo va a poder ser trasmitido por el cable de fibra.. De la apertura umérica depede esecialmete la catidad de luz que se puede acoplar al úcleo del coductor, por el cual este debería ser lo mas alto posible, ya que permitiría utilizar elemetos electro ópticos mas baratos, pero tolerado alguos icoveietes, que o afecta a las cortas distacias, que so las mezclas de los modos Propagació de la Luz e el coductor de Fibra Óptica: E geeral se deomia iterferecia a la superposició de dos o más odas y su combiació para formar ua oda úica. Ua maifestació típica de la iterferecia de dos odas se obtiee solamete cuado ambas tiee la misma logitud de oda y existe ua diferecia de fase costate etre ambas e el tiempo, este tipo de odas se deomia odas coheretes. Si e determiado puto del espacio de ambas odas preseta ua diferecia de fase igual a u múltiplo etero de (log. de oda), se produce ua suma de sus amplitudes, e cambio si esta diferecia es igual a u múltiplo etero de /2 (media log. de oda), ua resta, y si ambas amplitudes so iguales, icluso ua aulació local de la misma. Si se utilizara dos fuetes lumiosas, por ejemplo dos lámparas icadescetes y se superpoe sus luces o se observa igú tipo de iterferecia ya que su luz es icoherete. La causa se halla e el proceso de emisió de la luz del cuerpo lumioso. Para ello el águlo espectral deberá ser lo más pequeño posible, esto se logra geeralmete co los láser, que e virtud de ua emisió de luz forzada da la posibilidad de cotar co ua diferecia de fase costate a igual logitud de oda. Co ellos tambié aparece iterferecia e el coductor de fibra óptica, las cuales se recooce porque la luz se propaga e el úcleo úicamete, e determiados águlos que correspode a direccioes e las cuales las odas asociadas al superpoerse se refuerza. Las odas lumiosas permitidas susceptibles de propagarse e u coductor de fibra óptica se deomia modos. Estos modos se trasmitirá de forma diferete segú sea el perfil del coductor de fibra óptica Perfiles de los coductores de FO Si e u coductor de F.O. se cosidera el ídice de refracció () e fució del radio (r), se tiee el perfil del ídice de refracció de este coductor. Co el mismo se describe la variació radial del ídice de refracció de coductor de fibra óptica desde el eje del úcleo hacia la periferia de recubrimieto. La propagació de los modos e el coductor de F.O. depede de la forma de este perfil de ídice de refracció. 118

8 E la práctica iteresa los perfiles expoeciales; bajo esta deomiació se etiede aquellos perfiles de ídices de refracció que preseta ua variació que es fució del radio del úcleo del coductor. E el caso de u perfil escaloado el ídice de refracció es costate e el úcleo. E todos los demás perfiles el ídice de refracció (r ) e el úcleo se icremeta e forma gradual desde el valor 2 e el recubrimieto hasta el 1e el eje del coductor de fibra óptica. E virtud de este tipo de variació se deomia a estos perfiles tambié perfiles graduales Perfil Escaloado E u coductor de fibra óptica dode el ídice de refracció 1 se matiee costate e toda la secció del úcleo, se habla de u perfil escaloado, pues el ídice se icremeta e forma de escaló a partir del valor que tiee e el recubrimieto hasta el que posee e el úcleo y que allí permaece costate. La fabricació de este coductor es secilla. Co el ídice de refracció costate a lo largo del radio del úcleo, si e el extremo iicial del coductor, cada uo de estos modos es excitado co u águlo de acoplamieto diferete estos se propaga a lo largo del mismo co la misma velocidad y recorriedo diferetes trayectorias e forma zigzagueate, por lo cual llega al otro extremo del coductor a diferetes mometos, u coductor de estas características se deomia multimodo. La relació etre los tiempos de recorridos máximo y míimo es directamete proporcioal a la relació etre los ídices de refracció del recubrimieto y del úcleo. Esta diferecia de tiempos produce ua dispersió llamada dispersió modal, que es u efecto o deseado, ya que da lugar al esache del pulso lumioso de corta duració que atraviesa al coductor de fibra óptica, costituyedo ua desvetaja para las comuicacioes ópticas, ya que dismiuye la velocidad de trasmisió, o hace aumetar el acho de bada ocupado. Esta mezcla de modos se produce co mayor itesidad e las irregularidades del úcleo y e las curvaturas. Para dismiuir los efectos o deseados e forma cosiderable se fabrica fibras ópticas dode el ídice de refracció e el úcleo varía Perfil Gradual Cuado el ídice de refracció del úcleo, varía e forma desde u valor máximo 1 e el eje del coductor y decae hasta otro valor 2 e el límite co el recubrimieto a 119

9 este tipo de perfiles se los deomia perfiles graduales. Esta deomiació se ha adoptado especialmete para el perfil parabólico. Cuado el ídice de refracció o es costate a lo largo del radio del úcleo, los rayos lumiosos recorre el coductor de fibra óptica describiedo trayectorias oduladas o helicoidales; cotrariamete al coductor de perfil escaloado, e cuyo caso los rayos se propaga e forma zigzagueate. Como cosecuecia de la variació cotiua del ídice de refracció (r ) e el úcleo, los rayos lumiosos tambié se refracta cotiuamete variado su direcció de propagació al recorrer estas trayectorias helicoidales. Si bie los rayos que oscila e toro del eje debe recorrer aú u camio más largo que el que se propaga e forma rectilíea a lo largo de este eje, puede desarrollar ua mayor velocidad, proporcioal al meor ídice de refracció que tiee el material e los putos más alejados del eje, y así se compesa e el tiempo la mayor extesió del recorrido. Como resultado de esta compesació se logra dismiuir la mezcla de modos, por lo tato la diferecia de tiempos de recorrido. Cuado se coforma co exactitud el perfil parabólico de ídice de refracció, se ha medido, co u tiempo de recorrido de la luz de 5 s. /Km. Dispersioes de tiempo del orde de 0,1 s. Esta diferecia se produce prácticamete por la dispersió del material, mietras que e u perfil escaloado e iguales codicioes las dispersioes de tiempo estaría e el orde de 5 s = 2 1 max = 2 E u coductor de fibra óptica co perfil escaloado y múltiples modos, estos se propaga a lo largo de diferetes trayectorias por lo cual llega al otro extremo del coductor a diferetes mometos Perfil escaloado moomodo: Se puede elimiar la dispersió modal, haciedo que por el coductor de fibra óptica se propague úico modo, el modo fudametal, u coductor de fibra óptica de estas características se deomia moomodo Para reducir el úmero de modos, se debe reducir el diámetro del apertura umérica o aumetar la logitud de oda. úcleo, a la

10 De la apertura umérica depede esecialmete cuata luz se puede acoplar al úcleo de coductor, por lo cual debería ser lo mas elevado posible. La reducció del radio del úcleo es posible e forma limitada, e razó de torarse cada vez más dificultoso el maipuleo y las técicas requeridas para el coexioado. Por otra parte, se tora más dificultosa la fabricació de emisores y receptores para frecuecias mas elevadas y e cosecuecia su valor o se puede icremetar a discreció. Para u coductor moo modo cuyos valores de radio del úcleo so 4,5 micro metro y la apertura umérica 0,11, la que se logra co diferecias de ídices de refracció etre el úcleo y el recubrimieto del orde de 0,003%, las logitudes de oda que se va a trasmitir está e el orde de los 1300 micro metros, que para este coductor se deomia logitud de oda limite. E el úcleo de este coductor de fibra óptica, se podrá propagar u úico modo para todas las logitudes de oda mayores a la logitud de oda de la oda límite. O sea que a partir de la logitud de oda limite el coductor se comporta como u coductor de fibra moomodo. 121

11 5.6.-Fabricació de las Fibras Ópticas Las fibras ópticas se clasifica segú su composició e: Fibras de sílice, Fibras de vidrios poli compoetes, Fibras co revestimieto de plástico y Fibras de plástico. Hay 5 métodos para fabricar fibras ópticas, uo por medio de la mezcla de los compoetes y los otros cuatro (4) so por deposició, los elemetos, que se utiliza so el de silicio o silicatos e forma de cloruros. Clasificació de las fibras ópticas segú su composició Fibras de sílice: posee pricipalmete dióxido de silicio Si O 2. Fibras de vidrios poli compoetes: Si O 2 + óxidos y carboatos. Fibras co recubrimieto de plástico. Fibras de plástico. Las dos primeras se deomia fibras de óxidos y so las úicas aplicadas e comuicacioes. Las fibras de sílice posee pricipalmete dióxido de silicio SiO2, mietras que las de vidrios poli compoetes costa además de varios óxidos y carboatos. El ídice de refracció e las fibras de sílice se modifica co dopates, como ser Ge O 2, P 2 O 5, y otros. 1,50 1,49 1,48 1,44 1,47 1,44 1,46 1,45 1, mol % F G 2 O P 2 O 5 B 2 O 3 Variació del ídice de refracció e fució de la cocetració de dopates La materia prima so cloruros como el SiCl 4, GeCl 4, y POCl 3. A la temperatura ambiete los silicatos se ecuetra e fase liquida y suele usarse e la fase de vapor para efectuar la deposició, elimiado las cotamiacioes del material de trasició magitud muy iferior a los cloruros. Las fibras de vidrios poli compoetes so fabricadas por el método del doble crisol,. La ateuació míima que puede lograrse es del orde de 10 db. / Km. E cambio las fibras de sílice so fabricadas por varios métodos distitos y la ateuació lograda es meos. Esto hace que las fibras de vidrio poli compoetes se utilice para cortas distacias, dejado las fibras de sílice para media y larga distacia. Tato el método del doble crisol como los métodos de deposició so métodos discotiuos. Se fabrica primero ua preforma, dode la fibra óptica se hace ua varilla de cuarzo, que esta e el orde de los 8 a 10 mm de diámetro, por 1 m de logitud aproximadamete, co esa preforma, luego se la estira alcazado ua logitud 122

12 aproximadamete de 1 o 2 km., o sea que esa preforma que tiee u diámetro iicial de 8 a 10mm y etre u (1) metro o 1,80m de logitud, termia siedo u coductor de aproximadamete 1 o 2 km. de acuerdo al diámetro fial del coductor El método axial, es u método que ivetado por la NTT de Ibaraki, Japo, el fudido de los materiales, la proforma y el estirado de la fibra se hace de ua sola vez, comieza formádose la proforma por deposició y termia e u tambor dode se produce el estirado de la preforma y el arrollado del coductor, de esta maera se logra u método cotiuo Método del Doble Crisol La fabricació de fibras de vidrio poli compoetes, es u proceso de dos etapas. Primero se produce el vidrio de polvos de alta pureza y luego se estira la fibra por el método del doble crisol. E las figura2 muestra el mecaismo de producció del vidrio ultra puro. Los reactivos como ser SiO2, Na2CO3, CeCO3, se mezcla e proporcioes adecuadas, se purifica mediate itercambios de ioes, destilació y extracció de disolvetes,. Estos polvos se coloca e el horo de la figura, el cual está caletado por iducció de radiofrecuecias de RF. La técica que se describe fue desarrollada por la Uiversidad de Sherffield y por los laboratorios de la Stádar de Iglaterra. Previo al uso de los crisoles de silicio puro se utilizaro crisoles de platio, pero la ateuació obteida estaba cerca de los 50 db / Km., era mayor a la prevista teóricamete. Las razoes de ello se las atribuyero a que las impurezas desde el crisol pasaba al vidrio durate la fudició. El uso de crisoles de silicio elimio este problema a de cotamiació co ioes ferrosos y cúpricos. A temperaturas mayores de 1300 K. los vidrios alcalios tiee coductividad ióica suficiete para producir el aclopamieto etre el campo de RF de 5 MHz. y el material fudete. Esto permite varias cosas, por u lado basta co teer u calefactor de grafito, imerso detro del campo de RF, que de u caletamieto iicial al crisol y luego el campo de RF se ecarga de mateer la temperatura cuidadosamete cotrolada. Por otro lado como solo el material fudete recibe eergía del campo, el crisol se matiee frío mediate ua corriete gaseosa o de agua. Esto produce además u salto, de temperatura etre el material y el crisol que crea ua capa de sílice sólida e las paredes del crisol ayudado a aislar el material fudete. Es coveiete recordar que la temperatura de fusió del dióxido de silicio puro, cuarzo, es mayor que la del material fudete, pues este tiee dopates que rompe la red cristalia y dismiuye la temperatura de fusió. Para homogeeizar el material totalmete, de forma de dismiuir las dispersioes de Ryleigh y Mie, se produce ua agitació del material fudido por medio de u burbujeo de gas ierte o reaccioate. Se eleva la temperatura hasta dismiuir la viscosidad permitiedo a las burbujas alcazar la superficie. El método de estirado se reproduce e la otra figura. El motaje costa de dos crisoles cocétricos fabricados de platio de alta pureza o de sílice. El orificio iferior de cada crisol se diseña e fució de la geometría de la fibra óptica deseada. Así, basta co cambiar el diámetro del orificio del crisol iferior para producir fibras multimodo o moo modo. El vidrio se itroduce e el crisol e forma de varilla, pudiedo alimetarse cotiuamete. 123

13 La temperatura del horo se matiee mediate el acoplamieto de RF de forma tal que la viscosidad es adecuada para el estirado. El estirado se efectúa por el arrollamieto directo sobre u tambor giratorio colocado debajo del crisol. La geometría del perfil del ídice de refracció se gradúa co la posició relativa de los orificios de salida de ambos crisoles. Así, u acercamieto prouciado etre ambos orificios produce ua mezcla reducida de los vidrios compoetes del recubrimieto e el crisol exterior y del úcleo e el iterior. El perfil resulta ser abrupto. Por otro lado ua separació mayor permite la mezcla de vidrio y la creació de perfiles de variació gradual. Otros parámetros que permite el cotrol del ídice de refracció es la temperatura de los crisoles y la velocidad de estirado. Perfiles de ídice de refracció gradual se ha logrado co titaio como dopate. Si embargo este método se reserva para fibras de ídice abrupto, ya que la mezcla de vidrios es difícil de cotrolar. Los límites práctico para esta técica de fabricació so de 10 db. / Km. de ateuació y ua dispersió de 0,5 s. / Km. Esquema de producció del vidrio p/fibras.fig 2 Esquema de estirado de fibras de vidrio mediate el método de doble crisol Método OVDP (Outside vapor deposició Process), Oxidació exterior e fase de vapor Este proceso fue desarrollado por la Carig glass Works y fue el primero e lograr ateuacioes iferiores a 20 db/km. Hoy día se logra ateuacioes de 3 db/km. para 850 m de logitud de oda. Este proceso, como el grupo que cotiúa, se utiliza para la fabricació de fibras de sílice. El proceso se divide e dos partes, por u lado la creació de ua preforma y por otro el estirado de la preforma. Por ser para todos los métodos igual, el estirado sólo se explicará ua sola vez, mas adelate. 124

14 El hecho de crear ua preforma ates de su estirado hace de estos métodos, excepto el VAD] de producció discotiua. La creació de la preforma, parte de u sustrato sobre el que se hace crecer la fibra de sílice. La técica de deposició se ve e la figura. El sustrato es u tubo de sílice, a lo largo del cual se mueve u quemador e forma trasversal. La llama de CH4-02, o de oxígeo- hidrógeo, se ecuetra a ua temperatura desde 1500 a 1800 K. A fi de producir ua deposició geométricamete equilibrada se hace girar el sustrato. Los gases de reacció de la llama etra e el tubo a ua velocidad cotrolada y reaccioa e la zoa de caletamieto co el 02. Se observa que, la reacció libera C12 y el oxigeo molecular 02 sobrate e la reacció. A fi de evitar la cotamiació de la preforma co grupos oxidrilos OH debe cotrolarse al máximo la presecia de H2. El perfil del ídice de refracció varía co la composició de la llama, la temperatura y la velocidad del mechero, así como co el úmero de capas creadas. Como el tubo de sílice que da orige a la preforma debe quitarse ates de proceder al estirado, queda u hueco cetral que debe quitarse mediate el colapso de la preforma e ua atmósfera cotrolada de helio. El tubo se calieta hasta la temperatura de rebladecimieto por ua llama trasversal y se cotrae por la acció de las tesioes superficiales. La temperatura de rebladecimieto es elevada por lo tato provoca la evaporació e el estrato cetral, de ua parte de los dopates depositados previamete, esto causa u abrupto pico de caída del ídice de refracció. Si bie este problema o puede ser elimiado, se reduce aumetado la catidad de dopates e los copos cetrales o produciedo el colapso e ua atmósfera eriquecida de dopates. Co este método se puede costruir preformas de 8 mm por 1,8 m, lo cual da lugar a fibras de 10 km de logitud. La deposició se realiza a 2 grs./mi. y co ua eficiecia del 50% Método de fabricació de la preforma por el método OVDP: fabricació, cosolidació y estirado. 125

15 Método MCVD [modified chemicol vapor deposició] [Deposició de vapor químico modificado] Este proceso fue elaborado por laboratorios Bell de los EE.UU de Norteamérica como ua variate del método IVPO [iside vapor Phase Oxidació]. El criterio se basa e la deposició itera de u tubo de cuarzo [sílice ultra puro] de 12 x 14 x 92mm e rotació para mateer la homogeeidad geométrica. Segú se ve e la figura N 5, ua llama de oxígeo- hidrógeo a 1900 k se mueve a ua velocidad de 0,35 cm/ s a fi de crear detro del tubo ua zoa de reacció. La temperatura es cotrolada por u pirómetro ifrarrojo. Los reaccioates so trasportados por ua corriete de 02, impulsado por ua bomba de vacío. Las reaccioes so idéticas al método OVDP. El tubo de cuarzo actúa como recubrimieto [cloddig] de la fibra. Auque, como sus dimesioes so pequeñas co respeto a los copos depositados, para el estirado se le coloca ua capucha para adecuar las dimesioes. La ausecia de cotamiates, como el hidrógeo, detro de tubo de sílice, cotribuye a dismiuir la ateuació por [oxidrilo]. Para preveir la difusió de ioes OH desde el tubo de sílice hacia las copas del úcleo se deposita ua gruesa capa, como barrera para la difusió ates de proceder a la deposició de las capas del úcleo. El perfil del ídice de refracció se cotrolo mediate la cocetració de dopates, la velocidad y temperatura de la llama, y la catidad de capas creadas. La ecuació total para la producció de la capa se divide e tres partes: reacció, deposició y sítesis. Todas debe ser eficietes para lograr características de trasmisió aceptables. Nuevamete debe realizarse u colapso de la preforma ya que la deposició de la capa cetral es difícil y o queda homogéea La solució plateada para el método aterior es válida tambié para éste. Esquema de fabricació de la preforma por el método de MCVD Método PCVD [ plasma Activoted vapor deposició ] [Deposició de vapor Químico activado por plasma ] Este método es ua variate del MCVD desarrollado por los laboratorios de la Philips. E la figura N 6 se muestra u esquema del método. La reacció de trasformació de los reaccioates o óxidos es estimulado por u plasma o isotérmico que es el ecargado de producir la solidificació de los cloruros. 126

16 El método parte de u tubo de sílice por el cual circula los reaccioates bombeados por ua bomba de vacío y trasportados por 02. El tubo se ecuetra imerso e ua cavidad resoate móvil de microodas, coectado au geerador de 2 o 3 GHz y de 100 a 500w. El tubo de sílice se lo hace rotar para obteer la simetría adecuada. La reacció de deposició tiee lugar aú a temperatura ambiete, pero e este caso el vidrio resulto agrietado. A fi de evitar esto se matiee el sistema a 1300 k por medio de ua resistecia de caletamieto. La cavidad de microodas que provoca la reacció de deposició, se trasporta a lo largo de la preforma como e el caso se lo llama del método MCVD. La eficiecia de deposició es del 90 al 100% y la tasa de deposició es de 50 a 100um/ mi. La catidad de capas depositadas puede ser muy alta, etre 500 y 3000, debido a que la zoa de plasma puede ser movida co gra velocidad detro del tubo. Los gases residuales de la reacció so C 12, y el exceso de 0 2. La mayor vetaja del método PCVD frete al MCVD es la elevada reacció del movimieto y la falta de iercia térmica del plasma que produce la reacció. Hay u sistema de cotrol e el motor que va arrollado que va trabajado a ua velocidad e fució del diámetro de la fibra óptica. Fabricació de la preforma mediate PCVD Método VAD [Vapor Phase Axial Deposició] [Deposició axial e fase de vapor] El método de deposició axial e fase de vapor se desarrolló e los últimos aos e los laboratorios de la NTT de Ibaraki, Japó. E este método la preforma crece e direcció axial, mediate la deposició de fias partículas de vidrio sitetizados e la fase de vapor. Como el crecimieto es axial el método resulta ser cotiuo, pudiedo si se desearse realizar la preforma y el estirado e ua misma líea de producció. Esta preforma es porosa y se la cosolida e ua preforma trasparete mediate u aillo de caletamieto. La figura N 7 muestra el esquema de la líea de producció. El colapso de la preforma se realiza así e el mismo medio ambiete de producció lo que deviee es u mejor cotrol de la impurezas. A fi de mateer la simetría cilídrica la preforma es girada por u motor, el cual la levata e la medida que crece axialmete. El proceso de fabricació requiere regular costatemete el flujo de material, la temperatura de la llama, la temperatura de la superficie de la preforma, la velocidad de rotació de la preforma co respeto a los quemadores. Fluctuacioes de estos parámetros causa variacioes del diámetro y del perfil de ídice de refracció. Los quemadores so tubos de silicio coaxiales dode el material e fase de vapor peetra por el tubo cetral y los gases de combustió [oxigeo- hidrógeo] so provistos por el tubo exterior. La velocidad de deposició es de 0,5 a 1 g / mi. Para velocidades mayores se degrada el perfil del ídice y la eficiecia de deposició que ormalmete se ecuetra e el 60 a 80%. La preforma porosa tiee u diámetro de 127

17 50 a 70mm, mietras la preforma trasparete, luego de la cosolidació tiee 20 a 30 mm. Co valores así las fluctuacioes de diámetro está e el orde del 1% y las desviacioes de circularidad de 0,05%. El largo medio de la preforma suele ser de 50 a 80 cm. U cotrol fio del perfil del ídice de refracció que sea comparable al logrado por el método MCVD, es factible co la colocació de múltiples mecheros. Si embargo, el más importate factor de cotrol resulta ser la temperatura, la cual determia la cocetració de Ge 02. La úica cotamiació de ioes óxidrilo puede proveir de los gases de combustió, pudiedo reducirse la cocetració de OH a iveles meores de 0,1 ppm. Hay dos quemadores de grafito que trabaja a temperaturas de 1400 a 1800 k. Método VAD Estirado de la preforma Las propiedades de trasmisió de las fibras ópticas, como ser la ateuació el acho de bada y la resistecia mecáica, depede del proceso de estirado y de la protecció de la fibra. El estirado crea a partir de la preforma, la fibra óptica propiamete dicha. La operació se efectúa e ua uidad como el de la fig. N 8 128

18 U horo co excelete cotrol de temperatura, produce la viscosidad apropiada paras el estirado. Las fuetes de calor e uso icluye el láser de C02.quemadores de oxigeo- hidrógeo, resistecias de grafito o fuetes de iducció. E el estirado por medio de u arrollamieto e u tambor horizotal, requiere el cotrol estricto de velocidad y temperatura del horo. El estirado se hace posible por la tesió superficial del vidrio. Para el caso de fibras multimodo de ídice gradual el CCITT se expidió e la recomedació G651[Giebra]. E la medida que se produce el estirado de la fibra se efría y tiede a oxidarse la superficie e el medio ambiete. si o se protegiese la superficie, la oxidació produciría ua rápida degradació de las codicioes de trasmisió y mecáicas. e los vidrios comerciales el mecaismo de oxidació se suele evitar co u sobreefriamieto de la superficie llamado templado E las fibras ópticas se coloca u recubrimieto primario de forma que actúa como aislate a la oxidació, los recubrimietos que se coloca so dos capas: ua de hexametildisilaza y otra de u polímero como el acetato- etileo viílico. E el mercado mudial las fibras se cosigue e estas codicioes. El fabricate que dispoe de ua extrusora le colocará el recubrimieto secudario y compartirá las fibras para crear el cable de fibras ópticas. Estirado de la preforma. CONCLUSIÓN 129

19 Co respecto a las bodades de cada método de fabricació es coveiete referirse a la cotamiació co ioes hidróxilo que domia la escea actual de ateuació. El método de MCVD reporta la más baja cotamiació co 10-9 de cocetració. Los métodos OVDP y VAD so complejos para dismiuir la cotamiació ya que ello proviee directamete de la combustió de la llama. E 1980 se fabricó ua fibra co muy bajo ivel de cotamiació co el método VAD, cercao a El mecaismo del doble crisol produce fibras de mayor ateuació que las fibras de sílice por lo que se reserva para u tipo de fibra que ha de utilizarse a corta distacia Pruebas Mecáicas sobre u coductor de Fibra Óptica Si bie la primera idea que se tiee de hablar de ua fibra óptica, es pesar que es u elemeto sumamete frágil, esto o es verdad. La resistecia mecáica itríseca de la fibra óptica es mayor que la del acero. Lo que sucede e la práctica es que sobre la superficie de la fibra óptica aparece micro fisuras que rápidamete se propaga por el iterior de la misma co lo cual la robustez mecáica se ve seriamete comprometida. Co el objeto de evaluar el desempeño de u cable de fibra óptica frete a distitas solicitacioes mecáicas a que pueda verse sometido, los fabricates y usuarios de cables ópticos ha desarrollado ua serie de esayos que trata de imitar distitas codicioes de trabajo a las que se efreta el cable durate la istalació. Las distitas pruebas so: 1. Prueba a la tracció. 2. Prueba de compresió 3. Prueba de IMPACTO 4. Prueba de DOBLADO 5. Prueba de torsió Prueba a la Tracció El objeto de esta prueba es verificar el comportamieto del cable durate la istalació y determiar cual es la máxima tesió a la cual puede ser sometido el cable si que se afecte las propiedades de trasmisió de las fibras y / o se verifique la rotura de u de ella después de aplicarle las carga coveidas y al o producirse la rotura se le puede realizar medició de ateuació para determiar si fuero afectadas sus propiedades de trasmisió Pruebas de Compresió Equipo para la prueba de tracció 130

20 Esta prueba se efectúa para establecer el comportamieto de u cable óptico cuado se ve sometido al esfuerzo de compresió localizado sobre u área relativamete grade. Se busco simular la situació que ocurriría si durate la istalació el cable es pisado por algua persoa o algú automotor. La muestra del cable se coloca etre dos placas metálicas, evitado que exista movimietos laterales, se aplica la carga gradualmete hasta que se detecte la rotura y/o variació de ateuació de ua fibra. Comprimida la fibra óptica lo que se hace es iyectar ua señal de luz y se mide la ateuació e el tramo. Así cargada debe cumplir co los iveles de ateuació que os asegura el fabricate. Prueba de Impacto Equipo para la prueba de compresió Lo que se trata de simular es que e el mometo que se está istalado la fibra óptica se caiga ua herramieta sobre el mismo. Etoces sobre u tramo de fibra óptica se le sujeta de maera tal que o tega movimietos laterales y co u peso se la golpea cuatro o cico veces, se la carga el peso u martillo de 1kg o 1,5 Kg. aproximadamete y después se mide la ateuació de la fibra óptica, que debe comportarse segú lo especificado para que esta este correcta. Equipo para la prueba de impacto 131

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