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IX. Práctica E3: Soldadura deFibras Ópticas

NOTA IMPORTANTE: ANTES DE REALIZAR ESTA PRÁCTICA ES NECESARIO QUE SE FAMILIARICE CON EL MANEJO DELOTDR, QUE UTILIZARÁ COMO CONTROL DE CALIDAD DENTRO DE LA MISMA. PARA ELLO DEBERÁ REALIZARALGUNOS APARTADOS DE LA PRÁCTICA E2, OTDR, EN PRIMER LUGAR. PASE A LA PRÁCTICA E2 SI NO LA HAHECHO YA, Y SIGA LAS INSTRUCCIONES QUE ALLÍ SE INDICAN.

IX.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

considera la capacidad del operador de maniobrar tanto en el proceso de alineamiento de

MATERIAL NECESARIOMáquina de empalmar

2 carretes MM (50/125)

Latiguillo multimodo

Caja de emisores

Medidor de potencia óptica

Cortadora de fibra

Peladora de Fibra

Alcohol y Tisú

Laboratorio de Comunicaciones Ópticas –Dpto. Tecnología Fotónica

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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.

IX.1.1. Alineamiento por comparación del diámetro de lascubiertas 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.

IX.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

al posicionar las fibras en los surcos, éstas deben quedar perfectamente enfrentadas. El

Práctica E3: Soldadura de Fibras Ópticas

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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.

a

b

cde

f

g

h

a

b

cde

f

g

h

Figura E3-1. Máquina de soldar FUJIKURA modelo FSM-01 SV


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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.

IX.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.

Figura E3-2. Inyección/detección de luz para búsqueda de acoplo máximo


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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 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.

IX.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.

Figura E3-3


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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

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.

IX.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.

Figura E3-4. Etapas en la realización de una soldadura


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B) PREFUSIÓN

C) ALINEAMIENTO

D) FUSIÓN

E) PROTECCIÓN

IX.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.

IX.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.

Figura E3-5

Figura E3-6


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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

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.

IX.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.

Figura E3-7


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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

Fig. E3-8: Cortador de fibra modelo CT03

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

más debido a que la protección adherida hace tope en un estrechamiento del

canal dispuesto a tal fin.


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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)

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.

Fig. 3-9: Cortadora de fibra modelo CT20


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IX.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 m.

El montaje de conectores no es objeto de esta práctica, por lo que no se entra en

detalles sobre este proceso.

IX.2.2. Prefusión de los extremos de las fibras

La prefusión tiene por objeto que la superficie transversal quede 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.

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, la

posterior soldadura presentará una excesiva atenuación.

IX.2.3. Alineamiento, Fusión y Protección

Las etapas restantes del proceso de soldadura son:


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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.

La figura E3-10 muestra, de forma esquemática, algunos factores que inducen a una

soldadura defectuosa.

IX.3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

IX.3.1. Soldadura y Control con Medidor de Potencia

Encienda la fuente LED 1300 nm. El conmutador AN/DIG deberá estar en la posición DIG y

el mando de potencia en una posición intermedia, en la que permanecerá invariable durante

todo el desarrollo de la práctica.

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

Figura E3-10


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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 (en operaciones posteriores no es necesario ni

aconsejable mirar por el microscopio durante la descarga del arco). 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.

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.

Tenga especial cuidado de no manipular cerca del arcovoltaico cuando esté en descarga.


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8) Conecte uno de los carretes a la fuente LED 1300 nm y el otro al medidor de

potencia.

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). Proceda a la descarga del arco con un tiempo

de 2 ó 3 segundos y una intensidad de 85.

11) Mida y anote la potencia de salida obtenida.

12) Mida y anote el nivel de pérdidas existente en la soldadura, siguiendo las

instrucciones del punto IX.3.2 (Control de calidad con OTDR).

13) Desconecte las fibras del OTDR y vuelva a conectarlas al LED y medidor de

potencia según lo indicado en 8).

14) Vuelva a presionar ligeramente las fibras y repita la descarga.

15) Repita el punto 14) tantas veces como considere oportuno. En cada paso de este

proceso mida la potencia luminosa de salida de la fibra en las mismas condiciones

del apartado 11); ésta irá aumentando en la misma cantidad que disminuyen las

pérdidas en la soldadura. 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. Le recomendamos parar cuando llegue a unas pérdidas inferiores a 0.5

dB en la soldadura.

16) Mida las pérdidas reales en la soldadura, siguiendo las instrucciones del punto IX.3.2

(Control de calidad con OTDR), y compruebe que coinciden con las que ha estimado

en el apartado 15).

IX.3.2. Control de Calidad con OTDR

Se van a medir los valores de pérdidas obtenidos empleando el OTDR. En principio, este

último instrumento es más fiable, ya que permite aislar la soldadura del resto de fuentes

de pérdidas en la línea.

1) Desconecte el montaje anterior.


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2) Conecte uno de los carretes al latiguillo del OTDR y deje libre el otro extremo.

Escoja un rango de distancias adecuado (2 ó 4 km, para abarcar toda la línea) y

seleccione el LD de 1300 nm si no lo está ya. Realice la medida.

3) Localice la soldadura. Debe aparecer en forma de pequeño escalón (es un

evento no reflexivo), aproximadamente a la mitad de la distancia de línea, ya que

ambos carretes tienen parecida longitud.

4) 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.

5) Coloque ambos cursores en el tramo anterior a la soldadura, separados algunos

cientos de metros y lea el valor de la pendiente de atenuación del primer carrete.

Seguidamente haga lo mismo en el tramo posterior a la soldadura.

6) Repita los pasos anteriores 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.

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