Desde 2018, FOC ha proporcionado más de 10 artículos sobre la fabricación de fibra y preformas. Una serie de siete artículos, lanzada en enero de 2018 y escrita por Larry Donalds, se centra en la tecnología de MCVD y los problemas para hacer preformas. La segunda serie, iniciada en julio de 2020 y escrita por Rick Tumminelli, incluye tres artículos sobre fibras dopadas en tierra rara. El enlace a la biblioteca completa se puede encontrar al final de este artículo. En el siguiente artículo, los dos expertos en fabricación de fibras FOC ofrecen más antecedentes sobre la amplia gama de fibras especializadas, cómo difieren de las fibras de comunicaciones estándar y los problemas especiales encontrados en los procesos de preforma y dibujo.
Los sistemas de comunicación a menudo incorporan fibras especiales
La tecnología de fibra óptica ha revolucionado la industria de las comunicaciones. Después de varias décadas de implementación, las redes de fibra llevan servicios de teléfono, televisión e Internet, ya sea parte del camino al usuario final, o en muchos casos, hasta el hogar. Estos servicios son generalizados y bien utilizados. En 2018, por ejemplo, los adultos estadounidenses promediaron 8.5 horas por día de "tiempo de pantalla", usando un teléfono inteligente, TV, tableta o PC. Con la pandemia Covid-19, el uso promedio de adultos aumentó más del 50% a 13.5 horas por día del tiempo de pantalla en 20201.
El uso de saltos ha incluido más videoconferencias y otros servicios de video, que requieren más capacidad de red que las páginas web y las comunicaciones de audio. Las redes de fibra generalmente manejaban las cargas más altas con una interrupción mínima. In some cases, network operators increased network capacity by
“lighting up” more fibers, by adding wavelength channels, or by increasing bit rates. Esto ilustra la gran capacidad y flexibilidad de las redes de fibra de hoy.
Desde la década de 1980, ha habido avances significativos en la capacidad de los sistemas de fibra, caracterizados en términos de ancho de banda y distancia. En los primeros años, el ancho de banda del sistema de fibra era mayor que el del cobre, pero en ningún lugar cerca de lo que se requiere hoy en día. El rendimiento de la distancia estaba limitado por la pérdida óptica en la fibra, por lo que se necesitaban estaciones de repetidores cada 100 km más o menos para recibir la señal óptica, limpiarla electrónicamente (remodelar y retime) y luego retransmitirla.
Todo eso cambió con el desarrollo y el uso de una fibra especializada, una dopada con Erbium (ER), un elemento de tierra rara, para hacer amplificadores ópticos. El ER Dopant proporciona ganancia óptica sobre una banda de longitud de onda cerca de la "ventana" de baja pérdida de 1,55 µm de la fibra de comunicación. Un amplificador de fibra dopado con ER (EDFA) aumenta la señal de transmisión ópticamente, eliminando la necesidad de repetidores electrónicos de "remodelar y regenerarse". Further, one EDFA can amplify multiple wavelength channels in the same fiber without crosstalk, allowing huge increases in fiber system bandwidth 2 . En este caso, la fibra especializada complementa el uso de la fibra de comunicaciones para mejorar sustancialmente el ancho de banda y el rendimiento de distancia.
Cómo las fibras especializadas difieren de las fibras de comunicación
Las "fibras especializadas" se pueden definir como aquellas fibras que no cumplen con los estándares de fibra de comunicación de modo único y multimodo. For single-mode, the International Telecommunications Union (ITU) standards are widely adopted 3 . Para Multimode, se adoptan ampliamente los estándares de los estándares del Consorcio de Tecnología de Fibra Optica de la Industria de Telecomunicaciones con sede en EE. UU. (TIA FOTC). Estas especificaciones de fibra MM también están estandarizadas por la Comisión Electrotécnica Internacional de la Organización Internacional para la Estandarización (ISO-IEC). 4 .
En ambos casos, "ampliamente adoptado" significa que las especificaciones de fibra son utilizadas por los fabricantes de fibra y cable, así como a las empresas que fabrican componentes de transmisión-recuperación, conectores y otros productos que interactúan con las fibras. Además, estos estándares de fibra también se hacen referencia en estándares para redes de área local, sistemas de telecomunicaciones y otra infraestructura. Los estándares de fibra especifican propiedades geométricas, físicas y ópticas.
Las fibras de comunicación están diseñadas para transmitir una señal óptica modulada a longitudes de onda específicas. El diseño de la fibra está optimizado para propiedades de baja pérdida y modales que admiten la distancia y los requisitos de ancho de banda. Las fibras especializadas están optimizadas para aplicaciones distintas de la transmisión de señales, como amplificadores, sensores, láseres, filtros, resonadores de anillos, etc. Para servir a aplicaciones tan variadas, hay cientos de diferentes tipos de fibra especializada, con muchas variaciones en la composición de vidrio, las estructuras centrales y de revestimiento, las propiedades geométricas, los revestimientos y las características de rendimiento de rendimiento especializadas especializadas. Algunas familias principales de fibras especializadas se caracterizan por:
- dopantes especiales en el vidrio, especialmente en el núcleo;
- estructuras que resultan en birrefringencia para la fibra que mantiene la polarización;
- múltiples revestimientos;
- Perfiles de índice especiales para adaptar las características de lanzamiento, la apertura numérica (NA), el área efectiva, la propagación del modo y otras propiedades de la guía de onda;
- Varias combinaciones de estas características.
La siguiente tabla ofrece ejemplos de fibras especializadas y algunas aplicaciones típicas. En la tabla y el resto de este artículo, estamos discutiendo fibras basadas en sílice que pueden usar la deposición de vapor químico durante al menos parte del proceso de preforma. (También hay fibras especializadas que se basan en calcogenuros, fluoruros y otros materiales de vidrio. Estas fibras no sílicas utilizan diferentes procesos de fabricación y no se discuten aquí). La tabla muestra que muchos tipos de fibra especializada están diseñados para sistemas de detección. Los sensores a base de fibra pueden medir una amplia gama de parámetros químicos, físicos, ambientales y biológicos. La amplitud de las aplicaciones de detección es una razón clave por la que hay tantos tipos de fibras especializadas.
Fibras de comunicación
| Tipo | Solicitud |
|---|---|
| Fibra de comunicaciones de modo único | Redes de telecomunicaciones y CATV
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| Fibra de comunicaciones de modo único | Redes de campus y premisas |
| Fibra de comunicaciones de modo único | Redes de centros de datos y conexiones internas |
| Fibra de comunicaciones de modo único | Otros
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Fibra de comunicaciones multimodo |
Redes de campus y premisas con tramos de hasta 2 km |
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Fibra de comunicaciones multimodo |
Redes de centros de datos y conexiones internas |
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Fibra de comunicaciones multimodo |
Otros
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Fibra especializada
| Tipo | Solicitud |
|---|---|
| Fibras dopadas de tierras raras | Amplificadores ópticos
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| Fibras dopadas de tierras raras | Láser de fibra
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| Fibras dopadas de tierras raras | Contramedidas infrarrojas |
| Fibras dopadas de tierras raras | Fibras centelleantes |
| Fibras dopadas de tierras raras | Fuentes superluminiscentes |
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Otras fibras dopadas (dopantes distintos de iones de tierras raras) |
Rejillas Bragg de fibra (por ejemplo, fibras fotosensibles dopadas con GE) |
| Otras fibras dopadas (dopantes distintos de iones de tierras raras) | Fibras de apertura numérica |
| Otras fibras dopadas (dopantes distintos de iones de tierras raras) | Filtros ópticos, wavelockers, resonadores de anillo, otros dispositivos de control de onda |
| Fibras de mantenimiento de la polarización | Navegación inercial (giroscopios - sensores para medir el movimiento angular / velocidad de rotación)
|
| Fibras de mantenimiento de la polarización | Otros sensores interferométricos (p. Ej., Hidrófonos, temperatura de alta sensibilidad, corriente eléctrica, etc.) |
| Fibras de mantenimiento de la polarización | Sistemas de sensor de modo dual (por ejemplo, temperatura+deformación) |
| Fibras de mantenimiento de la polarización | Cetas en subsistemas de comunicación SM de alto rendimiento
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| Fibras de doble vestir, múltiples tladds | Acopladores especializados |
| Fibras de doble vestir, múltiples tladds | Láseres de fibra, amplificadores de potencia (especialmente para sistemas de alta potencia) |
| Resistencia a la radiación | Sistemas láser de comunicación espacial (intra-satélite, satélite a satélite) |
| Resistencia a la radiación | Sistemas de armas tácticas |
| Perfiles de índice especiales para el control de las propiedades de la guía de onda | Aplicaciones:
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| Fibras con materiales de recubrimiento especiales | Aplicaciones: Detección de productos químicos
Retardencia de llama y otras propiedades ambientales |
| Fibras con combinaciones de dopantes, características de polarización, recubrimientos especiales y perfiles de índice especiales. | Este grupo de especialidad incluye características de los tipos enumerados anteriormente y la gama completa de sus aplicaciones. |
| Fibras de borosilicato de gran núcleo / grandes |
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(Ambas tablas representan una lista parcial de tipos y aplicaciones de fibra, con ejemplos seleccionados para mostrar la diversidad de fibras y aplicaciones especializadas)
Medición de la demanda de fibra en kilómetros o medidores
Como se señaló, el mundo de la fibra especializada tiene significativamente más productos y tipos en el mercado. Las fibras de comunicación, por otro lado, se producen en cantidades mucho mayores. En 2020, por ejemplo, las instalaciones de fibra de comunicación global excedieron los 450 millones de kilómetros. 5 More than 90% of this total was ITU G.652.D “standard single-mode” fiber. El resto incluía fibras de modo único que cumplían con los estándares para mejorar la dispersión, el área efectiva y el rendimiento de la flexión, así como las fibras multimodo estándar.
FOC estima que la demanda mundial total de fibra especializada está en el orden de un millón de km por año, o menos del medio por ciento de la demanda de fibra de comunicación. El uso de la fibra de mantenimiento de polarización (PM) en los giroscopios puede extenderse a los cientos de miles de kilómetros por año, pero la demanda de otros tipos es mucho menor. Muchas aplicaciones usan solo unos pocos metros o incluso menos de un medidor en un sensor, láser de fibra u otro dispositivo.
Producción a granel versus producción personalizada
La mayoría de los fabricantes de fibras especializadas ofrecen muchos tipos, esencialmente llenando una gran cantidad de pedidos de pequeña cantidad o personalización. Como resultado, las fábricas de fibra especializada no se establecen para la producción a granel de la manera en que se realiza la fibra de telecomunicaciones. Algunas comparaciones rápidas:
Fibra de telecomunicaciones
- La longitud de preforma puede ser de hasta 3 metros, la mayoría son de 1-3 metros y un co. Utiliza preformas de 6 metros.
- Los diámetros de preforma pueden ser de hasta 25 cm; La mayoría son de 10 a 20.
- Las velocidades de dibujo pueden exceder los 40 metros por segundo (con enfriamiento forzado), y las velocidades de dibujo típicas son de 10-30 m/seg.
- La cantidad de fibra de una preforma puede exceder los 5,000 km, utilizando preformas de 3 metros.
- Los tamaños de carrete de fibra de telecomunicaciones de modo único generalmente varían de 10 a 50 km, con menos para multimodo.
- Los precios estándar de modo único (G.652.D) son inferiores a $ 10.00 por km, o menos de un centavo por metro.
(Nota: Esto es menos costoso que la cuerda de cometas, la línea de pesca, el hilo dental o los espagueti, por km).
Fibra especializada
- Una longitud de preforma común es un metro o ligeramente menos. Muchos fabricantes de fibras especializadas que usan el proceso MCVD para las barras de núcleo comienzan con un tubo de deposición de un metro
- La varilla de núcleo de un tubo de un metro puede estirarse y manejar dos o más veces para producir múltiples preformas, por lo que un solo tubo de deposición de un metro puede producir cuatro o cinco preformas.
- El diámetro (OD) de un tubo de deposición comúnmente utilizado para hacer varillas de núcleo MCVD es de 2.5 cm.
- El diámetro (OD) de un tubo de manga de uso común es de 3.2 cm.
- Una preforma lista para el sorteo final puede tener una OD de unos pocos centímetros.
- Las velocidades de dibujo generalmente son de menos de cinco metros por segundo, y muchas son menos de un metro por segundo, dependiendo del tipo de fibra, la complejidad del perfil y los materiales (dopantes), etc.
- La cantidad de fibra extraída de una preforma varía significativamente porque las fibras especiales se ordenan con una amplia gama de diámetros externos. (Prácticamente todas las fibras de telecomunicaciones tienen un diámetro de revestimiento de 125 µm).
- Un diámetro de revestimiento a menudo especificado para fibras dopadas en tierra rara es de 400 µm. Para este tamaño, una preforma con un OD de 3 cm podría producir varios km de fibra, después de varios factores de rendimiento.
- Las preformas de fibra especializada a menudo requieren múltiples pasos, como mangas, caning, corte, revelación, grabado, agregando varillas de estrés u otros elementos. Como resultado, el tiempo de procesamiento de preforma por gramo de material o km de fibra es muchas veces el de las fibras de telecomunicaciones.
- Las fibras especializadas muestran una gran variedad en los precios, pero muchas veces son más caras que la fibra de telecomunicaciones. Una fibra dopada en tierra rara puede costar más de $ 50.00 por metro, o $ 50,000 por km, tres órdenes de magnitud más que la fibra de telecomunicaciones.
En resumen, las fibras de telecomunicaciones estándar usan los mismos materiales de vidrio y los parámetros geométricos. Y los niveles de demanda de fibra son decenas de millones de km de fibra por fábrica, lo que requiere miles de toneladas de preformas. Para estos requisitos, los fabricantes han invertido en sistemas para deposición a granel, grandes preformas y sorteos de alta velocidad. Algunos de estos sistemas están altamente automatizados y pueden ejecutar grandes lotes con un manejo mínimo.
Se requieren fibras especializadas en cantidades mucho más pequeñas, con más procesamiento. The manufacturers do not need mass-production equipment. Su gran requisito son científicos, ingenieros y técnicos altamente calificados, una profunda experiencia para la gama de productos y pasos de procesamiento. Los fabricantes de fibras especializadas a menudo deben investigar y preparar los productos químicos iniciales, adaptar el proceso de diseño y producción de fibra a los requisitos de aplicación, realizar I + D en los procedimientos de procesamiento y solucionar problemas de producción para hacer fibras nuevas o personalizadas.
Adaptación de materiales y propiedades geométricas para diferentes aplicaciones
Diseñar y fabricar fibras implica tres factores clave. El primero es la composición de vidrio. El segundo son las características geométricas: dimensiones y forma. El tercer perfil de índice de refracción se basa parcialmente en los dos primeros. Es decir, el perfil de índice de refracción se determina controlando dónde se colocan los diferentes materiales de vidrio en la fibra.
La composición de vidrio varía con diferentes dopantes. El objetivo es controlar la absorción de la fibra, la dispersión, la dispersión y otros fenómenos a longitudes de onda específicas. El control de la composición de vidrio en diferentes "partes" de la fibra adapta aún más el rendimiento de la fibra en muchos parámetros. Por "partes", principalmente significamos capas concéntricas hacia afuera del eje central de la fibra. (También hay algunas fibras con piezas no presoncéntricas, como regiones de estrés, agujeros cilíndricos, vacíos, etc.)
Aquí es donde entran el tamaño y las características geométricas. El perfil del índice de refracción es una gráfica del índice de refracción de los diferentes materiales a lo largo de la distancia desde el eje central. La gráfica representa el índice de refracción para una sección transversal de la fibra. El índice se puede modificar con diferentes dopantes y diferentes espesores de capa para controlar la pérdida, dispersión, rendimiento de la flexión, propagación modal, condiciones de lanzamiento, longitud de onda de corte y otras propiedades ópticas.
En la mayoría de las fibras, el índice de refracción es simétrico: las "características" de la fibra están en capas concéntricas. Sin embargo, las fibras que mantienen la polarización tienen características asimétricas para lograr la birrefringencia. A diferencia de la propagación en las fibras de comunicación, el objetivo en las fibras de PM tiene dos modos de polarización ortogonal que se propagan por separado. En muchas aplicaciones, los dos modos se recombinan para medir el retraso de tiempo, la pérdida u otras perturbaciones para detectar varios parámetros. Hay varias formas de lograr las características asimétricas: usar diferentes materiales para impartir el estrés en el vidrio o usar formas elípticas u otros núcleo y revestimiento. Estas características requieren procesos de fabricación especiales.
Perfiles y características complejas aumentan las complejidades de fabricación
Al controlar los materiales, las dimensiones y el perfil de índice de refracción, el fabricante de fibras especializados puede adaptar la transmisión de una fibra, ganancia, birrefringencia, propiedades de detección y otras propiedades para diferentes aplicaciones. Sin embargo, estas opciones de diseño también plantean problemas complejos para fabricar los preformas y dibujar las fibras.
Los diferentes materiales y dopantes de vidrio tienen diferentes coeficientes de expansión térmica (CTE). En el proceso MCVD, los materiales se depositan a alta temperatura y luego se enfrían. El uso de materiales con diferentes CTE introduce estrés que complica el manejo y el procesamiento posterior de la varilla de núcleo MCVD o la preforma.
Se necesitan procedimientos cuidadosos para evitar el riesgo de romper barras o preformas de núcleo y evitar la introducción de defectos que puedan causar problemas en la manga y el dibujo. Los procedimientos varían con los dopantes y las composiciones de vidrio, así como con los perfiles y tamaños de índice. Trabajar con diferentes concentraciones de dopante y composiciones de vidrio también plantea problemas con el proceso MCVD, controlando la presión del vapor y la uniformidad de deposición.
La incorporación de diferentes dopantes y los factores de estrés resultantes también tienen implicaciones en el dibujo. Como se señaló, los diámetros y recubrimientos externos varían significativamente entre las fibras especializadas, por lo que el proceso de sorteo debe abordar estas complejidades. Además, el proceso de sorteo debe mantener la distribución prevista de dopantes y evitar introducir fallas, debilidades u otros defectos. Esto significa que la temperatura de dibujo, la velocidad de dibujo, la velocidad de alimentación de preformas, la fuerza de tracción, la temperatura de recubrimiento y otras variables de la torre de dibujo deben controlarse cuidadosamente.
Optimizar el proceso MCVD, la gestión de las tensiones de CTE y minimizar los problemas de rendimiento en todo el proceso de varios pasos requiere una amplia experiencia en el trabajo con diferentes tipos de preformas. Para ayudar a la industria de fibra especializada, FOC ha establecido un servicio de consultoría técnica. Podemos revisar las preguntas de los fabricantes de fibras especializadas, los usuarios y otros participantes de la industria para ver dónde podemos ayudar a mejorar el procesamiento de fibra y el rendimiento de la fibra.
