Este artículo continúa la última serie de FOC sobre procesos de fabricación de fibras ópticas, proporcionando una visión general de los recubrimientos para una amplia gama de comunicación estándar y fibras ópticas especiales. El trabajo principal de los recubrimientos es proteger la fibra de vidrio, pero hay muchas complejidades a este objetivo. Los materiales de recubrimiento se formulan y proban cuidadosamente para optimizar este papel protector, así como el rendimiento de la fibra de vidrio.
Función de recubrimiento
Para una fibra de tamaño estándar con un diámetro de revestimiento de 125 µm y un diámetro de recubrimiento de 250 µm, el 75% del volumen tridimensional de la fibra es el recubrimiento de polímero. El núcleo y el vidrio de revestimiento representan el 25% restante del volumen total de la fibra recubierta. Los recubrimientos juegan un papel clave para ayudar a la fibra a cumplir con las especificaciones ambientales y mecánicas, así como algunos requisitos de rendimiento óptico.
Si una fibra fuera dibujada y no recubierta, la superficie externa del revestimiento de vidrio estaría expuesta al aire, la humedad, otros contaminantes químicos, mocos, golpes, abrasiones, curvas microscópicas y otros peligros. Estos fenómenos pueden causar fallas en la superficie del vidrio. Inicialmente, tales defectos pueden ser pequeños, incluso microscópicos, pero con el tiempo, el estrés aplicado y la exposición al agua, pueden convertirse en grietas más grandes y eventualmente conducir a una falla.
Es decir, incluso con procesos de fabricación de última generación y materiales de alta calidad, no es posible producir una fibra sin ningún defecto. Los fabricantes de fibras hacen todo lo posible para procesar las preformas y control de condiciones de dibujo para minimizar los tamaños de defectos y su distribución. Dicho esto, siempre habrá algunos defectos microscópicos, como grietas a escala nanométrica. El trabajo del recubrimiento es preservar la superficie de vidrio "como dibujada" y protegerla de factores extrínsecos que podrían dañar la superficie del vidrio, como el manejo, la abrasión, etc.
Por lo tanto, toda la fibra recibe un recubrimiento protector cuando se dibuja. La fibra sin recubrimiento ocurre solo por un tramo corto en la torre de sorteo, entre el momento en que la fibra sale del fondo del horno de preforma y entra en la primera taza de recubrimiento en la torre de sorteo. Este intervalo no recubierto es lo suficientemente largo para que la fibra se enfríe para que se pueda aplicar el recubrimiento.
Dimensiones de recubrimiento
Como se señaló anteriormente, la mayoría de las fibras de comunicación estándar tienen un diámetro de revestimiento de 125 µm y un recubrimiento de polímero de acrilato curado por UV que aumenta el diámetro exterior a 250 µm. En la mayoría de los casos, el recubrimiento acrílico es un "sistema" de recubrimiento de dos capas con una capa interna más suave llamada recubrimiento primario y una capa externa más dura llamada recubrimiento secundario 1 . Recientemente, algunas compañías han desarrollado fibras de comunicación con diámetros recubiertos de 200-µM o incluso 180 µm para cables densos de alto contenido de alto nivel. Este desarrollo significa recubrimientos más delgados, pero también significa que el recubrimiento debe tener diferentes características de curva y mecánica.
Las fibras especializadas, por otro lado, tienen muchas más variantes en términos de tamaño de fibra, diámetro de recubrimiento y materiales de recubrimiento, dependiendo del tipo de fibra especializada y su aplicación. El diámetro de revestimiento de vidrio de las fibras especializadas puede variar de menos de 50 µm a más de 1,000 µm (1 mm). La cantidad de recubrimiento en estas fibras también muestra un amplio rango, dependiendo de la aplicación de fibra y el material de recubrimiento. Algunos recubrimientos pueden ser tan delgados como 10 µm, y otros tienen varios cientos de micras de espesor.
Algunas fibras especializadas usan los mismos recubrimientos de acrilato que las fibras de comunicación. Otros usan diferentes materiales de recubrimiento para requisitos en la detección, entornos duros o que sirven como revestimiento secundario. Los ejemplos de materiales de recubrimiento de fibra especializada no acrilato incluyen carbono, metales, nitruros, poliimidas y otros polímeros, zafiro, silicona y composiciones complejas con polímeros, colorantes, materiales fluorescentes, reactivos de detección o nanomateriales. Algunos de estos materiales, como el carbono y el metal, se pueden aplicar en capas delgadas y complementarse con otros recubrimientos de polímeros.
Con las fibras de comunicación que actualmente se producen a niveles cercanos a 500 millones de fibras de km por año, los acrilatos curados con UV representan la gran mayoría (probablemente más del 99%) de todos los recubrimientos aplicados a la fibra óptica. Dentro de la familia de recubrimientos de acrilato, los proveedores principales ofrecen múltiples variantes para diferentes sistemas de curado de la torre de dibujo, requisitos ambientales y propiedades de rendimiento óptico y mecánico, como las especificaciones de flexión de fibra.
Propiedades clave de recubrimientos de fibra óptica
Los parámetros importantes de los recubrimientos incluyen lo siguiente:
- El módulo también se llama "módulo de Young" o "módulo de elasticidad" o, a veces, solo "E" Esta es una medida de dureza, típicamente informada en MPA. Para los recubrimientos primarios, el módulo puede estar en un solo dígito. Para recubrimientos secundarios, puede ser mayor de 700 MPa.
- El índice de refracción es la velocidad a la que la luz pasa a través del material, expresada como una relación con la velocidad de la luz en el vacío. El índice de refracción de recubrimientos de fibra de telecomunicaciones ampliamente utilizados de los principales proveedores, como covestro, varía de 1.47 a 1.55. Covestro y otras compañías también ofrecen recubrimientos de índice más bajos, que a menudo se usan con fibras especializadas. El índice de refracción puede variar con la temperatura y la longitud de onda, por lo que los índices de recubrimiento generalmente se informan a una temperatura específica, como 23 ° C.
- El rango de temperatura generalmente se extiende de -20 ° C a + 130 ° C para muchos de los acrilatos curados UV ampliamente utilizados utilizados con fibras de telecomunicaciones. Hay rangos más altos disponibles para entornos hostiles. Los rangos que se extienden por encima de +200 ° C están disponibles con otros materiales de recubrimiento, como poliimida o metal.
- La viscosidad y la velocidad de la cura se refieren a las características de recubrimiento cuando se aplican en la torre de dibujo. Estas propiedades también dependen de la temperatura. Es importante que el ingeniero de sorteo controle los parámetros de recubrimiento, que incluye el control de la temperatura de recubrimiento.
- La adhesión y la resistencia a la delaminación son características importantes para asegurar que el recubrimiento primario no se separe del revestimiento de vidrio y que el recubrimiento secundario no se separe del recubrimiento primario . Un procedimiento de prueba estandarizado, TIA FOTP-178 "Medición de la fuerza de la tira de recubrimiento" se utiliza para medir la resistencia a la delaminación.
- La flexibilidad es esencialmente lo opuesto a la resistencia a la delaminación: no desea que el recubrimiento salga mientras la fibra está en uso, pero desea poder eliminar longitudes cortas para procedimientos como empalme, conectores de montaje y hacer acopladores fusionados. En estos casos, el técnico elimina una longitud controlada con herramientas especiales.
- El rendimiento de microbending es un caso en el que el recubrimiento es fundamental para ayudar a la fibra de vidrio a mantener sus propiedades ópticas, específicamente su atenuación y rendimiento de polarización. Los microbends difieren de los macrobendos, que son visibles con el simple hecho de que los radios y tengan radios de curvatura medidos en milímetros. Los microbends tienen radios Bend en el orden de cientos de micrómetros o menos. Estas curvas pueden ocurrir durante las operaciones de fabricación, como el cableado, o cuando la fibra contacta una superficie con irregularidades microscópicas. Para minimizar los problemas de microbending, los fabricantes de recubrimiento han desarrollado sistemas que incorporan un recubrimiento primario de bajo módulo y un recubrimiento secundario de alto módulo. También hay pruebas estandarizadas para microbendendos, como el "procedimiento de prueba de microbendos de fibra óptica" TIA FOTP-68.
- La resistencia a la abrasión es crítica para algunas aplicaciones de fibra especializada, mientras que la mayoría de la fibra de comunicación obtiene protección adicional de los tubos de buffer y otros elementos de cable. Los artículos técnicos describen diferentes pruebas para la resistencia a la punción y la abrasión. Para aplicaciones donde este es un parámetro crítico, los fabricantes de fibra o recubrimiento pueden proporcionar detalles sobre los métodos de prueba.
Resistencia a la tracción
El parámetro de resistencia clave de la fibra es la resistencia a la tracción: su resistencia a la ruptura al retirarse. El parámetro se expresa en Pascals (MPA o GPA), libras por pulgada cuadrada (KPSI) o Newtons por metro cuadrado (N/M 2 ). Toda la fibra se prueba la prueba para asegurar que cumpla con una resistencia mínima a la tracción. Después de ser dibujado y cubierto, la fibra se ejecuta a través de una máquina de prueba de prueba que coloca una carga de tracción fija preestablecida en la fibra. La cantidad de carga está determinada por las especificaciones de fibra o, especialmente en el caso de la mayoría de las fibras de comunicación, según los estándares internacionales.
Durante las pruebas de prueba, la fibra puede romperse en un punto con un área débil, debido a algunos defectos en el vidrio. En este caso, la fibra que atravesó el equipo de prueba antes del descanso ha pasado la prueba de prueba. Tiene la resistencia mínima a la tracción. La fibra después del descanso también pasa a través de la máquina y se proyecta de la misma manera. Un problema es que tales roturas pueden afectar la longitud continua de la fibra dibujada. Esto puede ser un problema para algunas aplicaciones de fibra especializada, como los giroscopios con fibra que mantiene la polarización, donde los empalmes no son aceptables. Las roturas también pueden reducir el rendimiento del fabricante de fibra. Y un número excesivo de descansos puede indicar otros problemas en los procesos de preforma y dibujar2.
¿Cómo afectan los recubrimientos la resistencia a la tracción? Los recubrimientos típicos no pueden aumentar la fuerza de una fibra. Si un defecto es lo suficientemente grande como para causar un descanso durante las pruebas de prueba, el recubrimiento no puede evitar el descanso. Pero como se señaló anteriormente, el vidrio tiene defectos inevitables que son lo suficientemente pequeños como para permitir que la fibra pase la prueba de prueba. Aquí es donde los recubrimientos tienen un papel: ayudar a la fibra a mantener esta fuerza mínima durante su vida. Los recubrimientos hacen esto protegiendo fallas menores de factores extrínsecos y otros peligros, evitando que los defectos se vuelvan lo suficientemente grandes como para causar roturas de fibra.
Hay pruebas para caracterizar cómo una fibra recubierta resistirá los cambios en la carga de tracción. Los datos de tales pruebas se pueden usar para modelar el rendimiento de la vida. Una prueba estandarizada es TIA-455 "FOTP-28 que mide la resistencia dinámica y los parámetros de fatiga de las fibras ópticas por tensión". La descripción del estándar dice: "Este método prueba el comportamiento de fatiga de las fibras variando la velocidad de deformación".
FOTP 28 y otras pruebas de tracción dinámica son destructivas. Esto significa que los segmentos de fibra utilizados para las pruebas no pueden usarse para nada más. Por lo tanto, tales pruebas no pueden usarse para caracterizar la fibra de cada preforma. Más bien, estas pruebas se utilizan para recopilar datos para tipos de fibra específicos en entornos específicos. Los resultados de la prueba se consideran aplicables para todas las fibras de un tipo específico, siempre que se usen los mismos materiales y procesos en su fabricación.
Un parámetro derivado de los datos de la prueba de resistencia a la tracción dinámica se denomina "parámetro de corrosión de estrés" o el " n ". Se calcula a partir de las mediciones de la tensión aplicada y el tiempo de falla. El N se usa en el modelado para predecir cuánto tiempo tardará en fallar una fibra cuando esté bajo estrés en ciertos entornos. La prueba se realiza en fibras recubiertas, por lo que los valores N variarán con diferentes recubrimientos. Los recubrimientos en sí no tienen un de N , pero los datos de N para fibras con recubrimientos específicos se pueden recopilar e informar mediante proveedores de recubrimiento.
Características de recubrimiento y fibras especializadas
¿Cuál es el parámetro más importante para seleccionar materiales de recubrimiento? La respuesta depende del tipo de fibra que esté haciendo y su aplicación. Los fabricantes de fibras de telecomunicaciones utilizan un sistema de dos capas optimizado para un sorteo de alta velocidad, alta resistencia y rendimiento superior de microbendismo. Por otro lado, las fibras de telecomunicaciones no requieren un bajo índice de refracción.
Para las fibras especializadas, las especificaciones de recubrimiento varían mucho con el tipo de fibra y la aplicación. En algunos casos, la resistencia y el rendimiento mecánico, el alto módulo y el alto N , son más importantes que el índice de refracción. Para otras fibras especializadas, el índice de refracción puede ser lo más importante. A continuación se presentan algunos comentarios sobre consideraciones de recubrimiento para ejemplos seleccionados de fibras especializadas.
Fibra dopada con tierra rara para láseres de fibra
en algunos láseres de fibra, el recubrimiento primario sirve como un revestimiento secundario. El objetivo es maximizar la cantidad de potencia de la bomba óptica acoplada a fibra. Para los láseres de fibra, la potencia de la bomba lanzada al revestimiento ayuda a estimular la región de ganancia en el núcleo dopado de la fibra. El recubrimiento de bajo índice le da a la fibra una apertura numérica más alta (NA), lo que significa que la fibra puede aceptar más de la potencia de la bomba. Estas fibras "dobles" (DCF) a menudo tienen un revestimiento de vidrio hexagonal u octogonal, luego un revestimiento secundario redondo de polímero de bajo índice. El revestimiento de vidrio se forma moliendo los lados planos sobre el preforma, y luego el revestimiento / revestimiento secundario de bajo índice se aplica en la torre de extracción. Debido a que este es un recubrimiento de bajo índice, también es necesario un recubrimiento externo más duro. El recubrimiento externo de alto índice ayuda a la fibra a cumplir con los requisitos de fuerza y flexión
Fibras para la entrega de energía
Además de las fibras dopadas con tierras raras para los láseres, hay otras fibras especializadas en las que un recubrimiento de bajo índice puede servir como una capa de revestimiento y mejorar el rendimiento óptico. Algunos sistemas láser médico e industrial, por ejemplo, usan una fibra de gran núcleo para administrar la potencia del láser, por ejemplo, para los procedimientos quirúrgicos o el procesamiento de materiales. Al igual que con los láseres de fibra dopados, el recubrimiento de bajo índice sirve para aumentar la NA de la fibra, lo que permite que la fibra acepte más potencia. Tenga en cuenta que los sistemas de entrega de fibra se pueden usar con muchos tipos de láseres, no solo láseres de fibra dopados.
Fibras de mantenimiento de polarización . Las fibras PM representan una clase con varios diseños de fibra para múltiples aplicaciones. Algunas fibras PM, por ejemplo, tienen dopantes de tierra rara para láseres de fibra. Estos casos pueden usar el recubrimiento de bajo índice como revestimiento secundario, como se describió anteriormente. Otras fibras de PM están destinadas a estar en bobinas apretadas para giroscopios, hidrófonos y otros sensores. En estos casos, los recubrimientos pueden necesitar cumplir con los requisitos ambientales, como los rangos de baja temperatura, así como los requisitos de resistencia y microbios asociados con el proceso de devanado.
Para algunos sensores interferométricos como los giroscopios, un objetivo es minimizar la diafonía, es decir, para minimizar la cantidad de potencia acoplada de un modo de polarización a otro. En una bobina de la herida, un recubrimiento blando ayuda a evitar problemas de diafonía y microbendos, por lo que se especifica un recubrimiento primario de bajo modulo. Se especifica un recubrimiento secundario más duro para abordar los riesgos mecánicos asociados con el devanado de las fibras. Para algunos sensores, las fibras deben estar bien envueltas bajo alta tensión, por lo que los requisitos de resistencia pueden ser críticos en el recubrimiento secundario.
En otro caso de fibra PM, algunos giroscopios requieren fibras de diámetro pequeño para que se pueda herir más fibra en un "disco" compacto, una carcasa cilíndrica. En este caso, los fabricantes de giroscopios han especificado fibra con un diámetro de 80 µm afuera (revestimiento) y un diámetro recubierto de 110 µm. Para lograr esto, se usa un solo recubrimiento, es decir, solo una capa. Por lo tanto, este recubrimiento debe equilibrar la suavidad requerida para minimizar la conversación cruzada contra la dureza necesaria para la protección.
Otras consideraciones para las fibras PM son que las bobinas de fibra a menudo están en macetas de epoxies u otros materiales en un paquete sellado. Esto puede colocar requisitos adicionales en los recubrimientos en términos de rango de temperatura y estabilidad bajo contacto con otros productos químicos.
Conclusión
La idea de un solo recubrimiento "perfecto" para cualquier tipo específico de fibra es poco probable, si no imposible. En la práctica, las composiciones de recubrimiento representan compromisos entre varios parámetros, incluido el índice de refracción, el módulo, el rendimiento de la temperatura y los requisitos de la torre de extracción. Para abordar la combinación de requisitos, los fabricantes de recubrimiento tienen programas continuos de I + D para mejorar el rendimiento de sus resinas y lograr un mejor equilibrio de múltiples parámetros.
Un impulso importante de la I + D de la resina de recubrimiento en los últimos años ha sido la velocidad de curado, especialmente para las fibras de telecomunicaciones de alta velocidad. El desarrollo de LED UV en lugar de lámparas UV impulsadas por microondas para el curado ha estimulado el trabajo en resinas optimizadas para las longitudes de onda LED. Este desarrollo ofrece a los fabricantes de fibra prometedores beneficios en términos de control de temperatura y ahorro de energía. Otras áreas de I + D incluyen recubrimientos para nuevos tipos de sensores y recubrimientos para fibras utilizadas en entornos más duros.
Los consultores de fibra de FOC tienen amplios antecedentes para ayudar a los fabricantes de fibras a abordar los problemas para especificar y aplicar recubrimientos. Acompañando a este artículo, el sitio web de FOC tiene una lista de resinas de recubrimiento que ofrecemos, que se muestra en una tabla con su viscosidad, índice de refracción y una breve descripción: Matriz de recubrimiento óptico de Epoxy FOC . Todos son de la gama de productos de recubrimiento de Covestro. Las versiones que se muestran incluyen ofertas de Covestro para recubrimientos primarios y secundarios, así como resinas para recubrimientos individuales, recubrimientos de fibra especializados y aplicaciones de recubrimiento.
Para obtener preguntas más detalladas sobre recubrimientos o procedimientos de fibra óptica, comuníquese con el equipo de consultoría técnica de FOC en fiberóptica@focenter.com .
1La mayoría de las fibras de comunicación tienen una tercera capa muy delgada para proporcionar coloración. Las fibras están codificadas por colores para que los técnicos puedan identificar fibras individuales para empalmar, conectar equipos y otras operaciones. Esta capa externa de material de color típicamente tiene solo 2.5 µm de espesor. En tales casos, el recubrimiento secundario extiende el diámetro exterior de la fibra a 245 µm, y la capa coloreada lo extiende a 250 µm.
2En los casos en que el número de descansos es excesivo, es necesario examinar el tamaño, la distribución y la naturaleza de los defectos. En tales casos, los defectos pueden servir como indicadores para diagnosticar problemas en el procesamiento de preformas, el dibujo, el recubrimiento o las pruebas. Los especialistas en fibra de FOC están disponibles para ayudar con tales investigaciones y modificaciones para preformar y extraer procedimientos.
