Como se publicó en Wire and Cable Asia March 2013
reimpreso en Actas de la 59ª IWCS/IICIT; Simposio internacional de cable y cable

Métodos de prueba para cables que incorporan fibras de radio de curvatura reducida

Autor: Wayne Kachmar

Abstracto

Esta presentación intentará comparar los parámetros de rendimiento mecánico de los cables de guía de onda con el rendimiento óptico de las fibras convencionales y las fibras de radio de curvatura reducida. La coordinación de los datos de prueba mecánica y óptica puede apuntar a criterios de prueba más apropiados para los cables con fibras de radio de curvatura reducidas. Esto asegurará un criterio de caracterización más robusto apropiado para esta nueva clase de fibra.

Palabras clave: radio de curvatura reducido; Bend fibra insensible; GR-409; GR-20; pruebas; atenuación; soltería; multimodo; estrés por cable; Envejecimiento por cable; prueba de estandarización; cables de fibra; microbendio; Macrobend; rendimiento óptico.

1. Introducción

El advenimiento de las fibras insensibles a Singlemode y Multimode Bend ha puesto en duda si los planes de prueba de cable existentes caracterizan con precisión un diseño de cable para proporcionar vidas esperadas.

Actualmente, la mayoría de los planes de prueba publicados dependen de los valores de atenuación delta en longitudes de onda discretas como criterios de aprobación/falla para varios criterios mecánicos. Con la introducción y el uso de nuevos tipos de fibra de radio de curvatura reducida, los diseños de cable menos robustos ahora pueden pasar tales pruebas de cables estandarizadas. Este resultado puede conducir a posibles diseños de cable de calidad inferior que pueden generar fallas futuras en el campo. Se pueden colocar tensiones a largo plazo en las guías de onda ópticas y no reflejarse en los protocolos de medición de atenuación delta actualmente prescritos por pruebas estandarizadas como Telcordia GR-409 y GR-20.

2. Mejoras de fibra

Telcordia GR-409 es el estándar actual de especificaciones para cables de fibra interior, mientras que Telcordia GR-20 proporciona referencia técnica para cables al aire libre. Algunas compañías, como Verizon, tienen versiones más sofisticadas que hacen referencia a GR-20 y GR-409, pero también agregan calificaciones adicionales. Juntos, esta documentación de especificación dicta los estándares de rendimiento mecánico acordados por el cliente y el fabricante. Más recientemente, sin embargo, las mejoras de fibra, particularmente en las fibras de radio de curvatura reducida, están desafiando a la industria a volver a visitar los estándares de prueba para la fibra. Con el aumento de las características de rendimiento de las fibras de radio de curvatura reducida versus las fibras convencionales, los estándares existentes ya no pueden ser una medición de "talla única".

Varios fabricantes de fibras ópticas desarrollaron fibras ópticas convencionales en la década de 1970. Con los años, ha habido pocas mejoras significativas fuera de los desarrollos de recubrimiento para mejorar la capacidad inherente de la fibra para resistir las fuerzas mecánicas en su entorno. Pero aparte de las innovaciones durante el proceso de sorteo, mejorando las propiedades de tracción empírica generales de las guías de onda ópticas, las mejoras en los diseños de fibra óptica han sido relativamente menores hasta hace aproximadamente cinco años. En ese momento, surgieron varios conceptos para mejorar otras características de fibra, como la fuerza física y las características de flexión. Esta fue la introducción de fibras de radio de curva reducidos.

Las fibras de radio de curva reducidos incluyen varias tecnologías viables. Incluyen variedades "asistidas por trincheras", fibra "asistida por vacíos", fibras de cristal fotónico o "holey", y varios otros tipos y combinaciones de tecnología. En comparación con la fibra convencional, cada una de estas nuevas innovaciones ha mejorado las características y el rendimiento mecánico de la fibra óptica actual.

Sin embargo, durante el mismo período de tiempo, los regímenes de prueba existentes se han mantenido básicamente sin cambios, continuando dependiendo del cambio de atenuación basado en pruebas físicas, mecánicas y ambientales. La atenuación continúa siendo la metodología preferida para determinar el rendimiento de una fibra. Sin embargo, las pruebas redujeron las fibras de radio de curvatura utilizando los mismos métodos para una soltera convencional y fibra multimodo no tiene en cuenta las propiedades únicas de estas nuevas fibras. Con eso en mente, veamos cómo se induce la atenuación en las fibras convencionales y las fibras de radio de curva reducidos.

3. Macrobends y microbends

Entonces, ¿qué cambió exactamente con la introducción de fibras de radio de curvatura reducida? La mejora más obvia fue la capacidad de la fibra para doblarse más bien, es decir, se redujo su sensibilidad a la curva. Estas fibras pueden doblarse a un radio de 10, 7.5 o incluso 5 milímetros sin un aumento notable en la atenuación o el daño al vidrio en un entorno a largo plazo. La resistencia al macrobend y la pérdida de microbendos también aumentó significativamente.

En las transmisiones de fibra óptica, un macrobend se refiere a una gran curva visible en la fibra óptica que puede causar atenuación extrínseca, una reducción de la potencia óptica en el vidrio. Los microbends se definen como imperfecciones casi invisibles en la fibra óptica, generalmente creada durante el proceso de fabricación. Estas pequeñas imperfecciones también pueden causar una reducción en el poder óptico o una mayor atenuación.

Sin embargo, los microbends también pueden ocurrir a partir de la compresión de estrés de los plásticos colocados en el vidrio debido a la contracción del polímero en la fibra.

En la fibra convencional, los aumentos de atenuación indican cuándo ha ocurrido un microbendio en la fibra. Sin embargo, en una fibra de radio de curvatura reducida, los cambios en la atenuación suelen ser mínimos y el mismo microbendio puede no descubrir hasta una falla extrema en el rendimiento del cable. Por lo tanto, la falla ocurrirá con el tiempo a medida que el cable se maneja, se instale o envejece. Las técnicas modernas de envejecimiento utilizadas para las pruebas, como la exposición extrema al calor, pueden no exhibir una falla en las nuevas fibras de radio de curva reducidos de hoy.

4. Métodos de prueba insuficientes

Los métodos de prueba existentes para la fibra óptica convencional se basan en pruebas mecánicas y cambios de atenuación, pero no especifican el diseño de cable que se está probando. Por lo tanto, si una fibra de radio de curvatura reducida está experimentando las mismas pruebas, su sensibilidad mínima a la microbendencia puede permitir que pase la prueba, mientras que un microbendio aún podría hacer que la fibra se estrés con el tiempo. Eso significa que algunos diseños de cable aún podrían crearse con fallas inherentes en el diseño, sin embargo, podrían pasar los estándares de prueba existentes basados únicamente en lo que está contenido en GR-409 para las fibras tamponadas apretadas.

En los cables de fibra al aire libre de tubos sueltos, cubiertos por el estándar GR-20, hay una serie de pruebas que pueden determinar si las fibras están bajo algo de estrés o tensión. Actualmente, el único requisito para las pruebas de deformación está contenido en la sección TIA-455-33B FOTP-33A. Esto cubre las pruebas de tracción para estos cables utilizando un componente para medir la tensión de la fibra.

La pregunta es si menos del 5 por ciento de contracción, como se indica en esta especificación, sigue siendo un estándar o punto de referencia aceptable. Podría ser una medición demasiado amplia basada en el hecho de que las nuevas fibras insensibles a Bend no mostrarán la misma sensibilidad. Si se pudiera perder algún defecto o defecto en la fibra con los estándares de prueba actuales, pero podría tener un impacto significativo en las fibras desplegadas con el tiempo, entonces se deben agregar nuevos criterios como la tensión de la fibra a los métodos de prueba actuales, especificaciones y estándares.

Lo que podría funcionar en el cable a granel puede no funcionar en las interfaces del conector de cable, y lo que puede pasar las pruebas hoy en día podría no funcionar durante la vida esperada de la fibra. El ciclo de envejecimiento existente se desarrolló utilizando alta temperatura solo para detectar cambios en la chaqueta y los compuestos de amortiguación, como el endurecimiento, el agrietamiento o la contracción sobre el proceso de envejecimiento. Hoy, puede ser aconsejable considerar si esos compuestos fallarán o no cuando las pruebas se basan en diferentes parámetros. Una de esas áreas es el coeficiente térmico de expansión lineal. Esta es la tasa de expansión y contracción de un material sobre un perfil de temperatura dado. La tasa de cambio de polímero es típicamente un orden de magnitud en comparación con el vidrio.

Por ejemplo, si la contracción continua ocurre más allá de las pruebas de contracción normales y se identifica mediante una mayor atenuación, ¿cómo se detecta en fibras de radio de curvatura reducidos donde se detecta una atenuación no o un aumento mínimo? La respuesta es que no lo haría, hasta que quizás la fibra alcance un punto de pivote donde ya no es un medio de comunicaciones viable a largo plazo.

En el entorno de cable de tubo suelto, lo contrario puede ocurrir potencialmente. Es decir, podría haber demasiado exceso de longitud de fibra y la fibra se desarrollaría, no debido a la contracción, sino debido a que no se detectó un aumento de atenuación en la fibra de radio de curvatura reducida. El tubo individual no se prueba por contracción por separado, sino que puede estar enrollado durante varios metros en una carcasa de transición y no tiene el diseño del cable general para controlar la contracción en el tubo suelto individual. La conclusión es que, dado que la resistencia de la atenuación aumenta en las fibras de radio de curvatura reducida, los microbends y otras tensiones en la fibra pueden no ser detectables con los estándares de prueba actuales para la fibra convencional. Estos estándares existentes deben revisarse cuidadosamente y agregar criterios apropiados para incluir específicamente las características únicas de las fibras de radio de curva reducidos.

Una segunda consideración para cambiar los métodos de prueba puede ser medir la longitud del exceso de fibra delta, en cables de tipo de tubo suelto, antes y después del envejecimiento. Y también en tubos individuales. Por ejemplo, la atenuación y el exceso de longitud podrían medirse antes de los procesos de envejecimiento y ciclo de temperatura, y luego nuevamente después de estos procesos. Luego se compararían con los criterios de aprobación/fallas establecidas. Las especificaciones actuales no requieren este tipo de prueba, ni requieren pruebas en una configuración suelta. Todas las pruebas se realizan actualmente en carretes o bobinas. En una configuración de tubo suelta en una bobina, puede tener una gran longitud excesiva y una longitud relajada que en línea recta. Los aumentos de atenuación serían menos evidentes sin la capacidad de medir el exceso de longitud como prueba mecánica.

Vale la pena señalar los métodos de prueba de la Figura 6 para cables que incorporan fibras de radio de curvatura reducida de que las nuevas mediciones deben incluir la longitud de onda muy larga de 1625 nm. Estas nuevas mediciones proponer calificaciones adicionales para esa longitud de onda donde el borde del microbend se mueve a medida que se tensa la fibra. Aunque este es un requisito de algunos clientes en sus propios estándares, no es parte de los estándares de fibra genérica existentes.

Las pruebas de contracción del cable deben moverse a un mayor nivel de repetibilidad y los medidores para este propósito se han diseñado. (ver foto). El rango de pruebas y el efecto de la extrusión de fibra del núcleo del cable también deben determinarse. Este es solo un efecto secundario de GR 326 El estándar de prueba para conectores de cables y conjuntos de cables.

6. Conclusiones

La introducción de las fibras de radio de curvatura reducida, y su popularidad emergente en las arquitecturas de fibra a las instalaciones (FTTP), es motivo de preocupación cuando se trata de los actuales GR-409, GR-20, GR 326 y otros estándares de especificación escritos para fibras convencionales. Deben propuestos nuevas pruebas para definir con precisión sus características únicas para garantizar mejor la confiabilidad a largo plazo.

Un diseño de cable que aprovecha la fibra de radio de curvatura más apretada sin duda mostraría una atenuación mucho más alta utilizando la fibra singlomario convencional. En otras palabras, una fibra de radio de curvatura reducida sobreviviría muy bien en un entorno donde la fibra convencional no lo haría. La interfaz de cable a conector puede crear nuevos modelos de envejecimiento donde la contracción del cable puede conducir a radios inaceptables de curvas de fibra en la interfaz de cable/conector. Cuyos resultados solo aparecerán después de que los conjuntos de cable sueltos se envejecen y luego se muevan. Esto solo indica la necesidad de un conjunto de estándares de prueba revisados y requisitos para los tipos de fibra de radio de curva reducidos.

Los diseños de cable probados en GR 409 o GR 20 son requisitos para las pruebas GR 326. La necesidad existe para usar la tensión de fibra y la contracción del cable, así como la extrusión de fibra de los cables después del envejecimiento como un precursor más completo para las pruebas GR326. También con un aumento de los rangos operativos ambientales de cables que se convierten en la norma, se debe incorporar coeficiente térmico de los valores de expansión lineal en los requisitos de precursores de rendimiento de especificaciones.

Este documento propone actualizar los estándares existentes, particularmente las especificaciones GR-409 para la tolerancia requerida para la contracción y la tensión de fibra. De lo contrario, es posible que los diseños de cable sub-par pasen los estándares existentes a medida que se escriben y se implementan en el campo. Debe reconocerse que la fibra convencional y la fibra de radio de curvatura reducida exhiben diferentes propiedades y características, y los criterios de prueba deben escribirse para abordar los requisitos de ambos.

Por lo tanto, la propuesta es considerar agregar criterios de prueba más enfocados a las especificaciones de estándares existentes. Esto, en efecto, crea una nueva clase de calificaciones GR-409 y GR-20 que identifican específicamente las fibras utilizadas y calificadas en cualquier diseño de cable específico. La reubicación de los estándares actuales con las nuevas fibras de radio de curvatura reducida en mente permitirá a los proveedores de servicios aprovechar al máximo las características únicas que estas fibras aportan a la mesa, particularmente en las implementaciones de FTTP actuales.

7. Agradecimientos

El autor desea reconocer la ayuda de Wagner Aguiar, Ken Nardone, Henry Rice y Bill Jacobsen en la obtención de datos e información de prueba para este documento.