Técnicas de fabricación de fibras

Capítulo 4
Técnicas de fabricación de fibras
4.1 Introducción
Hasta ahora se ha visto el análisis de las fibras ópticas desde el puntode vista teórico y ahora vamos
a acometer primero una descripción tanto de los requerimientos de las fibras desde el punto de vista
práctico, así como un esbozo sobre los sistemas de fabricación de estas. Para finalizar este apartado
veremos las características de fibras comerciales así como las de los cables, que son las fibras más los
revestimientos que ofrecen rigidez y manejabilidad a las fibras.
Lo primero es ver qué debemos exigirles a las fibras para que pueden ser usadas en sistemas prácticos,
será esencial que:
Puedan producirse fibras con características de transmisión estables a precios bajos y de forma
reproducible.
Haya una variedad de tipos de fibras en lo referente a tamaños,índices de refracción, longitud de
onda de trabajo, materiales en el cableado, etc...
Las fibras ya en forma de cable sean manejables como un cable eléctrico convencional sin problemas en el manejo que degraden su operatividad
Las fibras puedan soldarse o conectarse sin dificultades excesivas y sin grandes atenuaciones o
disminución de ancho de banda.
4.2 Fabricación de fibras
A partir de los análisis sobre el comportamiento de las fibras ópticas parece claro que una parte fundamental para el guiado de señales ópticas es el control de los índices de refracción en el interior de la
fibra. Al menos son necesarios dos materiales distintos que sean transparentes a la luz en el intervalo de
longitudes de onda de trabajo. Como en la práctica la transparencia absoluta no existe se pide que los
materiales tengan una atenuación óptica muy baja y que también lo sea la absorción intrínseca así como
la dispersión espacial. Hay numerosos materiales que cumplen estas características.
También es fundamental evitar la dispersión espacial debida a motivos extrínsecos como puedan ser
las burbujas, grietas, tensiones, gránulos, etc. Esto restringe el número de materiales útiles y los únicos
que cumplen las especificaciones son algunos vidrios, plásticos y sustancias monocristalinas.
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4.3. TÉCNICAS DE FASE LÍQUIDA
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Otro apartado importante es que ha de ser posible (para la fabricación de fibras con índice gradual) la
ligera modificación del índice de refracción mediante la disolución de varias sustancias y por tanto estas
deberán ser solubles en un amplio margen de composiciones (no es simple). Esta última característica
no puede obtenerse en materiales monocristalinos y por tanto tan sólo nos quedan los vidrios para fibras
de índice gradual aunque ambas pueden utilizarse en fibras de índice abrupto. La gran ventaja que
ofrecen los vidrios los han hecho ser al final los únicos materiales con uso real. Por último los plásticos
tienen características mucho peores aunque son mucho más baratos y pueden usarse para sistemas de
transmisión de corto alcance y pequeños anchos de banda.
Una vez establecido cuales son los materiales con los que se van a fabricarlas fibras ópticas vamos
a describir brevemente los distintos métodospara la consecución de fibras de vidrio, éstos son principalmente dos:
Técnicas convencionales en las cuales se mantiene el material vítreo en estado fundido produciéndose así una estructura de vidrio multicapa.
Métodos de deposición en fase vapor que permiten fabricar vidrios silicatados que no podrían
procesarse en fase líquida debido a su alto punto de fusión.
4.3 Técnicas de fase líquida
Aquí el proceso se inicia a partir de obtener los materiales a mezclaren estado lo más puro posible,
de hecho ya comercialmente pueden encontrarse productos de alta pureza (1 parte de impurezas en
109 ), gran parte del precio del proceso radica en esta fase. Los materiales típicos son óxidos (S iO2 ,
GeO2 ,B2 O2 y Al2 O3 ) y carbonatos (Na2 CO3 , K2 CO3 , CaCO3 y BaCO3 , ) que se descomponen
como óxidos en el proceso de fabricación. Todos estos compuestos han sido secados adecuadamente
para reducir en lo posible la aparición de iones OH.
Una vez que ya tenemos los materiales en estado puro se trata de obtener una mezcla uniforme y libre
de burbujas, se puede conseguir el índice de refracción deseado mediante el intercambio iónico de los
componentes durante el proceso de fundido y mezclado. Este proceso se produce a temperaturas entre
los 900 y 13000 C y se hace en el interior de un recipiente de silice (cuyo punto de fusión es mucho más
elevado). Los problemas en esta fase vienen dados por:
la contaminación ambiental que puede incorporase a la mezcla
en ambientes de alta pureza donde se elimine este problema hay incorporaciones de material del
recipiente a la mezcla.
Un ejemplo del método citado puede verse en la figura 4.1. Este último problema puede solucionarse
mediante el uso de recipientes de platino, o bien, cambiando el sistema de elevación de temperatura,
en lugar de utilizar el calentado mediante hornos se utilizan los sistemas de radiofrecuencia que serán
absorbidos (y por lo tanto calentarán) por materiales iónicos, que es el caso de la mezcla mientras que
no calentarán el recipiente, de esta forma queda una película de la mezcla sobre el recipiente que aisla la
parte líquida del silice. Una vez conseguida la mezcla esta se enfría y nos quedan grandes cilindros del
material del núcleo de la fibra. Asímismo se hacen cilíndros huecos del material que va a ser la envoltura.
4.3. TÉCNICAS DE FASE LÍQUIDA
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Figura 4.1: Sistema de fase líquida para obtención de preformas para fibra óptica.
4.3.1 Manufacturado de la fibra
Por último nos queda el proceso de estirado. La primera fase consiste en introducir el material del núcleo
(cilindro macizo) en el interior de la envoltura (cilindro hueco) teniendo en cuenta que los tamaños de
los cilindros son de algunos cm de diámetro. Ahora los dos cilíndros concéntricos pasan a través de
un horno que va a colapsar la estructura y a partir de una semilla se empezará a tirar del extremo, la
velocidad con la que se tire fijará el grosor del hilo que extraigamos, la conjunción del horno más el
tirado forma la fibra. Aquí hay que cuidar que el proceso de tirado sea muy uniforme al igual que
el proceso del desplazamiento de los cilíndros iniciales sobre el horno. El principal peligro de este
proceso es que aparezcan inhomogeneidades en la intercara entre nucleo y envoltura como, por ejemplo,
elementos extraños o burbujas. El proceso puede verse gráficamente en la figura 4.2.
Hay nuevos métodos que evitan la fabricación de los cilindros iniciales y consisten en el método del
doble recipiente (figura 4.3). En este método tendremos dos recipientes uno dentro del otro, en el interior
estrá la mezla del núcleo y en el exterior el de la envoltura, ambos recipientes tienen una salida en la parte
inferior y las dos son concéntricas, al salir la temperatura disminuye y se solidifica formándose la fibra y
al igual que anteriormente ahora el diámetro de la fibra se regulará mediante la velocidad con que se tire
para obtener la fibra. En este método puede (al contrario que con el anterior) fabricarse fibra de índice
gradual mediante la difusión entre ambos compuestos en la zona de solidificación de la mezcla, de todas
formas no puede obternerse el perfíl deseado ya que este viene forzado por el método de fabricación.
Se han conseguido atenuaciones del orden de entre 1 y 3 dB/Km y dispersiones de alrededor de 1-6
ns/Km.
La gran ventaja es que el método de producción es contínuo con lo que pueden obtenerse fibras de
cualquier longitud.
4.3. TÉCNICAS DE FASE LÍQUIDA
Figura 4.2: Formación de una fibra por estirado de preformas.
Figura 4.3: Método del doble recipiente para procesado de fibra contínua
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4.4. TÉCNICAS DE FASE VAPOR
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Figura 4.4: Variación del índice de refracción de la sílice con distintos dopantes.
4.4 Técnicas de fase vapor
Este tipo de proceso se utiliza para conseguir vidrios ricos en silice, con alta transparencia y óptimas
propiedades ópticas. Los materiales de partida son compuestos volátiles (gases o líquidos o sólidos con
alta presión de vapor) que pueden ser purificados como en el caso anterior hasta niveles de impurezas por
debajo de 109 . La modificación del índice de refracción se consigue mediante la adición de materiales
que no forman parte de la silice como por ejemplo T iO2 , GeO2 , P2 O5 , Al2 O3 , B2 O3 y F cada uno de
ellos causa distintos efectos en el índice de refracción.
En una cámara de reacción se mexclan de forma gaseosa los formantes de la silice, los dopantes y
oxígeno, se producen reacciones químicas formándose los compuestos sólidos deseados, la deposición
de estos compuestos tiene lugar sobre un sustrato o en la paredes de un tubo hueco y se va formando
capa tras capa el material deseado, como podemos controlar la deposición por capas, esto nos va a
permitir, cambiando la composición de los gases, llegar a los perfiles de índice de refracción que se hayan
calculado previamente. Un ejemplo de la vvariación de los índices de refraccíon con la concentracín de
dopante puede verse en la figura 4.4.
Hay varias técnicas que aprovechan el proceso antes citado cada una con sus ventajas e inconvenentes, vamos a describirlas someramente.
4.4.1 Proceso de oxidación externa en fase vapor (OVPO).
Consiste en pasar los compuestos en fase vapor a través de una llama generada por una reacción O-H,
de esa forma los vapores se hidrolizan en la llama y se van depositando sobre un tubo fino y frio, el tubo
va girando constantemente y se va depositando la película por capas, el espesor de estas capas se puede
regular mediante la velocidad de deposición y la velocidad de giro. Como ya hemos dicho cambiando el
tipo de gases va cambiando la película pudiendo formarse el perfil deseado (figura 4.5 a).
Una vez depositado el material (se deposita un espesor de varios cm) este queda en forma de masa
porosa, de ella tiene que extraese el tubo interno que sirvió como base de deposición y posteriormente
hay que cristalizar el cilíndro hueco para eliminar la porosidad y por tanto el aire que pueda contener
(figura 4.5 b). Finalmente se pasa a través de un segundo horno donde ya se estira para conseguir la fibra
cerrando el hueco interno y dejando la fibra en su estado final (figura 4.5 c).
4.4. TÉCNICAS DE FASE VAPOR
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Figura 4.5: Esquema del proceso de oxidación externo en fase vapor (OVPO) (a) Deposición del material;
(b) Eliminación de la porosidad; (c) Estirado de la fibra.
Los problemas que plantea esta técnica son varios, el primero es que la eliminación del agua no es
total y quedan trazas que contribuyen a la atenuación, ésta puede eliminarse si el proceso de compactado
se realiza en presencia de Cl que elimina mejor el agua. El segundo de los problemas es que queda una
depresión en el índice de refracción en el centro de la fibra al eliminar el agujero central, también la
eliminación del tubo interno genera microfracturas que posteriormente actuaran en favor de la dispersión
Mie. Como problema final tenemos que es un proceso por lotes por lo que la dimensión final de la fibra
queda limitado aunque se han conseguido fibras de 250Km
4.4.2 Deposición de vapor axial (VAD).
Este proceso fue desarrollado para conseguir un procesado continuo (en lugar de por lotes). Consiste
en la deposición de los materiales de formación de la fibra en un extremo en lugar de sobre toda la
superficie. La barra de material se va desplazando durante el transcurso de la deposición y sigue los
mismos pasos que el proceso anterior eliminando los pasos determinados por la barra intermedia. Ahora
la barra inicial crece en dirección axial y se desplaza a la velocidad de crecimiento, el perfil es controlado
por la temperatura en los distintos tipos del sustrato que se fija según las condiciones de los flujos de gases
(figura 4.6).
Este tipo de fibras también sufre de perdidas debidas a la absorción de agua pero en ellas se evitan
las microfacturas y la depresión debida al agujero central. Pueden conseguirse atenuaciones más bajas
que en el proceso anterior, en el rango entre 0.7 y 2dB/Km.
4.4.3 Deposición química de vapor modificada (MCVD).
La deposición química de vapor es utilizada en los procesor decrecimiento de una capa aislante deSiO2
en la industria de los circuitos integrados y se traslado a los procesos de fabricación de fibra óptica.
Consiste en la utilización de un compuesto muy votatíl del Si, tipicamente SiH4 que entra en contacto
con oxígeno y forma el SiO2 y agua que se evapora, pero hace falta una superficie inicial donde se
produzca la reacción. En el caso de la producción de fibra, esta superficie es el interior de un tubo
de silice frio, las moleculas de gas que viajan en el interior del tubo forman partículas vitreas que se
4.5. FIBRAS DE FLUORUROS
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Figura 4.6: Proceso de deposición de vapor axial.
depositan en las paredes del tubo. El tubo puede ser la envoltura de la fibra o una simple estructura
de soporte que no va a participar en el guiado óptico. El núcleo se va formando por capas moviendo
axialmente el horno sobre el tubo contenedor, finalmente la estructura resultante que es hueca pasa por
otro horno se colapsa y se forma la fibra resultante (figura 4.7).
Esta es la técnica que se usa predominantemente en la actualidad, tiene como ventajas la reducida
contaminación con agua y que al realizarse el proceso en una zona limpia las impurezas debidas al
ambiente se reducen radicalmente. Mediante este tipo de fibras es usual la obtención de atenuaciones de
0.35dB/Km y anchos de banda en fibra graduales multimodo que rozan los 5GHzKm. Su problema es
que es una técnica que utiliza el procesado por lotes limitando así la longitud máxima de las fibras.
4.4.4 Deposición química de vapor activada por plasma (PCVD).
Esta técnica es una variación de la anterior de forma que se varía el tipo de calentamiento de los vapores,
mientras que en la anterior se usaba calor resistivo en este caso se calienta mediante plasma evitando la
formación de partículas que queden libres antes de su deposición sobre la película. Se pueden conseguir
perfiles a volutad con mayor facilidad que con las demás estructuras y se llegan a depositar unas 2000
capas lo que nos da una idea del control que podemos tener sobre el perfil (figura 4.8). Salvando este
punto el proceso replica al anterior con sus ventajas e inconvenientes.
4.5 Fibras de fluoruros
Como se puede deducir de los análisis de atenuación que se hicieron en capítulos anteriores, si se cambiaba el material base y en lugar de silice se utilizaban fluoruros las atenuaciones mínimas teóricas podían
llegar a 0.02dB/Km, para longitudes de onda entre las 2 y 5m. Para su realización se utilizan sistemas
vítreos basados en fluorozirconatos (ZrF4 ) y fluorohafnatos (HfF4 ). Las fibras de este tipo han sido
realizadas mediante las mismas técnicas descritas con anterioridad para silicatos, el problema es que se
han encontrado que la utilización de recipientes tanto de silice como de platino.
La solución encontrada y que a primera vista es bastante artesanal ha sido la siguiente; sobre un
recipiente frio se deposita el líquido que formará la envoltura de la fibra, antes de que este termine de
4.5. FIBRAS DE FLUORUROS
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Figura 4.7: Esquema del método de deposición en fase vapor modificado: (a) Deposición por capas; (b)
Colapso del cilindro previo para obtener el cilindro preformado; (c) Estirado de la fibra.
Figura 4.8: Sistema de deposición química de vapor activada por plasma (PCVD).
4.5. FIBRAS DE FLUORUROS
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solidificar y dado que lo hará primero en los bordes del recipiente se vacia el interior resultado un cilíndro
hueco, en este hueco se deposita el material formante del núcleo y se permite que solidifique, a partir
de aquí se puede utilizar las técnicas de hilado vistas con anterioridad en el apartado 4.3.1. Medidas de
campo han resultado en atenuaciones de 0.03dB/Km para un longitud de onda de 2.56m.