Tesis M en C - Telecomunicaciones - Gabriela Sanchez Melendez

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
CARACTERIZACIÓN Y OPTIMIZACIÓN
DEL PROCESO DE EMPALME POR
FUSIÓN EN FIBRAS ÓPTICAS POR
MEDIO DE CAPTURA Y
PROCESAMIENTO DE IMÁGENES DE
ALTA RESOLUCIÓN
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS EN
INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES
PRESENTA:
ING. GABRIELA SÁNCHEZ MELÉNDEZ
DIRECTOR DE TESIS:
DR. ALEXANDRE MICHTCHENKO
MÉXICO D.F. 2008
DEDICATORIA
A LA MEMORIA DE MI PADRE…
SALOMÓN SÁNCHEZ GUZMÁN
GRACIAS POR TODO LO QUE ME ENSEÑASTE, PERO SOBRE
TODO GRACIAS POR BRINDARME EL AMOR QUE SIEMPRE ME
DISTE.
NUNCA TE OLVIDARE
Agradecimientos
A Dios gracias por permitirme disfrutar de este momento.
A mi mamá María Juana Meléndez García gracias por
darme la fuerza necesaria para seguir adelante, por creer
en mí y por motivarme siempre. Te amo.
A mis hermanos Margarita y Juan por su ejemplo de
carácter y bondad. Me han hecho mejor persona.
A mis amigas de siempre Marlén, Faviola y Karina por
que siempre están ahí cuando las necesito.
A Alan por los excelentes momentos compartidos.
A mis amigos de trabajo Isabel y Gregorio, por la
confianza depositada en mí.
Al M. en C. David Vázquez Álvarez por su compañía en
los buenos y malos momentos de mi vida. Gracias por creer
en mí.
Al Dr. Alexandre Michtchenko por su amistad y guía a lo
largo de este trabajo.
Al Dr. Raúl Castillo Pérez por haberme permitido la
realización de las pruebas. Gracias por el asilo y la
comida.
A todos gracias.
- Gabriela Sánchez Meléndez
ÍNDICE
Índice
Capítulo 1. Características generales
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Introducción
Características generales de la fibra óptica
Tipos de fibras ópticas
Características generales de los empalmes de fibras ópticas
Tipos de empalmes en fibras ópticas
1
6
8
12
13
Capítulo 2. Pérdidas en conexiones de fibras ópticas
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Introducción
Pérdidas por atenuación
Pérdidas por dispersión
Pérdidas por acoplamiento
Causas principales de malos empalmes mecánicos o por fusión
17
17
19
20
23
Capítulo 3. Recomendaciones en el tratamiento y
preparación de la fibra óptica al realizar conexiones
3.1
3.2
3.3
3.4
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4
3.5
3.5.1
3.6
3.6.1
3.6.1.1
3.6.1.2
3.6.1.3
3.6.1.4
3.6.1.5
Introducción
El corte de la fibra óptica
Empalmadoras utilizadas para unir fibras ópticas
Método de empalme de fibras ópticas por fusión directa
Corte de la fibra y método de prefusión
Método HHT
Técnicas de alineamiento de fibras
Protección del empalme
Proceso de preparación de la fibra óptica
Preparación de los extremos de las fibras ópticas
Medición de parámetros en la fibra óptica
Medición de la apertura numérica
Medición de la atenuación
Mode scrambler
Método del corte (cut back)
Método del retroesparcimiento (back scattering)
Método de la inserción
31
32
34
35
36
37
38
40
41
41
46
47
48
48
49
50
52
i
ÍNDICE
Capítulo 4. Pruebas y resultados obtenidos
4.1
4.2
4.2.1
4.3
4.3.1
4.4
4.4.1
4.5
4.6
Introducción
Optimización
Formulación del modelo
Empalmadora de fusión utilizada
Procedimiento de ajuste aplicado en la empalmadora
Obtención de imágenes
Histogramas
Procesamiento de las imágenes
Pruebas y resultados obtenidos
53
55
56
57
58
60
63
64
70
Conclusiones
87
Recomendaciones para trabajos futuros
89
Apéndices
A
B
C
Bibliografía
Estándares de fibras ópticas
Especificaciones de la empalmadora utilizada
Artículos presentados en congresos
90
92
100
123
ii
ÍNDICE DE FIGURAS
Índice de figuras
Capítulo 1
1-1
1-2
1-3
1-4
1-5
1-6
1-7
1-8
1-9
1-10
1-11
1-12
Vista esquemática de las capas que forman una fibra óptica
Modos de transmisión, dependientes de la longitud de onda de la
señal
Fibra monomodo, solo permite un modo de transmisión
Fibra multimodo, permite varios modos de transmisión
Cono de aceptación (NA), dentro del cual todos los rayos
emitidos entrarán en el núcleo
Fibra óptica multimodo de índice escalonado
Fibra óptica multimodo de índice gradual
Enlace por fibra óptica
Empalme mecánico
Empalme por fusión
Máquinas empalmadoras para realizar soldadura de fibras
ópticas
Procedimiento de empalme de fibras ópticas por fusión
6
7
8
9
9
10
10
12
14
15
15
16
Capítulo 2
2-1
2-2
2-3
2-4
2-5
2-6
2-7
2-8
2-9
2-10
2-11
2-12
2-13
Macro y micro curvaturas en fibras ópticas
Atenuación y dispersión en una fibra óptica
Desalineación lateral, X es la distancia de desalineación que
existe
Desalineación de separación angular, se produce cierto grado de
inclinación θ, entre las fibras ópticas
Mal acabado de superficie, en los extremos hay impurezas que
generarán un mal empalme
Recubrimiento holgado de un empalme de fibras ópticas
Parámetros usados para el cálculo de pérdidas en empalmes
Caso de desviación entre los centros de los núcleos de una fibra
emisora y receptora
Contribuciones de las desviaciones del núcleo de una fibra desde
el centro del tubo cuando la fibra tiene cubierta
Contribuciones de las desviaciones del núcleo de una fibra desde
el centro del tubo cuando la fibra no tiene cubierta
Núcleos de fibra desviados e incompatibilidad de diámetros
a) Los centros tienen el mismo diámetro; b) El núcleo emisor es
más grande que el núcleo receptor
Núcleo de forma elíptica
19
19
21
21
21
24
24
25
26
27
28
29
29
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
Capítulo 3
3-1
3-2
3-3
3-4
3-5
3-6
3-7
3-8
3-9
3-10
3-11
3-12
3-13
3-14
3-15
3-16
3-17
3-18
3-19
3-20
3-21
Corte de la fibra óptica
Algunas situaciones obtenidas después de cortar la fibra óptica
Tipos de cortadoras, que se utilizan hoy en día
Sistema de inyección y detección de luz
Capas básicas que recubren una fibra óptica
Distribuciones espaciales de la descarga
Alineamiento de fibras mediante ranuras en V: substratos duro y
blando
Pelado y limpieza de la fibra óptica
Pinzas para la limpieza de la fibra óptica
Corte de la fibra
Proceso de pulido previo a la conectorización de la fibra óptica
Fibra después de pulir
Colocación de la fibra en la empalmadora para el proceso de
prefusión y fusión
Protección del empalme
Etapas en la realización de un empalme
Medición de la apertura numérica
Mode scrambler
Método del corte (parte 1)
Método del corte (parte 2)
Método de retroesparcimiento
OTDR
32
33
33
35
36
38
40
42
42
43
44
44
45
45
46
48
49
50
50
51
51
Capítulo 4
4-1
4-2
4-3
4-4
4-5
4-6
4-7
4-8
4-9
4-10
4-11
4-12
4-13
4-14
4-15
4-16
Procedimiento de empalme de fibras ópticas por fusión
Diagrama que esquematiza el problema a resolver y la solución
propuesta
Proceso de empalme y de verificación de calidad
Etapas de la optimización
Tiempos de empalme y acción recíproca
Representación de una imagen a escala de grises en MatLAB
Imagen mostrada al utilizar la función imshow
Utilización de la función impixel
Sistema implementado para la obtención de imágenes
Material utilizado para la conectorización de la fibra
Etapa de pulido de la fibra para conectorizar
Fibras ópticas conectorizadas, listas para usarse
Fuente y medidor utilizados durante la experimentación
Imagen obtenida a través del sistema implementado
Imagen obtenida y convertida a escala de gris
Sección de la imagen utilizar
53
54
54
55
57
61
62
63
64
65
66
66
66
67
68
68
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
4-17
4-18
4-19
4-20
4-21
4-22
4-23
4-24
4-25
4-26
4-27
4-28
4-29
4-30
4-31
4-32
4-33
4-34
4-35
4-36
4-37
Imagen seccionada para procesar
Imagen a utilizar para el análisis de los empalmes, a) imagen de
control; b) imagen de empalme
Imagen obtenida con el régimen 3 (M’mode Standard), a)
imagen de control, b) imagen de empalme
Gráficas de la imagen de control y la imagen de empalme
respectivamente, representa el área oscura de la imagen (área
bajo la curva), para el caso de una línea negra en el área de
empalme
Histogramas de: a) la imagen de control y b) la imagen de
empalme
Imagen obtenida con el régimen a procesar, a) imagen de
control, b) imagen de empalme
Gráficas de la imagen de control y la imagen de empalme
respectivamente, representa el área oscura de la imagen
Histogramas de: a) la imagen de control y b) la imagen de
empalme
Imagen obtenida con el régimen 1 (M’mode Warm), a) imagen
de control, b) imagen de empalme
Imagen obtenida con el régimen 1 (M’mode Warm), a) Imagen
de control, b) imagen de empalme
Histogramas de: a) la imagen de control y b) la imagen de
empalme
Otro caso de aparición de burbuja, a) imagen de control, b)
imagen de empalme
Gráfica de “oscuridad” del caso de burbuja en empalme
Histogramas para el caso de una burbuja, en la zona de empalme
Imagen obtenida con el régimen “Ópt”, a procesar, a) imagen de
control, b) imagen de empalme
Gráficas de la imagen de control y la imagen de empalme
respectivamente, representa el área oscura de la imagen
Histogramas de: a) la imagen de control y b) la imagen de
empalme
Imagen obtenida de un buen empalme, a) imagen de control, b)
imagen de empalme
Gráficas de un caso de empalme con el régimen Ópt
Histogramas del empalme e imagen de control del último caso
Distribución de la luminosidad de la lámpara en la empalmadora
69
69
70
71
72
73
74
75
76
76
77
78
79
79
80
81
82
83
84
84
85
v
OBJETIVO Y JUSTIFICACIÓN
Antecedentes
Las fibras ópticas han presentado un gran avance en las telecomunicaciones que
requieren de banda ancha, a través de ellas podemos enviar señales ópticas, brindándonos
una gran ventaja en cuanto a los medios comunes, incluso los inalámbricos, pues este tipo
de comunicación no sufre pérdidas debido a factores externos.
El crecimiento que se ha tenido en los últimos años ha sido grande con respecto al
crecimiento en las redes por cable de cobre. Ya que a través de este medio podemos ofrecer
una gran cantidad de servicios de manera simultánea.
De modo que es conveniente estudiar los problemas que se pueden presentar en los
enlaces a través de fibras ópticas para que las comunicaciones tengan un funcionamiento
óptimo y las pérdidas que puedan encontrarse sean reducidas, ofreciendo una mejor
comunicación y servicio.
Planteamiento del problema
Desde las primeras instalaciones hasta las actuales se ha visto un mejoramiento en
las características de la fibra óptica. Como ya se dijo el crecimiento en el uso de ésta
tecnología va en aumento, además, las características físicas, tamaños y tipo de las fibras
han cambiado, por lo que es de suma importancia estudiar el cómo unir y/o conectar redes
de fibras ópticas, ya que las primeras en instalarse requieren de crecimiento e incluso las
redes ópticas actuales requieren enlaces mucho más largos por lo que buscamos caracterizar
y optimizar el proceso de empalme por fusión para poder brindar una mejor comunicación
con el uso de este medio.
Objetivo
Caracterizar los empalmes por fusión en fibras ópticas a través del procesamiento de
imágenes (de alta resolución), para poder optimizar el proceso de empalme y verificar la
calidad de los mismos.
Justificación
Para la instalación de sistemas de fibra óptica es necesario utilizar técnicas y
dispositivos de interconexión como empalmes y conectores. Las pérdidas de acoplamiento
se presentan en las uniones de:
•
Conexiones de emisor óptico a fibra óptica.
vi
OBJETIVO Y JUSTIFICACIÓN
•
Conexiones de fibra óptica a fibra óptica.
•
Conexiones de fibra óptica a fotodetector.
En caso de que los núcleos no se empalmen perfecta y uniformemente, una parte de
la luz que sale de un núcleo no incide en el otro núcleo y se pierde, sumando además que en
una comunicación a través de fibra óptica suele existir más de un empalme. Por lo tanto las
pérdidas que se introducen por esta causa pueden constituir un factor muy importante en el
diseño de sistemas de transmisión, particularmente en enlaces de telecomunicaciones de
gran distancia.
Como dijimos, en la actualidad se instala un gran volumen de fibras ópticas en un
sin fin de aplicaciones de telecomunicaciones, los ingenieros de estos sistemas comienzan a
considerar el creciente impacto de los empalmes en éstos. Los empalmes producen pérdidas
en los sistemas y provocan a su vez un profundo impacto en la calidad, rendimiento y costo
de instalación del mismo.
Por lo tanto se busca contribuir en el análisis de la instalación, puesta en marcha y/o
expansión, así como en el mantenimiento de nuevas redes ópticas, para ofrecer las
recomendaciones pertinentes en cuanto a las conexiones y las pérdidas producidas en cada
una de éstas, brindando así un mejor servicio de comunicación y entrega de la información.
vii
RESUMEN
Resumen
En este trabajo se presenta un análisis detallado del proceso de empalme, cómo debe
ser interpretado, cómo debe realizarse y se muestra un método de cómo verificar la calidad
del empalme; particularmente, un empalme por fusión. Se busca la forma de caracterizar el
proceso y con ello buscar la optimización del mismo para poder ofrecer conexiones con
menor pérdida en comunicaciones a través de fibras ópticas.
Comenzamos mostrando un panorama general de las fibras ópticas, su uso en los
diferentes tipos de redes, su crecimiento actual (su uso en sistemas de telecomunicaciones),
se puede observar una comparación de ventajas y desventajas al utilizar fibra óptica a
diferencia de otros medios de transmisión. Así mismo, analizamos los tipos de
acoplamiento que se suelen realizar y las pérdidas que se pueden encontrar en las
comunicaciones a través de fibra óptica; finalmente encontraremos el proceso de los
empalmes por fusión, un análisis detallado de los equipos que existen en la actualidad para
realizarlos, de modo que se mencionan los diferentes métodos que ofrecen las
empalmadoras actuales para medir las pérdidas en un empalme y saber si es aceptable o no.
Encontraremos también el proceso completo del empalme en una sección de
tratamiento de la fibra óptica, pues este es un parámetro muy importante y debe cuidarse al
realizar empalmes por fusión, finalmente se podrán observar las mediciones realizadas, las
gráficas, los datos obtenidos y el tratamiento de datos e imágenes para la caracterización
del proceso y optimización del proceso de empalme.
viii
ABSTRACT
Abstract
This work presents a splice process analysis detailed, how should it be interpreted?,
how should it be realized? And it shows a method to verify the splice quality, particularly, a
fusion splice. There is looked the way to optimize the process and with it to look for its the
characterization, to be able connections with smaller loss in optic fibers communications.
We start by showing a fibers optics panorama, their use in the different types of
networks, their current growth (the use in networks in telecommunications systems), it is
possible to observe an advantages and disadvantages comparison on having use fiber optic
contrary to other transmission means. Likewise we analyze the joining types that are
usually carried out and the losses that can be in the fiber optic communications; finally, we
will find the fusion splices process, a equipments analysis detailed that exist at the present
time to realize them, so the different methods are mentioned that they offer the actual
splicers to measure the losses in a splice and knowledge if it is acceptable.
We will also find the complete process in a section of the fiber optic treatment,
because this is a very important parameter that should take care when carrying out
connections, finally we will able to be observed the realized measurements, the graphs, the
obtained information and the data and images processing for the process characterization.
ix
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
Capítulo 1
Características generales
En este capítulo comenzaremos por explicar las etapas, condiciones promotoras y
tendencias de evolución de las fibras ópticas, así mismo se presentarán algunas
características generales de éstas, también se mencionarán los tipos de acoplamientos y de
pérdidas que podemos encontrar en las fibras ópticas, parámetros que serán de importancia
para la elaboración de este trabajo.
1.1 Introducción
Los progresos tecnológicos anuncian profundos cambios en el sector de las
telecomunicaciones, señala la OCDE (Organización para la Cooperación y el Desarrollo
Económicos) en su último informe, en donde destaca que la banda ancha permanece
todavía como uno de los principales recursos de crecimiento para las empresas de
telecomunicaciones y enfatiza que las empresas deberán decidir en un futuro próximo en
qué medida deben proseguir sus inversiones en las redes de próxima generación, como la
fibra óptica, más que mantener las inversiones en redes de cobre tradicionales. Las redes
de fibra permiten transmitir más rápidamente mayor cantidad de datos que las redes
actuales de banda ancha, como las de cable o ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line).
Pero el desafío surge debido al aumento de la demanda de servicios (como televisión de
alta definición, imágenes de alta resolución videos, transmisiones en tiempo real), que
necesita más ancho de banda que la que pueden ofrecer las redes actuales. La OCDE prevé
un aumento de la demanda de comunicaciones por fibra óptica que transformará de nuevo
la capacidad de los operadores. Un ejemplo que puede citarse es el de Japón, donde la
mayoría de los operadores han decidido migrar rápidamente a la fibra óptica, lo que permite
que los consumidores tengan un mejor servicio y más barato. Según el reporte de la OCDE,
la demanda de suscriptores con la misma capacidad de ancho de banda (nos indica la
capacidad máxima del medio) para bajar y subir información aumentará en el futuro, lo que
añade otro factor de evolución de este sector [1].
Al respecto podemos afirmar que no existe aún una solución universal a los desafíos
que se avecinan, ya que los países que ya han comenzado el desarrollo de redes de fibra
óptica han seguido caminos diferentes. Una proyección realizada por IDATE (consultores y
analistas de alto nivel en Telecomunicaciones) estima que el mercado de Internet por fibra
óptica será en todo el mundo de 42 millones de abonados en 2010. Asia y Estados Unidos
serán las regiones líderes, seguidas de Europa, que pasará de los 650,000 abonados actuales
a los 7 millones dentro de cuatro años [2].
Gran parte de la evolución del mercado de la fibra óptica está dependiendo del
comportamiento de los grandes operadores, que condicionan el crecimiento de banda ancha
1
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
y cada uno de ellos tiene sus propias estrategias respecto de la infraestructura. Ya que el
mercado de la banda ancha pretende evolucionar hacia la fibra óptica, se ha observado que
para las empresas esta transición no está exenta de riesgos. Ha llamado mucho la atención
el peligro que están corriendo algunos operadores con sus inversiones de fibra óptica para
canalizar nuevas tecnologías. Podemos mencionar como dato adicional que el crecimiento
de la banda ancha derivada del ADSL en el segundo trimestre de 2006 ha sido el más bajo
en toda la historia, ya que según POINT TEPIC (Agencia londinense de análisis de
mercados), se ha situado en el 7.1% en todo el mundo, lo que significa una singular caída
respecto al crecimiento de 8.5% a finales del 2005. De las diferentes regiones del mundo,
sólo el Sudeste de Asia y Asia-Pacífico registran un leve incremento en el mismo periodo,
ya que el consumo de banda ancha se registró de 4.35% a 4.5%. Asia – Pacífico es la región
que menor incremento representa debido a la saturación del mercado. Norteamérica y
Europa padecen un problema parecido, situando su crecimiento en el consumo de banda
ancha en el 4.82% y el 5.64% respectivamente. En cuanto al crecimiento China sigue
siendo el líder del mercado de banda ancha, ya que representa el 19% del total mundial [3].
Según POINT TEPIC se puede ver que ADSL ha ido decayendo desde el tercer
trimestre del 2005, siendo más notorio en los países de la región Asia – Pacífico, ya que
casi todos los abonados han emigrado a tecnologías de banda ancha basadas en fibra óptica.
Esta migración comenzó con el uso de la fibra óptica en las comunicaciones con las
grandes redes que transportaban información de un continente al otro y de una ciudad a
otra. La inversión se justificaba porque el volumen utilizado de un continente al otro era
bastante considerable. Conforme creció el flujo de información surgió la necesidad de hacer
llegar la fibra óptica a los grandes complejos de edificios y posteriormente a cada edificio
en particular. Como ya se mencionó la fibra óptica ha ido reemplazando en forma paulatina
al cobre, conforme las necesidades de comunicación y el tráfico de información han ido
creciendo. La evolución de los sistemas de comunicaciones nos llevará hasta la presencia
de la fibra óptica en las conexiones de escritorio. Esto es muy importante ya que la FTTH
(Fiber To The Home) representa ventajas de gran relevancia, pues en las ciudades que se ha
implantado se empieza a utilizar la videoconferencia para hablar con los servicios médicos,
en sistemas de seguridad, contra algunos desastres (por ejemplo los incendios), o con fines
educativos [3].
José Ramón Rodríguez, gerente de la Organización y Sistemas de Información del
Ayuntamiento de Barcelona, reconoce que existe “una demanda social de banda ancha que
tenemos que cubrir con iniciativas imaginativas, públicas, privadas o mixtas”. El objetivo
es que dentro de tres años el 80% de la población pueda acceder a esta oferta de banda
ancha. Es de pensarse que el próximo paso será hacer llegar un cable de fibra óptica
directamente a su escritorio. Los enlaces largos y las tecnologías como los conectores de
fibra óptica hacen esto posible, de modo que un conector de fibra óptica en la placa de
pared se ve casi igual al conector de un teléfono convencional. Las ventajas que el esquema
FTTH ofrece son las siguientes:
•
Alta capacidad para transportar información. Un solo cable puede manejar hasta 30
mil llamadas telefónicas al mismo tiempo.
2
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
•
Reducción en los costos de instalación, administración y mantenimiento de los
servicios del edificio.
•
Vida útil muy superior a la de los sistemas de cobre.
•
Aumento en la productividad de los servicios. Un solo cable de fibra óptica puede
manejar a la vez los servicios de teléfono, televisión, computadoras y alarmas.
•
Inmunidad a las interferencias electromagnéticas.
•
Baja atenuación de la señal.
•
Admite un gran ancho de banda (mayor a 1Ghz), es absolutamente confidencial.
•
Se establecen comunicaciones a grandes distancias.
•
Tiene aislamiento dieléctrico entre los puntos de conexión.
A mediano plazo, la supervivencia y crecimiento de las empresas estarán
determinados por la información que viajará en su totalidad a través de los cables de fibra
óptica. En menos de 10 años, la fibra óptica llegará a su escritorio [3].
Por ejemplo, la Comisión Europea ayuda a las zonas más atrasadas en tecnologías
de la información a conectarse con banda ancha, dedicando fondos estructurales y de
desarrollo rural. Y es que según sus propios datos, el año pasado, en poblaciones rurales o
alejadas de las grandes ciudades europeas sólo tenía banda ancha el 60% de las empresas y
hogares, frente a más del 90% que disfrutaba de estas conexiones en las urbes [4].
Podemos agregar que EUROCITIES, una red de más de 120 ciudades de 30 países
europeos fundada en 1986 como foro de intercambio de ideas y experiencias, señala que no
existe Sociedad de la Información sin una velocidad de conexión alta, y que la banda ancha
no es real si no se accede a la red a través de fibra óptica. Se ha observado durante los
últimos quince años, que los sistemas de comunicaciones han experimentado muchos
cambios notables y dramáticos, en donde los sistemas de microondas terrestres han
alcanzado su máxima capacidad, y los sistemas de satélite pueden proporcionar, cuando
mucho, sólo un alivio temporal a la gran demanda siempre en aumento. Es obvio que sean
necesarios sistemas de comunicación económicos que puedan transmitir gran cantidad de
información y proporcionar un servicio de alta calidad. Este nuevo tipo de sistema de
comunicación pudiera ser el de las fibras ópticas, ya que poseen gran capacidad para
transmitir información, sus costos resultan económicos y además, han sido probados
experimentalmente demostrando que pueden ofrecer un servicio de alta calidad. Los
sistemas de fibra óptica representan grandes utilidades para las comunicaciones, ya que un
cable de fibra óptica se usa frecuentemente como un medio de comunicación para muchas
aplicaciones diferentes, éste posee muchas ventajas sobre otros sistemas similares. Algunas
de estas ventajas son:
3
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
•
La fibra óptica tiene la capacidad de transmitir grandes capacidades de información.
Con la tecnología presente se pueden transmitir 60,000 conversaciones simultáneas
con dos fibras ópticas. Un cable de fibra óptica puede contener hasta 200 fibras
ópticas, lo que incrementaría la capacidad del enlace a 6,000,000 de conversaciones,
una ventaja considerable sobre los cables convencionales donde por lo general un
gran cable multipar puede llevar 500 conversaciones, un cable coaxial puede llevar
10,000 conversaciones y un enlace de radio por microondas o satélite puede llevar
2,000 conversaciones.
•
Un cable de fibra óptica tiene un diámetro mucho más pequeño y es más ligero que
un cable de cobre de capacidad similar. Esto le hace fácil de instalar, especialmente
en localizaciones donde ya existen cables y el espacio es escaso.
•
Los enlaces de fibra óptica bien diseñados son inmunes a condiciones adversas de
humedad y temperatura y se pueden utilizar incluso para cables subacuáticos. La
fibra óptica tiene también una larga vida de servicio.
En la Tabla 1-1 se muestran los diferentes medios de transmisión que actualmente
se utilizan con algunas de sus características más relevantes.
Tabla 1-1. Medios de transmisión actualmente utilizados.
MEDIO
Capacidad
Cable de
cobre
Cable
coaxial
Radiofre
cuencia
Canales de voz con
señales analógicas.
Señales digitales de
64Kbps hasta 8Mbps
con
tecnologías
xDSL.
Hasta 1Gbps en redes
LAN.
Hasta 120 canales en
TV por cable.
Hasta 140Mbps en
sistemas de transporte.
Canales de radio y TV
con señales digitales
hasta 128Kbps.
CARACTERÍSTICAS
Distancias
Costos
Aplicaciones
máximas
más comunes
Es costoso el tendido, Telefonía local.
5.5 km
sin
embargo
las
compañías
de
telefonía
local
cuentan ya con el
cableado
10 km
20 km
Acceso
a
Internet de alta
velocidad
con
ISDN y xDSL.
Redes LAN.
El cable no es muy
costoso, lo es más el
tendido y el derecho
de vía
Redes de TV por
cable.
Poco uso en
redes LAN.
Conexiones entre
centrales
y
equipos
de
transmisión.
El
uso
de
las Telefonía móvil.
frecuencias
en Telefonía local
muchos
países inalámbrica.
requiere de subastas
Radiolocaliza
ción.
Radio y TV.
4
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
Tabla 1-1. Medios de transmisión actualmente utilizados (continuación).
MEDIO
Capacidad
Microondas
Fibras
ópticas
Rayo láser
64Kbps - 155 Mbps.
2Mbps - Tbps con
WDM.
En redes LAN de
10Mbps - Gbps.
2Mbps - 622Mbps.
CARACTERÍSTICAS
Distancias
Costos
máximas
El
uso
de
las
1 km
frecuencias
en
a
muchos
países
l00 km
requiere de subastas
En
satélites:
36,000 km
250 km
Distancias
no
mayores a
3 km
Aplicaciones
más comunes
Enlaces
de
acceso:
punto a punto
punto
a
multipunto
Redes satelitales
Lo costoso es el Redes de acceso
tendido de los cables a corporativos.
y el derecho de vía
Enlaces de larga
distancia.
Redes de TV por
cable.
No hay pago por el Enlaces
de
medio. El único costo acceso punto a
es el equipo
punto.
A pesar de que los sistemas de fibra óptica son un excelente medio para transmitir
información, se tienen que tener en cuenta por pocas que éstas sean, las desventajas que
presentan, principalmente son dos las más importantes
•
Se necesita un camino físico recto para el cable de fibra óptica. El cable se puede
enterrar directamente, situar en tubos o disponer en cables aéreos a lo largo de
caminos homogéneos. Esto puede requerir la compra o alquiler de la propiedad.
•
Debido a que la fibra óptica es predominantemente de vidrio de sílice, son
necesarias técnicas especiales para la instalación de los enlaces, no se puede aplicar
métodos convencionales de instalación de cables en un sistema de fibra óptica.
Las redes de datos y los sistemas de cableado estructurado, necesitan mejorar sus
anchos de bandas para el transporte de voz, datos e imágenes, por este motivo cada día más
frecuentemente se recurre al cable de fibra óptica como medio de transmisión en las redes.
El uso de la fibra óptica permite la conexión de puntos distantes, se puede utilizar para la
interconexión de centros de cableado (backbone), para la interconexión de edificios y
también para uso en ambientes industriales.
Las principales ventajas de la fibra óptica son la inmunidad a las interferencias
electromagnéticas, la baja atenuación de la señal, admite un gran ancho de banda (mayor a
1Ghz), es absolutamente confidencial, se establecen comunicaciones a grandes distancias, y
tiene aislamiento dieléctrico entre los puntos de conexión.
5
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
1.2 Características generales de la fibra óptica
Comenzaremos por mencionar las características físicas de una fibra óptica así
como las capas que cubren a la fibra de sílice hasta el exterior.
Una fibra óptica consiste en un material transparente cilíndrico y largo que confina
y propaga ondas luminosas, normalmente vidrio de sílice.
La fibra óptica está compuesta de tres capas diferentes como se observa en la figura
1-1: el núcleo central que está formado por un cilindro de vidrio de sílice a través del cual
viaja la señal luminosa; el revestimiento que es un tubo colocado alrededor del núcleo, se
conforma de un material de vidrio y su función es asegurar la conducción de la luz en el
interior del núcleo, esto se debe a que el material de la envoltura tiene un índice de
refracción distinto al del núcleo, y por último el recubrimiento que es de material plástico y
por lo tanto dota de protección al revestimiento, es la capa más externa de la fibra óptica.
Figura 1-1. Vista esquemática de las capas que forman una fibra óptica.
La fibra va a contener toda la energía luminosa que entra en el cilindro interior
(núcleo), ayudándose del cilindro siguiente (revestimiento), éste es el que hace que la luz
rebote dentro del primero, impidiendo que la luz salga del núcleo; siendo las dimensiones
de esta fibra muy pequeñas normalmente del orden de μm (micrometros).
En las comunicaciones por fibra óptica se trabaja con radiaciones electromagnéticas
con longitudes de onda (λ) comprendidas entre 750 nm y 1650 nm (las radiaciones visibles
al ojo humano están comprendidas entre 400 nm y 750 nm). En general para fibras ópticas
se usan tres puntos de trabajo bien definidos denominados:
•
Primera ventana (850 nm).
•
Segunda ventana (1310 nm).
•
Tercera ventana (1559 nm).
6
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
El empleo de las diferentes ventanas depende de cómo se pueden obtener las
mejores prestaciones de transmisión de las fibras ópticas, o del equipo óptico en su
conjunto.
Una vez definidas las características geométricas y físicas de una fibra,
observaremos que al variar la longitud de onda λ también varía la cantidad de modos que
pueden ser conducidos. Cada modo se caracteriza por un valor de longitud de onda, para
toda fibra existe un modo único, llamado modo fundamental, que existe en todos los
valores de λ.
Del mismo modo, una vez determinada la longitud de onda de la radiación
electromagnética, si ha de disminuir el diámetro del núcleo disminuirá el número de modos
en que se propagan las ondas. Al ser la radiación luminosa considerada de dimensiones
muy pequeñas, los rayos quedan confinados en el plano que pasa por el eje de la fibra.
En las fibras ópticas la luz se propaga por reflexión interna en la interfase entre el
núcleo y el revestimiento. Por lo tanto, puede definirse un ángulo de aceptación máximo,
más allá del cual la radiación que incide en el revestimiento no se propagará.
Los ángulos donde se provoca la reflexión total interna son varios, esto define toda
una gama de ángulos que no necesariamente son continuos. Entonces se establece dentro de
la fibra lo que se denominan "modos", que son los típicos modos de transmisión dentro de
las guías. Según el diámetro de la fibra y las características físicas y geométricas, va ser el
número de modos que pueden transportar; por otro lado, los modos también están influidos
por la longitud de onda como puede verse en la figura 1-2.
Toda esta gama de ángulos también queda acotada en función de otro parámetro de
importancia en las fibras ópticas que es la apertura numérica (NA), el cual se definirá más
adelante [5].
Figura 1-2. Modos de transmisión, dependientes de la longitud de onda de la
señal.
7
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
1.3 Tipos de fibras ópticas
Debido a la existencia de muchos modos o caminos de propagación de la luz, ocurre
que la longitud recorrida por los rayos es distinta y por lo tanto un impulso de luz a la
entrada de la fibra saldrá disperso, con lo cual queda limitado el ancho de banda de la fibra
óptica. Teniendo en cuenta el modo de propagación se han clasificado a las fibras en:
•
Monomodo (single mode)
Las fibras ópticas monomodo tienen un diámetro del núcleo mucho menor
(comparables a la longitud de onda de la luz), lo que permite que se transmita un único
modo de propagación y se evite la dispersión. Los diámetros de núcleo y cubierta típicos
para estas fibras son de 9/125 μm. Las fibras monomodo también se caracterizan por una
menor atenuación que las fibras multimodo, aunque como desventaja resulta más
complicado el acoplamiento de la luz y las tolerancias de los conectores y empalmes son
más estrictas. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar
grandes distancias y transmitir elevadas tasas de bit, las cuales vienen limitadas
principalmente por la dispersión cromática y los efectos no lineales.
La fibra óptica monomodo es utilizada para las conexiones interurbanas,
básicamente son instaladas por las prestadoras de servicios públicos, ya que permite el uso
de amplificadores a una distancia entre sí de 40 km. o más, mientras que las líneas de
transmisión de cobre necesitan más de tres amplificadores cada 10 km. En la figura 1-3 se
observa una fibra monomodo típica.
Figura 1-3. Fibra monomodo, solo permite un modo de transmisión.
•
Multimodo (multimode)
Este tipo de fibra fue el primero en fabricarse y comercializarse. Su nombre
proviene del hecho de que transporta múltiples modos de forma simultánea, ya que este tipo
de fibra se caracteriza por tener un diámetro del núcleo mucho mayor que las fibras
monomodo. En la figura 1-4 se observa una fibra multimodo típica.
La fibra óptica multimodo es instalada dentro de edificios comerciales, oficinas,
bancos y dependencias donde la distancia entre centros de cableado es inferior a los 2 Km.
8
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
Figura 1-4: Fibra multimodo, permite varios modos de transmisión.
El número de modos que se propagan por una fibra óptica depende de su apertura
numérica o cono de aceptación de rayos de luz a la entrada. En la figura 1-5 se observa el
cono de aceptación de los rayos emitidos por una fibra óptica (NA).
El mayor diámetro del núcleo facilita el acoplamiento de la fibra, pero su principal
inconveniente es que tiene un ancho de banda reducido como consecuencia de la dispersión
modal. Los diámetros de núcleo y cubierta típicos de estas fibras son 50/125 y 62,5/125
μm.
Figura 1-5. Cono de aceptación (NA), dentro del cual todos los rayos emitidos
entrarán en el núcleo.
En la fibra óptica multimodo se puede disminuir la dispersión haciendo variar
lentamente el índice de refracción entre el núcleo y el recubrimiento. El índice de
refracción es máximo en el centro de la fibra y mínimo en los extremos.
Existen dos tipos de fibra óptica multimodo:
o Índice escalonado (step index): Tiene dispersión, reducido ancho de banda y son
de bajo costo dado que resultan tecnológicamente sencillas de producir. Se
caracteriza por el cambio rápido en el ángulo de refracción al incidir el rayo en
el revestimiento como se ve en la figura 1-6.
9
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
Figura 1-6. Fibra óptica multimodo de índice escalonado.
o Índice gradual (graded index): Más costosa pero de gran ancho de banda. Se
caracteriza por el cambio suave en sus modos de transmisión, como se observa
en la figura 1-7, de manera que puede transmitir diversas señales al mismo
tiempo al igual que la anterior.
Figura 1-7. Fibra óptica multimodo de índice gradual.
Cada uno de estos tipos de fibra óptica, tienen núcleo de diferentes
diámetros, la fibra monomodo tiene un núcleo de 9 micrones, y la multimodo llega
al mercado con dos medidas: con núcleo de 62,5 micrones y en 50 micrones [6]. La
fibra óptica permite distintas longitudes de onda nominales, comprendidas entre los
850 nm, 1310 nm y los 1550 nm según las siguientes denominaciones:
•
Fibra óptica 1000 Base SX (está dentro de la ventana de los 850 nm).
•
Fibra óptica 1000 Base LX (está dentro de la ventana de los 1300 nm).
Estas características determinan los parámetros de Gigabit Ethernet de ancho de
banda de la fibra óptica y pérdidas del enlace por atenuación en la fibra óptica, tal como se
indica en la Tabla 1-2.
Tabla 1-2. Ancho de banda de los diferentes tipos de fibras ópticas.
CARACTERÍSTICAS
Longitud de onda (nm)
Tipo de F.O. (μm)
Ancho de banda (MHz/km.)
Distancia (m)
Pérdida del enlace (dB)
1000 BASE - SX
850
62.5
50
160 - 200 400 - 500
220 - 275 500 - 550
3.2 – 3.2
3.4 – 3.9
62.5
500
550
4
1000 BASE - LX
1300
50
9
400 - 500 s/d
550
5000
2.4 – 3.5 4.7
10
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
La “ventana” de longitud de onda nominal de la fibra óptica multimodo está
comprendida entre los 850 nm y los 1300 nm, y la fibra óptica monomodo tiene la
“ventana” entre los 1310 nm y los 1550 nm [7].
En la Tabla 1-3 se muestran algunos tamaños típicos de las fibras ópticas según el
fabricante que las produce así como la longitud de onda óptima que transmiten, esto con la
finalidad de ver que no siempre son iguales las características geométricas de la fibra, de
modo que éste puede ser un factor primordial al momento de efectuar conexiones entre
ellas.
Tabla 1-3. Tamaños típicos de las fibras ópticas según el fabricante.
Tipo de
fibra y
número
SM-027
SM-004
SM-028
SM-016
SM-006
DSF-010
SM-009
SM-010
EDF-010
SM-021
EDF-002
Fabricante
SG / ECA
Optical fibres
Fujitsu
Corning
AT & T
Alcatel
Ensing Bickford
Ensing Bickford
Fujitsu
Lycom
Fibercore
Diámetro
de núcleo
(μm)
7.0
8.0
8.0
7.7
7.7
5.3
5.0
4.4
3.5
3.0
3.2
MFD
(Mode Field
Diameter
(mm)
10.4
9.8
9.5
9.4
9.2
8.0
5.7
5.0
4.6
3.6
Longitud
de onda
(nm)
1310
1310
1310
1310
1550
1550
1060
980
1550
830
1550
Las normas internacionales han determinado los colores de la fibra óptica para su
fácil identificación, así por ejemplo, la norma ANSI/EIA/TIA 598, dispone el ordenamiento
de los colores para cada hilo de la fibra óptica. La Tabla 1-4 muestra el ordenamiento de
colores, de acuerdo a esta norma.
Tabla 1-4. Colores de la fibra óptica según la norma ANSI/EIA/TIA 598 A.
No.
1
2
3
4
5
6
COLOR
Azul
Naranja
Verde
Marrón
Gris
Blanco
No.
7
8
9
10
11
12
COLOR
Rojo
Negro
Amarillo
Violeta
Rosa
Agua
Para la cobertura exterior también se determinaron los colores y usos mostrados en
la Tabla 1-5, los cuales determinan también el tipo de fibra de la que se trata, para en todo
11
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
identificar qué tipo de fibra se tiene instalada al momento de realizar alguna reparación o
extensión de redes ópticas.
Tabla 1-5. Colores determinados de la cobertura exterior para fibras ópticas.
COLOR
Naranja
Amarillo
Verde o Azul
TIPO DE FIBRA
Multimodo
Monomodo
LS0H o LSZH (coberturas libres de halógenos)
1.4 Características generales de los empalmes de fibras ópticas
En un enlace por fibra óptica existe siempre, según sea el extremo, una fuente óptica
por acoplar con una fibra o una fibra por acoplar con un detector óptico, como se puede
observar en la figura 1-8.
Figura 1-8. Enlace por fibra óptica.
El acoplamiento o la interconexión tienen por objeto transferir el máximo de energía
luminosa de un elemento a otro. El acoplamiento fuente – fibra o fibra – detector se hace
por medio de conectores.
Un enlace puede necesitar también la unión de dos fibras entre sí, ya sea por que la
fibra resulte más corta que la longitud del enlace total por realizar o bien por que por
ejemplo, los parámetros exteriores de instalación imponen una longitud limitada a la fibra;
es necesario entonces, poder conectar dos fibras entre sí. Si esta conexión tiene que ser
desmontable, se habla de conector fibra a fibra o si debe ser permanente se habla de
empalme o unión [8].
12
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
Como se dijo, para la instalación de sistemas de fibra óptica es necesario utilizar
técnicas y dispositivos de interconexión como empalmes y conectores. Los conectores son
dispositivos mecánicos utilizados para recoger la mayor cantidad de luz, normalmente
realizan la conexión del emisor y receptor óptico, es decir se colocan en los extremos. Para
el caso de las uniones fibra – fibra se utilizan con mayor frecuencia los empalmes, que son
las uniones fijas para lograr continuidad en la fibra óptica.
En caso de que los núcleos no se empalmen perfecta y uniformemente, una parte de
la luz que sale de un núcleo no incide en el otro núcleo y se pierde. Por tanto las pérdidas
que se introducen por esta causa pueden constituir un factor muy importante en el diseño de
sistemas de transmisión, particularmente en enlaces de telecomunicaciones de gran
distancia.
En las fibras monomodo los problemas de empalme se encuentran principalmente
en su pequeño diámetro del núcleo Dn = 10μm, esto exige contar con equipos y
mecanismos de alineamiento de las fibras con una mayor precisión.
Las pérdidas de acoplamiento se presentan en las uniones de:
•
Emisor óptico a fibra
•
Conexiones de fibra a fibra
•
Conexiones de fibra a fotodetector.
1.5 Tipos de empalmes en fibras ópticas
Existen fundamentalmente dos técnicas diferentes de empalme que se emplean para
unir permanentemente entre sí fibras ópticas.
•
Empalmes mecánicos
Es importante que las caras del núcleo de la fibra óptica coincidan exactamente.
Consta de un elemento de auto alineamiento y sujeción de las fibras y de un
adhesivo adaptador de índice que fija los extremos de las fibras ópticas
permanentemente.
Después de realizado el empalme de la fibra óptica se debe proteger con:
o Tubos metálicos.
o Tubos termoretráctiles.
o Tubos plásticos.
13
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
En todos los casos para el sellado del tubo se utiliza adhesivo o resina de secado
rápido. En la figura 1-9 se observa la manera de realizar un empalme mecánico, en el cual
se utiliza un adhesivo comúnmente llamado epóxico, cuyo índice de refracción en casi igual
al de la fibra óptica a unir, de modo que éste no afecte la transmisión de la luz en la fibra.
Al aplicar este adhesivo también estamos fijando ambos extremos de la fibra de
modo que de alguna forma éste quedará sujeto y se considerará un empalme permanente, es
decir, no será desmontable.
Figura 1-9. Empalme mecánico; 1) Fibra óptica a unir; 2) Extremos
preparados para la unión, es aquí donde se colocará el epóxico.
•
Empalmes por fusión
Existen diversos métodos de empalme de fibras ópticas por fusión directa, todos
ellos clasificados en base al tipo de fuente de calor utilizada: una descarga eléctrica,
un láser gaseoso o una llama. El primero de ellos es el más ampliamente utilizado
en el caso de fibras ópticas de sílice. En especial, se han desarrollado varias técnicas
para realizar empalmes por medio de descarga eléctrica, tales como el método de
prefusión, el método de descarga de alta frecuencia, el HHT (elevado voltaje de
“trigger”) y el método de calentamiento uniforme para realizar empalmes de fibras
múltiples.
Los métodos de empalme por fusión directa utilizan una fuente de calor para fundir
y unir las fibras ópticas. A diferencia de otros métodos que utilizan materiales de
adaptación o adhesivos, en este caso no existe ningún otro material más que la
propia fibra en la región del empalme. Por lo tanto, este método posee
inherentemente bajas pérdidas por reflexión y alta fiabilidad. Los elementos
involucrados en un empalme por fusión de fibra óptica se muestran en la figura 110.
14
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
Figura 1-10. Empalme por fusión; 1) fibra óptica a unir; 2) electrodos, a través
de los cuáles se llevará a cabo la descarga; 3) microscopio; 4) Vista transversal de lo
observado a través del microscopio; 5) área de trabajo (fibra óptica a empalmar).
Actualmente existen máquinas “automáticas” que realizan el conjunto de acciones
mencionadas, algunos modelos se muestran en la figura 1-11.
Figura 1-11. Máquinas empalmadoras para realizar soldadura de fibras
ópticas.
El procedimiento de empalme de fibras ópticas por fusión utilizando descarga
eléctrica se muestra en la figura 1-12. En primer lugar, se quitan todas las cubiertas de
ambos extremos de la fibra a unir y se cortan. Ambas fibras se sitúan con una cierta
separación entre ellas en una máquina empalmadora de fibras y se pulsa un botón para
comenzar el proceso.
Hasta este punto el trabajo se realiza manualmente por parte de un operario. En el
momento de pulsar el botón de la máquina, ésta comienza a mover las fibras para reducir la
separación entre las mismas, aunque siempre debe revisarse antes de proceder a la
aplicación de la descarga eléctrica sobre las fibras a unir. Después, durante un pequeño
movimiento de las fibras, se genera una descarga eléctrica que se mantiene durante un
período de tiempo predeterminado.
Este proceso tiene lugar de forma “automática” en la máquina empalmadora. Por
último, la región donde se ha producido el empalme se protege para facilitar el manejo de la
fibra [9].
15
CAPÍTULO 1: CARACTERÍSTICAS GENERALES
Esta preparación de la fibra será tratada con más detalle en el Capítulo tres.
Figura 1-12. Procedimiento de empalme de fibras ópticas por fusión.
16
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
Capítulo 2
Pérdidas en conexiones de fibras ópticas
En este capítulo presentaremos un análisis de las pérdidas que podemos encontrar en
un sistema de comunicación a través de fibra óptica, es decir todas las pérdidas que se
pueden insertar en un enlace al realizar las conexiones necesarias, también veremos en qué
parte de todas éstas pérdidas se encuentra situado el objetivo particular de este trabajo
dando así un panorama general de la magnitud de este problema que se presenta al realizar
la unión de fibras ópticas.
2.1 Introducción
La fibra óptica es un canal de transmisión o de propagación de la luz, que tiene
características propias ligadas a su capacidad de propagación del flujo energético. Estas
características intrínsecas de la fibra son la apertura numérica, el diámetro del núcleo y el
perfil del índice. Cada fibra óptica posee sus propias características intrínsecas; así, cuando
se unen o se conectan dos fibras, hay un defecto de continuidad en el mecanismo de
propagación, lo que puede causar pérdidas. Es necesario hacer la instalación de manera que
el flujo energético pueda acoplarse en la fibra receptora. La instalación nunca es perfecta
por lo que se originan pérdidas, que no se deben a la fibra sino a la técnica de instalación.
Como se mencionó, las pérdidas en empalmes pueden ser:
•
Intrínsecas a la fibra por: diferencia de diámetro entre los núcleos de las fibras;
excentricidad de los núcleos respecto del revestimiento, núcleos ligeramente
elípticos, diferencia entre los perfiles de los índices de refracción entre las dos
fibras, diferencia entre los valores de los ángulos de aceptación de las fibras.
•
Extrínsecas a la fibra por: limpieza insuficiente del revestimiento, corte defectuoso,
ejes de la fibra no alineados, ejes de fibra no paralelos e imperfección en la fusión.
2.2 Pérdidas por atenuación
Según lo mencionado anteriormente aparecen múltiples factores que introducen
pérdidas significativas en un enlace de fibra óptica. Uno de los factores que es
preponderante en la transmisión a través de este medio lo encontramos cuando la
transmisión de luz en una fibra óptica no es 100 % eficiente. Esta pérdida de luz en la
transmisión es llamada atenuación.
17
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
La atenuación en una fibra óptica es medida al comparar la potencia de salida con la
potencia de entrada, se mide en decibeles por unidad de longitud, generalmente está
⎛P ⎞
expresada en decibeles por kilómetro (dB/km), según la relación 10 log⎜⎜ S ⎟⎟ , [8]. Donde
⎝ PO ⎠
PS y PO son las potencias de salida y entrada respectivamente.
Los factores que influyen en la atenuación se pueden agrupar en dos.
•
Factores propios
Podemos destacar fundamentalmente los siguientes:
o Pérdidas por absorción (materiales dentro de la fibra)
o Pérdidas por dispersión
o Disipación de luz fuera del núcleo de la fibra
o Pérdidas de luz fuera del núcleo causado por factores ambientales
o Atenuación por empalme
Cuando empalmamos una fibra con otra, en la unión se produce una variación
del índice de refracción lo cual genera reflexiones y refracciones, sumándose la
presencia de impurezas, todo esto resulta en una atenuación. Se mide en ambos
sentidos tomándose el promedio. La medición en uno de los sentidos puede dar
un valor negativo, lo cual parecería indicar una amplificación de potencia, esto
no es posible en un empalme, pero el promedio debe ser positivo, para resultar
una atenuación.
De este tipo de pérdidas podemos encontrar dos tipos:
— Por inserción
Es la atenuación que agrega a un enlace la presencia de un conector o un
empalme [10].
— De retorno o reflactancia
Es la pérdida debida a la energía reflejada, se mide como la diferencia entre
el nivel de señal reflejada y la señal incidente, es un valor negativo y debe
ser menor a -30 dB (típico -40dB). En ocasiones se indica obviando el signo
menos.
Las pérdidas por absorción, dispersión y disipación se detallarán más adelante.
18
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
•
Factores externos
El principal factor que afecta son las deformaciones mecánicas. Dentro de éstas se
encuentran las curvaturas, esto conduce a la pérdida de luz por que algunos rayos no
sufren la reflexión total y se escapan del núcleo [12,13].
Las curvas a las que son sometidas las fibras ópticas se pueden clasificar en macro
curvaturas (radio del orden de 1cm o más) y micro curvaturas (el eje de la fibra se
desplaza unas decenas de micra sobre una longitud de unos pocos milímetros), ver
figura 2-1.
Figura 2-1. Macro y micro curvaturas en fibras ópticas.
2.3 Pérdidas por dispersión
Los empalmes utilizados para conectar ambos extremos de las fibras causan también
una pérdida de la señal en el rango de 0.5 dB. Así mismo los conectores o interfaces
incurren también en pérdidas de 1 dB o más [11].
La dispersión es la distorsión de la señal, resultante de los distintos modos (simple y
multimodo), debido a los diferentes tiempos de desplazamiento de una señal a través de la
fibra. En un sistema modulado digitalmente, esto causa que el pulso recibido se ensanche
en el tiempo, para una mayor referencia vea la figura 2-2. No hay pérdida de potencia en la
dispersión, pero se reduce la potencia pico de la señal. La dispersión aplica tanto a señales
analógicas como digitales. La dispersión es normalmente especificada en nanosegundos por
kilómetro (ns/km).
Figura 2-2. Atenuación y dispersión en una fibra óptica.
19
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
La dispersión de una energía óptica cae en las siguientes categorías.
•
Dispersión modal
La luz viaja en trayectorias diferentes para cada modo en una fibra. Cada ruta varía
la longitud óptica de la fibra para cada modo. En un cable largo, el estiramiento y
sumatoria de todos los modos de la fibra tienen un efecto "de longitud"sobre el
pulso óptico.
•
Dispersión espectral
El índice refractivo es inversamente proporcional a la velocidad de la luz que viaja
en un medio y su velocidad varía con respecto a su longitud de onda. Sin embargo,
si dos rayos tienen diferentes longitudes de onda son enviados simultáneamente
sobre la misma trayectoria, estos arribarán ligeramente a diferentes tiempos. Esto
causa los mismos efectos de la dispersión modal, ensanchando el pulso óptico. La
dispersión modal puede ser minimizada reduciendo el ancho del espectro de la
fuente óptica.
•
Dispersión de Rayleigh o material
Durante el proceso de fabricación, el vidrio es producido en fibras largas, de un
diámetro muy pequeño. Durante este proceso, el vidrio está en un estado plástico
(no líquido y no sólido). La tensión aplicada al vidrio durante este proceso, causa
que el vidrio se enfríe y desarrolle irregularidades submicroscópicas que se forman
de manera permanente, en la fibra. Cuando los rayos de luz que se están propagando
por una fibra óptica chocan contra una de estas impurezas, se difractan. La
difracción causa que la luz se disperse o se reparta en muchas direcciones. Una
parte de la luz difractada continua por la fibra y parte de ésta se escapa por la
cubierta. Los rayos de luz que se escapan representan una pérdida en la potencia de
la luz. Esto se llama pérdida por dispersión de Rayleigh [14].
2.4 Pérdidas por acoplamiento
Las pérdidas por acoplamiento pueden ocurrir en cualesquiera de los tres tipos de
uniones ópticas: conexiones de fuente a fibra, de fibra a fibra y conexiones de fibra a
fotodetector.
Las pérdidas de unión son causadas más frecuentemente por:
•
Desalineación lateral
Ocurre cuando hay un desplazamiento axial o lateral entre dos piezas de cable de
fibra óptica contigua, se puede ver en la figura 2-3.
20
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
Figura 2-3. Desalineación lateral, X es la distancia de desalineación que existe.
•
Desalineación de separación
Ocurre cuando se empalman fibras, las fibras deben tocarse, entre más separadas
estén las fibras mayor será la pérdida de luz, incluso puede ser angular, como se
observa en la figura 2-4.
Figura 2-4. Desalineación de separación angular, se produce cierto grado de
inclinación (θ), entre las fibras ópticas.
•
Mal acabado de superficie
Las puntas de las dos fibras a unir deben estar altamente pulidas, de lo contrario
éstas no podrán alinearse. En la figura 2-5 se puede ver un caso típico de superficies
no aptas para empalmar.
Figura 2-5. Mal acabado de superficie, en los extremos hay impurezas que
generarán un mal empalme.
Es importante mencionar que existen dos tipos de acoplamiento básico:
21
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
•
El acoplamiento por conector
Es un empalme de fibra óptica a algún extremo de la comunicación, sirve para
acoplar un extremo a una fibra; se debe tener en cuenta el tipo de conector que se va
a usar y el lugar en que se encuentra, de tal manera que si instala un panel de
conexiones deberán usarse también cordones de conexión o latiguillos. Un latiguillo
es un cordón de conexión cortado a la mitad, y un cordón de conexión es un cable
de fibra óptica de corta longitud con conectores en ambos extremos. Un latiguillo de
fibra óptica se usa para terminar una fibra óptica con un conector, el latiguillo se
empalma a la fibra óptica para proporcionar una terminación de calidad con un
conector de fábrica. En la Tabla 2-1 se pueden ver los conectores más utilizados en
fibra óptica.
Tabla 2-1. Tipos de conectores usados para acoplar fibras ópticas.
TIPO DE
CONECTOR
SC
DESCRIPCIÓN
CONECTOR
Es un conector ampliamente utilizado con
fibras monomodo
Es un conector prácticamente nuevo, utiliza
revestimientos de 1.25 mm la mitad del
conector ST
Sirve para hacer dobles conexiones que
cumplan con las especificaciones de la red
óptica.
Es un conector ampliamente utilizado con
fibras monomodo
LC
FDD
SC
SC - DUPLEX
Es un derivado del conector SC
MT – ARRAY
Es un conector para 12 fibras en un cable. Su
uso debe ser predeterminado y establecido por
un fabricante
Es el conector más popular para fibras
multimodo, se coloca de manera sencilla
ST
•
El acoplamiento por empalme
Es una técnica que se utiliza para unir permanentemente dos fibras ópticas en una
conexión de bajas pérdidas. Estas conexiones se pueden realizar usando uno de
estos dos métodos:
o Empalmes mecánicos
Un empalme mecánico es una técnica alternativa de empalmado que no requiere
una empalmadora de fusión. Un empalme mecánico es un conector de fibra
22
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
pequeño que alinea dos fibras desnudas de manera precisa y que las asegura
mecánicamente. Para fijar permanentemente la unión se utilizan cubiertas de
epóxico o resina sintética directamente sobre las fibras desnudas, como se dijo
anteriormente en la figura 1-9.
o Empalme por fusión
Un empalme por fusión proporciona la conexión de pérdidas más bajas. Para
realizar este tipo de empalme se utiliza un dispositivo denominado empalmadora
de fusión. La empalmadora de fusión alinea con precisión las dos fibras,
generando un pequeño arco eléctrico para soldar las dos fibras.
Normalmente luego de realizar un empalme, éste debe ser protegido, por lo que se
coloca en una bandeja de empalmes la cual se cierra a presión, luego ésta es colocada en
una caja de empalmes de tal manera que se proteja la bandeja de empalmes de posibles
daños de animales o causados por las condiciones del ambiente.
Presentaremos algunas propuestas de cómo manejar este tipo de problemas en fibras
ópticas así como su tratamiento para analizar dónde podemos encontrar menor pérdida u
obtener un mejor manejo de éstas.
2.5 Causas principales de malos empalmes mecánicos o por
fusión.
Para analizar algunas de las causas de pérdidas mencionadas anteriormente
consideraremos que la fibra óptica debe ser introducida en un tubo capilar para que esté lo
más alineada posible, y así evitar en lo posible los problemas que podemos encontrar con
mayor frecuencia que son las pérdidas asociadas a: núcleos desalineados y de diferente
diámetro, así como para la diferencia de apertura numérica y por incompatibilidad de
núcleos.
Recordemos que las fibras ópticas tienen un centro óptico (núcleo) rodeado por una
región de revestimiento óptico, y una capa de polímero que recubre dicho revestimiento y
que en algunos casos puede ser removida. De modo que cuando dos fibras ópticas son
introducidas en un tubo de cristal (para realizar un empalme) hasta que hacen contacto
físico donde es aplicado un fluido para minimizar las reflexiones; asumiremos hasta
entonces que las fibras son del mismo tipo y que tienen las mismas especificaciones.
Consideremos un empalme mecánico con recubrimiento holgado como se ve en la
figura 2-6.
En este caso la transmisión de la fibra emisora hacia la fibra receptora si los núcleos
de la fibra están desalineados, si los núcleos tienen diámetros diferentes ó si los núcleos
tienen aperturas numéricas diferentes será menor al 100%. Pueden sumarse además otras
23
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
pérdidas si los núcleos no son circulares y algunas otras debido al tipo de empalme que se
realice.
Figura 2-6. Recubrimiento holgado de un empalme de fibras ópticas.
En la referencia [15] podremos observar un conjunto de ecuaciones con las cuales
podemos conocer las contribuciones de pérdidas en empalmes, su cálculo está en función
de los parámetros geométricos de la figura 2-7.
Figura 2-7. Parámetros usados para el cálculo de pérdidas en empalmes. a, b, A
y B representan los radios del núcleo y del revestimiento respectivamente; Tmín y Tmáx
representan la pared más delgada y más gruesa entre el núcleo y la cubierta; DC y DT son el
diámetro de la fibra a la cubierta y de la fibra al tubo exterior.
La cubierta concéntrica es definida usando el valor mínimo y máximo de la cubierta
más delgada.
DCDT =
Tmin
Tmax
(1)
donde
Tmín y Tmáx representan la pared más delgada y más gruesa entre el núcleo y la cubierta; DC
y DT son el diámetro de la fibra a la cubierta y de la fibra al tubo.
Los diámetros del núcleo y del revestimiento son definidos como diámetros
circulares que dan la mejor instalación, es decir, que se pueden alinear correctamente con
respecto a los perímetros del núcleo y del revestimiento. Pero para una forma elíptica del
núcleo y del revestimiento la mejor instalación es:
24
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
Dn = 2
a 2 + b2
2
(2)
donde
Dn es el diámetro del núcleo; a y b son los radios de la fibra, mostrados en la figura 2-7, y
Dr = 2
A2 + B 2
2
(3)
donde
Dr es el diámetro del revestimiento; A y B son los radios del revestimiento, mostrados en la
figura 2-7.
Las no-circularidades del núcleo y el revestimiento son:
N CN =
2 a − 2b
Dn
(4)
donde
NCN, Dn, a y b son las no circularidad, el diámetro y los radios del núcleo.
Y
N CR =
2 A − 2B
Dr
(5)
donde
NCR, Dr,, A y B son la no circularidad, diámetro y radios del revestimiento.
Como ya se dijo antes uno de los problemas que podemos encontrar es el de los
núcleos desalineados. Si colocamos dos fibras dentro de un tubo muy delgado, los núcleos
pueden quedar desajustados, como se observa en la figura 2-8. En ella se muestra un caso
donde, la desviación entre los centros es máxima y además muestran una pequeña “no circularidad”.
Figura 2-8. Caso de desviación entre los centros de los núcleos de una fibra
emisora y receptora, Y es la desviación que se ha causado.
25
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
Con respecto al revestimiento de la fibra podemos considerar tres contribuciones
para una desviación de núcleos de fibra óptica con revestimiento, como se muestra en la
figura 2-9, los cuales dan la más grande desviación cuando todos están en la misma
dirección.
Figura 2-9. Contribuciones de las desviaciones del núcleo de una fibra desde el
centro del tubo cuando la fibra tiene cubierta. Donde, Δ1, Δ2 y Δ3 representan la
desviación entre el centro de la fibra/tubo; revestimiento/cubierta y, núcleo/revestimiento,
respectivamente.
La desviación entre el centro de la fibra y el centro del tubo es:
Δ1 =
DT − Dr
2
(6)
donde
Δ1 es la desviación entre los centros fibra - tubo; DT y Dr son el diámetro del tubo y
revestimiento, respectivamente.
La desviación de la cubierta - revestimiento Δ2 es la más grande cuando el eje
menor del revestimiento es alineado a lo largo de la desviación.
⎛
⎜
1
1
Δ2 = ⎜ −
⎜2
1
1+
⎜
DC DT
⎝
⎞
⎟
⎟ ⋅ (D − 2 B )
r
⎟
⎟
⎠
(7)
donde
Δ2 es la desviación entre el revestimiento y la cubierta; DC, DT, Dr son el diámetro de la
fibra - cubierta, fibra - tubo y fibra - revestimiento, respectivamente; B es el radio de la
parte más larga de la fibra,
y
26
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
2
2
Dr CCN 1 ⎛ Dr CCN ⎞
CCN
2⎛
⎜
B=−
+
⎜
⎟ + Dr ⎜ 1 −
4
2 ⎝ 2 ⎠
2
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
(8)
donde
B es el diámetro mayor de la fibra; Dr es el diámetro del revestimiento y CCN es el
revestimiento no circular.
La figura 2-10 muestra las contribuciones de la desviación del centro de la fibra la
cual ha sido descubierta. Para una fibra sin esmalte no hay que especificar la desviación de
la capa que la cubre.
Figura 2-10. Contribuciones de las desviaciones del núcleo de una fibra desde el
centro del tubo cuando la fibra no tiene cubierta; donde Δ1 y Δ3 representan las
desviaciones: fibra - tubo y por núcleo - revestimiento.
La desviación es:
Δ1 =
D T − 2B
2
(9)
donde
Δ1 es la desviación entre el centro de la fibra y el centro del tubo; DT es el diámetro del tubo
y B es el radio de la parte más larga de la fibra.
La desviación total es ligeramente más grande cuando la fibra tiene recubrimiento a
pesar de que solo hay dos contribuciones que se reflejan directamente en las pérdidas
ocasionadas.
Las pérdidas por desviación del centro e incompatibilidad del diámetro nos arrojan
que la potencia óptica a menudo es distribuida uniformemente entre las fibras ópticas que
se encuentran a no más de 10 metros de la fuente (será la misma a lo largo de esa longitud),
un empalme o un conector. Los resultados pueden ser exactos por medio de una expresión
para la forma geométrica de la figura 2-11 y siempre que la desviación sea más grande del
5% del diámetro del núcleo.
27
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
Figura 2-11. Núcleos de fibra desviados e incompatibilidad de diámetros. Dnr,
Dne son los diámetros de los núcleos del receptor y emisor; Y es la desviación de los
núcleos.
Cuando tenemos pérdidas por diámetros de núcleo mal colocados. La expresión
estándar que utilizamos para núcleos concéntricos con diámetro mal colocado es dada por:
⎛D
Pd = 1 − ⎜⎜ nr
⎝ D ne
⎞
⎟⎟
⎠
2
(10)
donde
Pd es la pérdida por núcleo mal colocado; y Dnr, Dne son el diámetro del núcleo receptor y
emisor respectivamente.
Podemos encontrar que también existen pérdidas por apertura numérica diferente ya
que ésta es un número adimensional que caracteriza el rango de ángulos para los cuales el
sistema acepta luz, como se dijo en el Capítulo uno.
La reflexión interna causada por el revestimiento y el núcleo es la que causa que la
luz sea guiada a lo largo de la longitud de una fibra óptica, la luz debe estar contenida
dentro de un ángulo aceptable para que pueda entrar al núcleo. El cono de aceptación ó
apertura numérica mide el rango de aceptación de la luz dentro de la fibra óptica. El ángulo
sobre el cual la fibra acepta la luz depende del índice de refracción del núcleo y
revestimiento del vidrio del que está hecha la fibra. Para el caso de que las fibras tengan
diferente apertura numérica, la pérdida por transmisión óptica (Pinc. NA) es:
⎡ 1 ⎛ ⎛ NA ⎞ 2 ⎞⎤
pinc.NA [dB ] = −10 log ⎢1 − ⎜ 1 − ⎜⎜ r ⎟⎟ ⎟⎥
⎢ 2 ⎜ ⎝ NAe ⎠ ⎟⎥
⎝
⎠⎦
⎣
(11)
donde
Pinc. NA [dB] es la pérdida por transmisión óptica; NAr y NAe son la apertura numérica del
centro del núcleo receptor y centro del núcleo emisor.
28
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
La figura 2-12 muestra dos núcleos de fibra emitiendo y recibiendo, la línea
punteada indica la localización en donde las fibras tiene la misma apertura numérica y toda
la luz emitida es recibida, debajo de la línea punteada la recepción del núcleo tiene una
apertura numérica pequeña y sólo una porción de la luz de la fibra emisora se pierde.
Figura 2-12. a) Los centros tienen el mismo diámetro; b) El núcleo emisor es
más grande que el núcleo receptor.
Usando la ecuación (12) podemos calcular la pérdida debida a un diámetro de
núcleo mal colocado Pinc. dia.[dB].
1⎡ ⎛D ⎞
Pinc.dia. [dB ] = ⎢1 − ⎜⎜ nr ⎟⎟
2 ⎢ ⎝ Dne ⎠
⎣
2⎤
⎥
⎥⎦
(12)
donde
Pinc. dia. [dB] es la pérdida de incompatibilidad de diámetro, Dnr y Dne son el diámetro del
núcleo receptor y del núcleo emisor. Los fabricantes no especifican la tolerancia de la
apertura numérica, sin embargo la tolerancia es de ± 0.015 típicamente.
Es importante destacar que por el contrario de lo que se piensa, por el manejo a
veces indebido que se le da a la fibra óptica algunas veces éstas no son circulares, sino que
se observa que tienen una ligera forma elíptica, de modo que para núcleos de fibras de
forma elíptica las pérdidas ópticas son las más grandes y ocurren cuando el núcleo receptor
es girado 90° con respecto al núcleo emisor, como se ve en la figura 2-13.
29
CAPÍTULO 2: PÉRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS ÓPTICAS
Figura 2-13. Núcleo de forma elíptica. Donde a y b son los radios de la fibra
emisora y receptora.
La pérdida de este tipo de empalme (Pelip [dB]) en este caso es:
⎛4
⎛ b ⎞⎞
Pelip [dB] = −10 log ⎜⎜ tan −1 ⎜ ⎟ ⎟⎟
⎝ a ⎠⎠
⎝π
(13)
donde
Pelip [dB] es la pérdida elíptica; a y b son los radios de la fibra emisora y receptora.
Se modificó esta expresión reduciendo la pérdida lineal a la mitad tomando en
cuenta el efecto del núcleo desviado o desalineado, de modo que ahora la expresión es:
⎡ 1⎛
4
⎛ b ⎞ ⎞⎤
Pelip [dB] = −10 log ⎢1 − ⎜⎜ 1 − tan −1 ⎜ ⎟ ⎟⎟⎥
π
⎝ a ⎠ ⎠⎦
⎣ 2⎝
(14)
donde
Pelip [dB] es la pérdida elíptica; a y b son los radios de la fibra emisora y receptora.
Como se ha visto a lo largo de este capítulo son muchas las causas que deben
considerarse al momento de realizar un empalme, aún que aquí se han expuesto algunas de
las más comunes, veremos en capítulos posteriores que pueden sumarse todavía otros
problemas que acarrean más pérdidas al momento de realizar empalmes de fibra óptica,
principalmente los empalmes por fusión, los cuales son el objeto de estudio de este trabajo.
30
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Capítulo 3
Recomendaciones en el tratamiento y preparación de la
fibra óptica al realizar conexiones
En este capítulo se hará mención del proceso a seguir en la realización de
conexiones entre fibras ópticas, mostraremos a detalle la forma correcta de realizar los
empalmes y el tratamiento previo que se le debe dar a la fibra óptica para obtener un
empalme de excelente calidad y obtener la menor cantidad de pérdidas en él, estos
resultados se mostrarán en el Capítulo 4.
3.1 Introducción
Las interconexiones mencionadas anteriormente, deben introducir el mínimo de
pérdidas de energía luminosa; la transferencia de energía de un elemento a otro deber ser
máxima. Como existen fibras ópticas cuya atenuación es inferior a 1 dB/Km, toda conexión
que produzca una pérdida de 1 dB del flujo energético acorta en más de un kilómetro la
longitud potencial del enlace. El objeto de la conexión es realizar interconexiones con
pocas pérdidas [16].
Una especificación clave de las fibras ópticas es la excentricidad de la fibra.
Típicamente los valores son de alrededor de 1 μm. Para las fibras multimodo con diámetro
de núcleo de 50 hasta 200 μm no son valores significantes. Sin embargo, para la fibra
monomodo con diámetro de núcleo de 8 hasta 12 μm este tamaño de desviación entre la
geometría del centro de la fibra y la localización del núcleo puede dar una pérdida de
potencia del 15 a 30 %. El núcleo debe estar también colineal con el recubrimiento exterior,
ya que la alineación de los conectores con la fibra es un factor clave, pues para fibras
monomodo es mucho más peligroso tener cualquier tipo de desalineación ya que el tamaño
del núcleo se ve reducido por lo que la transmisión se ve afectada en más porcentaje que
por ejemplo una fibra multimodo cuyo diámetro es mucho mayor. En conjunto todos estos
puntos derivan en un empalme ineficiente para la transmisión de potencia en la fibra óptica,
es decir, se insertan pérdidas. Todos los tipos de pérdidas mencionados, hacen crecer
significativamente las pérdidas, en especial cuando hablamos de fibras ópticas monomodo
pues el diámetro de su núcleo es mucho menor que el de las fibras multimodo, así entonces
cualquier desalineación puede causar una cantidad mayor de pérdida en la señal luminosa.
Un empalme típico fibra – fibra inserta pérdidas de 0.1 dB a 0.25 dB; aunque parece
un valor muy pequeño no debemos perder de vista que debemos sumar esta pérdida por
cada empalme que realicemos, de modo que la pérdida total en un enlace puede volverse
mayor [17].
31
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Cuando dos fibras monomodo son unidas en una conexión, casi siempre existe un
hueco entre ellas; esto ocasiona reflexiones de Fresnel, las cuales resultan en una
significante cantidad de potencia reflejada dentro de la transmisión en la fibra. Esta
situación puede traer errores significantes en sistemas de comunicación por fibra óptica.
Para minimizar estos efectos debemos reducir el hueco tanto como sea posible ya
sea puliendo el final de la fibra cada vez que se vaya a realizar un empalme o hacer un corte
“perfecto” para evitarlo, ya que de lo contrario las pérdidas por reflexión para estos casos
son cercanas a los 11 dB. Para lograr esto existen herramientas que nos permiten
aproximarnos a lo que se llamó un corte perfecto, sin embargo, la persona que lo realice
debe tener la suficiente práctica y habilidad para lograrlo, por otro lado debemos cuidar la
limpieza de los extremos ya que cualquier impureza también puede desencadenar un mal
empalme, para esto existen métodos aplicados por las empalmadoras para eliminarlas,
como se verá más adelante.
3.2 El corte de la fibra óptica
Existe cierto número de factores que tienen marcada influencia en la calidad de los
empalmes de fibra óptica y uno de los más importantes es el corte de la fibra para realizar el
empalme [18].
El corte de la fibra óptica es el proceso en el que el extremo de la fibra sufre un
pequeño rayado y doblez que ocasiona que se fracture en forma limpia en todo el diámetro
de la fibra, esto puede verse en la figura 3-1.
Figura 3-1. Corte de la fibra óptica, después de hacer la muesca procede hacer
un pequeño doblez de la fibra para que el corte se realice en su totalidad.
Lo que se persigue mediante el corte es realizar una ruptura limpia que deje
expuesta una cara sin rugosidades y que sea perpendicular al eje de la fibra, esto a fin de
minimizar los defectos que pueden aparecer cuando los cortes están chuecos uno respecto
al otro, como se ve en la figura 3-2. Un corte perfecto presentará un ángulo de 0º lo que
significará que la cara de la fibra tiene un ángulo de 90º con respecto a cualquier parte del
eje de la fibra.
32
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Figura 3-2. Algunas situaciones obtenidas después de cortar la fibra óptica.
Las cortadoras de fibra óptica van desde la más sencilla que es portátil cuyo
elemento de corte es de carburo, las que tienen elemento de corte de diamante y las más
complejas que realizan el corte mediante ultrasonido (ver figura 3-3) y que pueden
proporcionar en forma consistente cortes con ángulos que tienen fracciones de grado.
Figura 3-3. Tipos de cortadoras, que se utilizan hoy en día.
Los empalmes pueden ser como se mencionó antes de dos tipos: mecánicos o por
fusión. El proceso para realizar empalmes mecánicos requiere que la persona que los realice
tenga una práctica constante y además que sea muy cuidadoso al realizar los diversos
procedimientos de empalme y de utilización de equipo asociado a éste. Muchos empalmes
mecánicos pueden ser monitoreados durante el proceso de instalación y pueden ser
ajustados hasta que con el equipo de prueba OTDR (Optical Time Domain ReflectometerReflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo) se obtenga una atenuación eficiente. Una
vez obtenido el valor deseado, el empalme mecánico se fija o se cierra para que las fibras
queden sujetas y firmes. El empalme mecánico se realiza mediante el alineamiento de los
diámetros exteriores de las fibras que se empalman.
Los empalmes mecánicos realizados en fibras ópticas nuevas son mucho más
consistentes ya que éstas tienen buena concentricidad en el núcleo. Cuando se realizan
reparaciones o cuando se trabaja en fibras de cables instalados con anterioridad, la
desigualdad en la concentricidad de las fibras puede provocar resultados de baja calidad
con la utilización de los empalmes mecánicos. El costo relativo del equipo para realizar
33
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
empalmes mecánicos es relativamente bajo en comparación con el requerido para los
empalmes por fusión, pero los materiales consumibles (empalme en sí mismo) es muy alto
en comparación con los consumibles para empalmes por fusión [19].
3.3 Empalmadoras utilizadas para unir fibras ópticas
Los empalmes de fusión se realizan mediante la unión por medio de la "soldadura"
debida a la aplicación de un arco eléctrico que funde ambas fibras ópticas en sus extremos,
el equipo que se utiliza en la fusión de las fibras se suele denominar empalmadora, soldador
o fusionador. Aunque el costo inicial del equipo para fusión es considerablemente elevado,
el resultado de los materiales consumibles para realizar los empalmes por fusión es muy
bajo y el resultado del empalme de fusión es considerablemente superior al obtenido
mediante los empalmes mecánicos. Dentro de las empalmadoras de fusión hay dos tipos de
ellas. Las que verifican la calidad de los empalmes y las que no verifican los mismos.
Mencionaremos algunos de ellos de más relevancia [24].
El principio básico de los empalmes por fusión es el de preparar los extremos de las
fibras a unir, de modo que éstos sean homogéneos al unirse preliminarmente. Además para
garantizar un empalme de calidad es necesario posicionar las fibras de manera precisa, es
decir, alinearlas de modo que no presenten ningún problema de los mencionados en el
capítulo anterior, y calibrar la empalmadora para estabilizar y controlar la temperatura del
arco que producirá la unión de las fibras.
Las firmas comerciales ofrecen 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 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.
El sistema que utilizan las empalmadoras que verifican la calidad del empalme es el
denominado LID (Local Inject and Detect System) o Sistema de Inyección y Detección (de
luz) en forma Local, que consiste en introducir luz en una fibra y verificar la recepción en
la otra (de las que se van a empalmar), este procedimiento se ve en la figura 3-4. En muchas
ocasiones se adiciona a este sistema un sistema de posicionamiento de las fibras lo que
permite realizar los empalmes en forma más eficiente y con una calidad consistentemente
buena. Las empalmadoras que tienen el sistema LID, proporcionan los empalmes más
consistentes de todas las formas de empalme en un rango promedio de 0.05 dB en forma
confiable cuando la concentricidad de los núcleos de las fibras es el principal problema a
resolver. Posteriormente se verá que no siempre es así, ya que al realizar los experimentos
se observó que pueden aparecer otro tipo de problemas al realizar empalmes por fusión,
esto se mencionará en secciones posteriores.
34
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Otro tipo de empalmadora es la que utiliza el sistema de alineamiento de perfiles.
Éstas son muy confiables pues ocupan el segundo lugar en confiabilidad ya que son
afectadas por la concentricidad de las fibras.
Existen otras empalmadoras que utilizan el sistema de canales V para alinear las
fibras. Se ubican en tercer lugar en cuanto a su eficiencia ya que realizan el acercamiento y
alineamiento de las fibras tomando en cuenta el diámetro exterior de la fibra. Sin embargo
cabe mencionar que cualquier tipo de empalme por fusión tiene mejor desempeño que los
empalmes de tipo mecánico.
Figura 3-4. Sistema de inyección y detección de luz.
Los costos de los equipos y las interfases para fibra óptica en la actualidad
permanecen con precios mayores que los que se utilizan para cobre. Esto se debe
parcialmente a la limitada producción de los componentes de fibra óptica debido a la gran
capacidad de transmisión (ver anexo B). Esta situación se está revirtiendo en forma
acelerada en los últimos tiempos ya que existe la tendencia de llevar las señales mediante
cables de fibra óptica hasta el escritorio.
El uso de cobre para unir dos puntos es la solución más económica en la actualidad.
Existen algunos sistemas en base a cobre que permiten desempeños que se equiparan a las
especificaciones de FDDI (Fiber Distributed Data Interface) en distancias cortas. Esta
combinación proporciona un gran desempeño cuando se utiliza en conjunto con sistemas de
fibra óptica de gran capacidad.
3.4 Métodos de empalme de fibras ópticas por fusión directa
Recordemos la estructura básica de una fibra óptica observando la figura 3-5.
35
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Figura 3-5. Capas básicas que recubren una fibra óptica.
Es de importancia mencionar que estas tres capas de la fibra se utilizan como
referencia al momento de realizar los empalmes [25].
Existen diversos métodos de empalme de fibras ópticas por fusión directa, todos
ellos clasificados en base al tipo de fuente de calor utilizada: una descarga eléctrica, un
láser gaseoso o una llama. El primero de ellos es el más ampliamente utilizado en el caso de
fibras de sílice. En especial, se han desarrollado varias técnicas para realizar empalmes por
medio de descarga eléctrica, tales como el método de prefusión, el método de descarga de
alta frecuencia con un elevado voltaje de trigger (HHT), y el método de calentamiento
uniforme para realizar empalmes de fibras ópticas múltiples. Posteriormente comentaremos
con algo más de detalle en qué consiste cada uno de ellos.
En primer lugar, se quitan las cubiertas de las fibras y se cortan, como se ve en la
figura 1-12. Ambas fibras se sitúan con una cierta separación entre ellas en una máquina
empalmadora de fibras y se pulsa un botón para comenzar el proceso. Hasta este punto el
trabajo se realiza manualmente por parte de un operario. En el momento de pulsar el botón
de la máquina, ésta comienza a mover las fibras para reducir la separación entre las
mismas. Durante el movimiento de las fibras, se genera una descarga eléctrica que se
mantiene durante un período de tiempo predeterminado. Este proceso tiene lugar de forma
automática en la máquina empalmadora. Por último, la región donde se ha producido el
empalme se protege para facilitar el manejo de la fibra. Actualmente existen máquinas
completamente “automáticas” que realizan todas las acciones: desde quitar las cubiertas
hasta proteger el empalme. Sin embargo debe ser supervisado el proceso por un experto
para reducir los riesgos que nos lleven a obtener un empalme de baja calidad [22].
3.4.1 Corte de la fibra y método de prefusión
La calidad obtenida en el extremo de la fibra tras el corte afecta a las pérdidas del
empalme posterior, resultando difícil no obtener superficies pulidas mediante la técnica de
empalme por fusión directa. Por este motivo, se han propuesto diversas técnicas de corte de
fibras que no utilizan máquina de pulir. En cuatro de estas técnicas, a la fibra se le hace una
muesca y posteriormente se dobla para realizar el corte. Entre las distintas posibilidades
para producir dicha muesca se encuentran: un filo de cuchilla, una descarga eléctrica, un
alambre caliente o un láser CO2. Incluso existe otra posibilidad que consiste en realizar una
muesca y tirar posteriormente de la fibra sin doblarla. De entre todos los métodos, el más
36
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
ampliamente utilizado es el basado en la muesca con cuchilla o elemento similar y posterior
doblez de la fibra, como ya se había mencionado en la Sección 3.2.
Además de los factores de pérdidas más comunes presentes al realizar empalmes,
tales como desplazamiento lateral o inclinación, existen otros factores de pérdidas en el
caso del método de empalme por fusión, por ejemplo la aparición de burbujas, líneas negras
y/o manchas obscuras entre ambos extremos de la fibra. Cuando se produce esto, las
burbujas o cualquier otro factor introducen pérdidas de unos pocos decibelios o incluso
más. En los procedimientos de empalme anteriores a la existencia del método de prefusión,
ambas fibras se presionaban ligeramente y posteriormente se fusionaban por medio de una
descarga eléctrica. Sin embargo cuando los extremos de la fibra no eran lisos se producían
desplazamientos laterales y dobleces además de una mayor probabilidad de formación de
burbujas como consecuencia del confinamiento de aire entre las superficies rugosas.
Precisamente para evitar todo esto se propuso el método de prefusión.
El procedimiento consiste en situar los extremos de ambas fibras con una separación
de unas micras y posteriormente prefusionarlos con una descarga eléctrica, lo que produce
unas superficies lisas. Entonces éstas se desplazan y presionan bajo la descarga. Tras
tocarse los extremos, ambas fibras permanecen presionadas debido al movimiento. El
calentamiento, por otro lado, continúa incluso una vez que ha cesado el desplazamiento. El
tiempo de descarga es de unos pocos segundos y para fibras monomodo resulta
relativamente pequeño en comparación con el escenario para fibras multimodo. Con este
método se obtienen bajas pérdidas en la región del empalme incluso para superficies no
perfectas. Dado que es difícil obtener superficies perfectamente pulidas fuera del
laboratorio, este método resulta beneficioso en la construcción de una máquina
empalmadora para estos fines.
3.4.2 Método HHT
En la práctica existen dos tipos de descargas eléctricas que se clasifican en descarga
de corriente continua (DC) y descarga de corriente alterna (AC). En general, una descarga
AC se prefiere sobre una descarga DC. En el caso de una descarga DC solamente se gasta
un electrodo, mientras que en la descarga AC se gastan simultáneamente y de forma
simétrica los dos electrodos. El método HHT pertenece precisamente al grupo de descargas
AC, y como se verá a continuación una descarga de alta frecuencia posee propiedades
beneficiosas.
En el circuito de alimentación utilizado en el método HHT, un voltaje DC de
entrada de 12 v se convierte en una señal pulsante de frecuencia 20 – 40 KHz mediante
conmutación empleando dispositivos semiconductores. Estas frecuencias de trabajo son
bastante comunes en el caso de circuitos de alimentación de potencia y existen gran
cantidad de componentes semiconductores disponibles. El generador de disparo situado a la
salida de un transformador y compuesto de diodos y condensadores se encarga de activar
los electrodos de descarga. Finalmente, existe un circuito de realimentación para el control
de la conmutación.
37
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
En ciertos experimentos comparativos utilizando descargas eléctricas de baja y de
alta frecuencia se han medido características diferenciadoras en cuanto a su eficiencia. Los
experimentos se han llevado a cabo para frecuencias de descarga de 50 Hz y 20 KHz, con
una separación entre electrodos de 1.5 mm. Las distribuciones espaciales de la descarga
obtenidas en ambos casos presentaban un perfil prácticamente gaussiano, tal y como se
muestra en la figura 3-6. Sin embargo, en el caso de la descarga a 20 KHz se obtenían
valores de pico inferiores y anchuras espaciales superiores que para la descarga a 50 Hz.
Esto significa que la descarga a 20 KHz produce una distribución espacial de la energía
más plana (distribución del calor más uniforme y estable que la descarga de baja
frecuencia), lo cual es deseable en el caso de realizar empalmes de múltiples fibras
simultáneamente.
Figura 3-6. Distribuciones espaciales de la descarga.
3.4.3 Técnicas de alineamiento de fibras
Tanto los métodos de prefusión como de descarga estable son importantes para
conseguir bajas pérdidas en los empalmes. Sin embargo, también resulta crucial un buen
alineamiento previo de las fibras. Las distintas técnicas de alineamiento pueden clasificarse
en fijas y móviles.
En la técnica fija las fibras no se desplazan lateralmente, sino que éstas se sitúan en
posiciones predeterminadas. Este método se conoce también como alineamiento pasivo y es
ampliamente utilizado en las máquinas empalmadotas debido a su simplicidad. Cuando se
utilizan fibras con una excentricidad de núcleo pequeña, este método es válido no sólo para
fibras multimodo sino también para fibras monomodo. Dado que las tecnologías de
fabricación de fibras han mejorado en la actualidad, es posible conseguir empalmes de
varias fibras monomodo de forma simultánea con valores de pérdidas inferiores a 0.05 dB
utilizando máquinas que emplean esta técnica.
38
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
En cambio, en las técnicas móviles las fibras se desplazan lateralmente hasta
obtener posiciones precisas previamente a la descarga. Este método se conoce también con
el nombre de alineamiento activo. Hasta la fecha se han propuesto múltiples técnicas para
realizar el alineamiento, especialmente durante las primeras fases de desarrollo de los
empalmes de fibra monomodo, las cuales presentaban una elevada excentricidad en el
núcleo en comparación con las fibras actuales.
Una de estas técnicas es la de monitorización de la potencia óptica, la cual se basa
en la medida de la potencia óptica transmitida para realizar el alineamiento. Existen tres
posibilidades dependiendo de los puntos del sistema que se utilizan para realizar la medida.
En la técnica de tres puntos se utilizan una fuente óptica, una máquina de empalme y un
detector situado en tres puntos diferentes del sistema. En este caso, para hacer uso de la
potencia óptica detectada para alinear las fibras se requiere un dispositivo transmisor y unos
cables metálicos. Con este método se han obtenido valores de pérdidas por empalme de
unos 0.1 dB con una desviación típica de 0.08 dB. Por otro lado, en la técnica de dos puntos
se sitúa un detector cerca o en la propia máquina empalmadora. De este modo, el
equipamiento solamente se coloca en dos puntos del sistema y la potencia óptica
transmitida se detecta localmente por medio de la radiación que produce una curvatura de la
fibra. Finalmente, en la técnica de un punto se colocan todos los componentes en el mismo
emplazamiento. Tanto la inyección como la detección de potencia se realizan en la mayoría
de los casos por medio de la curvatura de la fibra.
Los métodos visuales son otra de las técnicas no fijas de alineamiento de fibras. En
una de las técnicas se utiliza un microscopio para observar en una dirección o en dos
direcciones perpendiculares los diámetros exteriores de las dos fibras. Para observar las dos
direcciones se coloca un espejo cerca de las fibras. La imagen aumentada puede verse
directamente o indirectamente, en este último caso a través de un monitor de TV y una
cámara. Dado que para el alineamiento se utiliza como referencia el diámetro exterior de
las fibras, esta técnica es poco eficiente en el caso de fibras monomodo con excentricidad
en el núcleo. Para ello debería utilizarse algún método de monitorización directa del núcleo,
como por ejemplo: el uso de la fluorescencia de un núcleo de sílice con germanio y
excitado con luz ultravioleta, el uso de un microscopio de contraste por interferencia
diferencial, el uso de un divisor de haz y luces inyectadas en ambas direcciones o el uso de
un microscopio ordinario.
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).
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 operador sólo tiene libertad de movimientos en el eje z (acercar o separar
las fibras).
39
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Finalmente la técnica basada en la utilización de un sensor de luz también pertenece
al conjunto de técnicas móviles. En esta técnica se detectan las posiciones de las fibras en
dos direcciones perpendiculares por medio de dos sensores de luz por cada fibra, por lo que
son necesarios cuatro sensores en total.
En las técnicas móviles resulta imprescindible la presencia de mecanismos muy
precisos para realizar los movimientos finos que se precisan durante el alineamiento, como
se ve esquemáticamente en la figura 3-7. Algunos mecanismos propuestos consisten en una
plataforma móvil de precisión controlada por un motor, un dispositivo piezoeléctrico o un
dispositivo de deformación elástica. Las características de linealidad en el movimiento,
desplazamiento máximo y tamaño dependen de la técnica de alineamiento y del diseño de
la máquina empalmadora.
Figura 3-7. Alineamiento de fibras mediante ranuras en V: substratos duro y
blando.
3.4.4 Protección del empalme
Generalmente la cubierta de las fibras se elimina previamente a la realización del
empalme. Durante el proceso que consiste en eliminar las cubiertas, cortar las fibras y
situarlas en la máquina empalmadora, e incluso en el proceso de calentamiento, se
producen grietas en las fibras que debilitan su resistencia. La resistencia de las fibras tras
realizar un empalme se reduce en un 10% aproximadamente, por lo que se hace necesaria la
posterior protección de la zona tratada.
A la hora de seleccionar un método de protección se deben considerar factores tales
como: fiabilidad (variación de las pérdidas de empalme y rotura), facilidad de manejo y
coste. Cuando el método de protección o su diseño no es bueno, las pérdidas del empalme
sufren gran variación con la temperatura. Si por el contrario se realiza de forma adecuada,
las pérdidas varían tan sólo 0.02 dB para rangos de temperatura desde -30 °C hasta +60 °C.
De entre los distintos métodos de protección utilizados destacan: una ranura con forma de
V (V-groove) de plástico con cubierta, un par de láminas de cristal cerámico, un tubo que
se contrae con el calor junto con una varilla de acero o un molde de plástico. Finalmente,
para la sujeción se utilizan como adhesivos de reacción química, la fundición del material o
resinas fotosensibles.
40
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Como se dijo existen disponibles comercialmente multitud de máquinas de fácil
manejo para realizar automáticamente el empalme de diversos tipos de fibras ópticas:
monomodo, multimodo, fibras de dispersión desplazada, fibras mantenedoras de
polarización, etc. La mayoría emplean los métodos de prefusión y HHT para realizar la
unión. Para su funcionamiento disponen de una pequeña batería interna de 12 V o de
conexión a la red [27].
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, es decir,
pérdidas obtenidas en un número determinado de empalmes realizados con esa máquina.
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.
3.5 Proceso de preparación de la fibra óptica
Los pasos a seguir para obtener un empalme óptimo en la técnica de fusión son:
Preparación del extremo de las fibras ópticas a unir.
•
Prefusión
•
Alineamiento
•
Fusión
•
Protección
3.5.1 Preparación de los extremos de las fibras ópticas
Los pasos que a continuación se van a detallar son comunes a cualquier proceso de
unión de fibras ópticas, ya sea la fusión entre dos de ellas, el acoplamiento 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, ver figura 3-8.
41
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Figura 3-8. Pelado y limpieza de la fibra óptica.
Las fibras comerciales, debido a su fragilidad, siempre van recubiertas de
algún tipo de protección o recubrimiento exterior. 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 mostró en la figura 3-5.
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 3-9). 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.
Figura 3-9. Pinzas para la limpieza de la fibra óptica.
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 alcohol
isopropílico.
•
Corte, ver figura 3-10.
42
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Figura 3-10. Corte de la fibra.
El paso siguiente es la realización del corte, un corte defectuoso puede
producir una serie de efectos no deseados como un aumento de la potencia reflejada,
pérdidas en conexiones y acoplamientos, 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. 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.
Existen distintos modelos comerciales de cortadoras que realizan el proceso de corte
de una forma más o menos sofisticada, vea la figura 3-3.
•
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.
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 μm como
en la figura 3-11.
43
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Figura 3-11. Proceso de pulido previo a la conectorización de la fibra óptica.
La prefusión tiene por objeto que la superficie transversal quede ligeramente
redondeada. 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. 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 (vea figura 3-12); si se
sobrepasa este objetivo, la posterior soldadura presentará una excesiva atenuación.
Figura 3-12. Fibra después de pulir.
Se procede entonces a hacer el alineamiento de las fibras, situando la zona a
fusionar justo en el camino del arco voltaico como se ve en la figura 3-15 c. Posteriormente
se realizará la prefusión de las fibras para pulir sus extremos y finalmente se fusionarán las
fibras con sus superficies en contacto, como se ve en la figura 3-13.
44
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Figura 3-13. Colocación de la fibra en la empalmadora para el proceso de
prefusión y fusión.
El proceso final del proceso de empalme consiste en dotar 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, como se ve en la figura 3-14.
Figura 3-14. Protección del empalme.
La figura 3-15 muestra, de forma esquemática, el proceso mencionado. Es
importante hacer notar que una vez terminado el empalme se debe verificar la calidad de
éste, el objetivo de este trabajo es verificar esa calidad por medio del procesamiento de
imágenes.
45
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Figura 3-15. Etapas en la realización de un empalme.
Hasta ahora se ha hablado de las características físicas, geométricas de las fibras
ópticas, así como de las pérdidas que pueden aparecer debidas a los acoplamientos
realizados a lo largo de los enlaces de fibra, pero es importante recalcar que una vez
realizado el empalme debemos verificarlo, es decir, debemos corroborar su efectividad,
verificando su calidad, de modo que aseguremos que una vez en operación nos ofrecerá la
mínima cantidad de pérdidas de señal a través de él. Para realizar esto es necesario conocer
cómo deben hacerse las mediciones en este medio.
3.6 Medición de parámetros en la fibra óptica
La necesidad de caracterizar una fibra óptica (así como los empalmes asociados a
éstas) tanto bajo el perfil óptico como bajo el perfil de la transmisión, se ha originado de
exigencias distintas.
Desde el punto de vista del constructor de fibras se necesita la verificación de las
características de transmisión y geométricas del producto y el control de las magnitudes
más críticas.
El conocimiento de las características de atenuación y dispersión será indispensable
para los proyectistas de sistemas, quienes tienen que elegir la fibra más apropiada para el
tipo de conexión precisada.
El instalador tiene que conocer las características mecánicas de las fibras y los
cables para ser capaz de realizar la instalación en el modo correcto. Posteriormente el
mismo instalador se encontrará frente a la necesidad de verificar la correcta instalación del
46
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
sistema, a través de la medida de los parámetros de transmisión de las fibras, medida que
tendrá que realizarse con instrumentos simples y prácticos [11, 28].
Las medidas más importantes relativas a las fibras ópticas son:
•
Características de transmisión
Atenuación
Dispersión
Banda pasante
Perfil de índice de refracción
o
o
o
o
•
Características geométricas
o
o
o
o
•
Diámetro del núcleo y revestimiento
Concentricidad núcleo - revestimiento
No circularidad de núcleo y revestimiento
Apertura numérica
Características mecánicas
o Alargamiento de la fibra
o Radio de curvatura de la fibra
o Aislamiento del cable
Algunas medidas se pueden realizar exclusivamente en laboratorios con
instrumentación compleja y costosa. Por lo que describiremos algunas técnicas para
efectuar la medida de la atenuación.
3.6.1 Medición de la apertura numérica
El valor de la NA (apertura numérica) se obtiene a través de la medida de la
distribución de la potencia transmitida en la salida de la fibra. La apertura numérica podrá
evaluarse de manera estimada utilizando un sistema de medida como el de la figura 3-16,
en el que en la fibra a medir se le inyecta una radiación visible. En la salida de la fibra se
obtiene un cono luminoso, que se proyecta en una superficie y se mide su diámetro (D) en
la superficie y la distancia (L) fibra – superficie. La apertura numérica se calcula a través de
la fórmula 1:
⎛ D⎞
NA = arcsen⎜ ⎟
⎝ 2L ⎠
en radianes
(1)
47
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Figura 3-16: Medición de la apertura numérica, donde D es el diámetro y L la
longitud del cono formado.
3.6.1.1 Medición de la atenuación
Existen diversos métodos para medir la atenuación de una fibra, entre ellos están
consolidados:
•
El método de corte (cut – back)
•
El método de retroesparcimiento (back – scattering)
•
El método de inserción
Medidas muy precisas, por ejemplo en un laboratorio para el control de los
parámetros de una fibra requieren el uso del mode scrambler (mezclador de modo) que se
describe a continuación; sin embargo, este dispositivo no se utiliza cuando no se requiriere
mucha precisión. En estos casos podrá reemplazarse por la denominada fibra de inyección,
que a los fines prácticos permite alcanzar buenos resultados.
3.6.1.2 Mode scrambler
Antes de describir los métodos de medida de la atenuación, resultará útil que se
indiquen las condiciones de propagación a realizarse en la fibra para obtener una medida
exacta. El problema principal que se presenta y que concierne a las fibras multimodo,
procede del hecho de que el trozo inicial de la fibra, denominado “zona de estado
transitorio” cada modo tiene un coeficiente de atenuación distinto. Esto significa que la
atenuación depende de las condiciones de excitación; es decir, de los modos que las excitan
y de la subdivisión de la potencia. La distribución de la potencia se define solo en la
denominada “zona de estado estacionario”, en la cual todos los modos tienen el mismo
coeficiente de pérdida y por lo tanto la medida de la atenuación cobra significado. Ya que
la “zona de estado transitorio” puede alcanzar también algunos centenares de metros, la
medida de la atenuación en las fibras de longitud inferior podría alterarse. Se puede
observar que si la longitud de la fibra a medir es inferior al kilómetro, la atenuación
kilométrica hallada será superior, por las razones mencionadas con anterioridad, a la
48
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
encontrada realizando la medida con fibras de longitud superior que, por consiguiente,
obran en condiciones de equilibrio.
Para llevar la fibra a las condiciones de equilibrio se puede introducir el “mode
scrambler” entre la fuente y la fibra a medir. El “mode scrambler”, provoca fuertes
perturbaciones en la fibra, forzando el alcance del estado estacionario en pocos metros.
Existen distintos tipos de “mode scrambler”, que obran directamente sobre la fibra a medir
o tras ella. Los primeros inducen micro curvaturas en el primer trozo de la fibra, a través de
la compresión de la fibra misma con superficies rugosas, como se ve en la figura 3-17. Los
segundos utilizan un trozo pequeño de fibra con extremo arrugado o trozos de fibra puestos
parcialmente uno en frente del otro o trozos de índice escalonado o índice gradual
alternados.
Un “mode scrambler” artesanal pero eficaz podrá realizarse simplemente
provocando manualmente algunas curvaturas (radio alrededor de 10 cm) en el primer trozo
de la fibra (alrededor de un metro). Como ya se mencionó anteriormente, para las medidas
fuera del laboratorio, el “mode scrambler” es reemplazado por una fibra de inyección, la
cual introduce una mezcla (“scrambling”) suficiente como para realizar una medida
aceptable. La fibra de inyección es un cable óptico de algunos metros de largo
(aproximadamente 3 – 5 metros) con fibra igual a la que hay que medir.
Figura 3-17. Mode scrambler.
3.6.1.3 Método del corte (cut back)
La medida de la atenuación con el método del corte se realiza en dos fases:
49
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
1. La fibra a medir se conecta con la fuente óptica y el detector óptico, con eventual
inserción de un “mode scrambler” al comienzo de la fibra. Se mide la potencia
óptica recibida PX, ver figura 3-18.
Figura 3-18. Método del corte (parte 1).
2. Se corta la fibra después del “mode scrambler” (o después de algunos metros de la
fuente óptica, si no tiene “mode scrambler”) y se mide la potencia óptica P0 en la
salida del trozo pequeño de la fibra restante, ver figura 3-19.
Figura 3-19. Método del corte (parte 2).
La atenuación total Adb introducida por la fibra, valorada en decibeles, resulta:
A db = 10 ⋅ log
P0
PX
(2)
3.6.1.4 Método del retroesparcimiento (back scattering)
Se basa sobre el principio físico según el cual la luz se esparce hacia todas las
direcciones, también hacia atrás, cuando se propaga en un medio sin homogeneidad a nivel
microscópico, como se ve en la figura 3-19. El instrumento que realiza esta medida es el
“reflectometro óptico” (OTDR – Optical Time Domain Reflectometer), cuyo esquema de
bloques se muestra en la figura 3-20.
50
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
Figura 3-20. Método de retroesparcimiento.
Figura 3-21. OTDR
La técnica de medición consiste en inyectar en la fibra una secuencia de impulsos
luminosos periódicos y medir la potencia retroesparcida correspondiente (es una técnica
similar a la utilizada en los radares de impulsos, en la que se transmite un breve impulso de
radiofrecuencia y luego se escuchan ecos). Midiendo la potencia retroesparcida que se
presenta en el mismo extremo de la fibra y calculando el tiempo empleado por la energía
luminosa para circular en ambos sentidos en la fibra, es posible calcular y localizar las
pérdidas a los largo de la fibra. La medida se representará luego en un plano X-Y, en el que
en el eje Y se encuentra la potencia retroesparcida, usualmente en dBm, y en el eje X la
distancia (valorada como el producto entre la velocidad de propagación de la luz en el
interior de la fibra y el tiempo transcurrido).
51
CAPÍTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LA F. Ó. AL REALIZAR CONEXIONES
3.6.1.5 Método de la inserción
Es el método de ejecución más rápida y sencilla, adecuado sobre todo para medidas
en fase de instalación o control.
Consiste en la conexión de un extremo de la fibra con la fuente óptica y del otro con
el detector óptico. Entre la fuente óptica y la fibra a medir se puede insertar el “mode
scrambler” o la fibra de inyección. Conocida la potencia acoplada en la entrada de la fibra a
medir (calculada restando la atenuación introducida por el “mode scrambler” a la potencia
suministrada por la fuente óptica) y midiendo la potencia óptica recibida, se valorará la
atenuación total debida a la inserción de la fibra.
Si la fuente óptica y el detector óptico no están calibrados con precisión, una
variación de la técnica anterior es el método por substitución, que prevé la calibración,
antes de la medida, de la fuente óptica y del detector óptico con una fibra de ensayo del
mismo tipo a medir.
52
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Capítulo 4
Pruebas y resultados obtenidos
Después de haber buscado, analizado y compilado la información necesaria para
conocer, entender y saber de las fibras ópticas y sus problemas al unirlas, podemos regresar
al planteamiento del problema y la hipótesis planteada para su solución, así mismo
presentaremos los resultados obtenidos después de la experimentación y manejo de los
datos experimentales.
4.1 Introducción
Como ya se dijo en el Capítulo 3, las empalmadoras se dividen principalmente en
dos: las que no verifican la calidad de los empalmes, y las que sí verifican la calidad de los
mismos, cumpliendo con este paso del proceso; el presente trabajo está centrado
precisamente en esa etapa, la verificación de calidad de los empalmes a través del
procesamiento de imágenes. Recordemos el esquema presentado en la figura 1-12.
Figura 4-1. Procedimiento de empalme de fibras ópticas por fusión.
53
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Con la finalidad de mostrar la etapa del proceso en la que nos encontramos,
comenzaremos por mostrar un diagrama (figura 4-2) que esquematiza el problema y la
solución que se ha propuesto.
Figura 4-2. Diagrama que esquematiza el problema a resolver y la solución
propuesta.
Cada una de las etapas de la verificación de calidad está asociada con una etapa del
proceso de empalme, de modo que al finalizar el proceso se podrá decir si éste es óptimo.
Veamos entonces como se asocian las etapas del proceso, mediante la figura 4-3.
Figura 4-3. Proceso de empalme y verificación de calidad.
54
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
La limpieza y corte de la fibra se ha cubierto ya en el Capítulo tres, en el cual se ha
mostrado todo el proceso completo de preparación de los extremos de la fibra antes de
colocarlos en la máquina empalmadora.
La segunda etapa consiste en un ajuste y calibrado de la máquina empalmadora, lo
cual permite tener las condiciones idóneas para proceder a la realización del empalme,
aunque la mayoría de las empalmadoras presentan una serie de programas adaptados a los
diferentes tipos de fibras ópticas de los actualmente utilizados, pudimos observar que éstos
no cumplen con lo establecido en las especificaciones de la máquina, pues a pesar de
utilizarlos de manera adecuada encontramos diversos problemas con ellos.
Sin embargo cada uno de estos programas es adaptable a las condiciones de la fibra
que se va a unir, ya que muchas de las fibras son susceptibles a cambios de temperaturas y
tiempos de aplicación en este caso, por lo tanto se procedió a realizar una optimización de
estos programas para encontrar uno que se adapte mejor a las condiciones de la fibra óptica
a soldar. Para lograr lo anterior es necesario conocer algunos conceptos.
4.2 Optimización
Existe una gran variedad de situaciones que se enfrentan a la necesidad de resolver
algún problema de optimización. Estos problemas pueden encontrarse tanto en aplicaciones
de la Informática a otras ramas de la ingeniería, ciencias o economía (diseño y ajuste de
trayectorias, control de sistemas, optimización de recursos o producción, etc...), como en
temas específicos de la formación recibida (diseño y entrenamiento de redes de neuronas,
reconstrucción de imágenes, reconocimiento de caracteres). El concepto de optimización
data de tiempos inmemorables; se puede definir como optimización al proceso de
seleccionar, a partir de un conjunto de alternativas posibles, aquella que mejor satisfaga el o
los objetivos propuestos. Para resolver un problema de optimización se requieren dos
etapas principales, como se ve en la figura 4-4:
Figura 4-4. Etapas de la optimización.
La formulación del modelo de optimización no es un procedimiento formal
estructurado, sino más bien es un proceso que requiere de experiencia y creatividad. Una
vez generado el modelo, la etapa siguiente es resolver y validar dicho modelo. Esta etapa
55
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
puede considerarse suficientemente formalizada puesto que los modelos de problemas de
optimización han sido muy estudiados y se han desarrollado innumerables métodos y
estrategias para resolverlos.
4.2.1
Formulación del modelo
Si bien, como se mencionara anteriormente, el proceso de modelado es
esencialmente cualitativo y requiere de la habilidad y la experiencia de quien desarrolla el
modelo, en términos generales se pueden definir los siguientes pasos a seguir para su
formulación:
•
Identificar las Variables de Decisión
•
Identificar y/o fijar las restricciones
•
Definición de los Objetivos
•
Análisis de la Información Disponible
Identificar las variables de decisión: Las variables de decisión representan las
alternativas de decisión del problema. Pertenecen a la propia naturaleza del problema y no
pueden ser establecidas arbitrariamente.
Identificar y/o fijar las restricciones: Las restricciones de un problema de
optimización definen el conjunto de valores que pueden tomar las variables de decisión. En
el caso de restricciones de igualdad, éstas además generan dependencia entre variables,
reduciendo los grados de libertad del problema. El conjunto de todas las variables del
problema se divide así en el subconjunto de variables independientes y el subconjunto de
las variables dependientes.
Las restricciones pueden pertenecer a la naturaleza del problema, como lo son las
restricciones físicas (límites de presión y temperatura, equilibrio líquido, vapor, etc.), pero
también puede haber restricciones fijadas arbitrariamente por quien debe decidir, según su
propio criterio.
Definición de los objetivos: Los objetivos no pertenecen a la naturaleza del
problema sino que son fijados arbitrariamente por quien debe decidir. El mismo puede
definir un único objetivo o varios objetivos a ser considerados simultáneamente.
Análisis de la información disponible: La información acerca de los parámetros del
proceso permitirá definir el criterio de decisión a adoptar. Si se conoce con certeza el valor
de los parámetros, el criterio seleccionado será el de maximizar o minimizar el objetivo
propuesto. En el extremo opuesto es posible encontrar parámetros cuyo valor es incierto.
Usualmente en estos casos con algún criterio es posible definir para cada parámetro sujeto a
incertidumbre un rango de valores posibles, quedando así definida una región paramétrica.
56
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Los criterios de decisión a utilizar en estos problemas son generalmente
conservativos, aspirando a asegurar lo mejor para los peores valores que pueden ocurrir
[29, 30, 31, 32].
4.3 Empalmadora de fusión utilizada
La empalmadora que se utilizó al realizar las pruebas, es una máquina empalmadora
marca TRITEC LTD FASE II (ver apéndice B) la cual presenta una gráfica como la que se
muestra en la figura 4-5 que incluye los siguientes parámetros al realizar el empalme [9].
Figura 4-5. Tiempos de empalme y acción recíproca.
Es importante mencionar que la empalmadora cuenta con 10 programas
predeterminados para la realización de los empalmes, tanto para fibras multimodo como
para fibras monomodo, cada uno de los programas predeterminados está formado por 9
parámetros, que en conjunto actúan para la realización del empalme, cabe mencionar que
estos parámetros han sido ajustados por el fabricante quien es el responsable de entregar el
equipo “calibrado” y listo para utilizarse, así mismo las especificaciones de este modelo de
empalmadora nos mencionan que se debe obtener una pérdida de 0.1 dB. Los parámetros de
la gráfica anterior se presentan en la Tabla 4-1.
Lo anterior nos permitió evaluar lo establecido por el fabricante, pues al realizar los
empalmes no obtuvimos lo esperado de modo que comenzamos a manipular los parámetros
así que obtuvimos un nuevo programa que nos permitio la mejor realización de los
empalmes, lo veremos más adelante.
57
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Tabla 4-1. Descripción de parámetros de proceso de empalme.
Parámetro
Separación
Arc 1
Tiempo 1
Arc 2
Tiempo 2 a
Tiempo 2 b
Tiempo 2 c
Tensión
Movimientos
continuos
Descripción
Es la distancia de separación en μm que las fibras se apartan antes de
comenzar la fusión. El propósito de ésta es la aplicación del Arc 1 para
pulir los extremos antes de fundirlos.
Es la corriente en mA del arco inicial, el cual es aplicado una vez que las
fibras se han separado. El propósito de este arco es eliminar las impurezas
puliendo la superficie de los extremos. Algunas fibras multimodo
necesitan más precalentado antes de unirse.
Es la duración en segundos del arco 1.
(a, b y c) es la corriente en mA del arco de fusión, los cuales son aplicados
al unir las fibras, al hacer la prueba de durabilidad y al enfriar la fibra.
Es el tiempo en segundos al ser unida la fibra.
Es la duración en segundos de la acción recíproca, donde se aplican ligeros
movimientos, unos 5 por segundo.
Es el tiempo en segundos de la aplicación final de arco 2, esto permite que
las fibras sean “soldadas”
Es la distancia en μm que se unen las fibras durante el empalme.
Es la amplitud en μm de la acción recíproca del tiempo 2 b.
Como puede observarse en el esquema, primero las fibras se separan una cierta
distancia antes de unirse de manera que reciban un precalentamiento, en el momento en que
se incrementa la temperatura del arco las fibras se unen y son mantenidas en la misma
posición de manera uniforme por un tiempo llamado tiempo 2a, el tiempo 2b es la parte
final en la cual la empalmadora realiza una serie de micro movimientos en la fibra, para
asegurar la durabilidad del empalme.
Las empalmadoras, como la anterior manejan más de un parámetro, las podemos
clasificar dentro de los instrumentos multiparamétricos, los cuales son más complicados de
calibrar para obtener su mayor desempeño, pues debemos encontrar un valor óptimo para
cada parámetro, en este caso el valor que resultó ser uno de los decisivos en la realización
de los empalmes fue el Arco 2b, es decir, la corriente de fusión de la fibra.
4.3.1 Procedimiento de ajuste aplicado en la empalmadora
Para ajustar los parámetros en la empalmadora fue imprescindible conocer cada uno
de ellos, sus características y analizar su comportamiento bajo diferentes condiciones, la
metodología empleada consistió en efectuar diferentes pruebas en las cuales se modificó el
valor de los parámetros corriente de prefusión, fusión, separación entre fibras, tiempo de
prefusión y fusión cuyos cambios tienen efectos importantes en la calidad de los empalmes,
hasta obtener un rango de valores donde los resultados de los empalmes sean los mejores.
En la Tabla 4-2 mostraremos los programas establecidos por el fabricante y sus principales
características.
58
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Tabla 4-2. Programas establecidos en la empalmadora Tritec FASE II.
No. Nombre del programa
1
M’mode Warm
2
M’mode Cool
3
4
M’mode Standard
M’mode Hi pref
5
M’mode Hi stuff
6
7
8
9
S’mode Warm
S’mode Cool
S’mode Standard
S’mode Hi pref
10
S’mode Short
Descripción y uso
Para fibras multimodo (50/125 μm)
Para fibras multimodo donde M’mode estándar se
deshace
Para fibra multimodo (62.5/125 y 50/125 μm)
Para fibras multimodo donde el núcleo se deshace pero
el revestimiento no se deforma
Para fibras multimodo, para las cuales la calidad no es
importante
Para fibras monomodo que no se sueldan
Para fibras monomodo donde el núcleo se deshace
Para fibras monomodo
Para fibras monomodo donde el núcleo se deshace pero
el revestimiento no se deforma.
Para fibras monomodo donde el S’mode Standard tiene
una longitud grande de arco.
En la Tabla 4-3 mostramos los parámetros preestablecidos en la empalmadora; y las
modificaciones que se hicieron en esta etapa del proceso se presentarán en la Tabla 4-4.
Tabla 4-3. Parámetros establecidos en los programas dados por el fabricante
para la empalmadora Tritec FASE II.
Prog
Name
Arc1
(mA)
T1
(s)
Arc2a
(mA)
T 2a
(s)
Arc2b
(mA)
T 2b
(s)
Arc 2c
(mA)
T2c
(s)
stuff
(μm)
Wig.
(μm)
Gap
(μm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12.5
12.5
12.5
12.8
13
11.7
11.7
11.7
12.4
12.0
1.0
1.0
1.0
1.5
1.0
0.3
0.3
0.3
0.8
0.3
16.0
14.5
15.0
15.0
15.0
16.0
14.5
15.5
15.0
15.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
15.0
14.0
14.5
14.5
14.5
15.0
14.0
14.5
14.5
14.5
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
7.5
7.5
7.5
7.5
3.5
14.5
13.5
14.0
14.0
14.0
14.4
13.5
14.0
14.0
14.0
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
12
12
12
12
20
12
12
12
12
12
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
Las variaciones que se hicieron fueron las mostradas en la tabla 4-4, donde se puede
ver qué tan sensibles son las fibras ópticas a cualquier variación de intensidad de arco (mA)
y tiempo de aplicación en este caso de estudio. Estas variaciones se hicieron para soldar
fibras multimodo.
59
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Tabla 4-4. Variación de parámetros de la empalmadora Tritec FASE II.
Prog
Name
Arc1
(mA)
T1
(s)
Arc2a
(mA)
T 2a
(s)
Arc2b
(mA)
T 2b
(s)
Arc 2c
(mA)
T2c
(s)
stuff
(μm)
Wig.
(μm)
Gap
(μm)
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
12.5
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
12.5
13.0
14.0
14.0
14.0
14.0
14.0
13.9
13.8
14.1
14.1
14.2
14
1.5
1.5
1.5
1.0
1.1
1.2
1.3
1.0
1.0
1.0
1.5
1.0
1.5
15.0
15.0
15.0
14.5
14.5
14.5
14.5
14.5
14.5
14.5
14.5
14.5
13.5
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
14.5
13.5
14.0
14.0
14.0
14.0
14.0
14.0
14.0
14.0
14.0
14.0
14.0
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
12
12
12
20
12
12
12
12
12
12
12
12
12
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
Ópt
12.5
1.0
14.0
1.0
14.5
4.0
14.0
0.5
12
5
10
Las filas sombreadas son algunos regímenes de los que encontramos óptimos, la
última fila representa el promedio de éstos, siendo el utilizado, pues fue el que nos brindó
una mejor calidad en la realización de los empalmes.
La siguiente etapa del proceso corresponde a la obtención de las imágenes, la
empalmadora utilizada cuenta con un pequeño microscopio que nos permite observar al
interior la posición de las fibras, y la realización del empalme [29].
4.4 Obtención de imágenes
La recuperación de imágenes es un nuevo tema en la tecnología de información. Su
propósito es recuperar imágenes o secuencias de imágenes que sean relevantes para el
usuario. Es una extensión en las búsquedas para incluir medios visuales. Para recuperar
información visual es esencial que haya una interactividad con el contenido visual. La
creación de nuevas herramientas deberá permitir la búsqueda de información visual para
referirse directamente a su contenido. Los elementos visuales de bajo nivel tales como
color, textura, forma, relaciones espaciales, van directamente relacionados a los aspectos de
cómo se percibe el contenido de una imagen. Estos elementos junto con los elementos de
alto nivel, como el significado de los objetos y las escenas que la imagen contiene, nos
permiten recuperar imágenes con el contenido adecuado de calidad.
El procesamiento de las imágenes obtenidas se realizo a través del programa MAT
LAB, por su gran variedad de funciones y fácil manejo para el tratamiento de imágenes.
60
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
En matlab una imagen a escala de grises es representada por medio de una matriz
bidimensional de m x n elementos en donde n representa el numero de píxeles de ancho y m
el numero de píxeles de largo. El elemento v11 corresponde al elemento de la esquina
superior izquierda (ver figura 4-6), donde cada elemento de la matriz de la imagen tiene un
valor de 0 (negro) a 255 (blanco).
Para leer imágenes contenidas en un archivo al ambiente de matlab se utiliza la
función imread, cuya sintaxis es imread(’nombre del archivo’) Donde nombre del archivo
es una cadena de caracteres conteniendo el nombre completo de la imagen con su
respectiva extensión, los formatos de imágenes que soporta matlab son los mostrados en la
Tabla 4-5.
Para introducir una imagen guardada en un archivo con alguno de los formatos
especificados en la tabla anterior solo tiene que usarse la función imread y asignar su
resultado a una variable que representará a la imagen (de acuerdo a la estructura, figura 4-6
para representar escala de grises.
Figura 4-6. Representación de una imagen a escala de grises en Mat lab.
Tabla 4-5. Formatos y extensiones soportadas por Matlab.
Formato
TIFF
JPEG
GIF
BMP
PNG
XWD
Extensión
.tiff
.jpg
.gif
.bmp
.png
.xwd
61
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
De tal forma que si se quisiera introducir la imagen contenida en el archivo data.jpg
a una variable para su procesamiento en matlab, entonces se tendría que escribir en línea de
comandos:
> >image=imread(’data.jpg’);
con ello la imagen contenida en el archivo data.jpg quedará contenida en la variable image.
Una vez que la imagen está contenida en una variable de matlab es posible utilizar las
funciones para procesar la imagen.
Después que realizamos un procesamiento con la imagen, es necesario desplegar el
resultado obtenido, la función imshow(variable) permite desplegar la imagen en una
ventana en el ambiente de trabajo de matlab. Si la variable a desplegar por ejemplo, es face
al escribir en la línea de comandos:
> >imshow(face);
obtendríamos la imagen de la figura 4-7.
Figura 4-7. Imagen mostrada al utilizar la función imshow.
En el caso de imágenes a escala de grises éstas sólo tienen un plano, constituido por
la matriz m x n que contiene los valores de intensidad para cada índice. En ocasiones
resulta preferible saber el color o la intensidad de gris (el valor del píxel) de forma
iteractiva, es decir tener la posibilidad de seleccionar un píxel en una región y obtener el
valor de este. Esta posibilidad es ofrecida por la función impixel, la cual iterativamente
entrega el valor (uno o tres) del píxel seleccionado que aparezca en la ventana desplegada
por la función imshow. El formato de esta función es:
value=impixel;
donde value representa un escalar, en el caso de que la imagen sea a escala de grises
62
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Para utilizar esta función es necesario antes, desplegar la imagen con la función
imshow. Una vez desplegada se llama a la función y cuando el cursor del ratón este sobre la
superficie de la imagen cambiara a una +. Cuando se presione el botón izquierdo del ratón
se seleccionará el píxel, el cual podemos seleccionar otra vez en caso de que se halla
cometido un error a la hora de posicionar el ratón, ya que la función seguirá activada hasta
que se presione la tecla de enter. La figura 4-8 muestra una imagen de la operación aquí
descrita.
Figura 4-8. Utilización de la función impixel.
4.4.1 Histogramas
Es el método más utilizado para describir propiedades de imágenes a bajo nivel. Un
histograma de color es la frecuencia con que aparece cada color en una imagen. Se puede
hacer una distribución de colores por cada color primario, dos distribuciones (una por la
luminosidad y otra por la información cromática) o una sola distribución sobre los tres
primarios obtenida al individualizar los colores en una imagen y luego contar cuantos
píxeles pertenecen a cada color. El procesamiento de color se hace usualmente en un sub ejemplo de la imagen.
Los histogramas en escalas de grises representan el histograma de una imagen en
escala de grises. A diferencia de una imagen a color RGB (rojo, verde y azul) en donde se
tiene un histograma para cada color primario, en el histograma de escala de grises se tiene
solamente un solo histograma para los diferentes tonos de grises. La fórmula más sencilla
63
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
de obtener un histograma de escala de grises es sumar los tres colores de R, G y B para
después dividirlos entre 3.
4.5 Procesamiento de las imágenes
Como se dijo en la sección anterior el uso de Matlab para el procesado de la imagen
fue de mucha utilidad, de modo que en esta sección nos disponemos a mostrar las imágenes
obtenidas y su procesamiento. El sistema utilizado para la obtención de imágenes es el
mostrado en la figura 4-9, en el cual observamos la empalmadora, la cámara que nos
permitirá obtener las imágenes y una computadora portátil donde se guardarán y procesarán
los datos obtenidos.
Figura 4-9. Sistema implementado para la obtención de imágenes.
Donde
1
2
3
4
5
Empalmadora Tritec FASE II
Fibra óptica multimodo de 62.5 μm
Microscopio de la empalmadora
Cámara (resolución de 5Mp) para la obtención de imágenes
Computadora portátil para la recopilación, manejo y procesamiento de los datos.
Una vez establecido el sistema procedimos a preparar la fibra óptica, por lo que
procedimos a conectorizarla en ambos extremos para poder medir la atenuación inicial y
después de realizar un empalme. Para conectorizar la fibra utilizamos conectores ST, (en la
figura 4-10 se muestra el material utilizado para la acción mencionada) para tal efecto se
procedió a preparar los extremos de la fibra, como ya se dijo antes, primero se retiró el
64
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
recubrimiento, luego el revestimiento, se realizó el corte de la fibra para finalmente pulir
ambos extremos y colocar los conectores.
(1)
(4)
(2)
(5)
(3)
(6)
Figura 4-10. Material utilizado para la conectorización de la fibra.
Donde
1
2
3
4
5
6
Fibra óptica utilizada
Conector ST
Maletín de herramienta
Kit de limpieza
Cortadoras
Pinzas
Aunque en este procedimiento existe la etapa de pulido, como se ve en la figura 411, el último paso fue el de colocar los conectores en ambos extremos, los cuales nos
permitirán conectar la fuente y el medidor de potencia de salida (figura 4-12), la etapa de
pulido debe ser muy cuidadosa como ya se mencionó.
65
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4-11. Etapa de pulido de la fibra para conectorizar.
Finalmente se ubican los conectores en los extremos y se tiene listo el rollo de fibra
que se va a utilizar.
Figura 4-12. Fibras ópticas conectorizadas, listas para usarse.
La fuente y medidor utilizados son los mostrados en la figura 4-13.
Figura 4-13. Fuente y medidor utilizados durante la experimentación.
Una vez teniendo la fibra lista se procede al armado y calibrado del sistema que se
mostró en la figura 4-9 para la obtención de las imágenes, una imagen típica obtenida es la
que se muestra a continuación en la figura 4-14.
66
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4-14. Imagen obtenida a través del sistema implementado, 1) electrodos
de la empalmadora, 2) fibra óptica, 3) área de empalme.
Como se mencionó en la sección anterior estas imágenes se trabajaron en escala de
gris por lo que una imagen de este tipo sería, la mostrada en la figura 4-15. Una vez que la
imagen ha sido convertida a escala de gris se procede a su procesamiento, donde
necesitamos obtener la parte de la imagen que se va a trabajar, es decir debemos seleccionar
el área de trabajo que resultará ser la zona donde se creó el empalme a analizar.
67
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4-15. Imagen obtenida y convertida a escala de gris, 1) electrodos de la
empalmadora, 2) fibra óptica, 3) área de empalme.
Una vez obtenida esta imagen en escala de gris se procede a realizar el
procesamiento de la imagen, en este caso, primero obtenemos una sección de trabajo para
realizar el tratamiento propuesto y adecuado de modo que seleccionamos una porción de
área de la imagen para hacerlo, la figura 4-16 muestra la sección de imagen a utilizar.
68
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4-16. Sección de la imagen utilizar.
De esta imagen vamos a obtener dos partes para poder proceder a la obtención de
algunos datos de interés, En la figura 4-17 se observa este paso.
Figura 4-17. Imagen seccionada para procesar.
Seleccionamos la parte que corresponde sólo al núcleo y una área del mismo
tamaño, de modo que podemos realizar una comparación para observar cual de las dos
imágenes es más obscura y obtener u porcentaje de “oscuridad” el cual nos dirá la
efectividad del empalme, la imagen utilizada para realizar los procedimientos mencionados
es la mostrada en la figura 4-18.
69
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
(a)
(b)
Figura 4-18: Imagen a utilizar para el análisis de los empalmes, a) imagen de
control; b) imagen de empalme.
De estas imágenes obtendremos a través de su histograma de oscuridad una función
que normalizará el resultado, esta función se muestra en la expresión (1).
η=
SE − SC
⋅ 100 %
SE
(1)
Donde
SE es el valor de oscuridad de la imagen del empalme, la obtención de SE se muestra en la
expresión (2).
S E = 1 ⋅ h 1 + 2 ⋅ h 2 + 3 ⋅ h 3 + ...
S E = 1 ⋅ h 1 + 2 ⋅ h 2 + ... + n ⋅ h n
(2)
n = 255
SE = ∑ i ⋅ h i
i=0
SC es el valor de oscuridad de la imagen de control, la obtención de SC se muestra en la
expresión (3).
S C = 1 ⋅ h 1 + 2 ⋅ h 2 + 3 ⋅ h 3 + ...
S C = 1 ⋅ h 1 + 2 ⋅ h 2 + ... + n ⋅ h n
(3)
n = 255
SC = ∑ i ⋅ h i
i =0
hi es la frecuencia de aparición del color (escala de gris), es decir cuantas veces aparece
unimisma tonalidad de gris en la imagen.
SE y SC representan el área bajo la curva de la imagen de empalme y la imagen de
control, de aquí observamos que cuando SE = SC obtendremos el 0%, de modo que eso
indicará un empalme de buena calidad, de lo contrario al 100% que indicará un empalme de
mala calidad.
Mostraremos algunos casos de los encontrados con los regímenes asentados en la
Tabla 4-4.
70
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
4.6 Pruebas y resultados obtenidos
Primero presentaremos los resultados obtenidos con el régimen 3 (M’mode
Standard) Para fibra multimodo (62.5/125 y 50/125 μm):
Prog
Name
Arc1
(mA)
T1
(s)
Arc2a
(mA)
T 2a
(s)
Arc2b
(mA)
T 2b
(s)
Arc 2c
(mA)
T2c
(s)
stuff
(μm)
Wig.
(μm)
Gap
(μm)
3
12.5
1.0
15.0
1.5
14.5
4.0
14.0
0.5
12
5
10
Para este caso la imagen obtenida es la que se muestra en la figura 4-19.
(a)
(b)
Figura 4-19. Imagen obtenida con el régimen 3 (M’mode Standard), a) imagen
de control, b) imagen de empalme.
Seguidamente obtendremos una gráfica que nos representa el nivel de “oscuridad”
de la imagen, esto se verá en la figura 4-20.
Figura 4-20a. Gráfica de la imagen de control representa el área oscura de la
imagen (área bajo la curva), para el caso de una línea negra en el área de empalme.
71
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4-20b. Gráfica de la imagen de empalme, representa el área oscura de la
imagen (área bajo la curva), para el caso de una línea negra en el área de empalme.
La gráfica anterior nos muestra el área de oscuridad de la imagen, en ambos casos,
el eje X representa la escala de gris, en la cual el lado izquierdo representa el negro (0 –
más oscuro) y el lado derecho queda representado por el blanco a través del 255 (más
claridad), en ambas gráficas vemos la parte más oscura de la imagen, esto con la finalidad
de poder hacer una comparación y a través del calculo de la función de normalización
poder saber si ha sido un empalme de calidad, el eje Y de la gráfica representa el número de
veces que ha ocurrido ese valor de gris en la imagen como se dijo en la sección anterior.
Mostraremos ahora en la figura 4-21 los histogramas para esta misma imagen los
cuales nos ayudarán a calcular la función de normalización de calidad.
Figura 4-21a. Histograma de la imagen de control.
72
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4-21b. Histograma de la imagen de empalme.
Utilizando estos valores hacemos el cálculo de la función, primero calculamos S,
para la imagen de empalme, a través de la expresión (2) y obtenemos:
SE = 9843
Ahora calculamos SC para la imagen de control a través de la expresión (3) y
obtenemos:
SC = 7443
Finalmente calculamos la función de normalidad a través de la expresión (1), y
obtenemos:
η=
η=
SE − SC
⋅ 100 %
SE
9843 − 7443
⋅ 100 %
9843
η = 24.38 %
Ahora mostraremos otro caso de obtención de línea negra en el área de empalme,
con el mismo régimen (régimen 3 (M’mode Standard) para fibra multimodo (62.5/125 y
50/125 μm)), aunque ambos casos se clasifican en este problema de aparición de línea
negra, vemos que éstas pueden ser diferentes, aun así cualquiera de las mostradas
impedirán el paso de la señal luminosa transmitida.
Para este caso la imagen obtenida es la que se observa en la figura 4-22.
73
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
(a)
(b)
Figura 4-22. Imagen obtenida con el régimen a procesar, a) imagen de control,
b) imagen de empalme.
Obtenemos como en el caso anterior la gráfica que nos representa el nivel de
“oscuridad” de la imagen, esto se verá en la figura 4-23, observemos cómo la imagen de
empalme presenta mayor cantidad de oscuridad, por lo tanto podemos discernir de
antemano que ha sido un mal empalme.
Después mostraremos los histogramas correspondientes a estas imágenes con los cuales
procederemos a calcular el valor de normalización.
Figura 4-23. Gráficas de la imagen de control (a) y la imagen de empalme (b)
respectivamente, representa el área oscura de la imagen.
74
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4-24. Histogramas de: a) la imagen de control y b) la imagen de
empalme.
Ahora calculamos los valores de las áreas de “oscuridad” de cada una de ellas con
las expresiones (2) y (3), por lo tanto:
SE = 130379
SC = 78075
Finalmente calculamos la función de normalidad a través de la expresión (1), y
obtenemos:
SE − SC
⋅ 100 %
SE
130379 − 78075
η=
⋅ 100 %
130379
η=
75
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
η = 40.11 %
Los siguientes resultados son los obtenidos para el caso del régimen 1 (M’mode
Warm), para fibra multimodo (50/125 μm), usando este régimen vemos la aparición de
burbujas:
Prog
Name
Arc1
(mA)
T1
(s)
Arc2a
(mA)
T 2a
(s)
Arc2b
(mA)
T 2b
(s)
Arc 2c
(mA)
T2c
(s)
stuff
(μm)
Wig.
(μm)
Gap
(μm)
1
12.5
1.0
16.0
1.5
15.0
4.0
14.5
0.5
12
5
10
Procederemos a mostrar los resultados para este régimen predeterminado, para este
caso la imagen obtenida es, la que se muestra en la figura 4-25.
(a)
(b)
Figura 4-25. Imagen obtenida con el régimen 1 (M’mode Warm), a) imagen de
control, b) imagen de empalme.
Recordemos que el uso de histogramas nos permite hacer los cálculos
correspondientes al área de oscuridad de ambas imágenes de modo que podemos encontrar
el porcentaje de “oscuridad” del empalme realizado. Mostraremos ahora las gráficas (figura
4-26) y los histogramas (figura 4-27) para las imágenes anteriores, veamos qué sucede.
Figura 4-26a. Imagen de control obtenida con el régimen 1 (M’mode Warm).
76
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4-26b. Imagen de empalme obtenida con el régimen 1 (M’mode Warm).
El histograma nos da los siguientes datos.
Figura 4-27a. Histogramas la imagen de control.
77
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4-27b. Histograma de la imagen de empalme.
Los valores para hacer el cálculo de la función de normalización son:
SE = 10555
SC = 5406
Finalmente calculamos la función de normalidad a través de la expresión (1), y
obtenemos:
η=
η=
SE − SC
⋅ 100 %
SE
10555 − 5406
⋅ 100 %
10555
η = 48.78 %
Otra imagen obtenida es la mostrada en la figura 4-28, la cual es otro caso típico de
aparición de burbujas al momento de realizar el empalme.
(a)
(b)
Figura 4-28. Otro caso de aparición de burbuja, a) imagen de control, b)
imagen de empalme.
78
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Para este caso la gráfica resultante es, la mostrada en la figura 4-29, en donde a
pesar de parecer similares vemos que la gráfica de la imagen de empalme es más oscura,
pues la gráfica muestra algunos picos menores en otros valores de gris.
Figura 4-29. Gráfica de “oscuridad” del caso de burbuja en empalme.
Los histogramas se muestran a continuación en la figura 4-30.
79
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4-30. Histogramas para el caso de una burbuja, en la zona de empalme.
Los resultados para la función son:
SE = 201321
SC = 59368
Finalmente calculamos la función de normalidad a través de la expresión (1), y
obtenemos:
η=
η=
SE − SC
⋅ 100 %
SE
201321 − 59368
⋅ 100 %
201321
η = 70.51 %
80
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Después de observar lo que sucedió con los regímenes preestablecidos en esta
empalmadora procedimos como se dijo a realizar modificaciones en algunos parámetros
que parecieron ser de importancia al momento de realizar los empalmes, por ejemplo la
corriente de fusión en el momento de “soldar” las fibras de modo que como se estableció en
la Tabla 4-4 se encontró un régimen que resultó ser el apropiado para hacer este
procedimiento. Como se ve en la tabla este nuevo régimen es el nombrado régimen “H”, de
modo que para el régimen optimizado obtuvimos lo siguiente (figura 4-31).
Prog
Name
Arc1
(mA)
T1
(s)
Arc2a
(mA)
T 2a
(s)
Arc2b
(mA)
T 2b
(s)
Arc 2c
(mA)
T2c
(s)
stuff
(μm)
Wig.
(μm)
Gap
(μm)
Ópt
12.5
1.0
14.0
1.0
14.5
4.0
14.0
0.5
12
5
10
La imagen utilizada para este caso es la ubicada en la figura 4-31, como se ha visto
todas las imágenes parten de un mismo punto de vista, al final de esta sección
comentaremos algunas cosas interesantes.
(a)
(b)
Figura 4-31. Imagen obtenida con el régimen “Ópt”, a procesar, a) imagen de
control, b) imagen de empalme.
En la figura 4-32 se observa para esta imagen su gráfica.
Figura 4-32a. Grafica de la imagen de control, representa el área oscura de la
imagen.
81
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4-32b. Grafica de la imagen de empalme, representa el área oscura de la
imagen.
Mostraremos ahora en la figura 4-33 los histogramas para esta misma imagen el
cual nos ayudará a calcular la función de normalización de calidad de modo que se obtiene
lo siguiente, de lo anterior esperamos encontrar un valor mucho menor en la función de
normalización, pues hasta ahora la inspección visual nos ha permitido determinarlo.
Recuerde que estas imágenes han sido tomadas después de cambiar el régimen al
encontrado en la fase experimental, es decir, el régimen Ópt., mostrado en la Tabla 4-4.
Figura 4-33a. Histograma la imagen de control.
82
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4-33b. Histograma la imagen de empalme.
Calcularemos los valores de normalización, para la imagen de empalme, a través de
la expresión (2) y obtenemos:
SE = 5194
SC = 4897
Finalmente calculamos la función de normalidad a través de la expresión (1), y
obtenemos:
η=
η=
SE − SC
⋅ 100 %
SE
5194 − 4897
⋅ 100 %
5194
η = 5.76 %
Veamos un último caso encontrado con este régimen, primero mostraremos la
imagen procesada, en la figura 4-34.
(a)
(b)
Figura 4-34. Imagen obtenida de un buen empalme, a) imagen de control, b)
imagen de empalme.
83
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Su gráfica nos permite observar para este caso el nivel de oscuridad y por lo tanto su
histograma nos permite calcular la normalización para las imágenes mostradas, veremos las
gráficas en la figura 4-35 y los histogramas en la figura 4-36.
Figura 4-35. Gráficas de un caso de empalme con el régimen Ópt.
84
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4-36. Histogramas del empalme e imagen de control del último caso.
Para este caso se obtuvo:
SE = 18451
SC = 17857
η=
η=
SE − SC
⋅ 100 %
SE
18451 - 17857
⋅ 100 %
18451
η = 3.21 %
85
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
Como se mencionó antes, observamos que un 0% nos indica un empalme de
excelente calidad pues la imagen del empalme resulta ser idéntica a la imagen de control, y
al contrario un 100% indicaría un empalme de muy mala calidad pues una imagen será más
oscura que la otra, de modo que si SE = SC obtendríamos el 0% indicando excelente calidad,
pero por las pruebas realizadas vemos que entre 0 y 10 % se podría considerar un empalme
de buena calidad y mayores empalmes de mala calidad siendo el máximo a encontrar el
100% (el peor empalme). Cualquier valor que resulte ser negativo indicaría que la imagen
de control es más oscura que la imagen del empalme esto se debe a que como se detallará
más adelante la luminosidad de la lámpara de la empalmadora no es uniforme, de modo que
solo en el punto medio (área de empalme) encontraremos la característica de mayor
luminosidad, por lo tanto. Observamos que al obtener valores negativos se debe introducir
un coeficiente instrumental (de luminosidad), la luminosidad de la lámpara quedaría
representada por medio de una campana de Gauss (figura 4-37), así entonces:
Figura 4-37. Distribución de la luminosidad de la lámpara en la empalmadora.
Así entonces podríamos decir que el coeficiente instrumental (KL) sería:
KL =
S I0
S I1
(4)
donde KL >1.
Así entonces la expresión cambiaría a:
η=
SE − K L SC
⋅ 100 %
SE
Es importante destacar que según en el estudio previo hecho y presentado en este
trabajo, las formas existentes para verificar la calidad de los empalmes son básicamente
dos, la ofrecida por compañías americanas que se basan en la aplicación del sistema LID
86
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
(Capítulo 3) y el otro ofrecido por compañías japonesas quienes se basan en el uso de
imágenes para alinear las fibras.
Por lo tanto este trabajo presenta un método diferente de hacer esta verificación de
calidad a través del uso del procesamiento de las imágenes obtenidas mediante el sistema
presentado al inicio de este capítulo.
Si analizamos los casos presentados podremos observar que los dos últimos
encontrados con el régimen optimizado presentan el mejor de los casos anteriores, pues al
utilizar los regímenes preestablecidos en la empalmadora no los pudimos obtener a pesar de
encontrarse calibrada por el fabricante.
87
CONCLUSIONES
Conclusiones
En cualquier sistema de transmisión de señales, el empalme de bajas pérdidas de
segmentos de líneas de transmisión es fundamental para la calidad y el buen rendimiento
óptico. La naturaleza precisa de la fibra óptica exige una gran cantidad de capacidad y
atención a los detalles por parte del técnico en fibras. A diferencia de los alambres de cobre,
que dependen del contacto simple para un empalme de bajas pérdidas, las fibras ópticas se
deben alinear correctamente y mantenerse en su posición para transferir una cantidad
máxima de luz por el empalme. Además, debido a que la fibra de vidrio es vulnerable en el
punto de empalme, se deberá proteger de los elementos y las tensiones mecánicas.
Para certificar que el sistema funcionará sin problemas es necesario asegurar varios
parámetros y realizar medidas adecuadas para garantizarlos. Como se observó un parámetro
importante es la limpieza de la fibra, se debe verificar esta etapa pues a simple vista es
imposible determinar si está verdaderamente limpia. Una instalación en campo no es
precisamente el mejor entorno para mantener la limpieza de la fibra óptica, sin embargo,
hay que asegurarse para evitar pérdidas innecesarias de potencia.
Esto lo podemos hacer mediante el uso de microscopios normales adaptados a las
empalmadoras, sin embargo no son adecuados ya que representan un riesgo para los
operarios al mirar directamente en una fibra en la cual se podría estar emitiendo una señal
capaz de dañarle la vista. Las cámaras son el único recurso seguro para verificar la limpieza
de los conectores sin correr el riesgo de tener un accidente que pueda perjudicar la vista de
una persona.
Además de poder realizar las medidas mencionadas en apartados anteriores, los
instrumentos de medida deben ser fáciles de manejar, rápidos en la adquisición de medidas
y contar con procedimientos automatizados para que las medidas puedan ser realizadas por
personal con poca experiencia. Estas medidas deben ser almacenadas en el equipo para su
posterior análisis y la generación de los informes necesarios para dar por concluida la
instalación y/o reparación y/o mantenimiento de alguna falla.
Después de haber observado los anterior y aprovechando el hecho de la necesidad
de observar lo que sucede con las fibras mediante cámaras, podemos obtener las imágenes
de los empalmes y procesarlas en el mismo momento de la realización del empalme, de
modo que además de presentar un método para evaluar la calidad de los empalmes se
aprovechan los recursos que acompañan las máquinas empalmadoras.
Si añadimos el hecho de que se obtuvieron un conjunto de valores óptimos que
proporcionan un excelente desempeño del equipo en lo referente a atenuación en los
empalmes y que dicho procedimiento se puede emplear tanto con diferentes tipos de fibra
óptica como en distintas condiciones externas (altura, presión atmosférica, etc.), con la
única reserva de que su efectividad depende del cuidado y preparación de la fibra.
88
CONCLUSIONES
En general esta técnica puede ser aplicada a cualquier tipo de fibra, ya sea
monomodo o multimodo pues se tiene en cuenta sólo el área del “núcleo” de la fibra y no
propiamente sus características de fabricación.
Los procedimientos de medición, empalme y preparación de las fibras ópticas
desarrollados son aplicables con cualquier empalmadora, esto debido a que dichos equipos
independientemente de la marca y/o modelo basan su funcionamiento en los mismos
principios (fusión de arco eléctrico y algunos en las medidas de retrodispersión - LID).
El método aquí presentado es una nueva alternativa en la evaluación de calidad de
los empalmes y además se ha visto su eficacia, pues esta evaluación sería de manera
automática de modo que los operarios reducirán en mucho el tiempo aplicado a este
procesamiento, sin la necesidad de desplazarse de un punto a otro del enlace, o sin la
necesidad de ir a procesar las medidas obtenidas para asegurar la fiabilidad del empalme,
de modo que con este método se haría de forma automática en el mismo momento.
89
RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS
Recomendaciones para trabajos futuros
Al realizar los experimentos y el procesado de los datos y las imágenes, observamos
la efectividad del método presentado para la evaluación de calidad de los empalmes de fibra
óptica realizados por el método de fusión, una etapa adicional sería la implementación de
éste en los equipos de fusión, así como el procesado más detallado de las imágenes,
mediante algoritmos y uso de filtros para las imágenes, así como la introducción del
parámetro de luminosidad KL para observar su eficacia.
La implementación se haría utilizando una tarjeta DSP para el procesado de las
imágenes, se haría necesaria también la implementación de una cámara que nos permita
obtener imágenes de alta resolución mínimo de 5 Mpix que es el punto de partida de este
trabajo. De este modo el método sería más eficaz y no habría cabida para el error.
Otra recomendación es la aplicación de un método de optimización usando
algoritmos de programación lineal, los cuales nos permiten obtener los valores de una
función y maximizarlos para obtener la solución óptima.
Esto requerirá por lo tanto de la realización de mayor cantidad de experimentos para
obtener nuevos datos y nuevas imágenes para el procesado, verificando la efectividad del
método presentado en este trabajo.
90
APÉNDICE A. Estándares de fibras ópticas
Tipo de fibra óptica
Descripción
F.O, plástica
Trabajan a longitud de onda visible (650 nm). Se utilizan en
aplicaciones de automotores, audio, MIDI, etc. Se dispone de los
siguientes tipos dimensionales y atenuaciones: 485 / 500 μm con
240 dB/Km; 735 / 750 μm con 230 dB/Km y 900 / 1000 con 220
dB/Km
PCS
(Plastic Clad Silica) El núcleo es de silicio y las dimensiones con
200 / 300 μm. La atenuación es de 10 dB/Km a 850 nm.
Es una fibra óptica MM (multimodo) con perfil de índice de
F.O. 62.5 / 125 μm
refracción gradual (graded index). Este tipo de F.O. es una
normalización norteamericana ANSI. Es usada en redes de datos de
alta velocidad del tipo FDDI, para conexiones dúplex en anillos. Se
suele conectorizar mediante terminales ST, S, o FDDI.
Esta fibra óptica monomodo SM con perfil de índice parabólico es
F.O. 50 / 125 μm
normalizada por ITU-T-G.651. Usadas en la actualidad en redes de
datos de corta longitud (hasta 2km). Fue la única F.O. disponible
hasta inicios de los años ochentas. Se usaba en 850 ó 1300 nm.
F. O. STD
Es del tipo monomodo SM normalizada en ITU-G.652. Se trata de la
F.O. más popular en redes de telecomunicaciones actuales. Es
factible de usarse en 1300 y 1550 nm. Debido a la dispersión
cromática esta F.O. está optimizada para el cero de dispersión en
1300 nm.
F.O. DS
Esta F.O. monomodo de dispersión desplazada DS se encuentra en
ITU-T G.653. Permite gran ancho de banda en redes de larga
distancia trabajando en tercera ventana. Esta F.O. tiene el cero de
dispersión cromática en 1540 nm. La dispersión tiene un valor de -2
a +2 ps/Km; la F.O. STD lo tiene entre +16 a +18 ps/Km nm.
F.O. Pérdidas
Es del tipo monomodo con mínima atenuación. Es normalizada en
mínimas
ITU-T G.654. Se aplica para enlaces de muy larga distancia en 1550
nm. Es de aplicación limitada debido a la reducida performance en
cuanto a la dispersión cromática. Normalmente no es aplicable para
sistemas STM-16 a 2.5 Gb/s.
F.O. NZ-DS
Determinada en ITU-T G.655. Es normalizada en 1994 para 1550
nm. Mejora a la G.653 para aplicaciones de multiplexación por
división de longitud de onda WDM. La mejora en la
intermodulación pasa de ser 25 dB para la G.653 a más de 50 dB en
la G. 655. La intermodulación es producida por no linealidades de la
F.O. en altas potencias cuando se inyectan varias longitudes de
ondas de tipo WDM. El cero de dispersión cromática se encuentra
en 1525 nm para las F.O. producidas por Lucent y en 1560 nm para
las producidas por Corning. La dispersión se encuentra entre 2.6 y 6
ps/Km entre 1530 y 1560 nm.
91
Tipo de fibra óptica
Descripción
F.O. PDC
Permiten la compensación de la dispersión cromática G. 652. Posee
un núcleo muy estrecho (2μm) y un salto de índice de refracción
muy alto. La atenuación se incrementa, por lo que se realiza una
reducción paulatina entre el núcleo de la F.O. normal y la de
compensación de dispersión. Se utilizan algunos metros de F.O. de
compensación por varios Km de F.O. estándar G. 652. El centro de
la banda 1556 – 1557 puede correrse para otras longitudes de onda
necesarias.
F.O. Erbio Dop
La F.O. utilizada en amplificadores ópticos EDFA consisten en un
tramo de una decena de metros de F.O. dopada con tierras raras. El
erbio tiene la propiedad de absorber energía a una longitud de onda
y emitir energía en forma de emisión estimulada coherente con la
señal de entrada (normalmente 1550 nm)
F.O. PM
Este tipo de F.O. SM permite transmitir una luz polarizada con una
relación de 30 dB entre los ejes ortogonales. Se logra mediante un
núcleo no simétrico en ambos ejes. Se utiliza en óptica integrada,
giroscopios ópticos, sensores y sistemas coherentes. Una fibra óptica
puede actuar como polarizador debido a que cada eje tiene una
longitud de onda de corte distinta, de forma tal que entre ambas
longitudes de onda una polaridad se atenúa y la otra no. Este efecto
se encuentra en un rango de 30 a 40 nm y permite formar
polarizadores.
Estos datos se anexan con la finalidad de observar que existen muchas normas que
regulan el uso de la fibra óptica, sin embargo la adquisición de éstas es a través del ITU
(International Telecommunication Union), el cual permite bajarlas siendo un miembro de la
sociedad. Se puede consultar un pequeño resumen a través de la página de Internet
(http://www.itu.int).
92
APÉNDICE
utilizada
B.
Especificaciones
de
empalmadora
Empalmadora Tritec FASE II
93
94
95
96
97
98
99
100
APÉNDICE C. Artículos presentados en congresos
Decimoctava Reunión de Otoño de Comunicaciones, Computación,
Electrónica
Noviembre 25-30, 2007; Acapulco, Gro.
Conexiones de fibra óptica de índice escalonado, índice gradual y las pérdidas
que se producen
1
G. Sánchez Meléndez1, A. Michtchenko2
Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, ESIME-IPN, México D.F., México
2
Departamento de Ingeniería Electrónica, SEPI-ESIME-IPN, México D.F., México
Teléfono (55) 5729-6000 Ext. 54553, 54622 E-mail: [email protected]
E-mail: [email protected]
Resumen –– Las pérdidas que se introducen en las redes de
fibra óptica debida a los empalmes pueden deberse a diversos
factores, entre ellos el manejo indebido de la fibra, se debe
hacer notar que para la instalación de sistemas de este tipo es
necesario utilizar técnicas y dispositivos de interconexión como
empalmes y conectores ya que de lo contrario una parte de luz
sale del núcleo y no incide en el otro, por lo que se pierde. En
este caso podemos mencionar que las pérdidas que se
introducen por esta causa pueden constituir un factor muy
importante en el diseño de sistemas de transmisión. Estos
problemas son comunes de encontrar en el crecimiento de
redes, pues pueden surgir al conectar fibras de redes antiguas
al ser interconectadas con redes de fibras actuales las cuales
han cambiado sus características y tamaños, por lo que se debe
siempre tener en cuenta que soluciones pueden darse en este
tipo de casos.
Palabras Clave – empalmes, fibra óptica, pérdidas
INTRODUCCIÓN
Las fibras ópticas constituyen el eje central del sistema
de telecomunicaciones. Estos extraordinarios filamentos de
cristal, cuyo grosor es inferior al de un cabello humano, pero
cuya resistencia es superior a la del acero, fueron diseñados
para transportar las grandes cantidades de datos que se
pueden transmitir a través de una forma de luz relativamente
nueva: los rayos láser. Tanto los láseres como las fibras
ópticas han aumentado considerablemente la capacidad de la
red telefónica internacional, junto con las increíbles mejoras
conseguidas también en el campo de la informática y la
tecnología de comunicaciones.
La tecnología de la fibra óptica ha avanzado
rápidamente en un enlace punto a punto de fibra óptica
existe una fuente de luz localizada en el extremo transmisor
y un fotodetector en el extremo receptor. Las señales
originadas por diferentes fuentes ópticas utilizan fibras
diferentes y únicas como medio de transmisión. Por lo que
podemos mencionar que existen dos grandes grupos de
fibras ópticas [1-4].
•
Las fibras monomodo: son las cuales involucran el uso
de una fibra con un diámetro de 5 a 10 μm. Esta fibra
tiene poca atenuación con respecto a las fibras
multimodo en la misma distancia y por lo tanto se usan
muy pocos repetidores para distancias largas. Por lo
que es más usada para troncales con un ancho de banda
aproximadamente de 100 GHz por km.
101
•
Las fibras multimodo: de las cuales existen varios tipos
entre los cuales nos centraremos en dos de ellos: las de
índice escalonado y las de índice gradual; el primer tipo
es una fibra que tiene un ancho de banda de 10 a 20
MHz y consiste de un núcleo rodeado por un
revestimiento que tiene un índice de refracción de la
luz muy bajo, la cual causa una atenuación aproximada
de 10 dB/Km. Este tipo de fibras es usado típicamente
para distancias cortas menores a un km. El segundo
tipo es donde el índice de refracción cambia
gradualmente, esto permite que la atenuación sea
menor a 5 dB/Km y pueda ser usada para distancias
largas.
Tabla 1: Demanda de equipos y sistemas de fibra óptica hasta el año
2006 en E. U (millones de dólares) [11].
MERCADO / AÑO
OTROS
236
(4%)
2001
Millones de
dólares
4,940
(36%)
3,430
(25%)
1,845
(13%)
1,595
(12%)
700
(5%)
630
(5%)
20
(0.2%)
565
(4)
DEMANDA TOTAL DEL
MERCADO
5,966
13,725
TELECOMUNICACIONES
CABLE TV
SERVICIOS PÚBLICOS
REDES PRIVADAS DE
DATOS
DENTRO DE EDIFICIOS
MILICIA /
AEROESPACIO
AUTOMOTRIZ
Los empalmes utilizados para conectar ambos extremos
de las fibras causan también una pérdida de la señal en el
rango de 1 dB. Así también los conectores o interfaces
incurren también en pérdidas de 1 dB ó más. La tabla 1
muestra la demanda de equipos y sistemas de fibra óptica en
Estados Unidos [5-7].
En la tabla 1 se muestra el crecimiento en millones de
dólares según la demanda que han tenido los sistemas de
fibra óptica. Las fibras ópticas actualmente están presentes
total o parcialmente en cualquier sistema de comunicación.
Cuando varias longitudes de onda comparten una misma
fibra, los medidores de potencia óptica no aportan
información acerca de la señal compuesta que se transmite,
puesto que las medidas no son selectivas en longitud de
onda. Para la medida y monitorización de sistemas WDM
(por sus siglas en inglés Wavelength Division Multiplexing)
se requiere caracterizar componentes y realizar medidas en
puntos de la red en función de la longitud de onda. Los
analizadores de espectro ópticos se convierten en los
protagonistas de cualquier prueba de este tipo de sistemas.
Estos equipos son imprescindibles tanto en el proceso de
fabricación e instalación de componentes de red, así como
en los procesos de mantenimiento de la propia red. El
aumento de la capacidad de transmisión es imparable, de
hecho siempre ha sido así a lo largo de la historia, pero en la
actualidad se ha disparado vertiginosamente. El ritmo de
crecimiento de la capacidad de transmisión se multiplica por
diez cada cuatro años. Esto significa que dentro de ocho
años la capacidad de transmisión requerida por las redes
troncales podría superar los 100 Tb/s. En este sentido ya se
están fabricando fibras ópticas que minimizan las pérdidas
debidas a la absorción de las moléculas de agua en el
entorno de 1470 nm de manera que también sea posible
utilizar esta banda.
1996
Millones de
dólares
3,520
(59%)
895
(15%)
595
(10%)
270
(5%)
120
(2%)
325
(5%)
5 (0.08%)
2006
Millones
de dólares
7,165
(32%)
5,825
(26%)
3,985
(18%)
2,465
(11%)
1,010
(5%)
1,1120
(5%)
150
(0.7%)
730
(3%)
22,400
Como ya se menciono en las fibras monomodo los
problemas de empalme se encuentran principalmente en su
pequeño diámetro del núcleo Dn = 10μm, esto exige contar
con equipos y mecanismos de alineamiento de las fibras con
una mayor precisión. Las pérdidas de acoplamiento se
presentan en las uniones de:
•
•
•
•
•
Mala alineación lateral
Mala alineación de separación
Mala alineación angular
Acabados de superficie imperfectos y
Diferencias ya sea entre núcleos o diferencia de índices
de refracción.
Técnicas de empalme
Existen fundamentalmente dos técnicas diferentes de
empalme que se emplean para unir permanentemente entre
sí fibras ópticas. La primera es el empalme por fusión que
actualmente se utiliza en gran escala, y la segunda el
empalme mecánico.
El empalme por fusión: se realiza fundiendo el núcleo,
siguiendo las etapas de:
•
•
•
•
preparación y corte de los extremos,
alineamiento de las fibras,
soldadura por fusión,
protección del empalme.
102
El empalme mecánico: se usa en el lugar de la
instalación donde el desmontaje es frecuente, es importante
que las caras del núcleo de la fibra óptica coincidan
exactamente. Consta de un elemento de auto alineamiento y
sujeción de las fibras y de un adhesivo adaptador de índice
que fija los extremos de las fibras permanentemente.
Después de realizado el empalme de la fibra óptica se debe
proteger con forros metálicos, ó plásticos. En todos los casos
para el sellado del forro se utiliza adhesivo o resina de
secado rápido. Ya se dijo antes que en las fibras multimodo
se puede disminuir la dispersión haciendo variar lentamente
el índice de refracción entre el núcleo y el recubrimiento
(multimodo de índice gradual). El índice de refracción es
máximo en el centro de la fibra y mínimo en los extremos.
Por otra parte, la velocidad de propagación es inversamente
proporcional al índice de refracción. Consecuentemente, se
tiende a compensar la dispersión en las fibras multimodo
con un índice de refracción gradual. La dispersión del pulso
de luz dentro de la fibra depende, fundamentalmente, del
perfil del índice de refracción de la fibra y del diámetro del
núcleo. El perfil del índice de refracción varía según el tipo
básico de fibra (monodo, multimodo índice gradual e
multimodo índice escalonado).
Asimismo, se entiende por dispersión del pulso de luz,
al proceso por el cuál un pulso se ensancha, a medida que se
propaga por la fibra. Dicho ensanchamiento se debe a que en
el extremo final de la fibra los rayos de luz llegan con
tiempos de arribo diferentes, conformando en consecuencia
un pulso más ancho que el que originalmente salió del otro
extremo de la fibra. Este proceso limita la cantidad de
información a transmitir y en consecuencia se dice que
limita el ancho de banda. En un enlace punto a punto de
fibra óptica existe una fuente de luz localizada en el extremo
transmisor y un fotodetector en el extremo receptor. Las
señales originadas por diferentes fuentes ópticas utilizan
fibras diferentes y únicas como medio de transmisión [8].
Al respecto de la discrepancia entre las pruebas de
pérdidas de inserción y otro tipo de conexiones, se debe
entender que el método de prueba se usa para medir esas
pérdidas. Los resultados de la mejor prueba son obtenidos
cuando las longitudes de la fibra son grandes de la fuente al
medidor (la conexión) como parte permanente de la prueba.
Esto evita variaciones en los resultados que son causas de
perdidas por interconexión de medidor a medidor. Es por lo
anterior que el analizar estos tipos de pérdidas resulta
importante, entonces aquí, el objetivo es analizar y poder
ofrecer mejores alternativas al momento de realizar este tipo
de conexiones.
DESARROLLO
Para la instalación de sistemas de fibra óptica es
necesario utilizar técnicas y dispositivos de interconexión
como empalmes y conectores. Los conectores son
dispositivos mecánicos utilizados para recoger la mayor
cantidad de luz; realizan la conexión del emisor y receptor
óptico con la fibra óptica. En caso de que los núcleos no se
empalmen perfecta y uniformemente, una parte de la luz que
sale de un núcleo no incide en el otro núcleo y se pierde. Por
tanto las pérdidas que se introducen por esta causa pueden
constituir un factor muy importante en el diseño de sistemas
de transmisión, particularmente en enlaces de
telecomunicaciones de gran distancia, como se observa en la
fig. 1 [5].
La interconexión ideal de una fibra con otra seria que
tuviéramos siempre dos fibras que fueran óptica y
físicamente iguales, de modo que se mantenga igual la
conexión o empalme, alineando perfectamente los ejes de
sus centros. Sin embargo en el mundo real, los sistemas
tienen perdidas debido a esas interconexiones que son el
principal factor de aparición de éstas. La inserción de
pérdidas es la primera consideración al realizar una
conexión. Existen tres tipos de inserción de pérdidas:
•
•
•
la relacionada a la fibra,
la relacionada a los conectores,
los factores del sistema que contribuyen a tales
pérdidas.
Fig. 1. Tipos de pérdidas por empalme que pueden aparecer en
comunicaciones a través de fibras ópticas.
103
Los empalmes son las uniones fijas para lograr
continuidad en la fibra. Existen actualmente patentes que
proponen algunos métodos a través de los cuales podemos
mejorar la calidad de los empalmes en una red de fibra
óptica, sin embargo carecen de resultados pues únicamente
son propuestas a través de simulaciones como la que se
menciona a continuación. Aquí se menciona uno de los
métodos propuestos por una de ellas, para limitar las
pérdidas en empalmes entre fibras monomodo, donde cada
una tiene diámetro diferente. Este método caracteriza el
hecho de que una pieza de fibra multimodo sea soldada en la
parte final de dicha fibra, donde la longitud de la fibra
multimodo este entre el rango de 0.1 mm a 0.5 mm y que
tenga el mismo diámetro de revestimiento externo, entonces
la soldadura crea un cono adiabático en la región donde se
encuentran los núcleos. El método limita las pérdidas en
empalmes entre fibras monomodo, con núcleo y
revestimiento y con diferentes diámetros, ya que la fibra
monomodo incrementa su tamaño de modo que se dice que
en la región del cono adiabático los núcleos están en
contacto. En la bibliografía se reporta que los análisis de las
pérdidas de empalmes para fibras de índice escalonado se
pueden comparar con las obtenidas para fibras de índice
gradual para poder definir en que tipo de fibra se tienen
menores pérdidas. La pérdida debida a los empalmes o
conectores es un importante parámetro en las medidas de
calidad, por esta razón en los procesos de empalme o diseño
de conectores es de suma importancia evaluar las fuentes de
pérdida en uniones fibra-fibra las cuales son clasificadas
como pérdidas intrínsecas y extrínsecas.
• Las pérdidas extrínsecas pueden ser controladas,
canceladas o minimizadas hasta valores prácticamente
insignificantes por técnicas mejoradas de unión en
fibras.
•
Las pérdidas intrínsecas alcanzan las variaciones
inevitables propias de la guía de onda como resultado
de los procesos de fabricación, los cuales afectan las
características de propagación dentro de las fibras. Esto
nos mostrará los efectos de las tolerancias de cada
diámetro de núcleo, entre ejes de cada núcleo y
revestimiento y de apertura numérica.
La referencia [13] nos proporciona algunos resultados
obtenidos que incluyen más efectos que pueden causar
perdidas pero tienen la ventaja de que no dependen de
suposiciones utilizadas en expresiones analíticas y no son
restrictivas solamente a diámetros de núcleo o aperturas
numéricas. Se investigaron los efectos de tolerancia de los
parámetros típicos de los procesos de manufactura
realizando varias simulaciones usando el método de
“calcado”. Podremos identificar las variaciones más criticas
de la guía de onda debido a la fabricación de la fibra aquí
nos enfocaremos a las pérdidas más bajas alcanzadas en
empalmes. También se proporciona un análisis de la pérdida
de empalme para las fibras de índice escalonado, además de
los efectos y tolerancias en cada parámetro típico de los
procesos de fabricación, de modo que podremos verificar las
variaciones más críticas para reducirlas. La viabilidad de las
fibras de índice escalonado es de gran importancia ya que
podrán servir como complementos de fibras de vidrio o
polímero de índice gradual en líneas de comunicación. Esto
se debe a los procesos utilizados en su fabricación, la mejor
estabilidad de su índice de refracción, las pocas
fluctuaciones de temperatura y humedad.
La referencia [7] muestra en la fig. 2 los resultados para
pérdidas intrínsecas en empalmes de fibras de índice
escalonado, y fibras con perfil parabólico de revestimiento
cuando cada parámetro de la fibra receptora varía de manera
discreta de -5% a 5% de su valor de referencia enviado de
la fibra emisora.
Fig. 2. Resultados de la simulación de pérdidas intrínsecas en
empalmes, con tolerancia de -5% a 5%, usando el método de calcado [7].
Ahora podemos ver en la fig. 3 que la apertura numérica
y el diámetro del núcleo son los parámetros más críticos, ya
que el eje de cada núcleo y revestimiento en la
concentricidad circular son los menos críticos.
104
perfil parabólico de fibra de índice gradual demuestran los
tipos de efectos de compensación, por que la superficie más
externa de la fibra receptora tiene la más pequeña apertura
numérica. La fracción de pérdida de potencia en el caso de
fibras de índice escalonado es la que emite el anillo más
externo a la fibra receptora que se extiende hacia fuera.
La potencia emitida por el resto de la fibra transmisora
es colectada por la fibra receptora sin introducir pérdidas
adicionales. En cambio como ya se explicó en un perfil
parabólico de fibra de índice gradual la fracción de la
potencia emitida se encuentra en la posición del extremo y
es mucho más pequeña que en las fibras de índice
escalonado.
Fig. 3. Resultados obtenidos de las pérdidas intrínsecas con tolerancia
de ±5%, del perfil de revestimiento parabólico de fibra de índice gradual
[7].
Primero se miden las pérdidas intrínsecas en empalmes
separadamente de cada parámetro de la fibra, lo cual es útil
para observar un control requerido [8,10,11]. Los resultados
obtenidos sirven para verificar los parámetros más críticos,
después se realiza un análisis estadístico de las pérdidas
intrínsecas para la misma fibra. El análisis de la simulación
muestra como identificar esos parámetros y evaluar las
pérdidas intrínsecas para fibras de índice escalonado y fibras
de índice gradual utilizando varios resultados de esta
simulación. El índice de refracción en el núcleo y en el
revestimiento pueden ser elegidos de manera arbitraria ya
que las variantes de las fibras están normalizadas a un valor
característico además se observa que los resultados serán los
mismos para cada dimensión de fibra o propiedades del
material de fabricación. Por lo que los resultados mostrados
son válidos para todo tipo de fibra de índice escalonado y
medio de transmisión.
Para explicar tal comportamiento se hace referencia al
campo cercano y lejano de la fibra transmisora para ambos
tipos de fibra, de índice escalonado y de índice gradual. Se
espera que la probabilidad de tener un rayo con la
inclinación más cercana al ángulo crítico sea equiprobable
en cualquier dirección del núcleo de la fibra de índice
escalonado. El perfil parabólico del revestimiento en las
fibras de índice gradual se pueden propagar solo cerca del
centro de la fibra de acuerdo con el perfil parabólico donde
la apertura numérica disminuye según la posición radial
siguiendo una ley de potencia parabólica. Estos resultados
de potencia emitida se encuentran en el extremo de la del
revestimiento del perfil de la fibra de índice gradual.
Tomando esto en cuenta, el mejor resultado obtenido para
Se evaluaron también las pérdidas intrínsecas de
empalmes desde un punto de vista estadístico con el
propósito de obtener resultados útiles para las fibras de
índice escalonado. La fig. 4, muestra los resultados
obtenidos para las pérdidas por empalme cuando solo uno de
los parámetros varía y también cuando están mal colocadas
en uniones de fibras de índice escalonado y perfiles de fibras
parabólicas.
Fig. 4. Porcentaje acumulativo de uniones de fibra teniendo pérdidas
intrínsecas por empalmes [7].
Los detalles de las pérdidas de 50 % (L50%) y las de 90%
(L90%) son mostradas en la tabla 2.
105
Tabla 2. Pérdidas encontradas en 50% y 90%.
Todos los parámetros
mal colocados.
Radio mal colocado.
Apertura numérica
mal colocada.
Concentricidad
circular.
Concentricidad axial.
Perfil mal colocado
FIBRA DE
ÍNDICE
ESCALONADO
L(50%)
L(90%)
(dB)
(dB)
0.418
1.056
FIBRA DE
ÍNDICE
GRADUAL
L(50%) L(90%)
(dB)
(dB)
0.325 0.966
0.008
0.0
0.57
0.62
0.0
0.002
0.55
0.595
0.091
0.23
0.022
0.148
0.095
-
0.236
-
0.121
0.0
0.312
0.154
CONCLUSIONES
El cableado de fibra óptica transmite impulsos
luminosos entre transmisores y receptores. Estos impulsos
son datos que se envían a través del cable. Para que los datos
se transmitan correctamente, las señales luminosas deben
llegar hasta el extremo del cable con la energía suficiente
para que se puedan medir. La pérdida de luz entre los dos
extremos de un enlace de fibra se puede producir por
diferentes causas: la atenuación de la propia fibra, empalmes
por fusión, macrocurvaturas y pérdidas en los acoplamientos
de adaptadores donde se conectan los extremos de la fibra.
Para certificar que el sistema funciona sin problemas es
necesario asegurar varios parámetros y realizar medidas
adecuadas para garantizarlo.
Lo que se busca con este trabajo es encontrar los
métodos que actualmente se siguen para realizar empalmes
de calidad (sin pérdidas), ya que la causa principal de este
problema surge cuando se quiere hacer crecer una red, pues
las características de la fibra han cambiado, por lo que los
inconvenientes surgen al realizar estos empalmes. En las
redes con baja transmisión de datos y de tamaño reducido,
los márgenes de pérdida óptica son lo suficientemente
amplios como para permitir una atenuación considerable, sin
que esto afecte al funcionamiento del enlace. Sin embargo,
el cableado estructurado es objeto de una tendencia
persistente: la constante demanda de mayor ancho de banda.
A medida que se aumenta la capacidad de transmisión de los
enlaces de fibra, los márgenes admisibles de pérdida óptica
se reducen, lo que obliga a minimizar todos los eventos que
puedan generar pérdidas. Por lo tanto se busca la forma de
caracterizar estas conexiones para poder ofrecer una
alternativa a considerar en la aplicación de empalmes en
redes de fibra óptica y así minimizar las pérdidas que
pueden contribuir en un enlace.
REFERENCIAS
[1] O. C. Perea, “La fibra óptica anuncia grandes cambios en las
telecomunicaciones”, Tendencias 21 2007, Tendencias de las
Telecomunicaciones 2007.
[2] V. Marsh, “Europa será la tercera región del mundo en Internet por
fibra óptica en 2010”, Tendencias 21 2007, Tendencias de las
Telecomunicaciones 2007.
[3] José Pablo Mora, “La "fibra óptica llega a su escritorio”, La prensa
web.
[4] Pablo Fernández, “Fibra óptica hasta el hogar para impulsar la
sociedad de la información”, El país 2007.
[5] Empalmes y conexión de fibras ópticas, en Textos científicos 2007.
[6] G. C. Zimmer, “Fiber to fiber coupling using interferente to minimize
power loss (patent style)”, U.S. Patent 351175.
[7] Javier M., “Analysis of intrinsic coupling loss in multi-step index
optical fibers”, University Zaragoza, España., en 13th International Plastic
Optical Conference 2004: Proceedings, pp.450-457.
[8] Fiber connection and Coupling losses, Physics 366 Intermediate
Physics Laboratory
[9] F. L. Thiel y D. H. Davis, “Contributions of Optical Waveguide
manufacturing variations to join loss”, Electronic Letters 12, pp 340-341.
[10] The Freedonia Group Inc., LIGHTWave Magazine
BIOGRAFÍAS
ING. Gabriela Sánchez Meléndez. Ingeniera
en Comunicaciones y Electrónica de la
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica (1996 - 2001). Candidata a Maestra
en
Ciencias
en
Ingeniería
de
Telecomunicaciones de la Sección de Estudios
de Posgrado e Investigación del IPN.
Actualmente es Profesora Asociada de la
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica unidad Profesional Adolfo López
Mateos. Áreas de Interés Actual: Fibras
Ópticas, Telecomunicaciones.
Dr. Alexandre Michtchenko. Doctor en
Ciencias Físico Matemáticas con especialidad
en física láser, egresado del Instituto de Física
y Tecnología de Moscú MIPT, Investigador
Titular del Instituto de Física Química de la
Academia de Física de Rusia, fue profesor
invitado de la UNAM en el Instituto de
Química, actualmente es profesor de la
Sección de Estudios de Posgrado e
Investigación de la ESIME-IPN.
106
Conexiones entre fibras ópticas y las pérdidas ocasionadas por problemas
mecánicos
G. Sánchez Meléndez1, A. Michtchenko2
1
Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, ESIME-IPN, México D.F., México
2
Departamento de Ingeniería en Electrónica, SEPI-ESIME-IPN, México D.F., México
Teléfono (55) 5729-6000 E-mail: [email protected]
Ext.: 54553, 54622
E-mail: [email protected]
Resumen –– El presente trabajo es una revisión que sirve como
guía básica para conocer y calcular los diferentes tipos de
pérdidas en empalmes de fibras ópticas ocasionadas por
problemas mecánicos. Se proporcionan los datos para conocer
el mejor empalme entre fibras a través de algunas expresiones
matemáticas;
así
mismo
encontraremos
algunas
recomendaciones a considerar en la realización de la
instalación, operación y mantenimiento de redes por fibra
óptica.
Las ventajas que el esquema de fibra óptica al escritorio
ofrece son las siguientes:
Palabras Clave – empalmes, fibra óptica, pérdidas
Los sistemas de fibra óptica representan grandes
utilidades para las comunicaciones, ya que un cable de fibra
óptica se usa frecuentemente como un medio de
comunicación para muchas aplicaciones diferentes.
INTRODUCCIÓN
Gran parte de la evolución del mercado de la fibra
óptica está dependiendo del comportamiento de los grandes
operadores, que condicionan el crecimiento de banda ancha
y cada uno de ellos tienen sus propias estrategias respecto de
la infraestructura. Podemos notar que ADSL (Assimetric
Suscriber Line) ha ido decayendo desde el tercer trimestre
del 2005, siendo más notorio en los países de Asia–Pacífico,
ya que casi todos los abonados han emigrado a tecnologías
de banda ancha basadas en fibra óptica. Se comenzó con el
uso de la fibra óptica en las comunicaciones con las grandes
redes que transportaban información de un continente al otro
y de una ciudad a otra. Como ya se menciono la fibra óptica
ha ido reemplazando en forma paulatina al cobre, conforme
las necesidades de comunicación y el tráfico de información
han ido creciendo. La evolución de los sistemas de
comunicaciones nos lleva hasta la presencia de la fibra
óptica en las conexiones del escritorio. Esto es muy
importante ya que la FTTH (Fiber To The Home) representa
ventajas de gran relevancia, pues en las ciudades que se ha
implantado se empieza a utilizar la videoconferencia para
hablar con los servicios médicos, en sistemas de seguridad,
contra los incendios, o con fines educativos [1-3].
a) Alta capacidad para transportar información,
b) Reducción en los costos de instalación, administración y
mantenimiento de los servicios del edificio,
c) Vida útil muy superior a la de los sistemas de cobre,
d) Aumento en la productividad de los servicios.
Actualmente existen diversos tipos de fibras ópticas los
cuales pueden clasificarse en dos grandes grupos.
•
•
Fibra monomodo
Fibra multimodo
Un cable de fibra óptica sufre varios tipos de pérdidas
de las cuales las más usuales son:
•
•
Pérdidas por dobleces
Pérdidas de acoplamiento
Las pérdidas de unión son causadas por:
•
•
•
Mala alineación lateral
Mala alineación de separación
Mal acabado de superficie
Existen dos tipos de acoplamiento básico:
•
•
El acoplamiento por empalme
El acoplamiento por conector
Los empalmes se clasifican en dos tipos. Los empalmes
por fusión son los que proporciona la conexión de pérdidas
más bajas. Para realizar este tipo de empalme se utiliza un
dispositivo denominado empalmadora de fusión. La
empalmadora de fusión alinea con precisión las dos fibras,
generando un pequeño arco eléctrico para soldar las dos
fibras. Por otra parte tenemos los empalmes mecánicos, los
cuales son una técnica alternativa de empalmado que no
requiere empalmadora de fusión; un empalme mecánico es
un conector de fibra pequeño que alinea dos fibras desnudas
107
de manera precisa y que las asegura mecánicamente. Para
fijar permanentemente la unión se utilizan cubiertas de
epoxi o resina sintética directamente sobre las fibras
desnudas. Normalmente luego de realizar un empalme, éste
debe ser protegido.
DESARROLLO
Los problemas que se abordarán son los que pueden
aparecer cuando consideramos que la fibra está introducida
en un tubo capilar para que esté lo más alineada posible, se
mostrarán algunas expresiones para la pérdida asociada a
núcleos desalineados y de diferente diámetro, así como para
la diferencia de apertura numérica; también se hace un
análisis de incompatibilidad para fibras no-circulares.
Consideremos un empalme mecánico con revestimiento
holgado como se ve en la fig. 1. Las fibras ópticas tienen un
centro óptico (núcleo) rodeado por una región de
revestimiento óptico, y una capa de polímero que recubre
dicho revestimiento y que en algunos casos puede ser
removida. Cuando dos fibras ópticas son introducidas en un
tubo de cristal hasta que hacen contacto físico se aplica un
fluido para minimizar las reflexiones, asumiremos que las
fibras son del mismo tipo y que tienen las mismas
especificaciones. En este caso la transmisión de la fibra
emisora hacia la fibra receptora si los núcleos de la fibra
están desalineados, si los núcleos tienen diámetros
diferentes ó si los núcleos tienen aperturas numéricas
diferentes será menor al 100%. Pueden sumarse además
otras pérdidas si los núcleos no son circulares.
Fig. 1. Recubrimiento holgado de un empalme de fibras ópticas.
En la referencia [6] encontramos un conjunto de
ecuaciones con las cuales se pueden conocer las
contribuciones de pérdidas en empalmes, su cálculo está en
función de los parámetros geométricos de la fig. 2.
La cubierta concéntrica es definida usando el valor
mínimo y máximo de la cubierta más delgada.
T
Dc Dt = min
(1)
Tmax
donde Tmín y Tmáx representan la pared más delgada y más
gruesa entre el núcleo y la cubierta; Dc y Dt son el diámetro
de la fibra a la cubierta y de la fibra al tubo.
Los diámetros del núcleo y del revestimiento son
definidos como diámetros circulares que dan la mejor
instalación de los perímetros del núcleo y del revestimiento.
Para una forma elíptica del núcleo y del revestimiento la
mejor instalación es:
a2 + b2
(2)
2
donde Dn es el diámetro del núcleo; a y b son los radios de la
fibra, mostrados en la fig. 2,
y
Dn = 2
A2 + B 2
(3)
2
donde Dr es el diámetro del revestimiento; A y B son los
radios del revestimiento, mostrados en la fig. 2.
Dr = 2
Las no-circularidades del núcleo y el revestimiento son:
2a − 2b
Nc =
(4)
Dn
donde Nc , Dn, a y b son las no circularidad, el diámetro y
los radios del núcleo.
y
2 A − 2B
Nr =
(5)
Dr
donde Nr, Dr, A y B son la no circularidad, diámetro y radios
del revestimiento.
Núcleos desalineados
Si colocamos dos fibras dentro de un tubo muy delgado,
los núcleos pueden quedar desalineados, como se observa en
la fig. 3. Se muestra un caso donde, la desviación entre los
centros es máxima y están en direcciones opuestas.
Fig. 2. Parámetros usados para el cálculo de pérdidas en empalmes;
donde a, b, A y B representan los radios del núcleo y del revestimiento
respectivamente; Tmín y Tmáx representan la pared más delgada y más gruesa
entre el núcleo y la cubierta; DC y DT son el diámetro de la fibra a la
cubierta y de la fibra al tubo.
Fig. 3. Caso de desviación entre los centros de los núcleos de una
fibra emisora y receptora.
108
sin esmalte no hay que especificar la desviación de la capa
que la cubre.
Revestimiento de la fibra óptica
Se pueden considerar 3 contribuciones para una
desviación de núcleos de fibra revestida, como se muestra
en la fig. 4, los cuales dan la más grande desviación cuando
todos están en la misma dirección.
Fig. 5. Contribuciones de las desviaciones del núcleo de una fibra
desde el centro del tubo cuando la fibra no tiene cubierta; donde Δ1 y Δ3
representan las desviaciones: fibra/tubo y, núcleo/revestimiento.
La desviación es:
Fig. 4. Contribuciones de las desviaciones del núcleo de una fibra
desde el centro del tubo cuando la fibra tiene cubierta; donde, Δ1, Δ2 y Δ3
representan la desviación entre el centro de la fibra/tubo;
revestimiento/cubierta y, núcleo/revestimiento, respectivamente.
La desviación entre el centro de la fibra y el centro del
tubo es:
D − Dr
Δ1 = t
(6)
2
donde Δ1 es la desviación entre los centros fibra/tubo; Dt y
Dr son el diámetro del tubo y revestimiento,
respectivamente.
La desviación de la cubierta/revestimiento Δ2 es la más
grande cuando el eje menor del revestimiento es alineado a
los largo de la desviación.
⎛
⎜
1
1
Δ2 = ⎜ −
⎜2
1
1+
⎜
D
c Dr
⎝
⎞
⎟
⎟ ⋅ (D − 2 B )
r
⎟
⎟
⎠
B=−
Pérdidas por desviación del centro e incompatibilidad
del diámetro
La potencia óptica a menudo es distribuida
uniformemente entre las fibras que se encuentran a no más
de 10 metros de la fuente, un empalme o un conector. Los
resultados pueden ser exactos por medio de una expresión
para la forma geométrica de la fig. 6 y siempre que la
desviación sea más grande del 5% del diámetro del núcleo.
(7)
donde Δ2 es la desviación entre el revestimiento y la
cubierta; Dc, Dt, Dr son el diámetro de la fibra/cubierta,
fibra/tubo y fibra/revestimiento, respectivamente; B es el
radio de la parte más larga de la fibra,
y
Dr Cn 1 ⎛ Dr Cn ⎞
C ⎞
2⎛
+
⎟ (8)
⎜
⎟ + Dr ⎜⎜1 −
4
2 ⎝ 2 ⎠
2 ⎟⎠
⎝
2
Dt − 2 B
(9)
2
donde Δ1 es la desviación entre el centro de la fibra y el
centro del tubo; Dt es el diámetro del tubo y B es el radio de
la parte más larga de la fibra. La desviación total es
ligeramente más grande cuando la fibra tiene recubrimiento
a pesar de que solo hay dos contribuciones.
Δ1 =
2
n
donde B es el diámetro mayor de la fibra; Dr es el diámetro
del revestimiento y Cn es el revestimiento no circular.
Fibra sin revestimiento
La fig. 5 muestra las contribuciones de la desviación del
centro de la fibra la cual ha sido descubierta. Para una fibra
Fig. 6. Núcleos de fibra desviados e incompatibilidad de diámetros.
Dnr, Dne son los diámetros de los núcleos del receptor y emisor; Y es
la desviación de los núcleos.
Pérdidas por diámetros mal colocados.
La expresión estándar para núcleos concéntricos con
diámetro mal colocado es dada por:
⎛D
Pd = 1 − ⎜⎜ nr
⎝ Dne
⎞
⎟⎟
⎠
2
(10)
109
donde Pd es la pérdida por núcleo mal colocado; y Dnr, Dne
son el diámetro del núcleo receptor y emisor
respectivamente.
Para núcleos de fibras de forma elíptica las pérdidas
ópticas son las más grandes y ocurren cuando el núcleo
receptor es girado 90° con respecto al núcleo emisor
La fig. 7 muestra dos núcleos de fibra emitiendo y
recibiendo, la línea punteada indica la localización en donde
las fibras tiene la misma apertura numérica y toda la luz
emitida es recibida, debajo de la línea punteada la recepción
del núcleo tiene una apertura numérica pequeña y solo una
porción de la luz de la fibra emisora se pierde.
Fig. 8. Núcleo emitiendo con mayor eje paralelo, donde a y b son los
radios de la fibra emisora y receptora.
Fig. 7. a) Los centros tiene el mismo diámetro; b) El núcleo emisor es
más grande que el núcleo receptor.
Usando (10) podemos calcular la pérdida debida aun
diámetro de núcleo mal colocado Pid[dB].
1 ⎡ ⎛ Dnr ⎞ ⎤
⎟ ⎥
(11)
⎢1 − ⎜
2 ⎢ ⎜⎝ Dne ⎟⎠ ⎥
⎣
⎦
donde Pid[dB] es la pérdida de incompatibilidad de
diámetro, Dnr y Dne son el diámetro del núcleo receptor y del
núcleo emisor.
Pid [dB ] =
2
Pérdida por apertura numérica diferente.
La apertura numérica (NA) de un sistema óptico es un
número adimensional que caracteriza el rango de ángulos
para los cuales el sistema acepta luz. La reflexión interna es
la que causa que la luz sea guiada a lo largo de la longitud
de una fibra óptica, la luz debe estar primero dentro de un
ángulo aceptable para que pueda entrar al núcleo. El núcleo
de aceptado ó apertura numérica mide el rango de
aceptación de la luz dentro de la fibra óptica. El ángulo
sobre el cual la fibra acepta la luz depende del índice de
refracción del núcleo y revestimiento de vidrio. Para el caso
de que las fibras tengan diferente apertura numérica. La
pérdida por transmisión óptica (PiNA ) es:
⎡ 1 ⎛ ⎛ NA ⎞ 2 ⎞⎤
PiNA [dB ] = −10 log ⎢1 − ⎜1 − ⎜⎜ r ⎟⎟ ⎟⎥ (12)
⎢ 2 ⎜⎝ ⎝ NAe ⎠ ⎟⎠⎥
⎣
⎦
donde PiNA[dB] es la pérdida por transmisión óptica; NAr y
NAe son la apertura numérica del centro del núcleo receptor
y centro del núcleo emisor. Los fabricantes no especifican la
tolerancia de la apertura numérica, sin embargo la tolerancia
es de ± 0.015 típicamente.
La pérdida por empalme (Pelip[dB]) en este caso es:
⎛4
⎛ b ⎞⎞
Pelip [dB] = −10 log⎜⎜ tan −1 ⎜ ⎟ ⎟⎟ (13)
⎝ a ⎠⎠
⎝π
donde Pelip[dB] es la pérdida elíptica; a y b son los radios de
la fibra emisora y receptora.
Se modifico esta expresión reduciendo la pérdida lineal
a la mitad tomando en cuenta el efecto del núcleo desviado.
⎡
4
1⎛
⎛ b ⎞ ⎞⎤
Pelip [dB] = −10 log ⎢1 − ⎜⎜ 1 − tan −1 ⎜ ⎟ ⎟⎟⎥
2⎝
π
⎝ a ⎠ ⎠⎥⎦
⎢⎣
(14)
donde Pelip[dB] es la pérdida elíptica; a y b son los radios de
la fibra emisora y receptora.
Empalmes de bajas pérdidas en fibras ópticas y
componentes ópticos
Un rasgo importante de alcanzar bajas pérdidas en
empalmes de sistemas con pequeñas dimensiones es la
disponibilidad de las fibras ópticas con distintas aperturas
numéricas mientras mantienen sus pérdidas características.
Un empalme eficiente es la clave para la aceptación de la
energía del rayo láser en las fibras. En estos casos las fibras
ópticas tienen bajas pérdidas y alta apertura numérica
siempre que exista la oportunidad de utilizar fibras de
dimensiones más pequeñas mientras mantenemos una alta
eficiencia en las uniones.
Las figs. 9 y 10 muestran una fibra de sílice como
material principal y una fibra con núcleo de silicio y
germanio.
Núcleo no circular
110
Fig. 9. Baja pérdida espectral de la fibra de cristal
núcleo/revestimiento con apertura numérica de 0.22 y longitud de onda de
300 nm a 1800nm [7].
Fig. 10. Baja pérdida espectral para una fibra de núcleo de sílice y
germanio, cuando el NA es de 0.37 [7].
La fig. 11 muestra fibras con diferente valor de NA,
donde se observa que las fibras pueden tener diferente
aperturas numéricas aunque su diámetro sea el mismo.
Fig. 11. Fibras con diferente apertura numérica
Los núcleos con capa de germanio pueden ser utilizados
en la mayor parte de las aplicaciones. Normalmente se
relaciona con un paquete láser el tamaño, la robustez y éstos
son relacionados con la fibra óptica que es usada para
repartir el rayo láser y la cantidad de componentes ópticos
que necesita para alcanzar y mantener un empalme eficiente
desde la fuente láser y hasta la fibra.
Calibración, ajuste y optimización de instrumentos de
detección y corrección de fallas en enlaces con fibras
ópticas
Aquí se describirán procedimientos que permitan
optimizar el desempeño de los instrumentos empleados en
los procesos de detección y corrección de fallas en enlaces
con fibras ópticas, con el fin de que los procesos de
medición, monitoreo y reparación de las redes de fibra se
efectúen con alta precisión, rapidez y confiabilidad. Efectuar
un buen estudio en lo referente al mantenimiento de redes
con fibras implica conocer la normatividad que al respecto
esta vigente, para luego establecer procedimientos que se
ajusten a éstas. El sector de normalización de la UIT
establece en las series L y M toda la normatividad pertinente
a la instalación, protección de los cables y mantenimiento de
redes. Para determinar la calidad de los empalmes las
normas de la UIT-T G-671, TIA/EIA-568-A, ISO/IEC
11801 establecen que el valor de atenuación para empalmes
con fibras óptica debe estar en el rango de 0.01 dB –
0.008dB. Para ajustar los parámetros en la empalmadota es
imprescindible conocer cada uno de ellos, sus características
y analizar su comportamiento bajo diferentes condiciones, la
metodología sugerida consiste en efectuar diferentes pruebas
en las cuales se modifique el valor de los parámetros
corriente de prefusión, fusión, separación entre fibras,
tiempo de prefusión cuyos cambios tienen efectos
importantes en la calidad de los empalmes, hasta obtener un
grado de valores donde los resultados de los empalmes en
cuanto a atenuación cumplan con los requerimientos
preestablecidos. Para evaluar el desempeño del equipo en
cuanto a la calidad de los empalmes se tomaron
fundamentalmente dos criterios: primero una prueba es
satisfactoria si el promedio de los valores de atenuación es <
0.03 dB y segundo una prueba es óptima si el valor de la
moda corresponde a la atenuación más baja y a su vez
presenta un alto grado de uniformidad entre sus valores de
atenuación. Se obtuvieron un conjunto de valores óptimos
que proporcionan un excelente desempeño del equipo en lo
referente atenuación en los empalmes, dicho procedimiento
se puede emplear tanto con diferentes tipos de fibra óptica
como en distintas condiciones externas y su efectividad
depende del cuidado y preparación de la fibra.
CONCLUSIONES
Para certificar que el sistema funciona sin problemas es
necesario asegurar varios parámetros y realizar medidas
adecuadas para garantizarlo. Las medidas reflectométricas
tradicionales son esenciales durante la instalación para
garantizar el correcto funcionamiento del sistema. A partir
de estas medidas debe obtenerse el mapa de la instalación,
identificando cada uno de las distintas ramas que conectan a
los clientes. Otra medida importante es la verificación de la
limpieza de los conectores. Uno de los principales
problemas que pueden aparecer debidas a la instalación son
macrocurvaturas. Si se excede un determinado radio de
curvatura, parte de la señal que se inyecta en el núcleo de la
fibra se perderá hacia el exterior de la misma. Las pérdidas
por macrocurvaturas afectan sobre todo a las señales de
1550 nm, donde se transmiten generalmente señales de
video.
Además de poder hacer todas las mediciones anteriores,
los instrumentos de medida deben ser fáciles de manejar,
rápidos en la adquisición de las medidas y contar con
procedimientos automatizados para que las medidas puedan
ser realizadas por personal con poca experiencia.
Es posible encontrarse con este tipo de problemas al
realizar el mantenimiento de una red óptica, es pues de suma
importancia saber como afectan estos empalmes a la red, los
estudios muestran los resultados de investigaciones en
donde vemos claramente que existen formas de caracterizar
esos empalmes ayudándonos a dar un mejor servicio al
cliente, además debemos tener en mente que los problemas
aparecen al momento de conectar una fibra ya instalada hace
varios años con una nueva, pues las características de las
fibra ópticas han cambiado. A través de cables de fibra
111
óptica se transportan a altas velocidades gran cantidad de
información; por lo que es de suma importancia mantener el
servicio en las mejores condiciones y con un alto nivel de
calidad. Para las compañías que trabajan con redes de fibra
óptica se hace necesario realizar mediciones de forma
continua para detectar posibles fallas que puedan afectar el
funcionamiento de la red y en caso de que existan, es
indispensable su rápida y eficiente corrección.
Dr. Alexandre Michtchenko. Doctor en
Ciencias Físico Matemáticas con especialidad
en física láser, egresado del Instituto de Física
y Tecnología de Moscú MIPT, Investigador
Titular del Instituto de Física Química de la
Academia de Física de Rusia, fue profesor
invitado de la UNAM en el Instituto de
Química, actualmente es profesor de la
Sección de Estudios de Posgrado e
Investigación de la ESIME-IPN.
Por tal motivo es de suma importancia estudiar los
problemas de pérdidas que pueden presentarse al realizar
conexiones de distinto tipo al utilizar este medio, ya que así
se podrá ofrecer un mayor rendimiento así como un eficaz
crecimiento y mejor mantenimiento a las redes ópticas.
REFERENCIAS
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telecomunicaciones”, Tendencia 21 2007, Tendencias de las
telecomunicaciones.
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telecomunicaciones.
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de la información”, El país 2007.
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tolerance”, College of Optical Sciences, University of Arizona.
[7] Nestor S., Ronald C., Reinaldo V., César T. “Calibración, ajuste y
optimización de instrumentos de detección y corrección de fallas en enlaces
con fibras ópticas”, Revista colombiana de física, vol. 38, No. 1, 2006.
[8] Claudia M. S., John F. G., Pedro T., “Caracterización de fibras ópticas
de dos núcleos: Determinación de la longitud de batido a partir de medición
espectral”, Revista colombiana de física, vol. 38, No. 4, 2006.
[9] Nestor R. Suárez, Ronald D. Castellano, “Estimación de pérdidas de
potencia en enlaces con fibras ópticas”, Revista colombiana de física, vol.
36, No. 2, 2004.
[10] Daniel Grubb, “Nuevas necesidades de los equipos de medida en
sistemas FTTx”, Instrumentación para Fibra Óptica 2007.
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coefficient and method of fabrication thereof”, International Application
No. 9, 2004.
[12] R. K. Bonkcek, J. Hartpence, Y. Qian and T. Liang, “Ensuring low
splice loss with high quality fibers”, Leading Optical Innovation.
BIOGRAFÍAS
Ing. Gabriela Sánchez Meléndez. Ingeniera
en Comunicaciones y Electrónica de la
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica (1996 - 2001). Candidata a Maestra
en
Ciencias
en
Ingeniería
de
Telecomunicaciones de la Sección de Estudios
de Posgrado e Investigación del IPN.
Actualmente es Profesora Asociada de la
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica unidad Profesional Adolfo López
Mateos. Áreas de Interés Actual: Fibras
Ópticas, Telecomunicaciones.
112
2do. Congreso Internacional de Ingeniería Electrónica
Marzo 11 – 15, 2008; Cd. Madero Tamaulipas, México
Optimización del proceso de empalme en fibras ópticas a través de variaciones de
las etapas del proceso de fusión
G. Sánchez Meléndez1, A. Michtchenko2
1
Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, ESIME-IPN, México D.F., México
2
Departamento de Ingeniería Electrónica, SEPI-ESIME-IPN, México D.F., México
Teléfono (55) 5729-6000 Ext. 54622, 54553
E-mail: [email protected], [email protected]
Resumen –– Existe cierto número de factores que tienen
marcada influencia en la calidad de los empalmes de fibra
óptica, quizá el más importante es el corte de la fibra al
realizarlo. El proceso para realizar empalmes mecánicos
requiere que la persona que los realice tenga una práctica
constante y además que sea muy cuidadoso al realizar los
diversos procedimientos de empalme y de utilización de equipo
asociado al mismo, aún cuando se realicen empalmes por
fusión el corte es un parámetro que debe cuidarse, veremos los
métodos utilizados por las máquinas empalmadoras esto
servirá de primicia para un estudio más detallado, en el cual se
muestra un método nuevo de verificación de esta calidad.
Palabras Clave – empalmes, fibra óptica, pérdidas
INTRODUCCIÓN
El corte de la fibra es el proceso en el que el extremo de
la fibra sufre un pequeño rayado y doblez que ocasiona que
se fracture en forma limpia en todo el diámetro de la fibra.
Lo que se persigue mediante el corte es realizar una ruptura
limpia que deje expuesta una cara sin rugosidades y que sea
perpendicular al eje de la fibra. Un corte perfecto presentará
un ángulo de 0º lo que significará que la cara de la fibra
tiene un ángulo de 90º con respecto a cualquier parte del eje
de la fibra [1].
Las cortadoras de fibra óptica van desde la más sencilla
que es portátil cuyo elemento de corte es de carburo, hasta
las más complejas que realizan el corte mediante ultrasonido
y que pueden proporcionar en forma consistente cortes con
ángulos que tienen fracciones de grado. Los empalmes
pueden ser de dos tipos como se menciono antes son de dos
tipos: Mecánicos ó por Fusión.
Muchos empalmes mecánicos pueden ser vigilados
durante el proceso de instalación y pueden ser ajustados
hasta que con el equipo de prueba (OTDR) se obtenga una
atenuación eficiente. Una vez obtenido el valor deseado, el
empalme mecánico se fija ó se cierra para que las fibras
queden sujetas y firmes. El empalme mecánico se realiza
mediante el alineamiento de los diámetros exteriores de las
fibras que se empalman.
Los empalmes mecánicos realizados en fibras nuevas
(cables nuevos) son mucho más consistentes ya que éstas
tienen buena concentricidad en el núcleo. Cuando se
realizan reparaciones ó cuando se trabaja en fibras de cables
instalados con anterioridad, la desigualdad en la
concentricidad de las fibras, en la fibra misma pueden
provocar resultados de baja calidad con la utilización de los
empalmes mecánicos. El costo relativo del equipo para
realizar empalmes mecánico es relativamente bajo en
comparación con el requerido para los empalmes por fusión,
pero los materiales consumibles (empalme en sí mismo) es
muy alto en comparación con los consumibles para
empalmes por fusión [2].
Los empalmes de fusión se realizan mediante la unión
por medio de la "soldadura" debida a la aplicación de un
arco eléctrico que funde ambas fibras ópticas en sus
extremos. Aunque el costo inicial del equipo para fusión es
considerablemente elevado, el resultado de los materiales
consumibles para realizar los empalmes por fusión es muy
bajo y el resultado del empalme de fusión es
considerablemente superior al obtenido mediante los
empalmes mecánicos. Dentro de las empalmadoras de
fusión hay dos tipos de ellas. Las que verifican la calidad de
113
los empalmes y las que no verifican los mismos. El sistema
que utilizan las empalmadoras que verifican la calidad del
empalme es el denominado LID (Local Inject and Detect
System) ó Sistema de Inyección y Detección (de luz) en
forma Local, que consiste en introducir luz en una fibra y
verificar la recepción en la otra (de las que se van a
empalmar). En muchas ocasiones se adiciona a este sistema
un sistema de posicionamiento de las fibras lo que permite
realizar los empalmes en forma más eficiente y con una
calidad consistentemente buena. Las empalmadoras que
tienen el sistema LID, proporcionan los empalmes más
consistentes de todas las formas de empalme en un rango
promedio de 0.05 dB en forma confiable cuando la
concentricidad de los núcleos de las fibras es el principal
problema a resolver [3].
Las empalmadoras que utilizan el sistema de
alineamiento de perfiles son muy confiables ocupando un
segundo lugar en confiabilidad ya que son afectadas por la
concentricidad de las fibras. Las unidades que utilizan el
sistema de canales V para alinear las fibras se ubican en
tercer lugar en cuanto a su eficiencia ya que realizan el
acercamiento y alineamiento de las fibras tomando en
cuenta el diámetro exterior de la fibra. Sin embargo cabe
mencionar que cualquier tipo de empalme por fusión tiene
mejor desempeño que los empalmes de tipo mecánico.
Los costos de los equipos y las interfases para fibra
óptica en la actualidad permanecen con precios mayores que
los que se utilizan para cobre. Esto se debe parcialmente a la
limitada producción de los componentes de fibra óptica
debido a la gran capacidad de transmisión. Esta situación se
está revirtiendo en forma acelerada en los últimos tiempos
ya que existe la tendencia de llevar las señales mediante
cables de fibra óptica hasta el escritorio.
Existen diversos métodos de empalme de fibras ópticas
por fusión directa, todos ellos clasificados en base al tipo de
fuente de calor utilizada: una descarga eléctrica, un láser
gaseoso o una llama. El primero de ellos es el más
ampliamente utilizado en el caso de fibras de sílice. En
especial, se han desarrollado varias técnicas para realizar
empalmes por medio de descarga eléctrica, tales como el
método de prefusión, el método de descarga de alta
frecuencia con un elevado voltaje de trigger (HHT), y el
método de calentamiento uniforme para realizar empalmes
de múltiples fibras. Posteriormente comentaremos con algo
más de detalle en qué consiste cada uno de ellos.
Los métodos de empalme por fusión directa utilizan una
fuente de calor para fundir y unir las fibras ópticas. A
diferencia de otros métodos que utilizan materiales de
adaptación o adhesivos, en este caso no existe ningún otro
material más que la propia fibra en la región del empalme.
Por lo tanto, este método posee inherentemente bajas
pérdidas por reflexión y alta fiabilidad. En primer lugar, se
quitan las cubiertas de las fibras y se cortan. Ambas fibras se
sitúan con una cierta separación entre ellas en una máquina
empalmadora de fibras y se pulsa un botón para comenzar el
proceso. Hasta este punto el trabajo se realiza manualmente
por parte de un operario. En el momento de pulsar el botón
de la máquina, ésta comienza a mover las fibras para reducir
la separación entre las mismas. Durante el movimiento de
las fibras, se genera una descarga eléctrica que se mantiene
durante un período de tiempo predeterminado. Este proceso
tiene lugar de forma automática en la máquina
empalmadora. Por último, la región donde se ha producido
el empalme se protege para facilitar el manejo de la fibra.
Actualmente existen máquinas completamente automáticas
que realizan todas las acciones: desde quitar las cubiertas
hasta proteger el empalme [6].
DESARROLLO
Métodos para realizar empalmes por fusión
Corte de la fibra y método de prefusión
La calidad obtenida en el extremo de la fibra tras el
corte afecta a las pérdidas del empalme posterior, resultando
difícil de obtener superficies pulidas mediante la técnica de
empalme por fusión directa. Por este motivo, se han
propuesto diversas técnicas de corte de fibras que no utilizan
máquina de pulir. En cuatro de éstas técnicas, a la fibra se le
hace una muesca y posteriormente se dobla para realizar el
corte. Entre las distintas posibilidades para producir dicha
muesca se encuentran: un filo de cuchilla, una descarga
eléctrica, un alambre caliente o un láser CO2. Incluso existe
otra posibilidad que consiste en realizar una muesca y tirar
posteriormente de la fibra sin doblarla.
De entre todos los métodos, el más ampliamente
utilizado es el basado en la muesca con cuchilla o elemento
similar y posterior doblez de la fibra [7].
Además de los factores de pérdidas más comunes
presentes al realizar empalmes, tales como desplazamiento
lateral o inclinación, existen otros factores de pérdidas en el
caso del método de empalme por fusión, por ejemplo la
aparición de burbujas, líneas negras y/o manchas obscuras
entre ambos extremos de la fibra. Cuando se produce esto,
las burbujas o cualquier otro factor introducen elevadas
pérdidas de unos pocos decibelios o incluso más. En los
procedimientos de empalme anteriores a la existencia del
método de prefusión, ambas fibras se presionaban
ligeramente y posteriormente se fusionaban por medio de
una descarga eléctrica. Sin embargo cuando los extremos de
la fibra no eran lisos se producían desplazamientos laterales
y dobleces además de una mayor probabilidad de formación
de burbujas como consecuencia del confinamiento de aire
114
entre las superficies rugosas. Precisamente para evitar todo
esto se propuso el método de prefusión [11].
El procedimiento consiste en situar los extremos de
ambas fibras con una separación de unas micras y
posteriormente prefusionarlos con una descarga eléctrica, lo
que produce unas superficies lisas. Entonces éstas se
desplazan y presionan bajo la descarga. Tras tocarse los
extremos, ambas fibras permanecen presionadas debido al
movimiento. El calentamiento, por otro lado, continúa
incluso una vez que ha cesado el desplazamiento. El tiempo
de descarga es de unos pocos segundos y para fibras
monomodo resulta relativamente pequeño en comparación
con el escenario para fibras multimodo. Con este método se
obtienen bajas pérdidas en la región del empalme incluso
para superficies no perfectas. Dado que es difícil obtener
superficies perfectamente pulidas fuera del laboratorio, este
método resulta beneficioso en la construcción de una
máquina empalmadora para estos fines.
muestra en la figura 1. Sin embargo, en el caso de la
descarga a 20 KHz se obtenían valores de pico inferiores y
anchuras espaciales superiores que para la descarga a 50 Hz.
Esto significa que la descarga a 20 KHz produce una
distribución espacial de la energía más plana (distribución
del calor más uniforme y estable que la descarga de baja
frecuencia), lo cual es deseable en el caso de realizar
empalmes de múltiples fibras simultáneamente.
Método HHT
En la práctica existen dos tipos de descargas eléctricas
que se clasifican en descarga de corriente continua (DC) y
descarga de corriente alterna (AC). En general, una descarga
AC se prefiere sobre una descarga DC. En el caso de una
descarga DC solamente se gasta un electrodo, mientras que
en la descarga AC se gastan simultáneamente y de forma
simétrica los dos electrodos. El método HHT pertenece
precisamente al grupo de descargas AC, y como se verá a
continuación una descarga de alta frecuencia posee
propiedades beneficiosas.
En el circuito de alimentación utilizado en el método
HHT, un voltaje DC de entrada de 12 v se convierte en una
señal pulsante de frecuencia 20 – 40 KHz mediante
conmutación empleando dispositivos semiconductores.
Estas frecuencias de trabajo son bastantes comunes en el
caso de circuitos de alimentación de potencia y existen gran
cantidad de componentes semiconductores disponibles. El
generador de disparo situado a la salida de componentes
semiconductores disponibles. El generador de disparo
situado a la salida de un transformador y compuesto de
diodos y condensadores se encarga de activar los electrodos
de descarga. Finalmente, existe un circuito de
realimentación para el control de la conmutación.
En ciertos experimentos comparativos utilizando
descargas eléctricas de baja y de alta frecuencia se han
medido características diferenciadoras en cuanto su
eficiencia. Los experimentos se han llevado a cabo para
frecuencias de descarga de 50 Hz y 20 KHz, con una
separación entre electrodos de 1.5 mm. Las distribuciones
espaciales de la descarga obtenidas en ambos casos
presentaban un perfil prácticamente gaussiano, tal y como se
Fig 1. Distribuciones espaciales de la descarga.
Técnicas de alineamiento de fibras
Tanto los método de prefusión como de descarga estable
son importantes para conseguir bajas pérdidas en los
empalmes. Sin embargo, también resulta crucial un buen
alineamiento previo de las fibras. Las distintas técnicas de
alineamiento pueden clasificarse en fijas y móviles.
En la técnica fija las fibras no se desplazan lateralmente,
sino que éstas se sitúan en posiciones predeterminadas. Este
método se conoce también como alineamiento pasivo y es
ampliamente utilizado en las máquinas empalmadotas
debido a su simplicidad. Cuando se utilizan fibras con una
excentricidad de núcleo pequeña, este método es válido no
sólo para fibras multimodo sino también para fibras
monomodo. Dado que las tecnologías de fabricación de
fibras han mejorado en la actualidad, es posible conseguir
empalmes de varias fibras monomodo de forma simultánea
con valores de pérdidas inferiores a 0.05 dB utilizando
máquinas que emplean esta técnica.
En cambio, en las técnicas móviles las fibras se
desplazan lateralmente hasta obtener posiciones precisas
previamente a la descarga. Este método se conoce también
con el nombre de alineamiento activo. Hasta la fecha se han
propuesto múltiples técnicas para realizar el alineamiento,
especialmente durante las primeras fases de desarrollo de los
empalmes de fibra monomodo, las cuales presentaban una
115
elevada excentricidad en el núcleo en comparación con las
fibras actuales.
Una de estas técnicas es la de monitorización de la
potencia óptica, la cual se basa en la medida de la potencia
óptica transmitida para realizar el alineamiento. Existen tres
posibilidades dependiendo de los puntos del sistema que se
utilizan para realizar la medida.
En la técnica de tres puntos se utilizan una fuente
óptica, una máquina de empalme y un detector situado en
tres puntos diferentes del sistema. En este caso, para hacer
uso de la potencia óptica detectada para alinear las fibras se
requiere un dispositivo transmisor y unos cables metálicos.
Con este método se han obtenido valores de pérdidas por
empalme de unos 0.1 dB con una desviación típica de 0.08
dB. Por otro lado, en la técnica de dos puntos se sitúa un
detector cerca o en la propia máquina empalmadora. De este
modo, el equipamiento solamente se coloca en dos puntos
del sistema y la potencia óptica transmitida se detecta
localmente por medio de la radiación que produce una
curvatura de la fibra.
Finalmente, en la técnica de un punto se colocan
todos los componentes en el mismo emplazamiento. Tanto
la inyección como la detección de potencia se realizan en la
mayoría de los casos por medio de la curvatura de la fibra.
Los métodos visuales
Son otra de las técnicas no fijas de alineamiento de
fibras. En una de las técnicas se utiliza un microscopio para
observar en una dirección o en dos direcciones
perpendiculares los diámetros exteriores de las dos fibras.
Para observar las dos direcciones se coloca un espejo cerca
de las fibras. La imagen aumentada puede verse
directamente o indirectamente, en este último caso s través
de un monitor de TV y una cámara. Dado que para el
alineamiento se utiliza como referencia el diámetro exterior
de las fibras, esta técnica es poco eficiente en el caso de
fibras monomodo con excentricidad en el núcleo. Para ello
debería utilizarse algún método de monitorización directa
del núcleo, como por ejemplo: el uso de la fluorescencia de
un núcleo de sílice con germanio y excitado con luz
ultravioleta, el uso de un microscopio de contraste por
interferencia diferencial, el uso de un divisor de haz y luces
inyectadas en ambas direcciones o el uso de un microscopio
ordinario.
Finalmente la técnica basada en la utilización de un
sensor de luz también pertenece al conjunto de técnicas
móviles. En esta técnica se detectan las posiciones de las
fibras en dos direcciones perpendiculares por medio de dos
sensores de luz por cada fibra, por lo que son necesarios
cuatro sensores en total.
En las técnicas móviles resulta imprescindible la
presencia de mecanismos muy precisos para realizar los
movimientos finos que se precisan durante el alineamiento.
Algunos mecanismos propuestos consisten en una
plataforma móvil de precisión controlada por un motor, un
dispositivo piezoeléctrico o un dispositivo de deformación
elástica. Las características de linealidad en el movimiento,
desplazamiento máximo y tamaño dependen de la técnica de
alineamiento y del diseño de la máquina empalmadora.
Fig 2. Alineamiento de fibras mediante ranuras en V: substratos duro
y blando.
Protección del empalme
Generalmente la cubierta de las fibras se elimina
previamente a la realización del empalme. Durante el
proceso consiste en eliminar las cubiertas, cortar las fibras y
situarlas en la máquina empalmadora, e incluso en el
proceso de calentamiento, se producen grietas en las fibras
que debilitan su resistencia. La resistencia de las fibras tras
realizar un empalme se reduce en un 10% aproximadamente,
por lo que se hace necesaria la posterior protección de la
zona tratada.
A la hora de seleccionar un método de protección se
deben considerar factores tales como: fiabilidad (variación
de las pérdidas de empalme y rotura), facilidad de manejo y
coste. Cuando el método de protección o su diseño no es
bueno, las pérdidas del empalme sufren gran variación con
la temperatura. Si por el contrario se realiza de forma
adecuada, las pérdidas varían tan sólo 0.02 dB para rangos
de temperatura desde -30 °C hasta +60 °C.
De entre los distintos métodos de protección utilizados
destacan: una ranura con forma de V (V-groove) de plástico
con cubierta, un par de láminas de cristal cerámico, un tubo
que se contrae con el calor junto con una varilla de acero o
un molde de plástico. Finalmente, para la sujeción se
utilizan como adhesivos un reacción química, la fundición
del material o resinas fotosensibles.
Máquinas de empalme de fibras
Existen
máquinas de
empalme de
multimodo,
disponibles comercialmente multitud de
fácil manejo para realizar automáticamente el
diversos tipos de fibras ópticas: monomodo,
fibras de dispersión desplazada, fibras
116
mantenedoras de polarización, etc. La mayoría emplean los
métodos de prefusión y HHT para realizar la unión. Para su
funcionamiento disponen de una pequeña batería interna de
12 v o de conexión la red.
CONCLUSIONES
Al estudiar los tipos de empalmadoras nos damos cuenta
que los parámetros involucrados en este proceso afectan en
demasía la calidad del empalme, por lo tanto se pueden
introducir mayor cantidad de pérdidas en ésta unión.
A medida que se aumenta la capacidad de transmisión
de los enlaces de fibra, los márgenes admisibles de pérdida
óptica se reducen, lo que obliga a minimizar todos los
eventos que puedan generar pérdidas. Por lo tanto se busca
la forma de caracterizar estas conexiones para poder ofrecer
una alternativa a considerar en la aplicación de empalmes en
redes de fibra óptica y así minimizar las pérdidas que
pueden contribuir en un enlace.
Fig. 3. Proceso de empalme utilizando la empalmadora Tritec Ltd.
Como puede observarse en el esquema, primero las
fibras se separan una cierta distancia antes de unirse de
manera que reciban un precalentamiento, en el momento en
que se incrementa la temperatura del arco las fibras se unen
y son mantenidas en la misma posición de manera uniforme
por un tiempo llamado tiempo 2a, el tiempo 2b es la parte
final en la cual la empalmadora realiza una serie de micro
movimientos en la fibra, para asegurar la durabilidad del
empalme.
En la tabla 1 y en la tabla 2 mostraremos algunas de las
modificaciones hechas con esta empalmadora, obteniendo
una mejor calidad de los empalmes realizados.
Esta es una de las fases del proceso de estudio que es la
de mejorar la calidad de los empalmes, de las cuales se
determino que era necesario variar todos estos parámetros
de modo que hemos logrado la optimización del proceso en
esta fase.
Tabla 1. Variación de parámetros para optimizar el proceso de
empalme por fusión, para el caso de fibras multimodo.
Modo
Warm
Std.
Cool
A
B
A1
12.5
12.5
12.5
12.6
12.5
T1
1
1
1
1.1
1
A2a
16
15
14.5
14.2
14
T2a
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
A2B
15
14.5
14
14.5
14.5
T2b
4
4
4
4
4
A2c
14.5
14
13.5
14
14
T2c
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
Tabla 2. Tabla 1. Variación de parámetros para optimizar el proceso
de empalme por fusión, para el caso de fibras multimodo - monomodo.
Modo
Warm
Std.
Cool
A
B
A1
12
12
12
12.1
12
T1
0.6
0.65
0.6
0.5
0.5
A2a
15
15
14
14.2
13
T2a
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
A2B
14.5
14.5
14.5
14.5
14.3
T2b
7
5.75
5
5
5
A2c
14
14
14
14
14
T2c
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
El principio básico de los empalmes por fusión es el de
preparar los extremos de las fibras a unir, de modo que éstos
sean homogéneos al unirse preliminarmente. Además para
garantizar un empalme de calidad es necesario posicionar
las fibras de manera precisa, es decir, alinearlas de modo
que no presenten ningún problema de los mencionados en
capítulos anteriores, y calibrar la empalmadora para
estabilizar y controlar la temperatura del arco que producirá
la unión de las fibras.
Encontramos que la mayoría de las empalmadoras
presentan una serie de programas preestablecidos a los
diferentes tipos de fibras ópticas de los actualmente
utilizados, de modo que podemos unir fibras de cualquiera
de estos tipos, monomodo – monomodo, multimodo –
multimodo. Hemos observado que haciendo una ligera
variación en cualquiera de los parámetros se puede mejorar
la calidad de estos, ya que no siempre las empalmadoras
ofrecen el valor de pérdida que indican al realizar estos
procesos.
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Telecomunicaciones tomo 0/7, pp. 1 – 30.
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Biografías
ING. Gabriela Sánchez Meléndez.
Ingeniera
en
Comunicaciones
y
Electrónica de la Escuela Superior de
Ingeniería Mecánica y Eléctrica (1996 2001). Candidata a Maestra en Ciencias en
Ingeniería de Telecomunicaciones de la
Sección de Estudios de Posgrado e
Investigación del IPN. Actualmente es
Profesora Asociada de la Escuela Superior
de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad
Profesional Adolfo López Mateos. Áreas
de Interés Actual: Fibras Ópticas,
Sistemas
de
Transmisión,
Telecomunicaciones.
Dr. Alexandre Michtchenko. Doctor en
Ciencias
Físico
Matemáticas
con
especialidad en física láser, egresado del
Instituto de Física y Tecnología de Moscú
MIPT, Investigador Titular del Instituto de
Física Química de la Academia de Física
de Rusia, fue profesor invitado de la
UNAM en el Instituto de Química,
actualmente es profesor de la Sección de
Estudios de Posgrado e Investigación de la
ESIME-IPN.
118
Nuevos métodos de evaluación de calidad de empalmes por fusión de fibra
óptica a través de procesamiento de imágenes
1
G. Sánchez Meléndez1, A. Michtchenko2
Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, ESIME-IPN, México D.F., México
2
Departamento de Ingeniería Electrónica, SEPI-ESIME-IPN, México D.F., México
Teléfono (55) 5729-6000 Ext. 54553, 54622
E-mail: [email protected], [email protected]
Resumen - Como en la actualidad se instala un gran volumen
de fibras ópticas en un sin fin de aplicaciones de
telecomunicaciones, normalmente a través de cables de fibra,
los ingenieros de estos sistemas comienzan a considerar el
creciente impacto de los empalmes en éstos. Los empalmes
producen pérdidas en los sistemas y provocan a su vez un
profundo impacto en la calidad, rendimiento y costo de
instalación del mismo.
Palabras Clave – empalmes, fibra óptica, pérdidas
INTRODUCCIÓN
La geometría del vidrio y las dimensiones físicas de la
fibra óptica han mostrado ser una de las contribuciones
primarias de la pérdida por empalme. Los procesos de
fabricación ayudan a los ingenieros a reducir los costos en
los sistemas y a soportar el crecimiento en el número de
empalmes y las pérdidas inherentes a ellos que típicamente
llegan a ser de alrededor de 0.1 dB cada uno en el uno de los
mejores casos. Las fibras que presentan tolerancias
geométricas controladas rigurosamente no solo serán fáciles
y rápidas de unir a través de empalmes por fusión sino que
también reducirán la necesidad de predecir su alta calidad de
realización.
Esto solo será válido cuando los empalmes realizados
utilicen técnicas mecánicas o por fusión, ambas serán más
importantes para el caso de fibras monomodo, ya que por ser
de un tamaño mucho menor que las fibras multimodo, las
exigencias en cualquier desalineación serán menores. Estas
tolerancias geométricas además permitirán mayor
flexibilidad en la elección de los equipos para fibra óptica.
Los beneficios de la tolerancia geométrica rigurosa puede
significar hoy en día un incremento en arquitecturas,
estimando que los empalmes por su menor cantidad de
pérdida y las pruebas sean reducidas en más de un 30% lo
cual también se reflejará en los costos de instalación y
mantenimiento.
Los nuevos desarrollos en fibras ópticas tienen varias
líneas de investigación. Las fibras policristalinas tienen muy
pobres propiedades mecánicas y sufren de esparcimientos de
las señales inducidas. Los vidrios de Germanio (GeO2) son
de fácil producción pero tienen una longitud de onda de
corte reducida. Los vidrios calcónidos (AsS; AsSe) tienen
un mínimo ancho de banda teórico de 0,01 dB/km a 4.54
μm. Los vidrios fluorados (ZrF4) son los más interesantes
con atenuación de 0.001dB/km a 3.44μm. Por ejemplo, ya se
producen fibras de flúor con diámetro de 150 μm y NA de
0.2 debajo de 1 dB/km entre 0.5 y 2 μm.
Las fibras ópticas se utilizan en varias aplicaciones
industriales como sensores. Por ejemplo, el puente Taylor
sobre el río Assiniboine en Canadá está construido con vigas
de polímero reforzado de fibras de carbono y vídrio. En su
interior las fibras ópticas llevan luz hasta detectores de
presión. La longitud de onda reflejada por los medidores
depende de la temperatura y la presión [10].
En el caso de estudio referente a las
telecomunicaciones observamos que las redes de datos y los
sistemas de cableado estructurado, necesitan mejorar sus
anchos de bandas para el transporte de voz, datos e
imágenes, por este motivo cada día más frecuentemente se
recurre al cable de fibra óptica como medio de transmisión
en las redes. El uso de la fibra óptica permite la conexión de
puntos distantes, se puede utilizar para la interconexión de
centros de cableado (backbone), para la interconexión de
edificios y también para uso en ambientes industriales.
119
La fibra óptica multimodo es la que se instala dentro
de edificios comerciales, oficinas, bancos y dependencias
donde la distancia entre centros de cableado es inferior a los
2 Km. Para distancias mucho mayores se prefiere utilizar
fibra monomodo pues solo se transmite un modo a la vez, lo
que reduce la cantidad de pérdida que se pueda ocasionar.
Algunas de las ventajas de la fibra óptica son la
inmunidad a las interferencias electromagnéticas, la baja
atenuación de la señal, admite un gran ancho de banda, es
absolutamente confidencial, se establecen comunicaciones a
grandes distancias, y tiene aislamiento dieléctrico entre los
puntos de conexión [4].
La fibra va a contener toda la energía luminosa que
entra en su cilindro interior (núcleo), ayudándose del
cilindro siguiente (revestimiento), que es el que permite que
la luz rebote dentro del primero; siendo muy pequeñas las
dimensiones de la fibra. En las comunicaciones por fibra
óptica se trabaja con radiaciones electromagnéticas con
longitudes de onda comprendidas entre 750 nm y 1650 nm
(las radiaciones visibles al ojo humano están comprendidas
entre 400 nm y 750 nm).
Cada uno de estos tipos de fibra óptica, tienen el
núcleo de diferentes diámetros, así la fibra monomodo tiene
un núcleo de 9 micrones, y la multimodo llega al mercado
con dos medidas: la fibra con núcleo de 62,5 micrones y la
nueva versión en 50 micrones. Como referencia indicamos
que el diámetro del cabello humano es de 70 micrones [2].
Para la instalación de sistemas de fibra óptica es
necesario utilizar técnicas y dispositivos de interconexión
como conectores y empalmes, llamados comúnmente
acoplamientos. Los conectores son dispositivos mecánicos
utilizados para recoger la mayor cantidad de luz,
normalmente realizan la conexión del emisor y receptor
óptico con la fibra, es decir, se colocan en los extremos.
Para el caso de las uniones fibra – fibra se utilizan con
mayor frecuencia los empalmes, que son las uniones fijas
para lograr continuidad en la fibra óptica.
En el caso de que los núcleos no se empalmen perfecta
y uniformemente, una parte de la luz que sale de un núcleo
no incide en el otro núcleo y se pierde. Por lo tanto las
pérdidas que se introducen por esta causa pueden constituir
un factor muy importante en el diseño de sistemas de
transmisión,
particularmente
en
enlaces
de
telecomunicaciones de gran distancia.
En las fibras monomodo los problemas de empalme se
encuentran principalmente en su pequeño diámetro del
núcleo Dn ≈ 10μm, esto exige contar con equipos y
mecanismos de alineamiento de las fibras con una mayor
precisión [2].
DESARROLLO
Existen fundamentalmente 2 técnicas diferentes de
empalme que se emplean para unir permanentemente entre
sí fibras ópticas.
Los empalmes mecánicos: se utilizan en el lugar de la
instalación donde el desmontaje es frecuente, es importante
que las caras del núcleo de la fibra óptica coincidan
exactamente. Consta de un elemento de auto alineamiento y
sujeción de las fibras y de un adhesivo adaptador de índice
que fija los extremos de las fibras permanentemente.
Después de realizado el empalme de la fibra óptica se debe
proteger.
Este tipo de empalme se observa en la figura 1, donde
el adhesivo en este caso es un epóxico que ayudará a sujetar
las fibras.
Fig. 1. Empalme mecánico.
Los empalmes de fusión se realizan mediante la unión
por medio de la "soldadura" debida a la aplicación de calor
que funde ambas fibras ópticas en sus extremos. Aunque el
costo inicial del equipo para fusión es considerablemente
elevado, el resultado de los materiales consumibles para
realizar los empalmes por fusión es muy bajo y el resultado
del empalme de fusión es considerablemente superior al
obtenido mediante los empalmes mecánicos. Dentro de las
empalmadoras de fusión hay dos tipos de ellas. Las que
verifican la calidad de los empalmes y las que no verifican
los mismos. El sistema que utilizan las empalmadoras que
verifican la calidad del empalme es el denominado LID
(Local Inject and Detect System) ó Sistema de Inyección y
Detección (de luz) en forma Local, que consiste en
introducir luz en una fibra y verificar la recepción en la otra.
En muchas ocasiones se adiciona a este sistema un sistema
de posicionamiento de las fibras lo que permite realizar los
empalmes en forma más eficiente y con una calidad
mejorada. Las empalmadoras que tienen el sistema LID,
proporcionan los empalmes más consistentes de todas las
formas de empalme en un rango promedio de 0.05 dB en
forma confiable; ahora la concentricidad de los núcleos de
las fibras es el principal problema a resolver.
120
Las empalmadoras que utilizan el sistema de
alineamiento de perfiles son muy confiables ocupando un
segundo lugar en confiabilidad ya que son afectadas por la
concentricidad de las fibras. Las unidades que utilizan el
sistema de canales V para alinear las fibras se ubican en
tercer lugar en cuanto a su eficiencia ya que realizan el
acercamiento y alineamiento de las fibras tomando en
cuenta el diámetro exterior de la fibra.
Existen diversos métodos de empalme de fibras
ópticas por fusión directa, todos ellos clasificados en base al
tipo de fuente de calor utilizada: una descarga eléctrica, un
láser gaseoso o una llama, en la fig. 2 se observa un
empalme por fusión. El primero de ellos es el más
ampliamente utilizado en el caso de fibras de sílice. En
especial, se han desarrollado varias técnicas para realizar
empalmes por medio de descarga eléctrica, tales como el
método de prefusión, el método de descarga de alta
frecuencia con un elevado voltaje de trigger (HHT), y el
método de calentamiento uniforme para realizar empalmes
de fibras múltiples.
Fig 3. Procedimiento de empalme de fibras ópticas por fusión.
Las pérdidas en empalmes pueden ser:
•
Intrínsecas a la fibra por: diferencia de diámetro entre
los núcleos de las fibras; excentricidad de los núcleos
respecto del revestimiento, núcleos ligeramente
elípticos, diferencia entre los perfiles de los índices
de refracción entre las dos fibras, diferencia entre los
valores de los ángulos de aceptación de las fibras.
•
Extrínsecas a la fibra por: limpieza insuficiente del
revestimiento, corte defectuoso, ejes de la fibra no
alineados, ejes de fibra no paralelos e imperfección
en la fusión.
Fig 2. Empalme por fusión.
El proceso a seguir en cualquiera de los dos tipos de
empalme es el mostrado en la figura 3 el cual representa el
procedimiento a seguir para realizar un empalme de fibras
ópticas.
De modo que aparecen múltiples factores que
introducen pérdidas significativas en un enlace de fibra
óptica, uno de los factores que es preponderante en la
transmisión a través de este medio la encontramos cuando la
transmisión de luz en una fibra óptica no es 100% eficiente.
Los empalmes utilizados para conectar ambos
extremos de las fibras causan también una perdida de la
señal en el rango de 1 dB. Así mismo los conectores o
interfaces incurren también en perdidas de 1 dB o más.
Las pérdidas por acoplamiento pueden ocurrir en
cualquiera de los tres tipos de uniones ópticas: conexiones
de fuente a fibra, de fibra a fibra y conexiones de fibra a
fotodetector. Las pérdidas de unión son causadas más
frecuentemente por:
121
•
Mala alineación lateral: ésta ocurre cuando tenemos
un desplazamiento axial o lateral entre las dos partes
de a fibra.
•
Mala alineación de separación: ésta ocurre cuando las
fibras no se tocan perfectamente entre si, pues entre
más separadas mayor será la pérdida de luz.
•
Mal acabado de superficie: Aquí se debe observar que
ambas partes de la fibra estén bien pulidas, ya que de
lo contrario no podrán alinearse [5].
Las pérdidas mencionadas anteriormente son las que
suelen aparecen en el caso de cualquiera de las dos formas
de empalme (mecánico o por fusión). Hemos analizado a
través de la obtención de imágenes las pérdidas que
aparecen cuando realizamos empalmes por fusión, y
encontramos que al realizar un empalme de esta naturaleza
no siempre presenta una calidad óptima, pues la mayoría de
estos equipos aun al estar calibrados varían en ciertas
condiciones, por ejemplo la temperatura, de modo que en los
experimentos realizados se han capturado imágenes de éstos
empalmes y así es como se ha hecho el análisis de éstos.
Cabe mencionar que las imágenes que se han obtenido son
de 5 Mpixeles y se están trabajando en escala de grises.
Como se menciono uno de los problemas encontrados
fue la temperatura pues cualquier variación en ésta
representa un problema diferente [3]. Por ejemplo en la
figura 4 vemos un caso de falta de calor, para el cual
observamos una línea negra, con lo cual podemos observar
que las fibras no se han unido, es decir, falto calor para
poder fundirlas.
Fig. 5. Caso de exceso de calor en un empalme por fusión, aparece
una burbuja.
Este tipo de problemas representa uno de los factores
principales que añaden pérdidas en los empalmes realizados
de esta forma. Al obtener la imagen podemos observar a
gran detalle lo que sucede con los empalmes, pues podemos
maximizar éstas imágenes y observar con más detalle todo
el contorno.
En la figura 6 vemos uno de los histogramas que
representan la cantidad de luz que permite circular en un
caso como el de la fig. 5.
Fig. 6. Histograma de la escala de gris correspondiente a la fig. 5.
CONCLUSIONES
Fig. 4. Caso de falta de calor en un empalme por fusión, se presenta
una línea.
Cuando tenemos exceso de calor aplicado a las fibras se
observa otro problema, el cual se representa en la figura 5,
donde la fibra comienza a fundirse completamente y
comenzamos a observar una burbuja.
Para que los datos se transmitan correctamente, las
señales luminosas deben llegar hasta el otro extremo del
canal de transmisión en nuestro caso de la fibra óptica, y
deben conservar la energía suficiente para que se puedan
medir y recibir de manera adecuada. La pérdida de luz entre
los dos extremos de un enlace de fibra se puede producir por
diferentes causas: la atenuación de la propia fibra,
empalmes, curvaturas (debidas al manejo de la fibra) y
pérdidas en los acoplamientos de adaptadores donde se
122
conectan los extremos de la fibra. Para certificar que el
sistema funciona sin problemas es necesario asegurar varios
parámetros y realizar medidas adecuadas para garantizarlo.
Con este trabajo se pretende caracterizar el proceso de
realización del empalme, una vez que se conocen los
métodos que actualmente se siguen para realizar empalmes
de calidad (sin pérdidas), ya que la causa principal de este
problema surge cuando se quiere hacer crecer una red, pues
las características de la fibra van cambiando, por lo que los
inconvenientes surgen al realizar estos empalmes. En las
redes con baja transmisión de datos y de tamaño reducido,
los márgenes de pérdida óptica son lo suficientemente
amplios como para permitir una atenuación considerable, sin
que esto afecte al funcionamiento del enlace. Sin embargo,
el cableado estructurado es objeto de una tendencia
persistente: la constante demanda de mayor ancho de banda.
A medida que se aumenta la capacidad de transmisión de los
enlaces de fibra, los márgenes admisibles de pérdida óptica
se reducen, lo que obliga a minimizar todos los eventos que
puedan generar pérdidas. Por lo tanto se busca la forma de
caracterizar estas conexiones para poder ofrecer una
alternativa a considerar en la aplicación de empalmes en
redes de fibra óptica y así minimizar las pérdidas que
pueden contribuir en un enlace.
Fibras Ópticas, Telecomunicaciones.
Dr. Alexandre Michtchenko. Doctor en
Ciencias Físico Matemáticas con
especialidad en física láser, egresado del
Instituto de Física y Tecnología de
Moscú MIPT, Investigador Titular del
Instituto de Física Química de la
Academia de Física de Rusia, fue
profesor invitado de la UNAM en el
Instituto de Química, actualmente es
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BIOGRAFÍAS
ING. Gabriela Sánchez Meléndez.
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en Ingeniería de Telecomunicaciones de
la Sección de Estudios de Posgrado e
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Profesora Asociada de la Escuela
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