caracterizaciÓn y optimizaciÓn del proceso de...

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA SECCIN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIN

CARACTERIZACIN Y OPTIMIZACIN DEL PROCESO DE EMPALME POR FUSIN EN FIBRAS PTICAS POR

MEDIO DE CAPTURA Y PROCESAMIENTO DE IMGENES DE

ALTA RESOLUCIN

T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERA DE TELECOMUNICACIONES

PRESENTA:

ING. GABRIELA SNCHEZ MELNDEZ

DIRECTOR DE TESIS:

DR. ALEXANDRE MICHTCHENKO

MXICO D.F. 2008

DEDICATORIA

A LA MEMORIA DE MI PADRE SALOMN SNCHEZ GUZMN

GRACIAS POR TODO LO QUE ME ENSEASTE, PERO SOBRE TODO GRACIAS POR BRINDARME EL AMOR QUE SIEMPRE ME

DISTE. NUNCA TE OLVIDARE.

AGRADECIMIENTOS

A MI MAM MARA JUANA MELNDEZ GARCA GRACIAS POR DARME LA FUERZA NECESARIA PARA SEGUIR

ADELANTE, POR CREER EN M Y POR MOTIVARME SIEMPRE. TE AMO.

A MIS HERMANOS MARGARITA Y JUAN POR SU EJEMPLO DE

CARCTER Y BONDAD. ME HAN HECHO MEJOR PERSONA.

A MIS AMIGAS DE SIEMPRE MARLN, FAVIOLA Y KARINA POR QUE SE QUE SIEMPRE ESTAN AH CUANDO LAS

NECESITO.

A ALAN POR LOS EXCELENTES MOMENTOS COMPARTIDOS.

A MIS AMIGOS DE TRABAJO ISABEL Y GREGORIO, POR LA CONFIANZA DEPSITADA EN M.

AL M. EN C. DAVID VZQUEZ ALVAREZ POR SU COMPAA EN LOS BUENOS Y MALOS MOMENTOS DE MI VIDA. GRACIAS

POR CREER EN M.

AL DR. ALEXANDRE MICHTCHENKO POR SU AMISTAD Y GUA A LO LARGO DE ESTE TRABAJO.

AL DR. RAL CASTILLO PREZ POR HABERME PERMITIDO LA REALIZACIN DE LAS PRUEBAS. GRACIAS POR EL ASILO Y LA

COMIDA.

A TODOS GRACIAS.

- GABRIELA SNCHEZ MELNDEZ

NDICE

ndice Captulo 1. Caractersticas generales 1.1 Introduccin 1 1.2 Caractersticas generales de la fibra ptica 6 1.3 Tipos de fibras pticas 8 1.4 Caractersticas generales de los empalmes de fibras pticas 12 1.5 Tipos de empalmes en fibras pticas 13 Captulo 2. Prdidas en conexiones de fibras pticas 2.1 Introduccin 17 2.2 Prdidas por atenuacin 17 2.3 Prdidas por dispersin 19 2.4 Prdidas por acoplamiento 20 2.5 Causas principales de malos empalmes mecnicos o por fusin 23 Captulo 3. Recomendaciones en el tratamiento y preparacin de la fibra ptica al realizar conexiones 3.1 Introduccin 31 3.2 El corte de la fibra ptica 32 3.3 Empalmadoras utilizadas para unir fibras pticas 34 3.4 Mtodo de empalme de fibras pticas por fusin directa 35 3.4.1 Corte de la fibra y mtodo de prefusin 36 3.4.2 Mtodo HHT 37 3.4.3 Tcnicas de alineamiento de fibras 38 3.4.4 Proteccin del empalme 40 3.5 Proceso de preparacin de la fibra ptica 41 3.5.1 Preparacin de los extremos de las fibras pticas 41 3.6 Medicin de parmetros en la fibra ptica 46 3.6.1 Medicin de la apertura numrica 47 3.6.1.1 Medicin de la atenuacin 48 3.6.1.2 Mode scrambler 48 3.6.1.3 Mtodo del corte (cut back) 49 3.6.1.4 Mtodo del retroesparcimiento (back scattering) 50 3.6.1.5 Mtodo de la insercin 52

i

NDICE

Captulo 4. Pruebas y resultados obtenidos 4.1 Introduccin 53 4.2 Optimizacin 55 4.2.1 Formulacin del modelo 56 4.3 Empalmadora de fusin utilizada 57 4.3.1 Procedimiento de ajuste aplicado en la empalmadora 58 4.4 Obtencin de imgenes 60 4.4.1 Histogramas 63 4.5 Procesamiento de las imgenes 64 4.6 Pruebas y resultados obtenidos 70 Conclusiones 87

Recomendaciones para trabajos futuros 89 Apndices A Estndares de fibras pticas 90 B Especificaciones de la empalmadora utilizada 92 C Artculos presentados en congresos 100 Bibliografa 123

ii

NDICE DE FIGURAS

ndice de figuras Captulo 1 1-1 Vista esquemtica de las capas que forman una fibra ptica 6 1-2 Modos de transmisin, dependientes de la longitud de onda de la

seal 7

1-3 Fibra monomodo, solo permite un modo de transmisin 8 1-4 Fibra multimodo, permite varios modos de transmisin 9 1-5 Cono de aceptacin (NA), dentro del cual todos los rayos

emitidos entrarn en el ncleo 9

1-6 Fibra ptica multimodo de ndice escalonado 10 1-7 Fibra ptica multimodo de ndice gradual 10 1-8 Enlace por fibra ptica 12 1-9 Empalme mecnico 14 1-10 Empalme por fusin 15 1-11 Mquinas empalmadoras para realizar soldadura de fibras

pticas 15

1-12 Procedimiento de empalme de fibras pticas por fusin 16

Captulo 2 2-1 Macro y micro curvaturas en fibras pticas 19 2-2 Atenuacin y dispersin en una fibra ptica 19 2-3 Desalineacin lateral, X es la distancia de desalineacin que

existe 21

2-4 Desalineacin de separacin angular, se produce cierto grado de inclinacin , entre las fibras pticas

21

2-5 Mal acabado de superficie, en los extremos hay impurezas que generarn un mal empalme

21

2-6 Recubrimiento holgado de un empalme de fibras pticas 24 2-7 Parmetros usados para el clculo de prdidas en empalmes 24 2-8 Caso de desviacin entre los centros de los ncleos de una fibra

emisora y receptora 25

2-9 Contribuciones de las desviaciones del ncleo de una fibra desde el centro del tubo cuando la fibra tiene cubierta

26

2-10 Contribuciones de las desviaciones del ncleo de una fibra desde el centro del tubo cuando la fibra no tiene cubierta

27

2-11 Ncleos de fibra desviados e incompatibilidad de dimetros 28 2-12 a) Los centros tienen el mismo dimetro; b) El ncleo emisor es

ms grande que el ncleo receptor 29

2-13 Ncleo de forma elptica 29

iii

NDICE DE FIGURAS

Captulo 3 3-1 Corte de la fibra ptica 32 3-2 Algunas situaciones obtenidas despus de cortar la fibra ptica 33 3-3 Tipos de cortadoras, que se utilizan hoy en da 33 3-4 Sistema de inyeccin y deteccin de luz 35 3-5 Capas bsicas que recubren una fibra ptica 36 3-6 Distribuciones espaciales de la descarga 38 3-7 Alineamiento de fibras mediante ranuras en V: substratos duro y

blando 40

3-8 Pelado y limpieza de la fibra ptica 42 3-9 Pinzas para la limpieza de la fibra ptica 42 3-10 Corte de la fibra 43 3-11 Proceso de pulido previo a la conectorizacin de la fibra ptica 44 3-12 Fibra despus de pulir 44 3-13 Colocacin de la fibra en la empalmadora para el proceso de

prefusin y fusin 45

3-14 Proteccin del empalme 45 3-15 Etapas en la realizacin de un empalme 46 3-16 Medicin de la apertura numrica 48 3-17 Mode scrambler 49 3-18 Mtodo del corte (parte 1) 50 3-19 Mtodo del corte (parte 2) 50 3-20 Mtodo de retroesparcimiento 51 3-21 OTDR 51 Captulo 4 4-1 Procedimiento de empalme de fibras pticas por fusin 53 4-2 Diagrama que esquematiza el problema a resolver y la solucin

propuesta 54

4-3 Proceso de empalme y de verificacin de calidad 54 4-4 Etapas de la optimizacin 55 4-5 Tiempos de empalme y accin recproca 57 4-6 Representacin de una imagen a escala de grises en MatLAB 61 4-7 Imagen mostrada al utilizar la funcin imshow 62 4-8 Utilizacin de la funcin impixel 63 4-9 Sistema implementado para la obtencin de imgenes 64 4-10 Material utilizado para la conectorizacin de la fibra 65 4-11 Etapa de pulido de la fibra para conectorizar 66 4-12 Fibras pticas conectorizadas, listas para usarse 66 4-13 Fuente y medidor utilizados durante la experimentacin 66 4-14 Imagen obtenida a travs del sistema implementado 67 4-15 Imagen obtenida y convertida a escala de gris 68 4-16 Seccin de la imagen utilizar 68

iv

NDICE DE FIGURAS

4-17 Imagen seccionada para procesar 69 4-18 Imagen a utilizar para el anlisis de los empalmes, a) imagen de

control; b) imagen de empalme 69

4-19 Imagen obtenida con el rgimen 3 (Mmode Standard), a) imagen de control, b) imagen de empalme

70

4-20 Grficas de la imagen de control y la imagen de empalme respectivamente, representa el rea oscura de la imagen (rea bajo la curva), para el caso de una lnea negra en el rea de empalme

71

4-21 Histogramas de: a) la imagen de control y b) la imagen de empalme

72

4-22 Imagen obtenida con el rgimen a procesar, a) imagen de control, b) imagen de empalme

73

4-23 Grficas de la imagen de control y la imagen de empalme respectivamente, representa el rea oscura de la imagen

74


75

4-25 Imagen obtenida con el rgimen 1 (Mmode Warm), a) imagen de control, b) imagen de empalme

76

4-26 Imagen obtenida con el rgimen 1 (Mmode Warm), a) Imagen de control, b) imagen de empalme

76


77

4-28 Otro caso de aparicin de burbuja, a) imagen de control, b) imagen de empalme

78

4-29 Grfica de oscuridad del caso de burbuja en empalme 79 4-30 Histogramas para el caso de una burbuja, en la zona de empalme 79 4-31 Imagen obtenida con el rgimen pt, a procesar, a) imagen de

control, b) imagen de empalme 80

4-32 Grficas de la imagen de control y la imagen de empalme respectivamente, representa el rea oscura de la imagen

81


82

4-34 Imagen obtenida de un buen empalme, a) imagen de control, b) imagen de empalme

83

4-35 Grficas de un caso de empalme con el rgimen pt 84 4-36 Histogramas del empalme e imagen de control del ltimo caso 84 4-37 Distribucin de la luminosidad de la lmpara en la empalmadora 85

v

OBJETIVO Y JUSTIFICACIN

Antecedentes

Las fibras pticas han presentado un gran avance en las telecomunicaciones que requieren de banda ancha, a travs de ellas podemos enviar seales pticas, brindndonos una gran ventaja en cuanto a los medios comunes, incluso los inalmbricos, pues este tipo de comunicacin no sufre prdidas debido a factores externos. El crecimiento que se ha tenido en los ltimos aos ha sido grande con respecto al crecimiento en las redes por cable de cobre. Ya que a travs de este medio podemos ofrecer una gran cantidad de servicios de manera simultnea. De modo que es conveniente estudiar los problemas que se pueden presentar en los enlaces a travs de fibras pticas para que las comunicaciones tengan un funcionamiento ptimo y las prdidas que puedan encontrarse sean reducidas, ofreciendo una mejor comunicacin y servicio. Planteamiento del problema Desde las primeras instalaciones hasta las actuales se ha visto un mejoramiento en las caractersticas de la fibra ptica. Como ya se dijo el crecimiento en el uso de sta tecnologa va en aumento, adems, las caractersticas fsicas, tamaos y tipo de las fibras han cambiado, por lo que es de suma importancia estudiar el cmo unir y/o conectar redes de fibras pticas, ya que las primeras en instalarse requieren de crecimiento e incluso las redes pticas actuales requieren enlaces mucho ms largos por lo que buscamos caracterizar y optimizar el proceso de empalme por fusin para poder brindar una mejor comunicacin con el uso de este medio. Objetivo

Caracterizar los empalmes por fusin en fibras pticas a travs del procesamiento de imgenes (de alta resolucin), para poder optimizar el proceso de empalme y verificar la calidad de los mismos. Justificacin Para la instalacin de sistemas de fibra ptica es necesario utilizar tcnicas y dispositivos de interconexin como empalmes y conectores. Las prdidas de acoplamiento se presentan en las uniones de:

Conexiones de emisor ptico a fibra ptica.

vi

OBJETIVO Y JUSTIFICACIN

Conexiones de fibra ptica a fibra ptica.

Conexiones de fibra ptica a fotodetector.

En caso de que los ncleos no se empalmen perfecta y uniformemente, una parte de la luz que sale de un ncleo no incide en el otro ncleo y se pierde, sumando adems que en una comunicacin a travs de fibra ptica suele existir ms de un empalme. Por lo tanto las prdidas que se introducen por esta causa pueden constituir un factor muy importante en el diseo de sistemas de transmisin, particularmente en enlaces de telecomunicaciones de gran distancia.

Como dijimos, en la actualidad se instala un gran volumen de fibras pticas en un sin fin de aplicaciones de telecomunicaciones, los ingenieros de estos sistemas comienzan a considerar el creciente impacto de los empalmes en stos. Los empalmes producen prdidas en los sistemas y provocan a su vez un profundo impacto en la calidad, rendimiento y costo de instalacin del mismo.

Por lo tanto se busca contribuir en el anlisis de la instalacin, puesta en marcha y/o

expansin, as como en el mantenimiento de nuevas redes pticas, para ofrecer las recomendaciones pertinentes en cuanto a las conexiones y las prdidas producidas en cada una de stas, brindando as un mejor servicio de comunicacin y entrega de la informacin.

vii

RESUMEN

Resumen En este trabajo se presenta un anlisis detallado del proceso de empalme, cmo debe ser interpretado, cmo debe realizarse y se muestra un mtodo de cmo verificar la calidad del empalme; particularmente, un empalme por fusin. Se busca la forma de caracterizar el proceso y con ello buscar la optimizacin del mismo para poder ofrecer conexiones con menor prdida en comunicaciones a travs de fibras pticas. Comenzamos mostrando un panorama general de las fibras pticas, su uso en los diferentes tipos de redes, su crecimiento actual (su uso en sistemas de telecomunicaciones), se puede observar una comparacin de ventajas y desventajas al utilizar fibra ptica a diferencia de otros medios de transmisin. As mismo, analizamos los tipos de acoplamiento que se suelen realizar y las prdidas que se pueden encontrar en las comunicaciones a travs de fibra ptica; finalmente encontraremos el proceso de los empalmes por fusin, un anlisis detallado de los equipos que existen en la actualidad para realizarlos, de modo que se mencionan los diferentes mtodos que ofrecen las empalmadoras actuales para medir las prdidas en un empalme y saber si es aceptable o no. Encontraremos tambin el proceso completo del empalme en una seccin de tratamiento de la fibra ptica, pues este es un parmetro muy importante y debe cuidarse al realizar empalmes por fusin, finalmente se podrn observar las mediciones realizadas, las grficas, los datos obtenidos y el tratamiento de datos e imgenes para la caracterizacin del proceso y optimizacin del proceso de empalme.

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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.

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CAPTULO 1: CARACTERSTICAS GENERALES

Captulo 1 Caractersticas generales En este captulo comenzaremos por explicar las etapas, condiciones promotoras y tendencias de evolucin de las fibras pticas, as mismo se presentarn algunas caractersticas generales de stas, tambin se mencionarn los tipos de acoplamientos y de prdidas que podemos encontrar en las fibras pticas, parmetros que sern de importancia para la elaboracin de este trabajo. 1.1 Introduccin

Los progresos tecnolgicos anuncian profundos cambios en el sector de las telecomunicaciones, seala la OCDE (Organizacin para la Cooperacin y el Desarrollo Econmicos) en su ltimo informe, en donde destaca que la banda ancha permanece todava como uno de los principales recursos de crecimiento para las empresas de telecomunicaciones y enfatiza que las empresas debern decidir en un futuro prximo en qu medida deben proseguir sus inversiones en las redes de prxima generacin, como la fibra ptica, ms que mantener las inversiones en redes de cobre tradicionales. Las redes de fibra permiten transmitir ms rpidamente mayor cantidad de datos que las redes actuales de banda ancha, como las de cable o ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). Pero el desafo surge debido al aumento de la demanda de servicios (como televisin de alta definicin, imgenes de alta resolucin videos, transmisiones en tiempo real), que necesita ms ancho de banda que la que pueden ofrecer las redes actuales. La OCDE prev un aumento de la demanda de comunicaciones por fibra ptica que transformar de nuevo la capacidad de los operadores. Un ejemplo que puede citarse es el de Japn, donde la mayora de los operadores han decidido migrar rpidamente a la fibra ptica, lo que permite que los consumidores tengan un mejor servicio y ms barato. Segn el reporte de la OCDE, la demanda de suscriptores con la misma capacidad de ancho de banda (nos indica la capacidad mxima del medio) para bajar y subir informacin aumentar en el futuro, lo que aade otro factor de evolucin de este sector [1].

Al respecto podemos afirmar que no existe an una solucin universal a los desafos

que se avecinan, ya que los pases que ya han comenzado el desarrollo de redes de fibra ptica han seguido caminos diferentes. Una proyeccin realizada por IDATE (consultores y analistas de alto nivel en Telecomunicaciones) estima que el mercado de Internet por fibra ptica ser en todo el mundo de 42 millones de abonados en 2010. Asia y Estados Unidos sern las regiones lderes, seguidas de Europa, que pasar de los 650,000 abonados actuales a los 7 millones dentro de cuatro aos [2].

Gran parte de la evolucin del mercado de la fibra ptica est dependiendo del comportamiento de los grandes operadores, que condicionan el crecimiento de banda ancha

1


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 ptica, se ha observado que para las empresas esta transicin no est exenta de riesgos. Ha llamado mucho la atencin el peligro que estn corriendo algunos operadores con sus inversiones de fibra ptica para canalizar nuevas tecnologas. Podemos mencionar como dato adicional que el crecimiento de la banda ancha derivada del ADSL en el segundo trimestre de 2006 ha sido el ms bajo en toda la historia, ya que segn POINT TEPIC (Agencia londinense de anlisis de mercados), se ha situado en el 7.1% en todo el mundo, lo que significa una singular cada respecto al crecimiento de 8.5% a finales del 2005. De las diferentes regiones del mundo, slo el Sudeste de Asia y Asia-Pacfico registran un leve incremento en el mismo periodo, ya que el consumo de banda ancha se registr de 4.35% a 4.5%. Asia Pacfico es la regin que menor incremento representa debido a la saturacin del mercado. Norteamrica 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 lder del mercado de banda ancha, ya que representa el 19% del total mundial [3].

Segn POINT TEPIC se puede ver que ADSL ha ido decayendo desde el tercer trimestre del 2005, siendo ms notorio en los pases de la regin Asia Pacfico, ya que casi todos los abonados han emigrado a tecnologas de banda ancha basadas en fibra ptica. Esta migracin comenz con el uso de la fibra ptica en las comunicaciones con las grandes redes que transportaban informacin de un continente al otro y de una ciudad a otra. La inversin se justificaba porque el volumen utilizado de un continente al otro era bastante considerable. Conforme creci el flujo de informacin surgi la necesidad de hacer llegar la fibra ptica a los grandes complejos de edificios y posteriormente a cada edificio en particular. Como ya se mencion la fibra ptica ha ido reemplazando en forma paulatina al cobre, conforme las necesidades de comunicacin y el trfico de informacin han ido creciendo. La evolucin de los sistemas de comunicaciones nos llevar hasta la presencia de la fibra ptica 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 mdicos, en sistemas de seguridad, contra algunos desastres (por ejemplo los incendios), o con fines educativos [3].

Jos Ramn Rodrguez, gerente de la Organizacin y Sistemas de Informacin del Ayuntamiento de Barcelona, reconoce que existe una demanda social de banda ancha que tenemos que cubrir con iniciativas imaginativas, pblicas, privadas o mixtas. El objetivo es que dentro de tres aos el 80% de la poblacin pueda acceder a esta oferta de banda ancha. Es de pensarse que el prximo paso ser hacer llegar un cable de fibra ptica directamente a su escritorio. Los enlaces largos y las tecnologas como los conectores de fibra ptica hacen esto posible, de modo que un conector de fibra ptica en la placa de pared se ve casi igual al conector de un telfono convencional. Las ventajas que el esquema FTTH ofrece son las siguientes:

Alta capacidad para transportar informacin. Un solo cable puede manejar hasta 30 mil llamadas telefnicas al mismo tiempo.

2


Reduccin en los costos de instalacin, administracin y mantenimiento de los servicios del edificio.

Vida til muy superior a la de los sistemas de cobre.

Aumento en la productividad de los servicios. Un solo cable de fibra ptica puede

manejar a la vez los servicios de telfono, televisin, computadoras y alarmas.

Inmunidad a las interferencias electromagnticas.

Baja atenuacin de la seal.

Admite un gran ancho de banda (mayor a 1Ghz), es absolutamente confidencial.

Se establecen comunicaciones a grandes distancias.

Tiene aislamiento dielctrico entre los puntos de conexin.

A mediano plazo, la supervivencia y crecimiento de las empresas estarn determinados por la informacin que viajar en su totalidad a travs de los cables de fibra ptica. En menos de 10 aos, la fibra ptica llegar a su escritorio [3].

Por ejemplo, la Comisin Europea ayuda a las zonas ms atrasadas en tecnologas de la informacin a conectarse con banda ancha, dedicando fondos estructurales y de desarrollo rural. Y es que segn sus propios datos, el ao pasado, en poblaciones rurales o alejadas de las grandes ciudades europeas slo tena banda ancha el 60% de las empresas y hogares, frente a ms del 90% que disfrutaba de estas conexiones en las urbes [4].

Podemos agregar que EUROCITIES, una red de ms de 120 ciudades de 30 pases europeos fundada en 1986 como foro de intercambio de ideas y experiencias, seala que no existe Sociedad de la Informacin sin una velocidad de conexin alta, y que la banda ancha no es real si no se accede a la red a travs de fibra ptica. Se ha observado durante los ltimos quince aos, que los sistemas de comunicaciones han experimentado muchos cambios notables y dramticos, en donde los sistemas de microondas terrestres han alcanzado su mxima capacidad, y los sistemas de satlite pueden proporcionar, cuando mucho, slo un alivio temporal a la gran demanda siempre en aumento. Es obvio que sean necesarios sistemas de comunicacin econmicos que puedan transmitir gran cantidad de informacin y proporcionar un servicio de alta calidad. Este nuevo tipo de sistema de comunicacin pudiera ser el de las fibras pticas, ya que poseen gran capacidad para transmitir informacin, sus costos resultan econmicos y adems, han sido probados experimentalmente demostrando que pueden ofrecer un servicio de alta calidad. Los sistemas de fibra ptica representan grandes utilidades para las comunicaciones, ya que un cable de fibra ptica se usa frecuentemente como un medio de comunicacin para muchas aplicaciones diferentes, ste posee muchas ventajas sobre otros sistemas similares. Algunas de estas ventajas son:

3


La fibra ptica tiene la capacidad de transmitir grandes capacidades de informacin. Con la tecnologa presente se pueden transmitir 60,000 conversaciones simultneas con dos fibras pticas. Un cable de fibra ptica puede contener hasta 200 fibras pticas, lo que incrementara 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 satlite puede llevar 2,000 conversaciones.

Un cable de fibra ptica tiene un dimetro mucho ms pequeo y es ms ligero que

un cable de cobre de capacidad similar. Esto le hace fcil de instalar, especialmente en localizaciones donde ya existen cables y el espacio es escaso.

Los enlaces de fibra ptica bien diseados son inmunes a condiciones adversas de

humedad y temperatura y se pueden utilizar incluso para cables subacuticos. La fibra ptica tiene tambin una larga vida de servicio.

En la Tabla 1-1 se muestran los diferentes medios de transmisin que actualmente

se utilizan con algunas de sus caractersticas ms relevantes. Tabla 1-1. Medios de transmisin actualmente utilizados.

MEDIO CARACTERSTICAS Capacidad Distancias

mximas Costos Aplicaciones

ms comunes Cable de

cobre Canales de voz con seales analgicas. Seales digitales de 64Kbps hasta 8Mbps con tecnologas xDSL. Hasta 1Gbps en redes LAN.

5.5 km Es costoso el tendido, sin embargo las compaas de telefona local cuentan ya con el cableado

Telefona local. Acceso a Internet de alta velocidad con ISDN y xDSL. Redes LAN.

Cable coaxial

Hasta 120 canales en TV por cable. Hasta 140Mbps en sistemas de transporte.

10 km El cable no es muy costoso, lo es ms el tendido y el derecho de va

Redes de TV por cable. Poco uso en redes LAN. Conexiones entre centrales y equipos de transmisin.

Radiofrecuencia

Canales de radio y TV con seales digitales hasta 128Kbps.

20 km El uso de las frecuencias en muchos pases requiere de subastas

Telefona mvil. Telefona local inalmbrica. Radiolocalizacin. Radio y TV.

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Tabla 1-1. Medios de transmisin actualmente utilizados (continuacin).

MEDIO CARACTERSTICAS Capacidad Distancias

mximas Costos Aplicaciones

ms comunes Microondas 64Kbps - 155 Mbps. 1 km

a l00 km

En satlites:

36,000 km

El uso de las frecuencias en muchos pases requiere de subastas

Enlaces de acceso: punto a punto punto a multipunto Redes satelitales

Fibras pticas

2Mbps - Tbps con WDM. En redes LAN de 10Mbps - Gbps.

250 km

Lo costoso es el tendido de los cables y el derecho de va

Redes de acceso a corporativos. Enlaces de larga distancia.

Redes de TV por cable.

Rayo lser 2Mbps - 622Mbps. Distancias no

mayores a 3 km

No hay pago por el medio. El nico costo es el equipo

Enlaces de acceso punto a punto.

A pesar de que los sistemas de fibra ptica son un excelente medio para transmitir

informacin, se tienen que tener en cuenta por pocas que stas sean, las desventajas que presentan, principalmente son dos las ms importantes

Se necesita un camino fsico recto para el cable de fibra ptica. El cable se puede enterrar directamente, situar en tubos o disponer en cables areos a lo largo de caminos homogneos. Esto puede requerir la compra o alquiler de la propiedad.

Debido a que la fibra ptica es predominantemente de vidrio de slice, son

necesarias tcnicas especiales para la instalacin de los enlaces, no se puede aplicar mtodos convencionales de instalacin de cables en un sistema de fibra ptica.

Las redes de datos y los sistemas de cableado estructurado, necesitan mejorar sus

anchos de bandas para el transporte de voz, datos e imgenes, por este motivo cada da ms frecuentemente se recurre al cable de fibra ptica como medio de transmisin en las redes. El uso de la fibra ptica permite la conexin de puntos distantes, se puede utilizar para la interconexin de centros de cableado (backbone), para la interconexin de edificios y tambin para uso en ambientes industriales.

Las principales ventajas de la fibra ptica son la inmunidad a las interferencias

electromagnticas, la baja atenuacin de la seal, admite un gran ancho de banda (mayor a 1Ghz), es absolutamente confidencial, se establecen comunicaciones a grandes distancias, y tiene aislamiento dielctrico entre los puntos de conexin.

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1.2 Caractersticas generales de la fibra ptica Comenzaremos por mencionar las caractersticas fsicas de una fibra ptica as

como las capas que cubren a la fibra de slice hasta el exterior. Una fibra ptica consiste en un material transparente cilndrico y largo que confina

y propaga ondas luminosas, normalmente vidrio de slice. La fibra ptica est compuesta de tres capas diferentes como se observa en la figura

1-1: el ncleo central que est formado por un cilindro de vidrio de slice a travs del cual viaja la seal luminosa; el revestimiento que es un tubo colocado alrededor del ncleo, se conforma de un material de vidrio y su funcin es asegurar la conduccin de la luz en el interior del ncleo, esto se debe a que el material de la envoltura tiene un ndice de refraccin distinto al del ncleo, y por ltimo el recubrimiento que es de material plstico y por lo tanto dota de proteccin al revestimiento, es la capa ms externa de la fibra ptica.

Figura 1-1. Vista esquemtica de las capas que forman una fibra ptica.

La fibra va a contener toda la energa luminosa que entra en el cilindro interior (ncleo), ayudndose del cilindro siguiente (revestimiento), ste es el que hace que la luz rebote dentro del primero, impidiendo que la luz salga del ncleo; siendo las dimensiones de esta fibra muy pequeas normalmente del orden de m (micrometros).

En las comunicaciones por fibra ptica se trabaja con radiaciones electromagnticas con longitudes de onda () comprendidas entre 750 nm y 1650 nm (las radiaciones visibles al ojo humano estn comprendidas entre 400 nm y 750 nm). En general para fibras pticas se usan tres puntos de trabajo bien definidos denominados:

Primera ventana (850 nm). Segunda ventana (1310 nm).

Tercera ventana (1559 nm).

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El empleo de las diferentes ventanas depende de cmo se pueden obtener las mejores prestaciones de transmisin de las fibras pticas, o del equipo ptico en su conjunto.

Una vez definidas las caractersticas geomtricas y fsicas de una fibra, observaremos que al variar la longitud de onda tambin vara 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 nico, llamado modo fundamental, que existe en todos los valores de .

Del mismo modo, una vez determinada la longitud de onda de la radiacin electromagntica, si ha de disminuir el dimetro del ncleo disminuir el nmero de modos en que se propagan las ondas. Al ser la radiacin luminosa considerada de dimensiones muy pequeas, los rayos quedan confinados en el plano que pasa por el eje de la fibra.

En las fibras pticas la luz se propaga por reflexin interna en la interfase entre el ncleo y el revestimiento. Por lo tanto, puede definirse un ngulo de aceptacin mximo, ms all del cual la radiacin que incide en el revestimiento no se propagar.

Los ngulos donde se provoca la reflexin total interna son varios, esto define toda

una gama de ngulos que no necesariamente son continuos. Entonces se establece dentro de la fibra lo que se denominan "modos", que son los tpicos modos de transmisin dentro de las guas. Segn el dimetro de la fibra y las caractersticas fsicas y geomtricas, va ser el nmero de modos que pueden transportar; por otro lado, los modos tambin estn influidos por la longitud de onda como puede verse en la figura 1-2.

Toda esta gama de ngulos tambin queda acotada en funcin de otro parmetro de

importancia en las fibras pticas que es la apertura numrica (NA), el cual se definir ms adelante [5].

Figura 1-2. Modos de transmisin, dependientes de la longitud de onda de la seal.

7


1.3 Tipos de fibras pticas

Debido a la existencia de muchos modos o caminos de propagacin 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 saldr disperso, con lo cual queda limitado el ancho de banda de la fibra ptica. Teniendo en cuenta el modo de propagacin se han clasificado a las fibras en:

Monomodo (single mode)

Las fibras pticas monomodo tienen un dimetro del ncleo mucho menor (comparables a la longitud de onda de la luz), lo que permite que se transmita un nico modo de propagacin y se evite la dispersin. Los dimetros de ncleo y cubierta tpicos para estas fibras son de 9/125 m. Las fibras monomodo tambin se caracterizan por una menor atenuacin que las fibras multimodo, aunque como desventaja resulta ms complicado el acoplamiento de la luz y las tolerancias de los conectores y empalmes son ms 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 dispersin cromtica y los efectos no lineales.

La fibra ptica monomodo es utilizada para las conexiones interurbanas,

bsicamente son instaladas por las prestadoras de servicios pblicos, ya que permite el uso de amplificadores a una distancia entre s de 40 km. o ms, mientras que las lneas de transmisin de cobre necesitan ms de tres amplificadores cada 10 km. En la figura 1-3 se observa una fibra monomodo tpica.

Figura 1-3. Fibra monomodo, solo permite un modo de transmisin. Multimodo (multimode)

Este tipo de fibra fue el primero en fabricarse y comercializarse. Su nombre

proviene del hecho de que transporta mltiples modos de forma simultnea, ya que este tipo de fibra se caracteriza por tener un dimetro del ncleo mucho mayor que las fibras monomodo. En la figura 1-4 se observa una fibra multimodo tpica.

La fibra ptica 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


Figura 1-4: Fibra multimodo, permite varios modos de transmisin.

El nmero de modos que se propagan por una fibra ptica depende de su apertura numrica o cono de aceptacin de rayos de luz a la entrada. En la figura 1-5 se observa el cono de aceptacin de los rayos emitidos por una fibra ptica (NA).

El mayor dimetro del ncleo facilita el acoplamiento de la fibra, pero su principal

inconveniente es que tiene un ancho de banda reducido como consecuencia de la dispersin modal. Los dimetros de ncleo y cubierta tpicos de estas fibras son 50/125 y 62,5/125 m.

Figura 1-5. Cono de aceptacin (NA), dentro del cual todos los rayos emitidos entrarn en el ncleo.

En la fibra ptica multimodo se puede disminuir la dispersin haciendo variar

lentamente el ndice de refraccin entre el ncleo y el recubrimiento. El ndice de refraccin es mximo en el centro de la fibra y mnimo en los extremos.

Existen dos tipos de fibra ptica multimodo: o ndice escalonado (step index): Tiene dispersin, reducido ancho de banda y son

de bajo costo dado que resultan tecnolgicamente sencillas de producir. Se caracteriza por el cambio rpido en el ngulo de refraccin al incidir el rayo en el revestimiento como se ve en la figura 1-6.

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Figura 1-6. Fibra ptica multimodo de ndice escalonado.

o ndice gradual (graded index): Ms costosa pero de gran ancho de banda. Se caracteriza por el cambio suave en sus modos de transmisin, como se observa en la figura 1-7, de manera que puede transmitir diversas seales al mismo tiempo al igual que la anterior.

Figura 1-7. Fibra ptica multimodo de ndice gradual.

Cada uno de estos tipos de fibra ptica, tienen ncleo de diferentes dimetros, la fibra monomodo tiene un ncleo de 9 micrones, y la multimodo llega al mercado con dos medidas: con ncleo de 62,5 micrones y en 50 micrones [6]. La fibra ptica permite distintas longitudes de onda nominales, comprendidas entre los 850 nm, 1310 nm y los 1550 nm segn las siguientes denominaciones:

Fibra ptica 1000 Base SX (est dentro de la ventana de los 850 nm).

Fibra ptica 1000 Base LX (est dentro de la ventana de los 1300 nm).

Estas caractersticas determinan los parmetros de Gigabit Ethernet de ancho de banda de la fibra ptica y prdidas del enlace por atenuacin en la fibra ptica, tal como se indica en la Tabla 1-2.

Tabla 1-2. Ancho de banda de los diferentes tipos de fibras pticas.

CARACTERSTICAS 1000 BASE - SX 1000 BASE - LX

Longitud de onda (nm) 850 1300 Tipo de F.O. (m) 62.5 50 62.5 50 9 Ancho de banda (MHz/km.) 160 - 200 400 - 500 500 400 - 500 s/d Distancia (m) 220 - 275 500 - 550 550 550 5000 Prdida del enlace (dB) 3.2 3.2 3.4 3.9 4 2.4 3.5 4.7

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La ventana de longitud de onda nominal de la fibra ptica multimodo est comprendida entre los 850 nm y los 1300 nm, y la fibra ptica monomodo tiene la ventana entre los 1310 nm y los 1550 nm [7].

En la Tabla 1-3 se muestran algunos tamaos tpicos de las fibras pticas segn el fabricante que las produce as como la longitud de onda ptima que transmiten, esto con la finalidad de ver que no siempre son iguales las caractersticas geomtricas de la fibra, de modo que ste puede ser un factor primordial al momento de efectuar conexiones entre ellas.

Tabla 1-3. Tamaos tpicos de las fibras pticas segn el fabricante.

Tipo de fibra y nmero

Fabricante Dimetro de ncleo

(m)

MFD (Mode Field

Diameter (mm)

Longitud de onda

(nm)

SM-027 SG / ECA 7.0 10.4 1310 SM-004 Optical fibres 8.0 9.8 1310 SM-028 Fujitsu 8.0 9.5 1310 SM-016 Corning 7.7 9.4 1310 SM-006 AT & T 7.7 9.2 1550 DSF-010 Alcatel 5.3 8.0 1550 SM-009 Ensing Bickford 5.0 5.7 1060 SM-010 Ensing Bickford 4.4 5.0 980 EDF-010 Fujitsu 3.5 4.6 1550 SM-021 Lycom 3.0 3.6 830 EDF-002 Fibercore 3.2 1550

Las normas internacionales han determinado los colores de la fibra ptica para su

fcil identificacin, as por ejemplo, la norma ANSI/EIA/TIA 598, dispone el ordenamiento de los colores para cada hilo de la fibra ptica. La Tabla 1-4 muestra el ordenamiento de colores, de acuerdo a esta norma.

Tabla 1-4. Colores de la fibra ptica segn la norma ANSI/EIA/TIA 598 A.

No. COLOR No. COLOR1 Azul 7 Rojo 2 Naranja 8 Negro 3 Verde 9 Amarillo4 Marrn 10 Violeta 5 Gris 11 Rosa 6 Blanco 12 Agua

Para la cobertura exterior tambin se determinaron los colores y usos mostrados en

la Tabla 1-5, los cuales determinan tambin el tipo de fibra de la que se trata, para en todo

11


identificar qu tipo de fibra se tiene instalada al momento de realizar alguna reparacin o extensin de redes pticas.

Tabla 1-5. Colores determinados de la cobertura exterior para fibras pticas.

COLOR TIPO DE FIBRA Naranja Multimodo Amarillo Monomodo Verde o Azul LS0H o LSZH (coberturas libres de halgenos)

1.4 Caractersticas generales de los empalmes de fibras pticas

En un enlace por fibra ptica existe siempre, segn sea el extremo, una fuente ptica por acoplar con una fibra o una fibra por acoplar con un detector ptico, como se puede observar en la figura 1-8.

Figura 1-8. Enlace por fibra ptica. El acoplamiento o la interconexin tienen por objeto transferir el mximo de energa

luminosa de un elemento a otro. El acoplamiento fuente fibra o fibra detector se hace por medio de conectores.

Un enlace puede necesitar tambin la unin de dos fibras entre s, ya sea por que la

fibra resulte ms corta que la longitud del enlace total por realizar o bien por que por ejemplo, los parmetros exteriores de instalacin imponen una longitud limitada a la fibra; es necesario entonces, poder conectar dos fibras entre s. Si esta conexin tiene que ser desmontable, se habla de conector fibra a fibra o si debe ser permanente se habla de empalme o unin [8].

12


Como se dijo, para la instalacin de sistemas de fibra ptica es necesario utilizar tcnicas y dispositivos de interconexin como empalmes y conectores. Los conectores son dispositivos mecnicos utilizados para recoger la mayor cantidad de luz, normalmente realizan la conexin del emisor y receptor ptico, 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 ptica.

En caso de que los ncleos no se empalmen perfecta y uniformemente, una parte de

la luz que sale de un ncleo no incide en el otro ncleo y se pierde. Por tanto las prdidas que se introducen por esta causa pueden constituir un factor muy importante en el diseo de sistemas de transmisin, particularmente en enlaces de telecomunicaciones de gran distancia.

En las fibras monomodo los problemas de empalme se encuentran principalmente en su pequeo dimetro del ncleo Dn = 10m, esto exige contar con equipos y mecanismos de alineamiento de las fibras con una mayor precisin.

Las prdidas de acoplamiento se presentan en las uniones de:

Emisor ptico a fibra Conexiones de fibra a fibra

Conexiones de fibra a fotodetector.

1.5 Tipos de empalmes en fibras pticas

Existen fundamentalmente dos tcnicas diferentes de empalme que se emplean para unir permanentemente entre s fibras pticas.

Empalmes mecnicos

Es importante que las caras del ncleo de la fibra ptica coincidan exactamente. Consta de un elemento de auto alineamiento y sujecin de las fibras y de un adhesivo adaptador de ndice que fija los extremos de las fibras pticas permanentemente.

Despus de realizado el empalme de la fibra ptica se debe proteger con:

o Tubos metlicos. o Tubos termoretrctiles.

o Tubos plsticos.

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En todos los casos para el sellado del tubo se utiliza adhesivo o resina de secado rpido. En la figura 1-9 se observa la manera de realizar un empalme mecnico, en el cual se utiliza un adhesivo comnmente llamado epxico, cuyo ndice de refraccin en casi igual al de la fibra ptica a unir, de modo que ste no afecte la transmisin de la luz en la fibra.

Al aplicar este adhesivo tambin estamos fijando ambos extremos de la fibra de

modo que de alguna forma ste quedar sujeto y se considerar un empalme permanente, es decir, no ser desmontable.

Figura 1-9. Empalme mecnico; 1) Fibra ptica a unir; 2) Extremos preparados para la unin, es aqu donde se colocar el epxico.

Empalmes por fusin

Existen diversos mtodos de empalme de fibras pticas por fusin directa, todos ellos clasificados en base al tipo de fuente de calor utilizada: una descarga elctrica, un lser gaseoso o una llama. El primero de ellos es el ms ampliamente utilizado en el caso de fibras pticas de slice. En especial, se han desarrollado varias tcnicas para realizar empalmes por medio de descarga elctrica, tales como el mtodo de prefusin, el mtodo de descarga de alta frecuencia, el HHT (elevado voltaje de trigger) y el mtodo de calentamiento uniforme para realizar empalmes de fibras mltiples. Los mtodos de empalme por fusin directa utilizan una fuente de calor para fundir y unir las fibras pticas. A diferencia de otros mtodos que utilizan materiales de adaptacin o adhesivos, en este caso no existe ningn otro material ms que la propia fibra en la regin del empalme. Por lo tanto, este mtodo posee inherentemente bajas prdidas por reflexin y alta fiabilidad. Los elementos involucrados en un empalme por fusin de fibra ptica se muestran en la figura 1-10.

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Figura 1-10. Empalme por fusin; 1) fibra ptica a unir; 2) electrodos, a travs de los cules se llevar a cabo la descarga; 3) microscopio; 4) Vista transversal de lo observado a travs del microscopio; 5) rea de trabajo (fibra ptica a empalmar).

Actualmente existen mquinas automticas que realizan el conjunto de acciones

mencionadas, algunos modelos se muestran en la figura 1-11.

Figura 1-11. Mquinas empalmadoras para realizar soldadura de fibras pticas.

El procedimiento de empalme de fibras pticas por fusin utilizando descarga elctrica 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 sitan con una cierta separacin entre ellas en una mquina empalmadora de fibras y se pulsa un botn para comenzar el proceso.

Hasta este punto el trabajo se realiza manualmente por parte de un operario. En el

momento de pulsar el botn de la mquina, sta comienza a mover las fibras para reducir la separacin entre las mismas, aunque siempre debe revisarse antes de proceder a la aplicacin de la descarga elctrica sobre las fibras a unir. Despus, durante un pequeo movimiento de las fibras, se genera una descarga elctrica que se mantiene durante un perodo de tiempo predeterminado.

Este proceso tiene lugar de forma automtica en la mquina empalmadora. Por

ltimo, la regin donde se ha producido el empalme se protege para facilitar el manejo de la fibra [9].

15


Esta preparacin de la fibra ser tratada con ms detalle en el Captulo tres.

Figura 1-12. Procedimiento de empalme de fibras pticas por fusin.

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CAPTULO 2: PRDIDAS EN CONEXIONES DE FIBRAS PTICAS

Captulo 2 Prdidas en conexiones de fibras pticas

En este captulo presentaremos un anlisis de las prdidas que podemos encontrar en un sistema de comunicacin a travs de fibra ptica, es decir todas las prdidas que se pueden insertar en un enlace al realizar las conexiones necesarias, tambin veremos en qu parte de todas stas prdidas se encuentra situado el objetivo particular de este trabajo dando as un panorama general de la magnitud de este problema que se presenta al realizar la unin de fibras pticas. 2.1 Introduccin La fibra ptica es un canal de transmisin o de propagacin de la luz, que tiene caractersticas propias ligadas a su capacidad de propagacin del flujo energtico. Estas caractersticas intrnsecas de la fibra son la apertura numrica, el dimetro del ncleo y el perfil del ndice. Cada fibra ptica posee sus propias caractersticas intrnsecas; as, cuando se unen o se conectan dos fibras, hay un defecto de continuidad en el mecanismo de propagacin, lo que puede causar prdidas. Es necesario hacer la instalacin de manera que el flujo energtico pueda acoplarse en la fibra receptora. La instalacin nunca es perfecta por lo que se originan prdidas, que no se deben a la fibra sino a la tcnica de instalacin.

Como se mencion, las prdidas en empalmes pueden ser:

Intrnsecas a la fibra por: diferencia de dimetro entre los ncleos de las fibras; excentricidad de los ncleos respecto del revestimiento, ncleos ligeramente elpticos, diferencia entre los perfiles de los ndices de refraccin entre las dos fibras, diferencia entre los valores de los ngulos de aceptacin de las fibras.

Extrnsecas a la fibra por: limpieza insuficiente del revestimiento, corte defectuoso,

ejes de la fibra no alineados, ejes de fibra no paralelos e imperfeccin en la fusin. 2.2 Prdidas por atenuacin

Segn lo mencionado anteriormente aparecen mltiples factores que introducen prdidas significativas en un enlace de fibra ptica. Uno de los factores que es preponderante en la transmisin a travs de este medio lo encontramos cuando la transmisin de luz en una fibra ptica no es 100 % eficiente. Esta prdida de luz en la transmisin es llamada atenuacin.

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La atenuacin en una fibra ptica es medida al comparar la potencia de salida con la potencia de entrada, se mide en decibeles por unidad de longitud, generalmente est

expresada en decibeles por kilmetro (dB/km), segn la relacin

O

S

PP

log10 , [8]. Donde

PS y PO son las potencias de salida y entrada respectivamente.

Los factores que influyen en la atenuacin se pueden agrupar en dos.

Factores propios

Podemos destacar fundamentalmente los siguientes:

o Prdidas por absorcin (materiales dentro de la fibra) o Prdidas por dispersin o Disipacin de luz fuera del ncleo de la fibra o Prdidas de luz fuera del ncleo causado por factores ambientales

o Atenuacin por empalme

Cuando empalmamos una fibra con otra, en la unin se produce una variacin del ndice de refraccin lo cual genera reflexiones y refracciones, sumndose la presencia de impurezas, todo esto resulta en una atenuacin. Se mide en ambos sentidos tomndose el promedio. La medicin en uno de los sentidos puede dar un valor negativo, lo cual parecera indicar una amplificacin de potencia, esto no es posible en un empalme, pero el promedio debe ser positivo, para resultar una atenuacin.

De este tipo de prdidas podemos encontrar dos tipos:

Por insercin

Es la atenuacin que agrega a un enlace la presencia de un conector o un empalme [10].

De retorno o reflactancia

Es la prdida debida a la energa reflejada, se mide como la diferencia entre el nivel de seal reflejada y la seal incidente, es un valor negativo y debe ser menor a -30 dB (tpico -40dB). En ocasiones se indica obviando el signo menos.

Las prdidas por absorcin, dispersin y disipacin se detallarn ms adelante.

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Factores externos El principal factor que afecta son las deformaciones mecnicas. Dentro de stas se encuentran las curvaturas, esto conduce a la prdida de luz por que algunos rayos no sufren la reflexin total y se escapan del ncleo [12,13]. Las curvas a las que son sometidas las fibras pticas se pueden clasificar en macro curvaturas (radio del orden de 1cm o ms) y micro curvaturas (el eje de la fibra se desplaza unas decenas de micra sobre una longitud de unos pocos milmetros), ver figura 2-1.

Figura 2-1. Macro y micro curvaturas en fibras pticas. 2.3 Prdidas por dispersin

Los empalmes utilizados para conectar ambos extremos de las fibras causan tambin una prdida de la seal en el rango de 0.5 dB. As mismo los conectores o interfaces incurren tambin en prdidas de 1 dB o ms [11].

La dispersin es la distorsin de la seal, resultante de los distintos modos (simple y

multimodo), debido a los diferentes tiempos de desplazamiento de una seal a travs 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 prdida de potencia en la dispersin, pero se reduce la potencia pico de la seal. La dispersin aplica tanto a seales analgicas como digitales. La dispersin es normalmente especificada en nanosegundos por kilmetro (ns/km).

Figura 2-2. Atenuacin y dispersin en una fibra ptica.

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La dispersin de una energa ptica cae en las siguientes categoras.

Dispersin modal

La luz viaja en trayectorias diferentes para cada modo en una fibra. Cada ruta vara la longitud ptica 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 ptico.

Dispersin espectral

El ndice refractivo es inversamente proporcional a la velocidad de la luz que viaja en un medio y su velocidad vara con respecto a su longitud de onda. Sin embargo, si dos rayos tienen diferentes longitudes de onda son enviados simultneamente sobre la misma trayectoria, estos arribarn ligeramente a diferentes tiempos. Esto causa los mismos efectos de la dispersin modal, ensanchando el pulso ptico. La dispersin modal puede ser minimizada reduciendo el ancho del espectro de la fuente ptica.

Dispersin de Rayleigh o material

Durante el proceso de fabricacin, el vidrio es producido en fibras largas, de un dimetro muy pequeo. Durante este proceso, el vidrio est en un estado plstico (no lquido y no slido). La tensin aplicada al vidrio durante este proceso, causa que el vidrio se enfre y desarrolle irregularidades submicroscpicas que se forman de manera permanente, en la fibra. Cuando los rayos de luz que se estn propagando por una fibra ptica chocan contra una de estas impurezas, se difractan. La difraccin 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 sta se escapa por la cubierta. Los rayos de luz que se escapan representan una prdida en la potencia de la luz. Esto se llama prdida por dispersin de Rayleigh [14].

2.4 Prdidas por acoplamiento

Las prdidas por acoplamiento pueden ocurrir en cualesquiera de los tres tipos de uniones pticas: conexiones de fuente a fibra, de fibra a fibra y conexiones de fibra a fotodetector.

Las prdidas de unin son causadas ms frecuentemente por:

Desalineacin lateral

Ocurre cuando hay un desplazamiento axial o lateral entre dos piezas de cable de fibra ptica contigua, se puede ver en la figura 2-3.

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Figura 2-3. Desalineacin lateral, X es la distancia de desalineacin que existe.

Desalineacin de separacin

Ocurre cuando se empalman fibras, las fibras deben tocarse, entre ms separadas estn las fibras mayor ser la prdida de luz, incluso puede ser angular, como se observa en la figura 2-4.

Figura 2-4. Desalineacin de separacin angular, se produce cierto grado de inclinacin (), entre las fibras pticas.

Mal acabado de superficie

Las puntas de las dos fibras a unir deben estar altamente pulidas, de lo contrario stas no podrn alinearse. En la figura 2-5 se puede ver un caso tpico de superficies no aptas para empalmar.

Figura 2-5. Mal acabado de superficie, en los extremos hay impurezas que generarn un mal empalme.

Es importante mencionar que existen dos tipos de acoplamiento bsico:

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El acoplamiento por conector

Es un empalme de fibra ptica a algn extremo de la comunicacin, 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 debern usarse tambin cordones de conexin o latiguillos. Un latiguillo es un cordn de conexin cortado a la mitad, y un cordn de conexin es un cable de fibra ptica de corta longitud con conectores en ambos extremos. Un latiguillo de fibra ptica se usa para terminar una fibra ptica con un conector, el latiguillo se empalma a la fibra ptica para proporcionar una terminacin de calidad con un conector de fbrica. En la Tabla 2-1 se pueden ver los conectores ms utilizados en fibra ptica.

Tabla 2-1. Tipos de conectores usados para acoplar fibras pticas.

TIPO DE CONECTOR

DESCRIPCIN CONECTOR

SC Es un conector ampliamente utilizado con fibras monomodo

LC Es un conector prcticamente nuevo, utiliza revestimientos de 1.25 mm la mitad del

conector ST FDD Sirve para hacer dobles conexiones que

cumplan con las especificaciones de la red ptica.

SC Es un conector ampliamente utilizado con fibras monomodo

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

ST Es el conector ms popular para fibras multimodo, se coloca de manera sencilla

El acoplamiento por empalme

Es una tcnica que se utiliza para unir permanentemente dos fibras pticas en una conexin de bajas prdidas. Estas conexiones se pueden realizar usando uno de estos dos mtodos: o Empalmes mecnicos

Un empalme mecnico es una tcnica alternativa de empalmado que no requiere una empalmadora de fusin. Un empalme mecnico es un conector de fibra

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pequeo que alinea dos fibras desnudas de manera precisa y que las asegura mecnicamente. Para fijar permanentemente la unin se utilizan cubiertas de epxico o resina sinttica directamente sobre las fibras desnudas, como se dijo anteriormente en la figura 1-9.

o Empalme por fusin

Un empalme por fusin proporciona la conexin de prdidas ms bajas. Para realizar este tipo de empalme se utiliza un dispositivo denominado empalmadora de fusin. La empalmadora de fusin alinea con precisin las dos fibras, generando un pequeo arco elctrico para soldar las dos fibras.

Normalmente luego de realizar un empalme, ste debe ser protegido, por lo que se

coloca en una bandeja de empalmes la cual se cierra a presin, luego sta es colocada en una caja de empalmes de tal manera que se proteja la bandeja de empalmes de posibles daos de animales o causados por las condiciones del ambiente.

Presentaremos algunas propuestas de cmo manejar este tipo de problemas en fibras

pticas as como su tratamiento para analizar dnde podemos encontrar menor prdida u obtener un mejor manejo de stas. 2.5 Causas principales de malos empalmes mecnicos o por fusin.

Para analizar algunas de las causas de prdidas mencionadas anteriormente consideraremos que la fibra ptica debe ser introducida en un tubo capilar para que est lo ms alineada posible, y as evitar en lo posible los problemas que podemos encontrar con mayor frecuencia que son las prdidas asociadas a: ncleos desalineados y de diferente dimetro, as como para la diferencia de apertura numrica y por incompatibilidad de ncleos.

Recordemos que las fibras pticas tienen un centro ptico (ncleo) rodeado por una regin de revestimiento ptico, y una capa de polmero que recubre dicho revestimiento y que en algunos casos puede ser removida. De modo que cuando dos fibras pticas son introducidas en un tubo de cristal (para realizar un empalme) hasta que hacen contacto fsico 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 mecnico con recubrimiento holgado como se ve en la

figura 2-6. En este caso la transmisin de la fibra emisora hacia la fibra receptora si los ncleos

de la fibra estn desalineados, si los ncleos tienen dimetros diferentes si los ncleos tienen aperturas numricas diferentes ser menor al 100%. Pueden sumarse adems otras

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prdidas si los ncleos no son circulares y algunas otras debido al tipo de empalme que se realice.

Figura 2-6. Recubrimiento holgado de un empalme de fibras pticas.

En la referencia [15] podremos observar un conjunto de ecuaciones con las cuales podemos conocer las contribuciones de prdidas en empalmes, su clculo est en funcin de los parmetros geomtricos de la figura 2-7.

Figura 2-7. Parmetros usados para el clculo de prdidas en empalmes. a, b, A y B representan los radios del ncleo y del revestimiento respectivamente; Tmn y Tmx representan la pared ms delgada y ms gruesa entre el ncleo y la cubierta; DC y DT son el dimetro de la fibra a la cubierta y de la fibra al tubo exterior.

La cubierta concntrica es definida usando el valor mnimo y mximo de la cubierta

ms delgada.

max

minTC T

TDD =

(1) donde Tmn y Tmx representan la pared ms delgada y ms gruesa entre el ncleo y la cubierta; DC y DT son el dimetro de la fibra a la cubierta y de la fibra al tubo.

Los dimetros del ncleo y del revestimiento son definidos como dimetros circulares que dan la mejor instalacin, es decir, que se pueden alinear correctamente con respecto a los permetros del ncleo y del revestimiento. Pero para una forma elptica del ncleo y del revestimiento la mejor instalacin es:

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2ba2D

22

n+

=

(2) donde Dn es el dimetro del ncleo; a y b son los radios de la fibra, mostrados en la figura 2-7, y

2BA2D

22

r+

= (3)

donde Dr es el dimetro del revestimiento; A y B son los radios del revestimiento, mostrados en la figura 2-7.

Las no-circularidades del ncleo y el revestimiento son:

nCN D

b2a2N =

(4) donde NCN, Dn, a y b son las no circularidad, el dimetro y los radios del ncleo.

Y

rCR D

B2A2N =

(5) donde NCR, Dr,, A y B son la no circularidad, dimetro y radios del revestimiento.

Como ya se dijo antes uno de los problemas que podemos encontrar es el de los

ncleos desalineados. Si colocamos dos fibras dentro de un tubo muy delgado, los ncleos pueden quedar desajustados, como se observa en la figura 2-8. En ella se muestra un caso donde, la desviacin entre los centros es mxima y adems muestran una pequea no - circularidad.

25


Figura 2-8. Caso de desviacin entre los centros de los ncleos de una fibra

emisora y receptora, Y es la desviacin que se ha causado. Con respecto al revestimiento de la fibra podemos considerar tres contribuciones

para una desviacin de ncleos de fibra ptica con revestimiento, como se muestra en la figura 2-9, los cuales dan la ms grande desviacin cuando todos estn en la misma direccin.

Figura 2-9. Contribuciones de las desviaciones del ncleo de una fibra desde el

centro del tubo cuando la fibra tiene cubierta. Donde, 1, 2 y 3 representan la desviacin entre el centro de la fibra/tubo; revestimiento/cubierta y, ncleo/revestimiento, respectivamente.

La desviacin entre el centro de la fibra y el centro del tubo es:

2DD rT1

=

(6) donde 1 es la desviacin entre los centros fibra - tubo; DT y Dr son el dimetro del tubo y revestimiento, respectivamente.

La desviacin de la cubierta - revestimiento 2 es la ms grande cuando el eje menor del revestimiento es alineado a lo largo de la desviacin.

( B2D

DD11

121 r

TC

2

+= ) (7)

donde 2 es la desviacin entre el revestimiento y la cubierta; DC, DT, Dr son el dimetro de la fibra - cubierta, fibra - tubo y fibra - revestimiento, respectivamente; B es el radio de la parte ms larga de la fibra,

26


y

+

+=

2C1D

2CD

21

4CDB

2CN2

r

2CNrCNr (8)

donde B es el dimetro mayor de la fibra; Dr es el dimetro del revestimiento y CCN es el revestimiento no circular.

La figura 2-10 muestra las contribuciones de la desviacin del centro de la fibra la

cual ha sido descubierta. Para una fibra sin esmalte no hay que especificar la desviacin de la capa que la cubre.

Figura 2-10. Contribuciones de las desviaciones del ncleo de una fibra desde el centro del tubo cuando la fibra no tiene cubierta; donde 1 y 3 representan las desviaciones: fibra - tubo y por ncleo - revestimiento.

La desviacin es:

22BD T1

= (9)

donde 1 es la desviacin entre el centro de la fibra y el centro del tubo; DT es el dimetro del tubo y B es el radio de la parte ms larga de la fibra.

La desviacin total es ligeramente ms grande cuando la fibra tiene recubrimiento a pesar de que solo hay dos contribuciones que se reflejan directamente en las prdidas ocasionadas.

Las prdidas por desviacin del centro e incompatibilidad del dimetro nos arrojan que la potencia ptica a menudo es distribuida uniformemente entre las fibras pticas que se encuentran a no ms de 10 metros de la fuente (ser la misma a lo largo de esa longitud), un empalme o un conector. Los resultados pueden ser exactos por medio de una expresin

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para la forma geomtrica de la figura 2-11 y siempre que la desviacin sea ms grande del 5% del dimetro del ncleo.

Figura 2-11. Ncleos de fibra desviados e incompatibilidad de dimetros. Dnr, Dne son los dimetros de los ncleos del receptor y emisor; Y es la desviacin de los ncleos.

Cuando tenemos prdidas por dimetros de ncleo mal colocados. La expresin estndar que utilizamos para ncleos concntricos con dimetro mal colocado es dada por:

2

ne

nrd D

D1P

= (10)

donde Pd es la prdida por ncleo mal colocado; y Dnr, Dne son el dimetro del ncleo receptor y emisor respectivamente.

Podemos encontrar que tambin existen prdidas por apertura numrica diferente ya

que sta es un nmero adimensional que caracteriza el rango de ngulos para los cuales el sistema acepta luz, como se dijo en el Captulo uno.

La reflexin interna causada por el revestimiento y el ncleo es la que causa que la

luz sea guiada a lo largo de la longitud de una fibra ptica, la luz debe estar contenida dentro de un ngulo aceptable para que pueda entrar al ncleo. El cono de aceptacin apertura numrica mide el rango de aceptacin de la luz dentro de la fibra ptica. El ngulo sobre el cual la fibra acepta la luz depende del ndice de refraccin del ncleo y revestimiento del vidrio del que est hecha la fibra. Para el caso de que las fibras tengan diferente apertura numrica, la prdida por transmisin ptica (Pinc. NA) es:

[ ]

=

2

e

rinc.NA NA

NA1211log10dBp (11)

donde Pinc. NA [dB] es la prdida por transmisin ptica; NAr y NAe son la apertura numrica del centro del ncleo receptor y centro del ncleo emisor.

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La figura 2-12 muestra dos ncleos de fibra emitiendo y recibiendo, la lnea

punteada indica la localizacin en donde las fibras tiene la misma apertura numrica y toda la luz emitida es recibida, debajo de la lnea punteada la recepcin del ncleo tiene una apertura numrica pequea y slo una porcin de la luz de la fibra emisora se pierde.

Figura 2-12. a) Los centros tienen el mismo dimetro; b) El ncleo emisor es ms grande que el ncleo receptor.

Usando la ecuacin (12) podemos calcular la prdida debida a un dimetro de

ncleo mal colocado Pinc. dia.[dB].

[ ]

=

2

ne

nrinc.dia. D

D121dBP (12)

donde Pinc. dia. [dB] es la prdida de incompatibilidad de dimetro, Dnr y Dne son el dimetro del ncleo receptor y del ncleo emisor. Los fabricantes no especifican la tolerancia de la apertura numrica, sin embargo la tolerancia es de 0.015 tpicamente.

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 ptica algunas veces stas no son circulares, sino que se observa que tienen una ligera forma elptica, de modo que para ncleos de fibras de forma elptica las prdidas pticas son las ms grandes y ocurren cuando el ncleo receptor es girado 90 con respecto al ncleo emisor, como se ve en la figura 2-13.

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Figura 2-13. Ncleo de forma elptica. Donde a y b son los radios de la fibra emisora y receptora.

La prdida de este tipo de empalme (Pelip [dB]) en este caso es:

=

abtan

4log10 [dB] P 1elip (13)

donde Pelip [dB] es la prdida elptica; a y b son los radios de la fibra emisora y receptora.

Se modific esta expresin reduciendo la prdida lineal a la mitad tomando en cuenta el efecto del ncleo desviado o desalineado, de modo que ahora la expresin es:

=

abtan

41

211log10 [dB] P 1elip (14)

donde Pelip [dB] es la prdida elptica; a y b son los radios de la fibra emisora y receptora. Como se ha visto a lo largo de este captulo son muchas las causas que deben considerarse al momento de realizar un empalme, an que aqu se han expuesto algunas de las ms comunes, veremos en captulos posteriores que pueden sumarse todava otros problemas que acarrean ms prdidas al momento de realizar empalmes de fibra ptica, principalmente los empalmes por fusin, los cuales son el objeto de estudio de este trabajo.

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CAPTULO 3: RECOMENDACIONES EN EL TRATAMIENTO Y PREPARACIN DE LA F. . AL REALIZAR CONEXIONES

Captulo 3 Recomendaciones en el tratamiento y preparacin de la fibra ptica al realizar conexiones En este captulo se har mencin del proceso a seguir en la realizacin de conexiones entre fibras pticas, mostraremos a detalle la forma correcta de realizar los empalmes y el tratamiento previo que se le debe dar a la fibra ptica para obtener un empalme de excelente calidad y obtener la menor cantidad de prdidas en l, estos resultados se mostrarn en el Captulo 4. 3.1 Introduccin

Las interconexiones mencionadas anteriormente, deben introducir el mnimo de prdidas de energa luminosa; la transferencia de energa de un elemento a otro deber ser mxima. Como existen fibras pticas cuya atenuacin es inferior a 1 dB/Km, toda conexin que produzca una prdida de 1 dB del flujo energtico acorta en ms de un kilmetro la longitud potencial del enlace. El objeto de la conexin es realizar interconexiones con pocas prdidas [16].

Una especificacin clave de las fibras pticas es la excentricidad de la fibra.

Tpicamente los valores son de alrededor de 1 m. Para las fibras multimodo con dimetro de ncleo de 50 hasta 200 m no son valores significantes. Sin embargo, para la fibra monomodo con dimetro de ncleo de 8 hasta 12 m este tamao de desviacin entre la geometra del centro de la fibra y la localizacin del ncleo puede dar una prdida de potencia del 15 a 30 %. El ncleo debe estar tambin colineal con el recubrimiento exterior, ya que la alineacin de los conectores con la fibra es un factor clave, pues para fibras monomodo es mucho ms peligroso tener cualquier tipo de desalineacin ya que el tamao del ncleo se ve reducido por lo que la transmisin se ve afectada en ms porcentaje que por ejemplo una fibra multimodo cuyo dimetro es mucho mayor. En conjunto todos estos puntos derivan en un empalme ineficiente para la transmisin de potencia en la fibra ptica, es decir, se insertan prdidas. Todos los tipos de prdidas mencionados, hacen crecer significativamente las prdidas, en especial cuando hablamos de fibras pticas monomodo pues el dimetro de su ncleo es mucho menor que el de las fibras multimodo, as entonces cualquier desalineacin puede causar una cantidad mayor de prdida en la seal luminosa.

Un empalme tpico fibra fibra inserta prdidas de 0.1 dB a 0.25 dB; aunque parece

un valor muy pequeo no debemos perder de vista que debemos sumar esta prdida por cada empalme que realicemos, de modo que la prdida total en un enlace puede volverse mayor [17].

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Cuando dos fibras monomodo son unidas en una conexin, 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 transmisin en la fibra. Esta situacin puede traer errores significantes en sistemas de comunicacin por fibra ptica.

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 prdidas por reflexin para estos casos son cercanas a los 11 dB. Para lograr esto existen herramientas que nos permiten aproximarnos a lo que se llam un corte perfecto, sin embargo, la persona que lo realice debe tener la suficiente prctica y habilidad para lograrlo, por otro lado debemos cuidar la limpieza de los extremos ya que cualquier impureza tambin puede desencadenar un mal empalme, para esto existen mtodos aplicados por las empalmadoras para eliminarlas, como se ver ms adelante.

3.2 El corte de la fibra ptica

Existe cierto nmero de factores que tienen marcada influencia en la calidad de los empalmes de fibra ptica y uno de los ms importantes es el corte de la fibra para realizar el empalme [18].

El corte de la fibra ptica es el proceso en el que el extremo de la fibra sufre un

pequeo rayado y doblez que ocasiona que se fracture en forma limpia en todo el dimetro de la fibra, esto puede verse en la figura 3-1.

Figura 3-1. Corte de la fibra ptica, despus de hacer la muesca procede hacer un pequeo 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 estn chuecos uno respecto al otro, como se ve en la figura 3-2. Un corte perfecto presentar un ngulo de 0 lo que significar que la cara de la fibra tiene un ngulo de 90 con respecto a cualquier parte del eje de la fibra.

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Figura 3-2. Algunas situaciones obtenidas despus de cortar la fibra ptica.

Las cortadoras de fibra ptica van desde la ms sencilla que es porttil cuyo

elemento de corte es de carburo, las que tienen elemento de corte de diamante y las ms complejas que realizan el corte mediante ultrasonido (ver figura 3-3) y que pueden proporcionar en forma consistente cortes con ngulos que tienen fracciones de grado.

Figura 3-3. Tipos de cortadoras, que se utilizan hoy en da. Los empalmes pueden ser como se mencion antes de dos tipos: mecnicos o por

fusin. El proceso para realizar empalmes mecnicos requiere que la persona que los realice tenga una prctica constante y adems que sea muy cuidadoso al realizar los diversos procedimientos de empalme y de utilizacin de equipo asociado a ste. Muchos empalmes mecnicos pueden ser monitoreados durante el proceso de instalacin y pueden ser ajustados hasta que con el equipo de prueba OTDR (Optical Time Domain Reflectometer- Reflectmetro ptico en el Dominio del Tiempo) se obtenga una atenuacin eficiente. Una vez obtenido el valor deseado, el empalme mecnico se fija o se cierra para que las fibras queden sujetas y firmes. El empalme mecnico se realiza mediante el alineamiento de los dimetros exteriores de las fibras que se empalman.

Los empalmes mecnicos realizados en fibras pticas nuevas son mucho ms

consistentes ya que stas tienen buena concentricidad en el ncleo. 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 utilizacin de los empalmes mecnicos. El costo relativo del equipo para realizar

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empalmes mecnicos es relativamente bajo en comparacin con el requerido para los empalmes por fusin, pero los materiales consumibles (empalme en s mismo) es muy alto en comparacin con los consumibles para empalmes por fusin [19].

3.3 Empalmadoras utilizadas para unir fibras pticas Los empalmes de fusin se realizan mediante la unin por medio de la "soldadura"

debida a la aplicacin de un arco elctrico que funde ambas fibras pticas en sus extremos, el equipo que se utiliza en la fusin de las fibras se suele denominar empalmadora, soldador o fusionador. Aunque el costo inicial del equipo para fusin es considerablemente elevado, el resultado de los materiales consumibles para realizar los empalmes por fusin es muy bajo y el resultado del empalme de fusin es considerablemente superior al obtenido mediante los empalmes mecnicos. Dentro de las empalmadoras de fusin 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 ms relevancia [24].

El principio bsico de los empalmes por fusin es el de preparar los extremos de las

fibras a unir, de modo que stos sean homogneos al unirse preliminarmente. Adems para garantizar un empalme de calidad es necesario posicionar las fibras de manera precisa, es decir, alinearlas de modo que no presenten ningn problema de los mencionados en el captulo anterior, y calibrar la empalmadora para estabilizar y controlar la temperatura del arco que producir la unin de las fibras.

Las firmas comerciales ofrecen tres tipos de mquina de fusin por arco voltaico:

manual, semiautomtica y automtica. Esta clasificacin considera la capacidad del operador de maniobrar tanto en el proceso de alineamiento de las fibras como en el de fusin. As, por ejemplo, se dice que una mquina de soldar es totalmente manual cuando la accin del operador es necesaria en los dos procesos y semiautomtica cuando el operador tiene libertad de accin slo 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 Inyeccin y Deteccin (de luz) en forma Local, que consiste en introducir luz en una fibra y verificar la recepcin 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 ms eficiente y con una calidad consistentemente buena. Las empalmadoras que tienen el sistema LID, proporcionan los empalmes ms consistentes de todas las formas de empalme en un rango promedio de 0.05 dB en forma confiable cuando la concentricidad de los ncleos de las fibras es el principal problema a resolver. Posteriormente se ver que no siempre es as, ya que al realizar los experimentos se observ que pueden aparecer otro tipo de problemas al realizar empalmes por fusin, esto se mencionar en secciones posteriores.

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Otro tipo de empalmadora es la que utiliza el sistema de alineamiento de perfiles. stas 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 dimetro exterior de la fibra. Sin embargo cabe mencionar que cualquier tipo de empalme por fusin tiene mejor desempeo que los empalmes de tipo mecnico.

Figura 3-4. Sistema de inyeccin y deteccin de luz.

Los costos de los equipos y las interfases para fibra ptica en la actualidad

permanecen con precios mayores que los que se utilizan para cobre. Esto se debe parcialmente a la limitada produccin de los componentes de fibra ptica debido a la gran capacidad de transmisin (ver anexo B). Esta situacin se est revirtiendo en forma acelerada en los ltimos tiempos ya que existe la tendencia de llevar las seales mediante cables de fibra ptica hasta el escritorio.

El uso de cobre para unir dos puntos es la solucin ms econmica en la actualidad.

Existen algunos sistemas en base a cobre que permiten desempeos que se equiparan a las especificaciones de FDDI (Fiber Distributed Data Interface) en distancias cortas. Esta combinacin proporciona un gran desempeo cuando se utiliza en conjunto con sistemas de fibra ptica de gran capacidad.

3.4 Mtodos de empalme de fibras pticas por fusin directa Recordemos la estructura bsica de una fibra ptica observando la figura 3-5.

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Figura 3-5. Capas bsicas que recubren una fibra ptica. Es de importancia mencionar que estas tres capas de la fibra se utilizan como

referencia al momento de realizar los empalmes [25]. Existen diversos mtodos de empalme de fibras pticas por fusin directa, todos

ellos clasificados en base al tipo de fuente de calor utilizada: una descarga elctrica, un lser gaseoso o una llama. El primero de ellos es el ms ampliamente utilizado en el caso de fibras de slice. En especial, se han desarrollado varias tcnicas para realizar empalmes por medio de descarga elctrica, tales como el mtodo de prefusin, el mtodo de descarga de alta frecuencia con un elevado voltaje de trigger (HHT), y el mtodo de calentamiento uniforme para realizar empalmes de fibras pticas mltiples. Posteriormente comentaremos con algo ms de detalle en qu 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 sitan con una cierta separacin entre ellas en una mquina empalmadora de fibras y se pulsa un botn para comenzar el proceso. Hasta este punto el trabajo se realiza manualmente por parte de un operario. En el momento de pulsar el botn de la mquina, sta comienza a mover las fibras para reducir la separacin entre las mismas. Durante el movimiento de las fibras, se genera una descarga elctrica que se mantiene durante un perodo de tiempo predeterminado. Este proceso tiene lugar de forma automtica en la mquina empalmadora. Por ltimo, la regin donde se ha producido el empalme se protege para facilitar el manejo de la fibra. Actualmente existen mquinas completamente automticas 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 mtodo de prefusin

La calidad obtenida en el extremo de la fibra tras el corte afecta a las prdidas del

empalme posterior, resultando difcil no obtener superficies pulidas mediante la tcnica de empalme por fusin directa. Por este motivo, se han propuesto diversas tcnicas de corte de fibras que no utilizan mquina de pulir. En cuatro de estas tcnicas, 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 elctrica, un alambre caliente o un lser CO2. Incluso existe otra posibilidad que consiste en realizar una muesca y tirar posteriormente de la fibra sin doblarla. De entre todos los mtodos, el ms

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ampliamente utilizado es el basado en la muesca con cuchilla o elemento similar y posterior doblez de la fibra, como ya se haba mencionado en la Seccin 3.2.

Adems de los factores de prdidas ms comunes presentes al realizar empalmes,

tales como desplazamiento lateral o inclinacin, existen otros factores de prdidas en el caso del mtodo de empalme por fusin, por ejemplo la aparicin de burbujas, lneas negras y/o manchas obscuras entre ambos extremos de la fibra. Cuando se produce esto, las burbujas o cualquier otro factor introducen prdidas de unos pocos decibelios o incluso ms. En los procedimientos de empalme anteriores a la existencia del mtodo de prefusin, ambas fibras se presionaban ligeramente y posteriormente se fusionaban por medio de una descarga elctrica. Sin embargo cuando los extremos de la fibra no eran lisos se producan desplazamientos laterales y dobleces adems de una mayor probabilidad de formacin de burbujas como consecuencia del confinamiento de aire entre las superficies rugosas. Precisamente para evitar todo esto se propuso el mtodo de prefusin.

El procedimiento consiste en situar los extremos de ambas fibras con una separacin

de unas micras y posteriormente prefusionarlos con una descarga elctrica, lo que produce unas superficies lisas. Entonces stas se desplazan y presionan bajo la descarga. Tras tocarse los extremos, ambas fibras permanecen presionadas debido al movimiento. El calentamiento, por otro lado, contina incluso una vez que ha cesado el desplazamiento. El tiempo de descarga es de unos pocos segundos y para fibras monomodo resulta relativamente pequeo en comparacin con el escenario para fibras multimodo. Con este mtodo se obtienen bajas prdidas en la regin del empalme incluso para superficies no perfectas. Dado que es difcil obtener superficies perfectamente pulidas fuera del laboratorio, este mtodo resulta beneficioso en la construccin de una mquina empalmadora para estos fines.

3.4.2 Mtodo HHT En la prctica existen dos tipos de descargas elctricas 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 simultneamente y de forma simtrica los dos electrodos. El mtodo HHT pertenece precisamente al grupo de descargas AC, y como se ver a continuacin una descarga de alta frecuencia posee propiedades beneficiosas.

En el circuito de alimentacin utilizado en el mtodo HHT, un voltaje DC de

entrada de 12 v se convierte en una seal pulsante de frecuencia 20 40 KHz mediante conmutacin empleando dispositivos semiconductores. Estas frecuencias de trabajo son bastante comunes en el caso de circuitos de alimentacin 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 realimentacin para el control de la conmutacin.

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En ciertos experimentos comparativos utilizando descargas elctricas de baja y de alta frecuencia se han medido caractersticas 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 separacin entre electrodos de 1.5 mm. Las distribuciones espaciales de la descarga obtenidas en ambos

caracterizaciÓn y optimizaciÓn del proceso de...

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