5/29/2010

284. Fabricación local de fibra óptica

Autor: Jorge Elías
A. Proyecto: Fabricación local de fibra óptica
B. Fundamentación: La fibra óptica es una guía de ondas dieléctrica que opera a frecuencias ópticas. Es un
 medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el núcleo de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un LED. Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio o cable. Son el medio de transmisión por excelencia al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, también se utilizan para redes locales, en donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica sobre otros medios de transmisión. Tiene muchas otras ventajas, como bajas pérdidas de señal, tamaño y peso reducido, inmunidad frente a emisiones de radiofrecuencia y seguridad, sin límite de ancho de banda.
Hoy en día, debido a sus mínimas pérdidas de señal y a sus óptimas propiedades de ancho de banda, la fibra óptica puede ser usada a distancias más largas que el cable de cobre. Además, la fibras por su peso y tamaño reducido, hace que sea muy útil en entornos donde el cable de cobre sería impracticable. Actualmente, uno de sus principales usos es su empleo como medio de transmisión para las redes de telecomunicaciones, ya que por su flexibilidad los conductores ópticos pueden agruparse formando cables. Las fibras usadas en este campo son de plástico y/o de vidrio. Para usos interurbanos son de vidrio, por la baja atenuación que tienen. Las fibras multimodo se emplean para distancias cortas (hasta 5000 m) y las monomodo para acoplamientos de larga distancia. Debido a que las fibras monomodo son más sensibles a los empalmes, soldaduras y conectores, las fibras y los componentes de éstas son de mayor costo que los de las fibras multimodo. Posee mas seguridad que los otros sistemas de comunicación. En un cable de fibra óptica no se puede intervenir o interceptar información sin que el usuario se entere de esto, en cambio las señales de comunicación vía satélite o radio se pueden intervenir fácilmente para su decodificación, lo que hace que los cables de fibra sean de suma importancia en las grandes empresas, en operaciones militares y en toda la rama de la comunicación.
C. Objetivos generales:
- Mejorar el sistema de comunicaciones, ya que un cable estándar de 200 fibras es capaz de soportar 6.000.000 de conversaciones, mientras que un cable de cobre de tamaño similar sólo puede llevar 10.000 conversaciones
- Implementar sistemas de comunicaciónes terrestres económicos
- Transmitir gran cantidad de información
- Aumentar los servicios de televisión por cable y conexión a Internet de banda ancha
- Proporcionar un servicio de alta calidad.
- Disminuir el costo de adquisición e instalación.
- Reemplazar a los cables coaxiales en la industria de la electrónica y las telecomunicaciones.
- Desarrollar una nueva industria basada en este equipamiento básico
- Incrementar la independencia tecnológica del país.
D. Lugar: UTE (Unión transitoria de empresa compuesta por el INTI (estatal) y la empresa que transfiere la tecnología).

E. Recursos necesarios:
- Estudio de factibilidad del proyecto
- Aprobación del PEN del proyecto (Ministerio de Ciencia y Tecnologia)
- Convenio con el INTI para la creación de una empresa mixta.
- Licitación internacional para la fabricacion local con transferencia tecnologica, mediante el sistema de llave en mano. Dentro de los fabricantes de la fibra óptica a nivel internacional se encuentran Siecor, Lucent, Belden, Mohawk, Siemens, Bertek, Mitsubishi, Alcatel, AMP, Optical cable, GYCOM y Prestolite.
F. Características generales: Hemos conseguido “domar” la luz, de modo que sea posible que se propague dentro de un cable tendido por el hombre. El uso de la luz guiada, de modo que no expanda en todas direcciones, sino en una muy concreta y predefinida se ha conseguido mediante la fibra óptica, que podemos pensar como un conducto de vidrio -fibra de vidrio ultra delgada- protegida por un material aislante que, sirve para transportar la señal lumínica de un punto a otro. Como resultado de estudios, se descubrió un nuevo modo de empleo para la luz llamado rayo láser. Este último es usado con mayor vigor en el área de las telecomunicaciones, debido a lo factible que es enviar mensajes con altas velocidades y con una amplia cobertura pero no existía un conducto para hacer viajar los fotones originados por el láser. En 1952, el físico Narinder Singh Kapany, apoyándose en los estudios de John Tyndall, realizó experimentos que condujeron a la invención de la fibra óptica.
Uno de los primeros usos de la fibra óptica fue emplear un haz de fibras para la transmisión de imágenes, que se usó en el endoscopio médico. Usando la fibra óptica, se consiguió un endoscopio semiflexible. El gran avance se produjo en 1970, cuando los investigadores Maurer, Keck, Schultz y Zimar que trabajaban para Corning Glass, fabricaron la primera fibra óptica aplicando impurezas de titanio en sílice, con cientos de metros de largo con la claridad cristalina que Kao y Hockman habían propuesto. Las pérdidas eran de 17 dB/km. Durante esta década las técnicas de fabricación se mejoraron, consiguiendo pérdidas de tan solo 0,5 dB/km. El 22 de abril de 1977, General Telephone and Electronics envió la primera transmisión telefónica a través de fibra óptica, en 6 Mbit/s, en Long Beach, California. El amplificador permitio el uso de la fibra óptica en conexiones interurbanas, reduciendo el costo de ellas.
El gran avance se produjo cuando se dieron cuenta de que el cristal de sílice puro, sin ninguna impureza de metal que absorbiese luz, solamente se podía fabricar directamente a partir de componentes de vapor, evitando de esta forma la contaminación que inevitablemente resultaba del uso convencional de los crisoles de fundición. El progreso se centraba ahora en seleccionar el equilibrio correcto de componentes del vapor y optimizar sus reacciones. En 1980, AT&T presentó a la Comisión Federal de Comunicaciones de los EE.UU., un proyecto de un sistema de 978 kilómetros que conectaría las principales ciudades del corredor que iba de Boston a Washington. Cuatro años después, cuando el sistema comenzó a funcionar, su cable, de menos de 25 centímetros de diámetro, proporcionaba 80.000 canales de voz para conversaciones telefónicas simultáneas; la longitud total de los cables de fibra únicamente en los Estados Unidos alcanzaba 400.000 kilómetros.
El primer enlace transoceánico con fibra óptica fue el TAT-8 que comenzó a operar en 1988, usando un cristal tan transparente que los amplificadores para regenerar las señales débiles se podían colocar a distancias de más de 64 kilómetros. Tres años después, otro cable transatlántico duplicó la capacidad del primero. Los cables que cruzan el Pacífico también han entrado en funcionamiento. Desde entonces, se ha empleado fibra óptica en multitud de enlaces transoceánicos o entre ciudades, y paulatinamente se va extendiendo su uso desde las redes troncales de las operadoras hacia los usuarios finales.
Obtenido mediante procesos quimicos, el material de la fibra óptica, se pasa a su fabricación. Este es un proceso continuo en el tiempo que básicamente se puede describir a través de tres etapas:
- la fabricación de la preforma,
- el estirado de esta
- pruebas y mediciones.
La etapa de fabricación de la preforma puede ser a través de alguno de los siguientes métodos:
a) M.C.V.D Modifield Chemical Vapor Deposition: Fue desarrollado originalmente por Corning Glass y modificado por los Laboratorios Bell Telephone para su uso industrial. Utiliza un tubo de cuarzo puro de donde se parte y es depositado en su interior la mezcla de dióxido de silicio y aditivos de dopado en forma de capas concéntricas. A continuación en el proceso industrial se instala el tubo en un torno giratorio. El tubo es calentado hasta alcanzar una temperatura comprendida entre 1.400 °C y 1.600 °C mediante un quemador de hidrógeno y oxígeno.Al girar el torno el quemador comienza a desplazarse a lo largo del tubo. Por un extremo del tubo se introducen los aditivos de dopado, parte fundamental del proceso, ya que de la proporción de estos aditivos dependerá el perfil final del índice de refracción del núcleo.La deposición de las sucesivas capas se obtienen de las sucesivas pasadas del quemador, mientras el torno gira; quedando de esta forma sintetizado el núcleo de la fibra óptica. La operación que resta es el colapso, se logra igualmente con el continuo desplazamiento del quemador, solo que ahora a una temperatura comprendida entre 1.700 °C y 1.800 °C. Precisamente es esta temperatura la que garantiza el ablandamiento del cuarzo, convirtiéndose así el tubo en el cilindro macizo que constituye la preforma. Las dimensiones de la preforma suelen ser de un metro de longitud útil y de un centímetro de diámetro exterior.
b) V.A.D Vapor Axial Deposition: Su funcionamiento se basa en la técnica desarrollada por la Nippon Telephone and Telegraph (N.T.T), muy utilizado en Japón por compañías dedicadas a la fabricación de fibras ópticas. La materia prima que utiliza es la misma que el método M.C.V.D, su diferencia con este radica, que en este último solamente se depositaba el núcleo, mientras que en este además del núcleo de la FO se deposita el revestimiento. Por esta razón debe cuidarse que en la zona de deposición axial o núcleo, se deposite más dióxido de germanio que en la periferia, lo que se logran a través de la introducción de los parámetros de diseño en el software que sirve de apoyo en el proceso de fabricación. A partir de un cilindro de vidrio auxiliar que sirve de soporte para la preforma, se inicia el proceso de creación de esta, depositándose ordenadamente los materiales, a partir del extremo del cilindro quedando así conformada la llamada "preforma porosa".Conforme su tasa de crecimiento se va desprendiendo del cilindro auxiliar de vidrio.El siguiente paso consiste en el colapsado, donde se somete la preforma porosa a una temperatura comprendida entre los 1.500 °C y 1.700 °C, lográndose así el reblandamiento del cuarzo.Quedando convertida la preforma porosa hueca en su interior en el cilindro macizo y transparente, mediante el cual se suele describir la preforma. Entre sus ventajas, comparado con el método anterior (M.C.V.D) permite obtener preformas con mayor diámetro y mayor longitud a la vez que precisa un menor aporte energético.Como inconveniente se destaca como uno el de mayor cognotación, la sofisticación que requiere en equipo necesarios para su realización.
c) O.V.D Outside Vapor Deposition: Desarrollado por Corning Glass Work.Parte de una varilla de substrato cerámica y un quemador.En la llama del quemador son introducidos los cloruros vaporosos y esta caldea la varilla.A continuación se realiza el proceso denominado síntesis de la preforma, que consiste en el secado de la misma mediante cloro gaseoso y el correspondiente colapsado de forma análoga a los realizados con el método V.A.D, quedando así sintetizados el núcleo y revestimiento de la preforma. Entre las ventajas, es de citar que las tasas de deposición que se alcanzan son del orden de 4.3g / min, lo que representa una tasa de fabricación de FO de 5km /h, habiendo sido eliminadas las pérdidas iniciales en el paso de estirado de la preforma. También es posible la fabricación de fibras de muy baja atenuación y de gran calidad mediante la optimización en el proceso de secado, porque los perfiles así obtenidos son lisos y sin estructura anular reconocible.
d) P.C.V.D Plasma Chemical Vapor Deposition: Es desarrollado por Philips, se caracteriza por la obtención de perfiles lisos sin estructura anular reconocible.Su principio se basa en la oxidación de los cloruros de silicio y germanio, creando en estos un estado de plasma, seguido del proceso de deposición interior.
Luego de la etapa de construcción de la preforma, comienza la de estirado de la preforma que es para  cualquier método empleado:
- Consiste básicamente en la existencia de un horno tubular abierto, en cuyo interior se somete la preforma a una temperatura de 2.000 °C, logrando así el reblandamiento del cuarzo y quedando fijado el diámetro exterior de la FO. Este diámetro se ha de mantener constante mientras se aplica una tensión sobre la preforma, para lograr esto precisamente la constancia y uniformidad en la tensión de tracción y la ausencia de corrientes de convección en el interior del horno, son los factores que lo permiten. En este proceso se ha de cuidar que en la atmósfera interior del horno esté aislada de partículas provenientes del exterior para evitar que la superficie reblandecida de la FO pueda ser contaminada, o se puedan crear microfisuras, con la consecuente e inevitable rotura de la fibra.
- Aquí es donde se aplica a la fibra un material sintético, un polimerizado viscoso, el cual posibilita las elevadas velocidades de estirado, comprendidas entre 1m / sg y 3m / sg, conformándose así una capa uniforme sobre la fibra totalmente libre de burbujas e impurezas.
- Luego se pasa al endurecimiento de la protección quedando así la capa definitiva de polímero elástico. Esto se realiza habitualmente mediante procesos térmicos o a través de procesos de reacciones químicas mediante el empleo de radiaciones ultravioletas.
Su uso es muy variado, van desde comunicaciones digitales, pasando por sensores y llegando a usos decorativos, veladores y otros elementos similares hasta las aplicaciones de la fibra monomodo en cables submarinos, cables interurbanos, etc.
También, las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores para medir la tensión, la temperatura, la presión y otros parámetros. El tamaño pequeño y el hecho de que por ellas no circula corriente eléctrica le da ciertas ventajas respecto al sensor eléctrico. Además, las fibras ópticas se utilizan como hidrófonos para los sismos o aplicaciones de sonar. Se ha desarrollado sistemas hidrofónicos con más de 100 sensores usando la fibra óptica. Los hidrófonos son usados por la industria de petróleo así como las marinas de guerra de algunos países. La compañía alemana Sennheiser desarrolló un micrófono que trabajaba con un láser y las fibras ópticas. Los sensores de fibra óptica para la temperatura y la presión se han desarrollado para pozos petrolíferos. Estos sensores pueden trabajar a mayores temperaturas que los sensores de semiconductores.
Otro uso que le podemos dar a la fibra óptica es el de iluminar cualquier espacio. Debido a las ventajas que este tipo de iluminación es muy empleado. Entre las ventajas de la iluminación por fibra podemos mencionar:
- Ausencia de electricidad y calor: Esto se debe a que la fibra sólo tiene la capacidad de transmitir los haces de luz además de que la lámpara que ilumina la fibra no está en contacto directo con la misma.
- Permite cambiar de color la iluminación sin necesidad de cambiar la lámpara: Esto se debe a que la fibra puede transportar el haz de luz de cualquier color sin importar el color de la fibra. Con una lámpara se puede hacer una iluminación más amplia por medio de fibra: Esto es debido a que con una lámpara se puede iluminar varias fibras y colocarlas en diferentes lugares.
También, se emplea como componente en la confección del hormigón translúcido, invención creada por el arquitecto húngaro Ron Losonczi, que consiste en una mezcla de hormigón y fibra óptica formando un nuevo material que ofrece la resistencia del hormigón pero adicionalmente, presenta la particularidad de dejar traspasar la luz de par en par.
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