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Mario Goduco
En este artículo, lo último en la serie de FOC que cubre fibras especiales y su fabricación, discutimos las fibras de mantenimiento de polarización (PM) y los diversos enfoques utilizados para fabricarlas. Hay varios diseños de fibras PM, todos muy diferentes y cada uno con sus propias complejidades en el procesamiento de preformas.

El propósito de la fibra PM

En una fibra monomodo, la salida de un láser de origen se transmite con dos modos de polarización lineal que se propagan en ángulo recto entre sí. Imagine por un momento que esta fibra es una guía de ondas monomodo ideal:

  • el núcleo y el revestimiento son perfectamente redondos y concéntricos;
  • no tiene curvas ni pérdidas (sin absorción, sin dispersión);
  • el material del núcleo es perfectamente uniforme (sin impurezas, burbujas, huecos u otros defectos);
  • la longitud de onda del láser es mayor que la longitud de onda de corte y toda la energía del láser está confinada en el núcleo (sin modos de orden superior);
  • las temperaturas de la fibra y del láser de la fuente permanecen constantes;
  • no hay tensión lateral (no hay tensión externa por cableado, colocación, soportes, etc., o incluso, hipotéticamente, no hay gravedad o presión de aire).

En este caso imaginario, ambos modos de polarización llegarían al extremo remoto de la fibra en fase y con potencia uniforme. A lo largo de la longitud de la fibra, no habría habido acoplamiento de potencia de un modo al otro. Si la salida del láser llevara una señal modulada, los dos modos de polarización llevarían la señal sin dispersión ni diafonía.

Por supuesto, este caso imaginario no es posible. Los materiales de vidrio y las guías de ondas fabricados no son perfectos. Hay asimetrías y no uniformidades submicrométricas. Además, las fibras monomodo experimentan tensiones laterales al ser cableadas y colocadas en redes aéreas o subterráneas. El cable puede experimentar dobleces o incluso tener bobinas flojas en cierres, orificios de mano, gabinetes y otras estructuras. Estos fenómenos pueden hacer que los modos de polarización se propaguen con diferentes velocidades de grupo. Como resultado, la señal modulada en el extremo de recepción de la fibra sufre dispersión. En el peor de los casos, los "unos y ceros" digitales o las formas de onda analógicas no se pueden distinguir.

Si no se corrige, esta dispersión en modo de polarización puede limitar la distancia o el ancho de banda de un sistema de comunicación por fibra óptica. Por lo tanto, los diseñadores de sistemas, cables y fibras han desarrollado técnicas para reducir o compensar esta dispersión. Los fabricantes de fibras han optimizado los procesos de preforma y estirado para minimizar la asimetría, la no concentricidad y las tensiones laterales. Además, las torres de extracción están equipadas con dispositivos que hacen girar la fibra mientras se extrae. Esto ayuda a controlar las propiedades de polarización de la fibra. Luego, los fabricantes de cables extruyen tubos alrededor de las fibras para aislarlas de las tensiones externas en el cable. Y en los sistemas de telecomunicaciones, la electrónica digital contiene características de compensación de la dispersión, como chips con algoritmos de corrección de errores en los receptores.

Por tanto, la polarización se puede gestionar de forma eficaz en las fibras de telecomunicaciones. Pero, hay muchas aplicaciones distintas de las telecomunicaciones en las que es necesario tener dos modos de polarización que se propaguen de forma controlada. En algunos sensores interferométricos, por ejemplo, el objetivo es mantener los dos modos separados y luego recombinarlos para analizar su patrón de interferencia de fase. Esto proporciona una forma de realizar mediciones precisas de movimiento, vibración u otros fenómenos que afecten a la fibra. El objetivo en tales aplicaciones es minimizar la cantidad de potencia acoplada de un estado de polarización a otro, o mantener los dos modos de polarización propagándose en dos trayectos separados, por lo tanto, fibras de "mantenimiento de polarización".

Las fibras de PM abordan algunos de los mismos problemas que las fibras de comunicaciones monomodo, lo que minimiza el efecto de las tensiones externas y las flexiones en los modos de polarización de la fibra. Las fibras de PM en los giroscopios y algunos sensores, por ejemplo, se enrollan en bobinas compactas, pero todavía existe el requisito de evitar el acoplamiento de potencia de un modo de polarización al otro. Por lo tanto, las fibras de PM tienen características geométricas integradas o “partes” que aplican tensión (SAP) para mantener separados los dos modos de polarización y minimizar el efecto de las tensiones externas. Hay varias formas de construir características geométricas asimétricas y SAP en fibra, dando lugar a varios tipos de fibras PM.

Los tipos de fibra PM se remontan a más de 40 años

La investigación sobre las fibras de PM se remonta a la década de 1970, por lo que esta tecnología se ha desarrollado durante tanto tiempo como la fibra monomodo para telecomunicaciones. Muchos laboratorios gubernamentales, militares, corporativos y universitarios prominentes informaron sobre desarrollos de fibra PM en los años setenta y ochenta. Los ejemplos incluyen artículos y solicitudes de patentes de investigadores de AT&T Bell Laboratories, Corning, Fujikura, Hitachi, NTT y la Universidad de Southampton. El sitio web de Fujikura, por ejemplo, dice que la empresa “fue pionera en la fabricación de fibra PM PANDA” (mantenimiento de polarización y absorción reducida) en la década de 1970.

Otra empresa, Fibercore, se escindió del Optical Fiber Group de la Universidad de Southampton en 1982. La empresa ofreció una fibra hilada de baja birrefringente en 1982, seguida por la fibra de PM de alta birrefringente de tipo corbata de lazo en 1983. (La expresión “ bow-tie ”describe aproximadamente el patrón de SAP que se ve en una sección transversal de fibra). Desde principios de la década de 1980, los desarrollos en muchos laboratorios han dado como resultado una amplia gama de fibras de PM con diferentes diseños de SAP, recubrimientos, dopantes y características de longitud de onda, para cumplir diversos requisitos en sensores, componentes de telecomunicaciones y láseres de fibra. Actualmente, las fibras PM están disponibles en más de 20 fabricantes y distribuidores en todo el mundo, y muchas empresas ofrecen más de un tipo.

Caracteristicas claves

Al igual que otras fibras especiales y de comunicación, las fibras PM deben cumplir con especificaciones ópticas y mecánicas críticas, como la atenuación y la resistencia a la tracción. Las fibras de PM también tienen dos especificaciones, longitud de batido y parámetro de retención (H), para caracterizar sus propiedades de birrefringencia. Estas son medidas complejas, pero son importantes para caracterizar qué tan bien las fibras mantienen los dos modos de polarización.

Los dos ejes en una fibra de PM a veces se denominan "eje lento" y "eje rápido", porque tienen diferentes índices de refracción. Esto significa que las ondas de luz en los dos modos de polarización tendrán diferentes velocidades de fase. La duración del tiempo es una medida de la diferencia de velocidad de fase entre los dos modos de polarización. Una duración de tiempo corta significa una birrefringencia más alta y una mayor separación entre los dos modos.

Las mediciones de la longitud del latido de la fibra PM van desde menos de un milímetro hasta unos pocos centímetros. Una longitud de latido de 1 mm se considera muy corta. Una longitud de latido de 2 mm está comúnmente disponible y se usa a menudo para giroscopios. Las fibras monomodo estándar para aplicaciones de telecomunicaciones tienen longitudes de latido medidas en metros. Al igual que otros parámetros ópticos, la longitud del latido depende de la longitud de onda, por lo que las mediciones se analizan e informan en longitudes de onda específicas.

H-El parámetro es la relación de polarización-extinción por unidad de longitud. Se utiliza para caracterizar qué tan bien una fibra mantiene la polarización en un eje sobre la longitud de la fibra. H-El parámetro se mide utilizando técnicas estándar para medir la diafonía de polarización. Las medidas se expresan como el cambio en la potencia óptica transmitida en un eje por unidad de longitud de fibra, nuevamente en longitudes de onda específicas.

Conceptos de preforma: cómo lograr la birrefringencia

La birrefringencia resulta de formas especiales o SAP que están "incorporados" al hacer la preforma. Los SAP son vidrio a base de sílice como el resto de la fibra, pero tienen dopantes con diferentes coeficientes de expansión térmica (CTE). Cuando la fibra se estira y enfría, los SAP se enfrían y se contraen a diferentes velocidades, lo que provoca una tensión permanente en el vidrio. Como resultado, la fibra tiene regiones de tensión asimétricas con diferentes índices de refracción.

Tres tipos de fibras PM comerciales que incorporan SAP son: 1.) PANDA, 2.) corbata de lazo y 3.) fibras de capa de tensión elíptica. Se describe que un cuarto tipo, fibra de núcleo elíptico, utiliza birrefringencia de forma en lugar de SAP. Hay otras formas de lograr la birrefringencia. Un ejemplo es el uso de huecos o huecos de aire longitudinales en las fibras de cristal fotónico. Los tipos PANDA y de pajarita son los más utilizados, siendo los preferidos por muchos fabricantes de giroscopios, otros sensores y componentes de telecomunicaciones.

3 tipos de fibras de mantenimiento de polarización comercial que incorporan SAP son

Hay muchas compensaciones entre los tres tipos de SAP, incluidas las siguientes:

  • el nivel de birrefringencia que se puede alcanzar, que depende en parte de la proximidad de los PAE al núcleo, así como de otros factores;
  • el tamaño de las regiones de tensión y el grado de asimetría necesario para lograr una alta birrefringencia, que puede afectar la complejidad y resistencia de la fabricación;
  • la capacidad de fabricar las regiones de tensión de manera uniforme en toda la fibra;
  • el tamaño de la preforma y la longitud de la fibra: las fibras PM tipo corbata de lazo y de capa de tensión elíptica se basan en el proceso MCVD, pero PANDA puede utilizar un proceso de deposición exterior como OVD o VAD;
  • la fuerza de la fibra, la resistencia al agrietamiento y otras propiedades mecánicas;
  • la complejidad de procesar la preforma, especialmente con SAP cerca del núcleo, y preservar las formas de SAP durante el proceso de dibujo.

Fibra PANDA tiene dos cilindros longitudinales de vidrio dopado con boro colocados en el revestimiento en lados opuestos del núcleo. En comparación con las composiciones de vidrio de núcleo y revestimiento, el vidrio de borosilicato tiene un índice de refracción más bajo y un CTE más alto, lo que provoca las regiones de tensión después del estiramiento y enfriamiento. La fabricación se basa en perforar dos orificios a lo largo de la preforma, insertar varillas dopadas con boro y estirar la preforma para lograr cilindros de borosilicato paralelos y espaciados uniformemente a cada lado del núcleo. Esto parece una pequeña cantidad de pasos, pero es una simplificación excesiva. En la práctica, existen muchos procedimientos complejos que incluyen:

  • conseguir que los agujeros se coloquen y tengan el tamaño exacto, sin grietas, imperfecciones o impurezas,
  • obtener o fabricar varillas de borosilicato uniformes y dopadas con precisión que encajen perfectamente en los orificios,
  • procesar los extremos de las preformas para gestionar las tensiones inducidas;
  • mantener los SAP redondos durante el proceso de sorteo y muchos otros pasos detallados.

Fibra de pajarita también utiliza dopantes de boro en dos SAP longitudinales. Y al igual que la fibra PANDA, los SAP se fabrican en el revestimiento a ambos lados del núcleo. Una diferencia importante de las fibras PANDA es que los SAP de pajarita tienen forma de cuña o trapezoidal. Otra diferencia es que se fabrican mientras la preforma está en el torno MCVD. En lugar de perforar e insertar varillas en el revestimiento, los SAP de pajarita se fabrican depositando una capa de vidrio dopado con boro en el revestimiento cerca del núcleo, luego grabando selectivamente parte de esa capa en dos áreas opuestas al núcleo, y luego depositar vidrio con otros dopantes para rellenar esas áreas.

Con este enfoque, el SAP se puede depositar más cerca del núcleo, lo que permite una mayor birrefringencia con menos estrés. Pero al igual que el proceso PANDA, existen muchos pasos y “trucos” de alta precisión para hacer los SAP. Básicamente, las complejidades de perforar e insertar las varillas de boro se reemplazan por las complejidades del grabado y redopado, que incluyen:

  • controlar el flujo de grabador (generalmente un compuesto de flúor) en coordinación con el tamaño y la posición de los quemadores de grabado;
  • grabar las dos regiones con volumen y posicionamiento precisos y uniformidad a lo largo de la preforma;
  • gestionar la posición del quemador de deposición y el flujo de dopantes a través de múltiples pasos para depositar el núcleo correcto y los vidrios de revestimiento en las áreas grabadas;
  • controlar el colapso de la preforma MCVD para lograr la forma y posición correctas de la pajarita SAP;
  • procesar correctamente los extremos de la preforma para evitar problemas con las regiones de tensión;

El proceso de la pajarita permite variar el tamaño, la posición y la forma de la región de tensión. Esto le da al fabricante de fibra de PM la capacidad de adaptar el nivel de birrefringencia para diferentes aplicaciones mientras se equilibran las propiedades ópticas y mecánicas. Dado que el tamaño de la preforma está limitado por el diámetro del tubo de deposición MCVD, el proceso de pajarita no ofrece flexibilidad en la cantidad de fibra que se puede extraer de una preforma.

Fibra de capa de tensión elíptica las preformas se fabrican en tornos MCVD, como las preformas de pajarita. Y la fibra de PM de capa de tensión elíptica también incorpora un anillo de vidrio dopado con boro en el revestimiento cerca del núcleo. Pero, la fibra de la capa de tensión elíptica se basa en un proceso de mecanizado para eliminar parte de la capa de revestimiento, en lugar del grabado químico en el proceso de la pajarita. En este paso, la preforma redonda o simétrica circular se mecaniza para tener dos lados planos opuestos al núcleo entre sí.

Esta preforma de lados planos (de forma aproximadamente rectangular) se estira luego con un control cuidadoso de la temperatura y se tira de la tensión para que la fibra resultante sea redonda. Es decir, las superficies planas desaparecen o se vuelven redondas cuando la preforma se calienta y se estira. Al mismo tiempo, la capa de borosilicato (anteriormente en forma de anillo) se vuelve elíptica, formando una región de tensión asimétrica en el revestimiento. Si la fibra se extrae con cuidado, el núcleo puede conservar su forma redonda. Las complejidades de este método incluyen:

  • deposición y mecanizado cuidadosos de preformas para evitar desajustes de tensión;
  • mecanizar con precisión los lados planos con uniformidad a lo largo de la preforma;
  • preparar la preforma mecanizada para el estirado a fin de minimizar los defectos superficiales;
  • controlar la temperatura de estirado para obtener la viscosidad y la forma de fibra correctas;

Fibra de núcleo elíptico también utiliza una preforma MCVD, pero no hay regiones de tensión dopadas con boro. Más bien, el núcleo de vidrio se deposita con asimetría, de modo que cuando se estira la fibra es redonda pero el núcleo es elíptico. Para depositar el núcleo de esta manera, se detiene la rotación del torno. El núcleo de vidrio se deposita en un lado del tubo. Cuando la preforma se colapsa con un vacío interno, el borde exterior del revestimiento permanece redondo pero el núcleo de vidrio se vuelve asimétrico. El resultado es una fibra PM con menor birrefringencia que las fibras SAP, pero también con menos tensiones mecánicas internas.

Otros tipos de fibra PM incluyen fibra polarizadora, que se propaga sólo en un modo, fibra polarizado circularmente, que crea un modo de polarización que gira a medida que baja por la fibra, fibra PM dopada de tierras raras y fibras PM con recubrimientos especiales. Estos tipos tienen sus propias complejidades de fabricación, como el hilado de la fibra durante el estirado, el manejo de los CTE y los problemas de tensión resultantes de diferentes dopantes, y el trabajo con materiales de recubrimiento con diferentes propiedades mecánicas.

Procedimientos para estirar fibras especiales

Aplicaciones y requisitos comerciales

Muchas fibras especiales se utilizan en longitudes muy cortas, digamos metros o decenas de metros, para sensores, medios de ganancia, rejillas de Bragg, etc. Las fibras de PM, por otro lado, a menudo se usan en aplicaciones que pueden requerir un kilómetro o más, generalmente enrollado en bobinas ajustadas para giroscopios, acelerómetros e hidrófonos. También se utilizan longitudes más cortas de fibras PM en cables flexibles de telecomunicaciones, sistemas de tomografía de coherencia óptica, hidrófonos, láseres de fibra y otras aplicaciones de sensores.

La fibra de PM que se usa en los giroscopios y otros sensores interferométricos generalmente está "desnuda", es decir, la fibra está recubierta, pero no en un cable con elementos de resistencia y una cubierta exterior. En muchos casos, la fibra recubierta se enrolla en una unidad que puede tener menos de 20 mm de diámetro. Además, muchas de estas aplicaciones de fibra de PM se encuentran en aplicaciones de defensa y alta confiabilidad que tienen especificaciones críticas de resistencia y vida útil. Por ejemplo, algunos sensores interferométricos con fibra de partículas se utilizan en aplicaciones submarinas en aguas profundas (alta presión).

Algunas bobinas de giro pueden requerir fibra PM en longitudes de cientos de metros o hasta varios kilómetros. En aplicaciones de giroscopio, la fibra debe fabricarse de modo que estas longitudes estén disponibles sin empalmes. Para componentes de telecomunicaciones y otras aplicaciones de trenzas, algunas fibras de PM se suministran con extremos conectorizados, utilizando algunas marcas o codificación para la posición axial. Otras aplicaciones de fibra de PM pueden utilizar empalmes, y varias empresas ofrecen equipos especializados de empalme por fusión.

Hacerlo bien desde la preforma hasta el dibujo

Desde la década de 1980, el precio de las fibras PM ha bajado al menos un orden de magnitud a medida que aumentaban las cantidades de producción. A pesar de esto, las fibras de PM siguen siendo significativamente más caras que las fibras de comunicación debido a la complejidad de la producción, las limitaciones en el tamaño de las preformas, las cantidades pedidas y los factores de rendimiento. Una complicación en la producción, por ejemplo, es que debe terminar la preforma y dibujarla antes de poder medir los parámetros clave de duración del tiempo y parámetro H.

Esto significa que debe seguir la receta cuidadosamente en cada paso, desde los ajustes del quemador y el flujo de gas durante la deposición hasta el estirado, recubrimiento y bobinado. Además, las recetas detalladas para las fibras de PM varían de una máquina MCVD a otra, así como de un tipo de fibra de PM a otro. La calibración de los controladores de flujo y otros ajustes de la máquina es fundamental para configurar y seguir estas recetas. Al igual que con otras familias de fibras especiales, la capacidad de lograr altos rendimientos y buenas especificaciones de rendimiento al fabricar fibra PM puede depender de la experiencia de los ingenieros y técnicos. El equipo de consultores de FOC está disponible para revisar preguntas sobre el diseño, la producción y las aplicaciones de la fibra PM.

Escritores

Larry Donalds comenzó su carrera en Fiber Optic Center (FOC) en 2017 como Desarrollo de Negocios, Diseño y Fabricación de Fibras, Ventas Técnicas. Larry trae más de 35 años de experiencia de 3M Company en St. Paul, MN, después de jubilarse recientemente. Durante su tiempo en 3M Company, pasó 24 años en el desarrollo y fabricación de fibra óptica especializada utilizando "la voz del cliente", ayudando a 3M a diseñar y producir fibras ópticas para cumplir con las aplicaciones específicas del cliente y los criterios de rendimiento. Los proyectos incluyeron el desarrollo y producción de fibra PM, PZ, EDFA (amplificador de fibra dopada con erbio), fibra endurecida por radiación para giroscopios, dopaje en solución de preformas, desarrollo de patentes para fibra de oxifluoruro de erbio, deposición organometálica de tierras raras y una fibra monomodo de tierras raras sensor de flexión y posición. En su puesto de fibra en 3M, Larry mantuvo y operó equipos MCVD de SG Controls Ltd de Cambridge, Inglaterra, a quien FOC ha representado en América del Norte durante más de 25 años. Larry ha obtenido varios premios a lo largo de su carrera, entre los que se incluyen el premio 3M Golden Step, el premio Photonics Circle of Excellence, el premio R&D 100, el premio 3M Circle of Technical Excellence Awards en 1983, 2001 y 2008 y el premio 3M Ideation Challenge en 2017. Larry y su esposa residen en Arizona. Fuera de FOC, los pasatiempos de Larry incluyen pesca, paseos en bote, motos de nieve, paisajismo al aire libre y diseño y construcción de cubiertas.

Richard Tumminelli, Consultor de AFO para Fiber Optic Center, Inc. (FOC), comenzó su carrera en FOC en 2020 como consultor de diseño y fabricación de fibra, experto en fibra óptica dopada en tierras raras. Rick se retiró recientemente del puesto de Director de Ingeniería en el sitio de fibra Coherent en Salem, NH, y ha estado trabajando en el campo de la fibra óptica dopada con tierras raras durante 40 años. Antes de ocupar este puesto, dirigió el grupo de fibras especiales en JDS Uniphase, especializándose en fibras de doble revestimiento para láseres de fibra y fibra dopada con erbio. Richard también ocupó cargos en el grupo de óptica en Draper Laboratories y fue miembro del equipo de fibra óptica Polaroid bajo la dirección del Dr. Elias Snitzer, que realizó gran parte del trabajo fundamental en fibras dopadas con tierras raras, láseres de fibra y amplificadores. Es coinventor del bombeo láser de fibra de doble revestimiento, se le han concedido 22 patentes y tiene 20 publicaciones en láseres de fibra y amplificadores.
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