Explicación de los recubrimientos de fibra óptica

Este artículo es una continuación de la última serie de FOC sobre procesos de fabricación de fibra óptica, y proporciona una descripción general de los recubrimientos para una amplia gama de comunicaciones estándar y fibras ópticas especiales. El trabajo principal de los recubrimientos es proteger la fibra de vidrio, pero este objetivo tiene muchas complejidades. Los materiales de revestimiento se formulan y prueban cuidadosamente para optimizar esta función protectora, así como el rendimiento de la fibra de vidrio.

Función de revestimiento

Para una fibra de tamaño estándar con un diámetro de revestimiento de 125 µm y un diámetro de recubrimiento de 250 µm, el 75% del volumen tridimensional de la fibra es el recubrimiento de polímero. El núcleo y el vidrio de revestimiento representan el 25% restante del volumen total de la fibra revestida. Los recubrimientos desempeñan un papel clave para ayudar a que la fibra cumpla con las especificaciones ambientales y mecánicas, así como con algunos requisitos de rendimiento óptico.

If se iba a sacar una fibra y no recubierto, la superficie exterior del revestimiento de vidrio estaría expuesta al aire, la humedad, otros contaminantes químicos, mellas, golpes, abrasiones, dobleces microscópicos y otros peligros. Estos fenómenos pueden provocar defectos en la superficie del vidrio. Inicialmente, tales defectos pueden ser pequeños, incluso microscópicos, pero con el tiempo, la tensión aplicada y la exposición al agua, pueden convertirse en grietas más grandes y eventualmente conducir a fallas.

Es decir, incluso con procesos de fabricación de última generación y materiales de primera calidad, no es posible producir una fibra sin absolutamente ningún defecto. Los fabricantes de fibras hacen todo lo posible para procesar las preformas y controlar las condiciones de extracción para minimizar los tamaños de las fallas y su distribución. Dicho esto, siempre habrá algunos defectos microscópicos, como grietas a escala nanométrica. El trabajo del recubrimiento es preservar la superficie del vidrio "tal como está estirada" y protegerla de factores extrínsecos que podrían dañar la superficie del vidrio, como manipulación, abrasión, etc.

Por lo tanto, todos la fibra recibe una capa protectora cuando se estira. La fibra no recubierta se produce solo durante un breve espacio en la torre de extracción, entre el momento en que la fibra sale del fondo del horno de preformas y entra en la primera copa de recubrimiento en la torre de extracción. Este intervalo sin recubrimiento es lo suficientemente largo para que la fibra se enfríe y se pueda aplicar el recubrimiento.

Dimensiones de revestimiento

Como se señaló anteriormente, la mayoría de las fibras de comunicación estándar tienen un diámetro de revestimiento de 125 µm y un recubrimiento de polímero de acrilato curado con UV que aumenta el diámetro exterior a 250 µm. En la mayoría de los casos, el recubrimiento acrílico es un “sistema” de recubrimiento de dos capas con una capa interna más suave llamada recubrimiento primario y una capa externa más dura llamada recubrimiento secundario.¹. Recientemente, algunas empresas han desarrollado fibras de comunicación con diámetros recubiertos de 200 µm o incluso 180 µm para cables densos de alta densidad. Este desarrollo significa recubrimientos más delgados, pero también significa que el recubrimiento debe tener diferentes características mecánicas y de curvatura.

Las fibras especiales, por otro lado, tienen muchas más variantes en términos de tamaño de fibra, diámetro de revestimiento y materiales de revestimiento, según el tipo de fibra especial y su aplicación. El diámetro del revestimiento de vidrio de las fibras especiales puede variar desde menos de 50 µm hasta más de 1,000 µm (1 mm). La cantidad de recubrimiento en estas fibras también muestra un amplio rango, dependiendo de la aplicación de la fibra y el material de recubrimiento. Algunos recubrimientos pueden ser tan delgados como 10 µm y otros tienen un espesor de varios cientos de micrones.

Algunas fibras especiales utilizan los mismos revestimientos de acrilato que las fibras de comunicación. Otros utilizan diferentes materiales de revestimiento para los requisitos de sensores, entornos hostiles o que sirven como revestimiento secundario. Ejemplos de materiales de recubrimiento de fibras especiales no acrilatos incluyen carbono, metales, nitruros, poliimidas y otros polímeros, zafiro, silicona y composiciones complejas con polímeros, tintes, materiales fluorescentes, reactivos de detección o nanomateriales. Algunos de estos materiales, como el carbono y el metal, pueden aplicarse en capas delgadas y complementarse con otros recubrimientos poliméricos.

Con las fibras de comunicación que se producen actualmente a niveles cercanos a los 500 millones de fibra-km por año, los acrilatos curados con UV representan la gran mayoría (probablemente más del 99%) de todos los recubrimientos aplicados a la fibra óptica. Dentro de la familia de recubrimientos de acrilato, los principales proveedores ofrecen múltiples variantes para diferentes sistemas de curado de torres de arrastre, requisitos ambientales y propiedades de rendimiento óptico y mecánico, como especificaciones de flexión de fibra.

Propiedades clave de los recubrimientos de fibra óptica

Los parámetros importantes de los recubrimientos incluyen los siguientes:

• Módulo también se denomina "módulo de Young" o "módulo de elasticidad" o, a veces, simplemente "E". Esta es una medida de dureza, normalmente expresada en MPa. Para recubrimientos primarios, el módulo puede ser de un solo dígito. Para recubrimientos secundarios, puede ser superior a 700 MPa.
• Índice de refracción es la velocidad a la que la luz pasa a través del material, expresada como una relación con la velocidad de la luz en el vacío. El índice de refracción de los recubrimientos de fibra de telecomunicaciones ampliamente utilizados de los principales proveedores, como Covestro, oscila entre 1.47 y 1.55. Covestro y otras compañías también ofrecen recubrimientos de índice más bajo, que a menudo se usan con fibras especiales. El índice de refracción puede variar con la temperatura y la longitud de onda, por lo que los índices de recubrimiento generalmente se informan a una temperatura específica, como 23 °C.
• Rango de temperatura generalmente se extiende desde -20 ° C a + 130 ° C para muchos de los acrilatos curados con UV ampliamente utilizados con fibras de telecomunicaciones. Están disponibles rangos más altos para entornos hostiles. Los rangos que se extienden por encima de + 200 ° C están disponibles con otros materiales de revestimiento, como poliimida o metal.
• Viscosidad y velocidad de curado se refieren a las características del revestimiento cuando se aplica en la torre de extracción. Estas propiedades también dependen de la temperatura. Es importante que el ingeniero de dibujo controle los parámetros del revestimiento, lo que incluye el control de la temperatura del revestimiento.
• Adhesión y resistencia a la delaminación. son características importantes para asegurar que el revestimiento primario no se separe del revestimiento de vidrio y que el revestimiento secundario no se separe del revestimiento primario. Un procedimiento de prueba estandarizado, TIA FOTP-178 “Medición de la fuerza de la tira de revestimiento” se utiliza para medir la resistencia a la delaminación.
• Stripabilidad es esencialmente lo opuesto a la resistencia a la delaminación: no es necesario quiere que el recubrimiento se desprenda mientras se usa la fibra, pero usted do Desea poder quitar tramos cortos para procedimientos como empalmes, montaje de conectores y fabricación de acopladores con fusibles. En estos casos, el técnico corta una longitud controlada con herramientas especiales.
• Rendimiento de microdoblado es un caso en el que el recubrimiento es fundamental para ayudar a la fibra de vidrio a mantener sus propiedades ópticas, específicamente su rendimiento de atenuación y polarización. Las microcurvaturas se diferencian de las macrocurvaturas, que son visibles a simple vista y tienen radios de curvatura medidos en milímetros. Las microcurvas tienen radios de curvatura del orden de cientos de micrómetros o menos. Estos dobleces pueden ocurrir durante las operaciones de fabricación, como el cableado, o cuando la fibra entra en contacto con una superficie con irregularidades microscópicas. Para minimizar los problemas de micro-flexión, los fabricantes de revestimientos han desarrollado sistemas que incorporan un revestimiento primario de módulo bajo y un revestimiento secundario de módulo alto. También hay pruebas estandarizadas para microcurvatura, como TIA FOTP-68 “Procedimiento de prueba de microcurvatura de fibra óptica” ”.
• Resistencia a la abrasión es fundamental para algunas aplicaciones de fibra especial, mientras que la mayoría de las fibras de comunicación obtienen protección adicional de los tubos de protección y otros elementos del cable. Los artículos técnicos describen diferentes pruebas de resistencia a la perforación y la abrasión. Para aplicaciones donde este es un parámetro crítico, los fabricantes de fibras o revestimientos pueden proporcionar detalles sobre los métodos de prueba.

Resistencia a la tracción

El parámetro de resistencia clave de la fibra es la resistencia a la tracción: su resistencia a romperse cuando se tira. El parámetro se expresa en pascales (MPa o GPa), libras por pulgada cuadrada (kpsi) o Newtons por metro cuadrado (N / m²). Toda la fibra se prueba para asegurar que cumple con una resistencia mínima a la tracción. Después de estirar y recubrir, la fibra pasa por una máquina de prueba que coloca una carga de tracción fija preestablecida sobre la fibra. La cantidad de carga está determinada por las especificaciones de la fibra o, especialmente en el caso de la mayoría de las fibras de comunicación, por los estándares internacionales.

Durante la prueba de prueba, la fibra puede romperse en un punto con un área débil, debido a algún defecto en el vidrio. En este caso, la fibra que pasó por el equipo de prueba antes de la rotura ha pasado la prueba de prueba. Tiene la mínima resistencia a la tracción. La fibra después de la rotura también se pasa a través de la máquina y se tamiza de la misma manera. Un problema es que tales roturas pueden afectar la longitud continua de fibra estirada. Esto puede ser un problema para algunas aplicaciones de fibras especiales, como los giroscopios con fibra que mantiene la polarización, donde los empalmes no son aceptables. Las roturas también pueden reducir el rendimiento del fabricante de fibra. Y un número excesivo de roturas puede indicar otros problemas en los procesos de preforma y estirado.².

¿Cómo afectan los recubrimientos a la resistencia a la tracción? Los recubrimientos típicos no pueden aumentar la resistencia de una fibra. Si un defecto es lo suficientemente grande como para causar una rotura durante la prueba de prueba, el revestimiento no puede evitar la rotura. Pero como se señaló anteriormente, el vidrio tiene defectos inevitables que son lo suficientemente pequeños como para permitir que la fibra pase la prueba de prueba. Aquí es donde los recubrimientos tienen un papel: ayudar a la fibra a mantener esta resistencia mínima durante su vida útil. Los recubrimientos hacen esto protegiendo defectos menores de factores extrínsecos y otros peligros, evitando que los defectos se vuelvan lo suficientemente grandes como para causar roturas de fibras.

Hay pruebas para caracterizar cómo una fibra revestida resistirá cambios en la carga de tracción. Los datos de dichas pruebas se pueden utilizar para modelar el rendimiento de por vida. Una prueba estandarizada es TIA-455 "FOTP-28 Medición de parámetros dinámicos de resistencia y fatiga de fibras ópticas por tensión". La descripción de la norma dice: "Este método prueba el comportamiento de fatiga de las fibras variando la tasa de deformación".

FOTP 28 y otras pruebas dinámicas de tracción son destructivas. Esto significa que los segmentos de fibra utilizados para las pruebas no se pueden utilizar para nada más. Por tanto, estas pruebas no se pueden utilizar para caracterizar la fibra de cada preforma. Más bien, estas pruebas se utilizan para recopilar datos para tipos de fibra específicos en entornos específicos. Los resultados de las pruebas se consideran aplicables para todas las fibras de un tipo específico, siempre que se utilicen los mismos materiales y procesos en su fabricación.

Un parámetro derivado de los datos de la prueba de resistencia dinámica a la tracción se denomina "parámetro de corrosión por tensión" o "n-valor." Se calcula a partir de las mediciones de la tensión aplicada y el tiempo hasta la falla. La n-valor se utiliza en el modelado para predecir cuánto tiempo tardará una fibra en fallar cuando está sometida a estrés en determinados entornos. La prueba se realiza en fibras recubiertas, por lo que los valores n variarán con diferentes recubrimientos. Los recubrimientos en sí no tienen n-valor, pero datos sobre n-Los proveedores de revestimientos pueden recopilar e informar los valores de las fibras con revestimientos específicos.

Características del revestimiento y fibras especiales.

¿Cuál es el parámetro más importante en la selección de materiales de revestimiento? La respuesta depende del tipo de fibra que esté fabricando y de su aplicación. Los fabricantes de fibra de telecomunicaciones utilizan un sistema de dos capas optimizado para un estiramiento de alta velocidad, alta resistencia y un rendimiento superior de microdoblado. Por otro lado, las fibras de telecomunicaciones no requieren un índice de refracción bajo.

Para las fibras especiales, las especificaciones del recubrimiento varían mucho según el tipo de fibra y la aplicación. En algunos casos, la resistencia y el rendimiento mecánico: módulo alto y alto n-valor - son más importantes que el índice de refracción. Para otras fibras especiales, el índice de refracción puede ser más importante. A continuación se muestran algunos comentarios sobre las consideraciones de recubrimiento para ejemplos seleccionados de fibras especiales.

Fibra dopada con tierras raras para láseres de fibra
En algunos láseres de fibra, el revestimiento primario sirve como revestimiento secundario. El objetivo es maximizar la cantidad de potencia de bombeo óptica acoplada a la fibra. Para los láseres de fibra, la potencia de bombeo lanzada al revestimiento ayuda a estimular la región de ganancia en el núcleo dopado de la fibra. El recubrimiento de bajo índice le da a la fibra una mayor apertura numérica (NA), lo que significa que la fibra puede aceptar más potencia de bombeo. Estas fibras de "doble revestimiento" (DCF) a menudo tienen un revestimiento de vidrio hexagonal u octagonal, luego un revestimiento secundario de polímero redondo de bajo índice. El revestimiento de vidrio se moldea puliendo los lados planos sobre la preforma, y ​​luego se aplica el revestimiento de bajo índice / revestimiento secundario en la torre de extracción. Debido a que se trata de un revestimiento de índice bajo, también es necesario un revestimiento exterior más duro. El revestimiento exterior de alto índice ayuda a la fibra a cumplir con los requisitos de resistencia y flexión.

Fibras para suministro de energía
Además de las fibras dopadas con tierras raras para láseres, existen otras fibras especiales en las que un recubrimiento de índice bajo puede servir como capa de revestimiento y mejorar el rendimiento óptico. Algunos sistemas láser médicos e industriales, por ejemplo, utilizan una fibra de núcleo grande para entregar la potencia del láser, por ejemplo, para procedimientos quirúrgicos o procesamiento de materiales. Al igual que con los láseres de fibra dopados, el recubrimiento de índice bajo sirve para aumentar el NA de la fibra, lo que permite que la fibra acepte más potencia. Tenga en cuenta que los sistemas de suministro de fibra se pueden utilizar con muchos tipos de láseres, no solo láseres de fibra dopados.

Fibras que mantienen la polarización. Las fibras PM representan una clase con varios diseños de fibra para múltiples aplicaciones. Algunas fibras de PM, por ejemplo, tienen dopantes de tierras raras para láseres de fibra. Estos casos pueden utilizar el revestimiento de bajo índice como revestimiento secundario, como se describe anteriormente. Otras fibras de PM están diseñadas para enrollarse en bobinas ajustadas para giroscopios, hidrófonos y otros sensores. En estos casos, es posible que los recubrimientos deban cumplir con requisitos ambientales, como rangos de temperatura bajos, así como con los requisitos de resistencia y micro flexión asociados con el proceso de bobinado.

Para algunos sensores interferométricos, como los giroscopios, un objetivo es minimizar la diafonía, es decir, minimizar la cantidad de potencia acoplada de un modo de polarización a otro. En una bobina enrollada, un recubrimiento suave ayuda a evitar problemas de diafonía y microcurvatura, por lo que se especifica un recubrimiento primario de módulo bajo. Se especifica un recubrimiento secundario más duro para abordar los riesgos mecánicos asociados con el enrollado de las fibras. Para algunos sensores, las fibras deben envolverse firmemente bajo alta tensión, por lo que los requisitos de resistencia pueden ser críticos en el recubrimiento secundario.

En otro caso de fibra de PM, algunos giroscopios requieren fibras de diámetro pequeño para que se pueda enrollar más fibra en un "disco" compacto, una carcasa cilíndrica. En este caso, los fabricantes de giroscopios han especificado fibra con un diámetro exterior (revestimiento) de 80 µm y un diámetro revestido de 110 µm. Para lograr esto, se usa un solo recubrimiento, es decir, solo una capa. Por lo tanto, este recubrimiento debe equilibrar la suavidad requerida para minimizar la diafonía con la dureza necesaria para la protección.

Otras consideraciones para las fibras de PM son que las bobinas de fibra a menudo están empaquetadas con epoxis u otros materiales en un paquete sellado. Esto puede imponer requisitos adicionales a los recubrimientos en términos de rango de temperatura y estabilidad en contacto con otros productos químicos.

Conclusión

La idea de un único revestimiento "perfecto" para cualquier tipo específico de fibra es poco probable, si no imposible. En la práctica, las composiciones de revestimiento representan compromisos entre varios parámetros, incluidos el índice de refracción, el módulo, el rendimiento de la temperatura y los requisitos de la torre de tracción. Para abordar la combinación de requisitos, los fabricantes de recubrimientos tienen programas de I+D en curso para mejorar el rendimiento de sus resinas y lograr un mejor equilibrio de múltiples parámetros.

Un impulso importante de la I + D de resinas de recubrimiento en los últimos años ha sido la velocidad de curado, especialmente para las fibras de telecomunicaciones de alta velocidad. El desarrollo de LED UV en lugar de lámparas UV de microondas para el curado ha estimulado el trabajo en resinas optimizadas para las longitudes de onda del LED. Este desarrollo ofrece a los fabricantes de fibra beneficios prometedores en términos de control de temperatura y ahorro de energía. Otras áreas de I + D incluyen recubrimientos para nuevos tipos de sensores y recubrimientos para fibras utilizadas en entornos más duros.

Los consultores de fibra de FOC tienen una amplia experiencia en ayudar a los fabricantes de fibra a abordar problemas en la especificación y aplicación de recubrimientos. Junto a este artículo, el sitio web de FOC tiene una lista de las resinas de recubrimiento que ofrecemos, que se muestran en una tabla con su viscosidad, índice de refracción y una breve descripción: MATRIZ DE RECUBRIMIENTO ÓPTICO EPOXI FOC. Todos son de la gama de productos de revestimiento de Covestro. Las versiones que se muestran incluyen ofertas de Covestro para recubrimientos primarios y secundarios, así como resinas para recubrimientos individuales, recubrimientos de fibras especiales y aplicaciones de recubrimiento.