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Mario Goduco

Este artículo continúa la serie de FOC sobre fibras ópticas especiales. Un artículo publicado en enero de 2021, Fabricación de preformas de fibra dopadas, discutió los problemas encontrados en la fabricación de preformas para fibras especiales. El artículo siguiente se centra en la segunda parte del proceso de fabricación de fibra óptica: estirar la preforma para fabricar fibra con el diámetro exterior especificado. Al igual que con el procesamiento de preformas, las fibras especiales presentan al fabricante de fibras muchos requisitos que no se encuentran al dibujar fibras de comunicación estándar.

Objetivos del proceso de estirado de fibras

El proceso de estirado toma una preforma de fibra especial que puede medir un metro de longitud y la estira en cientos de metros o incluso en varios kilómetros de fibra. La preforma está diseñada y fabricada con dopantes y otros elementos cuidadosamente colocados para que la fibra estirada tenga el índice correcto de refracción, características químicas, mecánicas y geométricas. Luego, el proceso de estirado debe seguir procedimientos rigurosos y de alta precisión para que la fibra terminada y revestida tenga las propiedades deseadas que se “hornearon” en la preforma. En concreto, el proceso de sorteo tiene los siguientes objetivos:

  • obteniendo fibra de alta resistencia; por ejemplo, cumplir con la especificación de resistencia a la tracción;
  • lograr especificaciones geométricas: diámetro exterior de la fibra y, para algunas fibras especiales, la forma;
  • aplicar y curar el recubrimiento de la fibra con la adherencia, el grosor y la concentricidad adecuados; y propiedades mecánicas;

Si piensa en la torre de estirado como un sistema para convertir la preforma en fibra estirada, entonces es importante tener en cuenta que tiene varios subsistemas necesarios para lograr los objetivos anteriores. Los subsistemas clave incluyen el módulo de alimentación de preformas, la fuente de calor, el cabrestante en la parte inferior y el aparato de recubrimiento. Estos sistemas trabajan juntos para lograr el equilibrio correcto de temperatura, lo que afecta la viscosidad del vidrio y genera "tensión". Otros subsistemas son fundamentales para evitar la vibración y garantizar que la fibra desnuda no esté expuesta al polvo, la humedad y otros contaminantes.

Una máquina de varios pisos con alineación de precisión

La fibra se dibuja verticalmente, con la preforma en la parte superior de la torre y las bobinas de enrollado en la parte inferior. Una torre de varios pisos permite que la fibra se enfríe antes de aplicar el recubrimiento. Una torre más alta permite velocidades de extracción más rápidas. En las fábricas de fibras especiales, las alturas de las torres de estirado suelen oscilar entre 7 y 14 metros. Los fabricantes de fibra de telecomunicaciones apuntan a alcanzar velocidades más altas para lograr una producción a granel. Suelen utilizar torres de tiro con alturas superiores a los 30 o 40 metros.

Los fabricantes de torres de dibujo, como Special Gas Controls, construyen torres de dibujo con secciones prefabricadas, lo que permite personalizar las alturas para instalaciones específicas. Las secciones están mecanizadas para que la torre quede perfectamente recta. Luego, la torre se ensambla con sistemas de alineación por láser. Además, la rigidez es fundamental, y esto a su vez significa que la torre de extracción debe estar aislada de las vibraciones, aislada del edificio y del suelo debajo. Esto requiere una base especial y pies especiales en la torre de extracción.

Este requisito estructural significa que la fabricación y el dibujo de la preforma se realizan en diferentes salas o en diferentes edificios. Pero antes de transportar la preforma a la torre y comenzar el procedimiento de extracción, existen procedimientos preparatorios obligatorios: limpieza y pulido al fuego de la preforma. Después de esos pasos, la preforma se lleva a la parte superior de la torre para comenzar el sorteo.

Dibuje los subsistemas de la torre de arriba a abajo

Una lista de los equipos de la torre de extracción puede variar según el tipo de fibra que se fabrica. Los fabricantes de fibra de telecomunicaciones, por ejemplo, pueden tener envolventes o tubos para trabajar con gases refrigerantes para acelerar la velocidad de extracción. El sistema de prueba se puede realizar en la parte inferior de la torre de extracción o "fuera de línea" en otra ubicación.

La siguiente tabla enumera los principales tipos de equipos que suelen utilizar los fabricantes de fibras especiales. El equipo se enumera de arriba a abajo en la torre de extracción. Además, existen diferentes proveedores y muchas opciones para algunas unidades de equipo. Los ejemplos incluyen la elección de horno (fuente de calor), instrumentos de medición con diferentes rangos y opciones para curar lámparas y hornos en los sistemas de recubrimiento.

Equipos / subsistemas de torre de fibra cruda especiales

  • Módulo de alimentación de preformas
  • Horno
  • Montaje del tractor de arranque
  • Sistema de suministro de gas (para argón)
  • Filtros HEPA
  • Medición del diámetro de la fibra
  • Sistema de revestimiento de fibra
  • Hornos de curado térmico y UV
  • Medición del diámetro del revestimiento
  • Control de centrado de fibra
  • Control de concentricidad del revestimiento de fibra
  • Medición de la tensión de la fibra
  • Cabrestante / extractor de fibra
  • Bobinadora de fibra / cambiador de tambor
  • Probador / rebobinador a prueba de fibra
Procedimientos para estirar fibras especiales

Fiber Optic Center trabaja directamente con SG Controls y su gama completa de herramientas para la fabricación de fibra óptica para el proceso de estirado. Tanto Larry como Rick pueden ser contactados en FiberOpticCenter@focenter.com para consulta sobre el proceso y cualquiera de los equipos enumerados anteriormente.

Módulo de alimentación de preformas. La preforma se introduce en el horno con un control cuidadoso de la velocidad y el posicionamiento. El equipo incluye un motor con accionamiento por tornillo, un mandril para sujetar la preforma y sistemas de posicionamiento xy para centrarla sobre el horno. La velocidad a la que la preforma se alimenta hacia abajo en el horno está determinada por la velocidad de estirado, el diámetro de la preforma y el diámetro de fibra especificado. Una vez que ha comenzado el estirado, la velocidad de alimentación de la preforma generalmente no se ajusta. El diámetro de la fibra se ajusta con la velocidad de extracción. La tensión de extracción está controlada por la temperatura del horno. Esta tensión es una variable clave para monitorear y controlar durante el sorteo. El objetivo es mantenerlo constante. Hay un tensiómetro en la base de la torre, justo encima del cabrestante.

Horno. La preforma desciende a un agujero en la parte superior de un horno, que es cilíndrico con un eje vertical. La cara inferior tiene un orificio por el que sale la fibra de pequeño diámetro. Ambos orificios tienen iris para cambiar el diámetro, lo que permite al operador controlar el flujo de gas en el horno. El horno utiliza un elemento eléctrico de alto voltaje, generalmente una unidad de resistencia de grafito. En el pasado, se han utilizado hornos de inducción de zirconia, pero la mayoría de los fabricantes de fibras especiales utilizan ahora hornos de resistencia de grafito.

Para iniciar la extracción, la preforma se baja al horno. La región de estiramiento se calienta por encima de los 1,900 ° C, donde el vidrio se ablanda y se alarga con un goteo en forma de lágrima que tira de la fibra hacia abajo. La fibra pasa a través de una región de cuello hacia abajo en el horno y sale por el orificio inferior.

Montaje del tractor de arranque. Debajo del horno, se corta el goteo y la fibra pasa a través de un conjunto de tractor de dos ruedas que tira de la fibra hacia abajo, continuando la reducción de diámetro. Cuando el diámetro ha alcanzado la especificación correcta, la fibra se alimenta a través del sistema de revestimiento y baja por la torre hasta la parte inferior, donde se acopla el cabrestante. El cabrestante se hace cargo del sorteo y se retira el tractor debajo del horno. Después de eso, el cabrestante en la parte inferior controla la velocidad del sorteo en un circuito de retroalimentación con el calibre de diámetro. (Tenga en cuenta que algunos procesos de extracción se inician sin usar un tractor, dependiendo del procesamiento manual y la habilidad del operador).

Suministro de gas para el horno.
El horno funciona a temperaturas cercanas a los 2,000 ° C, pero el grafito puede oxidarse y, en algunos casos, quemarse a temperaturas superiores a 600 a 800 ° C. Para evitar esto, se hace fluir argón, un gas inerte, a través del horno. La degradación del elemento de grafito podría crear una fuente de contaminación para la fibra desnuda y también afectar la vida útil del horno.

El flujo de argón controlado también ayuda a prevenir las turbulencias, que podrían ser causadas por el flujo de aire alrededor del elemento de alta temperatura. Como se señaló anteriormente, se deben evitar incluso las vibraciones más pequeñas, por lo que se deben minimizar las turbulencias de aire en el horno. El argón pasa a través del horno y los iris ayudan a controlar el flujo. Hay varios "trucos del oficio" para monitorear y mantener el caudal correcto de gas argón.

Filtración de aire. Con las velocidades de estirado más lentas que se usan para las fibras especiales, la fibra sin recubrimiento generalmente pasa a través del aire para enfriarla antes del recubrimiento. Las fábricas de fibra de telecomunicaciones más grandes tienen secciones cerradas de la torre de extracción para usar con gases de enfriamiento. Algunas operaciones también cuentan con torres de tiro en salas blancas. La mayoría de los fabricantes de fibras especiales, sin embargo, utilizan aire ambiente limpio: se limpian con filtros HEPA montados detrás de la preforma y el horno y en parte hacia abajo de la torre.

Medición del diámetro de la fibra. Los diámetros de fibras especiales pueden variar desde menos de 50 µm hasta más de 1,000 µm (1 mm). Los tamaños más utilizados incluyen 80, 125 y 400 µm. El diámetro está determinado por la velocidad de extracción.

Pequeños cambios en la temperatura del horno o de la preforma, el flujo de gas inerte u otras condiciones de extracción pueden causar pequeñas fluctuaciones en el diámetro de la fibra. Para evitar esto, la torre cuenta con un sistema de medición de diámetro que funciona de forma continua. Los datos de medición se introducen en un bucle de control de diámetro que puede ajustar la velocidad de tracción del cabrestante. En algunos casos, puede haber un circuito de control secundario para ajustar la alimentación de la preforma. Estos lazos de control utilizan las medidas de diámetro para realizar ajustes rápidos.

Varias empresas ofrecen calibradores de diámetro para torres de tracción de fibra que utilizan láseres para realizar mediciones precisas, logrando una precisión del orden de cientos de micrómetros. Algunas de estas empresas también suministran instrumentos para medir el espesor del revestimiento, la concentricidad e incluso las burbujas de aire. Los sistemas de medición también proporcionan un registro de los datos de diámetro.

Sistema de recubrimiento. Los recubrimientos de fibra son fundamentales para proteger las fibras de vidrio, mantener las características mecánicas de las fibras y, para algunas fibras especiales, contribuir al rendimiento óptico. Algunas fibras dopadas con tierras raras, por ejemplo, tienen revestimientos de polímero de bajo índice que sirven como segundos revestimientos para ayudar a guiar los modos de las fuentes ópticas de "bomba".

La mayoría de los recubrimientos tienen dos capas: una capa interna más suave que se adhiere al vidrio y una capa externa más dura. Esto significa que el sistema de recubrimiento debe aplicar y curar dos resinas separadas. Después de la medición del diámetro, la fibra pasa al primer troquel o "copa" del sistema de recubrimiento, que aplica el recubrimiento primario (la capa interna). Algunos recubrimientos secundarios, llamados "húmedo sobre húmedo", se pueden aplicar antes de que se cure el recubrimiento primario. En los sistemas de recubrimiento "húmedo sobre seco", el recubrimiento primario pasa a través de un sistema de curado térmico o UV antes de ingresar a la matriz de recubrimiento secundario. En tales casos, existe otro sistema UV o térmico para curar el recubrimiento secundario.

Medida de concentricidad. La fibra revestida debe someterse a medidas geométricas: diámetro exterior y concentricidad del revestimiento. Las mediciones de diámetro de fibra recubierta también utilizan instrumentos basados ​​en láser y pueden incorporar un circuito de retroalimentación para ajustes. Las fuerzas de flujo de líquido del material de recubrimiento dentro de la matriz ayudan a mantener la fibra centrada en la matriz. Si el monitor de concentricidad muestra un problema, puede que sea necesario detener el sorteo y comenzar de nuevo. La concentricidad del recubrimiento de fibra es importante para evitar la pérdida por micro flexión, que puede causar problemas de atenuación. Para algunas fibras especiales con revestimientos de vidrio con forma, también es importante asegurarse de que el revestimiento cubra todo el vidrio correctamente.

Cabrestante y coger carretes. El cabrestante en la parte inferior de la preforma es la fuente de velocidad de estirado, tirando de la fibra hacia abajo desde el extremo de la preforma. Además, hay un segundo sistema para enrollar la fibra en las bobinas de almacenamiento con la tensión adecuada. Ambos sistemas tienen controles de precisión, para asegurar la velocidad correcta de estirado y la tensión correcta para enrollar la fibra en los carretes de recogida.

Probador y rebobinador de pruebas. La resistencia a la tracción es una especificación crítica para la fibra terminada. Esta medición también es importante en la fábrica de fibras porque las fallas de resistencia a la tracción pueden servir como indicadores de problemas que deben abordarse en los procesos de preforma y estirado. Los probadores de pruebas generalmente incorporan un carrete de pago, dos cabrestantes que se pueden controlar para pruebas de tensión continua y un carrete de recogida. Los problemas con la resistencia a la tracción son el resultado de defectos en la superficie del vidrio, y el objetivo de las pruebas de prueba es "eliminar" los grandes defectos.

El probador de pruebas puede ubicarse junto al cabrestante principal de la torre de extracción, o puede estar en una habitación separada. Algunos fabricantes de fibras especiales también tienen sistemas de rebobinado para dividir la salida de una preforma en varios carretes, para las longitudes especificadas por los clientes de la fibra.

Otros equipos de torres de extracción. . Dado que el mundo de las fibras especiales tiene tantas variantes, algunos tipos requieren subsistemas adicionales para lograr o controlar características específicas. Es posible que las fibras polarizadas circularmente y algunos otros tipos deban hilarse o retorcerse durante el proceso de estirado. Estos procedimientos se pueden realizar con una rueda giratoria en el mandril de la preforma o un dispositivo giratorio o oscilante que se encuentra debajo. Dibujar fibras de cristal fotónico con espacios de aire, huecos y otras características puede requerir sistemas de presión y flujo de gas adicionales para controlar la presión y la humedad internas.

Optimización del proceso de dibujo

Con múltiples subsistemas en una torre, existen múltiples fuentes potenciales de fallas o problemas de rendimiento. En este caso, una "falla" puede ser no cumplir con cualquiera de las especificaciones de la fibra. O, para decirlo positivamente, todos los subsistemas deben funcionar perfectamente juntos para obtener el máximo rendimiento de una preforma.

Como complicación en este objetivo, observamos que los diversos tipos de fibras especiales tienen diferentes preformas, que requieren diferentes configuraciones y ajustes en la torre. No hay dos preformas que sean perfectamente idénticas, y cada procedimiento de estirado debe comenzar volviendo a verificar la alineación y los ajustes de diámetro, ajustando la velocidad de estirado, la temperatura y la tensión. Si no es posible mantener el diámetro con la tensión de enrollado, entonces también se debe ajustar la alimentación descendente de la preforma.

Otras complicaciones incluyen el mantenimiento y la calibración de los instrumentos de medición. El control cuidadoso del flujo de gas es otro procedimiento complicado, uno que se necesita para evitar que los contaminantes entren en la fibra. La experiencia del operador puede ser fundamental para abordar todas estas complicaciones y lograr la resistencia a la tracción, los objetivos geométricos y el rendimiento del recubrimiento especificados. Para preguntas más detalladas sobre cualquier equipo o procedimiento de torres de extracción, comuníquese con el equipo de consultoría técnica de FOC en FiberOpticCenter@focenter.com .

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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