Montaje de Fibra Óptica

La fibra óptica es la columna vertebral de la economía digital actual. Las transacciones financieras globales, el acceso a Internet de alta velocidad, las compras en línea, los videojuegos y otras cosas que la mayoría de la gente da por sentadas son posibles gracias a las delgadas hebras de vidrio que transmiten cantidades masivas de datos cada segundo.

Si bien la tecnología ha revolucionado las telecomunicaciones, la fibra óptica también se está volviendo más importante en industrias como la aeroespacial, los dispositivos médicos y el petróleo y el gas. Y, a medida que los ingenieros automotrices aborden problemas relacionados con la autonomía y el aligeramiento, se espera que la demanda de fibra óptica crezca durante la próxima década.

A pesar de esa creciente popularidad, el proceso de corte, pelado y ensamblaje de componentes de fibra óptica sigue siendo un desafío. Los ingenieros deben abordar cuestiones como la alineación y el posicionamiento, la claridad, la preparación de la fibra y la desgasificación.

Las fibras ópticas son cables flexibles y transparentes hechos de vidrio, plástico y sílice de alta calidad que funcionan según el principio de reflexión interna total de la luz. Mientras que las fibras ópticas monomodo y multimodo tienen un núcleo de vidrio, los cables de fibra óptica de plástico tienen un núcleo de polímero.

La luz se emite a través de hebras delgadas como un cabello que se asemejan a una línea de pesca de monofilamento.

Se necesita una amplia variedad de componentes optoelectrónicos y dispositivos fotónicos para generar, transmitir, modular, guiar, amplificar, conmutar y detectar la luz. Estos diminutos dispositivos se ensamblan en un paquete o módulo que acopla la luz dentro y fuera del cable de fibra óptica.

Las fibras ópticas pueden transmitir datos a velocidades mucho más rápidas que el alambre de aluminio o cobre. Otros beneficios incluyen menor tamaño y peso. En comparación con el cobre, por ejemplo, la fibra óptica produce un ahorro de espacio promedio del 25 por ciento y un ahorro de peso del 50 por ciento. Las fibras ópticas también son inmunes al ruido eléctrico y pueden transmitir datos a distancias más largas que los cables o alambres de cobre.

Sin embargo, la fibra requiere un manejo delicado y una alineación precisa, y no se puede doblar en formas complejas como el cableado tradicional. La fibra óptica no es como el cable de cobre, que puede desalinearse y seguir transmitiendo electricidad. Debido a su pequeño tamaño, se requiere una precisión extrema y pequeños desplazamientos para alinear correctamente la fibra.

Según Grandview Research, el mercado global de fibra óptica totalizó $7 mil millones en 2018. Se prevé que crezca a una tasa del 5 % anual entre 2019 y 2025.

El hogar promedio conectado por fibra generó 86 gigabytes de datos por mes en 2017. Pero se espera que supere los 260 gigabytes por mes para 2022.

"La demanda de componentes de fibra óptica está aumentando debido a los crecientes requisitos de ancho de banda y al aumento de la demanda de la red", dice Adam Houston, gerente de productos de la unidad de negocios de soluciones ópticas de Molex LLC, un proveedor líder de conectores, adaptadores y accesorios para cables. "El ancho de banda se duplica cada cinco años.

"Hace diez años, de 10 a 40 gigabits por segundo era la gran conversación", explica Houston. "Ahora, nos estamos preparando para anchos de banda de 200 y 400 gigabits por segundo".

Para abordar ese problema, Molex está promocionando varios tipos nuevos de conectores basados ​​en casquillos de cerámica que permiten una mayor densidad de puertos. Por ejemplo, los conectores CS admiten transceptores QSFP-DD y OSFP de próxima generación con una densidad de puertos duplicada. Presentan un paso de casquillo reducido y una densidad casi un 50 % más alta que los conectores LC tradicionales.

"La densidad y las bajas pérdidas impulsan el mercado de conectores en la actualidad", dice Tom Schiltz, director de gestión de productos de Molex. "A medida que los componentes se hacen cada vez más pequeños, el empaque se convierte en un problema mayor. Existe un equilibrio entre la densidad, la facilidad de uso y el rendimiento".

"Piense en algo más pequeño, más denso, más rápido y más fácil", dice Robert Whitman, vicepresidente de desarrollo de mercado global para redes de operadores de Corning Inc., el proveedor líder mundial de fibra óptica. "Con los requisitos actuales de ancho de banda, los operadores de redes requieren diseños de cables más pequeños y densos para empaquetar más capacidad en espacios más pequeños. También valoran los diseños que son más fáciles y rápidos de instalar, reparar y mantener para que puedan minimizar los costos y maximizar la velocidad de comercialización".

Corning presentó recientemente un cable de densidad extrema llamado RocketRibbon. Ofrece hasta 3456 fibras en el mismo diámetro que los cables de tubo trenzado y central de 1728 fibras existentes.

"Además de la densidad de fibra mejorada, un diseño de cinta único hace que las fibras dentro del cable RocketRibbon sean fáciles de administrar, identificar y rastrear, lo que mejora significativamente los tiempos de instalación y reduce los costos continuos de mantenimiento", afirma Whitman.

Los centros de datos y la industria de las telecomunicaciones continúan siendo los principales mercados para la fibra óptica, ya que permite la transferencia de datos a alta velocidad en comunicaciones de corto y largo alcance. La creciente demanda de aplicaciones basadas en la nube, servicios de video a pedido y redes 5G impulsarán las futuras aplicaciones de fibra óptica.

Sin embargo, la demanda de fibra óptica está creciendo en otras industrias, como la aeroespacial, automotriz, médica y de petróleo y gas. Aunque tiene la reputación de ser costosa y delicada de manejar, los avances recientes han hecho que la tecnología de fibra óptica sea más robusta y fácil de procesar.

"Uno de los desafíos para lograr que los ingenieros de industrias fuera del sector de las telecomunicaciones adopten la fibra óptica es superar el temor de que sea una tecnología delicada, quebradiza, difícil de usar y difícil de terminar", dice Bill Weeks, tecnología corporativa. compañero de TE Connectivity. "Una percepción errónea común es que si toca la fibra, se romperá. Si bien ese podría haber sido el caso en la década de 1970, ciertamente no lo es hoy".

Debido al creciente interés en la cirugía mínimamente invasiva, muchos dispositivos médicos nuevos dependen de la fibra óptica. La tecnología se utiliza para conducción de luz e iluminación, empaquetamiento flexible y sistemas de suministro de láser, como equipos de endoscopia.

La fibra óptica también es popular en la industria del petróleo y el gas para aplicaciones de fondo de pozo, como la detección de presiones y temperaturas extremas.

Además, la industria de equipos de transporte es optimista con respecto a la tecnología de fibra óptica.

"Los ingenieros aeroespaciales están tratando de eliminar la complejidad tanto en aviones comerciales como militares", dice Weeks. “Quieren reemplazar kilómetros de cableado de cobre paralelo. Además de ahorrar peso, buscan productos que sean más fáciles de instalar y reparar, y que al mismo tiempo ofrezcan inmunidad a las interferencias electromagnéticas y velocidades más altas.

"Además de la comunicación y el entretenimiento a bordo, una aplicación creciente de la fibra óptica en la industria aeroespacial es la detección", explica Weeks. "Algunos fabricantes están considerando el uso de fibra óptica para monitorear cosas como el tren de aterrizaje, el fuselaje y la fatiga del ala, y la detección de sobrecalentamiento en estructuras aerodinámicas compuestas que contienen calentadores integrados para derretir nieve y hielo".

"El sector aeroespacial y de defensa también está experimentando una mayor necesidad de ancho de banda", añade Scott Flint, director de mercados aeroespaciales y de defensa de Corning. "La fusión de datos, el video en tiempo real de alta definición y los flujos de datos de imágenes multiespectrales e hiperespectrales son impulsores en todos los dominios: tierra, mar, aire y espacio.

"Además, se requieren soluciones SWAP-C (tamaño, peso y costo de energía) reducidos en estas plataformas", señala Flint. "Cuando se considera el peso y el factor de forma de varios cables de cobre frente a un solo cable de fibra óptica, este último permite una mayor resistencia en estas plataformas, debido a un menor consumo de combustible. También puede permitir el transporte de hardware o sensores adicionales. debido a que hay más espacio disponible".

En la industria automotriz, Weeks dice que los ingenieros se están quedando sin espacio para los arneses de cableado, especialmente con los nuevos vehículos autónomos que requieren numerosas cámaras, lidar, radar y otros dispositivos de detección. "En lugar de usar pares de cables de cobre dedicados, la fibra óptica tiene más sentido en automóviles y camiones", señala Weeks.

"Los ingenieros automotrices están investigando la fibra óptica para abordar los problemas de ancho de banda y aligeramiento", dice Tom Marrapode, director de desarrollo de tecnología avanzada de Molex. "También están ansiosos por reducir la congestión y la complejidad de los arneses de cableado tradicionales".

"Debido a los avances en las redes automotrices, las necesidades de ancho de banda dentro de un vehículo continúan creciendo", agrega Mark Bradley, director de redes ópticas industriales de Corning. "Si bien los enlaces dentro de los vehículos pueden ser cortos (menos de 15 metros), se espera que el consumo de ancho de banda crezca más allá de los 5 gigabytes por segundo en el próximo ciclo de diseño.

"Un factor clave de estas velocidades de datos es la distribución de video sin comprimir, que puede afectar los tiempos de respuesta de rendimiento de los nuevos sistemas de seguridad", explica Bradley. "Si bien los cables de cobre (par trenzado o coaxial) pueden ofrecer anchos de banda más altos, se deben considerar las ventajas y desventajas, como el tamaño del cable, el peso del cable y la inmunidad al ruido del cable. Las soluciones ópticas pueden brindar beneficios para aliviar estas limitaciones, al mismo tiempo que respaldan las crecientes necesidades de ancho de banda, tal como lo han hecho en los centros de datos".

El ensamblaje de componentes de fibra óptica es un desafío. La naturaleza flexible de la fibra la hace diferente al manejo de piezas rígidas como el aluminio o el alambre de cobre.

Antes de que las fibras puedan unirse a un conector o férula, deben estar preparadas. Este proceso generalmente incluye pelar el revestimiento protector y la cubierta exterior que rodea la fibra óptica; limpiar cualquier residuo que quede; escindir la fibra; y pulir el extremo de la fibra para lograr una superficie de calidad óptica.

El pelado de fibra generalmente se logra con herramientas manuales o equipos de mesa semiautomáticos. Los revestimientos protectores se eliminan con cuchillas o láser. Los sistemas de calefacción también se utilizan para ablandar los recubrimientos para que puedan eliminarse fácilmente.

"La gran diferencia entre la fibra óptica y el cable de cobre son los conectores de terminación", dice Weeks. "Es relativamente simple terminar un cable de cobre. Pero unir una o más fibras a un conector es un proceso más complicado".

"La calidad de los conectores de hoy en día es mucho mejor que en el pasado", agrega Pete Doyon, vicepresidente de gestión de productos de Schleuniger Inc. "Sin embargo, los conectores también son cada vez más pequeños, lo que dificulta la automatización. El tamaño más común de los conectores que que se utiliza con nuestro equipo es de 125 micras. En comparación, la fibra monomodo tiene un tamaño de núcleo de solo 9 micras. Sin embargo, una fibra multimodo tiene un tamaño de núcleo más grande.

"La demanda de nuestro equipo de procesamiento de fibra óptica ha sido constante y está creciendo", dice Doyon. "Nuestro producto más popular es la FiberStrip 7030, que es una máquina de sobremesa que pela la capa intermedia y el revestimiento hasta el cristal desnudo. Pela la fibra de forma semiautomática sin tocar la fibra de vidrio".

La máquina motorizada está diseñada para pelar fibras recubiertas y amortiguadas. La velocidad de pelado, el tiempo de calentamiento y la temperatura de calentamiento son ajustables.

"Nuestro equipo se usa principalmente para producir coletas y suéteres en masa", explica Doyon. "Un cable flexible es un hilo corto de cable que tiene un extremo unido a un conector; el otro extremo se empalma en otro cable. Las longitudes varían, pero los cables flexibles generalmente se fabrican en 3, 6, 9, 12 y 15 variantes de pie Los puentes tienen conectores conectados en ambos extremos.

"Ensamblar coletas y puentes por lo general no es una operación de alta velocidad; por lo general, se trata más de calidad", señala Doyon. "El proceso toma un promedio de 20 segundos o más".

Debido a que incluso una pequeña mota de polvo puede bloquear completamente la luz, la limpieza es importante. Si un hilo de fibra no se limpia correctamente, puede dar como resultado empalmes de fusión deficientes y uniones inadecuadas. La fibra generalmente se limpia con alcohol isopropílico o un limpiador ultrasónico.

"La preparación de la superficie juega un papel vital en el ensamblaje de fibra óptica", dice Venkat Nandivada, gerente de soporte técnico de Master Bond Inc., un proveedor líder de adhesivos para aplicaciones de ensamblaje de fibra óptica. "Las piezas deben estar limpias y secas antes de aplicar el adhesivo. Un producto puede ser realmente bueno en términos de sus propiedades ópticas y térmicas, pero si no tiene la preparación adecuada de la superficie, la fuerza de unión será limitada".

Con requisitos de ensamblaje de fibra óptica que van desde 10 micrones hasta niveles de submicrones, la alineación precisa es fundamental para lograr resultados precisos y consistentes. El principal problema al unir fibras es lograr que la cara de cada fibra esté alineada y cuadrada entre sí. La amplificación de las señales luminosas es muy importante.

La función principal del nanoposicionamiento en el ensamblaje fotónico es alinear los componentes de transmisión y recepción para minimizar la pérdida de luz en los acoplamientos ópticos. Los ensambladores deben alinear cuidadosamente el núcleo de la fibra.

Cualquier desalineación resultará en una pérdida de señal. Una desalineación de solo una décima parte de una micra dará como resultado una pérdida del 30 por ciento del acoplamiento de luz.

Factores como la curvatura de la punta de la fibra y la posición de agarre en un cable flexible de fibra agregan un grado adicional de variabilidad al proceso de alineación. La fibra óptica también tiene una capa exterior que consta de un revestimiento protector y un amortiguador que debe quitarse antes del procesamiento.

"La mayoría de nuestros clientes utilizan procesos de ensamblaje manual", dice Marrapode de Molex. "El proceso de ensamblaje implica la eliminación de la chaqueta y el amortiguador de fibra, la inserción de la fibra en la férula de cerámica con epoxi y luego el pulido de la cara del extremo".

"Los ingenieros generalmente confían en el epoxi para unir fibras ópticas a las férulas, porque necesitan una interfaz estable a lo largo de la temperatura y la vida útil", explica Marrapode. "Los adhesivos UV de curado rápido también se utilizan para algunas aplicaciones, principalmente en centros de datos que no tienen requisitos ambientales rigurosos o una vida útil más corta".

"Los adhesivos se utilizan normalmente para unir fibras ópticas individuales o haces de fibras a los componentes", dice Nandivada. "Las aplicaciones comunes incluyen unir fibras ópticas en conectores, encapsular haces de fibras y sellar fibras en férulas.

"Los adhesivos también se utilizan para ensamblar componentes de fibra óptica como amplificadores, filtros, aisladores, interruptores y transceptores", explica Nandivada. "El epoxi se usa con frecuencia para la mayoría de las aplicaciones de ensamblaje, pero las siliconas, los uretanos y los sistemas de curado UV son otras opciones.

"Ofrecemos una amplia variedad de epoxis, que van desde compuestos químicos que son más rígidos con un bajo coeficiente de expansión térmica hasta epoxis que son más flexibles y cuentan con una excelente resistencia a los ciclos térmicos", señala Nandivada. "EP30-2 es nuestro producto epoxi de dos partes más popular. Se utiliza para una amplia variedad de aplicaciones de montaje de fibra óptica.

"El curado UV es ideal para aplicaciones de producción de alto volumen que requieren rendimiento", señala Nandivada. "Un material de una parte que no requiere mezclarse ni medirse por lo general se presta mejor a la automatización. Estos adhesivos también se curan extremadamente rápido cuando se exponen adecuadamente a la luz ultravioleta.

"En algunas aplicaciones, sin embargo, las siliconas pueden ser mejores, porque ofrecen una tensión extremadamente baja y una buena resistencia a la temperatura", dice Nandivada.

Tradicionalmente, el manejo y ensamblaje automatizado de componentes de fibra óptica ha sido un desafío. La naturaleza flexible de la fibra óptica la hace más difícil que manipular piezas rígidas como el aluminio o el alambre de cobre.

"El ensamblaje de fibras ópticas agrupadas con conexiones de enchufe, que se utilizan en tecnología de la información y la comunicación, todavía es difícil de automatizar hoy en día", dice Marvin Berger, ingeniero del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Producción (IPT).

"En particular, las fibras de mantenimiento de polarización (PM) de próxima generación requieren una manipulación de alta precisión de la fibra en al menos 4 grados de libertad", explica Berger. “Las fibras con polarización fija deben alinearse con gran precisión en el conector, y su manipulación y unión también requieren la máxima precisión.

"Con arreglos de fibra monomodo, la disposición precisa de las fibras individuales es crucial", señala Berger. "Se montan hasta 32 fibras conductoras de luz en varias capas en un conector. Hoy en día, por lo general todavía se pegan de forma manual e individual en el conector, ya que la alineación correcta de cada fibra individual determina si el componente puede realizar la transmisión de datos deseada. "

Sin embargo, los ingenieros de Fraunhofer IPT y Aixemtec GmbH desarrollaron recientemente un método automatizado para manejar la compleja y costosa tarea de ensamblar arreglos de fibra PM.

"El sistema automatiza todos los pasos esenciales del proceso para fabricar los conectores, desde el almacenamiento y la alimentación de las fibras hasta la alineación rotatoria y traslacional, el pegado y el endurecimiento de las fibras individuales hasta el ensamblaje final de todo el sistema en una matriz de fibras lineales", dice Berger.

“Ya puede ensamblar conectores con hasta 16 conexiones de fibra de forma autónoma”, afirma Berger. "Con un mayor desarrollo, esperamos aumentar la cantidad de fibras procesadas y mejorar el manejo de las fibras no rígidas, acelerando así aún más todo el proceso de producción.

"El sistema de manipulación patentado es el primer sistema del mundo que cumple con los requisitos para un conjunto de matriz de fibra PM automatizado", señala Berger. "Y la plataforma de celda de ensamblaje flexible nos permite integrar fácilmente hardware adicional.

"Las rutinas basadas en la visión en combinación con el hardware desarrollado permiten la alineación de fibras individuales con una precisión de repetición inferior a 0,01 grados", dice Berger. "La colocación en sí se realiza con precisión de máquina (alrededor de 1 µm). Sin embargo, se ha tenido especial cuidado para optimizar la unión de la fibra en un elemento con ranura en V para arreglos de fibra.

"Las fibras individuales se pegan con un adhesivo especial curable por UV en una ranura en V", explica Berger. "Con un proceso de ensamblaje optimizado, las puntas de fibra se colocan una cerca de la otra después.

“Actualmente, la máquina debe ser alimentada por un operador para cada arreglo de fibra”, agrega Berger. "Pero estamos desarrollando diferentes pasos para automatizar completamente la configuración de la máquina para dejar a los humanos fuera de la cadena de procesos".