En el último post de nuestro blog hablamos del vidrio, el material con el que se fabrican gran parte de las fibras ópticas. En particular, las fibras de vidrio suelen estar hechas de sílice (dióxido de silicio, SiO2), aunque también se pueden emplear otros vidrios, como el vidrio de fosfatos o el vidrio fluorado. En este post nos vamos a centrar en cómo se fabrican las fibras ópticas.
Existen dos pasos principales en el proceso de fabricación de fibras ópticas: la producción de preformas y el proceso de estirado. La preforma es una varilla de vidrio sólida que ya tiene un núcleo y un cladding (cubierta), pero sus dimensiones son mucho mayores que en la fibra final. En el proceso de estirado, la preforma es calentada y estirada utilizando una cinta tractora, obteniendo así la fibra óptica.
El proceso de fabricación de preformas suele basarse en la reacción química de los gases SiCl4 (tetracloruro de silicio) y GeCl4 (tetracloruro de germanio) con O2 (oxígeno) para producir SiO2 (sílice) y GeO2 (dióxido de germanio), liberando también Cl2 (cloro). El ratio de los gases puede modificarse en función de la composición final deseada. Generalmente el cladding está hecho de sílice pura mientras que el núcleo tiene un índice de refracción más alto debido a la presencia de GeO2. También debe tenerse en cuenta que las fibras multimodo suelen tener un mayor contenido en GeO2 que las fibras monomodo.
En este momento, existen tres técnicas principales para producir la preforma: 1) deposición química de vapor modificada (modified chemical vapor deposition, MCVD), 2) deposición exterior de vapor (outside vapor deposition, OVD) y 3) deposición axial de vapor (outside vapor deposition, VAD). Aunque existen diferencias entre estas tres técnicas, hay que considerar que todas ellas incluyen «deposición de vapor» en sus nombres. Esto quiere decir que son procesos que involucran la deposición de materiales en estado de vapor sobre un sustrato.
En el caso de la técnica MCVD, los gases (SiCl4, GeCl4) fluyen a través de un tubo giratorio de sílice pura (que será el cladding de la fibra), mientras se aplica calor al tubo mediante un quemador, ver Figura 1. El calor y el oxígeno hace que los gases reaccionen, lo que da lugar a la formación de partículas sólidas de tamaño inferior a una micra, denominadas “hollín” (“soot” en inglés), que se depositan en la pared interna del tubo. Luego, el calor transforma este “hollín” en vidrio (SiO2, GeO2), comenzando a formar el núcleo de la fibra óptica.
Este proceso se repite durante horas para crear las sucesivas capas del núcleo. Los parámetros se pueden variar a lo largo del proceso para obtener fibras con diferente composición y propiedades. Una vez que se han fabricado suficientes capas del núcleo, se aumenta la temperatura para que el tubo colapse, obteniéndose de este modo la preforma.
Con respecto a la técnica OVD, la configuración es muy similar a la de la técnica MCVD, pero en este caso, comenzamos con una varilla inerte giratoria en lugar de un tubo de sílice, como se ve en la Figura 2. De nuevo, los gases fluyen a lo largo de la varilla y se aplica calor con un quemador. En este caso, se formarán sucesivas capas en el exterior de la varilla, primero correspondientes al núcleo, y luego al cladding. Una vez que se han depositado suficientes capas, se retira la varilla y se aplica calor para que el tubo colapse en la preforma.
Finalmente, en el caso de la técnica VAD, también se emplea una varilla inerte giratoria, como en OVD, pero aquí se coloca verticalmente. La preforma se fabrica sobre una de las puntas de la varilla, como se ve en la Figura 3, que se desplaza hacia arriba durante el proceso. Se emplean dos quemadores, el situado en la parte inferior permite la deposición del vidrio del núcleo, mientras que el situado en la parte superior posibilita la deposición del vidrio del cladding.
Como se ha comentado previamente, una vez fabricada la preforma se procede al estirado de la fibra. La velocidad de este proceso depende de la preforma, el tipo de fibra y el equipo disponible, y puede variar entre unos pocos metros por minuto hasta más de 1 kilómetro por minuto. Durante el proceso de estirado se controla con gran precisión el diámetro de la fibra. Luego, se agrega a la fibra una cubierta protectora hecha de dos capas (una capa interior más blanda y una exterior más dura).
Finalmente, se realizan diferentes pruebas para comprobar que todo está correcto, incluyendo propiedades ópticas (atenuación, ancho de banda, apertura numérica,…), mecánicas (resistencia a la tracción) o ambientales (dependencia de la temperatura, envejecimiento).
En conclusión, en este post hemos revisado el proceso de fabricación de una fibra óptica, que incluye la producción de la preforma, el estirado de la fibra y las pruebas finales. Existen varias técnicas para fabricar la preforma: deposición química de vapor modificada (MCVD), deposición de vapor exterior (OVD) y deposición axial de vapor (VAD), que tienen varios puntos en común, ya que son todos procesos de deposición de vapor.
Escrito por J.J. Imas
Bibliografía
[1] Making Optical Fiber. The Fiber Optic Association (FOA) – Tech Topics