Repositorio Institucional de Documentos

Repositorio de Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es TRABAJO FIN DE GRADO ANÁLISIS DE PÉRDIDAS EN CONECTORES PARA FIBRAS DE PLÁSTICO. AUTOR: FRANK ALEJANDRO DOMÍNGUEZ CHAPMAN. DIRECTOR: MARÍA ÁNGELES LOSADA BINUÉ. GRADO EN INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS Y SERVICIOS DE TELECOMUNICACIÓN. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y COMUNICACIONES. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA. 2014 DEDICATORIA. A Papá y Mamá, por estar cada segundo en mi mente, por ser mis mejores consejeros, confidentes y amigos. Por qué día a día me han guiado a ser mejor, y ciegamente van de mi mano. Por qué allá donde estéis, mi corazón late por los dos, mi mente funciona por el amor que siempre me han dado y mis ojos siguen la luz de vuestros faros. Letras escritas dan fe, de agradecimiento, de amor, pero no bastan, os debo mi vida, os debo lo que soy y lo que seré, por todo ello, gracias con mi vida les doy. AGRADECIMIENTOS. Durante toda la carrera he pensado en el día que escriba la dedicatoria a mi trabajo de fin de carrera, y llegado este día aúno todo un mar de recuerdos sobre mis años pasado, los queridos, los amados, los golpes y las veces que me he levantado. Por detrás de todas estas letras aquí escritas no solo hay una hoja de papel y montón de tinta, hay tanto sudor, tanto trabajo, tantas lágrimas, tantas risas, tanta diversión, tantas horas y horas sentado delante de un ordenador que se me hacen imposible resumir. Pero nada, los que me conocéis y estáis leyendo estas letras sentirán que se les oprime el corazón o que la memoria alocada aún aloja algún recuerdo loco de Frank, ya sea un buen chiste que acabe con unas risas, o una anécdota curiosa, o incluso una canción tarareada con su baile acompañado, así soy, así me queréis y os quiero. Por todos aquellos que han estado a lo largo de mi vida a mi lado y que como yo, han soñado con verme aquí, mil gracias os quiero mucho, gracias por compartir mi sueño. Agradecer sería un buen comienzo pero aún quedaría fuera el amor, el cariño, los abrazos, las palmaditas en la espalda, los gritos de ánimo y los besos en la mejilla. Nunca podría estar aquí sin el apoyo de mis padres, lo más querido que puede tener ser humano sobre la tierra y para mí es más que orgullo decirme vuestro hijo. Por todo lo que habéis pasado para poder leer estas letras. Por todo el amor que incondicionalmente me habéis dado y porque estéis donde estéis, siempre ahí al ladito de mi corazón os llevo como un rosario, como mi religión, como mi fe. Sois mi faro en la vida, mi ejemplo y solo os puedo dar gracias porque estoy donde estoy gracias a vos Mamá y Papá. Tata, como te quiero mi niña, gracias por todas las broncas que hemos tenido, lo único que hicieron fue agrandar el amor que te profeso. Siempre velaré por ti, aunque sé que no te hace falta, ahí estaré siempre como tu guardián, noche y día, tú eres mi tata linda y no te cambio por nada en la vida. A la loca de mi esposa, que yo también estoy loco, pero de amor por ti. Pasos agrandados hemos dado juntos, y pasos aún más largos nos quedarán por dar, pero a tu lado no hay quiniela que parezca grande, ni problema que no tenga solución, igual el ser humano no es perfecto por definición, pero el amor que nos tenemos ha movido mares, tierras y hasta el mismo cielo. Por todo este amor y por lo feliz que somos juntos, muchas gracias por aparecer en mi vida. A mis suegros porque en parte son participes de esta historia, muchas gracias por todo el apoyo que me habéis dado, sin vosotros no hubiéramos podido llegar aquí. A mi hermano porque la vida nos permita volver a estar juntos alguna vez con pipo y mima. Que tu pecho no se sienta solo, aún lejos yo estoy ahí contigo, a pie de camino cada día porque la vida me ha dado un hermano más al que quiero con locura. Gracias por todos los consejos que siempre vinieron de tu cuna, sois y series por siempre mi familia. A María Ángeles y Javier, porque cada día habéis velado de mí como si fuera vuestro hijo más grande. Por todo el cariño y la atención que me han brindado. Por haberme acogido con tanto amor y buena fe, muchas gracias. Por enseñarme a trabajar cada día mejor, por alegrarse con cada victoria y sufrir cada revés, por estar simplemente ahí cuando se necesita y decir esas palabras que mis padres en la distancia no me pueden dedicar. Muchas gracias porque me han enseñado que a la meta se llega con 1% de talento y un 99% de trabajo, imponiendo el sacrificio, la fuerza de voluntad y los deseos de aprender haciendo algo nuevo. Gracias por todo el apoyo y la confianza que siempre me habéis dado. 1 ANÁLISIS DE LAS PÉRDIDAS DE LOS CONECTORES PARA FIBRAS DE PLÁSTICO. RESUMEN El objetivo de este trabajo es realizar un estudio experimental de las pérdidas introducidas por los conectores para fibra de plástico (Plastic Optical Fibre, POF) en función de los factores que tienen influencia sobre dichas pérdidas: tipo de fibra, tamaño y material del recubrimiento, herramientas de terminación, etc. Las fibras ópticas de plástico se caracterizan por tener mayor tamaño y apertura que las fibras de vidrio, por lo que captan más luz en condiciones que requieren una menor precisión, permitiendo su uso con dispositivos de bajo coste. Por otra parte, presentan una atenuación más alta y anchos de banda menores que las fibras de vidrio, por lo que su aplicación fundamental es como medio de transmisión en redes de corto alcance, como son las redes domésticas o las redes dentro de medios de transporte (automóviles, aviones, etc.). La topología de estas redes exige un gran número de conectores, por lo que es necesaria una caracterización exacta de sus pérdidas y de los factores que las determinan para poder realizar un diseño de red fiable. En este proyecto se han caracterizado conectores de tipo ST, para fibras de PMMA (polimetil-metacrilato) de 1 mm de diámetro total y de dos tipos: fibras de un solo núcleo (SC-POF) y fibras de múltiples núcleos (MC-POF). En primer lugar, se ha definido un procedimiento experimental para la obtención de las pérdidas del conector, el cual se ha aplicado utilizando distintas herramientas de terminación cuyo impacto es muy importante en la conectorización. De forma simultánea, se ha realizado un análisis de la facilidad de manejo, la fiabilidad y la durabilidad de dichas herramientas. Como conclusiones, además de obtener una estimación fiable de las pérdidas del conector en todas las condiciones testeadas, se ha determinado el procedimiento y la herramienta de terminación idóneos para cada tipo de fibra. Además, se ha buscado explicación a las diferentes pérdidas en conectores para fibras de uno y múltiples núcleos. Para ello, se han analizado los diferentes desalineamientos que afectan el proceso de conectorización y particularmente, el desalineamiento rotacional que afecta exclusivamente a la MC-POF y puede explicar las diferencias con la SC-POF. Con este fin se ha desarrollado un montaje experimental que permite el estudio del desalineamiento por rotación sobre el eje de las fibras y de los producidos por su separación en la dirección de dicho eje y de su transversal. Con este sistema se han medido las pérdidas por desalineamientos rotacional, transversal y longitudinal para fibras de múltiples núcleos, tanto por separado como en combinación y los resultados experimentales han sido comparados con las predicciones obtenidas con modelos matemáticos simples. Como conclusiones se muestra una evaluación del impacto de los diferentes desajustes en las pérdidas de inserción del conector y se propone que el desalineamiento rotacional puede ser la razón de las pérdidas más elevadas encontradas para conectores de fibras de múltiples núcleos en comparación con las de las fibras de un solo núcleo. ÍNDICE DE CONTENIDOS 3 ÍNDICE DE CONTENIDOS RESUMEN ....................................................................................................................................... 1 ÍNDICE DE CONTENIDOS ................................................................................................................ 3 ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS ...................................................................................................... 5 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 7 1.1 OBJETIVO DEL PROYECTO ........................................................................................ 7 1.2 FASES DEL PROYECTO .............................................................................................. 8 1.3 ESTRUCTURA DE LA MEMORIA ................................................................................. 9 CAPÍTULO 2. ANÁLISIS DE LAS PÉRDIDAS DE INSERCIÓN PARA EL CONECTOR ST ..................... 10 2.1 FIBRAS ANALIZADAS ............................................................................................. 10 2.2 HERRAMIENTAS DE TERMINACIÓN ........................................................................ 12 2.3 PROTOCOLO EXPERIMENTAL DE MEDIDA .............................................................. 14 2.4 PÉRDIDAS DE INSERCIÓN PARA LAS DISTINTAS FIBRAS ........................................ 15 2.5 VALORACIÓN DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE ................................................. 17 2.6 DIFERENCIAS ENTRE FIBRAS DE UNO Y MÚLTIPLES NÚCLEOS ............................. 19 CAPÍTULO 3. DESALINEAMIENTOS ENTRE FIBRAS DE MÚLTIPLES NÚCLEOS .............................. 20 3.1 MÉTODO EXPERIMENTAL PARA MEDIDAS DE DESALINEAMIENTOS...................... 20 3.1.1 SISTEMA EXPERIMENTAL ............................................................................... 21 3.1.2 PROTOCOLO DE MEDIDAS .............................................................................. 22 3.2 DESALINEAMIENTO ROTACIONAL ......................................................................... 22 3.3 INFLUENCIA DE LOS DESALINEAMIENTOS TRANSVERSAL Y LONGITUDINAL ........ 26 3.3.1 DESALINEAMIENTO LONGITUDINAL. ............................................................. 26 3.3.2 DESALINEAMIENTO TRANSVERSAL ............................................................... 27 3.3.3 COMBINACIÓN CON EL DESALINEAMIENTO ROTACIONAL ............................ 28 3.3.4 COMBINACIÓN DE DESALINEAMIENTOS LONGITUDINAL Y TRANSVERSAL ... 30 CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES ...................................................................................................... 31 4.1 APORTACIONES DEL PROYECTO............................................................................. 32 4.2 LÍNEAS DE CONTINUACIÓN DEL TRABAJO REALIZADO ......................................... 33 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS ................................................................................................... 34 ÍNDICE DE CONTENIDOS 4 ANEXOS ANEXO. A. LA FIBRA DE PLÁSTICO. PARÁMETROS DE INTERÉS EN COMUNICACIONES ............. 37 A.I MATERIALES USADOS EN FIBRA DE PLÁSTICO ...................................................... 38 A.II CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS ....................................................................... 39 A.III ATENUACIÓN ....................................................................................................... 41 A.IV DISPERSIÓN Y ANCHO DE BANDA ....................................................................... 43 ANEXO. B. HOJAS DE CARACTERÍSTICAS DE FIBRAS, HERRAMIENTAS Y DISPOSITIVOS ............ 45 B.I FIBRAS .................................................................................................................... 45 B.I.I FIBRA ESKA MITSUBISHI, GH-4001 ............................................................... 45 B.I.II FIBRA TORAY, PGU-FB1000. ....................................................................... 47 B.I.III FIBRA HFBR-RUS100Z. .............................................................................. 48 B.I.IV FIBRA ASHI KASEY, SMCK-1000. ............................................................... 49 B.II CONECTORES ........................................................................................................ 50 B.II. I CONECTOR ST .............................................................................................. 50 B.II. II CONECTOR VL ............................................................................................ 51 B.III DISPOSITIVOS ...................................................................................................... 52 B.III.I EQUIPO FOTEC ............................................................................................. 52 B.III.II CÁMARAS ................................................................................................... 53 B.III.III MEDIDOR DE POTENCIA THORLABS .......................................................... 54 ANEXO. C. SOFTWARE UTILIZADO .............................................................................................. 57 C.I PROGRAMA DE CONTROL DEL MEDIDOR THORLABS ............................................ 57 C.II SOFTWARE PARA CONTROL DE CÁMARA DINO-LITE ........................................... 59 C.III SOFTWARE DE ALINEACIÓN DE MOTORES .......................................................... 60 C.IV PROGRAMA DE CONTROL DE SISTEMA EXPERIMENTAL ..................................... 62 C.V PROGRAMAS DESARROLLADOS ............................................................................ 63 ANEXO. D. ARTÍCULOS PUBLICADOS .......................................................................................... 64 D.I ICTON 14 .............................................................................................................. 64 D.II URSI 14 ................................................................................................................ 69 ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS 5 ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS Figura. 1. Fibras de uno y múltiples núcleos de salto de índice .................................................. 10 Tabla. 1. Fibras casos de estudio, un núcleo y múltiples núcleos. .............................................. 11 Figura. 2. Conector ST para fibra de 1.2 mm y 2.2 mm .............................................................. 11 Figura. 3. Cortadora de fibra (Cortadora A) ................................................................................ 12 Figura. 4. Cortadora desechable (Cortadora B) ........................................................................... 12 Figura. 5. Cortadora profesional (Cortadora C) .......................................................................... 12 Figura. 6. Micro-ܵݐݎ݅݌்ெ peladora de precisión ........................................................................ 13 Figura. 7. Sistema de lijas y líquido de pulido. Proceso de pulido.............................................. 13 Figura. 8. Pérdidas por conectorización con y sin pulido. Media y desviación estándar ............ 15 Tabla. 2. Optimización de cortadora-fibra sin aplicar el proceso de pulido ................................ 16 Figura. 9. Histograma de las pérdidas sin pulido y con pulido ................................................... 16 Figura. 10. Histograma para cada cortadora sin aplicar el proceso de pulido ............................. 17 Figura. 11. Incremento de pérdidas entre un corte y el siguiente ................................................ 18 Figura. 12. Histograma de pérdidas después de aplicar el proceso de pulido ............................. 19 Figura. 13. Desalineamiento rotacional en fibras de múltiples núcleos ...................................... 21 Figura. 14. Sistema experimental para el cálculo de las pérdidas por desalineamientos ............ 21 Figura. 15. Tipos de desalineamientos posibles entre dos fibras ................................................ 22 Figura. 16. Desalineamiento rotacional. Fibras SMCK-1000 y EAA-MC ................................. 23 Figura. 17. Desalineamiento rotacional. Simulación .................................................................. 24 Figura. 18. Sección transversal de las fibras de plástico de varios núcleos ................................ 24 Figura. 19. Desalineamiento longitudinal. Fibras de múltiples núcleos...................................... 26 Figura. 20. Desalineamiento transversal. Fibras de múltiples núcleos........................................ 28 Figura. 21. Combinación de desalineamiento longitudinal y rotacional ..................................... 29 Figura. 22. Combinación de desalineamiento transversal y rotacional ....................................... 29 Figura. 23. Combinación de desalineamientos longitudinal y transversal .................................. 30 Figura. I. Ilustración de la sección transversal de la fibra de plástico. ....................................... 37 Figura. II. Estructura molecular del PMMA. ............................................................................. 38 Tabla. I. Materiales de fabricación de recubrimientos ................................................................ 39 Figura. III. Propagación de las ondas en el interior de la fibra óptica. ....................................... 39 Figura. IV. Comparación de NA y diámetro de distintas fibras ópticas. .................................... 40 Figura. V. Fibra de plástico de múltiples núcleos (19). ............................................................. 40 Figura. VI. Fibra de plástico de múltiples núcleos SI (Salto de índice). .................................... 41 Figura. VII. Fibra de plástico de múltiples núcleos DSI (Doble salto de índice). ...................... 41 Figura. VIII. Curvas de atenuación de SI-POF .......................................................................... 41 C APÍTULO 2. A NÁLISIS DE LAS PÉRDIDAS DE INSERCIÓN PARA EL C ONECTOR ST 12 2.2 HERRAMIENTAS DE TERMINACIÓN. Como se ha mencionado antes y se demostró en un estudio previo [9], las pérdidas del conector dependen fundamentalmente de la calidad de la terminación de las fibras que se conectorizan y por tanto, es fundamental caracterizar las herramientas que vamos a utilizar. Además, teniendo en cuenta que las fibras son de distintos fabricantes y que sus recubrimientos, aunque en principio están fabricados a base de polietileno, pueden presentar variaciones de este mismo material con distintas características, habrá que determinar el método de terminación más adecuado para cada fibra. En esta sección, se describe el método de terminación para fibras de plástico y se presentan las herramientas necesarias para realizarlo. El método de terminación en general para fibras de plástico consiste en cortar la fibra antes de quitar el recubrimiento. Las herramientas de corte o cortadoras son las encargadas de realizar dicho corte, que será mejor cuanto más perpendicular al eje de la fibra se realice y más homogénea sea la superficie resultante. Las cortadoras que hemos utilizado se muestran en las Fig. 3, 4, 5. La cortadora A [15] en la Fig. 3 permite trabajar tanto con fibras simples como con fibras dobles de ͳǤͷݕʹ݉݉de diámetro de recubrimiento y a diferencia de las demás no necesita de una superficie plana para el corte; pero si de una buena sujeción por parte del operario. Además presenta una excelente vida útil (hasta 5000 cortes según recomendación del fabricante). La cortadora B [16] de la Fig. 4 permite trabajar con fibras simples entre ͲǤ͹ͷݕͳ݉݉ de diámetro de fibra pelada y fibras conʹǤʹ݉݉ de diámetro con recubrimiento. Es una cortadora que necesita de una superficie plana de apoyo, pero además su respuesta está muy condicionada a la estabilidad con que se realice el corte. Aunque lo recomendado por el fabricante es un solo corte, se ha determinado que pueden realizar algunos más sin perder calidad. La cortadora C [17], Fig. 5 permite trabajar con diferentes tamaños de fibras, incluyendo fibra pelada (ͲǤͻ - ͳ݉݉). El número de cortes máximo recomendado por el fabricante es de 50, su uso es bastante simple pero es extremadamente delicada y precisa de una superficie plana de apoyo. Una vez tenemos cortada la fibra será necesario retirar el recubrimiento del extremo. La herramienta mostrada en la Fig. 6, Micro-Strip ™ Precisión Stripper [18], es la que hemos utilizado para quitar el recubrimiento debido a la rapidez del pelado y al hecho de que no se daña la fibra en el procedimiento. Figura 3. Cortadora de Fibra. (Cortadora A ) Figura 4 . Cortadora Desechable. (Cortadora B) Figura 5. Cortadora Profesional. (Cortadora C) C APÍTULO 2. A NÁLISIS DE LAS PÉRDIDAS DE INSERCIÓN PARA EL C ONECTOR ST 13 El sistema de pelado consiste en deslizar la fibra por un orificio o ranura, presionar con la herramienta para cortar el recubrimiento sin llegar a la propia fibra y tirar para retirarlo. Para los conectores de fibra de ʹǤʹ݉݉ será necesario retirar unos ͳ͹݉݉ de recubrimiento, mientras que para el caso de los conectores específicos para la fibra de EAA-MC será necesario retirar unos ʹͷ݉݉ de recubrimiento, ya que son más estrechos en su interior para evitar que la fibra se mueva. Una vez realizados los procesos de corte y pelado de la fibra, es posible considerar acabado el proceso de terminación; pero también pueden mejorarse las terminaciones mediante un proceso de pulido. Este proceso permite eliminar rugosidades y dejar una superficie homogénea. En este punto debemos prestar especial atención a que la fibra después de pelada quede rasa respecto al extremo del conector, sin que sobresalga. Existe otro tipo de herramienta que permite realizar el proceso de corte junto con el proceso de pulido. Una de estas herramientas, disponible en el laboratorio, Kress 530FM [19], fue testeada pero los resultados obtenidos frente al proceso de corte y pulido con lijas fueron inferiores en calidad. El sistema de pulido que hemos utilizado está basado en el uso de lijas de distinto granulado [20]. En la Fig. 7 se muestra un esquema de cómo realizar un proceso de pulido y algunos de los útiles recomendados para ello. Figura 7. (a) Sistema de lijas y líquido de pulido, (b) Movimiento en el proceso de pulido. El sistema consta de dos lijas: una de grano duro y otra de grano fino, un líquido especial (polishing slurry) [21] para facilitar el lijado y un disco [22] para soportar la fibra durante el lijado Fig. 7 (a), de forma que la punta de la fibra y la lija estén colocadas perpendicularmente durante todo el proceso de pulido. Este procedimiento se aplica una vez que cortamos y pelamos el extremo de la fibra e insertamos el conector que proceda. Para comenzar el pulido, se colocan las lijas sobre una superficie plana donde se pueda trabajar fácilmente (en nuestro caso una alfombrilla de goma sobre una superficie de vidrio). Primero se vierte una gota de líquido sobre (b) (a) Figura 6. Micro-Strip ™ peladora de precisión. C APÍTULO 2. A NÁLISIS DE LAS PÉRDIDAS DE INSERCIÓN PARA EL C ONECTOR ST 14 la lija de grano duro (2000-grit polishing paper) y se realizan movimientos con la fibra formando un ángulo de 90° con el papel de lija como se muestra en la Fig. 7 (b). Haciendo este movimiento en forma de “ocho” se intenta que la fibra se vaya puliendo igual en toda su superficie de forma que ésta quede plana y homogénea. A continuación se repite el mismo proceso con la lija de grano fino (͵ߤ݉ polishing paper). Tras retirar el disco que soporta la fibra ya tenemos el conjunto fibra-conector. Este proceso se realiza para cada uno de los extremos que se van a conectorizar, por lo que el proceso de conectorización completo, es considerablemente más largo cuando se aplica el pulido, evidentemente dependiendo también de la calidad del corte inicial. 2.3 PROTOCOLO EXPERIMENTAL DE MEDIDA. Para la caracterización de las pérdidas de inserción de los conectores se van a utilizar los instrumentos específicos para caracterización de la POF de la marca FOTEC [23] que incluye una fuente óptica y un medidor de potencia. La fuente es un LED que emite en ͸͸ͷ݊݉. El medidor de potencia está basado en un detector de silicio con un rango de operación de ͳͲ a -70 ݀ܤ݉ (1 ܹ݉ – 10 ܹ݉). El procedimiento consta de los siguientes pasos: i) Tomamos como referencia la medida de la potencia ሺܲ଴ሻ para un tramo corto de fibra (entre ͹ͷݕͳͷͲܿ݉). ii) Este tramo de fibra se corta en dos segmentos aproximadamente iguales. Una vez que tenemos los dos tramos de fibra cortados, se preparan con la herramienta de terminación correspondiente para insertarlos en un conector simple. iii) Cuando tengamos los dos tramos con sus conectores simples los unimos mediante un conector hembra-hembra similar al presentado en la Fig. 2 (a y c). Con esta configuración se mide de nuevo la potencia ሺܲ௖ሻ. iv) Una vez tomada la medida anterior, se procede a realizar el proceso de pulido en cada uno de los extremos conectorizados. Se unen de nuevo con el doble conector y se mide la potencia recibida ሺܲ௖௣ሻ. v) Las pérdidas de inserción del conector en dB las podremos calcular mediante las expresiones: ܲ±ݎ݀݅݀ܽݏሺ݌ݑ݈݅݀݋ሻൌ ͳͲ݈݋݃ቀ௉೎ ௉బቁ [2.1] ܲ±ݎ݀݅݀ܽݏሺ݌ݑ݈݅݀݋ሻ ൌ ͳͲ݈݋݃ቀ௉೎೛ ௉బቁ [2.2] De esta manera podemos cuantificar la mejora en las pérdidas que supone el pulido para cada caso. Este proceso se ha llevado a cabo para las 7 fibras analizadas con cada una de las 3 cortadoras descritas en la Sección 2.2. Se han realizado al menos 8 medidas para cada una de las 21 condiciones (tipo de fibra-cortadora). Además, como se ha dicho antes, para cada uno de los conectores se ha realizado una medida previa al proceso de pulido y otra tras el pulido. Para cada una de las cortadoras, se ha contabilizado el número de cortes realizados para poder llevar a cabo posteriormente un análisis comparativo de su degradación por uso. También, para el cálculo de la media de las pérdidas se han descartado tanto aquellas medidas realizadas durante C APÍTULO 2. A NÁLISIS DE LAS PÉRDIDAS DE INSERCIÓN PARA EL C ONECTOR ST 15 el proceso de aprendizaje, como aquellas tomadas a partir del momento en el que se alcanza el límite de validez de la cortadora determinado por un aumento sistemático del valor de las pérdidas. 2.4 PÉRDIDAS DE INSERCIÓN PARA LAS DISTINTAS FIBRAS. En esta sección se presentan los resultados obtenidos para todos los tipos de fibras con las 3 cortadoras analizadas. La Fig. 8. a), muestra la media y la desviación estándar de las pérdidas para el caso con terminación sin pulido y la Fig. 8. b), después de realizar el proceso de pulido. La media se representa como una barra en distintos colores para las distintas fibras y la desviación estándar se muestra como una línea sobre su correspondiente barra. En la Fig.8. a) podemos ver que, tanto la cortadora A como la cortadora B tienen un comportamiento relativamente homogéneo con todas las fibras con pérdidas entre ͳݕʹǤͷ݀ܤ. Por otra parte la cortadora C, muestra grandes diferencias (de más de ͵݀ܤ) en el comportamiento para distintas fibras. Con esta cortadora se obtienen pérdidas relativamente bajas en las fibras especiales para aviónica y en la fibra SMCK-1000 (poco más de ͳ݀ܤ), sin embargo, produce unas pérdidas muy elevadas para las demás fibras. Se puede observar como la desviación estándar es menor en los casos en los que las pérdidas son bajas. La cortadora B, muestra pérdidas y desviaciones pequeñas, para algunas de las fibras estándar de un solo núcleo: PGU, BGH y WGH; pero mayores para el resto, particularmente para la HFB y la EAA-MC. En el caso de la fibra de múltiples núcleos SMCK-1000 la desviación estándar con esta cortadora es muy baja aunque sus valores de pérdidas no sean los mejores. De manera general la cortadora A es la que presenta un comportamiento más homogéneo para todas las fibras, con pérdidas por debajo de los ʹ݀ܤ excepto para la fibra SMCK-1000; además tiene una reducida desviación estándar que nos da una medida de su estabilidad. A manera de resumen se presenta la Tabla. 2, que permite elegir la cortadora más adecuada para cada tipo de fibra en el caso de que no se vaya a aplicar el proceso de pulido y de la cual se desprende que la cortadora B se comporta mejor para algunas fibras de un solo núcleo como la Cortadora A Cortadora B Cortadora C 0 1 2 3 4 5 6 Pérdidas (dB) a) Sin pulido BGH PGU WGH HFB EAA-SC EAA-MC SMCK-1000 Cortadora A Cortadora B Cortadora C 0 1 2 3 4 5 6 Pérdidas (dB) b) Pulido BGH PGU WGH HFB EAA-SC EAA-MC SMCK-1000 Figura 8. a. Pérdidas introducidas por conectorización, solo el corte, sin pulido. b. Pérdidas introducidas por conectorización, corte y pulido a dos lijas. C APÍTULO 2. A NÁLISIS DE LAS PÉRDIDAS DE INSERCIÓN PARA EL C ONECTOR ST 16 PGU y la GH, mientras que la cortadora A es mejor para la HFB y las fibras especiales para aviónica: EAA-SC y EAA-MC. Con la cortadora C se obtienen peores resultados para la mayoría de las fibras, pero es la mejor para la fibra de múltiples núcleos comercial SMCK-1000. Cortadora BGH PGU WGH HFB EAA-SC EAA-MC SMCK-1000 Pérdida mínima B A/B B A A A C Desviación mínima B B B A A A B/C Pérdida > 2 dB C C C B/C B B A Desviación > 0.5 dB C C C - C - - Tabla. 2 Optimización de cortadora-fibra sin aplicar el proceso de pulido. La comparación de las Fig. 8 a) y b) permite observar que, en todos los casos, las pérdidas promedio y la desviación estándar disminuyen tras el pulido. Este hecho se produce no sólo en media sino que se ha observado también para cada conector en particular ya que, como se comentó al describir el protocolo de medida, se han obtenido las pérdidas antes y después del pulido para cada conector. Las diferencias de los resultados obtenidos con las distintas cortadoras son menores, puesto que, el proceso de pulido permite igualar la calidad de la terminación. En concreto, es interesante observar la gran mejora que se obtiene al pulir las fibras estándar terminadas con la cortadora C, aunque sigue dando pérdidas superiores a las de las otras dos. Tras el pulido, la cortadora A presenta menores pérdidas para prácticamente todas las fibras estudiadas aunque las diferencias entre cortadoras después del pulido son poco significativas. Las elevadas pérdidas obtenidas con la cortadora A para la fibra SMCK-1000 (véase Fig. 8. a) disminuyen considerablemente ya que las irregularidades en los cortes obtenidos se reducen fácilmente con el proceso de pulido a costa de invertir más tiempo en dicho proceso. Para visualizar mejor el efecto del pulido se presenta un histograma, Fig. 9, con los datos obtenidos para todas las fibras y todas las cortadoras antes y después de aplicar dicho proceso. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 10 20 30 40 50 60 70 2.05 Pérdidas sin pulido (dB) Frequencia Todas las cortadoras y fibras 0 1 2 3 4 5 6 7 0 10 20 30 40 50 60 70 0.95 Pérdidas con pulido (dB) Todas las cortadoras y fibras Figura. 9 Histograma de las pérdidas sin pulido (izquierda) y con pulido (derecha). C APÍTULO 2. A NÁLISIS DE LAS PÉRDIDAS DE INSERCIÓN PARA EL C ONECTOR ST 17 En resumen, las pérdidas medias de un conector ST para POF (sin distinguir tipo de fibra) según la Fig. 9 es de ʹǤͲͷ݀ܤ sin pulido y ͲǤͻͷ݀ܤ después de pulir, con una desviación estándar de ͲǤͻ͸݀ܤ y ͲǤͶ͵݀ܤ respectivamente. Estos resultados muestran que la irregularidad introducida con algunas de las cortadoras puede eliminarse durante el proceso de pulido, pero en distinta medida para cada tipo de fibra ya que en algunos casos, estas diferencias o irregularidades en la superficie no son salvables por las hojas de pulido. Estos detalles se discutirán más a fondo en la siguiente sección donde se hará una valoración final de cada una de las cortadoras. 2.5 VALORACIÓN DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE. En esa sección vamos a hacer una valoración de las cortadoras basada fundamentalmente en el valor de las pérdidas y su variabilidad obtenidas en la Sección 2.4; pero también teniendo en cuenta otros aspectos como su durabilidad, sencillez y facilidad de manejo. La Fig. 10 muestra un histograma de las pérdidas obtenidas para cada una de las cortadoras sin aplicar el proceso de pulido. Para el cálculo de estos histogramas se han considerado los resultados obtenidos para todas las fibras testeadas tanto fibras de uno como de múltiples núcleos. De acuerdo con los resultados mostrados en la Fig. 8, la cortadora A es la que produce las pérdidas más bajas en media (ͳǤ͸ͳ݀ܤ) y presenta una menor variabilidad. La desviación estándar calculada a partir de los datos de los histogramas es de ͲǤͶ͵݀ܤ. Esta cortadora, a diferencia de las otras, no requiere una superficie de apoyo (véase Fig. 3) sino que se afianza a la mano de uso del operario por lo que el resultado depende en parte de la experiencia del mismo. Para garantizar unos buenos resultados es fundamental que en el momento del corte, la fibra se mantenga estable y perpendicular respecto a la cortadora. En general, su manejo es relativamente simple y no requiere un excesivo entrenamiento ni precisión. La cortadora C es la que produce mayores pérdidas medias (ʹǤ͸݀ܤ) y la que presenta mayor variabilidad (desviación estándar de ͳǤ͵͵݀ܤ) debido a las diferencias en su comportamiento para distintos tipos de fibra. Aunque esta cortadora presenta una base lo suficientemente grande y plana (véase Fig. 5) como para garantizar un corte estable y perpendicular, se comporta de manera bastante irregular con las fibras que ofrecen mayor resistencia por su estructura o por la 0 1 2 3 4 5 6 7 0 5 10 15 20 1.61 Pérdidas (dB) Frequencia Cortadora A 0 1 2 3 4 5 6 7 0 5 10 15 20 25 30 1.95 Pérdidas (dB) Cortadora B 0 1 2 3 4 5 6 7 0 5 10 15 20 2.60 Pérdidas (dB) Cortadora C Figura. 10 Histograma para cada cortadora sin aplicar el proceso de pulido. C APÍTULO 2. A NÁLISIS DE LAS PÉRDIDAS DE INSERCIÓN PARA EL C ONECTOR ST 18 dureza de su recubrimiento. Además como sus cuchillas son bastante delgadas se pueden producir muescas en los primeros usos con estas fibras. Por ejemplo para las fibras PGU y GH la hoja interior se rompe antes de realizar 6 cortes. Esto va unido a mayores pérdidas en el conector que se pueden disminuir con el proceso de pulido como muestra la Fig. 8. Sin embargo teniendo en cuenta el tiempo a invertir y el desgaste de las hojas de pulido no es recomendable usar esta cortadora cuando el material del recubrimiento es muy resistente. Por el contrario en las fibras para aplicaciones en aviónica y particularmente en la SMCK-1000 que presentan un material más blando que las demás, esta cortadora da buenos resultados. La cortadora B se encuentra en una posición intermedia entre la A y la C con pérdidas medidas de ͳǤͻͷ݀ܤ y desviación de ͲǤ͸ͻ݀ܤ. Para usar esta cortadora es fundamental realizar el corte apoyando sobre una superficie muy plana y mediante un golpe seco, lo más perpendicular posible. En gran medida los resultados variarán de acuerdo a la precisión del operario, pero una vez obtenida la habilidad es una cortadora que presenta un buen rendimiento en la mayor parte de las fibras de un solo núcleo. Sin embargo, para la fibra de un solo núcleo especial para aviónica, las pérdidas son mayores por lo que requiere un proceso intensivo de pulido. Para fibra de múltiples núcleos esta cortadora es más variable produciendo buenos cortes y otros en los que se aplasta alguno de los núcleos. Otra peculiaridad es que con frecuencia, después de cortar permanecen algunos restos del recubrimiento que son difíciles de eliminar. Por ello es primordial tener especial atención a la limpieza del recubrimiento de la fibra con alcohol antes de realizar un corte. Figura 11. Incremento de pérdidas entre un corte y el siguiente. En la Fig. 11 se muestra un estudio sobre la durabilidad de estas cortadoras. Para cada cortadora se utilizaron las fibras con la que se obtuvieron mejores resultados en el estudio de la Sección 2.4. En el eje vertical se presenta el aumento de las pérdidas que se produce entre un corte y el siguiente. La hoja de la cortadora C se va deteriorando paulatinamente incluso para las fibras más blandas como la fibra de múltiples núcleos, por lo que no es aconsejable utilizarla por encima de 20 cortes si se quieren obtener resultados dentro de lo aceptable. En estos 20 cortes ya se ha tenido en cuenta que se ha reutilizado la misma hoja de cuchilla girándola 180º o utilizando otros agujeros. La cortadora B, aunque el fabricante recomienda sólo un corte por agujero, presenta resultados aceptables hasta los 30 cortes por cada uno de sus 4 agujeros y por 0510 15 20 25 30 35 40 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Número de cortes Pérdidas(dB) Cortadora A Cortadora B Cortadora C C APÍTULO 2. A NÁLISIS DE LAS PÉRDIDAS DE INSERCIÓN PARA EL C ONECTOR ST 19 encima de este número de cortes las pérdidas muestran un incremento abrupto. En el caso de la cortadora A, el fabricante recomienda un máximo de 5000 cortes. En nuestros experimentos no nos hemos acercado a este límite de la vida útil de esta herramienta pero los resultados de la Fig. 11 permiten determinar que después de 50 cortes se mantenía invariante, lo cual la define como una herramienta estable y confiable, lo que se suma a sus excelentes resultados en cuanto a pérdidas incluso sin pulido. 2.6 DIFERENCIAS ENTRE FIBRAS DE UNO Y MÚLTIPLES NÚCLEOS. En el caso de emplear la herramienta idónea para cada tipo de fibra la Fig. 8. b muestra que se pueden obtener como pérdidas de ͲǤͷͲ݀ܤ para fibras de un solo núcleo; mientras que para fibras de múltiples núcleos el mínimo es de ͳǤͳͲ݀ܤ. Aunque el proceso de pulido produce una disminución de las pérdidas en todos los casos, los conectores en fibras con múltiples núcleos siguen teniendo unas pérdidas mayores que las obtenidas para fibras de un solo núcleo. Para verificar este efecto se han representado los histogramas obtenidos con los resultados de todas las fibras de un solo núcleo, en la Fig. 12. a, y las dos fibras de múltiples núcleos en la Fig. 12. b para todas las cortadoras después de aplicar el proceso de pulido. Las pérdidas medias para conectores en fibras de múltiples núcleos son: ͳǤ͵ͳ݀ܤ േ ͲǤͶͺ frente a ͲǤ͹ͺ݀ܤ േ ͲǤʹͺ para fibras de un núcleo, lo que supone una diferencia de ͲǤͷ͵݀ܤ que es significativa teniendo en cuenta los valores de la desviación estándar. La explicación de esta diferencia puede encontrarse en que con el sistema de conectorización empleado no se han tenido en cuenta las posiciones relativas de los núcleos de las fibras enfrentadas (véase Fig. 1) ya que las fibras no tienen ninguna marca que permita evitar este desalineamiento por rotación antes de instalar el conector. De esta forma, si las fibras no están bien alineadas en esta dimensión se producirán pérdidas adicionales respecto a las fibras de un solo núcleo. Para verificar esta hipótesis en el siguiente capítulo se presenta un estudio del impacto de este grado de libertad sobre las pérdidas del conector. 0 1 2 3 0 5 10 15 20 25 30 0.78 Pérdidas con pulido (dB) Histograma Fibra de un solo núcleo 0 1 2 3 0 5 10 15 1.32 Pérdidas con pulido (dB) Fibra de múltiples núcleos (a) (b) Figura. 12 Histograma de pérdidas después de aplicar el proceso de pulido. a. Fibras de un solo núcleo. b. Fibras de múltiples núcleos. CAPÍTULO 3. DESALINEAMIENTOS ENTRE FIBRAS DE MÚLTIPLES NÚCLEOS. 20 CAPÍTULO 3. DESALINEAMIENTOS ENTRE FIBRAS DE MÚLTIPLES NÚCLEOS. En el proceso de conectorización se pretende que las fibras queden completamente alineadas y muy próximas entre sí. Como las fibras no deben tocarse, ya que podrían dañarse, siempre se encontrarán separadas por lo que existirá un desalineamiento longitudinal remanente. De hecho algunos de los conectores diseñados específicamente para redes de aviones son del tipo “airgap” (separación de aire). Estos conectores mantienen una distancia longitudinal entre fibras de varias decenas de micras para evitar contacto entre ellas, incluso bajo las fuertes vibraciones que se producen en un avión. Por otra parte, el desalineamiento longitudinal frecuentemente irá acompañado de un desajuste en el enfrentamiento lateral de los núcleos (desalineamiento transversal). En fibras de múltiples núcleos tenemos, además, un nuevo grado de libertad que aparece cuando cada núcleo individual no está perfectamente alineado con su análogo en la otra fibra, debido a la rotación relativa de éstas respecto a su eje (desalineamiento rotacional). En este Capítulo 3 se aborda la variación en la potencia transmitida debida a la rotación en fibras de múltiples núcleos que se determina tanto por separado como en combinación con los demás tipos de desalineamientos. Los resultados de este análisis, además de determinar si el desalineamiento rotacional es responsable de las diferencias encontradas en la potencia entre los conectores ST para fibras de uno y múltiples núcleos en el Capítulo 2, permitirán valorar el impacto de los distintos desalineamientos en los conectores de fibra de múltiples núcleos. De esta forma, en la Sección 3.1 se aborda el desalineamiento rotacional y se describe un sistema experimental desarrollado para medir las pérdidas por desalineamiento en tres dimensiones: rotacional, longitudinal (en la dirección del eje de las fibras) y transversal (en la dirección perpendicular al eje). Este sistema experimental está basado en un montaje desarrollado para realizar un estudio sobre fibras de un solo núcleo [12] que ha sido convenientemente modificado para medir también las pérdidas por rotación. En la Sección 3.2, se presentan los resultados experimentales para las dos fibras de múltiples núcleos que se han presentado en la Sección 2.1 del Capítulo 2, se comparan con predicciones basadas en el modelo de áreas [14] y con resultados de otros autores [24]. Además, se valora la influencia del desalineamiento rotacional en combinación con otros tipos de desalineamientos. Por último, para completar el estudio de la fibra de múltiples núcleos, se obtendrá la variación de potencia por desalineamiento transversal y longitudinal combinados, que permitirá cuantificar como afectan estos desalineamientos en la conectorización. 3.1 MÉTODO EXPERIMENTAL PARA MEDIDA DE DESALINEAMIENTOS. Como se ha comentado en las fibras de varios núcleos, existe un nuevo grado de libertad, además de los desalineamientos transversal y longitudinal, que es la posición relativa de los núcleos, y que, como se ha dicho antes, puede ser la causa de las mayores pérdidas de inserción obtenidas para los conectores en este tipo de fibra. Este tipo de desalineamiento está ilustrado en la Fig. 13 y es común dentro del proceso de conectorización ya que por lo general al cortar la fibra y volverla a unir a través de conectores no existe ninguna marca o guía que permita al operario hacer coincidir los extremos en la misma posición en la que se encontraban antes de cortar. CAPÍTULO 3. DESALINEAMIENTOS ENTRE FIBRAS DE MÚLTIPLES NÚCLEOS. 21 En esta sección se describe el sistema experimental y el protocolo de medidas empleado para la obtención de la variación de potencia debida a este desalineamiento en fibras de múltiples núcleos, sólo o en combinación con otros tipos de desalineamientos. Figura. 13. Desalineamiento rotacional en fibras de varios núcleos. 3.1.1 SISTEMA EXPERIMENTAL. Partiendo de un sistema experimental automatizado desarrollado para medidas de pérdidas por desalineamiento transversal y longitudinal en fibras de un solo núcleo [12], hemos realizado el sistema de la Fig. 14. Este sistema se ha modificado para que además de variar la posición relativa de las fibras en la dirección del eje (longitudinal), y en su transversal, permita rotar una de ellas sobre dicho eje (desalineamiento rotacional). Este sistema se ha utilizado para caracterizar las pérdidas por desalineamiento en las fibras de múltiples núcleos, EAA-MC y SMCK-1000. Figura 14. Sistema experimental para la medida de las pérdidas por desalineamientos. El sistema utilizado consta de dos microposicionadores motorizados que permiten desplazar un extremo de la fibra con respecto a la otra fibra en los ejes X y Z. Los movimientos de los motores están controlados por un software ܮܾܸܽ݅݁ݓோ que se describe en el (Anexo C. III y C. IV). Una de las fibras enfrentadas se conecta por un extremo a un emisor LED de ͸͸ͷ݊݉ FOTEC [23] mediante un conector Versalink (VL) [25] y por el otro, a la base con los CAPÍTULO 3. DESALINEAMIENTOS ENTRE FIBRAS DE MÚLTIPLES NÚCLEOS. 28 La Fig. 20 representa los resultados experimentales para las dos fibras de múltiples núcleos y las predicciones del modelo de la misma forma que para el desalineamiento longitudinal. El modelo se ha aplicado suponiendo una distribución homogénea de potencia dentro del círculo de ͳ݉݉ sin tener en cuenta las variaciones debidas a la presencia de los 19 núcleos, como si se tratara de una fibra de un solo núcleo con el mismo tamaño, es decir, despreciando los efectos debidos a su estructura. En la Fig. 20 podemos ver un excelente acuerdo de las predicciones del modelo con los datos experimentales. Se observa también que el desalineamientos transversal es mucho más crítico que el longitudinal y que cuando deja de haber solapamiento entre las fibras, no hay transferencia de potencia. Para este desalineamiento, no se observan diferencias significativas entre los dos tipos de fibras. Es interesante observar que la presencia de los múltiples núcleos no produce variaciones significativas en el desalineamiento transversal que sigue la misma dependencia que la que se obtienen para fibras de un solo núcleo [12], lo que confirma que es válida la simplificación asumida para aplicar este modelo. 3.3.3 COMBINACIÓN CON EL DESALINEAMIENTO ROTACIONAL. En la Fig. 21 se presentan los resultados de combinar los desalineamientos rotacional y longitudinal. En dicha figura se ha representado la variación de potencia obtenida al realizar el barrido angular para dos separaciones de las fibras ݖ ൌ ʹͶͲɊ݉ݕݖ ൌ ͹ͲɊ݉. Este último se ha representado en la Fig. 16 pero se incluye en esta figura para facilitar la comparación. Se puede ver que, la variación de potencia por desalineamiento rotacional se suaviza a medida que la separación longitudinal aumenta. Esto se puede explicar cualitativamente teniendo en cuenta el efecto de la apertura del haz radiado por la fibra. De esta forma el haz que proviene de la fibra transmisora que ilumina una región de la fibra receptora, al incrementar la separación longitudinal se expande iluminando una región mayor que puede abarcar otros -2 -1.5 -1 -0.5 00.5 11.5 2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Fibras de Múltiples Núcleos Desalineamiento Transversal (mm) Potencia Normalizada Figura. 20 Desalineamiento transversal fibra SMCK-1000 (rojo), fibra EAA-MC (verde) y modelo simple (negro). CAPÍTULO 3. DESALINEAMIENTOS ENTRE FIBRAS DE MÚLTIPLES NÚCLEOS. 29 núcleos, por lo que la potencia capturada por la segunda fibra es mayor. De esta forma, la posición relativa de los núcleos es menos relevante. De manera análoga se ha obtenido la variación de potencia con la separación transversal para dos posiciones relativas de las fibras según el ángulo de rotación. La Fig. 22 muestra la variación de la potencia cuando la posición angular de las fibras es la que produce un máximo (color rojo) y cuando es la que produce un mínimo (color verde) para ambas fibras testeadas. En la Fig. 22 se observa que la variación en la dimensión transversal es la misma lo cual era de esperar ya que, como se ha comentado antes, el efecto de la inhomogeneidad en la distribución de potencia no afecta el desalineamiento transversal. 060 120 180 240 300 360 0.9 0.95 1 Potencia Normalizada Desalineamiento Longitudinal vs Rotacional. Fibra SMCK-1000 240mm 70mm 060 120 180 240 300 360 0.9 0.95 1 Ángulo de rotación (º) Potencia Normalizada Desalineamiento Longitudinal vs Rotacional. Fibra EAA-MC 240mm 70mm -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 a) SMCK-1000 Potencia Normalizada -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 b) EAA-MC Desalineamiento Transversal (mm) Máximo Potencia Modelo Áreas Mínimo Potencia Figura. 21 Combinación de desalineamiento longitudinal y rotacional. Fibra SMCK-1000. Fibra EAA-MC. Figura. 22 Combinación de desalineamiento transversal y rotacional máximo (rojo), mínimo (verde) y modelo simple (negro). a) Fibra SMCK-1000. b) Fibra EAA-MC. CAPÍTULO 3. DESALINEAMIENTOS ENTRE FIBRAS DE MÚLTIPLES NÚCLEOS. 30 3.3.4 COMBINACIÓN DE DESALINEAMIENTO LONGITUDINAL Y TRANSVERSAL. Para completar este estudio, se ha obtenido la variación de potencia en fibras de múltiples núcleos cuando se combinan los desalineamientos longitudinal y transversal. Se marcó como punto de partida el desalineamiento rotacional en aquel ángulo que nos ofrecía máxima potencia (0º), y se realizó un doble barrido con un paso de ͷͲɊ݉ de ͵ a -͵݉݉ en la dirección transversal y deͲǤ͹ͲɊ݉ a ͷ݉݉ en la dirección longitudinal. La Fig. 23 muestra que cuando la separación longitudinal es pequeña, el desalineamiento transversal es el más crítico y que va suavizándose su influencia al separar las fibras debido al efecto de la apertura, igual que ocurre en el desalineamiento rotacional comentado antes. También vemos que tal y como mostraba la Fig. 19 la variación por desalineamiento longitudinal es más acusada para la fibra EAA-MC que para la fibra SMCK-1000. Estas diferencias se podrían justificar mediante la distribución angular de potencia radiada por cada tipo de fibra. Los valores de esta figura permiten obtener las pérdidas para la combinación de cualquier par de desalineamientos transversal y longitudinal, y se pueden incluir en un modelo completo de conector desarrollado para entornos de simulación y diseño de redes ópticas basadas en POF. Figura. 23 Combinación de desalineamientos longitudinal y transversal. a) Fibra SMCK-1000. b) Fibra EAA-MC. CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES. 31 CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES. El objetivo de este proyecto ha sido el análisis del proceso de conectorización de fibras de plástico de uno y múltiples núcleos, utilizando conectores de tipo ST. Dentro de este análisis, no sólo se han determinado experimentalmente las pérdidas de inserción del conector y su variabilidad, sino que se ha realizado un estudio de las herramientas de terminación que permitirá realizar una elección adecuadas para cada tipo de fibra y además se han obtenido las pérdidas introducidas por los posibles desalineamientos que pueden darse durante el proceso de conectorización. En la primera parte del proyecto se ha confirmado que la herramienta idónea es diferente para cada tipo de fibra y se ha determinado que la elección depende de factores como la dureza del material del recubrimiento, la estructura de la fibra, etc. De hecho, si no se aplica un proceso de pulido una vez insertado el conector, es fundamental elegir la cortadora adecuada para mantener las pérdidas en valores aceptables. Para ello se ha elaborado la Tabla 2 que permite decidir cuál es la mejor cortadora para cada uno de los tipos de fibras analizados. Globalmente, la herramienta más versátil y que es capaz de dar buenos resultados con un mayor número de fibras es la cortadora A que, además de ser la que presenta menores pérdidas medias (ͳǤ͸݀ܤ) y menor variabilidad (ͲǤ͵͸݀ܤ), es la que tiene un comportamiento más estable, mejor facilidad de manipulación y una mayor durabilidad. En cualquier caso, el proceso de pulido a dos lijas puede subsanar los efectos de un corte irregular, reduciendo no sólo las pérdidas sino también la variabilidad en los resultados obtenidos por las distintas cortadoras. De hecho, las pérdidas medias del conector sin pulido, ʹǤͲͷ݀ܤ pueden reducirse hasta ͲǤͻͷ݀ܤ con dicho proceso y la desviación estándar de ͲǤͻ͸݀ܤ a ͲǤͶ͵݀ܤ. Por otra parte, incluso si se va a aplicar el proceso de pulido, es recomendable el uso de una cortadora adecuada ya que, si se parte de un mal corte, el tiempo invertido en el proceso de pulido puede incrementar considerablemente la duración de la conectorización. En la segunda parte del proyecto, se aborda el estudio completo de los desalineamientos que afectan a las fibras de múltiples núcleos haciendo especial énfasis en el desalineamiento rotacional que es exclusivo de este tipo de fibra, ya que consiste en la falta de alineamiento entre núcleos individuales debido a la rotación de las fibras en torno a su eje. Una de las motivaciones para abordar este estudio fue que se encontró que las pérdidas medias para la fibra de múltiples núcleos son significativamente mayores que las de un solo núcleo: ͳǤ͵ͳ݀ܤ +/- ͲǤͶͺ frente a ͲǤ͹ͺ݀ܤ +/- ͲǤʹͺ respectivamente. Para realizar las medidas de pérdidas por desalineamiento se actualizó un sistema experimental diseñado para medir desalineamientos en fibras de un solo núcleo, que incorpora la posibilidad de introducir el desalineamiento por rotación relativa entre fibras. En esta parte, se concluye que el desalineamiento por rotación en las fibras de múltiples núcleos, sobre todo si aparece en combinación con otros desalineamientos, puede explicar las mayores pérdidas en la conexión de este tipo de fibras. Las pérdidas extras introducidas por el desalineamiento rotacional pueden ser de hasta ͲǤͶ݀ܤ que es un porcentaje importante de las pérdidas totales del conector. Por ello, es recomendable que los fabricantes de fibras y conectores diseñen alguna marca o huella que permita a los operarios realizar un correcto alineamiento durante la inserción del conector para disminuir o evitar dichas pérdidas extras. CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES. 32 Además se determinó que el desalineamiento transversal es el que tiene mayor impacto en la cantidad de potencia transferida de una fibra a otra. En este proyecto, no se han encontrado diferencias entre sus efectos para fibras de uno o múltiples núcleos. En ambos casos, la potencia transferida depende del área de solapamiento entre las fibras enfrentadas sin que la estructura interna del núcleo global tenga influencia en dicha transferencia. Por ello, las pérdidas pueden modelarse mediante el modelo de áreas tradicional considerando un núcleo de ͳ݉݉ de diámetro tanto para fibras de uno como de múltiples núcleos. Este desalineamiento, aunque ya hemos dicho que es bastante importante de cara a las pérdidas, afecta menos en conectores ya que estos sujetan ambas fibras sin dejar suficiente holgura como para permitir grandes desviaciones en su posición transversal. Por último, se ha determinado que la separación longitudinal entre fibras suaviza los efectos de los otros desalineamientos. Este tipo de desalineamiento es el más frecuente en conectores ya que aparece de forma fortuita (si la fibra se corta demasiado, por ejemplo) o de forma intencionada (conectores de air-gap). Además, hemos visto que su variación es diferente para distintos tipos de fibras, lo cual puede explicarse mediante diferencias en la distribución espacial de potencia radiada por las mismas. Esta distribución depende de numerosos factores como son la distribución de potencia inyectada, la longitud de fibra por la que se transmite, el acoplo modal de la fibra, las curvaturas y otras perturbaciones que provoquen transferencia de potencia entre ángulos, etc. Por ello, es importante postular un modelo que sea capaz de integrar todos estos efectos para cuantificar las pérdidas producidas por este desalineamiento. 4.1 CONTINUIDAD Y FUTURO DEL PROYECTO. Este proyecto presenta una base sólida sobre el estudio de las pérdidas en los conectores en fibra POF ya que puede servir de guía de operaciones para futuros estudios sobre fibra de plástico puesto que define el procedimiento a seguir para conectorizar dos extremos de fibra de cualquiera de los tipos analizados. Aunque se han caracterizado las pérdidas globales en los conectores, sería interesante tener también una medida de cómo afectan a la distribución angular de potencia que se propaga por la fibra. De hecho, esta metodología de conectorización y obtención de pérdidas de inserción servirá como base en el futuro para realizar una caracterización más completa del conector basada en medidas experimentales de imágenes del patrón del campo lejano y en la que los efectos del conector sobre la potencia óptica se modelan mediante matrices. Esta caracterización mediante matrices, tanto de la propagación de luz por la fibra como de los efectos introducidos por otros dispositivos, es necesaria para completar un modelo de fibra de plástico y componentes que está desarrollando el grupo de POF de la Universidad de Zaragoza y en cuya integración en entornos de simulación de redes ópticas está colaborando con el grupo de CUNY. El método de caracterización está basado en la medida del campo lejano para distintos ángulos de inyección realizado con y sin conector y permite extraer los efectos de éste sobre la distribución de potencia óptica. Aunque ya se obtuvo la caracterización de conectores de fibra de un solo núcleo, ésta se realizó sin aplicar el procedimiento óptimo de preparación por lo que sería conveniente realizarla de nuevo. Además, los conectores para fibras de múltiples núcleos no se han caracterizado hasta el momento. Por otra parte se han medido experimentalmente los posibles desalineamientos entre fibra y se ha discutido su influencia dentro del proceso de conectorización. No obstante, los modelos utilizados para predecir las pérdidas por desalineamiento no dan un buen acuerdo con los resultados experimentales, particularmente en el caso del desalineamiento longitudinal. Tampoco se tiene un modelo que permita explicar cuantitativamente las diferencias del CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES. 33 comportamiento de las distintas fibras. Por ello sería conveniente postular un nuevo modelo matemático que tenga en cuenta la distribución de potencia a la salida de la fibra y su variación con las coordenadas espaciales de forma que se pueda adaptar a los distintos tipos de fibras y a las distintas condiciones. De igual manera, se considera necesario continuar el proceso de automatización del sistema experimental de medidas de desalineamientos (la medida del desalineamiento rotacional se realizaba de forma manual) y ampliarlo al desalineamiento angular (inclinación o ángulo entre las caras de las fibras). De hecho, a la fecha de la conclusión de esta memoria se está trabajando en el diseño y montaje del mismo de cara a un trabajo futuro. 4.2 VALORACIÓN DEL TRABAJO. Primeramente este trabajo tenía como base obtener las pérdidas en conectores para fibras de múltiples núcleos y mejorar estudios previos sobre herramientas de terminación determinando la influencia de las mismas en la unión entre fibras POF. Como aspecto añadido, se profundizó en posibles desalineamientos que pueden aparecer en la conectorización de fibras de múltiples núcleos y en su influencia en las pérdidas globales. Al comienzo de este proyecto se realizó un estudio a fondo sobre las características de la fibra de plástico apoyado principalmente por las asignaturas de Comunicaciones Ópticas y Laboratorio de Comunicaciones Ópticas y se tuvieron en cuenta además proyectos de fin de carrera anteriores sobre temática similar. Una vez recopilada y asimilada la información, se procedió al análisis exhaustivo de las herramientas de terminación y a su caracterización respecto a todos los aspectos necesarios. Simultáneamente, se fueron obteniendo las pérdidas de inserción para diferentes fibras y se diseñó un protocolo experimental que apoyara la obtención de las pérdidas de inserción en los conectores. Al observar experimentalmente que las pérdidas en dichos conectores podrían depender de otros factores aparte de la terminación del extremo, se procedió a determinar la influencia de los posibles desalineamientos en dichas uniones. Esto llevó a la modificación de un montaje experimental para la medida de las pérdidas debidas a todos los posibles desalineamientos que pueden ocurrir en la conectorización de fibras de múltiples núcleos. El siguiente paso fue analizar y procesar todos los datos y cálculos obtenidos en los experimentos realizados y llegar a las conclusiones que se han resumido al final de la memoria de este proyecto. Una vez cumplidos todos los objetivos planteados al comienzo de este proyecto y analizados los resultados obtenidos, se considera que el desempeño ha sido correcto y los resultados han sido satisfactorios. El estudio presentado en este trabajo ha dado pie a la creación de dos artículos (Anexo D) que se presentarán en la “ͳ͸௧௛INTERNATIONAL CONFERENCE ON TRANSPARENT OPTICAL NETWORKS” y en el “XXIX SIMPOSIUM NACIONAL DE LA UNIÓN CIENTÍFICA INTERNACIONAL DE RADIO” BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS. 34 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS. [1] J. Mateo, M. A. Losada, I. Garcés, J. Zubia. "Global characterization of optical power propagation in step-index plastic optical fibres". Optics Express, s. l: 20, 2006, Vol. 14, págs. 9028-9035. [2] J. Mateo, M. A. Losada, I. Garcés, J. Zubia. "Frequency response in step index plastic optical fibers obtained from the generalized power flow equation". Optics Express, s. l: 4, 2009, Vol. 17, págs. 2850-2860. [3] J. Mateo, M. A. Losada, A. López. "Matrix method to solve the differential power flow equation in the frequency domain". 12th Intl. Conf. on Transparent Optical Networks. Munich, Germany, July 2010. [4] M. A. Losada, J. Mateo, J. J. MartínezMuro. "Assessment of the impact of localized disturbances on SI-POF transmission using a matrix propagation model ". IOP Journal of Optics, 2011, Vol. 13, no.5. [5] J. Mateo, A. Oca, M. A. Losada, J. Zubia."Domestic multimedia networks based on POF". 17th Intl. Conf. on Plastic Optic Fibres and Applications. Santa Clara, USA, 2008. [6] D. H. Richards, M. A. Losada, N. Antoniades, A. López, J. Mateo, X. Jiang, and N. Madamopoulos, “Modeling Methodology for Engineering SI-POF and Connectors in an Avionics System” Journal of Lightwave Technology, 2013, vol. 31, no. 3, 468-475. [7] N. Antoniades, M. A. Losada, J. Mateo, D. Richards, T. K. Truong, X. Jiang, M. Madamopoulos. "Modeling and characterization of SI-POF and connectors for use in an avionic system". 20th Intl. Conf. on Plastic Optical Fibres and Applications. Bilbao, Spain s.n., 2011. [8] M. A. Losada and J. Mateo, “Short range (in-building) systems and networks: A chance for plastic optical fibers”, chapter 7 of edited book by N. Antoniades, G. Ellinas, and I. Roudas, (Eds.), “WDM Systems and Networks: Modeling, Simulation, Design and Engineering”, Dec 2011, Springer Inc. [9] Amanda Esteban Sánchez, “Análisis de los efectos de conectores sobre las propiedades de transmisión de fibras ópticas de plástico”. Proyecto Fin de Carrera, Ingeniería Telecomunicaciones Zaragoza, 2011. [10] A. Esteban, M. A. Losada, J. Mateo, N. Antoniades, A. Lopez, and J. Zubia, “Effects of Connectors in SI-POFs Transmission Properties Studied in a Matrix Propagation Framework”, Proc. of International Conference on Plastic Optical Fiber (ICPOF 2011), paper D-2, September 2011, Bilbao Spain. [11] E. Grivas, D. Syvridis, G. Friedrich, "Influence of connectors on the performance of a VCSEL-Based standard Step-Index POF link", IEEE Photonics Technology Letters, December, 2009, Vol. 21. [12] J. Mateo, M. A. Losada, N. Antoniades, D. Richards, A. López, J. Zubia. “Connector misalignment matrix model”. In Proceedings of 21th Int. Conf. on Plastic Optical Fibers, 2012. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS. 35 [13] Connector, ST Connector POF 1 mm, Available at: http://i-fiberoptics.com/connectordetail.php?id=105&cat=pof (Accessed: 12 October 2013) [14] O. Ziemann, J. Krauser, P. E. Zamzow, W. Daum." POF Handbook: Optical Short Range Transmission Systems ". ed. 2nd. s.l. : Springer, 2008. [15] Fiber Cutter, Available at: http://i-fiberoptics.com/tool-detail.php?id=110&cat=cutting (Accessed: 5 November 2013) [16] Disposable Fiber Cutter, Available at: http://i-fiberoptics.com/tool-detail.php?id=120& cat=cutting (Accessed: 15 October 2013) [17] POF Cutter Block, Available at: http://i-fiberoptics.com/tool-detail.php?id=105 (Accessed: 1 October 2013) [18] Micro-ܵݐݎ݅݌்ெ Stripping Tool, Available at: http://i-fiberoptics.com/tool-etail.php?id=330 &cat=stripping (Accessed: 5 October 2013) [19] Frasmotor Kress 530 FM Available at: http://www.kress-elektrik.com/Elektrowerkzeuge .71+M5a1001ef150.0.html?&tx_commerce_pi1%5BcatUid%5D=17&tx_commerce_pi1%5Bsh owUid%5D=35 (Accessed: 10 October 2013) [20] Fiber Polishing Kit, Available at: http://i-fiberoptics.com/tool-detail.php?id=10&cat=kits (Accessed: 25 October 2013) [21] Slurry, Polishing, Available at: http://i-fiberoptics.com/tool-detail.php?id=450&cat =polishing (Accessed: 25 October 2013) [22] Puck, Polishing Plastic ST, Available at: http://i-fiberoptics.com/tool-detail.php?id=409& cat=polishing (Accessed: 25 October 2013) [23] Fotec T570 Available at: http://www.navicpmart.com/advice/advicetmp.cfm/s/ECCD834 51F913030E040000A6F1439F1491545165/v/001~~..%2Fsearch%2Farchivespec.cfm~~CABL FO~~FOTEC~~T570~~%20~~%20|1~~.html (Accessed: 10 September 2013) [24] A. Berganza, G. Aldabaldetreku, J. Zubia, G. Durana, and J. Arrue, “Misalignment Losses in Step-Index Multicore Plastic Optical Fibers”, Journal of Lightwave Technology, V. 31, No. 13, 2013 [25] VersaLink POF Available at: http://www.avagotech.com/pages/en/fiber_optics/eval_kits_ accessories/connectors/hfbr-4531/?WT.mc_id=SupplyFrameSEP&utm_source=supplyFrame& utm_medium=SEP (Accessed: 12 March 2014). [26] USB Power and Energy Meter Interface Available at: http://www.thorlabs.de/thorproduct .cfm?partnumber=PM100USB (Accessed: 31 March 2014). [27] Dino-Lite Digital Microscope Available at: http://www.dino-lite.com/ (Accessed: 15 March 2014). ANÁLISIS DE PÉRDIDAS EN CONECTORES PARA FIBRAS DE PLÁSTICO. ANEXOS. ANEXOS. 42 Los mecanismos que provocan las pérdidas ópticas en la POF pueden ser de origen intrínseco, por la propia constitución de la fibra, o extrínseco, debido a causas como los procesos de fabricación, el envejecimiento, el tendido, etc. · Pérdidas intrínsecas: Dependen principalmente del material del que se compone la fibra y no pueden reducirse sin cambios drásticos en su composición. Este tipo de pérdidas suelen ser de dos tipos: pérdidas por absorción o pérdidas por scattering. En las fibras de vidrio predomina el scattering Rayleigh que es un fenómeno de difusión que se produce cuando la luz encuentra en su camino partículas extrañas al medio continuo, cuyo diámetro es mucho menor que la longitud de onda de la señal. En el caso de las fibras de plástico, el scattering dominante es el llamado scattering Mie y se produce por choques con partículas de mayor tamaño que el Rayleigh. En general, la difusión en las fibras de PMMA es mucho mayor que en las de vidrio y, además de pérdidas de potencia, da lugar a un fuerte acoplo modal que generalmente tiene como consecuencia una reducción del ancho de banda. · Pérdidas extrínsecas: Están relacionadas con el procesado del material y la fabricación de la fibra y por lo tanto pueden reducirse perfeccionando estos procedimientos. Incluyen pérdidas debidas a impurezas en la fibra como polvo o micropartículas, o a imperfecciones en la estructura de la fibra como microcurvaturas, así como también las pérdidas procedentes del tendido de la fibra. A diferencia de las fibras de vidrio las POFs son más resistentes, por lo que son más difíciles de romper en su manipulación. Además presentan unas pérdidas por curvaturas muy bajas, particularmente las fibras de múltiples núcleos. En la Fig. IX se muestra el espectro de atenuación de fibras con núcleo de PMMA de SI y GI. Se tienen ventanas de pérdidas localizadas en ͷ͹Ͳǡ ͸ͷͲݕ͹ͺͲ݊݉ entre los máximos de absorción debidos a armónicos de las vibraciones de los enlaces C-H. Figura. IX Espectros de atenuación de distintos tipos de PMMA-POF: SI (líneas discontinuas), GI (puntos discontinuos). La POF de salto de índice (SI-POF) muestra que la mejor ventana está situada en torno a los ͷ͹Ͳ݊݉, con una atenuación por debajo de ͲǤͳ݀ܤȀ݉. Sin embargo, los diodos ܮܧܦ más eficientes y baratos se fabrican en la región el rojo (͸ͷͲܽ͸͸Ͳ݊݉). En estas longitudes de onda se tiene una atenuación del orden de ͲǤͳͷ݀ܤȀ݉, encontrándose el límite teórico en ͲǤͳͲ͸݀ܤȀ݉. La POF de índice gradual (GI-POF) también posee una transmisión satisfactoria ANEXOS. 43 con unas pérdidas de ͲǤͳ͸݀ܤȀ݉ a ͸ͷͲ݊݉Ǥ El pequeño incremento en la región de longitudes de onda bajas del espectro de atenuación en la GI-POF se relaciona con el dopante utilizado para formar el perfil gradual. La atenuación depende de la apertura numérica de la luz inyectada ya que es diferente para los distintos modos (ángulos). Los valores citados, referidos a fuentes colimadas monocromáticas pueden aumentar incluso en ͲǤͳ݀ܤȀ݉ con luz lambertiana con una anchura espectral de ͳʹͲ݊݉. A. IV DISPERSIÓN Y ANCHO DE BANDA. La velocidad de transmisión viene limitada por la dispersión que está causada por las características dispersivas de la fibra, lo que provoca ensanchamiento de los pulsos a medida que se propagan y, en consecuencia, deformación de los mismos, acarreando errores que, en definitiva, provocan fallos en recepción. Existen fundamentalmente dos tipos de dispersión que afectan a la POF: la dispersión material, debida a la dependencia del índice de refracción con la longitud de onda y la dispersión intermodal, propias de las fibras de múltiples modos. Este segundo tipo es el que predomina en las fibras de plástico de PMMA, debido al gran número de modos que se propagan por ellas. Figura. X Efecto dispersión. · Dispersión material: Debido a que la anchura espectral del emisor no es nula y que a cada longitud de onda le corresponde una velocidad de propagación, se producirá un ensanchamiento de los pulsos que será proporcional a la distancia de propagación. Aunque con SI-POF se utilizan fuentes de gran anchura espectral, como LEDs, este tipo de dispersión es despreciable frente a la intermodal que es el predominante en fibras de perfil de salto de índice. Por otra parte, en fibras de índice gradual, con baja dispersión modal, la dispersión cromática puede ser importante. · Dispersión intermodal: Tiene su origen en las distintas velocidades de propagación de los distintos modos (direcciones o ángulos de propagación). Dos rayos de igual longitud de onda que incidan simultáneamente pero con direcciones distintas llegarán en instantes diferentes al extremo receptor. Esto viene agravado por el hecho de que las fuentes utilizadas suelen ser de gran apertura e inyectan luz en la mayor parte de los modos. Además, debido al fuerte acoplo modal (transferencia de energía de unos modos a otros) la potencia puede cambiar de dirección durante su propagación lo que hace más complicado un estudio de esta limitación ANEXOS. 44 Figura. XI Diferencia de caminos de rayos en SI-POF. En la Fig. XI se observan las diferentes direcciones que pueden tomar las ondas según el ángulo con el que incidan sobre el cladding (cubierta). Para reducir la limitación procedente de la dispersión intermodal, se propone la fabricación de POF con núcleo de índice gradual con el que se equilibran las velocidades de propagación de los diferentes modos (Fig. XI) permitiendo tasas de ܩܾ݌ݏ en las mismas distancias. Figura. XII Diferencia de caminos de rayos en GI-POF. La fibra como sistema lineal se puede describir como un filtro paso bajo. Su ancho de banda se puede describir de distintas formas. El ancho de banda de la fibra como sistema indica el rango de frecuencias de un sistema para el que la transmisión de señales se realiza con una atenuación razonable. La definición más habitual es la que describe la Fig. XIII que es el ancho de banda a ͵݀ܤ. Así ݂ ଷௗ஻ es la frecuencia a la cual la amplitud de una señal sinusoidal modulada monocromáticamente es reducida a 1/2 del nivel óptico. Figura. XIII Definición de ancho de banda. ANEXOS. 45 ANEXO B: HERRAMIENTAS, FIBRAS Y CONECTORES. En este anexo se incluyen las hojas de características de las fibras empleadas, de los conectores así como las de los principales instrumentos utilizados en el sistema de medidas. B. I FIBRAS. B. I. I FIBRA ESKA MITSUBISHI, GH-4001. Figura. XIV Hoja de datos de la fibra Eska Mitsubishi, GH-4001. ANEXOS. 46 Figura. XV Curvas características de la fibra Eska Mitsubishi, GH-4001. ANEXOS. 47 B. I. II FIBRA TORAY, PGU-FB1000. Figura. XVI Hoja de datos de la fibra Toray, PGU-FB1000. ANEXOS. 48 B. I. III FIBRA HFBR-RUS100Z Figura. XVII Hoja de datos de la fibra HFBR-RUS100Z. ANEXOS. 49 B. I. IV FIBRA ASHI KASEY, SMCK-1000. Figura. XVIII Hoja de datos de la fibra Ashi Kasey, SMCK-1000. ANEXOS. 50 B. II CONECTORES. B. II. I CONECTOR ST. Figura. XIX Hoja de datos del conector ST. ANEXOS. 51 B. II. II CONECTOR VL. Figura. XX Conector VL. ANEXOS. 58 4. Sub Display de la derecha (4) La pantalla cuenta con los siguientes elementos configurables, las posibles opciones dependen del sensor conectado: - Sin pantalla. - Valor mínimo - muestreo hasta que se restablece. - La frecuencia o repetición tasa. - Temperatura. - La resistencia del sensor de temperatura. 5. Indicador gráfico de barras (5) El indicador gráfico de barras muestra la incidencia o el rango de medición utilizado. 6. Funcionamiento y configuración Botones (6) - Deja de botón de acceso directo: [Shift + F8]. - detiene la aplicación PM100. - para reiniciar pulse la flecha blanca en la barra de herramientas. 7. Pantalla del usuario (7) Los valores estadísticos en representación lineal y logarítmico. 8. Pantalla de registro de datos (8) Muestra los datos de la historia de explotación. 9. Histograma (9) Histograma de energía / Energía. - Histograma muestra los datos. 10. Display gráfico (10) Gráfico de energía / Energía con auto escala Y y una longitud historia 1.000 puntos. ANEXOS. 59 C. II SOFTWARE PARA CONTROL DE CÁMARA DINO-LITE. La cámara Dino-Lite contiene un disco de instalación con un software “DINOCAPTURE 2.0” diseñado por su fabricante, dicho programa es el que permite una interfaz cómoda de trabajo para el usuario y permite explotar al máximo el rendimiento de la misma. Figura. XXIII Captura del programa de control de la cámara Dino-Lite. Configuración aplicación: permite seleccionar carpeta de trabajo. Herramientas de tratamiento para las imágenes. Imágenes salvadas o creadas en otras instancias. Proporciona ayuda online. Imágenes cargadas: Banco de imágenes pertenecientes a uno o varios espacios de trabajo que han sido cargados por el usuario. Barra de herramientas: Conjunto de herramientas que se pueden emplear manipular y trabajar con la imagen en específico que se esté visualizando. Resolución: Permite ajustar la resolución de la cámara. Aconsejable utilizar una plantilla proporcionada por el fabricante antes de realizar cualquier trabajo. Imágenes guardadas: Conjunto de imágenes pertenecientes a un espacio de trabajo y que han sido almacenadas en el mismo. ANEXOS. 60 Configuración de imagen: Permite trabajar sobre la imagen visualizada y controlar el encendido del flash, configuraciones sencillas y manipulación de imagen. Herramienta de trabajo de imágenes: Es una muestra de la aplicación de la barra de herramientas en este caso permitía trazar una línea entre dos puntos cualesquiera, haciendo uso de la calibración se obtiene un valor real. Anotaciones: Pie de imagen, permite anotar, añadir, agregar notas al pie de la imagen. Directorio de trabajo: Ruta de trabajo del proyecto ejecutado. Espacio de trabajo. C. III SOFTWARE PARA ALINEACIÓN DE MOTORES. El software NSC200 NewStep Controller Utility permite manejar y controlar los motores conectados a la matriz NSC-SB. El objetivo es dar una interfaz agradable para el usuario y fácil de configurar. Este programa desarrollado en LabView está creado para manejar tantos motores como le permita controlar la matriz y en todos modificar desplazamiento, offset, velocidad y demás parámetros. Figura. XXIV Captura del programa NSC200 NewStep Controller Utility: centrado. Modelo: Identifica el modelo de motor que está siendo controlado mediante la matriz. Es necesario tener presente antes de comenzar qué modelo de motores empleamos. Controlador: Permite identificar con que matriz se está trabajando. Canal: Permite identificar en cada matriz a que motor se desea configurar ciertos parámetros. Posición: Muestra la posición real que tiene configurada el motor marcado. ANEXOS. 61 Botones control de software: Permite para el proceso de ajuste, medición o configuración así como deshabilitar o habilitar un motor. Además permite salir del programa. Pestañas de configuración: Configuran todo los aspectos de software, offset, desplazamientos máximos, desplazamientos mínimos, velocidad, aceleración. Permite ver la configuración de cada motor de manera independiente y ajustar otros parámetros de ello. Permite conocer el estado de la conexión con el motor y presente una ayuda online. Control de posición: Ajuste del desplazamiento de los motores, tiene un valor máximo y un mínimo que debe ser previamente configurado en las “Pestañas de configuración”. Si el usuario se excede de esos valores se dará un error. Trabaja sobre el motor seleccionado. Control de posición paso a paso: Permite realizar el desplazamiento de manera cuidadosa y de paso a paso, se va incrementando/decrementando la posición de acuerdo al botón marcado por el usuario y el offset añadido. Trabaja sobre el motor seleccionado. Reset de posición: Son botones configurables en las “Pestañas de configuración” y permiten volver a la posición inicial de los motores. Muy útiles en caso de que se sobrepasen los límites de desplazamiento de los motores. Figura. XXV Captura del programa NSC200 NewStep Controller Utility: configuración. Configuración: Permite ajustar los parámetros de controlador para el motor. Es necesario conocer por el fabricante dichos valores para no incurrir en ciertos errores. Estos parámetros deben ser configurados y guardados, son característicos de un modelo de motor. Menú configuración: Ajuste de configuración, guardar, cargar, configurar con carga de un archivo, etc. ANEXOS. 62 C. IV PROGRAMA DE CONTROL DEL SISTEMA EXPERIMENTAL. El programa Conector_Pérdidas permite el control sobre el sistema experimental. Este programa ha sido desarrollado en la EINA basado en LabView y su objetivo es el control del sistema de motores XY además de permitir la representación de la matriz de transmisión de potencia de una fibra a otra. Figura. XXVI Captura del programa Conector_Pérdidas. Barra de herramientas: Control de acceso a la configuración del programa. Abrir, guardar, etc. Botones de configuración: Permite la carga del programa. Es necesario para el comienzo del programa permite arrancar el proceso de los motores. Bloque de programación: Acceso al código del programa, permite reconfigurar y controlar la ejecución de cada bloque. Directorio: Ruta de acceso al fichero donde se guardarán los resultados. Permite cambiar el nombre del fichero así como la ruta. Port: Puerto de configuración por defecto toma el puerto serie. Xpos y Zpos: Posición actual de los motores. ANEXOS. 63 XZero y ZZero: Posición origen de los motores. Posición de partida. Power: Potencia medida en ese punto que se encuentren los motores. Move: Botones de acción secuencial sobre los motores, pasos pequeños. Stop y Save: Una vez que comienza a correr el barrido este se puede parar o esperar al final para poder salvar el contenido en la dirección asignada en “Directorio”. Actual Pos: Posición actual de los motores dentro de la ejecución, posición final de los motores, paso de los motores y comienzo de ejecución. 3D Graph: Visualización de la matriz creada por el barrido de los motores. C. V PROGRAMAS DESARROLLADOS. El entorno de programación MatLab™ ha sido la herramienta fundamental en este proyecto para trabajar tanto con simulaciones como con los datos experimentales recogidos. A continuación se enumeran los programas utilizados según su función. Multicore_Rotatio_Loss.m: programa mediante el cual se realiza las medidas de simulación para las fibras de múltiples núcleos. Con este se obtienen las Fig. 17 y 18. figuras.m: programa para el cálculo de las pérdidas por desalineamientos rotacional, transversal y longitudinal, además para las combinaciones entre ellos mostradas. Con el obtenemos las Fig. 16,17 y 19-23. Histoconnect.m: programa para la representación en forma de histograma de los datos obtenidos experimentalmente para las cortadoras. Representación de los histogramas de la Fig. 12. Plosticton14.m: programa para la representación de los datos de cada cortadora, pulidos, sin pulir, media y varianza de las cortadoras. Con el obtenemos las Fig. 8-11. ANEXOS. 64 ANEXO D. ARTÍCULOS PUBLICADOS. Influence of Termination on Connector Loss for Plastic Optical Fibres M. A. Losada, F. A. Domínguez-Chapman, J. Mateo, A. López, J. Zubia* Photonics Technology Group (GTF), Aragón Institute of Engineering Research (i3A), Universidad de Zaragoza, Zaragoza, Spain *University of the Basque Country, Bilbao, Spain Tel: (34) 976 762373, Fax: (34)976 76 2111, e-mail: alo[email protected] ABSTRACT We assess the influence of fibre end termination on connector loss for single-core and multi-core plastic optical fibres (POF) using different finishing procedures. Insertion loss for standard ST connectors was measured for fibres from different manufacturers but all with poly-methyl-methacrylate (PMMA) cores, high numerical apertures (NAs) and claddings of 1 mm diameter. We tested single-core fibres with step-index (SI) profiles and a multi-core fibre with 19 cores. We found that the most suitable tool is different depending on the fibre characteristics and that connector insertion loss can be as low as 0.5 dB confirming the high impact of the finishing procedure. Keywords: Plastic optical fibres, optical networks, connectors, optical power loss. 1. INTRODUCTION Plastic optical fibres (POF) have proven to be a competitive transmission media in short range applications as in-house and automotive networks. The higher attenuation and lower transmission rates of POFs do not pose an obstacle at these lengths while their large sizes and numerical apertures ease light coupling and connection and allow the use of low-cost active components. Short reach networks, however, are characterized for their large connectivity which, due to the lack of an effective method for splicing POFs, is generally provided by connectors. As the POF connector loss is large, generally over 1 dB [1], the need of a great number of in-line connectors is a challenge for the POF optical power budget, reducing maximum link length along with fibre attenuation. In addition, there is experimental evidence that connectors change network performance increasing bit error rates and that their effect is different depending on their position relative to transmitter and receiver [2-4]. In a previous work [1], we measured insertion loss for different connector types and for several step-index (SI) single-core 1 mm PMMA fibres. We concluded that connector losses change depending on the termination procedure applied to the fibre ends and that the tool that produces the minimum insertion loss can be different for each fibre type. In all cases, we found that a polishing procedure reduced connector loss. Then, we characterized the changes in angular power distribution introduced by different connector types on each fibre that is the clue to understand their impact on bandwidth and thus, on network performance [2-4]. We verified that different connector types produced distinct power spreading related to the fibre end distance provided by the double connector structure and different overall loss. In addition, we studied theoretically and experimentally the additional variability introduced by transversal and longitudinal misalignments in the insertion loss [5] that can also have an impact in fibre transmission properties. Multi-core POFs, due to their small bending loss, have been considered as a promising candidate for short range applications but its connector loss can be increased by the extra degree of freedom introduced by the relative position of the cores. Thus, taking as a starting point our previous work [1], here we present a more thorough analysis of the insertion loss of standard ST connectors extended to more single-core fibres and also a multi-core fibre together with a very thorough and extensive analysis of termination procedures and tools. The paper is organized as follows. We first present the procedure used to measure insertion loss and describe the termination tools making special emphasis on the razor cutters. Next, connector losses are shown for each of the different fibre and termination tool combination to determine the optimal for each fibre type. Then, the global performance of the different termination tools is assessed regarding not only absolute power loss but also other parameters such as loss variability, ease of manipulation, durability, etc. The impact of subsequent polishing is also analysed. Finally, we discuss our results and summarize the conclusions derived from them. 2. EXPERIMENTAL METHODS We have studied four single-core fibres and one multi-core fibre. The single-core fibres are: PGU-FB1000 (PGU) from Toray, HFBR-RUS100Z (HFB) from Agilent and ESKA PREMIER from Mitsubishi: GH4001 with black jacket (BGH) and GH4002 duplex with white jacket (WGH). They all have SI profiles, NA near 0.5, a 1 mm core of PMMA and a 2.2 mm poly-ethylene (PE) jacket. The multi-core fibre is MSCK1000 (MSC) from Asahi Kasei. It has 19 PMMA cores with 200 µm diameters and SI profiles, a cladding diameter of 0.9 mm and a ANEXOS. 65 2.2 mm PE jacket. Connector loss was also measured for other different fibres types and the results used to assess the tools and procedures but not for an individualized study. Connector insertion loss has been obtained using standard POF equipment (a LED-based transmitter at 665 nm and power meter from Fotec). Power was measured for short segments of the fibres (from 75 to 125 cm) before and after inserting the connectors. After dividing the segment in two, each fibre end was finished using tools specific for POFs. The termination protocol applied consisted in cutting the fibre first and then, stripping the jacket length necessary to fit the connector. In this study, we prepared the fibre ends using the three different razor cutters shown in Figure 1 to evaluate their performance for each fibre type: Cutter A: Fibre cutter B0605005, is a metal razor cutter that is able to perform up to 5000 cuts according to manufacturer. It has the added advantage that can be used without a supporting surface [6]. Cutter B: Disposable razor cutter IF-FC4, recommended to use only once per hole [7]. Cutter C: POF Cutter Block IF-FC1, each razor is recommended for up to 50 uses. It needs a very firm and plane supporting surface to give good results [8]. Cutter A Cutter B Cutter C Figure 1. Fibre cutters: on the left, cutter A, in the middle, disposable cutter B, and on the right, cutter block C. The jacket stripper used to remove the 17 mm required to fit the ST connector was the Micro-Strip ™ from [9]. After fitting the two connectors and joining them with a double connector, the power was measured again and loss obtained comparing to the initial power measurement. Moreover, we analysed the effect of polishing after using each of the cutters. The polishing tool were two sandpapers with different roughness levels (ref IF CPK: Kit containing two sheets 10 x 14 cm of 2000-grit and 3 µm polishing films) and the procedure was performed manually by pressing the fibre to the paper following a figure 8 polishing pattern several times. Its duration depended on the quality of the cut that was different for different fibres and different cutters. The power was also measured after polishing to obtain a new value of connector loss. 3. RESULTS In this section, we first make an individualized analysis of connector loss for each fibre type to assess the cutter most suitable for it. Then, we consider all the available data in order to obtain a histogram for each cutter and evaluate its global performance. Increment of connector loss was represented versus the number of cuts to assess the durability of each tool. Finally, we discuss the effect of polishing the ends of the fibres on connector loss. 3.1 Connector loss for different fibres Connector losses were obtained for the 5 fibre types using each of the 3 razor cutters. The average and standard deviation were calculated from at least 8 measurements for each cutter-fibre pair. These results are shown in Figure 2.a (before polishing) and Figure 2.b (after polishing) for the 5 fibres and the 3 cutters. The results show that the performance of cutter C is not satisfactory for the single-core fibres, giving losses always higher than 2 dB and with very high variability derived from the standard deviation. However, cutter C gives the best results for the multi-core fibre, 1 dB below those of cutter A. Cutters A and B produce very similar losses except for cutter A with the WGH and cutter B with the HFB where they are near or above 2 dB. Thus, providing the adequate tool is chosen, connector loss can be below 1.5 dB even before polishing that, as the figures illustrate, always reduces loss and deviation. Its global effect will be assessed later. Average connector loss is lower for the single-core fibres than for the multi-core. Also, if we consider the best tool for each fibre after polishing, loss for the multi-core is 1.09 dB while for the other fibres is always below 0.7 dB. This significant difference between single and multi-core fibres can be explained by the misalignment of Cutter A Cutter B Cutter C 0 1 2 3 4 5 6 Connector Loss (dB) a) Unpolished BGH PGU WGH HFB MSC Cutter A Cutter B Cutter C 0 1 2 3 4 5 6 Connector Loss (dB) b) Polished BGH PGU WGH HFB MSC Figure 2. Average and standard deviation of connector loss. a) Unpolished connectors. b) Polished connectors. ANEXOS. 66 0 10 20 30 40 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Number of cuts Additional Losses (dB) Cutter A Cutter B Cutter C Figure 4. Addition al losses as a function of the number of cuts . individual cores in both fibres due to rotation over the fibre axis when inserted in the connector. In a control experiment, we found that this effect can account for an increase of 0.35 dB relative to single-core fibres. 3.2 Evaluation of the razor cutters Here, we assess the performance of the different cutters analysing the histograms shown in Figure 3 that have been obtained by taking out all data for unpolished connectors, regardless of the fibre type, and using other fibres types different than those of the previous individualized study. 01234567 0 5 10 15 20 1.61 Connector Loss (dB) Frequency Cutter A 01234567 0 5 10 15 20 25 30 1.95 Connector Loss (dB) Cutter B 01234567 0 5 10 15 20 2.60 Connector Loss (dB) Cutter C Figure 3. Histogram of unpolished connector loss for the three cutters. The average insertion loss obtained with the three cutters from the data in the histograms is: 1.61, 1.95 and 2.60 dB for cutters A, B and C, respectively. Cutter A has lower losses and lower variability than cutters B and C, although the difference in average loss is not large with cutter B. The higher losses and variability obtained for cutter C can be explained by its poor results with the single-core fibres. The mode, however, is similar for the three graphs and around 1.25-1.5 dB. According to these histograms, the best global performance is attained with cutter A that is also easy to handle and does not need a firm surface for support. In addition, the durability of cutter A outstands that of the other tools as illustrates Figure 4 that shows results of a durability test for the three razors. In these graphs, loss was measured for the fibre that gave the best results for the particular cutter. On the vertical axis the increment in loss for every five cuts is shown. This figure shows the remarkably good performance of cutter A with hardly any change after 40 cuts. It also shows that the use of cutter B can be extended beyond the manufacturer recommendations (only 1 cut). On the other hand, apart from is higher change rates, it was observed that cutter C has to be handled with care as the razors get easily damaged. In particular, when used with fibres with hard jackets the surface of the razor in contact with the used hole is chipped at the first use. 3.3 Effects of polishing The averages and standard deviations of connector loss shown in Figure 2.b confirm that polishing the fibre ends always diminishes connector loss that is below 1 dB for single-core fibres for most conditions, and less than 1.2 dB for the multi-core fibre. The standard deviation is also reduced below 0.25 dB. In fact, polishing equalizes the losses for all fibres and reduces the differences between the cutters at the cost of a longer and harder polishing procedure when starting from rougher and less uniform surfaces. For example, polishing takes much longer for the PGU fibre terminated with cutter C than when it is terminated with cutter B, even if the final loss ends up being very similar. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 10 20 30 40 50 60 70 2.05 Unpolished Connector Loss (dB) Frequency All cutters, all fibres 0 1 2 3 4 5 6 7 0 10 20 30 40 50 60 70 0.95 Polished Connector Loss (dB) All cutters, all fibres Figure 5. Histograms of connector loss for unpolished ends (left) and polished ends (right). ANEXOS. 67 The global effect of polishing can be visualized in the histograms shown in Figure 6 obtained for unpolished and polished fibre ends. These figures clearly confirm that, when the polished protocol is performed, both the average and the mode of insertion loss are pushed down (the average from 2.05 dB to 0.95 dB, and the mode from 1.5 dB to 1 dB) and the variability is also highly reduced. 4. DISCUSSION In our previous study of connector loss using only SI single-core fibres we measured losses for ST and Versalink (VL) connectors using cutters A and B. We found that with any of the two cutters, connector losses for a given fibre are similar for ST and VL connectors and that cutter A produced slightly lower insertion losses and lower variability than cutter B, which is in agreement with our present results as demonstrated by the histograms in Figure 3. Here, we also concluded that cutters A and B perform better for single-core fibres, while cutter C gives very poor results. In fact, in the previous study, cutter C was discarded as its losses were always very high. Now, we have seen that its razor is actually damaged when used with harder jackets and more compact fibres. On the contrary, cutter C shows an excellent performance for fibres with softer jackets and is particularly good for the multi-core, which may offer less resistance than the single-core. Also, although all fibre jackets were nominally made of PE, there may be some variants of the same material with different resistance or hardness. Our present study has rendered lower losses for the single-core fibres obtained after polishing (0.78 dB) than those obtained in the previous study (0.88 dB) probably because here polishing was applied until the surface was sufficiently smooth. We have determined that, although polishing always improves termination quality and diminishes loss, its extent depends on several factors. The connector type can constrain the effects of polishing as we showed in [1] that, before polishing, ST and VL connectors have similar insertion loss, but after polishing, it was significantly higher for the VL connector due to the easier intrusion of the polishing slurry. Also, the length of the polishing procedure is determined by the initial quality of the end surface so that a better cut needs less polishing to obtain the same final results. Thus, the correct choice of tool can save a lot of time. However, for rough surfaces not even a very long and extensive polishing lowers the loss down to the result obtained when starting from a more regular surface. Although the decrease in loss introduced by polishing a single connector is not large, it can be important when the link includes tenths of connectors as in railway or airplane networks. 5. CONCLUSIONS We conclude that a careful use of the finishing tools can greatly improve the quality of the termination and thus, lower connector insertion loss. We found that ST insertion loss for single-core fibres can be below 1.5 dB depending on the cutter used, and that this value can be as low as 0.5 dB after polishing for some of the single-core fibre types. For multi-core fibres connector losses are significantly higher which can be explained by the misalignment of individual cores in both ends due to rotation over the fibre axis when inserted in the connector. We have determined that, if a polishing protocol is applied to the fibre ends, the ST connector loss is practically independent on the tool used. Thus, the polishing procedure equalizes the performance of the cutters but the duration of the process is not the same depending on the initial termination quality. Still, for networks with high connectivity, the extra time devoted to install the connectors may be worth it as it can significantly increase the power budget. ACKNOWLEDGEMENTS This work was supported by Spanish government under Grant TEC2012-37983-C03-03. We want to particularly thank Asahi Kasei and their representatives in Europe, Sojitz Europe PLC for donating the MSCK1000 fibre. REFERENCES [1] A. Esteban, M.A. Losada, J. Mateo, N. Antoniades, A. López, and J. Zubia,: Effects of Connectors in SI-POFs Transmission Properties Studied in a Matrix Propagation Framework, in Proc. of 20th International Conference on Plastic Optic Fibres and Application 2011, Bilbao, Spain, 2011. [2] E. Grivas, D. Sivridis, and G. Friedrich: Influence of connectors on the performance of a VCSEL Based standard step-index POF Link, IEEE Photonics Technology Letters, 21, 24, 1888-1890, 2009. [3] N. Antoniades, M. A. Losada, J. Mateo, D. Richards, T. K. Truong, X. Jiang, and N. Madamopoulos,: Modeling and Characterization of SI-POF and Connectors for Use in an Avionics System, in Proc. of 20th International Conference on Plastic Optic Fibres and Application 2011, Bilbao, Spain, 2011. [4] D. H. Richards, M. A. Losada, N. Antoniades, A. López, J. Mateo, X. Jiang, and N. Madamopoulos, Modeling Methodology for Engineering SI-POF and Connectors in an Avionics System Journal of Lightwave Technology, vol. 31, no. 3, 468-475, 2013. [5] J. Mateo, M. A. Losada, N. Antoniades, D. Richards, A. López, and J. Zubia,: Connector Misalignment Matrix Model, in Proc. of 21th International Conference on Plastic Optic Fibres and Application 2012, Atlanta, US, 2012.