Le fibre ottiche sono cavi di vetro flessibili, principalmente in silice, attraverso i quali vengono trasmessi i segnali luminosi. Sono costituite da un nucleo, un rivestimento e sono protette da una guaina di plastica (Figura 1). La luce viaggia attraverso il nucleo e il rivestimento impedisce alla luce di fuoriuscire dal nucleo.
Esistono due tipi principali di fibre ottiche: monomodali e multimodali. Le fibre monomodali hanno un diametro del nucleo molto piccolo (da 8 a 10 µm) e possono trasmettere un solo modo di luce (fascio).
Le fibre multimodali hanno diametri del nucleo superiori a 50 µm, consentendo la trasmissione di più modi di luce.
Le fibre monomodali possono trasmettere più informazioni perché hanno una larghezza di banda maggiore rispetto alle fibre multimodali.
Tipi di giunzioni
Esistono due tipi di giunzioni: giunzioni meccaniche e giunzioni a fusione. Una giunzione meccanica consiste nell'allineare le fibre su un supporto che ne consente il fissaggio meccanico o con colla.
Le giunzioni meccaniche sono utilizzate principalmente con fibre multimodali, sebbene possano essere impiegate anche con fibre monomodali a condizione che presentino bassi livelli di eccentricità, presupponendo che le perdite di inserzione siano maggiori e le perdite di riflessione inferiori rispetto a quelle delle giunzioni a fusione.
Le giunzioni a fusione vengono realizzate fondendo il materiale della fibra mediante un arco elettrico ad alta tensione o un altro metodo di riscaldamento. Queste giunzioni possono essere utilizzate con qualsiasi tipo di fibra: monomodale o multimodale, e offrono perdite di inserzione inferiori e perdite di riflessione maggiori (riflessioni ridotte).
Giunzione a fusione:
una giunzione a fusione, in termini generali, consiste nell'unire due fibre fondendo il materiale alle loro estremità mediante una fonte di calore, solitamente composta da due elettrodi tra i quali si genera un arco elettrico quando viene applicata una sorgente ad alta tensione da 4000 a 5000 volt con corrente controllata. Il calore generato dall'arco elettrico dipenderà dalla corrente fornita dalla sorgente ad alta tensione in un dato momento.
La giunzione a fusione viene eseguita utilizzando una macchina comunemente chiamata giuntatrice, giuntatrice a fusione o macchina per giunzione. Le funzioni principali della macchina includono l'avvicinamento delle fibre, l'allineamento, la fusione e il calcolo stimato delle perdite (Figura 2). Infine, le macchine sono dotate di un riscaldatore integrato che consente l'applicazione del protettore di giunzione.
Come realizzare una giunzione a fusione
: Per eseguire una giunzione, le fibre devono essere spelate (rimosso il rivestimento primario), pulite con carta o garza prive di lanugine imbevute di alcol, preferibilmente etanolo, sebbene si possa utilizzare anche alcol isopropilico. Infine, devono essere tagliate con un taglierino di precisione che garantisca un angolo di taglio inferiore a 1° rispetto alla perpendicolare. Le fibre vengono posizionate nella macchina, facendo attenzione a non contaminarle, e la giunzione viene eseguita semplicemente premendo un pulsante, poiché la macchina esegue il processo automaticamente. Una volta completata la fusione, la macchina valuta le perdite di giunzione e si può applicare il protettore di giunzione.
L'allineamento delle fibre è il fattore che maggiormente influenza la perdita di segnale ottico nelle giunzioni in fibra ottica; può essere di tre tipi: longitudinale (separazione), laterale e angolare.
La perdita di segnale ottico dipende dai valori di errore in questi allineamenti e dalle caratteristiche delle fibre da giuntare, inclusi i diametri del nucleo e le aperture numeriche (NA). Si veda la Figura 3.
Uno dei fattori più importanti per ottenere basse perdite durante la giunzione delle fibre ottiche è l'angolo di taglio rispetto alla perpendicolare all'asse; questo angolo deve essere inferiore a 1° su tutta la superficie di taglio. Per effettuare questi tagli si utilizzano taglierine di precisione (Figura 4).
Composizione di una giuntatrice a fusione
Le giuntatrici a fusione sono composte da diversi sistemi, ognuno con funzioni distinte, che possiamo differenziare come segue:
- Sistemi di bloccaggio della schermatura primaria. Il loro scopo è impedire che le fibre si muovano all'interno o all'esterno della macchina e che ruotino durante la giunzione.
- Sistema di visualizzazione del punto di giunzione. Questi sistemi consentono di visualizzare l'area in cui avverrà la fusione. Possono essere costituiti da un microscopio (nelle macchine più vecchie o economiche), da una videocamera e uno specchio, oppure da due videocamere. Queste ultime sono le più veloci, in quanto possono visualizzare simultaneamente entrambi gli assi di allineamento.
- Sistema di allineamento. La sua funzione principale è allineare le estremità delle fibre in modo che i nuclei di entrambe le fibre coincidano nel modo più preciso possibile. Esistono due tipi principali: allineamento del nucleo e allineamento del rivestimento. Il primo individua e allinea i nuclei delle fibre, mentre il secondo fa lo stesso con il rivestimento.
Le macchine in grado di allineare i nuclei utilizzano sistemi di allineamento come LID o PAS.
- Il sistema LID (Light Injection & Detection) funziona iniettando luce attraverso la schermatura in una delle fibre tramite una
curvatura e rilevando la luce trasferita all'altra fibra estraendola dalla schermatura con lo stesso metodo di iniezione. Questo sistema presenta degli svantaggi: la quantità di luce iniettata dipende dall'opacità e dallo spessore della schermatura, quindi non funziona correttamente con alcune fibre. Inoltre, la quantità di luce iniettata ed estratta
è spesso molto debole, il che può rallentare il processo di allineamento.
- Il sistema PAS (Profile Alignment System) esegue l'allineamento utilizzando il profilo dei nuclei delle fibre in immagini ottenute da una o due telecamere quando le fibre sono illuminate da una sorgente luminosa collimata (fasci paralleli). È il sistema più diffuso perché è il più veloce (giunzioni in 9 secondi) e il più versatile.
- Sistema di fusione. È costituito dagli elettrodi e dalla sorgente di alimentazione ad alta tensione e la sua funzione è quella di ottenere una corretta fusione del materiale in fibra ottica.
- Sistema di riscaldamento. La sua funzione è quella di riscaldare il tubo termoretraibile delle giunzioni.
- Sistema di controllo. È responsabile del controllo dei diversi sistemi per automatizzare il funzionamento della macchina ed eseguire la giunzione nel minor tempo possibile e con la massima qualità.
La precisione e la qualità di questi sistemi influenzano significativamente i risultati delle giunzioni e la velocità di esecuzione del lavoro, il che si tradurrà in una maggiore redditività. (Figura 5).
Tipologie di giuntatrici a fusione
Esiste un'ampia varietà di giuntatrici a fusione, che possono essere suddivise in due tipologie principali: le giuntatrici da campo, le più comunemente utilizzate perché impiegate nell'installazione di cavi in fibra ottica, e le giuntatrici industriali, utilizzate per giuntare fibre ottiche nella produzione di componenti elettro-ottici (amplificatori, compensatori, ecc.) o nei laboratori di ricerca (Figura 6).
Le giuntatrici da campo possono unire fibre multimodali: G651, EIA-492 o ISO/IEC 793, e fibre monomodali: G652, G653, G654, G655, G656 e G657.
Figura 7. Giuntatrici a fusione sul campo per fibre a nastro e singole.
Le giuntatrici a fusione industriali possono essere utilizzate anche per giuntare i tipi di fibre utilizzate nelle giuntatrici da campo e le fibre con diametro del rivestimento superiore a 150 µm. Per le fibre che mantengono la polarità (Panda, Bow Tie, ecc.) sono necessarie giuntatrici a fusione industriali più complesse, poiché queste richiedono la rotazione delle fibre per mantenere la polarizzazione.
I cavi in fibra ottica sono realizzati con fibre raggruppate in nastri o con fibre singole inserite in tubi o guaine; pertanto, le giuntatrici a fusione da campo possono essere suddivise in giuntatrici a fusione per nastri e giuntatrici a fusione per singole fibre (Figura 7).
Per unire fibre raggruppate in nastri, è necessaria una macchina in grado di giuntare simultaneamente tutte le fibre del nastro (12, 10, 8, 4, ecc.).
La giunzione di cavi composti da fibre singole viene eseguita con giuntatrici a fusione per singole fibre.
Esistono due tipi principali di giuntatrici a fusione di campo per fibre singole, che si differenziano per il tipo di allineamento utilizzato per unire le fibre: giuntatrici ad allineamento del nucleo e giuntatrici ad allineamento del rivestimento.
Le giuntatrici ad allineamento del nucleo offrono la migliore qualità perché la luce viaggia attraverso i nuclei delle fibre, quindi il loro allineamento minimizza la perdita di segnale ottico in corrispondenza della giunzione. Per questo motivo, sono utilizzate principalmente per la giunzione di fibre monomodali, sebbene possano essere utilizzate anche per giuntare fibre multimodali. Le giuntatrici ad allineamento del rivestimento sono adatte per la giunzione di fibre multimodali, ma possono essere utilizzate anche per giunzioni di fibre monomodali se i centri dei nuclei si allineano con i centri dei rivestimenti (bassi livelli di eccentricità).
Le giuntatrici ad allineamento del nucleo sono costituite da due fessure a forma di V (in cui vengono posizionate le fibre) dotate di meccanismi di movimento laterale e verticale. Queste macchine sono più costose delle macchine ad allineamento del rivestimento perché dispongono di un maggior numero di motori e di telecamere e lenti di qualità superiore.
Le macchine per l'allineamento del rivestimento sono dotate di una scanalatura a V sulla quale vengono posizionate le fibre da unire, allineando così il rivestimento delle fibre stesse. Le fibre monomodali utilizzate nei cavi da diversi anni presentano livelli di eccentricità molto bassi. Pertanto, le macchine per l'allineamento del rivestimento possono essere utilizzate anche per lavorare con cavi in fibra monomodale con meno di 15 anni di vita.
Quale giuntatrice a fusione dovresti acquistare?
Per scegliere il tipo di macchina più adatto alle tue esigenze, dovresti analizzare i seguenti aspetti:
- Tipo di allineamento. Dato che le macchine per l'allineamento del nucleo offrono caratteristiche migliori rispetto alle macchine per l'allineamento del rivestimento, è necessario considerare quanto segue: per le fibre monomodali con perdite minime (settore delle telecomunicazioni), una macchina per l'allineamento del nucleo è l'opzione più consigliata, mentre per la giunzione di fibre monomodali con perdite ragionevoli (FTTx, CATV, LAN, ecc.) o fibre multimodali (LAN, controllo industriale, ecc.), è possibile utilizzare qualsiasi tipo di giuntatrice a fusione.
- Costi. Le macchine per l'allineamento del nucleo sono più costose (² +35%) rispetto alle macchine per l'allineamento del rivestimento.
- Condizioni ambientali. È consigliabile selezionare tra le diverse opzioni sul mercato la macchina in grado di resistere alle condizioni di temperatura, umidità e altitudine in cui verrà utilizzata, nonché alla resistenza alle vibrazioni durante il trasporto, agli urti, alla polvere, ecc. Per i lavori in interni, i requisiti sono molto basilari, ma per i lavori in esterni sono necessari margini maggiori.
- Assistenza post-vendita. Le macchine sono strumenti di alta precisione che richiedono regolazioni periodiche e riparazioni rapide, pertanto è consigliabile disporre di un buon servizio di assistenza tecnica post-vendita a livello nazionale.
Autore:
Pedro Notario, Direttore Tecnico TELECOM-UNITRONICS
