Un nuevo método de calibración de arco ha sido desarrollado para la fusión de fibras ópticas con una gran variedad de diámetros de vidrio. Este método calienta la fibra con varios arcos cortos y mide la cantidad fusionada en las esquinas de las terminaciones de las fibras. La velocidad de fusión en la terminación de la fibra es proporcional a la temperatura de la fibra.

Mediante la variación de la potencia de arco de los múltiples arcos, podemos determinar la potencia de arco deseada y la velocidad de fusión apropiada para la fibra probada. Este método ha probado ser consistente y preciso utilizando una nueva fusionadora con una zona de plasma controlable. La fusionadora puede seleccionar automáticamente la potencia del arco correcto para fibras con diferentes diámetros de vidrio. Permite a los parámetros de corte y empalme optimizados poder ser transferidos fácilmente a múltiples fusionadoras en líneas de producción, lo que da unos resultados de empalme de alta calidad.

1.0 Introducción
A diferencia de la industria de las telecomunicaciones, donde la mayoría de los diámetros de fibra de vidrio son típicamente de 125 micras, en otros campos (por ejemplo, laboratorios biomédicos y líneas de producción de láser de fibra) a menudo utilizan tipos de fibras ópticas con una gran variedad de diámetros [1 - 3]. Para los láseres de fibra, se utiliza comúnmente fibra LMAs (Large Mode Area) con diámetros de vidrio de 125, 220, 300, y 400 micras. Para una mayor salida de potencia y transmisión en los sistemas de láser de fibra y sistemas biomédicos, fibras ópticas de vidrio con diámetros de 550, 660, y 1000 micras son los típicos. Utilizamos diámetro de vidrio en lugar de diámetro de revestimiento en la prueba, ya que los revestimientos de fibra, o parte de los revestimientos de la fibra, no son de vidrio en muchos diseños de fibras LDF (Large Diameter Fiber), tales como fibras DCF (Double Clad Fibers), unas pocas fibras modo, fibras multimodo (MMF), y otras. Por otra parte, incluso la medición del diámetro de vidrio no sería conveniente para muchas fibras de doble revestimiento, ya que su sección transversal de vidrio puede ser hexagonal u octogonal para romper y eliminar los modos helicoidales. El diámetro de vidrio fibras DCF se basa en el diámetro medio.
La gran variedad de fibra óptica no sólo se encuentra en los diámetros de vidrio. Las estructuras de fibra de vidrio difieren en gran medida de la fibra para telecomunicaciones. El diámetro del núcleo puede variar de 10, 15, 20, 25, 30, a 35 micras para las fibras LMA. El número de núcleos también puede cambiar de uno, dos, a varios núcleos, tales como fibras de siete núcleos. El material del núcleo también puede variar. Podría ser producido con sílice pura, germanio dopado con sílice, o simplemente agujeros para fibras de cristal fotónico (PCF). Incluso se pueden encontrar diferencias más grandes en la estructura del revestimiento para fibras PMF (Polarization Maintaining Fibers). Además, la región de aplicación de la tensión se puede encontrar en diferentes formas, tales como Panda, Bowtie, chaqueta elíptica y otras nuevas estructuras desarrolladas.
Cuando se lidia con una gran variedad de diseños de fibra, el empalme por fusión de esas fibras ópticas se convierte en un tema de vital importancia y en un desafío.
El requisito de calidad de corte y empalme es sustancialmente diferente en los laboratorios de investigación y en las líneas de producción. En los laboratorios de investigación, las personas normalmente trabajan con un sólo equipo de empalme y se concentran en la optimización de los parámetros de corte y empalme para lograr mejores empalmes para un gran número de diferentes combinaciones de fibra. Sin embargo, las líneas de producción, normalmente, utilizan un mayor número de equipos de empalme y tienen que repetir similares combinaciones de consistencia fiable. Hay dos medidas de consistencia transversal: consistencia "crossmachine"y consistencia "overtime". La primera requiere consistencia en la aplicación de parámetros optimizados de laboratorio a múltiples fusionadoras en un entorno de línea de producción. La segunda requiere consistencia en los resultados de empalme durante un período prolongado de repetición de empalmes en diferentes condiciones de corte y empalme, utilizando los mismos parámetros de corte y empalme.
Es relativamente fácil desarrollar equipos de empalme con una gran flexibilidad para hacer unos empalmes de alto rendimiento en el laboratorio.
Es mucho más difícil lograr consistencia "cross-machine" o "overtime" en un diseño de fusionadora para uso en líneas de producción. Es incluso un mayor desafío, diseñar tanto para la flexibilidad de los laboratorios, como para la consistencia en líneas de producción.
Diferentes diámetros y estructuras de fibra de vidrio requieren diferentes zonas de calentamiento y diferentes potencias de calentamiento. La nueva familia de disposición de fusión conocida como ARCMASTER [4], dispone de una zona de plasma controlable. Con su distancia variable de separación de los electrodos, su técnica de plasma oscilante, su universal sistema de sujeción de fibra y sus funciones especiales programables para motor individual y control de arco, las máquinas ARCMaster proporcionan flexibilidad en el empalme y dan forma a una gran variedad de fibras ópticas. Con el fin de diseñar para la flexibilidad requerida por los laboratorios y la consistencia requerida por las líneas de producción, se ha desarrollado e implementado una técnica fundamental conocida como calibración de la potencia del arco. El método de calibración del arco juega un papel crítico para asegurar la calidad de los empalmes, en la selección automática de la potencia correcta del arco, y permitiendo que los parámetros de empalme optimizados sean transferibles a múltiples fusionadoras en las líneas en líneas de producción para la obtención de resultados de empalme consistentes.
En la última década, los métodos de calibración de arco han sido estudiados por muchos fabricantes diferentes de fusionadoras [5-8] para superar la inconsistencia de los resultados de empalme. La contradicción viene de tres razones principales. En primer lugar, la tolerancia de los componentes electrónicos y las partes mecánicas pueden provocar inconsistencias "crossmachine" a la máquina. En segundo lugar, el envejecimiento de los electrodos y los depósitos de sílice pueden causar inconsistencias "crossmachine" y "overtime". Por último, las variaciones en el medio ambiente (presión, temperatura, humedad, etc.) causan inconsistencia "overtime". Para mejorar y resolver la inconsistencia, había dos categorías existentes de métodos de calibración de potencia de arco: el método de fusión tradicional (melt-back), y el método de empalme offset.

1.1 Método Tradicional de fusión (Melt-back)
En el método tradicional de fusión, los dos extremos de las fibras se eliminan, escinden y alinean a una distancia y se calientan por descarga de arco (ver figura 1 para fibras de 125 micras, ver también [6]). Los extremos de la fibra se calientan y la distancia de fusión se mide a lo largo de los ejes de la fibra. El arco de potencia se reduce si la distancia de fusión es demasiado grande, o se incrementa la fusión si es demasiado pequeña. El tiempo normal de calentamiento es de aproximadamente 8 a 20 segundos con potencia de arco de empalme. El valor de fusión recomendado va de 100 micras a 250 micras dependiendo del diámetro de la fibra.
Este proceso tiene que ser repetido hasta que se alcanza una potencia de arco adecuada. Este método requiere un esfuerzo sustancial para la preparación de fibras, especialmente para LDF. Por otra parte, el derretimiento de grandes porciones de fibra resulta en depósitos de sílice pesados sobre los electrodos para LDF de más de 250 micras de diámetro. El estado del electrodo se cambia considerablemente por el método de fusión, por lo que hace inexacta la calibración del arco.

(a) Antes de la descarga del arco
(b) Descarga del arco
(c) Después de la descarga del arco

La fusión de la fibra causa partículas pesadas de sílice que se depositan en las puntas de los electrodos para tipos de fibras LDF, y conduce a calibraciones de arco inexactas.
(A)    Antes de la descarga del arco
(B)     Descarga del arco
(C)     Después de la descarga del arco
Figura 2: Método de empalme Offset para la calibración del arco de potencia. La variación de desplazamiento (offset) se mide en el eje de la fibra por d1-d2.  La fibra 1 y la fibra 2 son del mismo tipo de fibra. Este método funciona bien para las fibras de telecomunicaciones con sólo 125 micras de diámetro.

1.2 Método de empalme Offset
En el método de corte y empalme offset, las fibras se empalman con un eje de desplazamiento (ver. Fig. 2 para fibras de 125 micras [6]). Se mide la variación de offset provocada por la tensión superficial. La potencia de arco necesita ser reducida si la variación de desplazamiento es demasiado grande o mayor si la variación de desplazamiento es demasiada pequeña. Al igual que en el método tradicional de fusión, este método requiere, normalmente, múltiples preparaciones de fibra y empalmes para llegar a una potencia de arco aceptable. Este método funciona bien para las fibras de telecomunicaciones, ya que la mayoría de los diámetros de fibra de vidrio son consistentemente de 125 micras.
Sin embargo, el método de corte y empalme offset no funcionaría para una gran parte de los diversos tipos de diámetro de fibra, ya que la potencia de arco adecuada sería necesario establecerla para cada fibra antes del empalme. Por lo tanto, este método sólo se aplica a las fibras con un diámetro constante, como fibras de vidrio de 125 micras de diámetro de telecomunicaciones.

1.3 Una nueva tecnología del método de potencia variable de fusión
Tanto el método tradicional de fusión como el método de empalme offset que se describen en las secciones anteriores tienen algunas variaciones. Por ejemplo, la distancia de fusión se puede calcular utilizando las imágenes de fibra calientes durante la pre-fusión mediante el examen de la longitud de la parte de emisión de luz de la fibra calentada [8]. El método de fusión también se puede combinar con el método de corte y empalme offset [7] para tipos de fibra de telecomunicaciones.
En este artículo se describe un nuevo método de calibración de arco para una amplia gama de tamaños de fibra. Este método calienta la fibra con múltiples arcos cortos con potencia de arco variable. La fusión se mide a continuación, en la esquina de los extremos de la fibra en lugar de en el eje de la fibra. La velocidad de fusión de la esquina de la fibra es proporcional a la temperatura de la fibra. Mediante la variación de la potencia de arco de los múltiples arcos, se pueden conseguir una velocidad de fusión adecuada y la potencia de arco deseada, para la fibra bajo prueba. Este método ha sido probado con éxito para diámetros de fibra de 80 micras a 660 micras en fusionadoras ARCMaster con zona de plasma controlable.

2.0 Fusión (Melt-back) con potencia variable
2.1 Proceso del método de fusión de potencia variable
Cuando un extremo de  fibra cortado se calienta por una descarga de arco muy corta, en el intervalo de 0,3 segundos a 1 segundo, el extremo de la fibra no cambiará si la potencia del arco es demasiado débil. Si el mismo extremo de la fibra se calienta varias veces utilizando el mismo tiempo de arco, pero aumentando gradualmente la potencia del arco, podemos observar que a un cierto nivel de potencia, la esquina del extremo de la fibra comenzará a redondear de nuevo como se muestra en la figura. 3.
Se emplean unas pocas técnicas clave en el proceso de la fusión de potencia de arco variable. En primer lugar, el tiempo de calentamiento del arco es muy corto, y variará en función del diámetro de fibra de vidrio medida. Para fibras de 125 micras de diámetro, el tiempo de arco puede ser de sólo 0,3 segundos, en lugar de unos pocos segundos en la fusión tradicional. En segundo lugar, la potencia de arco comienza en un nivel de potencia bajo y se aumenta en un pequeño paso, suficiente para evitar que el extremo de la fibra se deforme demasiado rápido. En tercer lugar, la fusión de la esquina se puede medir de muchas maneras diferentes. Por ejemplo, el punto de partida de la deformación en la esquina se puede medir, como se muestra en la figura 3. El cambio de radio de la esquina de la fibra o la variación de la zona de la esquina también se puede medir como indicadores de la cantidad de fusión. En este artículo, la primera definición, mostrada en la figura 3, paso 4, se utiliza como el valor de fusión.
1.    Mida el centro del arco
2.    Mida la distancia del intervalo a la esquina de la fibra
3.    Caliente los extremos con arco de baja potencia
4.    Mida la fusión de la esquina de la fibra (Gap2-Gap1)
5.    Aumente la potencia del arco y repita los pasos 4 y 5
6.    Calcule la potencia deseada del arco desde la inclinación de la esquina fusionada
Figura 3: Ilustración del proceso del método de fusión con potencia de arco variable en la calibración del arco de potencia. La fusión del eje es muy limitada y no medible en muchos casos. El estado del electrodo no está afectado por esta calibración del arco.

2.2  Calibración del arco de potencia
Como se muestra en la figura. 4, la fusión del extremo de la fibra definido en la figura. 3 paso 4 se mide para diferentes niveles de potencia de arco y configuraciones de la zona de plasma. Cada curva de la figura. 4 representa una prueba de fusión, que consiste en 20 a 30 re-arcos de 0,3 segundos de longitud de arco, pero con potencia de arco variable. El nivel de potencia de arco  varía de 0 bit (~ 10,5 mA) a 100 bit (~ 14,5 mA) con incrementos de 25 bits. Entre cada incremento de potencia, se realizaron  5 re-arcos  con potencia constante para determinar la velocidad de fusión. Se realizaron 5 pruebas para cada configuración de la zona de plasma que varía desde un intervalo entre electrodos de 1 mm a uno de 3 mm, con incrementos de 1 mm para comprobar la consistencia. En todas las pruebas mostradas en la figura. 4, SMF28 fue utilizado para comparar la velocidad de fusión y estudiar la estabilidad del método.
La potencia de arco varía de 0 bits (~ 10,5 mA) a 100 bits (~ 14,5 mA) con incrementos de 25 bits. La zona de plasma varía de una distancia entre los electrodos de 1 mm a una distancia entre los electrodos de 3 mm con incrementos de 1 mm. Cada curva representa una prueba de fusión que consiste en 20 a 30 re-arcos de 0,3 segundos de longitud de arco. Se realizaron cinco pruebas para cada configuración de la zona de plasma para comprobar la consistencia. La curva roja muestra la potencia del arco. Cada punto en la curva representa un re-arco.
Se puede observar claramente en la figura. 4 que cuando la potencia de arco es constante, cada curva de fusión crece linealmente, lo que corresponde a la velocidad constante de fusión. Cada vez que la potencia del arco aumenta, las pendientes más pronunciadas de las curvas de fusión indican una velocidad más rápida de fusión. La velocidad de fusión por lo tanto se puede calcular en cada región de potencia de arco constante, como se indica por la curva de paso roja. La velocidad de fusión calculada se representa en la figura 5 (a). También observamos que la velocidad de fusión está relacionada con la temperatura de los extremos de la  fibra. Debido a que el valor de la fusión se mide en píxeles con imágenes digitales, podemos utilizar píxeles como unidad de medida, y así medir la velocidad de fusión (relacionada con la temperatura de la fibra) mostrada por el eje Y en la figura. 5 en píxeles por re-arco. Además, todas las curvas de velocidad de fusión en la figura 5 (a) se pueden aproximar por curvas parabólicas, ya que la energía de calor real aplicada al extremo de la fibra es proporcional al cuadrado de la corriente del arco,  que se denota por el eje X en la figura 5. La figura 5 también muestra que una distancia entre los electrodos más grande indica una velocidad superior de fusión, y una  temperatura más alta en el extremo de la fibra. Esto significa que con el fin de obtener la misma temperatura en el extremo de la fibra en diferentes configuraciones de la zona de plasma, tenemos que aplicar diferentes potencias de arco real.
A partir de la figura. 5, se puede ajustar una curva objetivo deseada (en rojo) matemáticamente. Esta curva de destino puede ser una línea curva o una línea recta. Podemos utilizar esta curva objetivo para regular la potencia de arco nominal (no real) con la velocidad de fusión. La misma curva objetivo se puede utilizar para todas las configuraciones diferentes de la zona de plasma. Se pueden introducir un conjunto de factores de corrección para generar la misma velocidad de fusión  con los mismos ajustes de la potencia de arco nominal. La figura 5 (b) muestra los mismos datos de velocidad de fusión que  la figura. 5 (a), pero en su lugar se muestra la potencia de arco nominal del eje X. La potencia de arco nominal es utilizada por los operarios para establecer su potencia deseada. El objetivo de la calibración de arco es proyectar la potencia de arco real a la potencia de arco nominal. En otras palabras, podemos usar la calibración de arco para encontrar el conjunto de factores de corrección. Este conjunto de factores de corrección se empleará, entonces,  para crear un nuevo dominio de potencia de arco nominal. Dentro del nuevo dominio, la misma configuración de potencia de arco va a generar la misma temperatura en el extremo de la fibra  (por lo tanto, la misma velocidad de fusión) independientemente del diámetro de fibra de vidrio, estado del electrodo, configuración de la zona de plasma, o condiciones ambiente. El cálculo del factor de corrección es sencillo. La diferencia entre la curva objetivo y la curva de velocidad de fusión medida se puede utilizar como el conjunto de factores de corrección.
(a) Velocidad de fusión vs potencia de arco real
(b) Velocidad de fusión vs potencia de arco nominal

2.3 Resultados de calibración del arco
(a1) extremo de la fibra de 125 μm después de la calibración del arco
(a2) Fusionado con un intervalo entre electrodos de 1 mm
(a3) Fusionado con un intervalo entre electrodos de 3 mm
(b1) extremo de la fibra de 220 μm después de la calibración del arco
(b2) Fusionado con un intervalo entre electrodos de 1 mm
(b3) Fusionado con un intervalo entre electrodos de 3 mm
(c1) extremo de la fibra de 400 μm después de la calibración del arco
(c2) Fusionado con un intervalo entre electrodos de 3 mm
Las fibras también se empalman con diferentes configuraciones de la zona de plasma. El mismo ajuste de potencia nominal se utiliza para todas las fibras anteriores y las zonas de plasma, para obtener similares resultados de empalme. En el grupo (c) no hay ninguna imagen para 1 mm de distancia entre los electrodos, ya que la pequeña zona de plasma no es lo suficientemente fuerte como para empalmar fibras de 400 micras.
A partir de los ejemplos que se muestran en la figura. 6, podemos ver los resultados del nuevo método de calibración de arco. Usando el método  de calibración de arco descrito anteriormente, las fibras de 125, 220, y 400 micras  se pueden empalmar con el mismo ajuste de potencia de arco en diferentes zonas de plasma. En otras palabras, los operarios de calibración de arco pueden alcanzar fácilmente los resultados deseados de empalme para diferentes tipos de fibras y diferentes condiciones del plasma (electrodo).
Para cualquier tipo de fibras nuevas o desconocidas, los ingenieros pueden ajustar fácilmente los parámetros de corte y empalme utilizando el mismo ajuste de potencia sin la tediosa búsqueda del nivel de potencia adecuado.
Las imágenes de los extremos de la fibra después de la calibración de arco en la figura 6 muestran también la limitada fusión del eje y la limitada deformación de la forma de la fibra.
En comparación, el método de fusión tradicional en la figura 1 (c) muestra cantidades mucho más altas de deformación. Este nuevo método de fusión tiene un impacto muy limitado en el  estado de la punta del electrodo, especialmente para fibras de gran diámetro, que son propensas a condiciones de electrodos degradados utilizando métodos más tradicionales.
Como se comentó en las secciones anteriores, tanto la fusión tradicional como métodos de empalme offset requieren múltiples preparaciones en el extremo de la fibra y cortes, ya que los extremos cortados de fibra ya no estaban disponibles debido a la fusión o el proceso de corte y empalme. A través de la preparación del extremo de la fibra podría no ser tedioso para fibras estandarizadas para telecomunicaciones de 125 micras, múltiples preparaciones de los extremos de la fibra para fibras de gran diámetro podrían ser a la vez caras y consumir mucho tiempo. Con el nuevo método descrito en este artículo, no es necesario un re-corte ya que el arco comienza a partir de muy baja potencia y aumenta gradualmente hasta un nivel deseado en un proceso de re-arco continuo. 

3.0 Resumen
Un nuevo método de calibración de arco se desarrolla para fusión de fibras ópticas para una gran variedad de diámetros de vidrio con resultados consistentes y precisos. Este método calienta la fibra con múltiples arcos cortos y mide la fusión en la esquina de los extremos de las fibras. La velocidad de fusión de la esquina de la fibra es proporcional a la temperatura de la fibra. Mediante la variación de la potencia de arco utilizando re-arcos de forma continua, se puede alcanzar una velocidad de  fusión ideal. Esta velocidad de fusión idealrepresenta la potencia de arco deseada para el testeo de la fibra  y su fusión. Este método se probó con éxito para diámetros de fibra de 60 a 1000 micras en fusionadoras Splice Master mostradas  en la figura 7 con un zona de plasma controlable. El método puede seleccionar automáticamente la potencia de arco correcto para diferentes tamaños de fibra. Permite fácilmente  a los operarios transferir parámetros de empalme optimizados a múltiples fusionadoras en líneas de producción, lo que resulta en empalmes consistentes y de alta calidad.
(a)    Fusionadora FSM 100P para fibras de hasta 500 μm
(b)    Fusionadora FSM 100P+ para fibras de hasta 1200 μm

4.0 Agradecimientos
Los autores ( Wenxin Zheng y Bryan Malinsky) desean agradecer a N. Kawanishi y su equipo de Fujikura, Japón, por su apoyo en este trabajo, y a D. Duke y S. Althoff por sus comentarios constructivos y correcciones del artículo.
5.0 Referencias
[1] Dong, L., Mckay, H. Marcinkevicius, A., A., Fu, L., Li, J., Thomas, B. K., and Fermann, M. E., “Extending Effective Area of Fundamental Mode in Optical Fibers,” J. Lightwave Technol. Vol. 27, pp. 1565-1570 (2009).
[2] Even, P., Pureur, D., “High power double clad fiber lasers: a review”, Proc. SPIE – Int. Soc. Opt. Eng., 4638 pp. 1-12 (2002).
[3] Jiger, M., Verville, P., Caplette, S., Martineau, L., Brulotte D.A, Gagnon, D., Villeneuve, A. “All-Fiber, Single-Stage Laser Assemblies with 91W Single-Mode, Continuous-Wave Output Power,” Quantum Electronics and Laser Science Conference (QELS), p. JWB59 (2005).
[4] Duke, D., Zheng, W., Sugawara, H., Mizushima, T., and Yoshida, K., “Plasma zone control for adaptable fusion splicing capability”, Proc. SPIE, Photonic West (2012).
[5] Zheng, W., “Automatic current selection for singe fiber splicing,” US Patent 5,909,527, Ericsson Cables, June (1999).
[6] Inoue, K., Sasaki, K., Suzuki, Y., Kawanishi, N., and Tsutsumi, Y., “Method for fusion splicing optical fiber and fusion splicer,” US Patent 6,294,760, Fujikura, Sept. (2001).
[7] Takayanagi, H., and Hatori, K., “Method for calibrate discharge energy of optical fiber splicing device,” US Patent. 7,140,786, Sumitomo, Nov. (2006).
[8] Hatori, K., “Method of determining heating amount, method of fusion splicing, and fusion splicer,” US Patent application no. 11/317899, Sumitomo, Aug. (2006). 

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