¿Qué es una prueba de tracción?

[VoidWalker]

¿Qué le sucede a la señal cuando se alarga una fibra óptica al medir la pérdida de un cable de conexión?

[OFSCN_Tech_Expert]

Al estirar (prueba de tracción o tracción axial) un cable de conexión de fibra óptica y monitorear la señal, el estado de la guía de ondas dentro de la fibra se ve afectado de forma dual por la deformación geométrica y el efecto fotoelástico. Dependiendo del estado de tensión de la fibra y los parámetros de prueba, la señal presenta principalmente los siguientes cambios físicos:

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I. Cambios en la potencia óptica de transmisión y la pérdida de inserción

1. **Estiramiento axial uniforme ideal (etapa de microdeformación):

   • Dentro del rango de deformación elástica de la fibra de sílice (deformación típicamente 0 \sim 10000\ \mu\varepsilon, es decir, alargamiento inferior al 1\%), el diámetro del núcleo y la cubierta de la fibra se contraen lateralmente de forma mínima debido al efecto Poisson (coeficiente de Poisson de la fibra monomodo \nu \approx 0.17).
   • Las fluctuaciones menores en el diámetro del núcleo y el índice numérico tienen un impacto insignificante en la capacidad de confinamiento del modo de onda, por lo tanto, la atenuación intrínseca de la fibra bajo estiramiento puramente axial apenas se degrada de manera apreciable (el cambio de pérdida suele ser inferior a 0.01\ \text{dB}, lo que dificulta su detección directa con un medidor de potencia óptica convencional).

2. **Concentración de tensión local y pérdida por microcurvatura:

   • En las pruebas reales de cables de conexión, a menudo se produce una distribución desigual de la tensión en la base del conector del cable (férula), los clips de los componentes sueltos o los puntos de engarzado.
   • Cuando la tensión de tracción provoca un deslizamiento asincrónico o una compresión lateral entre la cubierta protectora (PVC/LSZH/Kevlar) y el núcleo de vidrio interno, el núcleo de la fibra experimenta pequeñas y aleatorias curvaturas de alta frecuencia (microcurvaturas). Los modos de fuga de orden superior aumentan drásticamente, momento en el cual se puede observar un aumento escalonado de la pérdida o una fluctuación severa de la señal en el medidor de potencia óptica (la pérdida puede aumentar repentinamente varios \text{dB}).

3. **Punto crítico de fractura mecánica:

   • Cuando la tensión axial alcanza el umbral de fractura por microfisuras del vidrio de sílice, la fibra sufre una fractura frágil, la transmisión óptica se interrumpe por completo y la pérdida de inserción se vuelve instantáneamente infinita (\infty).

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II. Cambios en la fase óptica y el retardo temporal

El cambio más sensible y significativo en la señal de transmisión causado por la tracción de la fibra óptica no es la atenuación de potencia, sino la fase óptica y el retardo de transmisión:

• Aumento de la longitud geométrica: La longitud física real de la fibra L se alarga (\Delta L > 0).
• Reducción del índice de refracción debido al efecto fotoelástico: La deformación de tracción axial \varepsilon provoca una disminución en el índice de refracción efectivo del núcleo n_{\text{eff}}:
  \Delta n_{\text{eff}} = -\frac{1}{2} n_{\text{eff}}^3 \left[ p_{12} - \nu (p_{11} + p_{12}) \right] \varepsilon
  donde p_{11} y p_{12} son los coeficientes fotoelásticos de la fibra de sílice.
• Cambio en el camino óptico total (OPL) y la fase: A pesar de la disminución del índice de refracción, la contribución del alargamiento de la longitud física es dominante, lo que resulta en un aumento del camino óptico total. El retardo de fase \Delta \phi de la portadora óptica aumenta linealmente con el estiramiento:
  \Delta \phi = \frac{2\pi}{\lambda} (n_{\text{eff}} \Delta L + L \Delta n_{\text{eff}}) > 0
  En un interferómetro o una prueba de retardo de pulso, se observará un desplazamiento de las franjas de interferencia o un retraso lineal en el tiempo de llegada del pulso.

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III. Cambios en la señal de la rejilla de fibra óptica (FBG) o de detección distribuida

Si la rejilla de fibra óptica (FBG) está integrada dentro del cable de conexión, cuando la fibra se alarga:

• El período de la rejilla \Lambda aumenta, y sumado al cambio del índice de refracción efectivo n_{\text{eff}}, la longitud de onda de reflexión de Bragg \lambda_B experimenta un desplazamiento lineal hacia el rojo:
  \Delta \lambda_B = \lambda_B (1 - p_e) \varepsilon
  En la ventana de longitud de onda de 1550\ \text{nm}, por cada 1\ \mu\varepsilon de estiramiento de la fibra (equivalente a un alargamiento de una millonésima parte), la longitud de onda de reflexión se desplaza aproximadamente 1.2\ \text{pm} hacia longitudes de onda más largas.

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IV. Diseño de estructuras resistentes a la tracción en ingeniería

Los cables de conexión de uso general convencionales, debido a la falta de un soporte rígido resistente a la tracción, sufren una degradación de la pérdida óptica o incluso una rotura del núcleo cuando se someten a una fuerza de tracción externa considerable, ya que la deformación se transmite directamente al núcleo interno.

Para resolver el problema de la estabilidad de la señal en entornos de alta tensión, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) emplea una estructura de protección compuesta de doble capa con blindaje de alambre de acero inoxidable trenzado y un tubo de acero inoxidable sin costura de microdiámetro, que soporta completamente la tensión de tracción axial por las capas metálicas externas, aislando así la fuerza de tracción aplicada al núcleo de vidrio interno:

• OFSCN® 3.0mm Steel Wire Rope Fiber Optic Patch Cord (Resistencia a la tracción > 1200\ \text{N}, Resistencia a la compresión > 200\ \text{MPa})

• OFSCN® 2.0mm Steel Wire Rope Fiber Optic Patch Cord (Estructura totalmente metálica, resistencia a la tracción > 1500\ \text{N})