An arragement of flexible and rigid glass optical fibers

Fibras ópticas de vidrio: Propiedades, aplicaciones, fabricación

La fibra óptica hecha de vidrio, también llamada fibra óptica de vidrio, es un material delgado, flexible y transparente que se utiliza para transmitir luz o imágenes en diversas aplicaciones. Son ideales para campos que requieren un rendimiento robusto y fiable, como los sectores médico, industrial, de aviación, de automoción y de defensa, donde la luz y las imágenes deben transmitirse a largas distancias, a través de espacios reducidos o en entornos hostiles. Las propiedades avanzadas de las fibras de vidrio las hacen resistentes a temperaturas extremas, entornos corrosivos, húmedos y de vacío. Descubre todo lo que necesitas saber sobre la fibra óptica.
Tipos de vidrio

Tipos de vidrio utilizados

Hay varios tipos de vidrio utilizados en la fibra óptica:

  • Sílice de alta pureza: Este vidrio proporciona una claridad óptica excepcional y una baja atenuación. Tiene una apertura numérica de aproximadamente 0,2. Por lo tanto, es especialmente adecuado para aplicaciones como las telecomunicaciones.
  • Sílice dopada: En comparación con la silicia de alta pureza, mejora el índice de refracción para aplicaciones especializadas. La apertura numérica suele estar entre 0,37 y 0,39. Las aplicaciones típicas incluyen sistemas de medición de fibra óptica.
  • Vidrio multicomponente como el vidrio de borosilicato: Este tipo tiene la apertura numérica más alta de los tres. Las guías de luz de vidrio multicomponente ofrecen un ángulo de aceptación de hasta 120 grados, mientras que las guías de imagen pueden alcanzar ángulos de aceptación de hasta 180 grados y una apertura numérica de 1. Es personalizable para requisitos específicos de rendimiento y costo y se utiliza principalmente para aplicaciones de iluminación e imagen.
Puravis - Glass Optical Fibers with Ferrule - with light

Comprender las propiedades y aplicaciones de las fibras ópticas de vidrio

Las fibras de vidrio son muy flexibles y no se ven afectadas por una serie de factores ambientales, como la exposición a productos químicos, las altas y bajas temperaturas o la presión. Además, no ofrecen ningún riesgo de interferencia eléctrica. Las características únicas de estas fibras las hacen esenciales para desarrollar sistemas fiables y eficientes en entornos difíciles, por ejemplo, para desacoplar dispositivos electrónicos como fuentes de luz, sensores o cámaras del área de aplicación real.
Principio de funcionamiento

¿Cómo funcionan las fibras ópticas de vidrio?

Las fibras ópticas de vidrio transmiten la luz a través de un núcleo hecho de vidrio óptico ultrapuro rodeado por un revestimiento de vidrio. La luz es guiada a través del núcleo por reflexión interna total. Esto es posible gracias a la combinación de dos materiales con diferentes índices de refracción: un núcleo de alto índice de refracción y un revestimiento de bajo índice de refracción. El principio de reflexión interna total dice que cuando la luz golpea el límite entre el núcleo y el revestimiento por debajo del ángulo crítico, se refleja y se transporta más a lo largo de la fibra hasta el final.

Principio de funcionamiento de la fibra óptica

A rendering showing the functional principle of glass optical fibers

Núcleo y revestimiento de fibras ópticas de vidrio

Core and cladding before they are drawn to glass optical fibers

Transmisión de la luz

Illustration of how a glass optical fiber light guide transfers light

Las guías de luz transportan la luz de un extremo al otro. La disposición de las fibras de SCHOTT se puede aleatorizar para crear una iluminación muy homogénea.

Transmisión de imágenes

Illustration of how a glass optical fiber image guide transfers an image of a sail boat

Las guías de imagen son capaces de transportar imágenes a larga distancia y ampliarlas, reducirlas o invertirlas. Cada fibra en la guía de imagen se puede ver como un solo píxel de imagen, lo que hace que la disposición de las fibras sea crítica.

Fibras monomodo vs. multimodo

Se utilizan diferentes tipos de vidrio para realizar diferentes tipos de fibra.

Fibra monomodo

Illustration of the functional principle of a single-mode fiber

Las fibras monomodo tiene un núcleo reducido (< 10 µm) y un gran revestimiento. Como resultado, sólo un rayo de luz que se transmite, lo que conduce a una baja pérdida y sólo menor dispersión. Esas fibras generalmente se prefieren para datos com de larga distancia.

Fibra multimodo

Illustration of the functional principle of a multi-mode fiber

Las fibras multimodo tienen un núcleo grande (> 10 μm) y un revestimiento pequeño. El núcleo grande permite que todos los rayos de luz en todos los ángeles por debajo del ángulo crítico viajen a lo largo de la fibra. Esto lo hace ideal para aplicaciones de iluminación e imagen.

Propiedades y ventajas

¿Por qué las fibras ópticas de vidrio son flexibles?

Al calentar varillas de vidrio, es posible extraer fibras de vidrio que son tan delgadas como un cabello humano. La velocidad del proceso de estirado determina el grosor de la fibra, que a su vez determina la flexibilidad de la fibra. Cuanto menor sea el diámetro de la fibra, menor será el radio de curvatura. En este sentido, las fibras hechas de vidrio especial son incluso más flexibles y flexibles que las fibras de plástico.

La prueba de bucle de rotura se utiliza para probar la flexibilidad de las fibras de vidrio. Esto se realiza colocando una fibra de vidrio flexible en un bucle, que se aprieta más hasta que la fibra se rompe. Esta prueba ha demostrado que, por ejemplo, las fibras de vidrio con un grosor de 50 micrómetros pueden soportar un radio de curvatura de unos cinco milímetros.

Glass optical fibers that are tied into a knot
Tipos

Tipos de guías de fibra óptica

Las fibras ópticas de vidrio se pueden convertir en productos flexibles y rígidos, generalmente denominados guías o cables. Los cables de fibra óptica flexibles suelen ser más largos que los rígidos y normalmente se utilizan cuando el objetivo de inspección se encuentra a la vuelta de una esquina o en un espacio estrecho y de difícil acceso. Esto exige un alto nivel de flexibilidad y movimiento, requerido, por ejemplo, en endoscopios flexibles.

Las guías rígidas de luz o de imagen están formadas por haces de fibras fusionadas. Las aplicaciones típicas de iluminación incluyen guías de luz para equipos de odontología o endoscopios rígidos. Para aplicaciones de imagen, se utilizan para hacer una amplia gama de conos y placas frontales, que pueden transmitir imágenes ampliadas, reducidas o invertidas desde una superficie de entrada a una superficie de salida. Para dar un ejemplo del campo de la medicina: las placas frontales se utilizan en imágenes de rayos X. También hay disponibles variantes híbridas.

An array of flexible and rigid fiber optic guides
Proceso de fabricación

Cables de fibra óptica de vidrio: cómo se fabrican

Trefilado en fibra

Trefilado en fibra

El equipo de trefilado multifibra de SCHOTTestá cargado con varillas de vidrio suspendidas, que se calientan en el extremo inferior para fusionar el núcleo y el vidrio de revestimiento. Esto crea una sola fibra de vidrio para cada sistema. A continuación, las fibras se estiran hacia abajo, y la velocidad de estirado determina el diámetro de la fibra. En el caso de los conductores de imágenes, el proceso se repite varias veces, con varias fibras recogidas y unidas en un proceso de extracción múltiple.
Empaquetado y extrusión de precisión

Empaquetado y extrusión de precisión

a) Empaquetado de precisión

Varios haces primarios se reúnen para formar un haz de fibras final, con la disposición de fibras dentro de haces flexibles generalmente arbitraria. Para ciertas aplicaciones, puede ser necesario disponer las fibras en un patrón aleatorio (guía de luz) o un patrón específico (guía de imagen).

b) Extrusión

El haz de fibra final tiene la opción de revestirse con polímero en una línea de extrusión para formar un cable. En los procesos de montaje posteriores, los haces de fibra y los cables se cortan a medida según los requisitos del cliente y se equipan con manguitos finales.

Fin de la rescisión

Fin de la rescisión

Dependiendo de la aplicación, se utiliza un proceso especial a) de encolado o b) de fusión para fijar los paquetes en los manguitos. Durante la fusión en caliente, los extremos del haz de fibras se ablandan y se aprietan bajo calor y presión, lo que elimina los espacios entre las fibras individuales y reduce el diámetro del haz. Esto aumenta la cantidad de fibras individuales, lo que proporciona a los haces una transmisión extra alta y una superficie muy densa. Dado que no se requiere adhesivo orgánico, los paquetes pueden soportar temperaturas muy altas.
Redibujar y remodelar Redibujar y remodelar Redibujar y remodelar Redibujar y remodelar
  • Redibujar y remodelar
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Redibujar y remodelar

Las varillas multinúcleo hechas de numerosas fibras se pueden estirar en formas cónicas o doblar o retorcer en formas personalizadas. Esto es especialmente relevante para guías rígidas convertidas en varillas, conos, conos o inversores.
Esmerilado y pulido

Esmerilado y pulido

Para garantizar la mejor transmisión de luz posible, ambos extremos del haz de fibras se muelen y pulen hasta obtener una calidad de grado óptico. Mientras que nuestra opción estándar es el pulido perpendicular al eje óptico, el pulido de curvas también está disponible para aplicaciones especiales como placas frontales.
Inspección de calidad

Inspección de calidad

SCHOTT garantiza una calidad de producto consistente y confiable para cumplir con los requisitos definidos. Las mediciones estándar incluyen mediciones de rendimiento óptico según DIN 58141 Parte 1, Parte 2 y Parte 3, así como mediciones ópticas personalizadas en función de aplicaciones específicas.
Fibras ópticas de vidrio vs. plástico

¿Por qué las fibras ópticas están hechas de vidrio?

Las fibras ópticas están hechas de vidrio debido a sus excepcionales propiedades ópticas, que incluyen alta claridad y baja atenuación. Las fibras de vidrio proporcionan una transmisión de luz fiable y eficiente, esencial para aplicaciones críticas en medicina, industria, aviación, automoción y defensa. Además, el vidrio ofrece propiedades mecánicas, térmicas y químicas excepcionales, lo que lo hace muy adecuado para su uso en entornos hostiles.

 

Vidrio vs. plástico en fibras ópticas

Si bien ambos materiales tienen usos específicos, las fibras ópticas de vidrio son superiores para aplicaciones de alto rendimiento. Ofrecen una menor atenuación, un mayor ancho de banda y una mejor resistencia ambiental en comparación con la fibra óptica de plástico.

 

1. Rendimiento lumínico superior

Las fibras ópticas de vidrio, fundamentales para las guías de luz flexibles y rígidas, ofrecen un rendimiento de transmisión de luz muy alto. El alto índice de reproducción cromática del vidrio garantiza una alteración mínima de la longitud de onda de la luz que entra y sale de la fibra. Las fibras de vidrio también cuentan con una gran apertura numérica de hasta 1, lo que permite que pase más luz e ilumine áreas más grandes con haces de fibras más pequeños. Por el contrario, las fibras ópticas de polímero están limitadas por restricciones de material a una apertura máxima de 0,5.

 

2. Fuerza y flexibilidad

Las fibras de vidrio combinan una resistencia excepcional con flexibilidad cuando se reducen a diámetros muy finos. Esta combinación única permite que las fibras de vidrio se fabriquen tan delgadas como 30 micras, lo que permite radios de curvatura estrechos. Por el contrario, las fibras poliméricas suelen tener diámetros a partir de 500 micras, que a menudo superan 1 mm. Para aplicaciones de imagen, las fibras de vidrio individuales pueden ser tan pequeñas como 4 micras de diámetro, lo que proporciona una alta resolución de píxeles e imágenes detalladas y claras.

 

3. Estabilidad térmica

El vidrio mantiene la estabilidad a temperaturas de hasta 350 °C, lo que hace que los haces de fibra de vidrio o las guías de luz rígidas sean adecuadas para aplicaciones a alta temperatura como la esterilización en autoclave en aplicaciones médicas o entornos industriales hostiles. Sin embargo, las fibras poliméricas generalmente soportan temperaturas de hasta 80 °C, lo que las hace inadecuadas para procesos de alta temperatura.

 

4. Flexibilidad de diseño

Los diámetros extremadamente pequeños de las fibras de vidrio permiten que un gran número de fibras individuales quepan en un haz compacto, lo que facilita geometrías complejas en espacios pequeños. Los haces de fibra de vidrio también pueden distribuir la luz de una sola fuente a múltiples ubicaciones de manera eficiente, mezclando luz LED roja, verde y azul para producir luz blanca homogénea. El mayor número de fibras de vidrio en un haz da como resultado una salida de luz más uniforme en comparación con las fibras de polímero más gruesas.

 

5. Resistencia química

La alta resistencia química del vidrio garantiza que permanezca inerte cuando se expone a agentes de limpieza, detergentes, ácidos, bases, solventes o pegamentos, lo que hace que los componentes de vidrio sean duraderos y fáciles de limpiar. Por el contrario, los polímeros pueden reaccionar con diversos productos químicos.
Aplicaciones

Aplicaciones de las fibras ópticas de vidrio

Endoscopic examination to the patient in intensive care unit
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Médico

La entrega de luz precisa y confiable es vital durante la cirugía mínimamente invasiva. Esta luz se emite a través de fibras ópticas de vidrio multicomponente que mantienen una alta transmisión a largas distancias para proporcionar una vista realista del tejido humano. Mediante el uso de guías de imágenes de fibra óptica, las imágenes del interior del cuerpo se pueden transferir a una pantalla para darle al cirujano una imagen completa del área de tratamiento.
An industrial street with robots
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Aplicaciones industriales

Los cables de fibra óptica y vidrio desempeñan un papel crucial en las aplicaciones industriales al transportar la luz desde una fuente hasta un dispositivo de medición o desde un objeto bajo escrutinio hasta un detector. Ya sea para guiar la luz y las imágenes a la vuelta de una esquina, fuera de un espacio reducido o lejos de un área caliente, oscura o desafiante, la fibra óptica es fundamental para muchas de las tecnologías más avanzadas del mundo, esenciales para la fabricación de semiconductores, la automatización industrial, los sistemas de control y el monitoreo de calidad.
A soldier with a fiber optic imaging bundle
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Defensa y seguridad

En defensa, los cables de fibra óptica de vidrio se utilizan para el conocimiento de la situación y los sistemas de sensores avanzados. Como el vidrio es pasivo, se puede usar sin energía en modo degradado. Las soluciones de vidrio de fibra óptica se utilizan para la visión nocturna y la transferencia de información, para el monitoreo de turbinas y combustible, así como para el monitoreo remoto de motores en entornos hostiles.
A car illuminated with side-emitting fibers
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Automotor

Las fibras ópticas de vidrio de emisión lateral se utilizan en la industria automotriz para generar una iluminación de contorno brillante, clara, colorida y uniforme en todo el interior de un automóvil. En aplicaciones exteriores, pueden crear efectos de luz excepcionales para la iluminación de contornos o de acento, incluso en condiciones adversas.
A passenger seat in an aircraft illuminated with seat lighting
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Aviación

En la industria de la aviación, las soluciones de iluminación de fibra óptica se utilizan para asientos, cabinas y monumentos. Los diseños de luz individuales no solo representan la marca de la aerolínea, sino que, lo que es más importante, contribuyen a la comodidad y el bienestar de la tripulación y los pasajeros durante un vuelo.
The world from above and many dots that are connected with lines
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Comunicación por fibra óptica

Las fibras ópticas de vidrio basadas en sílice son fundamentales para las redes de comunicación modernas debido a su capacidad para transmitir grandes cantidades de datos de forma rápida y fiable a largas distancias.

SCHOTT está especializada en la transmisión de luz e imagen a través de fibras ópticas de vidrio multicomponente y no ofrece soluciones de fibra óptica para la comunicación.
SCHOTT productos y experiencia

Estamos certificados

SCHOTT se adhiere estrictamente a estrictas directivas regulatorias y posee una serie de certificados de garantía de calidad, incluidos ISO-13485, 50001 y 9001/14001, así como ASD9100D y MIL-STAN-810G.

An array of flexible and rigid nano waveguides

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