Confiabilidad de Red Óptica, Probabilidad de Falla y Vida  Útil (Parte I)

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Por: Gilberto “GG” Guitarte

En el número anterior de la revista, vimos cómo jugaban su rol en la confiabilidad de red ciertos elementos muy importantes de los cuales mencionamos tres a saber:

1) El tipo de conectividad de fibra óptica (empalmes de fusión vs conectores pulidos y terminado en fábrica vs conectores terminados en campo, etc).

2) El índice de capilaridad de la red.

3) El tipo de capacitación, certificación y recertificación del capital humano partícipe en el diseño, construcción, operación y mantenimiento de la red.

En este número vamos a agregar factores tan importantes como: la fibra propiamente dicha, los cables (de los cuales es un componente), y el medio ambiente en el que operan todos estos “protagonistas”.

Nos basaremos en varios estándares pertinentes al tema de esta nota pero, sobre todo, en dos fuentes principales y muy importantes específicamente para la confiabilidad de red, probabilidad de falla y vida útil: IEC TR 62048 e ITU-T Series G Suplemento 59.

En la FIG.1 podemos ver la configuración simplificada de una red de acceso PON o enlace TIPO 3, donde la arquitectura tipo árbol-ramificación le confiere un alto coeficiente de capilaridad, con el cual se incrementa la probabilidad de falla en una fibra del sistema de enlace, comparado esto con un enlace TIPO 1 core/metro o de larga distancia.

Si consideramos la fibra exclusivamente y luego los cables que ella integra, debemos recordar estos aspectos que son fundamentales:

1) La función de un cable, por un lado, es dar protección mecánica a la(s) fibra(s) a través de capas protectoras de diversos materiales (inclusive apantallado metálico contra roedores y rocas) y miembros de refuerzo que soportan las tensiones presentes en el cable y tratan de evitar un curvado excesivo de la(s) fibra(s) interior(es) que puedan degradar sus propiedades ópticas y de resistencia física en almacenaje / transporte / instalación / operación, y, por otro lado, dar protección ambiental a la(s) fibra(s) interponiendo diversas barreras contra la incursión de elementos o sustancias que puedan degradar la estructura físico-química de la(s) fibra(s) y afectar así su rendimiento (performance) óptico.

2)Cada vez que abrimos un cable para acceder a una fibra para empalmarla, conectarla, proveer puntos de acceso y pruebas, retiramos las sucesivas capas protectoras de la fibra y transferimos todas la funciones protectoras a los cierres de empalme, a las bandejas de fibra, a los armarios y cajas de distinto tipo y función en el sistema de enlace óptico.

3)Cada vez que ordenamos fibras expuestas en bandejas de empalme o almacenamiento y reserva, o instalamos cables de acometida drop (en interiores o exteriores) curvamos la fibra teniendo el cuidado de no exceder el ángulo crítico que produce atenuación en la señal, pero también estamos imponiendo tensiones de esfuerzo físico de tracción y compresión propiamente dichos que en el tiempo se pueden manifestar como micro fisuras que avanzan típicamente desde el radio exterior del curvado hacia el eje axial de la fibra creciendo en dimensión y degradando la performance óptica.

Todo esto está perfectamente estudiado y detallado en las especificaciones técnicas mencionadas anteriormente y que, trataremos de resumir a continuación, hablando de confiabilidad óptica: ¿se mantendrá la función de transmisión óptica y confiabilidad mecánica durante la vida útil del cable? ¿Se cortará o romperá la fibra durante la vida útil del cable?

Hay dos tendencias generales en el mercado que afectan la transmisión y la evaluación de confiabilidad óptica[1] :

–Los cables tienden a tener cada vez un mayor número de fibras, en un espacio físico cada vez menor, resultando en la potencialidad de mayores esfuerzos residuales en las fibras individuales.

–Mayor uso del espectro óptico aspirando a conservar los valores aceptables de atenuación en la totalidad del espectro de 1260 a 1625 nm para futuras mejoras de ancho de banda.

Cabe aclarar que el Suplemento 59 de la serie G de ITU se concentra solamente en el proceso de manufactura de cada fibra individual (o sea tirado de fibra a partir de la preforma, protección primaria, almacenaje).

La Cláusula 7 del Suplemento 59 destaca los mecanismos que afectan la confiabilidad óptica de la fibra:

7.1 Pérdidas por curvatura (macro curvaturas, visibles en el orden de varios mm de radio, y micro curvaturas, en el orden de pocos micrones de radio).

Las pérdidas por macro curvaturas se estudian en detalle en la serie ITU-T G.657 con sus recomendaciones específicas para evitarlas.

Las pérdidas por micro curvaturas en fibras monomodo ocurren cuando perturbaciones pequeñas transversales en el eje de la fibra resultan en el acople de energía fuera del modo fundamental y entrando en modos de mayor orden y mayor pérdida de radiación. Estas pérdidas pueden ser resultado de variaciones de temperatura que expanden o contraen los cables y pueden generar la “inflamación-expansión ” de los revestimientos de fibras y cables. Además, estas pérdidas tienen dependencia espectral con la distribución axial de las perturbaciones. Las fibras y cables se someten a variados ensayos de estrés con cambio de temperaturas, humedad, agua y otros solventes para estimar el rendimiento (performance) del cable en su vida operacional. Estos ensayos estandarizados por IEC, se encuentran en el Apéndice VI.4 de la norma ITU-T G. Suplemento 40.

7.2 Ataques químicos, siendo el hidrógeno el mayor contribuyente: El hidrógeno es una molécula pequeña que se puede difundir fácilmente en la estructura del vidrio. El hidrógeno puede reaccionar con el vidrio creando picos irreversibles de absorción de energía lumínica (o falla Tipo 1). El hidrógeno intersticial (o falla Tipo 2) es problema sólo cuando el cable está sometido a elevadas presiones de hidrógeno como en el caso de cables submarinos a mayores profundidades que los 100 m de la superficie y se lo instala en secciones herméticas por tal motivo. A menos de 100 m de profundidad el fenómeno de absorción de hidrógeno Tipo 2 es reversible cuando el cable se retira del agua, y el hidrógeno se difunde hacia afuera del cable retornando la atenuación a valores normales. Los defectos Tipo 1 son más aparentes en las fibras  ITU-T G.652.B. El hidrógeno puede reaccionar con defectos en la matriz del vidrio formando grupos OH que, en cantidad suficiente, pueden aumentar la atenuación en el espectro total de transmisión y pueden resultar en fibras por completo inoperables. (Más información sobre el hidrógeno y los cables de fibra en ITU-T L.126).

7.3 Sensibilidad a la radiación: La exposición de fibras dopadas con Germanio a dosis de radiación ionizante, puede producir defectos en la estructura atómica del vidrio provocando pérdidas por absorción llamadas AIR (Atenuación por Inducción Radioactiva, o RIA en inglés por Radiation Induced Attenuation). La norma IEC TR 62283 da lineamientos para ensayos de radiación nuclear pero que todavía requieren refinamientos para poder predecir sus efectos en el tiempo en forma confiable.

7.4 Estabilidad en la atenuación: La vida esperada de las fibras es típicamente de entre 20 y 30 años. La función de los ensayos de envejecimiento es poder predecir las propiedades ópticas durante la vida operacional del cable. Numerosos ensayos han sido descritos con detalle por los grupos de trabajo IEC SC86A e ITU-T SG15 y se encuentran en el Apéndice VI .4 de ITU-T G-Sup 40. La mayoría de estos ensayos son de tipo cíclico en función del tiempo, entre los cuales mencionamos:

-Ciclaje térmico de fibra y cable.

-Envejecimiento por humedad de fibra y cable ópticos.

.Ensayos de macro curvatura de fibra y cable ópticos.

-Ensayos de aplastamiento e impacto de cable óptico.

-Varios otros ensayos de tipo anisotrópico.

Con 30 años de cables ópticos desplegados en operación, y asumiendo que cualquier defecto de degradación se duplique con la duplicación del tiempo, sin considerar el efecto hidrógeno, podemos esperar degradaciones de performance óptica no mayores a centésimos de dB por km de cable en la vida útil del cable.

La Cláusula 8 del Suplemento 59 destaca los mecanismos que afectan la confiabilidad mecánica de la fibra:

La confiabilidad mecánica establece la probabilidad de falla por fractura o corte de un fibra durante su vida útil en operación. Esto está muy detallado en IEC TR 62048. Los estudios predicen la confiabilidad de la fibra enfocados en pequeños defectos o fallas de manufactura que crecen cuando la fibra se somete a distintos tipos de estrés mecánicos o ambientales que se presentan durante el almacenaje, el cableado de la fibra, y el tendido y operación del cable.

8.1 Generalidades sobre resistencia mecánica de las fibras: En términos generales la fibra óptica posee una distribución de fallas y, por lo tanto, una distribución de esfuerzos. La Fig 2 muestra un ejemplo de distribución de fallas de ruptura observadas en segmentos de 10 m durante una longitud de 100 km. En este tipo de ensayo la mayoría de las fallas por ruptura ocurren en la Región I de fallas intrínsecas y las fallas extrínsecas se observan en la zona de menor probabilidad. 

 Actualmente los fabricantes de fibra someten a las mismas a esfuerzos de comprobación de falla de 0.69 GPa (100 kpsi), lo cual detecta fallas de una profundidad de 0.5 micrones o superiores. Esto es relativo a fallas intrínsecas de la fibra y algo muy distinto es el caso de la fibra expuesta y almacenada en cajas de empalme en planta externa donde, como dijimos, se transmite la función de protección de la fibra al elemento de red que la contiene sin las varias capas externas de protección provistas por el cable, y el grado de sellado contra variaciones de humedad y temperaturas.

8.2 Ley de teoría exponencial: Es un modelo aceptado de predicción de tiempo hasta la falla (vida útil) en TR 62048 y la vemos a continuación:

8.3 El tiempo hasta falla o la vida útil de la fibra suele ser el parámetro de interés : Los valores de esfuerzo de comprobación se dan en las series ITU-T G,65X y los detalles del método de ensayo para evaluar los demás parámetros mecánicos se dan en IEC 60793-1-30. La carga aplicada se determina basada en el diseño del cable y el tipo de aplicación o función del mismo en la red (ver cláusulas 9 y 10). La probabilidad de falla viene establecida muchas veces por la operadora de la red (ejemplos ofrecidos en Apéndice I del Sup 59). Np no está inmediatamente disponible pero se sugiere un valor conservador de una (1) ruptura en 100 km. (n y md son desconocidas y difíciles de medir y se discuten en cláusula 8.4).

8.4 Parámetro de Corrosión estático y dinámico, y su efecto en la confiabilidad: Los tres parámetros que más influencia tienen en la ecuación anterior de predicción de vida esperada o vida útil 8.2, son 𝜎zp, n, y m la pendiente de Weibull.

El parámetro 𝜎p viene dado por el fabricante.

El parámetro de corrosión por estrés n, se muestra como una constante pero en realidad varía entre ns (valor estático) y nd (valor dinámico)…-n es difícil de determinar y representa la susceptibilidad del vidrio en la fibra para soportar corrosión por estrés y las subsecuentes fallas o fisuras por efecto del agua. Afortunadamente, el trabajo realizado por COST 218 (que es la Cooperación Europea para Investigación y Desarrollo Científicos) demostró que n varía entre ~17 para ensayos rápidos y ~40 para los ensayos más lentos. Si bien el modelo de teoría de ley exponencial no especifica qué valor de n utilizar, los valores más altos son los más conservadores (o considerados como los escenarios de peores casos posibles). Los valores mayores de n en la ecuación aludida resultan en valores más grandes de tiempo hasta fractura o falla y también implican que un valor mayor de esfuerzo permanente en la fibra puede ser tolerado por la misma en base al diseño del cable que la protege. Los principios de ingeniería conservadores sugieren que el fabricante o proveedor de fibra demuestre un valor de parámetro de corrosión por estrés n >18 mientras que el valor de n ~20 se utiliza para predecir períodos de vida útil.

8.5 Relación entre el esfuerzo de comprobación y los ensayos de comprobación con la confiabilidad: Los ensayos de comprobación retiran las fallas más grandes presentes en la fibra. La Recomendación ITU-T G.650.1 explica los métodos de prueba y parámetros para los ensayos de comprobación en los que la carga se aplica a la fibra durante períodos de tiempo lo más cortos posibles pero suficientemente largos para asegurar que el vidrio experimente y atraviese el esfuerzo de comprobación, típicamente menos que un segundo. Conforme se incrementa el nivel del ensayo de comprobación, se eliminan fallas cada vez más pequeñas en la fibra, reduciendo la probabilidad de ruptura bajo esfuerzo. Las series actuales de Recomendaciones ITU-T G.65X dicen que la fibra debe ser sometida a un ensayo de comprobación para un esfuerzo de estrés mínimo de 0.69 GPa (100 kpsi). Además muchos documentos de la IEC sugieren que los esfuerzos de carga a largo plazo nunca sean mayores que al 20% del valor de la carga en el ensayo de comprobación, generalmente en concordancia con un valor nd = 20 .

8.6 Manipulación de la fibra óptica: El modelo analizado explica cómo las fallas en la fibra pueden propagarse y crecer bajo estrés, y la fibra entonces se torna débil. Al no haber esfuerzos subsiguientes es posible que la fibra mantenga su integridad mecánica pero se puede volver imposible de manipular y empalmar. Esto se reconoce en el campo como “fibra frágil”. Hay varios mecanismos que pueden resultar en esta ocurrencia como, por ejemplo, las abrasiones o delaminaciones del revestimiento de la fibra que permitan exponer el vidrio desnudo a medios agresivos. Cuando la resistencia de la fibra es < 2 GPa la misma se torna difícil de manipular y de empalmar.

8.7 Procedimientos de ensayo que permiten medir aspectos de la confiabilidad mecánica: El documento ITU-T G-Sup 40, establece detalles de ensayos para determinar la confiabilidad de la fibra y el cable. Además, las series de IEC 60793 -1-30, -1-31. 1-33, 1-50. 1-51, y 1-53, respectivamente tratan la medición de parámetros a través de los siguientes ensayos:

-Ensayo de Comprobación de Fibra

-Resistencia a la Tracción de Fibra

-Factor de Corrosión por Estrés

-Envejecimiento por Calor Húmedo

-Envejecimiento por Calor Seco

-Inmersión en agua

Como el medio ambiente, rodeando a la fibra, impacta su performance; localmente se agregan otros ensayos que reflejan dicha condición ambiental local como, por ejemplo, la variación de la atenuación y de la resistencia a la tracción de la fibra luego de exposición de la misma a compuestos de relleno de cables, aerosoles anti avispas, combustibles y varios otros posibles. 

Algunas experiencias muestran que pueden ocurrir daños por elevada potencia (0.5 a 2.0 W) concentrada en curvatura menor que 15 mm de radio. El daño ocurre cuando, en la curvatura, el revestimiento de la fibra absorbe la energía lumínica perdida en esa curvatura, el daño se manifiesta como un envejecimiento del revestimiento de la fibra, pirólisis y combustión, y aún más si la temperatura excede los 700ºC, ablandamiento crítico del vidrio. Completando esto, IEC TR 62547 trata la sensibilidad de daños de la fibra monomodo bajo potencias elevadas.

CONCLUSIÓN (ya mismo… y hasta acá, no más):

La Parte II de este artículo la traeremos en el próximo número de la revista TODO FIBRA ÓPTICA. En ella veremos varias otras consideraciones sobre la fibra, el cable y la totalidad de los elementos de red observados en la FIGURA 3 y que determinan la CONFIABILIDAD de la RED ÓPTICA como sistema.

No es mi objetivo que los lectores aprendan de memoria los estándares y parámetros con sus valores aquí mencionados, sino que sepan que existen, para que al menos puedan alertar, despertar, poner en aviso y preparar a los Técnicos de especificación, diseño, compra, instalación y operación de redes ópticas sobre TODOS y CADA UNO de los elementos que componen su red y definen la CONFIABILIDAD de la misma.

La luz, ilumina el camino óptico del enlace más confiable en banda ancha: red de fibra óptica.El conocimiento científico,  ilumina nuestros cerebros con claridad para cometer la menor cantidad de errores posibles al momento de tomar decisiones sobre esa red.