Assemblage de fibres optiques

La fibre optique est l'épine dorsale de l'économie numérique d'aujourd'hui. Les transactions financières mondiales, l'accès Internet haut débit, les achats en ligne, les jeux vidéo et d'autres choses que la plupart des gens tiennent pour acquises sont possibles grâce à de minces brins de verre qui transmettent d'énormes quantités de données chaque seconde.

Alors que la technologie a révolutionné les télécommunications, la fibre optique gagne également en importance dans des secteurs tels que l'aérospatiale, les dispositifs médicaux, le pétrole et le gaz. Et, alors que les ingénieurs automobiles s'attaquent aux problèmes liés à l'autonomie et à l'allègement, la demande de fibre optique devrait augmenter au cours de la prochaine décennie.

Malgré cette popularité croissante, le processus de coupe, de dénudage et d'assemblage des composants de fibre optique reste difficile. Les ingénieurs doivent résoudre des problèmes tels que l'alignement et le positionnement, la clarté, la préparation des fibres et le dégazage.

Les fibres optiques sont des câbles flexibles et transparents constitués de verre, de plastique et de silice de haute qualité qui fonctionnent selon le principe de la réflexion interne totale de la lumière. Alors que les fibres optiques monomodes et multimodes ont un noyau en verre, les câbles à fibres optiques en plastique ont un noyau en polymère.

La lumière est émise à travers des brins fins comme des cheveux qui ressemblent à une ligne de pêche monofilament.

Une grande variété de composants optoélectroniques et de dispositifs photoniques sont nécessaires pour générer, transmettre, moduler, guider, amplifier, commuter et détecter la lumière. Ces minuscules appareils sont assemblés dans un boîtier ou un module qui couple la lumière dans et hors du câble à fibre optique.

Les fibres optiques peuvent transmettre des données à des vitesses beaucoup plus rapides que les fils d'aluminium ou de cuivre. D'autres avantages incluent une taille et un poids plus petits. Par rapport au cuivre, par exemple, la fibre optique permet un gain d'espace moyen de 25 % et un gain de poids de 50 %. Les fibres optiques sont également insensibles au bruit électrique et peuvent transmettre des données sur de plus longues distances que les câbles ou fils en cuivre.

Cependant, la fibre nécessite une manipulation délicate et un alignement précis, et elle ne peut pas être pliée en formes complexes comme le câblage traditionnel. La fibre optique n'est pas comme le fil de cuivre, qui peut être mal aligné et continuer à transmettre de l'électricité. En raison de sa petite taille, une précision extrême et de petits déplacements sont nécessaires pour aligner correctement la fibre.

Selon Grandview Research, le marché mondial de la fibre optique s'élevait à 7 milliards de dollars en 2018. Il devrait croître à un taux de 5 % par an de 2019 à 2025.

Le ménage moyen connecté à la fibre a généré 86 gigaoctets de données par mois en 2017. Mais cela devrait dépasser 260 gigaoctets par mois d'ici 2022.

« La demande de composants à fibre optique augmente, en raison des besoins croissants en bande passante et de l'augmentation de la demande de réseau », déclare Adam Houston, chef de produit pour l'unité commerciale des solutions optiques de Molex LLC, l'un des principaux fournisseurs de connecteurs, d'adaptateurs et d'accessoires de câbles. "La bande passante double tous les cinq ans.

« Il y a dix ans, 10 à 40 gigabits par seconde étaient la grande conversation », explique Houston. "Maintenant, nous nous préparons à des bandes passantes de 200 et 400 gigabits par seconde."

Pour résoudre ce problème, Molex fait la promotion de plusieurs nouveaux types de connecteurs à férule en céramique qui permettent d'augmenter la densité des ports. Par exemple, les connecteurs CS prennent en charge les émetteurs-récepteurs QSFP-DD et OSFP de nouvelle génération avec un doublement de la densité des ports. Ils présentent un pas de férule réduit et une densité de près de 50 % supérieure à celle des connecteurs LC traditionnels.

"La densité et les faibles pertes sont les moteurs du marché des connecteurs aujourd'hui", déclare Tom Schiltz, directeur de la gestion des produits chez Molex. "Alors que les composants deviennent de plus en plus petits, l'emballage devient un problème plus important. Il existe un équilibre entre densité, convivialité et performances."

« Pensez plus petit, plus dense, plus rapide et plus simple », déclare Robert Whitman, vice-président du développement du marché mondial pour les réseaux d'opérateurs chez Corning Inc., le premier fournisseur mondial de fibre optique. "Avec les exigences actuelles en matière de bande passante, les opérateurs de réseau ont besoin de conceptions de câbles plus petites et plus denses pour intégrer plus de capacité dans des espaces plus petits. Ils apprécient également les conceptions plus faciles et plus rapides à installer, réparer et entretenir afin de minimiser les coûts tout en maximisant la vitesse de mise sur le marché."

Corning a récemment dévoilé un câble à densité extrême appelé RocketRibbon. Il fournit jusqu'à 3 456 fibres dans le même diamètre que les câbles à tubes centraux et toronnés existants de 1 728 fibres.

"En plus de la densité de fibre améliorée, une conception de ruban unique rend les fibres du câble RocketRibbon faciles à gérer, à identifier et à tracer, ce qui améliore considérablement les temps d'installation et réduit les coûts de maintenance continus", affirme Whitman.

Les centres de données et l'industrie des télécommunications restent les principaux marchés de la fibre optique, car elle permet le transfert de données à haut débit dans les communications à courte et longue portée. La demande croissante d'applications basées sur le cloud, de services de vidéo à la demande et de réseaux 5G stimulera les futures applications de fibre optique.

Cependant, la demande de fibre optique augmente dans d'autres secteurs, tels que l'aérospatiale, l'automobile, le médical, le pétrole et le gaz. Bien qu'elle ait la réputation d'être chère et difficile à manipuler, les progrès récents ont rendu la technologie de la fibre optique plus robuste et plus facile à traiter.

"L'un des défis pour amener les ingénieurs des industries en dehors du secteur des télécommunications à adopter la fibre optique est de surmonter la crainte qu'il s'agisse d'une technologie délicate, cassante, difficile à utiliser et difficile à terminer", déclare Bill Weeks, responsable de la technologie d'entreprise. Fellow chez TE Connectivity. "Une perception erronée courante est que si vous touchez la fibre, elle se cassera. Bien que cela ait pu être le cas dans les années 1970, ce n'est certainement pas le cas aujourd'hui."

En raison de l'intérêt croissant pour la chirurgie mini-invasive, de nombreux nouveaux dispositifs médicaux dépendent de la fibre optique. La technologie est utilisée pour la conduction et l'éclairage de la lumière, le regroupement flexible et les systèmes de livraison laser, tels que les équipements d'endoscopie.

La fibre optique est également populaire dans l'industrie pétrolière et gazière pour les applications de fond de trou, telles que la détection des pressions et des températures extrêmes.

De plus, l'industrie du matériel de transport est optimiste quant à la technologie de la fibre optique.

"Les ingénieurs aérospatiaux tentent d'éliminer la complexité des avions commerciaux et militaires", déclare Weeks. "Ils veulent remplacer des kilomètres de câblage parallèle en cuivre. En plus des économies de poids, ils recherchent des produits plus faciles à installer et à réparer, tout en offrant une immunité aux interférences électromagnétiques et des vitesses plus élevées.

"En plus de la communication et du divertissement en vol, une application croissante de la fibre optique dans l'industrie aérospatiale est la détection", explique Weeks. "Certains fabricants envisagent d'utiliser la fibre optique pour surveiller des éléments tels que le train d'atterrissage ; la fatigue du fuselage et des ailes ; et la détection de surchauffe dans les structures aérodynamiques composites qui contiennent des éléments chauffants intégrés pour faire fondre la neige et la glace."

"Le secteur de l'aérospatiale et de la défense constate également un besoin accru de bande passante", ajoute Scott Flint, directeur des marchés de l'aérospatiale et de la défense chez Corning. "La fusion de données, la vidéo haute définition en temps réel et les flux de données d'imagerie multispectrale et hyperspectrale sont des moteurs dans tous les domaines : terrestre, maritime, aérien et spatial.

"En outre, des solutions SWAP-C réduites (taille, poids et coût de l'énergie) sont demandées sur ces plates-formes", souligne Flint. "Lorsque vous considérez le poids et le facteur de forme de plusieurs câbles en cuivre par rapport à un seul câble à fibre optique, ce dernier permet une plus grande endurance sur ces plates-formes, en raison d'une consommation de carburant moindre. Il peut également permettre de transporter du matériel ou des capteurs supplémentaires. à cause de plus d'espace disponible."

Dans l'industrie automobile, Weeks affirme que les ingénieurs manquent d'espace pour les faisceaux de câbles, en particulier avec les nouveaux véhicules autonomes qui nécessitent de nombreuses caméras, lidar, radar et autres dispositifs de détection. "Plutôt que d'utiliser des paires de fils de cuivre dédiées, la fibre optique a plus de sens dans les voitures et les camions", souligne Weeks.

"Les ingénieurs automobiles se penchent sur la fibre optique pour résoudre les problèmes d'allègement et de bande passante", déclare Tom Marrapode, directeur du développement des technologies avancées chez Molex. "Ils sont également désireux de réduire la congestion et la complexité des faisceaux de câbles traditionnels."

« En raison des progrès des réseaux automobiles, les besoins en bande passante dans un véhicule continuent de croître », ajoute Mark Bradley, directeur des réseaux optiques industriels chez Corning. "Alors que les liaisons au sein des véhicules peuvent être courtes (moins de 15 mètres), la consommation de bande passante devrait dépasser 5 gigaoctets par seconde au cours du prochain cycle de conception.

"L'un des principaux moteurs de ces vitesses de données est la distribution de vidéo non compressée, qui peut affecter les temps de réponse des performances des nouveaux systèmes de sécurité", explique Bradley. "Alors que les câbles en cuivre (paires torsadées ou coaxiaux) peuvent fournir des bandes passantes plus élevées, des compromis doivent être pris en compte, tels que la taille du câble, le poids du câble et l'immunité au bruit du câble. Les solutions optiques peuvent offrir des avantages pour atténuer ces contraintes, tout en répondant aux besoins croissants en bande passante, tout comme ils l'ont fait dans les centres de données."

L'assemblage de composants de fibre optique est un défi. La nature flexible de la fibre la rend différente de la manipulation de pièces rigides comme l'aluminium ou le fil de cuivre.

Avant que les fibres puissent être attachées à un connecteur ou à une férule, elles doivent être préparées. Ce processus comprend généralement le dénudage de la gaine protectrice et de la gaine extérieure qui entourent la fibre optique ; nettoyer tout résidu qui reste; cliver la fibre; et polir la face d'extrémité de la fibre pour obtenir une surface de qualité optique.

Le dénudage des fibres est généralement effectué à l'aide d'outils manuels ou d'un équipement de paillasse semi-automatisé. Les revêtements protecteurs sont enlevés avec des lames ou des lasers. Les systèmes de chauffage sont également utilisés pour ramollir les revêtements afin qu'ils puissent être facilement enlevés.

"La grande différence entre la fibre optique et le fil de cuivre est la terminaison des connecteurs", explique Weeks. "Il est relativement simple de terminer un fil de cuivre. Mais, attacher une ou plusieurs fibres à un connecteur est un processus plus complexe."

"La qualité des connecteurs est aujourd'hui bien meilleure que par le passé", ajoute Pete Doyon, vice-président de la gestion des produits chez Schleuniger Inc. "Cependant, les connecteurs deviennent également de plus en plus petits, ce qui rend l'automatisation difficile. La taille la plus courante des connecteurs que nous voir utilisé avec nos équipements est de 125 microns. En comparaison, une fibre monomode a une taille de cœur de seulement 9 microns. Cependant, une fibre multimode a une taille de cœur plus grande.

« La demande pour notre équipement de traitement de fibres optiques est stable et elle ne cesse de croître », déclare M. Doyon. "Notre produit le plus populaire est le FiberStrip 7030, qui est une machine de paillasse qui décape le tampon et le revêtement jusqu'au verre nu. Il décape la fibre de manière semi-automatique sans toucher la fibre de verre."

La machine motorisée est conçue pour dénuder les fibres monocouches et tamponnées. La vitesse de dénudage, le temps de chauffage et la température de chauffage sont réglables.

"Notre équipement est principalement utilisé pour produire en masse des pigtails et des cavaliers", explique Doyon. "Une queue de cochon est un court brin de câble dont une extrémité est attachée à un connecteur ; l'autre extrémité est épissée sur un autre câble. Les longueurs varient, mais les queues de cochon sont généralement fabriquées en 3-, 6-, 9-, 12- et 15- variantes de pied Les cavaliers ont des connecteurs attachés aux deux extrémités.

« L'assemblage des pigtails et des cavaliers n'est généralement pas une opération à grande vitesse ; il s'agit généralement davantage d'une question de qualité », souligne Doyon. "Le processus prend en moyenne 20 secondes ou plus."

Parce que même un minuscule grain de poussière peut complètement bloquer la lumière, le nettoyage est important. Si un brin de fibre n'est pas nettoyé correctement, cela peut entraîner de mauvaises épissures par fusion et des liaisons inadéquates. La fibre est généralement nettoyée avec de l'alcool isopropylique ou un nettoyeur à ultrasons.

« La préparation de surface joue un rôle essentiel dans l'assemblage de fibres optiques », déclare Venkat Nandivada, responsable du support technique chez Master Bond Inc., un fournisseur leader d'adhésifs pour les applications d'assemblage de fibres optiques. "Les pièces doivent être propres et sèches avant d'appliquer l'adhésif. Un produit peut être très bon en termes de propriétés optiques et thermiques, mais si vous n'avez pas la bonne préparation de surface, la force de liaison sera limitée."

Avec des exigences d'assemblage de fibres optiques allant de 10 microns à des niveaux inférieurs au micron, un alignement précis est essentiel pour obtenir des résultats précis et cohérents. Le problème majeur dans l'assemblage des fibres est d'aligner et d'équerre la face de chaque fibre. L'amplification des signaux lumineux est très importante.

La fonction principale du nanopositionnement dans l'assemblage photonique est d'aligner les composants de transmission et de réception afin de minimiser la perte de lumière dans les couplages optiques. Les assembleurs doivent aligner soigneusement le noyau de la fibre.

Tout désalignement entraînera une perte de signal. Un désalignement de seulement un dixième de micron entraînera une perte de 30 % du couplage de la lumière.

Des facteurs tels que la courbure de la pointe de la fibre et la position de préhension sur une fibre amorce ajoutent un degré supplémentaire de variabilité au processus d'alignement. La fibre optique a également une couche externe constituée d'une gaine protectrice et d'un tampon qui doit être retiré avant le traitement.

« La plupart de nos clients utilisent des processus d'assemblage manuels », explique Marrapode de Molex. "Le processus d'assemblage implique le retrait de la gaine et du tampon de fibre, l'insertion de fibre dans la férule en céramique avec de l'époxy, puis le polissage de la face d'extrémité."

"Les ingénieurs s'appuient généralement sur l'époxy pour fixer les fibres optiques aux ferrules, car ils ont besoin d'une interface stable en termes de température et de durée de vie", explique Marrapode. "Les adhésifs UV à durcissement rapide sont également utilisés pour certaines applications, principalement dans les centres de données qui n'ont pas d'exigences environnementales strictes ou des durées de vie plus courtes."

"Les adhésifs sont généralement utilisés pour fixer des fibres optiques individuelles ou des faisceaux de fibres aux composants", explique Nandivada. "Les applications courantes incluent le collage de fibres optiques dans des connecteurs, l'enrobage de faisceaux de fibres et le scellement de fibres dans des férules.

"Les adhésifs sont également utilisés pour assembler des composants de fibre optique tels que des amplificateurs, des filtres, des isolateurs, des commutateurs et des émetteurs-récepteurs", explique Nandivada. "L'époxy est fréquemment utilisé pour la plupart des applications d'assemblage, mais les silicones, les uréthanes et les systèmes de durcissement UV sont d'autres options.

"Nous proposons une grande variété d'époxydes, allant des chimies plus rigides avec un faible coefficient de dilatation thermique aux époxydes plus flexibles et présentant une excellente résistance aux cycles thermiques", note Nandivada. "EP30-2 est notre produit époxy en deux parties le plus populaire. Il est utilisé pour une grande variété d'applications d'assemblage de fibres optiques.

« Le durcissement UV est idéal pour les applications de production à haut volume qui nécessitent un débit élevé », souligne Nandivada. "Un matériau monocomposant qui ne nécessite ni mélange ni mesure se prête généralement mieux à l'automatisation. Ces adhésifs durcissent également extrêmement rapidement lorsqu'ils sont correctement exposés à la lumière UV.

"Dans certaines applications, cependant, les silicones peuvent être meilleures, car elles offrent une contrainte extrêmement faible et une bonne résistance à la température", explique Nandivada.

Traditionnellement, la manipulation et l'assemblage automatisés des composants de fibre optique ont été difficiles. La nature flexible de la fibre optique rend plus difficile la manipulation de pièces rigides telles que des fils d'aluminium ou de cuivre.

"L'assemblage de fibres optiques groupées avec des connecteurs, qui sont utilisés dans les technologies de l'information et de la communication, est encore difficile à automatiser aujourd'hui", explique Marvin Berger, ingénieur à l'Institut Fraunhofer pour la technologie de production (IPT).

"En particulier, les fibres à maintien de polarisation (PM) de nouvelle génération nécessitent une manipulation de haute précision de la fibre dans au moins 4 degrés de liberté", explique Berger. "Les fibres à polarisation fixe doivent être alignées avec une grande précision dans le connecteur, et leur manipulation et leur collage nécessitent également une précision maximale.

"Avec les réseaux de fibres monomodes, la disposition précise des fibres individuelles est cruciale", note Berger. "Jusqu'à 32 fibres conductrices de lumière sont montées en plusieurs couches dans un connecteur. Aujourd'hui, elles sont généralement encore collées manuellement et individuellement dans le connecteur, car l'alignement correct de chaque fibre individuelle détermine si le composant peut effectuer la transmission de données souhaitée. "

Cependant, les ingénieurs de Fraunhofer IPT et d'Aixemtec GmbH ont récemment développé une méthode automatisée pour gérer la tâche complexe et coûteuse d'assemblage de réseaux de fibres PM.

« Le système automatise toutes les étapes essentielles du processus de fabrication des connecteurs, du stockage et de l'alimentation des fibres à l'alignement rotatif et translationnel, en passant par le collage et le durcissement des fibres individuelles jusqu'à l'assemblage final de l'ensemble du système dans un réseau de fibres linéaires », déclare Berger.

"Il peut déjà assembler des connecteurs avec jusqu'à 16 connexions de fibre de manière autonome", affirme Berger. "Avec de nouveaux développements, nous espérons augmenter le nombre de fibres traitées et améliorer la manipulation des fibres non rigides, accélérant ainsi davantage l'ensemble du processus de production.

"Le système de manipulation breveté est le premier système au monde qui répond aux exigences d'un assemblage automatisé de réseau de fibres MP", souligne Berger. "Et la plate-forme de cellules d'assemblage flexible nous permet d'intégrer facilement du matériel supplémentaire.

"Les routines basées sur la vision en combinaison avec le matériel développé permettent l'alignement de fibres individuelles avec une précision de répétition inférieure à 0,01 degré", explique Berger. "Le placement lui-même est effectué avec une précision machine (environ 1 µm). Cependant, un soin particulier a été apporté à l'optimisation du pointage des fibres sur un élément à rainure en V pour les réseaux de fibres.

"Les fibres simples sont collées avec un adhésif spécial durcissable aux UV sur une rainure en V", explique Berger. "Grâce à un processus d'assemblage optimisé, les pointes de fibre sont ensuite proches les unes des autres.

"Actuellement, la machine doit être alimentée par un opérateur pour chaque réseau de fibres", ajoute Berger. "Mais, nous développons différentes étapes pour automatiser entièrement la configuration de la machine afin de laisser les humains en dehors de la chaîne de processus."