SISTEMA DE AUTOMAÇÃO PARA CONTROLE DA UNIFORMIDADE GEOMÉTRICA DE PREFORMAS PARA FIBRA ÓPTICA

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1 SISTEMA DE AUTOMAÇÃO PARA CONTROLE DA UNIFORMIDADE GEOMÉTRICA DE PREFORMAS PARA FIBRA ÓPTICA Eduardo Ono Edson Haruhico Sekiya Delson Torikai Edmilton Gusken Carlos Kenichi Suzuki Resumo. Um novo processo VAD ( Vapor-phase Axial Deposition ), em desenvolvimento no Laboratório Ciclo Integrado do Quartzo LIQC, FEM, UNICAMP, introduz uma série de inovações tecnológicas e maior viabilidade econômica sobre os atuais processos de fabricação de fibra óptica. Para a produção de uma fibra de alta qualidade, a uniformidade geométrica da preforma porosa, gerada na etapa de deposição do processo, possui grande relevância na uniformidade das características da fibra final, tais como a atenuação e a dispersão. Para o controle da geometria da preforma em deposição, desenvolveu-se um sistema em LabVIEW, para a plataforma PC, para atuar continuamente e em tempo real na etapa de deposição de modo a manter o diâmetro da preforma constante. Em sua essência, o sistema de controle retroalimentado, baseado no algoritmo PID, atua na velocidade do mecanismo de posicionamento da preforma em função do valor do diâmetro na região inferior da preforma. Esse diâmetro é obtido pelo processamento da imagem adquirida por uma câmera de vídeo CCD da região da preforma em deposição. Embora tenha sido desenvolvido para a escala laboratorial, o sistema mostrou bom desempenho e estabilidade, podendo ser empregado na produção industrial em grande escala de preformas para fibra óptica. Nesse sistema, variações dimensionais no diâmetro da preforma da ordem de 0,2 mm são corrigidos, obtendo-se uma precisão cinco vezes maior quando comparado a sistemas convencionais, favorecendo uma menor incidência de rejeitos de produção de preformas e, conseqüentemente, menor custo de produção.

2 Palavras-chave: VAD, automação, fibra óptica, LabVIEW, preforma porosa 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, a fibra óptica tem-se mostrado como a mais viável tecnologia para atender a crescente demanda por elevados fluxos e alta velocidade de transmissão de informações. Nesse cenário, as indústrias de fibras ópticas têm buscado por processos de fabricação cada vez mais eficientes, com custo reduzido. Atualmente, processos como o MCVD ( Modified Chemical Vapor Deposition ), o OVD ( Outside Vapor Deposition ) e o VAD ( Vapor-phase Axial Deposition ) são os mais utilizados pelas indústrias para a fabricação de preformas para fibras ópticas, sendo que o método VAD apresenta maior viabilidade econômica frente aos demais, conforme cita Sarkar, (1999). Embora países líderes em produção de fibras ópticas, como os Estados Unidos e o Japão, já utilizarem a tecnologia VAD, a grande maioria das indústrias no Brasil ainda emprega o processo MCVD. Porém, uma das principais desvantagens dessa tecnologia para uso no Brasil é a necessidade de insumos importados (tubos de sílica) utilizados no processo de fabricação, que elevam o custo de fabricação. Apesar da tecnologia VAD já ser conhecida e aplicada há alguns anos em outros países, o projeto Novo VAD, em desenvolvimento no Laboratório Ciclo Integrado do Quartzo FEM UNICAMP, introduz uma série de inovações tecnológicas no processo, com o intuito de desenvolver uma planta industrial para a fabricação de preformas para fibra óptica de alta qualidade a um custo reduzido Processo de Deposição VAD No processo de deposição VAD, finas partículas de sílica geradas em chama são depositadas sobre um alvo substrato, formando o corpo da preforma porosa, conforme ilustrado na Figura 1. Nessa técnica de reação em chama, óxidos tais como SiO 2 e GeO 2 são sintetizados a alta temperatura por reações de hidrolização e oxidação a partir de haletos metálicos (SiCl4, GeCl4). Conforme Sanada et al (1995), as reações básicas de formação dos óxidos são dadas por: SiCl 4 + 2H 2 + O 2 SiO 2 + 4HCl, GeCl 4 + 2H 2 + O 2 GeO 2 + 4HCl. Figura 1. Representação esquemática do sistema de automação do processo de deposição VAD. Posteriormente, a preforma é submetida a um tratamento termo-químico, denominado desidratação ( dehydration ), que consiste na remoção de impurezas, tais como hidroxilas e moléculas de H 2 O, que prejudicam o desempenho da fibra. A etapa conseguinte consiste no tratamento térmico da preforma sob alta temperatura, em torno de 1500 o C, em um forno elétrico com atmosfera controlada, transformando a preforma porosa em um material sólido e transparente.

3 Por fim, a etapa de puxamento determina o diâmetro final da fibra óptica, conforme citado por Suzuki at al, (2000). A grande vantagem do processo VAD reside na sintetização completa da preforma, ou seja, sem a dependência da utilização de tubos de sílica importados de alto custo, como ocorre, por exemplo, no método MCVD. Uma das inovações do projeto Novo VAD consiste no estudo detalhado dos parâmetros de processo, possibilitando a otimização dos mesmos, resultando na produção de preformas de alta qualidade. A distância alvo-maçarico, um dos principais parâmetros que afetam a uniformidade geométrica da preforma, está relacionada com a atenuação e a dispersão. Porém, nesse processo existe uma maior dificuldade em se controlar a uniformidade geométrica da preforma com relação ao processo MCVD. 2. SISTEMA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO VAD No processo VAD, a etapa de deposição envolve um grande número de parâmetros: razão da mistura e fluxo dos gases H 2 e O 2 que alimentam a chama, tipo de maçarico e seu posicionamento, pressão interna da câmara, temperatura de deposição, etc. Apesar da maioria dos parâmetros citados estarem inter-relacionados, a distância alvo-maçarico possui maior relevância na uniformidade geométrica da preforma. Uma vez que as partículas estão sendo depositadas, a preforma deve ser continuamente posicionada de forma a manter a distância alvo-maçarico constante, a fim de se obter um diâmetro uniforme da preforma. Em sistemas convencionais de controle, um feixe de laser é geralmente utilizado para o controle da geometria da preforma. Neste caso, o feixe de laser entra em contato com a face de deposição, de forma que a velocidade do mecanismo de ascensão da preforma possa ser controlada de modo a manter constante a intensidade de luz transmitida e, conseqüentemente, manter constante a distância alvo-maçarico. Entretanto, este sistema ainda possui algumas desvantagens, por exemplo, o diâmetro final da fibra não pode ser medido durante a deposição, a intensidade do laser pode vir a ser ofuscada por partículas provenientes da reação, etc... O ambiente agressivo de deposição da preforma os gases produzidos na reação produzem uma atmosfera corrosiva e a alta temperatura também dificultam a instalação de dispositivos de controle como sensores, além disso, a superfície da preforma não deve envolver contato mecânico e a medida deve ser contínua ao longo de todo a etapa de deposição. Mesmo nesses sistemas que utilizam lasers ou outros dispositivos, é fato que uma câmera de vídeo é indispensável para o monitoramento contínuo do processo de deposição. Sob esse aspecto, foi projetado um sistema de controle e automação do processo de deposição VAD sem a necessidade de sistemas de detecção adicionais para o controle da uniformidade geométrica da preforma. A mesma câmera utilizada para o monitoramento é também utilizada para a detecção e controle do diâmetro da preforma, reduzindo-se, dessa forma, o custo da infra-estrutura e manutenção. Um sistema retro-alimentado, baseado na plataforma LabVIEW da National Instruments, foi desenvolvido para atuar de forma automática no mecanismo de ascensão da preforma, conforme a taxa de crescimento da mesma, de forma a manter o diâmetro constante ao longo da preforma. Nesse sistema, a imagem da região inferior da preforma, que corresponde à região onde ocorre a deposição das partículas, é adquirida em tempo real através de uma câmera CCD posicionada no lado externo da câmara de deposição. Para a detecção do diâmetro através da imagem digital, foi utilizado um sistema para detecção da distância entre dois pontos pertencentes a borda da preforma, através das diferenças de constraste da imagem monocromática da preforma. Um controle para o posicionamento de uma linha horizontal digital com largura de 1 pixel, denominada linha de referência, foi inserido na interface do software de controle para se estabelecer o diâmetro de referência. Nessa interface estão presentes também a imagem da preforma sendo depositada e os controles dos motores de passo e dos parâmetros PID, conforme mostra a Figura 2. No início de cada deposição, o usuário/operador deve estabelecer uma posição para a linha de referência sobre a imagem da preforma, conforme as características da região de deposição. Uma vez que a região de deposição da preforma possui geralmente um perfil cônico, existem parâmetros que determinam uma melhor posição para a linha de referência. Com relação a uma reta tangente à superfície da preforma, é possível de se verificar que a linha de referência

4 deve ser posicionada ligeiramente abaixo do ponto de interseção à reta tangente cuja inclinação α seja igual a 1, ou seja, y = x. De fato, para uma inclinação α < 1, temos que a variação de um pixel na imagem corresponde a uma variação x na horizontal superior a uma variação y na vertical. No desenvolvimento desse sistema foram utilizadas ferramentas do pacote IMAQ Vision, da National Instruments. Uma vez determinado o diâmetro de uma certa posição na região de deposição, um sistema retro-alimentado controla automaticamente a velocidade do mecanismo de ascensão da preforma, através de um algoritmo PID, incluído nas ferramentas do pacote PID Tool Kit, também da National Instruments. Figura 2. Desktop com imagem da preforma e janelas de controle. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Anteriormente a implantação do sistema de automação, o controle do posicionamento era feito de forma manual, ou seja, era necessário um operador para ajustar manualmente a velocidade do mecanismo de ascensão do sistema conforme a taxa de crescimento da preforma. Uma amostra obtida por conseqüência desse sistema pode ser observada na Figura 3. Após a implantação do sistema automatizado, foi possível a deposição de preformas em escala laboratorial dentro de especificações industriais, com o mérito de manter sob controle uma das mais importantes variantes de todo o processo. Em particular, para as condições mais representativas de deposição de preformas, foi possível de se obter experimentalmente uma precisão 5 vezes superior aos processos atualmente em uso, através do controle do diâmetro, e neste caso, variações no diâmetro de até 0,2 mm puderam ser corrigidas. Assim sendo, foi também possível um estudo mais preciso da influência de outros parâmetros inter-relacionados envolvidos no processo, tais como, a distância alvo-maçarico, influência da vazão de H 2 /O 2 e a temperatura do substrato.

5 (a) (b) (c) Figura 3. (a) Deposição sem controle; (b) deposição com controle manual; e (c) deposição com controle automatizado. O sistema desenvolvido foi também empregado com sucesso na técnica denominada de sootoverclading, que consiste na deposição de uma casca de sílica pura sobre um núcleo dopado já densificado, conforme mostra a Figura 4. Essa técnica é bastante utilizada na fabricação de fibras do tipo mono-modo, que são largamente utilizadas no setor de telecomunicações para TV a cabo e transmissão a longas distâncias. Para esse tipo de fibra, é necessário que a razão diâmetro do núcleo/diâmetro da casca seja em torno de 1:12, ou seja, além da uniformidade é também necessário o controle do valor do diâmetro final da preforma em função do diâmetro do núcleo. (a) (b) Figura 4. (a) Deposição do soot-overclading sobre núcleo densificado, (b) sistema de automação atuando no overclading. 4. CONCLUSÕES A adoção da plataforma LabVIEW da National Instruments mostrou-se uma solução bastante eficiente para o desenvolvimento de um sistema baseado em computador para o controle e automação do processo de deposição VAD. Os resultados mostraram uma boa estabilidade e excelente desempenho do sistema, além de uma interface com o usuário bastante amigável. Em relação aos sistemas tradicionais de controle, o sistema desenvolvido possibilitou o controle da uniformidade geométrica da preforma com uma precisão 5 vezes superior, sendo que variações no diâmetro da ordem de 0,2 mm puderam ser corrigidas. Além de possibilitar a produção de

6 preformas de alta uniformidade geométrica, o sistema mostrou um grande potencial para ser empregado na fabricação de preformas para fibra óptica em escala industrial, contribuindo na diminuição dos rejeitos de produção e redução no custo de produção. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FINEP/PADCT, FAPESP, CNPq, CNPq/RHAE e CAPES. Um dos autores (E.O.), gostaria de agradecer a concessão da bolsa de mestrado da CAPES. 6. REFERÊNCIAS Sanada, K., Shiota, T., Inada, K., 1995, Studies of the chemical kinetics on the vapor phase axial deposition method, Journal of Non-Cryst. Solids, Vol. 188, pp Sarkar, A., 1999, Trends in optical-fiber technologies, Lightwave, Vol. 16, N o 3, pp Suzuki, C.K., Torikai, D., Sekiya, E.H., Ogata, D.Y., Tomiyama, M., Ono, E., Gusken, E., Cuevas, R.F., 2000, Fibras ópticas no Brasil: Inovação tecnológica usando o método VAD, Anais Sulmat 2000, Congresso de Ciência de Materiais, 12 à 16 de setembro de 2000, Joinville, pp AUTOMATION SYSTEM TO CONTROL THE GEOMETRIC UNIFORMITY OF PREFORMS FOR FIBER OPTICS Eduardo Ono eono@fem.unicamp.br Edson Haruhico Sekiya sekiya@fem.unicamp.br Delson Torikai delson@fem.unicamp.br Edmilton Gusken gusken@fem.unicamp.br Carlos Kenichi Suzuki suzuki@fem.unicamp.br Abstract. An advanced VAD (Vapor-phase Axial Deposition) technique has been developed at Laboratory of Integrated Quartz Cycle LIQC FEM UNICAMP. It introduces a series of technological innovations with a greater economical viability over actual optical fiber

7 manufacturing processes. For a high quality optical fiber production, several steps and process parameters must be carefully set. The geometrical uniformity of the preform during the deposition stage is one of the most important parameter for the final uniformity, which determines the characteristics of the final fiber in terms of attenuation and dispersion. To control the preform geometry during the deposition, a computer system based on LabVIEW platform was developed, to act continuously and in real time on the deposition stage, in order to maintain constant the preform diameter. In its essence, the feedback system, based on PID algorithm, acts on the speed of the preform positioning mechanism, according to the value of the diameter detected in the deposition region. This diameter is obtained through the image processing grabbed from a CCD video camera. Although, it was developed in a laboratorial scale, the system showed a good performance and stability, which can be applied on an industrial mass production scale for fiber optics. In this system, dimensional variations in the order of 0.2 mm on the preform diameter can be corrected, that corresponds to a precision about 5 times better than that achieved by conventional industrial systems, with a benefit of a lower incidence of production rejects and, therefore, a lower production cost. Keywords. VAD, automation, optical fiber, LabVIEW, porous preform