RU2849002C1 - Волоконно-оптический соединитель с расширенным пучком - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области волоконно-оптических технологий и касается волоконно-оптического соединителя с расширенным пучком. Соединитель включает соосно размещенные в оснастке две коллимирующие структуры. Каждая коллимирующая структура включает соосно соединенные оптическое волокно и микролинзу и имеет внешний диаметр, не превышающий 125 мкм. Коллимирующие структуры размещены в оснастке с возможностью разнесения их по оптической оси относительно друг друга на расстояние, ограниченное длиной оснастки. Микролинзы представляют собой участок многомодового градиентного оптического волокна с увеличенным диаметром сердцевины не более 105 мкм и диаметром кварцевой оболочки, соответствующим диаметру кварцевой оболочки соединенного с ним оптического волокна. Выходной торец градиентного волокна сполирован под углом от 0 до 2° относительно оси оптического волокна. Волокна соединены друг с другом методом электродуговой сварки, размещены вдоль единой оснастки и закреплены в ней. Технический результат заключается в повышении эффективности передачи оптического излучения, повышении стабильности оптического контакта между передающим и принимающим волокнами, уменьшении обратных оптических потерь и упрощении конструкции устройства. 3 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к волоконно-оптическим технологиям, в частности, к устройству волоконно-оптического коннектора, использующегося в качестве оптического соединителя с расширенным пучком в волоконно-оптических линиях связи.

Известна полезная модель на устройство волоконно-оптического соединителя [Полезная модель RU 222410 U1, G02B6/322, 22.12.2023]. Устройство включает в себя корпус, представляющий собой металлический цилиндр с наружной резьбой, в котором установлены две центрирующие втулки из циркониевой керамики с установленными в них двумя керамическими ферулами, в каждую из которых вклеены сегменты оптического волокна. На свободных торцах бессердцевинных вставок, приваренных к сегментам оптического волокна с сердцевиной, сформированы сферические микролинзы. Работа устройства осуществляется следующим образом. Оптическое излучение распространяется через оптическое волокно и попадает в зону монолитной сферической микролинзы, сформированной на свободном конце бессердцевинной вставки, размещенной в корпусе оптического соединителя. Микролинза обеспечивает формирование коллимированного пучка излучения, который, благодаря отсутствию рассеивания, минимизирует потери оптической мощности, обеспечивая концентрированную передачу излучения к принимающей микролинзе. В результате оптическое излучение эффективно передается в принимающее оптическое волокно.

Одним из существенных недостатков данного устройства является использование сферических микролинз, изготовление которых представляет собой технологически сложный и высокоточный процесс, требующий применения прецизионных методов обработки. Это не только увеличивает себестоимость производства, но и повышает вероятность отклонений в параметрах линз, что может негативно сказаться на передаче оптического излучения. Дополнительно, применение бессердцевинных вставок со сферическими микролинзами усложняет конструкцию и процесс сборки, а также требует высокой точности юстировки и соосного выставления оптического волокна относительно линзы. Кроме того, наличие двух центрирующих втулок дополнительно увеличивает сложность конструкции и массогабаритные параметры устройства.

Известно устройство волоконно-оптического соединителя с расширением пучка [Патент US 10036857 B2, G02B6/3877, 31.07.2018]. Устройство включает в себя корпус, в котором соосно расположены ферула, с вклеенной в нее оптическим волокном, и шариковая или сферическая линза, необходимая для расширения пучка. Для закрепления оптического волокна внутри ферулы и линзы внутри детали коннектора может быть использован эпоксидный клей. Торец оптического волокна совмещен с торцом ферулы. Держатель для ферулы поджимается внутри корпуса коннектора с помощью пружины. Линза может быть сделана из материалов BK7, SF-8, сапфир, LaSFN9, PBH71. Для уменьшения обратных оптических потерь на поверхности торца оптического волокна и линз нанесено просветляющее покрытие. Оптическое излучение распространяется через оптическое волокно и попадает в зону шариковой или сферической линзы, соосно размещенной с выходным торцом ферулы, размещенной в корпусе оптического соединителя. На выходе с линзы формируется коллимированный пучок излучения, который попадает на принимающую линзу второго коннектора, благодаря чему повышается эффективность ввода излучения в принимающее оптического волокно.

Недостатками устройства является наличие объемной шариковой линзы, а также необходимость дополнительного элемента – поджимающего механизма в виде пружины для фиксации ферулы в корпусе коннектора. В ходе эксплуатации коннектора с поджимной пружиной возникает технологический износ этого элемента, что приводит к так называемому раскручиванию, а это, в свою очередь, снижает эффективность ввода оптического излучения, а значит, приводит к увеличению оптических потерь на соединении. Наличие объемной шариковой линзы повышает сложность и стоимость изготовления, поскольку требует использования высокоточного оборудования. Кроме того, применение такого типа линз увеличивает массогабаритные параметры устройства и требует изготовления элементов нестандартного форм-фактора.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому решению является устройство волоконно-оптического соединителя с расширением пучка [Патент US 10718909 B2, G02B6/3845, 21.07.2020]. Устройство содержит разрезную центрирующую втулку, в которой соосно размещены две коллимирующие структуры, состоящие из отрезка одномодового оптического волокна, закрепленного с помощью адгезива в оснастке в виде ферулы, к которой плотно подведена и соосно выставлена объемная градиентная линза. В свою очередь градиентная линза и ферула для крепления оптического волокна дополнительно размещены в оснастке. Коннектор типа пин вставляется в коннектор сокетного типа, коннекторы поджимаются относительно друг друга с помощью пружины. Работа устройства поясняется следующим образом. Оптический пучок малого диаметра, распространяющийся в оптическом волокне, поступает в коллимирующий элемент, представленный градиентной линзой. Далее излучение проходит через вторую симметричную градиентную линзу, после чего фокусируется в принимающее одномодовое оптическое волокно. При этом, благодаря отсутствию рассеивания, минимизируются потери оптической мощности и обеспечивается передача излучения к принимающей линзе. В результате оптическое излучение эффективно передается в принимающее оптическое волокно.

Недостатками данного устройства является необходимость применения дополнительной ферулы для обеспечения соосности между одномодовым волокном и градиентной линзой, что усложняет процесс изготовления, а также повышает массогабаритные параметры устройства. Наличие объемной градиентной линзы приводит к усложнению конструкции и возникновению дополнительных оптических потерь на границе стыковки градиентной линзы и оптического волокна. Также, необходимость применения пружин в конструкции устройства негативно сказывается на сроке службы таких коннекторов, поскольку в результате технологического износа таких пружин происходит раскручивание коннекторов и увеличение оптических потерь.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения эффективности передачи оптического излучения между передающим и принимающим оптическими волокнами за счет увеличения верхней границы уровня передаваемой оптической мощности оптического сигнала между оптическими волокнами с одновременным уменьшением плотности мощности излучения в области оптического контакта передающего и принимающего волокон, повышения стабильности оптического контакта между передающим и принимающим волокнами, а также уменьшения обратных оптических потерь, упрощения конструкции и способа сборки волоконно-оптического соединителя за счет исключения из конструкции дополнительных элементов нестандартного исполнения и пружинных механизмов, и обеспечение возможности функционирования как с физическим контактом, так и с расстоянием между передающим и принимающим оптическими волокнами

Поставленная задача осуществляется за счет технического результата, обеспечивающего эффективную коллимацию оптического излучения и увеличение диаметра пучка излучения на выходе из передающего оптического волокна за счет применения коллимирующего элемента на основе многомодового градиентного оптического волокна с увеличенным диаметром сердцевины, полировки под углом от 0° до 2°.

Применение полностью волоконного исполнения коллимирующего элемента позволяет сократить количество операций и компонентов, необходимых для соосного выставления оптического волокна с линзой, что значительно уменьшает массогабаритные параметры устройства и его стоимость.

Поставленная задача решается следующим способом.

Волоконно-оптический соединитель с расширенным пучком содержит, соосно размещенные в оснастке две коллимирующие структуры, каждая из которых включает соосно соединенные оптическое волокно и микролинзу, причем, коллимирующие структуры с внешним диаметром, не превышающем 125 мкм, размещены в оснастке с возможностью разнесения их по оптической оси относительно друг друга на расстояние, ограниченное длиной оснастки, в которой они размещены, микролинзы представляют собой участок многомодового градиентного оптического волокна с увеличенным диаметром сердцевины не более 105 мкм и диаметром кварцевой оболочки, соответствующим диаметру кварцевой оболочки соединенного с ним оптического волокна, а выходной торец многомодового градиентного оптического волокна сполирован под углом от 0 до 2° относительно оси оптического волокна, указанные волокна соединены друг с другом методом электродуговой сварки, размещены вдоль единой оснастки и закреплены в ней, при этом, длина участка многомодового градиентного оптического волокна рассчитывается по формуле:

(1)

где – шаг градиентной линзы, – показатель преломления на границе сердцевина-оболочка многомодового градиентного оптического волокна, – максимальный показатель преломления сердцевины многомодового градиентного оптического волокна, – радиус сердцевины многомодового градиентного оптического волокна.

Сущность заявляемого волоконно-оптического соединителя с расширенным пучком поясняется следующим.

Устройство содержит соосно размещенные и разнесенные по оптической оси две коллимирующие структуры, каждая из которых включает соосно соединенные оптическое волокно и микролинзу.

Коллимирующая структура включает в себя участок оптического волокна, соосно соединенный посредством электродуговой сварки с микролинзой, выполненной в виде участка многомодового градиентного оптического волокна, соединенные волокна размещены в заполненной адгезивом оснастке. Длина размещаемого участка многомодового градиентного оптического волокна, обеспечивает его оптимальную длину для эффективной коллимации оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, и рассчитывается по формуле:

(1)

где – шаг градиентной линзы, – показатель преломления на границе сердцевина-оболочка многомодового градиентного оптического волокна, – максимальный показатель преломления сердцевины многомодового градиентного оптического волокна, – радиус сердцевины многомодового градиентного оптического волокна.

Как известно, превышение допустимого уровня передаваемой мощности сигнала через волоконно-оптический соединитель может привести к деградации и разрушению оптических волокон. В связи с этим, существующие стандартные решения обладают ограничениями по максимально возможному уровню передаваемой мощности излучения, который напрямую связан с диаметром пучка и плотностью мощности на торцах передающего и принимающего оптических волокон. Увеличение диаметра пучка позволяет снизить плотность мощности и увеличить допустимый уровень мощности передаваемого оптического сигнала. В предлагаемом изобретении микролинза на основе градиентного оптического волокна с увеличенным диаметром сердцевины дает возможность увеличить диаметр коллимированного пучка на выходе передающего оптического волокна. Это в свою очередь приводит к уменьшению плотности мощности приходящуюся на соединение двух отрезков оптической линии, а значит, повышает порог максимальной передаваемой мощности. Таким образом, решается задача увеличения уровня максимальной передаваемой мощности оптического сигнала с одновременным уменьшением плотности мощности излучения в области оптического контакта, передающего и принимающего волокон.

Коллимирующие структуры соосно размещены и закреплены в оснастке. Отсутствие в заявляемом устройстве пружинных механизмов для поджима оптического волокна и коллимирующей линзы существенно упрощает технологию сборки, а также увеличивает срок службы таких коннекторов, сохраняя при этом высокую эффективность ввода оптического излучения. Данное решение особенно актуально в условиях повышенных вибрационных нагрузок, которые могут вызывать нежелательное ослабление пружинных механизмов и, как следствие ухудшение качества оптического сигнала. В заявленном устройстве высокая эффективность оптической связи в условиях вибраций обеспечивается благодаря применению технологии расширения и коллимации пучка на выходе из волокна на основе микролинзы волоконного исполнения без необходимости применения пружинных поджимных механизмов. Это позволяет сохранять стабильность оптического контакта и передачи сигнала даже при наличии расстояния между торцами передающего и принимающего оптических волокон, ограниченного длиной оснастки, в которой размещены коллимирующие структуры. Максимальное допустимое расстояние между торцами передающего и принимающего волокон определяется длиной оснастки, в которой они размещены. Применение технологии расширения и коллимации пучка позволит использовать такое устройство в полевых условиях, при которых происходит загрязнение выходных торцов передающего и принимающего оптических волокон.

Кроме того, увеличение диаметра пучка излучения позволит снизить влияние оптических потерь, возникающих при загрязнении или появлении царапин в области торцов коллимирующих структур. Для уменьшения обратных оптических потерь выполняется полировка торцов коллимирующих структур под углом от 0° до 2°. Это позволит уменьшить обратные оптические потери на границе «стекло-воздух», а также снизить потери, связанные с френелевским отражением. Таким образом решаются задачи эффективной передачи оптического излучения между оптическими волокнами посредством соединителя с возможностью функционирования как с физическим контактом, так и с расстоянием между ними; устранения негативного влияния на увеличение оптических потерь наличия загрязнений, вибраций, пыли и царапин в области торцов оптических волокон.

Благодаря применению способа электродуговой сварки, участка многомодового градиентного оптического волокна и оснастки в виде стандартных волоконных компонентов решается задача упрощения конструкции и способа сборки устройства волоконно-оптического соединителя с расширенным пучком. Осуществление способа соосного соединения участка оптического волокна и участка многомодового градиентного оптического волокна методом электродуговой сварки с применением аппарата для сварки оптических волокон обеспечивает высокоточное автоматическое соосное выставление участка оптического волокна и участка многомодового градиентного оптического волокна за счет наличия в аппарате встроенных прецизионных манипуляторов и камеры. Это в свою очередь позволяет исключить вносимые погрешности при использовании других представленных механических методов соосного соединения оптического волокна и градиентной линзы, поскольку процесс прецизионного соединения происходит в автоматическом режиме. При этом для обеспечения возможности использования в конструкции устройства элементов стандартного исполнения, в коллимирующей структуре применяется многомодовое градиентное оптическое волокно с диаметром оболочки, не превышающем 125 мкм и диаметром сердцевины не более 105 мкм. В связи с этим предлагаемое решение остается полностью волоконным исполнением со стандартными габаритными параметрами, что позволяет применить его в составе существующих волоконно-оптических соединителей стандартного исполнения.

В заявляемом устройстве обеспечено высокоточное позиционирование участка многомодового градиентного оптического волокна, относительно участка оптического волокна, что исключает требование по использованию дополнительных компонентов для осуществления коллимации оптического излучения в оптическом волокне, а также упрощает технологический процесс сборки устройства и позволяет изготовить участок многомодового градиентного оптического волокна необходимой длины. Все это в совокупности дает возможность осуществить коллимацию оптического излучения с высокой воспроизводимостью параметров пучка излучения.

Использование в заявляемом устройстве волоконно-оптического соединителя с расширенным пучком, в качестве градиентной линзы участка многомодового градиентного оптического волокна способствует его высокоточному позиционированию относительно участка оптического волокна за счет соответствия их диаметров кварцевой оболочки. Кроме того, существенным преимуществом применения многомодового градиентного оптического волокна вместо шариковых линз и объемных градиентных линз является меньший размер (125 мкм и 1 мм и более соответственно), возможность выполнения любого вида полировки (UPC, APC) с помощью полировальных машин, возможность использования стандартных волоконных компонентов. Также, многомодовое градиентное оптическое волокно может быть вытянуто с диаметром кварцевой оболочки, равным диаметру кварцевой оболочки стандартных оптических волокон 125 мкм, что значительно упрощает конструкцию и обеспечивает надежное соединение различных компонентов путем электродуговой сварки и избавляет от необходимости обеспечения точной соосности между элементами с разными диаметрами, как в случае с шариковыми или объемными градиентными линзами, существенно снижает габаритные размеры устройства, позволяет использовать стандартные волоконно-оптические компоненты при сборке устройства, а также обеспечивает возможность изготавливать устройство с различными видами оснасток, что расширяет сферу их применения.

Для достижения дополнительного эффекта по уменьшению обратных оптических потерь область между двумя коллимирующими структурами может быть заполнена заполняется иммерсионным гелем, а на их торцы наносится просветляющее покрытие.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами (фиг.1, фиг.2, фиг.3).

Фиг. 1 – устройство волоконно-оптического соединителя при наличии расстояния между торцами передающего и принимающего оптических волокон.

Фиг. 2 – устройство волоконно-оптического соединителя при физическом контакте торцов передающего и принимающего оптических волокон.

Фиг.3 – принцип работы устройства волоконно-оптического соединителя.

Принятые обозначения на фиг.1, фиг.2 и фиг.3:

1 – участок многомодового градиентного оптического волокна

2 – участок оптического волокна, в котором распространяется оптическое излучение

3 – плоскость сварного соединения

4 – оснастка для крепления коллимирующей структуры

5 – адгезив

6 – оснастка для крепления коллимирующих структур волоконно-оптического соединителя

На Фиг. 1 приведено схематическое изображение реализации конструкции устройства волоконно-оптического соединителя с расширенным пучком. Устройство содержит две коллимирующие структуры, каждая из которых включает в себя участок многомодового градиентного оптического волокна 1, соосно соединенного с участком оптического волокна 2, в котором распространяется оптическое излучение, волокна соединены друг с другом электродуговой сваркой в плоскости сварного соединения 3 и жестко закреплены в оснастке для крепления 4 с применением адгезива 5; коллимирующие структуры соосно расположены в оснастке 6.

Принцип работы устройства волоконно-оптического соединителя с расширенным пучком поясняется следующим образом (Фиг. 3). Оптическое излучение, проходя через первую коллимирующую структуру, состоящую из участка многомодового градиентного оптического волокна 1, соосно соединенного с участком оптического волокна 2 электродуговой сваркой в плоскости сварного соединения 3, в котором распространяется оптическое излучение, и закрепленными в оснастке 4 с помощью адгезива 5, после чего на выходном торце первой коллимирующей структуры формируется коллимированный пучок излучения, попадающий на входной торец, соосно выставленной с применением оснастки 6, второй коллимирующей структуры, где оно фокусируется в область сердцевины принимающего оптического волокна.

В качестве конкретного примера сборки устройства волоконно-оптического соединителя с расширенным пучком предлагается следующее. Для соединения стандартного одномодового оптического волокна (стандарта G.657.A2) и многомодового градиентного оптического волокна (диаметр сердцевины – 100 мкм, диаметр оболочки – 125 мкм) применяется стандартная операция сварки на стандартном сварочном аппарате ILSINTECH SWIFT KF4.

Внутренняя полость оснастки для крепления коллимирующей структуры, в роли которой выступает керамическая ферула (в виде оснастки также может выступать V-groove, кварцевая трубка и т.д.), внутренний диаметр которой составляет 125±0,5 мкм, внешний диаметр 2,499±0,001 мм, длина 12,7±0,05 мм, заполнена адгезивом, в роли которого выступает оптический клей EPO-TEC 353 ND. Длина участка многомодового градиентного оптического волокна – 885 мкм.

Полировка торца многомодового градиентного оптического волокна осуществлена с применением полировочных пленок с зернистостью 5 мкм, 1 мкм и 0,3 мкм.

Коллимирующие структуры размещены в оснастке в виде керамической разрезной втулки с внутренним диаметром, достаточным для их надежного размещения (внешний диаметр 3,2±0,02 мм, внутренний диаметр 2,496±0,001 мм, длина 11,4±0,1 мм).

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение эффективности передачи оптического излучения между передающим и принимающим оптическими волокнами, увеличение верхней границы уровня передаваемой оптической мощности оптического сигнала между оптическими волокнами с одновременным уменьшением плотности мощности излучения в области оптического контакта передающего и принимающего волокон, повышение стабильности оптического контакта между передающим и принимающим волокнами, а также уменьшение обратных оптических потерь. Помимо этого, предлагаемое изобретение позволит упростить конструкцию и способ сборки волоконно-оптического соединителя, при этом обеспечив возможность функционирования как с физическим контактом, так и с расстоянием между передающим и принимающим оптическими волокнами.

В дополнение к этому, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию и способ сборки волоконно-оптического соединителя, исключить из конструкции дополнительные элементы нестандартного исполнения и пружинные механизмы. Предлагаемое изобретение позволит сократить количество операций и компонентов, необходимых для соосного выставления оптического волокна с линзой, что значительно уменьшит массогабаритные параметры устройства и его стоимость.

Claims (3)

1. Волоконно-оптический соединитель с расширенным пучком, включающий соосно размещенные в оснастке две коллимирующие структуры, каждая из которых включает соосно соединенные оптическое волокно и микролинзу, отличающийся тем, что коллимирующие структуры с внешним диаметром, не превышающем 125 мкм, размещены в оснастке с возможностью разнесения их по оптической оси относительно друг друга на расстояние, ограниченное длиной оснастки, в которой они размещены, микролинзы представляют собой участок многомодового градиентного оптического волокна с увеличенным диаметром сердцевины не более 105 мкм и диаметром кварцевой оболочки, соответствующим диаметру кварцевой оболочки соединенного с ним оптического волокна, а выходной торец многомодового градиентного оптического волокна сполирован под углом от 0 до 2° относительно оси оптического волокна, указанные волокна соединены друг с другом методом электродуговой сварки, размещены вдоль единой оснастки и закреплены в ней, при этом длина участка многомодового градиентного оптического волокна рассчитывается по формуле:
3. где – шаг градиентной линзы, – показатель преломления на границе сердцевина-оболочка многомодового градиентного оптического волокна, – максимальный показатель преломления сердцевины многомодового градиентного оптического волокна, – радиус сердцевины многомодового градиентного оптического волокна.