RU2830050C1 - Method and device for collimating or focusing optical radiation propagating in optical fibre - Google Patents
Method and device for collimating or focusing optical radiation propagating in optical fibre Download PDFInfo
- Publication number
- RU2830050C1 RU2830050C1 RU2024109244A RU2024109244A RU2830050C1 RU 2830050 C1 RU2830050 C1 RU 2830050C1 RU 2024109244 A RU2024109244 A RU 2024109244A RU 2024109244 A RU2024109244 A RU 2024109244A RU 2830050 C1 RU2830050 C1 RU 2830050C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical fiber
- multimode
- gradient
- section
- core
- Prior art date
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 152
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 54
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 54
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 title claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 33
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims abstract description 25
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 27
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 20
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 description 4
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 2
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Настоящие изобретения относятся к волоконно-оптическим технологиям, в частности к области коллимации или фокусировки оптического излучения.The present inventions relate to fiber optic technologies, in particular to the field of collimation or focusing of optical radiation.
Известен способ коллимации оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне и реализующее его устройство [Патент CN 116449500 A, G02B6/32, 17.03.2023].A method for collimating optical radiation propagating in an optical fiber and a device implementing it are known [Patent CN 116449500 A, G02B6/32, 03/17/2023].
Способ коллимации оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, включает соосное механическое соединение с помощью вспомогательных втулок участка оптического волокна, сполированного под углом 8° и покрытого оптическим антиотражающим покрытием и градиентной линзы, в роли которой выступает цилиндрическая сферическая линза, покрытая оптическим антиотражающим покрытием, и последующее размещение их во внешней втулке, заполненной адгезивом. После того, как оптическое излучение проходит через сполированный торец оптического волокна, попадая на линзу, на ее выходе формируется сколлимированный пучок.The method of collimating optical radiation propagating in an optical fiber includes a coaxial mechanical connection using auxiliary bushings of a section of optical fiber polished at an angle of 8° and coated with an optical antireflective coating and a gradient lens, which is a cylindrical spherical lens coated with an optical antireflective coating, and their subsequent placement in an external bushing filled with adhesive. After the optical radiation passes through the polished end of the optical fiber, hitting the lens, a collimated beam is formed at its output.
Недостатком способа является необходимость механического соосного выставления участка оптического волокна и градиентной линзы, что может вносить существенную погрешность в точность их соосного соединения, а также усложняет процесс сборки устройства. Нарушение соосности приводит к существенным потерям мощности формируемого коллимируемого пучка.The disadvantage of this method is the need for mechanical coaxial alignment of the optical fiber section and the gradient lens, which can introduce a significant error in the accuracy of their coaxial connection, and also complicates the assembly process of the device. Violation of coaxiality leads to significant power losses of the formed collimated beam.
Устройство, реализующее указанный способ, содержит волоконно-оптический коллиматор, включающий в себя внешнюю втулку, участок оптического волокна и градиентную линзу, причем участок оптического волокна и коллимирующая градиентная линза соосно соединены вспомогательными втулками и закреплены во внутренней полости внешней втулки. Торцевая поверхность участка оптического волокна, обращенная к коллимирующей линзе, сполирована под углом 8° и покрыта оптическим антиотражающим покрытием. Коллимирующая градиентная линза представляет собой линзу, одна сторона которой имеет сферическую поверхность, покрытую оптическим антиотражающим покрытием, а другая сторона - плоскую поверхность.The device implementing the said method comprises a fiber-optic collimator including an external sleeve, a section of optical fiber and a gradient lens, wherein the section of optical fiber and the collimating gradient lens are coaxially connected by auxiliary sleeves and secured in the internal cavity of the external sleeve. The end surface of the section of optical fiber facing the collimating lens is polished at an angle of 8° and covered with an optical anti-reflective coating. The collimating gradient lens is a lens, one side of which has a spherical surface covered with an optical anti-reflective coating, and the other side has a flat surface.
Недостатком данного устройства является использование линзы сложной формы, что значительно повышает сложность юстировки и соосного выставления оптического волокна и линзы, а также требует высокой точности изготовления конструкционных элементов. Помимо этого, сборка подобного устройства требует применения элементов нестандартного исполнения, что также приводит к усложнению конструкции устройства.The disadvantage of this device is the use of a lens of complex shape, which significantly increases the complexity of alignment and coaxial alignment of the optical fiber and lens, and also requires high precision manufacturing of structural elements. In addition, the assembly of such a device requires the use of non-standard elements, which also leads to a complication of the device design.
Известен способ коллимации оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, а также устройство, реализующее его. [Патент US 20030138202 A1, GO2B 6/32, 10.10.2002].A method for collimating optical radiation propagating in an optical fiber, as well as a device implementing it, are known. [Patent US 20030138202 A1, GO2B 6/32, 10.10.2002].
Способ коллимации оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, включает соосное соединение, установленного в сквозное отверстие ферулы свободного конца оптического волокна, покрытого эпоксидной смолой и, установленной в полости монтажной трубки формованной линзы, при этом, полированная торцевая поверхность ферулы параллельна плоской поверхности формованной линзы и отделена от нее узким зазором, образованным между формованной линзой и ферулой. Такое расположение предназначено для обеспечения точной коллимации световых лучей, выходящих из оптического волокна. Таким образом, оптическое излучение, проходя через оптическое волокно, попадает на поверхность формованной линзы, где за счет соосного соединения линзы и оптического волокна, на выходе линзы формируется сколлимированный пучок света.The method of collimating optical radiation propagating in an optical fiber includes a coaxial connection of the free end of the optical fiber, coated with epoxy resin, installed in the through hole of the ferrule and installed in the cavity of the mounting tube of the molded lens, wherein the polished end surface of the ferrule is parallel to the flat surface of the molded lens and separated from it by a narrow gap formed between the molded lens and the ferrule. Such an arrangement is intended to ensure precise collimation of the light rays emerging from the optical fiber. Thus, the optical radiation, passing through the optical fiber, hits the surface of the molded lens, where due to the coaxial connection of the lens and the optical fiber, a collimated beam of light is formed at the lens output.
Недостатком способа является существенное усложнение процесса юстировки оптических элементов за счет применения формованной линзы, что в свою очередь приводит к более высоким потерям мощности на соединении и низкой эффективности коллимации пучка излучения.The disadvantage of this method is the significant complication of the process of adjusting the optical elements due to the use of a molded lens, which in turn leads to higher power losses at the junction and low efficiency of collimation of the radiation beam.
Устройство, реализующее способ, представляет собой коллиматор, включающий оптическое волокно, покрытое эпоксидной смолой и размещенное в феруле, которая соосно выставлена относительно формованной линзы, закрепленной в свою очередь в полости монтажной трубки. Оптическое волокно имеет свободный конец, а ферула сквозное отверстие для соосной фиксации в нем оптического волокна. Торцевая поверхность ферулы сполирована под углом. Одна поверхность формованной линзы имеет цилиндрическую форму, а другая плоскую форму под углом, совпадающим с углом полировки торцевой поверхности ферулы.The device implementing the method is a collimator including an optical fiber coated with epoxy resin and placed in a ferrule, which is coaxially positioned relative to a molded lens, which is in turn fixed in the cavity of the mounting tube. The optical fiber has a free end, and the ferrule has a through hole for coaxial fixation of the optical fiber in it. The end surface of the ferrule is polished at an angle. One surface of the molded lens has a cylindrical shape, and the other has a flat shape at an angle coinciding with the polishing angle of the end surface of the ferrule.
Недостатком данного устройства является то, что в конструкции коллиматора используется формованная линза, диаметр которой сопоставим с диаметром ферулы, что существенно ограничивает применение подобного устройства коллимации оптического излучения в стандартных волоконно-оптических устройствах, а также увеличивает массогабаритные параметры устройства.The disadvantage of this device is that the collimator design uses a molded lens, the diameter of which is comparable to the diameter of the ferrule, which significantly limits the use of such a device for collimating optical radiation in standard fiber-optic devices, and also increases the mass and size parameters of the device.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемым решениям является способ коллимации оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне и устройство, реализующее его [Патент US №10718909 B2, GO2B 6/38, 21.07.2020].The closest technical solution (prototype) to the claimed solutions is a method for collimating optical radiation propagating in an optical fiber and a device that implements it [US Patent No. 10718909 B2, GO2B 6/38, 07/21/2020].
Способ коллимации оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, включает соосное механическое соединение между собой участка оптического волокна, размещенного в керамической феруле, и градиентной линзы, в роли которой выступает стержневая объемная градиентная линза, и последующее размещение их в оснастке в виде ферулы или защитного кожуха, заполненной адгезивом.Way collimation of optical radiation propagating in an optical fiber includes a coaxial mechanical connection between a section of optical fiber placed in a ceramic ferrule and a gradient lens, which is a rod volume gradient lens, and their subsequent placement in equipment in the form of a ferrule or protective casing filled with adhesive.
Недостатком способа коллимации оптического излучения в оптическом волокне является сложность в соосном выставлении торца стандартного оптического волокна и торца градиентной линзы, поскольку требует прецизионного выставления выходных отверстий ферул для крепления стандартного оптического волокна и градиентной линзы. Это приводит к тому, что механическое выравнивание выходных отверстий ферул для крепления стандартного оптического волокна приводит к существенным потерям мощности формируемого коллимируемого пучка на выходе линзы. Использование клеевой фиксации ферул для оптического волокна и градиентной линзы вносит ощутимые погрешности в выставление их соосности при сборке устройства.The disadvantage of the method of collimating optical radiation in an optical fiber is the difficulty in coaxially aligning the end of a standard optical fiber and the end of a gradient lens, since it requires precise alignment of the output holes of the ferrules for attaching the standard optical fiber and the gradient lens. This leads to the fact that mechanical alignment of the output holes of the ferrules for attaching the standard optical fiber leads to significant power losses of the formed collimated beam at the lens output. The use of adhesive fixation of ferrules for the optical fiber and the gradient lens introduces significant errors in their alignment during assembly of the device.
Устройство, реализующее способ, содержит, размещенные в заполненной адгезивом оснастке, соосно соединенные между собой участок оптического волокна, размещенный в свою очередь в керамической феруле и градиентную линзу в виде стержневой объёмной градиентной линзы, а также ферулу или защитный кожух для градиентной линзы. Ферула с линзой и ферула с оптическим волокном концентрично выровнены посредством применения дополнительной ферулы или защитного кожуха.The device implementing the method comprises a section of optical fiber, placed in an adhesive-filled fixture, coaxially connected to each other, placed in a ceramic ferrule and a gradient lens in the form of a rod volumetric gradient lens, as well as a ferrule or protective casing for the gradient lens. The ferrule with the lens and the ferrule with the optical fiber are concentrically aligned by using an additional ferrule or protective casing.
Ферула для оптического волокна имеет цилиндрическую форму и содержит центральное продольное проходное отверстие для установки оптического волокна. Диаметр этого отверстия соответствует диаметру самого волокна. Для фиксации оптического волокна в феруле используется адгезив. Адгезив вводится в отверстие с помощью шприца. Конец оптического волокна сполирован и выравнивается по центру выходного отверстия ферулы для линзы. Для механического выравнивания ферулы и линзы используется прецизионно изготовленная ферула или защитный кожух для линзы. Таким образом, ферула и линза запрессованы в ферулу для линзы и удерживаются на месте за счет трения.The ferrule for optical fiber is cylindrical and contains a central longitudinal through-hole for installing the optical fiber. The diameter of this hole corresponds to the diameter of the fiber itself. An adhesive is used to fix the optical fiber in the ferrule. The adhesive is injected into the hole using a syringe. The end of the optical fiber is polished and aligned with the center of the exit hole of the lens ferrule. A precision-made ferrule or protective lens housing is used to mechanically align the ferrule and lens. In this way, the ferrule and lens are pressed into the lens ferrule and held in place by friction.
Недостатком данного устройства является использование в конструкции стержневой объемной градиентной линзы, что влечет за собой увеличение количества дополнительных элементов в конструкции, в том числе нестандартного форм-фактора ферулы для фиксации градиентной линзы, что усложняет технологический процесс изготовления устройства для коллимации, поскольку возникает сложность соосного выставления оптического волокна с градиентной линзой, необходимого для получения наилучших параметров устройства.The disadvantage of this device is the use of a rod volume gradient lens in the design, which entails an increase in the number of additional elements in the design, including a non-standard form factor of the ferrule for fixing the gradient lens, which complicates the technological process of manufacturing the collimation device, since it becomes difficult to coaxially align the optical fiber with the gradient lens, which is necessary to obtain the best device parameters.
Предлагаемые изобретения решают задачу повышения эффективности коллимации или фокусировки оптического излучения за счет повышения точности позиционирования при соосном соединении оптического волокна и градиентной линзы, что обеспечивает высокую воспроизводимость параметров пучка, упрощения способа коллимации или фокусировки оптического излучения за счет исключения необходимости использования дополнительных компонентов для коллимации или фокусировки оптического излучения в волокне, а также усовершенствования конструкции устройства коллимации или фокусировки оптического излучения за счет уменьшения габаритных размеров, упрощения технологического процесса изготовления, минимального количества используемых элементов, имеющих стандартное исполнение.The proposed inventions solve the problem of increasing the efficiency of collimation or focusing of optical radiation by increasing the accuracy of positioning with a coaxial connection of an optical fiber and a gradient lens, which ensures high reproducibility of the beam parameters, simplifying the method of collimation or focusing of optical radiation by eliminating the need to use additional components for collimation or focusing of optical radiation in the fiber, as well as improving the design of the device for collimation or focusing of optical radiation by reducing the overall dimensions, simplifying the manufacturing process, and the minimum number of elements used that have a standard design.
Поставленная задача решается следующим способом.The problem is solved in the following way.
В способе коллимации или фокусировки оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, включающем соосное соединение между собой участка оптического волокна и градиентной линзы и последующее размещение их в оснастке, заполненной адгезивом, соосное соединение осуществляют с помощью электродуговой сварки участка оптического волокна и, используемого в качестве градиентной линзы, участка многомодового градиентного оптического волокна, а для их размещения в оснастке, предварительно сопоставляют выходной торец оснастки и плоскость сварного соединения, соединенные волокна перемещают внутрь оснастки, при этом плоскость сварного соединения волокон смещают вдоль оснастки на глубину, предварительно рассчитываемую по формуле:In a method for collimating or focusing optical radiation propagating in an optical fiber, including a coaxial connection between a section of an optical fiber and a gradient lens and their subsequent placement in a fixture filled with an adhesive, the coaxial connection is carried out using electric arc welding of a section of the optical fiber and a section of a multimode gradient optical fiber used as a gradient lens, and for their placement in the fixture, the output end of the fixture and the plane of the welded joint are first aligned, the connected fibers are moved inside the fixture, while the plane of the welded joint of the fibers is displaced along the fixture to a depth previously calculated using the formula:
(1) (1)
и соответствующую длине размещаемого в оснастке участка многомодового градиентного оптического волокна, 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, производят отверждение адгезива и осуществляют полировку выходного торца многомодового градиентного оптического волокна.and corresponding to the length of the section of multimode graded-index optical fiber placed in the equipment, where - gradient lens pitch, - the refractive index at the core-cladding interface of a multimode graded-index optical fiber, - the maximum refractive index of the core of a multimode graded-index optical fiber, - the core radius of the multimode graded-index optical fiber, the adhesive is cured, and the output end of the multimode graded-index optical fiber is polished.
Устройство коллимации или фокусировки оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне содержит, размещенные в заполненной адгезивом оснастке, соосно соединенные между собой участок оптического волокна и градиентную линзу, которая представляет собой участок многомодового градиентного оптического волокна с диаметром кварцевой оболочки, соответствующим диаметру кварцевой оболочки соединенного с ним оптического волокна, а выходной торец многомодового градиентного оптического волокна сполирован, указанные волокна соединены друг с другом электродуговой сваркой и размещены вдоль оснастки, при этом, длина участка многомодового градиентного оптического волокна, размещаемого внутри оснастки предварительно рассчитывается по формуле:A device for collimating or focusing optical radiation propagating in an optical fiber comprises a section of an optical fiber and a gradient lens , which are placed in an adhesive-filled fixture and are coaxially connected to each other, and which is a section of a multimode gradient optical fiber with a quartz cladding diameter corresponding to the quartz cladding diameter of the optical fiber connected to it, and the output end of the multimode gradient optical fiber is polished, said fibers are connected to each other by electric arc welding and placed along the fixture, wherein the length of the section of the multimode gradient optical fiber placed inside the fixture is preliminarily calculated using the formula:
(1) (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.Where - gradient lens pitch, - the refractive index at the core-cladding interface of a multimode graded-index optical fiber, - the maximum refractive index of the core of a multimode graded-index optical fiber, - the core radius of a multimode graded-index optical fiber.
Сущность заявляемых способа коллимации или фокусировки оптического излучения и устройства, его реализующего поясняется следующим.The essence of the claimed method of collimation or focusing of optical radiation and the device implementing it is explained as follows.
Способ коллимации или фокусировки оптического излучения заключается в прецизионном соосном соединении участка оптического волокна и градиентной линзы с применением метода электродуговой сварки. Для осуществления коллимации или фокусировки, участок оптического волокна посредством электродуговой сварки, позволяющей выполнить высокоточное прецизионное позиционирование, соосно соединяется с градиентной линзой, выполненной в виде участка многомодового градиентного оптического волокна, соединенные волокна размещаются в заполненной адгезивом оснастке. Оснастка для крепления, внутренний диаметр которой позволяет выполнить высокоточное, плотно прилегающее размещение соединенных между собой методом электродуговой сварки оптического волокна и многомодового градиентного оптического волокна, заполняется адгезивом для надежной фиксации коллимирующего или фокусирующего элемента. После чего производится прецизионное позиционирование соединенных между собой волокон в оснастке для крепления. Сопоставляют плоскость выходного торца оснастки и плоскость электродуговой сварки, после чего соединенные волокна перемещают внутрь оснастки, при этом плоскость сварного соединения волокон смещают вдоль оснастки на глубину, предварительно рассчитываемую по формуле (1), и которая соответствует длине размещаемого участка многомодового градиентного оптического волокна, обеспечивающую его оптимальную длину для эффективной коллимации или фокусировки оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, зависящее от того, какую функцию должно выполнять устройство: коллимацию или фокусировку, и зависит от шага градиентной линзы P:The method of collimation or focusing of optical radiation consists of a precise coaxial connection of a section of optical fiber and a gradient lens using the method of electric arc welding. To carry out collimation or focusing, a section of optical fiber is welded by means of electric arc welding, which allows for high-precision precision positioning, is coaxially connected to a gradient lens made in the form of a section of multimode gradient optical fiber, the connected fibers are placed in an adhesive-filled fixture. The mounting fixture, the inner diameter of which allows for high-precision, tightly fitting placement of the optical fiber and multimode gradient optical fiber connected to each other by electric arc welding, is filled with adhesive for reliable fixation collimating or focusing element. After which precise positioning of the interconnected fibers in the fastening equipment is performed. The plane of the output end of the equipment and the plane of the electric arc welding are compared, after which the connected fibers are moved inside the equipment, while the plane of the welded joint of the fibers is shifted along the equipment to a depth preliminarily calculated using formula (1), and which corresponds to the length of the placed section of the multimode gradient optical fiber, ensuring its optimal lengthfor efficient collimation or focusing of optical radiation propagating in an optical fiber, depending on what function the device must perform: collimation or focusing, and depends on the pitch of the gradient lens P:
(1) (1)
где - показатель преломления на границе сердцевина-оболочка многомодового градиентного оптического волокна, - максимальный показатель преломления сердцевины многомодового градиентного оптического волокна, - радиус сердцевины многомодового градиентного оптического волокна, - шаг градиентной линзы.Where - the refractive index at the core-cladding interface of a multimode graded-index optical fiber, - the maximum refractive index of the core of a multimode graded-index optical fiber, - the core radius of a multimode graded-index optical fiber, - gradient lens step.
Исходя из выражения, приведенного выше, а также в зависимости от функции, которую выполняет устройство, длина участка многомодового градиентного оптического волокна рассчитывается по следующим формулам:Based on the expression given above, and also depending on the function that the device performs, the length of a section of multimode graded-index optical fiber is calculated using the following formulas:
1. Коллимация - градиентная линза с шагом в 0,25 коллимирует оптическое излучение, где длина участка многомодового градиентного оптического волокна :1. Collimation - a gradient lens with a step of 0.25 collimates optical radiation, where the length of the section of multimode gradient optical fiber :
(1) (1)
2. Фокусировка - шаг градиентной линзы 0,5. При такой длине многомодового градиентного оптического волокна световой пучок фокусируется на его выходном торце :2. Focusing - gradient lens pitch 0.5. With this length of multimode gradient optical fiber, the light beam is focused on its output end :
(1) (1)
3. Фокусировка - шаг градиентной линзы . При такой длине многомодового градиентного оптического волокна световой пучок фокусируется на некотором фокусном расстоянии от его выходного торца, зависящем от шага линзы.3. Focusing - gradient lens step With such a length of multimode graded-index optical fiber, the light beam is focused at a certain focal distance from its output end, depending on the lens pitch.
После закрепления соединенных волокон в оснастке осуществляется полировка участка многомодового градиентного оптического волокна, достаточная для очистки следов адгезива на торцевой поверхности оснастки и для удаления излишней выступающей части многомодового градиентного оптического волокна для обеспечения необходимой, предварительно рассчитанной длины участка многомодового градиентного оптического волокна, обеспечивающую эффективную коллимацию или фокусировку оптического излучения с требуемым фокусным расстоянием.After fixing the connected fibers in the tooling, the section of the multimode graded-index optical fiber is polished sufficiently to clean traces of adhesive on the end surface of the tooling and to remove the excess protruding portion of the multimode graded-index optical fiber to ensure the required, pre-calculated length of the section of the multimode graded-index optical fiber, ensuring effective collimation or focusing of optical radiation with the required focal length.
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 для коллимации или фокусировки оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне. 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.By using the electric arc welding method, a section of multimode graded-index optical fiber and equipment in the form of standard fiber components, the problem of simplifying the design and assembly method of a device for collimating or focusing optical radiation propagating in an optical fiber is solved. Implementation of the method of coaxially connecting a section of optical fiber and a section of multimode graded-index optical fiber by the electric arc welding method using an optical fiber welding apparatus ensures high-precision automatic coaxial alignment of the section of optical fiber and the section of multimode graded-index optical fiber due to the presence of built-in precision manipulators and a camera in the apparatus. This, in turn, makes it possible to eliminate errors introduced when using other presented mechanical methods of coaxially connecting an optical fiber and a graded-index lens, since the precision connection process occurs automatically.
Предложенный способ позволяет производить высокоточное позиционирование участка многомодового градиентного оптического волокна, относительно участка оптического волокна, исключает требование по использованию дополнительных компонентов для осуществления коллимации или фокусировки 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 или фокусировку оптического излучения с высокой воспроизводимостью параметров пучка излучения.The proposed method allows for highly accurate positioning of a section of a multimode graded-index optical fiber relative to a section of an optical fiber, eliminates the requirement for using additional components to collimate or focus optical radiation in an optical fiber, and simplifies the technological process of assembling the device and allows for manufacturing a section of a multimode graded-index optical fiber of the required length. All of this together makes it possible to collimate or focus optical radiation with high reproducibility of the radiation beam parameters.
Использование в заявляемом устройстве коллимации или фокусировки оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, 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 шаровых линз и объемных градиентных линз является меньший размер (125 мкм и 1 мм и более соответственно), возможность выполнения любого вида полировки (плоская, PC, 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, 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.The use of a section of a multimode gradient optical fiber as a gradient lens in the claimed device for collimating or focusing optical radiation propagating in an optical fiber facilitates its high-precision positioning relative to the section of the optical fiber due to the correspondence of their quartz cladding diameters. In addition, a significant advantage of using a multimode gradient optical fiber instead of spherical lenses and volumetric gradient lenses is its smaller size (125 μm and 1 mm or more, respectively), the ability to perform any type of polishing (flat, PC, APC) using polishing machines, and the ability to use standard fiber components. Also, a multimode gradient optical fiber can be drawn with a quartz cladding diameter equal to the quartz cladding diameter of standard optical fibers of 125 μm, which significantly simplifies the design and ensures reliable connection of various components, significantly reduces the overall dimensions of the device, allows using standard fiber-optic components when assembling the device, and also provides the ability to manufacture the device with various types of tooling, which expands the scope of their application.
Реализация подобного исполнения устройства коллимации или фокусировки оптического излучения требует соответствия диаметров кварцевой оболочки оптического волокна, в котором распространяется оптическое излучение и многомодового градиентного оптического волокна и более ничем не ограничена.The implementation of such a design of a collimation or focusing device for optical radiation requires that the diameters of the quartz shell of the optical fiber in which the optical radiation is propagated correspond to those of the multimode gradient optical fiber and are not limited in any other way.
В зависимости от того, какую функцию выполняет устройство - коллимацию или фокусировку оптического излучения в оптическом волокне, необходимая длина участка многомодового градиентного оптического волокна зависит от шага градиентной линзы и предварительно рассчитывается по формуле (1). Depending on what function the device performs - collimation or focusing of optical radiation in an optical fiber, the required length of a section of multimode graded-index optical fiber depends on the pitch of the gradient lens and is pre-calculated using formula (1).
Заявляемое устройство позволяет решить задачу усовершенствования конструкции за счет уменьшения габаритных размеров, упрощения технологического процесса изготовления, минимального количества используемых элементов, имеющих стандартное исполнение и обеспечивающих надежное соединение различных компонентов.The claimed device allows solving the problem of improving the design by reducing the overall dimensions, simplifying the manufacturing process, and using a minimum number of elements that have a standard design and ensure reliable connection of various components.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом.The essence of the claimed invention is explained by the drawing.
Принятые обозначения на чертеже:Accepted designations on the drawing:
1 - участок многомодового градиентного оптического волокна1 - section of multimode graded-index optical fiber
2 - участок оптического волокна, в котором распространяется оптическое излучение2 - a section of optical fiber in which optical radiation propagates
3 - плоскость сварного соединения3 - plane of welded joint
4 - оснастка для крепления4 - mounting hardware
5 - адгезив5 - adhesive
На чертеже приведено схематическое изображение реализации конструкции устройства коллимации или фокусировки оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне с использованием оснастки в виде ферулы для крепления. Устройство содержит участок многомодового градиентного оптического волокна 1, соосно соединенный 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. The drawing shows a schematic representation of the implementation of the design of a device for collimating or focusing optical radiation propagating in an optical fiber using equipment in the form of a ferrule for fastening. The device contains a section of a multimode gradient optical fiber 1 , coaxially connected to a section of an optical fiber 2 in which optical radiation propagates, the fibers are connected to each other by electric arc welding in the plane of the weld joint 3 and are rigidly fixed in the equipment for fastening 4 using an adhesive 5.
Способ коллимации или фокусировки оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, осуществляется следующим образом. Предварительно осуществляют соосное соединение градиентной линзы в виде участка многомодового градиентного оптического волокна 1 и участка оптического волокна 2, в котором распространяется излучение, методом электродуговой сварки в плоскости сварного соединения 3, сопоставляют плоскость сварного соединения 3 с выходным торцом оснастки 4, соединенные волокна смещаются вдоль оснастки 4 на предварительно рассчитанную необходимую глубину, затем производят отверждение адгезива 5 и последующую полировку торца многомодового градиентного оптического волокна 1. Коллимация осуществляется за счет прохождения оптического излучения через коллимирующий элемент, представляющий собой соосно соединенные между собой градиентную линзу в виде участка многомодового градиентного оптического волокна 1 и участка оптического волокна 2, в котором распространяется излучение, методом электродуговой сварки в плоскости сварного соединения 3, жестко закрепленные в оснастке для крепления 4 с применением адгезива 5, где попадая на участок многомодового градиентного оптического волокна 1 и проходя через него, на его выходе формируется сколлимированный пучок света.The method of collimation or focusing of optical radiation propagating in an optical fiber is carried out as follows. A coaxial connection of a gradient lens in the form of a section of a multimode gradient optical fiber 1 and a section of an optical fiber 2 in which the radiation propagates is first carried out by electric arc welding in the plane of the welded joint 3 , the plane of the welded joint 3 is compared with the output end of the equipment 4 , the connected fibers are shifted along the equipment 4 to a previously calculated required depth, then the adhesive 5 is cured and the end of the multimode gradient optical fiber 1 is subsequently polished. Collimation is achieved by passing optical radiation through a collimating element, which is a gradient lens in the form of a section of multimode gradient optical fiber 1 and a section of optical fiber 2 , in which radiation is propagated, coaxially connected to each other by electric arc welding in the plane of the welded joint 3 , rigidly fixed in the fastening equipment 4 using adhesive 5 , where, hitting the section of multimode gradient optical fiber 1 and passing through it, a collimated beam of light is formed at its output.
В качестве конкретного примера способа коллимации или фокусировки оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне и устройства для его осуществления 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) применялась стандартная операция сварки на стандартном сварочном аппарате ILSINTECH SWIFT KF4. В ходе работы были опробованы несколько режимов сварки - SM-SM, SM-MM, MM-MM с различными параметрами. Наилучшим вариантом предлагается режим SM-ММ с базовыми параметрами. Среднее значение вносимых потерь на сварном соединении составляло менее 0,05 дБ.As a specific example of the method of collimation or focusing of optical radiation propagating in an optical fiber and the device for its implementation, the following is proposed. To connect a standard single-mode optical fiber (G.657.A2 standard) and a multimode gradient optical fiber (core diameter - 100 μm, cladding diameter - 125 μm), a standard welding operation was used on a standard ILSINTECH SWIFT KF4 welding machine. During the work, several welding modes were tested - SM-SM, SM-MM, MM-MM with different parameters. The SM-MM mode with basic parameters is proposed as the best option. The average value of insertion losses at the welded joint was less than 0.05 dB.
Внутренняя полость оснастки для крепления, 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 2,5 мм, а длина 12,7±0,05 мкм, позволяет выполнить высокоточное, плотно прилегающее размещение соединенных между собой одномодового оптического волокна и многомодового градиентного оптического волокна, заполняется адгезивом, в роли которого выступает оптический клей EPO-TEC 353 ND.The internal cavity of the mounting fixture, which is a ceramic ferrule (V-groove, quartz tube, etc. can also be used as equipment), the inner diameter of which is 125±0.5 μm, the outer diameter is 2.5 mm, and the length is 12.7±0.05 μm, allows for high-precision, tightly adjacent placement of single-mode optical fiber and multimode gradient optical fiber connected to each other, filled with an adhesive, which is EPO-TEC 353 ND optical glue.
Далее, с применением микроскопа и микрометрической подвижки, производится прецизионное позиционирование соединенных между собой волокон в оснастке для крепления. С помощью микроскопа производится определение плоскости электродуговой сварки, после чего осуществляется смещение оптического волокна с помощью микрометрической подвижки вдоль оснастки для крепления так, чтобы плоскость сварного соединения и плоскость выходного торца ферулы совпадали. Далее, с применением микрометрической подвижки, производится смещение плоскости сварки внутрь оснастки на глубину, которая обеспечивает оптимальную длину участка многомодового градиентного оптического волокна для эффективной коллимации или фокусного расстояния для фокусировки оптического излучения в оптическом волокне. При рассчитанной длине коллимирующего участка многомодового градиентного оптического волокна 885 мкм для длины волны распространяющегося излучения 1550 нм необходимо сместить оптическое волокно внутрь отверстия ферулы на 885 мкм. Применяемый микрометрический транслятор обеспечивал точность установки ±5 мкм.Next, using a microscope and a micrometer shifter, the precision positioning of the interconnected fibers in the fastening fixture is performed. Using a microscope, the plane of the electric arc welding is determined, after which the optical fiber is shifted along the fastening fixture using a micrometer shifter so that the plane of the welded joint and the plane of the output end of the ferrule coincide. Next, using a micrometer shifter, the welding plane is shifted inside the fixture to a depth that ensures the optimal length of the multimode gradient optical fiber section. for effective collimation or focal length for focusing optical radiation in an optical fiber. With the calculated length of the collimating section of a multimode gradient optical fiber of 885 μm for a wavelength of propagating radiation of 1550 nm, it is necessary to shift the optical fiber inside the ferrule hole by 885 μm. The micrometer translator used ensured an installation accuracy of ±5 μm.
После температурного отверждения адгезива и закрепления элемента коллимации или фокусировки оптического излучения в оснастке осуществляется полировка торца многомодового градиентного оптического волокна достаточная для очистки следов адгезива и для удаления излишней выступающей части многомодового градиентного оптического волокна для обеспечения необходимой, предварительно рассчитанной длины участка многомодового градиентного оптического волокна, обеспечивающую эффективную коллимацию. Для полировки использовались полировочные пленки с зернистостью 5 мм, 1 мкм и 0,3 мкм. Пленка с зернистостью 5 мкм служит для удаления выступающей части многомодового градиентного оптического волокна и следов адгезива, пленка с зернистостью 1 мкм и 0,3 мкм для удаления царапин на поверхности волокна и торце ферулы, и финишной полировки. Ферулу с волокном устанавливают в оснастку для полировки и закрепляют на полировальной машине. Для контроля параллельной установки торца ферулы относительно полировального круга используют контрольные камеры и угловую подвижку, установленные на полировальной машине. Первым этапом полировки является удаление излишней выступающей части многомодового градиентного оптического волокна. Вторым этапом полировки является полировка пленкой с зернистостью 1 мкм. К этому моменту большая часть выдвинутого волокна должна быть удалена. На данном этапе осуществляется только полировка торца ферулы с волокном. Третьим этапом полировки является полировка с помощью финишной пленки 0,3 мкм. Постепенное уменьшение зернистости пленок позволяет получить полировку с меньшими дефектами торца волокна и ферулы. Предлагаемые решения дают возможность выполнения любого вида полировки (плоская, PC, APC) многомодового градиентного оптического волокна с помощью полировальных машин. После всех этапов полировки осуществляют визуальный контроль с помощью камеры торца волокна для обеспечения исключения на торце волокна возможных загрязнений, трещин сколов, а также контроля однородности цвета сердцевины.After temperature curing of the adhesive and fixing of the collimation or focusing element of optical radiation in the fixture, polishing of the end face of the multimode graded-index optical fiber is performed sufficient for cleaning traces of the adhesive and for removing the excess protruding part of the multimode graded-index optical fiber to ensure the required, pre-calculated length of the section of the multimode graded-index optical fiber, ensuring effective collimation. Polishing films with a grain size of 5 mm, 1 μm and 0.3 μm were used for polishing. The film with a grain size of 5 μm serves to remove the protruding part of the multimode graded-index optical fiber and traces of the adhesive, the film with a grain size of 1 μm and 0.3 μm to remove scratches on the surface of the fiber and the end face of the ferrule, and final polishing. The ferrule with the fiber is installed in the polishing fixture and fixed on the polishing machine. To control the parallel installation of the ferrule end face relative to the polishing wheel, control cameras and an angular shifter installed on the polishing machine are used. The first stage of polishing is the removal of the excess protruding part of the multimode gradient optical fiber. The second stage of polishing is polishing with a film with a grain size of 1 μm. By this point, most of the extended fiber should be removed. At this stage, only the ferrule end face with the fiber is polished. The third stage of polishing is polishing with a finishing film of 0.3 μm. Gradually decreasing the grain size of the films allows for polishing with fewer defects in the fiber end face and ferrule. The proposed solutions make it possible to perform any type of polishing (flat, PC, APC) of multimode gradient optical fiber using polishing machines. After all polishing stages, a visual inspection is carried out using a fiber end face camera to ensure the exclusion of possible contamination, cracks, and chips on the fiber end face, as well as to control the uniformity of the core color.
Таким образом, заявляемые способ коллимации или фокусировки оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, и устройство для его осуществления, обеспечивают повышение эффективности коллимации или фокусировки оптического излучения, распространяющегося в оптическом волокне, за счет повышения точности соосного позиционирования при соединении методом электродуговой сварки оптического волокна и участка многомодового градиентного оптического волокна, достижение высокой воспроизводимости параметров пучка формируемого коллимируемого излучения, упрощения способа коллимации или фокусировки оптического излучения за счет исключения необходимости использования дополнительных компонентов для коллимации или фокусировки оптического излучения в волокне, а также усовершенствования конструкции устройства коллимации или фокусировки оптического излучения за счет уменьшения габаритных размеров, упрощения технологического процесса изготовления, сокращения количества используемых элементов, исключения использования элементов, имеющих нестандартное исполнение.Thus, the claimed method for collimating or focusing optical radiation propagating in an optical fiber and the device for implementing it provide an increase in the efficiency of collimating or focusing optical radiation propagating in an optical fiber by increasing the accuracy of coaxial positioning when connecting an optical fiber and a section of a multimode gradient optical fiber by the method of electric arc welding, achieving high reproducibility of the parameters of the beam of formed collimated radiation, simplifying the method for collimating or focusing optical radiation by eliminating the need to use additional components for collimating or focusing optical radiation in a fiber , as well as improving the design of the device for collimating or focusing optical radiation by reducing the overall dimensions, simplifying the manufacturing process, reducing the number of elements used, and eliminating the use of elements that have a non-standard design.
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2830050C1 true RU2830050C1 (en) | 2024-11-11 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2845582C1 (en) * | 2024-11-22 | 2025-08-22 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | System for generating and focusing laser radiation with a fibre-optic output to a remote object |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2446537Y (en) * | 2000-10-18 | 2001-09-05 | 福建华科光电有限公司 | Optical fiber collimator structure |
| US20030026535A1 (en) * | 2001-07-31 | 2003-02-06 | Ljerka Ukrainczyk | Optical fiber collimators and their manufacture |
| US20030043472A1 (en) * | 1999-07-16 | 2003-03-06 | Mandella Michael J. | Collimators and collimator arrays employing ellipsoidal solid immersion lenses |
| JP2007133239A (en) * | 2005-11-11 | 2007-05-31 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Collimator and optical filter device using the same |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030043472A1 (en) * | 1999-07-16 | 2003-03-06 | Mandella Michael J. | Collimators and collimator arrays employing ellipsoidal solid immersion lenses |
| CN2446537Y (en) * | 2000-10-18 | 2001-09-05 | 福建华科光电有限公司 | Optical fiber collimator structure |
| US20030026535A1 (en) * | 2001-07-31 | 2003-02-06 | Ljerka Ukrainczyk | Optical fiber collimators and their manufacture |
| JP2007133239A (en) * | 2005-11-11 | 2007-05-31 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Collimator and optical filter device using the same |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2845582C1 (en) * | 2024-11-22 | 2025-08-22 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | System for generating and focusing laser radiation with a fibre-optic output to a remote object |
| RU2849002C1 (en) * | 2025-05-20 | 2025-10-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" | Fibre optic connector with expanded beam |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7474822B2 (en) | Optical fiber collimator | |
| US5511140A (en) | Molded plastic optical fiber-optoelectronic converter subassembly | |
| US6865333B2 (en) | Visual alignment of multiple-reflector collimation system | |
| CN105204119B (en) | A kind of multicore optical fiber coupler preparation method based on capillary processing | |
| WO2003010564A9 (en) | Expanded beam connector system | |
| US10036857B2 (en) | Expanded beam connector with discrete alignment assembly | |
| US10996396B2 (en) | Endcap, assembly and method for improving accuracy in fiber-endcap-fixture alignment | |
| GB2139377A (en) | Optical connectors | |
| RU2830050C1 (en) | Method and device for collimating or focusing optical radiation propagating in optical fibre | |
| EP1417520B1 (en) | Fiber-optic cable alignment system | |
| WO2017031376A1 (en) | Ferrule assembly with sacrificial optical fiber | |
| CN100422775C (en) | Multi-fiber port platform | |
| Edelstein et al. | Optical fiber systems for the BigBOSS instrument | |
| RU2849002C1 (en) | Fibre optic connector with expanded beam | |
| JP5156979B2 (en) | How to attach an optical fiber to an optical fiber coupler | |
| WO2004005990A1 (en) | Optical fiber connector and production method therefor, and optical connection device | |
| US9594214B1 (en) | Optical fiber devices | |
| WO2004053547A1 (en) | Optical fiber terminal, manufacturing method thereof, optical coupler, and optical part | |
| RU222410U1 (en) | OPTICAL CONNECTOR | |
| CN222145275U (en) | A high power splitter | |
| RU2786485C1 (en) | Optical connector | |
| CN223582204U (en) | Optical module wave diversity becomes optical module light path structure and optical module | |
| CN2533479Y (en) | Optical module with collimator | |
| US20170052326A1 (en) | Expanded beam connector with discrete alignment assembly | |
| WO2025203344A1 (en) | Optical connector and method for manufacturing optical connector plug |