УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ СВЕТОВОДОВ Российский патент 1994 года по МПК G02B6/34 G02B6/32 

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам передачи (ВОСП), в частности к оптическим согласующим устройствам, и может быть использовано в линиях связи на оптическом волокне (ОВ), в устройствах ВОСП и волоконно-оптических датчиках.

Одним из основных требований к оптическим согласующим устройствам является условие эффективного согласования лучей световодов и надежность в работе. Эффективность согласования лучей световодов зависит от точности взаимной ориентации микрооптических и волоконно-оптических компонентов (линейное рассогласование - микрометры и доли микрометров, угловое рассогласование - доли градуса). Надежность работы определяется условием фиксированного закрепления микрооптических элементов в оптической системе устройства и должна соответствовать надежности эксплуатации волоконно-оптического кабеля (ВОК), время наработки на отказ которого составляет 25 лет при сроке хранения 25 лет. Следовательно, требуемая интенсивность отказов оптических согласующих устройств должна приближаться к значению 10^-7 час^-1.

Известно устройство для соединения оптических волокон (1), которое используется для разделения или сочетания множества лучей. Устройство выполнено из дискретных элементов: сферических микролинз, светоделительных призм, которые расположены в оптической системе устройства с воздушным промежутком между элементами. Такая конструкция не обеспечивает стабильность параметров в работе устройства, имеет значительную зависимость от внешних воздействий: колебаний температуры окружающей среды, вибрации, пыли, влаги.

Известен также оптический делитель мощности оптического излучения, распространяющегося по волоконному световоду (2). Делитель состоит из склеенных между собой плоскопараллельных прозрачных пластин, с одной стороны покрытых частично отражающей пленкой. Коэффициент пропускания пленки выбирается в зависимости от желаемого отношения деления пучка. Для деления используются последовательные отражения излучения от частично отражающих слоев.

Недостатками такого устройства являются: механическое согласование дискретных фокусирующих и светоделительных компонентов, что не обеспечивает точной их взаимной ориентации, и невысокая надежность работы за счет большого количества склеенных оптических элементов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является оптический соединитель (3), который содержит сферические линзы, светоделительные элементы, выполненные в виде плоскопараллельных пластин или призм со светоделительным покрытием и световоды.

Недостатком указанного устройства является недостаточная надежность и точность взаимной ориентации сферических линз и светоделительных элементов.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для оптического соединения световодов, содержащем сферические линзы, светоделительные элементы, выполненные в виде плоскопараллельных пластин или призм со светоделительным покрытием, и световоды, сферические линзы и соответствующие светоделительные элементы соединены в моноблоки путем впаивания в соответствующий светоделительный элемент сферической линзы, показатель преломления которой больше показателя преломления светоделительного элемента по крайней мере на 0,03, при этом светоделительное покрытие нанесено на поверхность, противоположную поверхности впаивания.

Кроме того, между световодами и соответствующими сферическими линзами могут быть установлены дополнительные пластины, с которыми указанные сферические линзы соединены впаиванием, причем показатель преломления сферической линзы больше показателя преломления дополнительной пластины по крайней мере на 0,03.

В данном устройстве соединение стекла со стеклом получено путем впаивания микролинзы в стеклянную пластину, при этом происходит заранее обусловленная выбором материала спаиваемой пары деформация одной из соединяемых оптических деталей, а именно - пластины, нагреваемой до температуры спекания, под действием веса впаиваемой микролинзы. Это позволяет достичь контакта между линзой и пластиной по сферической недеформированной поверхности. Величина зоны контакта обусловлена необходимостью обеспечить полное прохождение пучка излучения через устройство. Все элементы устройства, таким образом, образуют единый моноблок, в связи с чем значительно снижается возможность их взаимной разориентации. Нанесение светоделительного покрытия на плоско-параллельную пластину применяется, например, в (2), но в данном устройстве покрытие наносится на поверхность, противоположную поверхности впаивания, и не подвергается дополнительным воздействиям, ухудшающим его свойства (нанесение оптического клея).

На фиг. 1 изображено устройство для оптического соединения светодиодов; на фиг. 2 - устройство для оптического соединения световодов с дополнительными пластинами.

На фиг. 1 сферическая микролинза 1 впаяна в прозрачную плоско-параллельную пластину 2. На плоскую поверхность пластины 2, противоположную поверхности впаивания, нанесено светоделительное покрытие 3. Волоконные световоды 4, 5, 6 установлены с возможностью согласования их осей.

На фиг. 2 микролинзы 7, 8, 9 впаяны в пластины 10, 11, 12 и призмы 13, 14 со светоделительным покрытием, которое нанесено на гипотенузу одной из призм. Волоконные световоды 16, 17, 18 установлены так, что торец каждого из них находится в фокусе микролинзы и имеет механический контакт с поверхностью одной прозрачной пластины со стороны, противоположной поверхности впаивания. Например, световод 16 находится в фокусе микролинзы 7 и имеет механический контакт с поверхностью пластины 10.

Устройство (см. фиг. 1) работает следующим образом: из выходного торца волоконного световода (ВС) 4 световое излучение проходит через плоско-параллельную прозрачную пластину 2 и разбивается на светоделительном покрытии 3, предварительно фокусируясь сферической микролинзой на входные торцы ВС 5 и 6.

Устройство, изображенное на фиг. 2, работает следующим образом: из выходного торца ВС 16 световое излучение, пройдя через пластину 10, коллимируется микролинзой 7, разделяется на светоделительном покрытии 15 и фокусируется микролинзами 8 и 9 на входные торцы ВС 17 и 18.

Все конструктивные расчеты обусловлены условием передачи излучения между световодами посредством моноблочного согласующего устройства с наименьшими потерями.

Для этого коллимированный пучок света после преломления сферическими поверхностями микролинзы должен полностью распространяться внутри сердцевины оптического волокна. Этому соответствуют значения диаметра коллимированного пучка (d_кол)
d_кол= · где NA - числовая апертура ОВ в воздухе;
п_л - показатель преломления материала линзы;
п_пл - показатель преломления материала пластины,
r - радиус сферической поверхности линзы.

При этом задний фокальный отрезок, как следует из формулы линзы, будет
S= r
Линза-шар, выполненная из более тугоплавкого материала, чем пластина, при впаивании закрепляется в пластине сферическим сегментом с площадью окружности (S_окр), большей площади поперечного сечения светового диаметра микролинзы (S_св)
S_окр > S_св.

При этом глубина впаивания (h_вп) микролинзы в пластину определится как
h_вп = r - (r² - 0,25d_св)^0,5, где d_св - диаметр светового размера микролинзы со стороны поверхности впаивания в пластину:
d_св= 2 · · S
Шаровая микролинза, выполненная из силикатного стекла и впаянная в пластину, во всех случаях создает фокусирующие свойства за счет своих сферических поверхностей. В случае, когда устройство для оптического соединения имеет плоские поверхности, или микролинза впаяна между двумя пластинами (см. фиг. 2), условием фокусировки будет:
п_л > п_пл.
Для определения необходимых конструктивных параметров моноблока и моноблочного согласующего устройства задаются значения: d_кол, NA, п_л, п_пл и далее находятся значения параметров: r, S_F', S_св, h_вп. Однако, выбор значений п_л и п_пл является наиболее ответственным моментом, т.к. получение надежного неразрушаемого спая зависит от целого ряда факторов.

Получение надежного спая зависит в основном от физико-химических свойств впаиваемых материалов, их состава. Необходимо иметь близкие значения коэффициентов линейного термического расширения во всем температурном интервале от области размягчения до комнатной температуры. Значимыми факторами являются также форма и геометрические размеры поверхности спая, скорости охлаждения спая и механические свойства стекол.

Температура впаивания, которой соответствует вязкость η = 10^10-0,7П, для отечественных оптических стекол укладывается в интервал 470-725^оС.

При впаивании изделий из стекла с различными физико-химическими характеристиками для сохранения формы оптической поверхности одного из впаиваемых элементов, материал последнего должен быть достаточно твердым, т.е. η = 10^13-0,5 П. При η = 10⁹-10¹³ П стекло еще хорошо сохраняет свою форму, но в нем могут возникать небольшие пластические деформации под действием внутренних или внешних напряжений.

Сохранность спая главным образом определяется величиной и значением напряжений в спае во время его отжига и охлаждения. При правильно выбранном режиме охлаждения спай может не иметь или иметь малые напряжения.

Температура впаивания определяется в основном химическим составом стекла и температурной зависимостью его вязкости. Изменение условий впаивания путем оказания дополнительной нагрузки, увеличения времени соприкосновения, наличие тонких пленок на поверхности впаивания изделий позволяет получить соединение при различных значениях вязкости стекол. Это позволяет управлять процессом впаивания, сдвигая его в область более низких температур.

Анализ свойства размягченного стекла дает некоторые рекомендации по выбору температурного режима процесса впаивания:
- во избежание контракции изделия впаиваемой пары должны быть подвергнуты тонкому обжигу;
- желательна малая скорость нагрева образцов в области размягчения, что позволяет избежать аномалий на кривой теплового расширения стекла и иметь более низкую температуру впаивания;
- для сохранения способности образца (в нашем случае микролинзы) к высокоэластичным обратимым деформациям при небольших нагрузках (0,1 кг/см²) температура нагрева печи не должна превышать температуру отжига материала (микролинзы).

Для получения ненапряженных согласованных спаев стекол необходимо знать значение закономерностей теплового расширения в переходной области, что позволяет избежать аномалий в процессе впаивания. Это представляет собой наиболее сложное температурное явление в стекле.Необходимо знать точный ход кривой термического расширения стекла до температуры замораживания основной части напряжений в стекле, соответствующей вязкости порядка 10^11,5 П. Установлено также, что впаивание стекол с близкими значениями коэффициентов термического расширения (КТР) наступает при температуре впаивания менее вязкого стекла, а с увеличением КТР - при температуре на 10-15^оС выше.

С целью согласования хода кривых термического расширения впаиваемых стекол выбор должен быть обусловлен низкостью или равным значением коэффициентов пропорциональности КТР (ϕ ). И зная, что линейность КТР справедлива для диапазона температур от 20^оС до (Т_отж -50)^оС
α_ср = α₀ + ϕ Т_ср, где α₀ - КТР стекла при комнатной температуре,
ϕ - коэффициент пропорциональности КТР,
α_ср - среднее значение КТР в температурном интервале.

Т_ср - среднее значение температуры в температурном интервале; можно сформулировать основные критерии по выбору пары оптических стекол (шар-пластина) для моноблочных устройств для оптического соединения, которые сведены в табл. 1.

Анализируя ориентировочные типовые составы оптических стекол можно классифицировать оптические стекла по коэффициенту КТР с учетом критерия п. 6 табл. 1, что сделано в табл. 2.

Анализ параметров 63 марок оптических стекол, нормируемых стандартом, дал 61 пару марок стекол для впаивания, при условии: п_л > п_пл; Т_сп.пл ≅ (Т_отжл -50)^оС; ϕ = (0,02-0,03).10^-7оС^-2.

Наибольшее число пар стекол (23) дает группа 3 с ϕ = 0,07^.10^-7оС^-2 по варианту 1 (внутри групп).

Также наибольшее число пар стекол для впаивания дает сочетание групп 2 и 3 - по варианту 2 (между соседними группами).

Семь пар стекол дает сочетание групп 1, 2, 3 - по варианту 3 (между группами).

Различие коэффициентов ϕ между группами на большую величину говорит о несогласованности хода кривых термического расширения стекол в интервале температур от комнатной до
Т_отж -50, α = (6-8).10^-7оС^-1.

С учетом критерия 4 табл. 1 из 61 пары стекол будем иметь только 8 пар стекол, из которых предпочтительнее: ТК4 и КФ6, ТК13 и КФ6, ТК14 и КФ6, БК13 и КФ6.

Точность взаимной ориентации фокусирующих микрооптических и светоделительных элементов обусловлена отсутствием между ними воздушных зазоров и адгезионных материалов, а также точностью взаимного расположения оптических поверхностей элементов, что обеспечивается путем механической обработки (шлифование, полирование) плоских поверхностей спаянного блока линзы и пластины, с точностью изготовления самих оптических элементов.

Положительный эффект от использования технического решения заключается в следующем:
- повышении точности взаимной ориентации микрооптических компонентов устройств, так как точность обработки оптических поверхностей составляет доли микрометров в линейных величинах и тысячные доли градуса в угловых величинах и составляет точность, превышающую точность юстировки с последующим склеиванием более, чем в 10 раз;
- повышении надежности работы устройства, так как прочность соединения спаиванием соизмерима с прочностью материала самих элементов и превышает прочность адгезионного соединения (склеивания) более, чем в 10 раз и в меньшей степени подвержена влиянию внешних факторов;
- упрощении сборки устройства, имея светоделительные блоки с плоскими поверхностями, а также возможность согласования осей ВС с наиболее эффективной светопередачей.

Использование: в линиях связи на оптическом волокне (ОВ), в устройствах волокно-оптических систем передачи (ВОСП) и волоконно-оптических датчиках. Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для оптического соединения световодов, содержащем сферические линзы, светоделительные элементы, выполненные в виде плоскопараллельных пластин или призм со светоделительным покрытием, и световоды, сферические линзы и соответствующие светоделительные элементы соединены в моноблоки путем впаивания в соответствующий светоделительный элемент сферической линзы, показатель преломления которой больше показателя преломления светоделительного элемента по крайней мере на 0,03, при этом светоделительное покрытие нанесено на поверхность, противоположную поверхности впаивания. Кроме того, между световодами и соответствующими сферическими линзами могут быть установлены дополнительные пластины, с которыми указанные сферические линзы соединены впаиванием, причем показатель преломления сферической линзы больше показателя преломления дополнительной пластины по крайней мере на 0,03. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ СВЕТОВОДОВ, содержащее сферические линзы, светоделительные элементы, выполненные в виде плоскопараллельных пластин или призм со светоделительным покрытием, и световоды, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности устройства и точности взаимной ориентации сферических линз и светоделительных элементов, сферические линзы и соответствующие светоделительные элементы соединены в моноблоки путем впаивания в соответствующий светоделительный элемент сферической линзы, показатель преломления который больше показателя преломления светоделительного элемента по крайней мере на 0,03, при этом светоделительное покрытие нанесено на поверхность, противоположную поверхности впаивания. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между световодами и соответствующими сферическими линзами установлены дополнительные пластины, с которыми указанные сферические линзы соединены впаиванием, причем показатель преломления сферической линзы больше показателя преломления дополнительной пластины по крайней мере на 0,03.