ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2007 года по МПК G02B6/122 G02F1/01 

Известно устройство миниатюрного оптического модуля (патент US 5732173 от 24.03.1998, G 02 B 006/30), который содержит интегрально-оптический элемент (чип), состыкованный с волоконными световодами посредством механических зажимов в виде пластин с V-образными канавками и крышками, закрытых кожухом с подвижными боковинами, фиксируемыми клиновыми зажимами и упругими защелками.

Данное устройство позволяет оперативно осуществлять многократную сборку-разборку модуля. Однако его использование в волоконно-оптических гироскопах, например, в качестве интегрально-оптического модуля с функциями поляризатора, разветвителя, модулятора ограничено тем, что для гироскопов требуется высокая стабильность параметров при стыковке одномодовых волоконных световодов с сохранением состояния поляризации при диаметре световедущих сердцевин 0,004÷0,005 мм. В данном устройстве не предусмотрена взаимная ориентация и фиксация световодов при стыковке, что необходимо при использовании световодов с сохранением состояния поляризации. Кроме того, наличие большого количества деталей и механических зажимов предрасполагает к нестабильности данного устройства в условиях воздействия виброударных перегрузок и изменении температур.

Известно устройство интегрально-оптического модуля [патент US №5074630 от 24.12.1991 г.], который содержит корпус в виде металлической пластины, на поверхности которой посредством вязкоупругого полимерного компаунда установлена кристаллическая подложка, на ее внешней поверхности также на вязкоупругом полимерном компаунде зафиксирован интегрально-оптический элемент (чип) в виде кристаллической пластинки со скосами по торцам, выполненной, например, из материала LiNbO₃ (ниобат лития), в пластинке вдоль ее оси сформированы оптические волноводы, состыкованные по торцам с волоконными световодами с помощью кристаллических державок и оптического клея, при этом на поверхности пластинки вдоль волноводов нанесены электроды. В данном устройстве имеется возможность совмещения плоскостей сохранения поляризации волноводов и стыкуемых световодов за счет разворота державок с последующей их фиксацией на оптическом клее.

Установка интегрально-оптического элемента и подложки на вязкоупругом полимерном компаунде повышает его стойкость к виброударным перегрузкам за счет демпфирования действия виброударных перегрузок прослойкой полимерного компаунда. Тем самым снижаются напряжения, возникающие в кристаллической пластинке из ниобата лития.

Однако в данном устройстве интегрально-оптический элемент не защищен от воздействия окружающей среды. Поэтому в условиях повышенной влажности, особенно при изменении температуры в зоне точки росы на поверхности пластинки, в том числе и между электродами интегрально-оптического элемента, выпадает влага. Учитывая то, что зазоры между электродами на пластинке интегрально-оптического элемента соответствуют ширине сформированного оптического волновода (0,005-0,01 мм), то выпадание влаги или посторонних частиц в зону между электродами изменяет сопротивление и диэлектрические свойства среды между ними и тем самым нарушает работу модуля как фазового модулятора светового потока.

Таким образом, надежность функционирования интегрально-оптического модуля данной конструкции снижается в условиях повышенной влажности и запыленности, а также при изменении температуры. Это обусловлено отсутствием герметичной изолирующей оболочки вокруг интегрально-оптического элемента.

Задача изобретения - повышение надежности функционирования интегрально-оптического модуля, а также снижение его габаритов применительно к его использованию в волоконно-оптическом гироскопе.

Это достигается устранением влияния на работу интегрально-оптического модуля внешней среды путем заключения интегрально-оптического элемента в герметичном объеме, заполненном инертной средой, образования при этом компенсаторов температурных подвижек в виде изгибов световодов между интегрально-оптическим элементом и стенками корпуса, а также за счет V-образного размещения выходных световодов.

Поставленная задача достигается тем, что в интегрально-оптическом модуле, содержащем корпус, в котором на вязкоупругом компаунде посредством промежуточной кристаллической подложки установлен интегрально-оптический элемент в виде пластинки со скосами по торцам, выполненной из материала LiNbO₃ с сформированным в ней по продольной оси оптическими волноводами, состыкованными по торцам посредством кристаллических державок с волоконными световодами, а также снабженную поверхностными электродами вдоль волноводов, корпус выполнен в форме коробки с гермовыводами и отверстиями в торцевых стенках, пластинка интегрально-оптического элемента размещена на донной части коробки корпуса, а его волоконные световоды выведены через отверстия в переходных втулках, зафиксированных в соответствующих отверстиях на торцевых стенках корпуса, зазоры между отверстиями в корпусе и втулками, а также между втулками и световодами заполнены соответственно компаундами с отверждением при нагреве и без нагрева, при этом на участках световодов между торцами корпуса и интегрально-оптического элемента образованы изгибы волоконных световодов, компенсирующих температурные подвижки, гермовыводы электрически связаны с электродами на пластинке интегрально-оптического элемента, внутренняя полость заполнена инертной средой и закрыта крышкой.

При этом переходные втулки с волоконными световодами могут быть установлены V-образно к продольной оси оптических волноводов.

Торцевые скосы под волоконные световоды на пластинке интегрально-оптического элемента могут быть выполнены V-образно относительно оси оптических волноводов.

В качестве среды заполнения может быть использован инертный газ, например, гелий с точкой росы не выше нижнего предела рабочей температуры.

В качестве среды заполнения может быть использован вязкоупругий полимер, например компаунд СИЭЛ.

В предлагаемом способе изготовления интегрально-оптического модуля, включающем установку подложки на вязкоупругом компаунде в корпус, фиксацию интегрально-оптического элемента с волоконными световодами на вязкоупругом компаунде на поверхности подложки, интегрально-оптический элемент вводят во внутреннюю полость корпуса через отверстие в его торцевой стенке, световоды пропускаются в отверстия в корпусе и переходных втулках, зазоры между переходными втулками и световодами заполняются компаундом с отверждением без нагрева, зазоры между переходными втулками и отверстиями в корпусе заполняются компаундом с отверждением при нагреве, между торцами переходных втулок и корпуса устанавливают зазор, равный величине температурных подвижек материалов интегрально-оптического элемента и корпуса, в этом положении полимеризуют компаунд с отверждением без нагрева, смещают втулки до упора в корпус и в этом положении полимеризуют компаунд с отверждением при нагреве, внутреннюю полость корпуса заполняют инертной средой и закрывают крышкой. При этом зазоры между торцами переходных втулок и корпуса могут устанавливаться посредством съемных дистанционных прокладок, по толщине равными величине температурных подвижек.

Устройство предлагаемого интегрально-оптического модуля поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен общий вид интегрально-оптического модуля в разрезе.

На фиг.2 - вид на положение интегрально-оптического элемента в корпусе, со снятой крышкой.

На фиг.3, 4 показано положение интегрально-оптического модуля в катушке измерительного контура волоконно-оптического гироскопа с диаметрально-противоположным и V-образным положением переходных втулок соответственно.

На фиг.5 представлен интегрально-оптический модуль с V-образным положением переходных втулок и выходных световодов.

На фиг.6 представлен интегрально-оптический модуль с V-образными скосами на пластине интегрально-оптического элемента.

На фиг.7, 8, 9, 10, 11 показана последовательность операций предлагаемого способа изготовления интегрально-оптического модуля.

Интегрально-оптический модуль состоит из корпуса 1, выполненного в форме коробки, на одной из боковых стенок которой установлены гермовыводы 2, а на торцевых стенках выполнены проходные отверстия 3, 4, во внутреннем объеме корпуса на его донной части закреплена на эластичном вязкоупругом компаунде, например ВГО-1, кристаллическая подложка 5. В свою очередь на поверхности подложки 5 также на эластичном компаунде установлен интегрально-оптический элемент 6, который содержит пластинку 7, например, из LiNbO₃, в виде косоугольного параллелепипеда с параллельными скосами 8, 9 по торцам, с сформированными вдоль ее продольной оси оптическими волноводами 10, которые на торцевых поверхностях пластинки состыкованы с волоконными световодами 11, 12, закрепленными в кристаллических державках 13, 14. На поверхности пластинки 7 вдоль оптических волноводов нанесены напылением металла в вакууме электроды 15. Волоконные световоды 11, 12 выведены из внутреннего объема корпуса 1 через отверстия 16, 17 в переходных втулках 18, 19. При этом зазоры между отверстиями 16, 17 во втулках 18, 19 и световодами 11, 12 заполнены компаундом 20, отверждающимся без нагрева при нормальной комнатной температуре 20°С, например компаундом ВК-9. Переходные втулки 18, 19 установлены в соответствующих отверстиях 3, 4 на торцевых стенках корпуса 1, а зазоры между ними заполнены компаундом 21 отверждающимся только при нагреве, например компаундом ВК-20 (температура отверждения 150°С). На участках между державками 13, 14 и торцевыми стенками корпуса 1 образованы изгибы 22, 23 световодов 11, 12. Гермовыводы 2 электрически связаны проводниками 24 с электродами 15 на пластинке 7. Внутренняя полость корпуса 1 заполнена инертной средой и загерметизирована крышкой 25, которая герметично приварена к корпусу, например, лазерной сваркой 26. Для крепления интегрально-оптического модуля на его корпусе 1 предусмотрены лапки 27 с отверстиями 28.

Использование представленного на фиг.1, 2 интегрально-оптического модуля в волоконно-оптических гироскопах, особенно в гироскопах с малыми габаритами, ограничено (см. фиг.3) габаритами интегрально-оптического модуля в совокупности с двумя минимально допустимыми радиусами изгиба В световодов 11, 12. В этом случае габариты интегрально-оптического модуля накладывают ограничения на минимальный диаметр Г катушки измерительного контура 29 гироскопа. Для гироскопов с малыми габаритами предлагается устройство интегрально-оптического модуля (см. фиг.4, 5, 6) с V-образной установкой переходных втулок 18, 19 по отношению к продольной оси корпуса 1. Такая установка обеспечивается соответствующим выполнением отверстий под переходные втулки на корпусе 1. В этом случае световоды 11, 12 выходят из корпуса 1 V-образно с углом раствора Д к его продольной оси и сопрягаются с диаметром Г катушки волоконного измерительного контура 29. Поэтому при установке такого интегрально-оптического модуля не требуется увеличения габаритов, обусловленных радиусами изгиба В световодов 11, 12. Это соответственно позволяет использовать интегрально-оптический модуль в гироскопах с меньшими габаритами. Кроме того, при V-образной установке переходных втулок на участках между интегрально-оптическим элементом 6 и стенками корпуса 1 выходные световоды 11, 12 автоматически образуют изгибы 22, 23, поэтому температурные подвижки вызывают изменение формы и радиусов этих изгибов. Так как пластинка 7 интегрально-оптического элемента 6 выполнена в форме косоугольного параллелепипеда, т.е. ее торцы 8, 9 параллельны друг другу, то световоды 11, 12 имеют различную форму изгиба 22, 23. Это затрудняет подбор оптимального положения интегрально-оптического элемента при его установке в корпус 1.

Этот недостаток устраняется в конструкции интегрально-оптического модуля, представленной на фиг.6. В этом случае для симметрирования изгибов 22, 23 световодов 11, 12 торцевые скосы 8, 9 на пластинке 7 выполнены не параллельно друг другу, а V-образно с общим углом раствора Е к продольной оси. В результате световоды 11, 12 приобретают одинаковые симметричные изгибы 22, 23, согласующиеся с V-образным положением переходных втулок 18, 19. Это снижает напряжения от изгиба в световодах, а также усилия от них на державки 13, 14.

Таким образом, интегрально-оптические модули с V-образным положением выходных световодов позволяют использовать их в волоконно-оптических гироскопах с меньшими габаритами, что расширяет их функциональное применение.

В качестве инертной среды для заполнения внутренней полости корпуса 1 с размещенным в ней интегрально-оптическим элементом 6 может быть использован газообразный гелий с точкой росы, не превышающей нижнего предела рабочей температуры интерально-оптического модуля (гироскопа). В этом случае во всем рабочем диапазоне температур интегрально-оптический модуль находится в среде, не проходящей точку росы. Это исключает выпадение влаги на поверхности пластинки 7 и тем самым повышает надежность функционирования интегрально-оптического модуля.

В случае заполнения внутренней полости корпуса вязкоупругим полимером, типа СИЕЛ 159-356Б, вокруг интегрально-оптического элемента 6 образуется вязкоупругая среда с повышенной теплопроводностью и демпфирующими свойствами. Это снижает динамические нагрузки на интегрально-оптическом элементе при действии виброударных перегрузок за счет демпфрирования возмущенных колебаний, особенно в зонах резонансных частот. Наличие среды с повышенной теплопроводностью обеспечивает более равномерное распределение тепловых потоков, т.е. снижает температурные градиенты. Это стабилизирует параметры интегрально-оптического модуля.

Способ изготовления интегрально-оптического модуля предлагаемой конструкции включает (см. фиг.7) установку в корпус 1 подложки 5 на вязкоупругом компаунде, например ВГО-1.

Затем в корпус 1 (см. фиг.8) через отверстие 3 в его боковой стенке вводится интегрально-оптический элемент 6 и фиксируется на поверхности подложки 5 на вязкоупругом компаунде, при этом световоды 11, 12 выводятся и центрируются в отверстиях 3, 4 корпуса 1. Введение интегрально-оптического элемента 6 через боковое отверстие 3 исключает изгибы световодов 11, 12, которые неизбежны при его установке во внутреннюю полость корпуса со стороны выемки. Кроме того, это позволяет уменьшить габариты интегрально-оптического модуля, т.к. установка со стороны выемки требует больших размеров выемки и корпуса, необходимых для прохождения изогнутых при установке участков световодов 11, 12.

Выходные световоды 11, 12 (см. фиг.9) пропускаются в отверстия в переходных втулках 18, 19 и втулки устанавливаются в отверстия 3, 4 на торцах корпуса 1. При этом между фланцами втулок 18,19 и торцами корпуса 1 выставляются зазоры Ж. Величина зазоров определяется из соотношения:

Ж>1/2[α_кL_к-α_пL_п-α_дL′_д-α_дL"_д-α_в(L'_в+L"_в)]ΔT,

где: L_к, L_п,L_д,L'_д,L"_д,L'_в,L"_в - линейные размеры, соответственно, от стенки до стенки в корпусе 1, пластинки 7, державок 13, 14 и отрезков световодов 11, 12 на участках от державок 13, 14 до стенок корпуса 1;

α_к,α_п,α_д,α_в - коэффициенты температурного расширения материалов корпуса 1, пластинки 7, державок 13, 14 и световодов 11, 12;

ΔT - рабочий диапазон температур.

Зазоры между переходными втулками 18, 19 и световодами 11, 12 заполняются компаундом 20 с отверждением без нагрева, например компаундом ВК-9.

Зазоры между переходными втулками 18, 19 и отверстиями 3, 4 корпуса 1 заполняются компаундом 21 температурного отверждения, например компаундом ВК-20.

В положении, когда выставлены зазоры Ж при нормальной температуре (20°С), полимеризуют компаунд 20 (компаунд ВК-9).

После полимеризации компаунда 20 втулки 18, 19 (см. фиг.10) смещают до упора их фланцев в торцевые стенки корпуса 1. Поскольку световоды 11, 12 при этом жестко связаны компаундом 20 с соответствующими втулками 18, 19, то при осевом смещении втулок на участках световодов между державками 13, 14 и торцами втулок 18, 19 образуются изгибы 22, 23. В этом положении при повышенной температуре (для ВК-20 температура отверждения - 150°С) полимеризуют компаунд 21.

В результате зазоры между переходными втулками 18, 19 и отверстиями 3, 4 корпуса 1, а также между втулками и световодами 11, 12 оказываются заполненными герметизирующими компаундами, а на участках световодов 11, 12 между интегрально-оптическим элементом 6 и корпусом 1 образованы изгибы 22, 23, компенсирующие температурные подвижки.

Затем внутреннюю полость корпуса 1 заполнят инертной средой и герметизируют крышкой 25 (см. фиг.1) с помощью сварки 26, например, лазерной.

Для упрощения выставки зазоров В между фланцами переходных втулок 18, 19 и корпусом 1 можно использовать (см. фиг.11) съемные дистанционные прокладки 30, по толщине равные требуемому зазору Ж. На прокладках выполнен паз для возможности их установки и съема. В этом случае между фланцами втулок 18, 19 и корпусом 1 устанавливаются прокладки 30. Втулки смещаются до упора в прокладки. В этом положении полимеризуют компаунд 20 с отверждением без нагрева. Прокладки 30 удаляются и втулки смещаются до упора в корпусе 1 и полимеризуют компаунд 21.

В процессе эксплуатации интегрально-оптического модуля за счет того, что он заключен в герметичную оболочку, заполненную инертной средой, исключается воздействие на его работу окружающей среды. Использование в качестве среды заполнения вязкоупругого полимера повышает температурную стабильность параметров модуля. Наличие изгибов световодов обеспечивает компенсацию температурных подвижек, вызванных различными коэффициентами температурного расширения используемых материалов. В этом случае температурные подвижки приводят к изменению формы изгибов световодов без нарушения работы интегрально-оптического модуля.

Выполнение интегрально-оптического модуля с V-образным положением выходных световодов уменьшает габариты интегрально-оптического модуля и позволяет использовать его в волоконно-оптических гироскопах с малыми диаметрами катушек.

Таким образом, предлагаемое устройство интегрально-оптического модуля повышает надежность его функционирования, а также позволяет уменьшить его габариты применительно к использованию в волоконно-оптическом пироскопе.

Эффективность предложенных технических решений подтверждена их реализацией в интегрально-оптических модулях, изготавливаемых и используемых предприятием «Оптолинк» в волоконно-оптических гироскопах.

Интегрально-оптический модуль для волоконно-оптического гироскопа включает корпус в форме коробки с гермовыводами и отверстиями, в котором с помощью компаунда на подложке установлен интегрально-оптический элемент, состыкованный с волоконными световодами. Световоды выведены через отверстия в переходных втулках и корпусе. Зазоры между отверстиями в корпусе и втулками, а также между втулками и световодами заполнены соответственно компаундами с отверждением при нагреве и без нагрева. На участках световодов внутри корпуса образованы изгибы, компенсирующие температурные подвижки. Полость корпуса с интегрально-оптическим элементом заполнена инертным газом или вязкоупругим полимером и закрыта крышкой. Технический результат - повышение надежности функционирования и уменьшение габаритов. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Интегрально-оптический модуль, содержащий корпус, в котором на вязкоупругом компаунде посредством промежуточной подложки установлен интегрально-оптический элемент в виде пластинки со скосами по торцам, выполненной, например, из материала LiNbO₃, с сформированными в ней по продольной оси оптическими волноводами, состыкованными по торцам с волоконными световодами в державках, а также снабженной поверхностными электродами вдоль волноводов, отличающийся тем, что корпус выполнен в форме коробки с гермовыводами и отверстиями в торцевых стенках, интегрально-оптический элемент размещен на донной части коробки корпуса, а его волоконные световоды выведены через отверстия в переходных втулках, зафиксированных в отверстиях на торцевых стенках корпуса, зазоры между отверстиями в корпусе и втулками, а также между втулками и световодами заполнены соответственно компаундами с отверждением при нагреве и без нагрева, при этом на участках световодов между торцами корпуса и интегрально-оптического элемента образованы изгибы, компенсирующие температурные подвижки, гермовыводы электрически связаны с электродами на пластинке интегрально-оптического элемента, внутренняя полость корпуса заполнена инертной средой и закрыта крышкой.2. Интегрально-оптический модуль по п.1, отличающийся тем, что переходные втулки с волоконными световодами установлены V-образно к продольной оси корпуса.3. Интегрально-оптический модуль по п.2, отличающийся тем, что торцевые скосы под волоконные световоды на пластинке интегрально-оптического элемента выполнены V-образно относительно оси оптических волноводов.4. Интегрально-оптический модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве среды для заполнения использован инертный газ, например гелий, с температурой точки росы не выше нижнего предела рабочей температуры.5. Интегрально-оптический модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве среды для заполнения использован вязкоупругий полимер, например компаунд СИЭЛ.6. Способ изготовления интегрально-оптического модуля по п.1, включающий установку в корпусе промежуточной подложки и интегрально-оптического элемента на ней на вязкоупругом компаунде, отличающийся тем, что интегрально-оптический элемент вводится во внутреннюю полость корпуса через отверстие в его торцевой стенке, световоды пропускаются в отверстия в корпусе и переходных втулках, зазоры между переходными втулками и световодами заполняются компаундом с отверждением без нагрева, зазоры между переходными втулками и отверстиями в корпусе заполняются компаундом с отверждением при нагреве, между торцами переходных втулок и корпуса выставляют зазоры, равные величине температурных подвижек материалов интегрально-оптического элемента и корпуса, в этом положении полимеризуют компаунд с отверждением без нагрева, смещают втулки до упора в корпус и в этом положении полимеризуют компаунд с отверждением при нагреве, внутреннюю полость корпуса заполняют инертной средой и закрывают крышкой.7. Способ изготовления интегрально-оптического модуля по п.6, отличающийся тем, что зазоры между торцами переходных втулок и корпуса устанавливаются посредством съемных дистанционных прокладок, по толщине равных величине температурных подвижек.