ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СОЕДИНИТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК G02B6/38 

Изобретение относится к области техники волоконно-оптических систем передачи, в частности к волоконно-оптическим соединителям.

Известны оптические соединители (ОС) контактного типа, в которых минимум потерь мощности в соединителях достигается за счет увеличения плотности прилегания соединяемых оптических волокон (ОВ) друг к другу по всей поверхности торцов ОВ.

Известно устройство для соединения световодов (см. патент США №5857045, МПК G02B 6/38, опубл. 20.05.1997 г.).

Известное устройство включает: гнездо, состоящее из первого тела заранее определенной длины, снабженное канавками, прорезанными по длине через центр контактной поверхности, и второго тела. аналогичного первому, расширяющие элементы для разделения первого и второго тела и обеспечивающие ввод световодов в прорезанные канавки и средства изгиба, расширяющие внешнюю поверхность гнезда розетки, которая надежно удерживает первое и второе тела вместе и обеспечивает необходимую силу фиксации.

Недостатком данного устройства для соединения световодов является относительно высокий уровень потерь в соединителе.

Известен также соединитель для оптического волокна с отделяющейся системой (см. патент США №5067783, МПК G02B 6/36 от 16.10.1990 г.).

Известный соединитель оптических волокон содержит две собранные втулки, по крайней мере одна из них содержит фиксирующий ключ. Соединитель снабжен отдельным блоком, содержащим трубчатую часть, снабженную продольным шпоночным пазом и фиксатором.

Недостатком данного соединителя световодов является относительно высокий уровень потерь в месте соединения световодов.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному волоконно-оптическому соединителю является волоконно-оптический соединитель возвратно-поступательного действия (см. патент РФ №2126545, МПК G02B 6/38).

Волоконно-оптический соединитель-прототип содержит каркас, первую и вторую полумуфты для заделки в них соответственно первого и второго отрезков оптического волокна и фиксатор. Фиксатор выполнен в виде двух гибких рычагов защелки, прикрепленных к наружной поверхности полумуфт. Отсоединение соединителя от розеточной части производится оттягиванием полумуфт, в результате чего скошенные поверхности каркаса взаимодействуют с рычагами защелки, поднимая их и освобождая от язычков розеточной части.

Недостатком известного волоконно-оптического соединителя является относительно высокий уровень потерь мощности сигнала, обусловленной неустойчивостью контактного соединения торцов ОВ. Кроме того, изменение сопротивления контактного перехода из-за неплотного прилегания торцов ОВ приводит к искажению сигнала.

Целью изобретения является разработка волоконно-оптического соединителя, обеспечивающего снижение уровня потерь мощности в месте соединения в заданном диапазоне длин волн для широкого класса волоконно-оптических соединителей. Заявленное устройство расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном волоконно-оптическом соединителе, содержащем первую и вторую полумуфты для заделки в них соответственно первого и второго отрезков оптического волокна и фиксатор, скрепляющий первую и вторую полумуфты, в раскрыв каждой полумуфты установлена заглушка, конгруэнтная раскрыву полумуфты. Каждая полумуфта снабжена направляющими элементами и отверстием для оптического волокна. Дополнительно на торцах первого и второго отрезков оптических волокон установлены соответственно первый и второй оптические многослойные трансформаторы (ОМСТ1 и ОМСТ2). ОМСТ состоят соответственно из N₁ и N₂ слоев, выполненных из материалов с различными показателями преломления n_1i и n_2j,

где i=1, 2…N₁; j=1, 2…N₂ - номера слоев соответственно первого и второго ОМСТ. Номера слоев первого и второго ОМСТ отсчитывают от торцов соответственно первого и второго отрезков оптических волокон. Толщина каждого слоя составляет четверть длины средней волны λ₀ сигнала, передаваемого по оптическим волокнам. Число слоев N₁ и N₂ первого и второго оптических многослойных трансформаторов выбраны из условий:

где n_ов1 и n_ов2 - показатели преломления оптических волокон первого и второго соединяемых отрезков, a Δa₁ и Δa₂ - заданные значения рабочего затухания первого и второго оптических многослойных трансформаторов.

В собранном виде в соединителе между внешними слоями ОМСТ1 и ОМСТ2 выбран воздушный зазор Δ в интервале Δ=(1…2000)λ₀.

В соединителе фиксатор выполнен в виде цилиндров, установленных на внешней поверхности первой и второй муфт. Цилиндры снабжены резьбовым соединением.

Показатели преломления i-го и j-го слоев n_1i и n_2j, принадлежащих соответственно первому и второму ОМСТ, вычисляют по формулам:

Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков обеспечивается плавное согласование волновых сопротивлений соединяемых отрезков оптического кабеля путем последовательной трансформации показателей преломления оптических волокон до значения показателя преломления воздуха. Это позволяет обеспечить бесконтактное с высоким согласованием соединение оптических волокон и, следовательно, снизить потери мощности сигнала в соединителе.

Заявленный волоконно-оптический соединитель поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общий вид соединителя;

на фиг.2 - вид поперечного сечения полумуфты;

на фиг.3 - чертеж, поясняющий общую схему соединителя;

на фиг.4 - структура оптических многослойных трансформаторов;

на фиг.5 - профиль показателей преломления оптических многослойных трансформаторов;

на фиг.6 - расчетная волновая характеристика ОМСТ1 (ОМСТ2);

на фиг.7 - расчетная волновая характеристика затухания волоконно-оптического соединителя при воздушном зазоре - Δ=100λ₀=0.1 мм;

на фиг.8 - расчетная волновая характеристика затухания волоконно-оптического соединителя при воздушном зазоре А=2000λ₀=3 мм.

Заявленный волоконно-оптический соединитель, показанный на фиг.1, состоит из первой 1 и второй 2 полых полумуфт. В раскрывах полумуфт 1 и 2 установлены заглушки 3 и 4. Заглушки 3 и 4 снабжены направляющими элементами в виде штырей 5 и соответствующих им отверстий 6 (см. также фиг.2). Соединяемые отрезки оптических волокон 7 и 8 установлены в полостях соответственно первой 1 и второй 2 полумуфт. Для исключения возможной деформации соединяемых отрезков оптических волокон 7, 8 в полости полумуфт 1 и 2 могут быть установлены направляющие цилиндрические трубки 9 и 10. Заглушки 3, 4 снабжены отверстиями 11, 12 диаметром d (см. также фиг.2), соответствующим диаметру поперечного сечения отрезков оптических волокон 7, 8. На торцах соединяемых отрезков оптических волокон 7 и 8, имеющих показатели преломления n_ов1 и n_ов2, установлены первый 13 и второй 14 ОМСТ, состоящие соответственно из N₁ и N₂ слоев 16 (см. фиг 4), выполненных из материалов с отличающимися показателями преломления n_1i и n_2j и где i=1, 2…N₁ и j-1, 2…N₂ - номера слоев соответственно первого 13 и второго 14 ОМСТ. Номера слоев (см. фиг.4) отсчитывают от торцов соответствующих отрезков оптических волокон 7 и 8, а их показатели преломления имеют значения соответственно n₁₁, n₁₂…n_1N1 и n₂₁, n_22…n_2N2 (фиг.5). Полумуфты 1 и 2 снабжены фиксатором 15. В частности, фиксатор 15 выполнен в виде двух цилиндров, установленных на внешней поверхности полумуфт 1, 2. Один из цилиндров зафиксирован на внешней поверхности одной из полумуфт (на фиг.1 на второй полумуфте 2), а другой установлен с возможностью его перемещения вдоль полумуфты (на фиг.1 - первой 1). Полумуфты 1, 2 скрепляют с помощью имеющихся на цилиндрах резьбовых соединений. Диаметр D полумуфт 1 и 2 выбирают из технологических условий их эксплуатации, например, в интервале D=1÷4 см. Отрезки оптических волокон 7 и 8 устанавливают в полумуфтах 1 и 2 таким образом, чтобы в собранном виде соединителя между внешними слоями ОМСТ 13 и 14 оставался воздушный зазор Δ в пределах (1-2000)λ₀ (см. также фиг.3 и фиг.4). Толщина t каждого из слоев ОМСТ 13 и 14 выбрана равной четверти длины волны λ₀ сигнала, передаваемого по оптическим волокнам, т.е. t=0.25λ₀ (фиг.4). Число слоев N₁ и N₂ первого 13 и второго 14 ОМСТ выбраны из условий (1) и (2) исходя из предварительно заданных допустимых уровней рабочего затухания Δα₁ и Δα₂ в соответствующих ОМСТ 13 и 14. Показатели преломления n_1i и n_2j i-го и j-го слоев 16, принадлежащих соответственно первому 13 и второму 14 ОМСТ, вычисляют по формулам (3) и (4).

Заявленный волоконно-оптический соединитель работает следующим образом. Основной проблемой при соединении двух отрезков оптических волокон является снижение потерь мощности сигнала в месте их соединения. Потери возникают из-за технологических сложностей обеспечения идеального совмещения поверхностей торцов соединяемых отрезков оптических волокон из-за неустранимых шероховатостей торцевых поверхностей и, как следствие, рассеяние значительной доли мощности. Потери существенно возрастают при соединении отрезков оптических волокон с отличающимися показателями преломления n_ов1 и n_ов2 из-за скачкообразного изменения показателей преломления материалов оптических волокон.

В заявленном соединителе влияние указанных причин потерь мощности в значительной мере устраняется. Это объясняется следующим. Отрезки оптических волокон 7 и 8 закрепляют соответственно в первой и второй полумуфтах. На торцах отрезков оптических волокон 7 и 8 устанавливают первый 13 и второй 14 ОМСТ (см. также фиг.3 и фиг.4). Функциональное назначение ОМСТ заключается в последовательном снижении показателя преломления материала оптического волокна n_ов1 первого отрезка оптического волокна 7 до значения показателя преломления воздуха n₁≈l (см. фиг.5). Второй ОМСТ 14 решает обратную задачу: повышает показатель преломления от значения n₀ до величины показателя преломления материала n_ов2 второго отрезка оптического волокна 8. При этом отпадает необходимость жесткой фиксации поверхности торца первого отрезка оптического волокна 7 на поверхности второго 8. Полное согласование обеспечивается при воздушном зазоре Δ. Это упрощает собственно конструкцию соединителя.

Порядок изготовления ОМСТ1 (ОМСТ2) можно показать на примере его расчета с характеристикой Баттерворта.

Пусть необходимо получить ОМСТ1 с волновой характеристикой, показанной на фиг.6 при следующих исходных данных:

- показатель преломления материала первого и второго отрезков оптических волокон n_ов1=n_ов2=1.47;

- максимально допустимое заданное затухание ОМСТ1 (ОМСТ2) Δa₁=Δa₂=0,016 дБ на краях диапазона частот в интервале от 176 ТГц до 376 ТГц, что соответствует диапазону длин волн в интервале от 1705 нм до 800 нм при средней длине волны λ₀=1087 нм.

С учетом заданных условиями задачи значений n_ов1, n_ов2, Δa₁ и Δa₂ определяют по формулам (1) и (2) число слоев ОМСТ1 и ОМСТ2: N₁=2 и N₂=2. Тогда по формулам (3) и (4) определяют значения показателей преломления каждого слоя соответственно в ОМСТ1 и в ОМСТ2:

; ; ;

На фиг.6 приведена расчетная волновая характеристика затухания ОМСТ1 с использованием вычисленных показателей преломления n₁₁ и n₁₂ Максимальное затухание на краях заданного диапазона длин волн составляет a₁=0,014 дБ, что удовлетворяет заданному требованию a<Δa₁,=0.016 дБ. Рабочее затухание ОМСТ2 с теми же расчетными данными, что и для ОМСТ1, на краях заданного диапазона длин волн также имеет величину a=0,014 дБ.

На фиг.7 приведена расчетная волновая характеристика затухания волоконно-оптического соединителя в составе: ОМСТ1 - (воздушный зазор с Δ=100λ₀=0.1 мм) - ОМСТ2. Максимальное затухание на краях заданного диапазона длин волн составляет 0,056 дБ. Это значение в два раза выше суммы двух ОМСТ Δa₁+Δa₂=0,014+0,014=0,028 дБ, что можно объяснить влиянием пятого слоя в виде воздушного зазора, вносящего дополнительное затухание.

На фиг.8 приведена расчетная волновая характеристика затухания волоконно-оптического соединителя в составе: ОМСТ1 - (воздушный зазор с Δ=2000λ₀=3 мм) - ОМСТ2. Максимальное затухание на краях заданного диапазона длин волн составляет 0,056 дБ.

Полученные результаты расчетов свидетельствуют о малой зависимости затухания заявленного волоконно-оптического соединителя от величины Δ воздушного зазора, что гарантирует надежное соединение ОВ в экстремальных условиях строительства и эксплуатации волоконно-оптических кабелей связи.

Полученная в расчетных примерах максимально плоская форма характеристики затухания (характеристика Баттерворта) показывает, что, варьируя требования к величине затухания на краях заданного диапазона длин волн, с помощью формул (1)…(4) можно конструировать соединители с малым, близким к нулевому, значением затухания.

Приведенный пример свидетельствует о возможности построения волоконно-оптических соединителей с малыми заданными требованиями к величине мощности потерь за счет отражений и к волновым (частотным) характеристикам затухания в заданном диапазоне длин волн. Достоинством предложенного технического решения является значительное снижение затухания соединения до 0,056 дБ на краях рабочего диапазона длин волн по сравнению с существующими аналогами, в которых затухание во всей рабочей полосе длин волн составляет от 0,3 до 2 дБ. Кроме того, упрощается эксплуатационное обслуживание соединителей и снижается время на обеспечение надежности соединителя по сравнению с существующими соединителями, в которых применяются дополнительные средства контроля, измерения, крепления и сварки оптических волокон. Отмеченные достоинства указывают, что при использовании заявленного волоконно-оптического соединителя возможно достижение сформулированного технического результата.

Соединитель состоит из двух встречных полых полумуфт, внутри которых закрепляются соединяемые отрезки оптических волокон. На торцах отрезков оптических волокон размещаются оптические многослойные трансформаторы, обеспечивающие согласованный безотражательный переход от среды оптического волокна с показателем преломления n_ов>1 к воздушной среде (n₀=1) зазора с размером от 1 до 2000 длины средней волны сигнала, передаваемого по оптическим волокнам (λ₀), образуемого между внешними слоями встречных оптических трансформаторов.

Данный соединитель обеспечивает снижение уровня потерь мощности в месте соединения в заданном диапазоне длин волн. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Волоконно-оптический соединитель, содержащий первую и вторую полумуфты для заделки в них соответственно первого и второго отрезков оптического волокна и фиксатор, скрепляющий первую и вторую полумуфты, отличающийся тем, что в раскрыв каждой полумуфты установлена заглушка, конгруэнтная раскрыву полумуфты, снабженная направляющими элементами и отверстием для оптического волокна, дополнительно на торцах первого и второго отрезков оптических волокон установлены соответственно первый и второй оптические многослойные трансформаторы, состоящие соответственно из N₁ и N₂ слоев, выполненных из материалов с отличающимися показателями преломления n_1i и n_2j, где i=1, 2…N₁, j=1, 2…N₂ номера слоев соответственно первого и второго оптических многослойных фильтров, отсчитываемые от торцов соответственно первого и второго отрезков оптических волокон, а толщина каждого слоя составляет четверть длины средней волны λ₀ сигнала, передаваемого по оптическим волокнам, причем число слоев N₁ и N₂ первого и второго оптических многослойных трансформаторов выбрано из условий
и ,
где n_ов1 и n_ов2 - показатели преломления оптических волокон первого и второго соединяемых отрезков,
a Δa₁ и Δа₂ - заданные значения рабочего затухания первого и второго оптических многослойных трансформаторов, причем в собранном виде соединителя между внешними слоями оптических многослойных трансформаторов выбран воздушный зазор размером Δ.

2. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что фиксатор выполнен в виде первого и второго цилиндров, установленных на внешней поверхности соответственно первой и второй полумуфт и снабженных резьбовым соединением.

3. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что зазор Δ выбран в интервале Δ=(1-2000)λ₀.

4. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что показатели преломления i-го и j-го слоев n_1i и n_2j, принадлежащих соответственно первому и второму оптическим многослойным трансформаторам, вычисляют по формулам: