СПОСОБ СБОРКИ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА С КОРПУСНЫМИ ДЕТАЛЯМИ И КОНСТРУКЦИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГЕРМЕТИЧНОГО РАЗЪЕМА НА ОСНОВЕ СПОСОБА Российский патент 2021 года по МПК G02B6/44 

Изобретение относится к волоконно-оптическим компонентам и способам их получения.

В настоящее время известно большое число способов фиксации оптического волокна относительно элементов конструкций волоконно-оптических компонентов. В то же время до сих пор фиксация оптического волокна по отношению к элементу конструкции и способы его крепления вносят наибольшие осложнения при сборке и работе изделий, особенно предназначенных для использования на подвижных объектах (например, летательных аппаратах, подводных лодках) и объектах, подверженных значительным перепадам температуры.

Известные способы фиксации оптического волокна включают предложения RU 1757345, US 4997253 крепления в двух точках опоры на плоской монтажной поверхности: сначала к ближайшей к активному элементу опоре, а потом, окончательно, ко второй опоре. В патентах RU 1757345, US 4997253 крепление производят при помощи припоя. Хотя и подбирают используемые материалы с близкими термическими коэффициентами расширения (в дальнейшем - “КТР”), но отличия КТР имеются, что приводит к изменению положения оптического волокна. Широко известно закрепление оптического волокна эпоксидными клеями (типовые технологии сборки коннекторов). В то же время остаются нерешенными проблемы закрепления оптического волокна, например, в герметичных проходных розетках, где точки крепления волокна могут быть разнесены на десятки миллиметров. Необходимость максимального облегчения подвижного объекта (например, летательного аппарата) приводит к применению в качестве корпусных материалов алюминиевых сплавов, а их КТР резко отличен от КТР кварца. Простая вклейка оптического волокна в такой корпус невозможна - перепад температур от - 60 до +150°С рвет волокно внутри корпуса, какое-либо демпфирование (например, керамического наконечника - с усилием, меньшим усилия разрушения волокна) в герметичном корпусе резко усложняет конструкцию.

Известны решения с использованием однородных материалов, например, патент на изобретение №2168191, где в качестве направляющей подложки для оптического волокна используются отрезки того же волокна, т.е. кварца, отверждение первого слоя клея ведут УФ-излучением, а в качестве второго слоя применяют высокопрочный эпоксидный клей типа ВК6. Но кварцевый корпус разъема был бы непрочен и не технологичен, он не может применяться в условиях эксплуатации подвижных объектов (удары, перегрузки и т.д.).

Наиболее близким решением можно считать применение для корпуса керамических материалов с малым отрицательным КТР (патент US 6377729) и способ создания таких материалов (патент CN 102826606).

Однако даже выравнивание КТР не в полной мере решает проблему: при повышении температуры до максимально допустимой (для летательного аппарата это 150°С) существенно поднимается давление в герметичной полости разъема. Поскольку при такой температуре эпоксидный клей размягчается, прецизионные керамические наконечники, вклеенные в корпус, начинают выдавливаться из корпуса. В результате - увеличение оптических потерь на стыке наконечников, изменение расстояния между торцами не состыкованных наконечников с отверждением клея при снижении температуры, уход волокна ниже торца наконечника и т.п.

Цель изобретения - создание способа сборки оптического волокна со стабилизированным положением оптического волокна и достижением постоянства передаваемой через оптическое волокно мощности излучения при повышенных механо-климатических нагрузках и, кроме того, с упрощением процесса сборки оптического волокна.

Это достигается тем, что предложен способ сборки оптического волокна с деталями корпуса (герметичного волоконно-оптического разъема), содержащего замкнутый после сборки объем, включающий предварительный нагрев корпуса до температуры, превышающей максимально допустимую температуру эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема, нанесение крепежного вещества на закрепляемые участки оптического волокна и участок крепления, причем в качестве крепежного вещества выбирают материал, отверждающийся в диапазоне от выбранной для предварительного нагрева до максимально допустимой температуры эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема, а после отверждения температуру снижают до комнатной. Сначала в корпусе герметичного волоконно-оптического разъема закрепляются детали, в которые будет устанавливаться волокно (например, керамические наконечники). Возможна и установка волокна в наконечники, но без крепежного вещества. После нагрева корпуса до температуры, превышающей максимально допустимую температуру эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема, отверждение крепежного вещества в швах между корпусом и наконечниками и выравнивания давления в нагретом внутреннем объеме корпуса на волокно, вставленное в отверстия наконечников, наносится крепежное вещество, которое продольным перемещением избыточного отрезка волокна вводят в зазор между волокном и наконечниками, и отверждают при температуре не менее максимально допустимой температуры эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема. После охлаждения давление в замкнутом объеме падает, и подняться при максимально допустимой температуре может только до 1 атмосферы. Это значит, что не будет ни смещения наконечников, ни ухода волокна, поскольку после остывания корпуса волокно в замкнутом объеме изгибается, при нагреве вытягивается до нормальной длины. Во избежание излома или повышения потерь длину замкнутого объема корпуса рассчитывают, как функцию от минимально допустимого радиуса изгиба применяемого волокна и от значения КТР корпуса.

Поскольку такой способ сборки оптического волокна с корпусными деталями позволяет устранить недостатки конструкции, не прибегая к сложным технологиям получения и обработки специальных материалов с отрицательными КТР, как это происходит в прототипе, заявленные отличия являются существенными.

На Фиг. 1а изображен один из примеров конструкции (розетка герметичного разъема), к которому применим заявленный способ. Розетка состоит из корпуса 1, выполненного из алюминиевого сплава, и имеющего замкнутый воздушный объем. В корпусе установлены керамические наконечники 2, 3 для фиксации оптического волокна 4. Наконечники зафиксированы клеем.

После нагрева сборки до температуры, превышающей максимально допустимую температуру эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема, клей 5 наносится на волокно и продольным перемещением избыточного отрезка волокна вводится в зазор между волокном и наконечниками. Клей отверждают при температуре не менее, чем максимально допустимая температура эксплуатации разъема.

После охлаждения оптическое волокно 4 в замкнутом объеме корпуса 1 принимает форму, изображенную на Фиг. 1б (изгиб преувеличен для понимания поведения волокна при охлаждении).

Предложенный способ и конструкция волоконно-оптической герметичного разъема на основе способа может использоваться в системах связи, АСУТП, являясь важной частью оптических коммуникационных систем, при создании волоконно-оптических датчиков, оборудования подвижных объектов, работающих при перепадах давления (например, летательных аппаратов и подводных лодок) и в условиях герметизации опасных объемов (контрольно-измерительных устройств АЭС и т.д.).

Изобретение относится к волоконно-оптическим компонентам и способам их получения. Заявленный способ сборки оптического волокна с деталями корпуса (герметичного волоконно-оптического разъема) содержит замкнутый после сборки объем, включающий взаимное позиционирование деталей и оптического волокна, нагрев корпуса и соединение их с помощью связующего крепежного вещества. Причем сначала в корпусе закрепляют детали (наконечники), фиксирующие оптическое волокно, затем устанавливают в них волокно без крепежного вещества и нагревают корпус до температуры, превышающей максимально допустимую температуру эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема, при этом в качестве крепежного вещества выбирают материал, отверждающийся в диапазоне от выбранной для предварительного нагрева до максимально допустимой температуры эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема. После отверждения крепежного вещества в швах между корпусом и наконечниками и выравнивания давления в нагретом внутреннем объеме корпуса на волокно, вставленное в отверстия наконечников, наносят крепежное вещество, которое продольным перемещением избыточного отрезка волокна вводят в зазор между волокном и наконечниками, и отверждают при температуре не менее максимально допустимой температуры эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема, а после отверждения крепежного вещества температуру снижают до комнатной. Технический результат - создание способа сборки оптического волокна со стабилизированным положением оптического волокна и достижением постоянства передаваемой через оптическое волокно мощности излучения при повышенных механо-климатических нагрузках, а также упрощение процесса сборки оптического волокна. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сборки оптического волокна с деталями корпуса - герметичного волоконно-оптического разъема, содержащего замкнутый после сборки объем, включающий взаимное позиционирование деталей и оптического волокна, нагрев корпуса и соединение их с помощью связующего крепежного вещества, отличающийся тем, что сначала в корпусе закрепляют детали - наконечники, фиксирующие оптическое волокно, затем устанавливают в них волокно без крепежного вещества и нагревают корпус до температуры, превышающей максимально допустимую температуру эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема, причем в качестве крепежного вещества выбирают материал, отверждающийся в диапазоне от выбранной для предварительного нагрева до максимально допустимой температуры эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема, а после отверждения крепежного вещества в швах между корпусом и наконечниками и выравнивания давления в нагретом внутреннем объеме корпуса на волокно, вставленное в отверстия наконечников, наносят крепежное вещество, которое продольным перемещением избыточного отрезка волокна вводят в зазор между волокном и наконечниками, и отверждают при температуре не менее максимально допустимой температуры эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема, а после отверждения крепежного вещества температуру снижают до комнатной.

2. Герметичный волоконно-оптический разъем по способу п.1, содержащий корпус герметичного волоконно-оптического разъема и коннекторы с наконечниками, отличающийся тем, что корпус герметичного волоконно-оптического разъема содержит не менее одной противолежащей пары наконечников, тыльными сторонами выходящих в замкнутый объем, длина которого является функцией от минимально допустимого радиуса изгиба применяемого волокна и от значения коэффициента термического расширения (КТР) корпуса.