СПОСОБ ПАЙКИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН Российский патент 2023 года по МПК B23K1/19 B23K1/00 G02B6/24 G02B6/255 

Изобретение относится к области оптоволоконной техники, в частности к неразъемному сращиванию микроструктурированных оптических волокон между собой и с обычными волокнами.

Известен способ соединения оптических волокон посредством фотополимеризующейся композиции, описанный в патенте на изобретение №2472189, МПК G02B 6/26, G02B 6/42, C08F 2/48, C09J 9/00, опубл. 14.09.2011 г., включающей полимеризационно-способный компонент, например: мономер или смесь мономеров, фото-хиноны и восстанавливающий агент, например: амин, при следующем соотношении компонентов, вес.ч.: полимеризационно-способный компонент - 100; фото-хиноны - 0,005-0,1; восстанавливающий агент - 0,5-10. Также изобретение относится к способу и устройству для коннектирования световодов с сердцевиной, имеющей больший показатель преломления, и использующим упомянутую композицию. Предлагаемый способ решения задачи коннектирования световодов позволяет формировать полимерный коннектор с градиентным профилем распределения показателя преломления, согласованным с оптическим световодом, под действием светового излучения, выходящего из торца стыкуемых световодов в процессе фотополимеризации.

Недостатком известного способа является использование полимерной композиции, рассчитанной на передачу маломощного оптического сигнала, используемого в системах связи и передачи информации.

Известен способ для создания согласующих устройств световодных трактов систем связи и передачи информации, описанный в патенте на изобретение №1372264, МПК G02B 6/24, опубл. 02.06.1986 г. Цель изобретения: уменьшение потерь светового излучения путем увеличения точности совмещения сердцевин волоконных световодов. После предварительной обработки торцов световодов на них в области сердцевины химически вытравливают лунки. Наносят на торцы фотополимер с коэффициентом преломления равным коэффициенту преломления сердцевин, обеспечивающий точное расположение двояковыпуклой линзы на одном из торцов. Сближением торцов устанавливают микролинзу в лунку второго световода, засвечивают фотополимер. Предлагаемый способ позволяет осуществлять соединение однотипных волоконных световодов с неодинаковыми геометрическими размерами.

Недостатками данного способа являются:

- на торцах обоих волокон предварительно требуется плавиковой кислотой вытравить лунки, соосные сердцевинам этих волокон;

- технологический процесс сращивания волокон имеет сложную многопрофильную технологическую структуру, требующую различного оборудования: подготовка торцов, химическое травление лунок на них, нанесение фотополимера с определенными свойствами, сборка конструкции и отверждение полимера специальным источником излучения;

- в оптическом тракте используется дополнительный элемент -микролинзу;

- использование фотополимера не предполагает передачу излучения высокой мощности.

Ближайшим аналогом к заявляемому способу пайки оптических волокон, выбранным в качестве прототипа является техническое решение, описанное в патенте РФ №2675 74, МПК B23K 1/00, H01Q 1/00, опубл. 21.12.2018, под названием «Способ бесконтактной пайки антенно-фидерных устройств», включающее закрепление паяемых деталей с помощью приспособлений, предварительный нагрев зоны пайки паяемых деталей выполняют с нанесенным паяльным материалом бесконтактным методом до температуры его плавления, окончательный нагрев осуществляют до расплавления паяльного материала.

Недостатками вышеуказанного технического решения являются: техническое решение не используют в волоконной оптике и в качестве паяльного материала применяют паяльную пасту, соответствующую материалу паяемых деталей, не перемещаемых относительно друг друга.

Задачей изобретения является создание способа сращивания микроструктурированных оптических волокон, обеспечивающего снижение уровня оптических потерь в месте соединения.

Технический результат заключается в том, что удалось обеспечить универсальность способа соединения микроструктурированных оптических волокон посредством их сращивания пайкой за счет минимизации потерь в области их разогрева из-за деградации воздушной оболочки и соответствующего изменения светопроводящих свойств, обеспечиваемого более низкой рабочей температурой, чем температура стеклования материала сращиваемых волокон.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе пайки оптических волокон, включающем закрепление паяемых деталей с помощью приспособлений, предварительный нагрев зоны пайки паяемых деталей выполняют с нанесенным паяльным материалом бесконтактным методом, окончательный нагрев осуществляют до расплавления паяльного материала, согласно изобретению, в качестве паяемых деталей используют оптическое волокно, и используют паяльный материал, коэффициент преломления которого соответствует коэффициенту преломления одного из паяемых оптических волокон, при этом паяльный материал предварительно наносят на спаиваемые поверхности и нагревают до температуры его растекания в зоне пайки, обеспечивают контакт поверхностей между торцами сращиваемых оптических волокон перемещением приспособлений в осевом направлении, и окончательный нагрев проводят бесконтактно до температуры ниже температуры размягчения спаиваемых оптических волокон.

Кроме того, с целью предотвращения деградации световедущей структуры микроструктурированного волокна, в качестве паяльного материала используют легкоплавкое стекло, а также в качестве паяемых оптических волокон используют одинаковое или разноструктурное по структуре оптическое волокно.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что не обнаружен аналог,

характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем: в качестве стекла-припоя используют общедоступный оксид бора (В₂О₃), коэффициент преломления которого близок к коэффициенту преломления стекла хотя бы одного из сращиваемых оптических волокон (например, оптические волокна из кварцевого стекла). Концы соединяемых оптических волокон подготавливают к сращиванию: очищают от полимерной оболочки, грязи, скалывают, полируют, очищают от загрязнений и т.д. Стекло-припой, разогретый выше температуры плавления В₂О₃, наносят на один или оба торца сращиваемых оптических волокон. Затем оптические волокна закрепляют в приспособлении, с помощью которого регулируют соосность оптических волокон и зазор между их торцами.. Концы оптических волокон, с нанесенным стекло- припоем, предварительно прогревают до температуры растекания последнего. При окончательном нагреве торцы оптических волокон через стекло-припой, вязкость которого позволяет получить его тонкий равномерный слой на стыке волокон, соединяют и фиксируют в этом положении. Температура окончательного прогрева при пайке выше температуры плавления оксида бора, но ниже температуры размягчения сращиваемых оптических волокон, (800-1000°С при пайке кварцевых волокон). Зазор, заполненный припоем, делают минимальным, перемещая сращиваемые концы оптических волокон в осевом направлении. Для получения прочного шва стекло-припой заполняет всю перекрываемую торцами оптических волокон поверхность. Охлаждение стыка после окончания нагрева происходит естественным путем. Примером конкретного выполнения является реализация способа с использованием микроструктурированных оптических волокон с коэффициентом преломления кварцевой сердцевины n_m=1,462, пайку которых осуществили стекло-припоем оксидом бора (В₂0₃ с коэффициентом преломления n_m=1,459). Для этого использовали сварочный аппарат FSU 995 FA, режимы пайки подбирали индивидуально для каждой пары сращиваемых волокон и при этом обеспечивали температуры разогрева волокон ниже температуры стеклования кварцевого стекла (1100-1300°С в зависимости от количества и состава примесей, при этом вязкость оксида бора изменялась в интервале величины порядка 6 до 2 Па*с).

Оптические волокна освобождают от полимерной оболочки, скалывают или полируют, чтобы получить ровные плоские торцы, и очищают от загрязнений. На торец оптического волокна наносят расплавленный на спиртовке оксид бора. Сращиваемые оптические волокна закрепляют в держателях сварочного аппарата, используемых в качестве фиксирующих приспособлений. Разогревают нанесенный припой до его равномерного растекания по поверхности оптического волокна. Подвижками сварочного аппарата выставляют соосность сердцевин оптических волокон и расстояние между их торцами. Далее разогревают зону пайки, сводят торцы оптических волокон до полного заполнения пространства между торцами тонким слоем припоя, после чего оптические волокна, зафиксированные в этом положении, остывают.

Пример 1.

Для получения образца на сварочном аппарате FSU 995 FA сращивают пайкой обычное кварц-кварцевое волокно и высокоапертурное кварцевое оптическое микроструктурированное волокно.

Параметры волокон:

- микроструктурированное волокно: диаметр наружный - 260-280 мкм, диаметр сердцевины - 150-160 мкм, числовая апертура - 0,45;

- кварц-кварцевое волокно: диаметр наружный - 125 мкм, диаметр сердцевины - 105 мкм, числовая апертура - 0,15.

Если кварц-кварцевое волокно подготавливают к пайке так же, как для сварки, то торец микроструктурированного волокна полируют, после чего торцевую поверхность предварительно очищают от загрязнений с помощью сухой безворсовой салфетки, а затем на сварочном аппарате искровым разрядом. Расплавленный оксид бора наносят на торец кварц- кварцевого волокна. Оптические волокна закрепляют в держателях сварочного аппарата. Осуществляют предварительный прогрев до растекания припоя. Выставляют соосность и зазор между торцами сращиваемых волокон, проводят окончательный нагрев.

Пример 2.

Для получения образца на сварочном аппарате FSU 995 FA сращивают пайкой обычное одномодовое SMF-28 волокно и одномодовое кварцевое оптическое микроструктурированное волокно.

Параметры микроструктурированного волокна: диаметр наружный -127 мкм, диаметр сердцевины - 18,6 мкм, шаг структуры воздушной оболочки - 12,4 мкм, диаметр отверстий структуры воздушной оболочки -6,2 мкм.

Оптические волокна скалывают. Волокно SMF-28 подготавливают к пайке так же, как для сварки. Наружную поверхность микроструктурированного волокна очищают от полимерной оболочки и загрязнений до скалывания. После скалывания торец микроструктурированного волокна очищают искровым разрядом на сварочном аппарате.

На торец SMF-28 наносят расплавленный оксид бора. Остальные переходы повторяют аналогично как в примере 1, с отличием в параметрах режимов прогрева.

Проведенные исследования получаемых паяных соединений показали, что удалось исключить или существенно минимизировать разрушение светопроводящей структуры сращиваемых оптических волокон, что происходит при их сварке, и этим уменьшить потери в соединительном стыке без дополнительного специального оборудования и элементов.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа пайки оптических волокон и способность обеспечения достижения указанного технического результата. Получен универсальный и простой в осуществлении способ сращивания микроструктурированных оптических волокон между собой и с обычными волокнами, обеспечивающий минимальные потери при передаче через соединение излучения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к области оптоволоконной техники, в частности к сращиванию пайкой микроструктурированных оптических волокон между собой и с обычными волокнами. Используют паяльный материал, коэффициент преломления которого соответствует коэффициенту преломления одного из паяемых оптических волокон. Расплавленный паяльный материал предварительно наносят на спаиваемые поверхности. Закрепляют паяемые оптические волокна с помощью приспособлений. Нагревают зону пайки до температуры растекания паяльного материала. Обеспечивают контакт поверхностей между торцами паяемых оптических волокон перемещением приспособлений в осевом направлении, а окончательный нагрев проводят бесконтактно до температуры ниже температуры размягчения паяемых оптических волокон. Технический результат заключается в обеспечении упрощения сращивания микроструктурированных оптических волокон за счет минимизации потерь в области их разогрева из-за деградации воздушной оболочки и соответствующего изменения светопроводящих свойств, обеспечиваемого более низкой рабочей температурой, чем температура остекловывания материала паяемых волокон. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ сращивания оптических волокон пайкой, включающий закрепление паяемых деталей с помощью приспособлений, предварительный нагрев бесконтактным методом зоны пайки и окончательный нагрев до расплавления паяльного материала, отличающийся тем, что используют паяльный материал, коэффициент преломления которого соответствует коэффициенту преломления одного из паяемых оптических волокон, при этом до закрепления паяемых деталей в приспособлениях наносят на одну или обе поверхности торцов оптических волокон расплавленный паяльный материал, а предварительный нагрев зоны пайки осуществляют до температуры растекания припоя, после чего обеспечивают контакт поверхностей торцов паяемых оптических волокон перемещением приспособлений в осевом направлении, а окончательный нагрев проводят бесконтактно до температуры ниже температуры размягчения паяемых оптических волокон.

2. Способ сращивания оптических волокон пайкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве паяльного материала используют легкоплавкое стекло.

3. Способ сращивания оптических волокон пайкой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве, по меньшей мере, одного из паяемых оптических волокон используют микроструктурированное оптическое волокно.