Отрывной оптический разъем Российский патент 2023 года по МПК G02B6/38 H01R13/627 

Настоящее изобретение относится к области волоконно-оптических и лазерных систем, в частности к оптическим разъемам с функцией быстрой расстыковки, и может быть использовано для соединения и разъединения оптоволоконных кабелей между собой и для подключения их к бортовой аппаратуре изделий ракетно-космической, авиационной, военно-морской и специальной техники, в суровых условиях эксплуатации.

Известен «Оптический разъем, кабель и оптическое устройство связи», патент RU 2678961, опубл. 04.02.2019 г., содержащий закрепленные в корпусе оптическое волокно и сферическую линзу, преобразующую выходное излучение из волокна в расходящийся поток, с углом расхождения 10… 20°.

Достоинством данного устройства является использование линзы, защищающей торец волокна от попадания влаги, грязи и пыли при соединении/разъединении устройства. При этом, в расстыкованном положении устройства снижается неблагоприятное воздействие лазерного излучения, расходящегося после линзы, на зрительную функцию персонала.

Вместе с тем, корпус устройства не содержит конструкционных элементов, позволяющих использовать устройство в суровых условиях эксплуатации. При этом использование сферических линз требует высокой точности совмещения оптических осей линзы с волокном и с линзой ответного разъема, что снижает технологичность изготовления устройства. Также недостатком является выбор расходящейся формы пучка после линзы, вместо плоскопараллельного не расходящегося, что может привести к потерям оптической мощности в соединении. Также устройство не обладает функцией быстрой расстыковки, необходимой в ряде случаев применения.

Известен «Волоконно-оптический соединитель», патент RU 2393513, опубл. 27.06.2010 г., содержащий первую и вторую полумуфты (корпуса) для заделки в них первого и второго отрезков оптического волокна, на торцах которых установлены пары оптических многослойных трансформаторов (диэлектрических покрытий). В каждой полумуфте установлена заглушка (вкладыш), снабженная плосковыпуклой линзой для коллимирования излучения из волокна и направляющими элементами для обеспечения надежности соединения.

Достоинством предложенного технического решения является снижение потерь оптической мощности (затухания) в соединении до 0,5 дБ в рабочем диапазоне длин волн, за счет применения коллимирующих линз. Устройство содержит корпусные элементы, защищающие оптический наконечник (ферулу) от внешних воздействий в суровых условиях эксплуатации.

Недостатком данного устройства является использование плосковыпуклой линзы, требующее точного совмещения оптических осей линз и волокон.

Также к недостаткам устройства относится использование лишь одной пары входного и выходного волокна, в то время как для многих применений в волоконной оптике требуются многополюсные соединители, содержащие 2 и более оптических соединений. Используемое резьбовое соединение полумуфт не позволяет производить их быструю расстыковку.

Известен «Универсальный оптический коннектор на базе устройства расширения пучка», полезная модель RU 180036, опубл. 31.05.2018 г., содержащий шариковые микролинзы и оптоволокно, заключенное в керамические ферулы.

Достоинством данной полезной модели является использование унифицированных элементов - шариковых линз, ферул, корпусных деталей стандартных волоконных соединителей; в частности, линзы подбираются диаметром меньшим диаметра ферул, что обеспечивает простоту сборки устройства.

Недостатком данного устройства является использование однополюсного волоконного соединителя, а также невозможность его быстрой расстыковки в случае необходимости.

В изобретении «Оптоволоконный соединитель / Optical fiber connector», патент US 10185099 B2, опубл. 22.01.2019 г. раскрыт быстросъемный волоконно-оптический соединитель двухтактного возвратно-поступательного действия типа «push-pull». Представляет собой стандартный телекоммуникационный соединитель типа LC, с добавлением конструкционных элементов для быстрого извлечения соединителя из адаптера - рычага и замкового механизма.

Достоинством изобретения является использование унифицированных деталей и узлов стандартных соединителей, с возможностью быстрой расстыковки устройства. Также, в вариантах реализации изобретения предложен двухполюсный соединитель типа «duplex», для увеличения плотности монтажа оптоволоконных соединений в месте установки.

Вместе с тем, использование частей коммерческих телекоммуникационных соединителей не позволяет использовать данное изобретение в суровых условиях эксплуатации. В частности, использование прямого физического контакта соединяемых волокон друг с другом требует соблюдения достаточно жестких правил эксплуатации. Необходимо беречь наконечники от внешних воздействий - загрязнений, влаги, механических повреждений. Учитывая очень малый диаметр сердцевины оптоволокна (9 мкм для одномодового волокна, 50 или 62,5 мкм для многомодового), очевидно, что сколы и царапины, а также мелкие частицы грязи, пыли, масла и воды на торце наконечника могут привести к росту затухания в линии и, в конечном итоге, к прекращению передачи сигнала. Не меньшее влияние могут оказать вибрации, резкие перепады температур и другие неблагоприятные факторы окружающей среды, способные нарушить точность совмещения волокон в соединителе. Все это ограничивает возможность применения таких соединений в полевых условиях, а также при воздействии различных агрессивных сред.

Известно «Быстроразъемное соединение / Quick release connection)), патент US 8764309 B2, опубл. 21.03.2013 г., содержащее в своей конструкции замковый механизм, обеспечивающего быструю расстыковку в случае возможного механического удара.

К недостаткам следует отнести сложность стыковки разъема, требующую наличия специального инструмента и высокой квалификации персонала. Также, в разъеме применен традиционный прямой контакт соединяемых волокон, не защищающий разъем от воздействия влаги, грязи и пыли.

Известен «Волоконно-оптический соединитель байонетного типа», полезная модель RU 111313, опубл. 10.12.2011 г., содержащий подвижный цилиндрический корпус с запирающими элементами для байонетного соединения и полый цилиндрический каркас с выступающими сегментами цилиндров и байонетными пазами; в каркас жестко встроена полумуфта для заделки оптических волокон, содержащая четыре отверстия с установленными в них шарообразными линзами и с подведенными к каждой из линз оптическими волокнами.

Достоинством данной полезной модели является использование в многополюсном соединителе шариковых линз, не требующих высокой точности совмещения оптической оси линзы с волокном и с ответной линзой; дополнительно линзы выполняют функцию защиты волокна от попадания влаги, грязи и пыли при соединении-разъединении устройства в суровых условиях эксплуатации.

Недостатком данной полезной модели является низкая технологичность стыковки волокна с линзой, заключающаяся в использовании нестандартной детали «полумуфта», невозможность полировки торца волокна при заделке его в полумуфту и связанные с этим возможные сильные потери оптической мощности в таком соединении. Также устройство не обладает функцией быстрой расстыковки, необходимой в ряде случаев применения.

Известен способ быстрой расстыковки двухтактного вращательно-поступательного действия типа «lanyard release)), широко применяемый в электрических соединителях для суровых условий эксплуатации. В изобретении «Электрический соединитель с отрывным разъединением / Electrical connector with pull release)), патент US 10897104 B2, опубл. 19.01.2021 г. раскрыт быстросъемный многополюсный электрический соединитель типа «lanyard release)), использующий резьбовое соединение вилки и розетки и шариковый замок для их удержания от несанкционированной расстыковки, причем гайка розетки выполнена разрезной и пружинящей, а быстрая расстыковка происходит высвобождением гайки из замка при приложении нормированного тянущего усилия к вытяжному тросу. При этом величина усилия, необходимого для гарантированной расстыковки, обеспечивается жесткостью разрезной гайки.

Достоинствами изобретения являются возможность быстрой расстыковки соединителя, защита от несанкционированной расстыковки, а также возможность быстрого восстановления соединения в полевых условиях.

Однако, данное устройство предназначено для электрических соединений и не может быть использовано для волоконно-оптической связи.

В настоящем изобретении предложен быстросъемный многополюсный волоконно-оптический разъем двухтактного возвратно-поступательного действия, использующий способы соединения-разъединения «push-pull» и «lanyard release».

Изобретение относится к разрывным соединениям между подвижным и неподвижным объектами и может быть использовано в изделиях ракетно-космической, авиационной, военно-морской, транспортной и специальной техники, имеющих волоконно-оптические соединения с бортовой или наземной аппаратурой. В частности, быстрая расстыковка соединения требуется при катапультировании летного состава летательного аппарата, запуске ракет и разделении их ступеней, бомбометании, торпедировании, при запуске беспилотных летательных, наземных и подводных аппаратов, а также при перфорации и каротаже скважин в нефтедобыче и в сейсморазведке.

Обладая функцией быстрой расстыковки, предложенный разъем отличается тем, что имеет защиту от несанкционированной расстыковки, возможность быстрой очистки и восстановления соединения в полевых условиях, повышенную надежность соединения без механического контакта соединяемых волокон, высокую эффективность соединения с низкими оптическими потерями и повышенную эксплуатационную безопасность для обслуживающего персонала, окружающей среды и самого устройства.

Достигаемый при этом технический результат заключается в сокращении времени соединения-разъединения, быстрой расстыковки при приложении нормированного усилия, защите от несанкционированной расстыковки и возможности быстрого восстановления соединения в полевых условиях, за счет использования втулки и фиксатора; дополнительно в повышении надежности функционирования устройства за счет исключения механического контакта соединяемых волокон использованием системы линз, повышении безопасности обращения с устройством за счет использования защитных заслонок.

Указанный технический результат достигается использованием в конструкции разъема механических деталей особой формы - втулки и фиксатора розетки, а также корпуса вилки, причем втулка имеет замковый механизм, а фиксатор снабжен вытяжным тросом, при этом расстыковка разъема происходит при приложении к тросу нормированного тянущего усилия, требуемая величина усилия для гарантированной расстыковки разъема и защита от несанкционированной расстыковки обеспечивается жесткостью замкового механизма втулки, также замковый механизм обеспечивает быстрое восстановление соединения.

Дополнительно, повышенная надежность разъема обеспечивается применением технологии соединения оптических волокон «expanded beam / расширенный пучок». На торцах соединяемых волокон устанавливаются линзы, с помощью которых излучение из выходного волокна сначала преобразуется в плоскопараллельный световой пучок большего диаметра, а затем снова фокусируется на торец входного волокна. Многократное увеличение диаметра пучка по сравнению с диаметром сердцевины волокна сводит к минимуму влияние на передаваемый сигнал инородных частиц, которые могут попасть на наружную поверхность линзы. Также, отсутствие прямого контакта между линзами способствует уменьшению износа разъема и, как следствие, увеличению срока его службы. При этом обеспечивается сравнительно невысокий уровень затухания сигнала в соединении (не более 2 дБ на один полный контакт «волокно-линза-линза-волокно» для многомодовых волокон и не более 3 дБ для одномодовых), и в отличие от контактных разъемов, потери в которых растут с увеличением количества операций соединения-разъединения, данный разъем сохраняет практически неизменное затухание на протяжении всего срока эксплуатации. По данной технологии может быть использована пара линз любого типа: шариковые, цилиндрические градиентные, сферические, асферические, конические. В частности, использование шариковых или градиентных линз, не требующих высокой точности их осевого совмещения с соединяемыми волокнами, обеспечивает простоту конструкции и повышает технологичность изготовления деталей разъема, а также позволяет производить быструю очистку наружной поверхности линз в полевых условиях, в том числе без использования специальных чистящих средств в случае их отсутствия, полосканием в воде и протиркой насухо ветошью. Подобные действия с разъемами на основе физического контакта неизбежно приведут к их порче и потере работоспособности. Также, надежность соединения и предотвращение неверного сочленения соответствующих ферул вилки и розетки разъема обеспечивается использованием шпоночного соединения вилки и розетки.

При эксплуатации на объекте через разъем может передаваться излучение, в том числе высокого класса лазерной опасности. При этом распространяющийся между линзами плоскопараллельный пучок излучения высокой мощности может оказать неблагоприятное воздействие на зрительную функцию персонала и на окружающую среду в расстыкованном положении разъема. Повышенная безопасность эксплуатации разъема обеспечивается использованием защитных заслонок, нормально закрытых в его расстыкованном положении, обеспечивающих защиту обслуживающего персонала и окружающей среды при выполнении операций соединения-разъединения, а также дополнительную защиту оптических деталей разъема от внешних воздействий при его хранении и транспортировке в расстыкованном положении.

Сущность поданной заявки поясняется 4 чертежами:

На фигуре 1 представлен общий вид отрывного оптического разъема в состыкованном положении, с использованием градиентных линз и пружинящих перемычек.

На фигуре 2 представлен общий вид отрывного оптического разъема в состыкованном положении, с использованием шариковых линз и шарикового замка.

На фигуре 3 представлен вид отрывного оптического разъема в расстыкованном положении, с закрытыми заслонками.

На фигуре 4 представлен вид фиксатора с вытяжным тросом.

Отрывной оптический разъем (фиг. 1) состоит из вилки 1 и розетки 2. Вилка содержит корпус 3, вкладыши 4 и 5 с по меньшей мере двумя установленными ферулами 6, заслонку 7 (фиг. 3) и кожух 8. Розетка содержит корпус 9, вкладыши 10 и 11 с по меньшей мере двумя установленными ферулами 12, втулку 13, фиксатор 14, заслонку 15 и кожух 16 (фиг. 3).

При этом используется шпоночное соединение для предотвращения радиального и осевого смещения вилки и розетки при их соединении-разъединении и неверного сочленения их соответствующих ферул, в составе (фиг. 3): шпонка 17 в корпусе вилки - шпоночный паз 18 во втулке розетки, шпонка 19 во втулке розетки - шпоночный паз 20 в фиксаторе.

Каждая из ферул 6 и 12 состоит из стандартного коммерчески доступного оптического наконечника 21 типа FC, ST, LC, SC, MU, DIN, SMA или аналогичного, с предварительно установленным и отполированным по стандартной технологии волоконным световодом 22, и размещенной соосно со световодом линзы 23 любого типа: шариковой, цилиндрической градиентной, сферической, асферической, конической, обеспечивающей преобразование выходящего из световода расходящегося излучения в плоскопараллельный пучок. При этом конструкция разъема обеспечивает гарантированный зазор между наружными поверхностями линз 23 ферул 6 и 12 соответственно.

Фиксация разъема в состыкованном положении обеспечивается замковым механизмом в составе втулки 13. Варианты исполнения замкового механизма:

• пружинящие перемычки 24 (фиг. 1) и соответствующие пазы 27 в корпусе 3 и пазы 28 в фиксаторе 14 (фиг. 1);

• шариковые замки 25 и 26 (фиг. 2) и аналогично пазы 27 в корпусе 3 и пазы 28 в фиксаторе 14 (фиг. 1).

Фиксатор снабжен вытяжным тросом 29 (фиг. 4), а втулка содержит стопорное кольцо 30 (фиг. 3).

При стыковке разъема вилка и розетка совершают поступательное движение навстречу друг другу, при этом корпус 3 вилки и втулка 13 розетки ориентированы шпоночным соединением 17-18. Как только корпус 3 и втулка 13 наполовину сочленены, открываются заслонки 7 и 15, а втулка 13 продолжает двигаться вперед вдоль корпуса 3 до тех пор, пока не закроется первый замковый механизм 24-27 (фиг. 1) или 25-27 (фиг. 1, 2). Затем фиксатор 14 движется вперед вдоль втулки 13, ориентированный шпоночным соединением 19-20, до тех пор, пока не закроется второй замковый механизм 24-28 (фиг. 1) или 26-28 (фиг. 1, 2).

Для расстыковки разъема необходимо приложить тянущее усилие к вытяжному тросу 29 фиксатора, при превышении усилия, необходимого для расстыковки, открывается замковый механизм 24-28 (фиг. 1, 2) или 26-28 (фиг. 1, 2), фиксатор движется назад, упирается в стопорное кольцо 30, передает ход назад втулке - открывается замковый механизм 24-27 (фиг. 1) или 25-27 (фиг. 1, 2), закрываются заслонки 7 и 15, вилка и розетка полностью расчленяются.

Изобретение относится к области волоконно-оптических и лазерных систем, в частности к оптическим разъемам с функцией быстрой расстыковки, и может быть использовано для соединения и разъединения волоконно-оптических кабелей друг с другом, а также с бортовой или наземной аппаратурой изделий ракетно-космической, авиационной, военно-морской, транспортной и специальной техники, в суровых условиях эксплуатации. Заявленный отрывной оптический разъем состоит из вилки и розетки, каждая из которых содержит цилиндрический корпус, вкладыш с по меньшей мере двумя установленными ферулами. Разъем имеет шпоночное соединение, розетка имеет втулку и фиксатор, ферулы дополнены оптической системой линз, а в корпуса вмонтированы защитные заслонки. Согласно изобретению, втулка розетки имеет замковый механизм, а фиксатор снабжен вытяжным тросом, причем расстыковка разъема происходит при приложении к тросу нормированного тянущего усилия, а жесткость замкового механизма определяется требуемым усилием для гарантированной расстыковки разъема. Технический результат - сокращение времени соединения-разъединения, быстрая расстыковка при приложении нормированного усилия, защита от несанкционированной расстыковки и возможность быстрого восстановления соединения в полевых условиях за счет использования втулки и фиксатора; дополнительно повышение надежности функционирования устройства за счет исключения механического контакта соединяемых волокон использованием системы линз, повышение безопасности обращения с устройством за счет использования защитных заслонок. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Отрывной оптический разъем, состоящий из вилки и розетки, содержащих цилиндрические корпуса, вкладыши с по меньшей мере двумя установленными сочленением ферулами, отличающийся тем, что в конструкции разъема предусмотрено шпоночное соединение вилки и розетки, обеспечивающее сохранение взаимной ориентации ферул при стыковке разъема, состоящее из шпонки, расположенной в корпусе вилки, шпоночного паза и шпонки, расположенных во втулке розетки, а также шпоночного паза в фиксаторе розетки, при этом имеется замковый механизм типа «push-pull», обеспечивающий фиксацию разъема в состыкованном положении, состоящий из пружинящих перемычек или шариковых замков во втулке розетки, и соответствующих пазов в корпусе вилки и пазов в фиксаторе розетки, указанный фиксатор снабжен вытяжным тросом, обеспечивающим расстыковку разъема по принципу «lanyard release» при приложении к нему нормированного тянущего усилия, а между ферулами расположена коллимирующая система линз по технологии расширенного пучка, исключающая механический контакт соединяемых волокон.

2. Отрывной оптический разъем по п. 1, отличающийся тем, что коллимирующая система линз выполнена из градиентных, шариковых, сферических, асферических или конических линз.

3. Отрывной оптический разъем по п. 1, отличающийся тем, что имеет защитные заслонки.