СПОСОБ ОТВОДА ЧАСТИ МОЩНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ БОКОВУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ИЗОГНУТОГО ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА Российский патент 2023 года по МПК G02B6/02 H04B10/112 G02B6/24 

Изобретение относится к способам отвода оптического излучения через боковую поверхность волоконного световода (ВС), предпочтительно одномодовых и многомодовых, например, волоконно-оптических линий связи, с возможностью определения в них направления передачи сигналов и отношения сигнал/шум на этапе дифференциального фотопреобразования.

Известен способ ввода-вывода излучения через боковую поверхность изогнутого оптического волокна [1], в котором реализован способ ввода-вывода излучения через боковую поверхность, изогнутого ВС. Этот способ заключается в том, что в пазе первого ролика, имеющего фиксированный радиус, размещают ВС, используют второй ролик, идентичный первому, в пазе которого размещают этот же ВС, который фиксируют на входе и выходе устройства. Затем изгибают ВС вокруг роликов на заданный начальный угол для выхода излучения через боковую поверхность и поджимают его к первому и второму оптическим элементам в виде призм с заданным показателем преломления, после чего выводимое излучение с изогнутых боковых поверхностей ВС фокусируют на входные торцы приемных ВС с помощью градиентных линз, производят регистрацию излучения с помощью оптических приемников, а ввод излучения осуществляют от оптического передатчика, который подключают вместо приемника, на котором отсутствует сигнал, при этом уровень выводимой и вводимой мощности излучения регулируют изменением углов изгиба ВС. Недостатки этого решения: сложно регулируемая хрупкая конструкция с волоконно-оптическими элементами, которая требует высокой точности соблюдения геометрии при юстировке приемного ВС и выводимого излучения; отсутствие адаптации к типу ВС; наличие на отводящем участке ВС промежуточного волоконно-оптического элемента.

Известен также способ вывода излучения через боковую поверхность изогнутого оптического волокна [2], который заключается в размещении ВС в пазе ролика с диаметром, обеспечивающим заданный радиус изгиба ВС. После этого ВС с роликом поджимается к оптическому элементу с помощью пружины и прижима такой формы, что обеспечивается заданный угол изгиба ВС. Причем показатель преломления оптического элемента близок к показателю преломления защитного покрытия ВС. Оптическое излучение с боковой поверхности ВС в месте изгиба с помощью градиентной линзы вводится в приемное оптическое волокно. Регистрация оптических сигналов может быть осуществлена с помощью оптического приемника, подключенного к выходному торцу ВС с помощью оптического соединителя. Через соединитель и ВС также может быть осуществлен ввод излучения в ВС через его изгиб. Недостатками этого решения являются: необходимость расположения фоточувствительного элемента точно в месте изгиба ВС, что не позволяет в полной мере направлять излучение, отводимое из ВС под углом, на чувствительную площадку фотоприемника; приемное оптическое волокно имеет малую площадь поперечного сечения, что влияет на величину потерь мощности при регистрации сигнала; ролик и установочная платформа не имеют направляющего паза, что приводит к кручению ВС и сложности его однозначной фиксации при изгибе.

Вышеуказанные способы являются наиболее близкими по технической сущности к заявляемому способу и поэтому выбраны в качестве прототипов.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в расширении возможностей отвода мощности оптического излучения при макроизгибе ВС, относительно приведенных выше способов.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в том, что обеспечивается возможность отвода необходимого уровня оптического излучения через боковую поверхность изогнутого ВС, упрощение определения направления передачи сигналов и уровня их мощности, а также унификация способа под одномодовые и многомодовые типы ВС.

Для достижения технического результата способ отвода части мощности оптического излучения через боковую поверхность изогнутого ВС включает формирование изгиба ВС посредством сменных цилиндрических роликов, отличающихся разными радиусами под одномодовые или многомодовые ВС, выполненных из упругого плотного материала, при этом ролик имеет направляющий паз, в котором размещается ВС, фиксируемый на входе и выходе устройства специальными подпружиненными фиксаторами, после чего, путем прижатия ВС сверху вниз цилиндрическим роликом, ВС изгибается в воздухе по направляющему пазу вокруг ролика и поджимается к двум идентичным фоточувствительным элементам, светоизолированным друг от друга и интегрированным в единый корпус с короткофокусными линзами, каждая из которых располагается максимально близко с двух сторон от центра прогиба ВС относительно середины цилиндрического ролика и имеет фокальную плоскость, перпендикулярную оптической оси оптического излучения, выводимого и фокусируемого на чувствительные поверхности соответствующих фотоприемников, причем, зеркальное расположение фотоприемников с микролинзами относительно друг друга позволяет по большему уровню мощности оптического излучения, отведенного из ВС в два фотоприемника, определить направление излучения в ВС, а по отношению сигналов с них - определить отношение сигнал/шум. Кроме того, количество отводимой мощности оптического излучения через боковую поверхность изогнутого ВС может изменяться двумя регулировочными винтами.

Признаки «формирование изгиба ВС посредством сменных цилиндрических роликов, отличающихся разными диаметрами под одномодовые или многомодовые ВС» обеспечивают осуществимость способа под два крайних вида ВС, определенных рекомендациями стандарта Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) и Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) для одномодовых ВС типа G652D, G657A1, G657A2, а для многомодовых ВС типа G651.1 50/125 - стандартом IEC 60793-2-60, с радиусами кривизны R, имеющими диаметры сердцевины d, определяемыми выражением:

где n₁ - показатель преломления сердцевины ВС, n₂ - показатель преломления его оболочки, связанными с углом начала потерь из ВС который определяется по формуле [3]:

где r_c - радиус сердцевины ВС, а r_o - радиус оболочки ВС; из этих формул, на основании проведенных экспериментов [4], следует, что оптимальные радиусы изгиба, а, следовательно, радиус цилиндрического ролика для указанных спецификаций одномодовых ОВ составляет 6 мм, для многомодовых ВС - 8 мм, поэтому цилиндрические ролики под одномодовые или многомодовые ВС должны быть сменными на защелке вместе с головной частью устройства.

Признаки «ролик выполненный из упругого плотного материала, при этом он имеет направляющий паз, в котором размещается ВС, фиксируемый на входе и выходе устройства специальными подпружиненными фиксаторами» позволяют специфицировать способы крепления ВС в направляющий паз между роликом и установочной платформой, что исключает кручение ВС и обеспечивает его однозначную фиксацию при изгибе; определяют материалы сменных цилиндрических роликов, например, из экструзионного пенополистирола XPS CARBON SOLID, тип Б, который не повреждает ВС при макроизгибе и имеет прочность на сжатие при 5% относительной деформации не менее 450 кПа, обеспечивая им упругую деформацию при длительной эксплуатации (ГОСТ 32310-2020 (EN 13164+А.1:2015) от 22 декабря 2020 г. «Изделия из экструзионного пенополистирола, применяемые в строительстве. Технические условия»), а также способ фиксации ВС, например, прижимными планками, аналогичными используемым в стандартных скалывателях ВС и сварочных установках типа AI-9 Hua Xiang Security Store, и, тем самым, совместно с признаком «формирование изгиба ВС посредством сменных цилиндрических роликов, отличающихся разными радиусами под одномодовые или многомодовые ВС», обеспечивают унификацию способа под одномодовые и многомодовые типы ВС с помощью двух сменных цилиндрических роликов определенных радиусов.

Признаки «прижатия ВС сверху вниз цилиндрическим роликом, ВС изгибается в воздухе по направляющему пазу вокруг ролика» обеспечивают нарушение условия полного внутреннего отражения света в ВС при его макроизгибе с помощью цилиндрических роликов, необходимого для преобразования части направленных мод оптического излучения сердцевины ВС в вытекающие оболочечные моды и последующего отвода их из ВС через его внешнюю оболочку, причем, совместно с признаками «выполненных из упругого плотного материала, при этом ролик имеет направляющий паз, в котором размещается ВС, фиксируемый на входе и выходе устройства специальными пластиковыми подпружиненными фиксаторами» определяют цельность и надежность конструкции.

Признаки «поджимается к двум идентичным фоточувствительным элементам, светоизолированным друг от друга и интегрированным в единый корпус с короткофокусными линзами, каждая из которых располагается максимально близко с двух сторон от центра прогиба ВС относительно середины цилиндрического ролика и имеет фокальную плоскость, перпендикулярную оптической оси оптического излучения, выводимого и фокусируемого на чувствительные поверхности соответствующих фотоприемников» обеспечивают осуществимость способа, поскольку реализуют оптическую дифференциальную схему, невозможную при нарушении идентичности фоточувствительных элементов, которые могут быть выполнены, например, на основе фотодиодных чувствительных площадок одной производственной партии, интегрированных при изготовлении с линзами, что обеспечивает метрологическую выдержанность фокусного расстояния, а расположение линз максимально близко к ВС в двух плоскостях с двух сторон от центра его прогиба относительно середины цилиндрического ролика дает основание считать любое оптическое излучение, выходящее из ВС (сигнальное или соответствующее шумам), слаборасходящимся и фокусируемым апертурой линз, и, следовательно, имеющим минимальные потери в каждой из двух оптических систем «изгиб ВС - линза», а также, за счет световой изоляции перегородкой между двумя фотоприемниками, потоки излучений разделены и независимы по двум оптическим каналам, что повышает качество последующей обработки.

Признаки «зеркальное расположение фотоприемников с микролинзами относительно друг друга позволяет по большему уровню мощности оптического излучения, из отведенных в два фотоприемника, определить направление излучения в ВС, а по отношению сигналов с них - определить отношение сигнал/шум» обеспечивают решение задачи упрощения определения направления передачи сигналов и их уровня в линии связи, при этом сигналы имеют высокий информационный уровень, а низкий уровень соответствует дробовому шуму, и, совместно с признаками «поджимается к двум идентичным фоточувствительным элементам, интегрированным в единый корпус с короткофокусными линзами, каждая из которых располагается максимально близко с двух сторон от центра прогиба ВС относительно середины цилиндрического ролика и имеет фокальную плоскость, перпендикулярную оптической оси оптического излучения, выводимого и фокусируемого на чувствительные поверхности соответствующих фотоприемников», обеспечивают осуществимость способа в части упрощения определения направления передачи сигналов и их уровня.

Признаки «количество отводимого уровня оптического излучения через боковую поверхность изогнутого ВС может изменяться двумя регулировочными винтами» дают возможности одновременной регулировки двух оптических систем «изгиб ВС - линза» винтами с микрометрическим ходом не более 3 мм в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях платформы фотоприемников относительно корпуса устройства, имеющих соответствующие направляющие пазы, что обеспечивает осуществимость способа при смене цилиндрических роликов вместе с головной частью устройства на защелке под два разных вида ВС (одномодовые и многомодовые), а также для подстройки натяжения ВС за счет изменения силы упругости от его прогиба.

На фиг.1 показана схема устройства, обеспечивающего реализацию заявленного способа, на фиг.2 - укрупненная схема отвода части мощности оптического излучения из ВС.

На чертежах показаны: 1 - ВС, 2 - специальные пазы для вкладываемого ВС, 3 - зажимные пластины, 4 - головная часть, 5 - защелка головной части, 6 - ответная часть, 7 - основание, 8 - направляющий паз, 9 -цилиндрический ролик из плотного материала, 10 - ось вращения, 11 - платформа, на которой располагаются фотоприемники, 12 - фотоприемники, 13 - светоизолирующая перегородка, 14 - микролинзы, 15 - центр прогиба ВС относительно середины цилиндрического ролика, 16 - регулирующие винты, 17 - чувствительные площадки фотоприемников, блок обработки сигналов. Для иллюстрации способа представлено устройство (фиг.1): 1 - ВС, 2 - специальные пазы для вкладываемого ВС, 3 - зажимные пластины, 4 - головная часть, 5 - защелка головной части, 6 - ответная часть, 7 - основание, 8 - направляющий паз, 9 - цилиндрический ролик из плотного материала, 10 - ось вращения, 11 - платформа, на которой располагаются фотоприемники, 12 - фотоприемники, 13 - светоизолирующая перегородка, 14 - микролинзы, 15 - центр прогиба ВС относительно середины цилиндрического ролика, 16 - регулирующие винты, 17 чувствительные площадки фотоприемников, блок обработки сигналов.

Для более подробного представления процесса отвода оптического излучения из ВС, с указанием параметров и элементов оптической системы, представлена укрупненная схема (фиг.2): 1 - ВС, 9 - цилиндрический ролик из плотного материала, 12 - фотоприемники, 14 - микролинзы, 15 - центр прогиба ВС относительно середины цилиндрического ролика, 17 - чувствительные площадки фотоприемников.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно ВС 1 вкладывается в специальные пазы 2 и фиксируется зажимными пластинами 3, таким образом, чтобы при закрытии головной части устройства 4 на защелке 5 с ответной частью 6, расположенной на основании 7, оно располагалось в направляющем пазу 8 цилиндрического ролика 9 из плотного материала. Головная часть 4, имеющая возможность смены цилиндрических роликов 9, поворачивается на оси вращения 10 и защелкивается на основании 7, с помощью ответной части 6, с двумя, жестко закрепленными на платформе 11, фотоприемниками 12, разделенными светоизолирующей перегородкой 13, и интегрированными с микролинзами 14, размещенными с двух сторон от центра прогиба 15 ВС относительно середины цилиндрического ролика. Платформа регулируется двумя винтами с микрометрическим ходом 16, взаимно-перпендикулярно регулирующими расположение платформы относительно цилиндрического ролика по направляющим в ответных частях винтов. За счет такого закрепления, ВС изгибается вокруг цилиндрического ролика по направляющему пазу, а с двух сторон от центра его прогиба через боковую поверхность выходит оптическое излучение. Далее это излучение сводится фокусирующими микролинзами 14 на чувствительные площадки 17 каждого из фотоприемников 12. К выходам фотоприемников 12 коммутируется блок обработки сигналов. Этот блок предназначен для того, чтобы осуществлять вычитание сигналов для определения направления передачи информационной составляющей, отсеивать дробовые шумы, которые присутствуют в линии связи по умолчанию, а, по отношению сигналов фотоприемников - определять соотношение сигнал/шум. При смене ВС с одномодового на многомодовый или наоборот происходит смена головной части устройства 4 на защелке 5 с ответной частью 6 вместе с цилиндрическим роликом 9 с одного радиуса, например, 6 мм на другой, например, 8 мм, или наоборот.

Для достижения заданного радиуса изгиба ВС R, формула (1), обеспечивающего вывод части мощности оптического излучения из ВС, юстировки расстояний L от места выхода излучения из ВС до фотоприемников (фиг.2), и совмещения оптической оси микролинзы с фоточувствительной площадкой по отношению к направлению выхода излучения под углом осуществляется регулировка с помощью винтов с микрометрическим ходом. При таком прижатии платформы с фотоприемниками по направлению к цилиндрическому ролику ВС изгибается на угол, больший формула (2), за счет чего начинается возбуждение вытекающих мод и оптическое излучение начинает выходить за пределы оболочки ВС. Момент начала выхода необходимой части мощности оптического излучения из ВС фиксируется по возникновению дифференциального сигнала с устройства обработки сигналов. Этот момент соответствует началу фиксации информационного сигнала на фоне шума с выхода одного из фотоприемников.

Таким образом, с помощью предложенного способа может быть произведен доступ к оптическому излучению в ВС и, соответственно, его снятие на устройство обработки сигналов. Заявляемый способ отвода части мощности оптического излучения через боковую поверхность изогнутого ВС позволяет достичь минимальных мощностей оптического излучения, необходимых для отвода излучения из ВС, что достигается регулировкой натяжения ВС и точной юстировкой оптической системы фотоприемников с интегрированной фокусирующей микролинзой, упростить процедуру определения направления передачи сигналов и их уровня, а также унифицировать способ под одномодовые и многомодовые типы ВС.

Используемые источники

1. Патент Россия RU2601385 «Способ ввода-вывода излучения через боковую поверхность изогнутого оптического волокна» от 03.07.2015. Шубин В. В., Малых Ю.В.

2. Патент США US4950046 «Fiber optic coupler» от 21.08.1990 г.

3. Патент США US 4889403 «Distribution optical fiber tap» от 26.12.1989 г.

4. Денисов, И.В. Расчет параметров макроизгибного отвода оптического излучения из волоконных световодов / И.В. Денисов, Н.В. Лисовский и др. // Радиотехника. - 2021. - Т. 85. - №2. - С.18-26.

Изобретение относится к способам отвода части мощности оптического излучения через боковую поверхность изогнутого волоконного световода (ВС) и может быть использовано для вывода части оптического сигнала из ВС в волоконно-оптических линиях связи. Способ заключается в том, что на основании платформы с выемками под ВС размещают ВС, который прижимается специальным цилиндрическим роликом из упругого плотного материала с заданным радиусом и направляющим пазом. ВС фиксируется с входа и выхода устройства пластинами, которые обеспечивают устойчивость ВС, размещенного внутри конструкции. Под давлением цилиндрического ролика ВС изгибается вокруг него на заданный радиус для выхода оптического излучения через боковую поверхность ВС и поджимается регулировочными микровинтами через платформу к фокусирующим линзам, которые расположены на определенном расстоянии и определенных углах с двух сторон от центра прогиба ВС. Имеется возможность использовать сменные цилиндрические ролики разного диаметра для обеспечения разного радиуса изгиба ВС. Идентичные линзы, расположенные с двух сторон от центра прогиба ВС, находятся на фокусных расстояниях от чувствительных площадок одинаковых фотоприемников, которые преобразуют оптический сигнал в электрический, после чего происходит дальнейшая обработка полученных сигналов, причем по разнице оптической мощности определяется направление передачи, а по их отношению - отношение сигнал/шум. Технический результат - оптимизация вывода минимального уровня мощности оптического излучения, достаточного для регистрации информационного сигнала; уменьшение затрат материалов и унификация способа под различные типы ВС. 2 ил.

Способ отвода части мощности оптического излучения через боковую поверхность изогнутого волоконного световода, который обеспечивает формирование изгиба волоконного световода посредством сменных цилиндрических роликов, отличающихся разными диаметрами под одномодовые или многомодовые волоконные световоды, выполненных из упругого плотного материала, при этом каждый из роликов имеет направляющий паз, в котором размещается волоконный световод, фиксируемый на входе и выходе устройства специальными пластиковыми подпружиненными фиксаторами, после чего, путем прижатия волоконного световода сверху вниз цилиндрическим роликом, волоконный световод изгибается в воздухе по направляющему пазу вокруг ролика и поджимается к двум идентичным фоточувствительным элементам, светоизолированным друг от друга и интегрированным в единый корпус с короткофокусными линзами, каждая из которых располагается максимально близко с двух сторон от центра прогиба волоконного световода относительно середины цилиндрического ролика и имеет фокальную плоскость, перпендикулярную оптической оси оптического излучения, выводимого и фокусируемого на чувствительные поверхности соответствующих фотоприемников, причем зеркальное расположение фотоприемников с микролинзами относительно друг друга позволяет по большему уровню мощности оптического излучения, из отведенных в два фотоприемника, определить направление излучения, распространяемого в волоконном световоде, а по отношению сигналов с них - определить отношение сигнал/шум, при этом количество отводимого оптического излучения через боковую поверхность изогнутого волоконного световода может изменяться двумя регулировочными винтами.