ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОПОЛИМЕРИЗУЮЩЕЙСЯ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ КОННЕКТИРОВАНИЯ СВЕТОВОДОВ, СПОСОБ КОННЕКТИРОВАНИЯ СВЕТОВОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
USING PHOTOPOLYMERISABLE COMPOSITIONS TO CONNECT LIGHT GUIDES, METHOD OF CONNECTING LIGHT GUIDES AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к волоконной оптике и касается применения фотополимеризующейся композиции для коннектирования светодов с сердцевиной, имеющей больший показатель преломления. Изобретение также касается разработки способа коннектирования светодов с использованием фотополимеризующейся композиции и устройства для осуществления этого способа.
Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) - это вид коммуникационной системы, в которой информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно" или "световод". Волоконно-оптическая сеть - это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи. При монтаже оптических каналов связи приходится сталкиваться с проблемой непосредственного соединения световодов, поскольку технологическая длина оптического волокна обычно не превышает нескольких километров. Реальная протяженность линий связи имеет длину, в десятки - сотни раз большую. В оптическом кабеле могут возникать повреждения волокна под воздействием агрессивных факторов окружающей среды или в результате жизнедеятельности грызунов. В этом случае замена всего технологического отрезка кабеля нецелесообразна. Рациональным является восстановление поврежденного световода в локальной точке. Однако коннектирование волокон в полевых условиях является достаточно сложной задачей. К соединению световодов предъявляются повышенные требования, которые должны обеспечить надежность самого соединения, а значит, всей системы в целом. Немаловажно, чтобы данное соединение было легко в исполнении и доступно по стоимости.
На сегодняшний день в основном применяют 2 способа соединения оптических волокон: разъемные и неразъемные. В зависимости от требований к качеству, надежности, мобильности неразъемные соединения отдельных световодов получают тремя методами - склеивания, сварки и с помощью механических соединителей.
При склеивании волокон поперечная однородность (по показателю преломления) образующегося клеевого слоя приводит к необходимости обеспечения тонкого зазора между тщательно подготовленными торцами стыкуемых световодов и их прецизионного позиционирования. Процедура установки коннектора по клеевой технологии содержит порядка двух десятков технологических операций и в общих чертах состоит из подготовки оптического волокна, фиксации световода внутри коннектора клеевым составом, удалении излишков волокна, шлифовки и полировки. Необходимость тщательного выполнения указанных процедур связана с тем, что однородная по показателю преломления вставка в градиентное оптоволокно может существенно изменить модовый состав распространяющегося в нем излучения и привести к энергетическим потерям.
Аналогичные дефекты волноведущего канала возникают и при сварке световодов. Упомянутый метод является основным при создании разветвителей и сумматоров излучения (см., например, патенты РФ №№2046383, опубл. 20.10.1995 г., 2104569, опубл. 10.02.1998 г.). Сварка оптических волокон основана на расплавлении световодов электрической дугой, с последующим их соединением. Для выполнения этой операции применяют специальные сварочные аппараты. Главное их отличие заключается в применяемых методах точного совмещения свариваемых волокон. Несмотря на то что сварка является наиболее качественным из неразъемных соединений волокон, для ее осуществления требуется дорогостоящее оборудование и высококвалифицированный персонал (см., например, патент РФ №2056061, опубл. 10.03.1996 г.).
В настоящее время широкое распространение получил механический способ соединения световодов с помощью так называемых сплайсов (от английского splice, см., например, патент РФ №2182345, опубл. 21.02.1997 г.). Простейший сплайс представляет собой вытянутую конструкцию с каналом для ввода сращиваемых световодов. Волокна подаются с противоположных концов. Сам канал может содержать гель для заполнения зазоров между световодами. После соприкосновения волокон обычно дополнительно производят их механическую фиксацию за счет различных защелок. Затухание сигнала, вносимое в подобных соединениях, больше, нежели при сварке, однако меньше, чем при соединении с помощью обычных оптических коннекторов. Кроме того, в отличие от сварных сращиваний, сплайсы допускают многократное применение и не требуют большого жизненного пространства для выполнения операции, что важно при работе внутри малогабаритных конструкций. В целом, вносимые сплайсом потери составляют не более 0.2 дБ.
Но достижение подобных показателей качества возможно лишь при применении специального инструмента для изготовления высококачественных сколов световодов и прецизионной полировки торцов световодов. Все вышеупомянутые методы соединения световодов принципиально нарушают градиент поперечного распределения показателя преломления в месте стыковки оптических волокон. Кроме того, они являются трудоемкими, длительными во времени, требуют высокоточного и дорогого оборудования, высококвалифицированного персонала.
Предлагаемый способ решения задачи коннектирования световодов позволяет формировать полимерный коннектор с градиентным профилем распределения показателя преломления, согласованным с оптическим со световодом под действием светового излучения, выходящего из торцов стыкуемых световодов в процессе фотополимеризации.
Известна фотополимеризующаяся композиция, включающая полимеризационно-способный компонент, например мономер или смесь мономеров, орто-хиноны и восстанавливающий агент, например амин), которая используется для получения копий рельефных прецизионных оптических поверхностей типа микрорастворов, рельефно-фазовых голограмм, линз Френеля, кодовых дисков, выполненных на светочувствительных материалах, а также для получения различных декоративных материалов с цветовыми и световыми эффектами (см. патент РФ №2138070, МКИ G03H 1/20. опубл, 20.09.1999 г., бюл. №26).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является достижение более высоких показателей по качеству за счет того, что исключается нарушение геометрии световода в месте стыка как, например, при сварке, за счет формирования поперечного градиента показателя преломления ядра и оболочки световода в месте стыка. При этом одновременно решается задача упрощения, ускорения и удешевления способа коннектирования световодов за счет снижения количества операций, например шлифовки торцов световодов и их точного продольного позиционирования, а также за счет исключения необходимости использования высокоточного и дорогого оборудования.
Эта задача решается за счет того, что для оптического формирования коннектирующих элементов световым потоком, распространяющимся из торцов стандартных световодов, использована фотополимеризующаяся композиция, включающая полимеризационно-способный компонент, например мономер или смесь мономеров, орто-хиноны и восстанавливающий агент, например амин, при следующем соотношении компонентов, вес.ч.: полимеризационно-способный компонент - 100, орто-хиноны - 0,005-0,1, восстанавливающий агент - 0,5-10,0.
В качестве ортохинонов композиция может содержать ортобензохиноны формулы:
1
1
4
2
2
3
3
4
4
1
4
2
где R=Н, alkyl С-С, Ph; R=Н, Me, MeO, Ph, F, Cl, Br, NO; R=H, alkyl C-C, MeO, Ph, F, Cl, Br; R=H, alkyl C-C, Cl, Br, NO.
В качестве ортобензохинонов композиция может содержать ортобензохинон формулы:
1
2
3
4
где R=Н, t - Bu; R=Н, MeO; R=H, MeO; R=H, t - Bu.
В качестве ортохинона композиция может содержать оксантренхинон формулы
и производное тетрагидронафтохинона формулы:
Композиция может дополнительно содержать инициатор термополимеризации, инертный по отношению к восстанавливающему агенту, в количестве от 0,2 до 10,0 вес.ч.
Композиция может дополнительно содержать полимерные добавки, например полиметилметакрилат, дакрил, поливинилхлорид, в количестве 1,0-50 вес.ч.
Эта задача решается также за счет того, что разработан способ коннектирования световодов, согласно которому концы световодов вводят в реактор, заполненный жидкой фотополимеризующейся композицией, состав которой приведен выше, ориентируют световоды напротив друг друга и фиксируют их стыкуемые торцы на произвольном расстоянии, не превышающем зону геометрической оптики для инициирующих пучков, выходящих из соединяемых торцов световодов, после чего в противоположные торцы световодов вводят инициирующее монохроматическое излучение видимого диапазона спектра длиной волны не более 650 нм (предпочтительно 500-650 нм) и проводят облучение композиции в зазоре между стыкуемыми концами световодов в течение времени, необходимого для формирования неоднородного по показателю преломления коннектора.
В предпочтительном варианте в случае коннектирования стандартных световодов диаметром сердцевины 10 мкм стыкуемые торцы световодов ориентируют напротив друг друга, при этом не требуется прецизионного соприкосновения торцов друг к другу, а расстояние между ними может достигать 200 мкм.
Эта задача решается также за счет того, что разработано устройство для коннектирования световодов, содержащее реактор, обеспечивающий поперечное самопозиционирование торцов стыкуемых световодов и заполненный жидкой фотополимеризующейся композицией, состав которой приведен выше, в котором размещены коннектируемые торцы световодов, два лазерных источника видимого диапазона с длиной волны не более 650 нм, излучения которых инициируют полимеризацию композиции в зазоре между световодами, и систему, задающую время облучения и контроля качества коннектора, которая включает в себя источник лазерного излучения с длиной волны более 650 нм, фотоприемник контролирующего излучения, а также оптическую систему одновременного ввода инициирующего и контролирующего излучения в один из соединяемых световодов, расположенную на конце этого световода, и оптическую систему одновременного ввода инициирующего излучения и вывода контролирующего излучения, расположенную на конце второго световода.
В предпочтительном варианте для реализации режима самопозиционирования торцов соединяемых световодов и, соответственно, упрощения технологии коннектирования реактор выполнен в виде трубчатого капилляра с внутренним диаметром, позволяюшим вводить в него стыкуемые световоды без осевого смещения. В случае использования реактора, геометрия которого не обеспечивает самопозиционирования стыкуемых световодов, необходимо использовать дополнительное устройство для их позиционирования.
В предпочтительном варианте в качестве оптических систем одновременного ввода инициирующего и контролирующего излучения и одновременного ввода инициирующего и вывода контролирующего излучения могут быть использованы открытые оптические системы, состоящие из микролинз и полупрозрачных зеркал, или оптоволоконные разветвители.
В предпочтительном варианте для минимизации световых потерь длина волны контролирующего излучения лазера должна совпадать с длиной волны излучения, на котором в дальнейшем будет работать состыкованная оптоволоконная линия. Это необходимо для того, чтобы точно определить время формирования коннектирующего канала именно для рабочей длины волны.
В качестве оптических систем одновременного ввода инициирующего и контролирующего излучения и одновременного ввода инициирующего и вывода контролирующего излучения могут быть использованы открытые оптические системы, состоящие из микролинз и полупрозрачных зеркал, или оптоволоконные разветвители.
Фотоприемник может состоять из фотодиода, входное окно которого, для исключения попадания инициирующего излучения, закрыто светофильтром, пропускающим только контролирующее излучение длиной волны больше 650 нм.
Данная система контроля и алгоритмы ее работы позволяют автоматически задавать время облучения композиции.
Новизной заявляемого изобретения является выявленное опытным путем свойство известной композиции реализовывать режимы самоформирования тонких оптических пучков, исходно обладающих существенной дифракционной расходимостью и формирования светом неуширяющихся полимерных волноведущих структур. Это свойство обеспечивает возможность соединять световоды в слое фотополимеризующейся композиции излучением видимого диапазона, которое вводят в соединяемые световоды. При этом в соединительном элементе происходит оптическое формирование показателя преломления градиентного по радиусу профиля. Соединительным элементом является полимерный коннектор, представляющий собой полимерную структуру, которая имеет больший показатель преломления в сердцевине волноведущего канала и меньший на его периферии. Такая структура получена с использованием известной композиции.
Глубина полимеризации фотополимеризующейся композиции, а следовательно, и ее показатель преломления определяются дозой воздействующего оптического излучения. Опытным путем было установлено, что оптимальным является введение в противоположные торцы световодов инициирующего излучения лазера в видимом диапазоне спектра с длиной волны менее 650 нм. При длине волны инициирующего излучения больше 650 нм полимеризация не идет. В предпочтительном варианте это значение составляет 500-600 нм для максимальной скорости фотополимеризации и, соответственно, формирования коннектора с сердцевиной, имеющей больший показатель преломления по сравнению с периферийной областью коннектора.
Для определения времени формирования коннектора в торец одного световода одновременно с инициирующим излучением вводят контролирующее излучение лазера с длиной волны более 650 нм, экспонирование фотополимеризующейся композиции ведут до достижения максимальной интенсивности прошедшего через соединение контролирующего излучения лазера, свидетельствующей об образовании стабильного к рабочему излучению коннектора.
Для образования эффективного коннектора длина волны контролирующего излучения лазера должна совпадать с длиной волны излучения, на котором в дальнейшем будет работать состыкованная оптоволоконная линия.
По источникам информации, включая патентную и научно-техническую литературу, авторами заявляемого изобретения не было найдено использования фотополимеризующиейся композиции для коннектирования световодов.
Известен способ использования фотополимеризующиейся композиции в оптоволоконных системах для формирования микролинз на торцах оптических волокон (см. патент РФ №2312381, МКИ G02B 6/26. опубл. 10.02.2005 г.). В упомянутом источнике описан способ согласования оптических волокон с источниками и приемниками излучения за счет фокусировки такими линзами излучения в области торцов световодов.
Пример
Состав известной фотополимеризующиейся композиции, описанный в патенте РФ №2138070.
Согласно упомянутому патенту композицию готовят растворением 0,02 вес.ч. 3,6-ди-трет-бутил-бензохинона-1,2 в 100 вес.ч. очищенного от ингибитора α,ω-метакрил-(бисэтиленгликоль)-фталата с последующим добавлением и тщательным перемешиванием 1 вес.ч. диметилэтаноламина. Готовую композицию после отстаивания пузырьков воздуха заливают в трубчатый реактор с внутренним диаметром, равным толщине стыкуемых волокон. С конца волокна стандартным устройством снимается участок защитной оболочки. Скалывают участок волокна, оставив свободный от защитной оболочки конец волокна длиной, приблизительно равной половине длины реактора. То же делается с другим соединяемым волокном. Волокна фиксируют в трубке снаружи зажимами. В противоположные торцы световодов вводят излучение полупроводниковых лазеров с длиной волны 630 нм, при этом в торец одного световода одновременно с инициирующим излучением вводят контролирующее излучение лазера с длиной волны 1500 нм. Экспонирование ведут до достижения максимальной интенсивности контролирующего излучения лазера, свидетельствующей об образовании эффективного коннектора. В соответствии с показаниями системы контроля вносимые полимерным коннектором потери не превышают 0,2 дБ.
На фиг.1 изображено устройство для коннектирования световодов. Устройство содержит реактор 1, заполненный жидкой фотополимеризующейся композицией, в котором размещены коннектируемые световоды 2 и 3, два источника инициирующего излучения лазера 4 и 5, систему контроля, которая включает в себя источник лазерного излучения 6 и фотоприемник 7, который состоит из фотодиода 7а и светофильтра 7б, пропускающего только контролирующее излучение, а также оптическую систему 8 одновременного ввода инициирующего и контролирующего излучения в один из соединяемых световодов и оптическую систему 9 одновременного ввода инициирующего и вывода контролирующего излучения, расположенную на конце второго световода. Источники инициирующего излучения 4 и контролирующего излучения 6 встроены в оптическую систему 8, которая расположена на конце световода 2. Как было упомянуто выше, на конце световода 3 расположена оптическая система 9. Как было отмечено выше, 8 и 9 - открытые оптические системы, каждая из которых состоит из микролинз 8а и 9а соответственно и полупрозрачных зеркал 8б и 9б соответственно.
Устройство работает следующим образом. Реактор 1, выполненный в виде трубчатого капилляра, заполняют жидкой фотополимеризующейся композицией и размещают в нем стыкуемые концы волокна 2 и 3 соответственно. Источники инициирующего излучения лазера 4 и 5, встроенные в оптические системы 8 и 9, располагают на противоположных концах соединяемых световодов 2 и 3 соответственно. Излучением упомянутых лазеров одновременно инициируют полимеризацию композиции в зазоре между световодами. Также одновременно с лазерами 4 и 5 включают источник контролирующего излучения 6, расположенный на конце световода 2, интенсивность излучения которого регистрируют фотоприемником 7, расположенным на нестыкуемом конце световода 3.
Инициирующее излучение, выходящее из лазеров 4 и 5, проходит сквозь полупроницаемые зеркала 8б и 9б, фокусируется с помощью микролинз 8а и 9а на торцах нестыкуемых концов световодов 2 и 3, проходит сквозь упомянутые световоды и попадает в реактор с фотополимеризующейся композицией. Под его воздействием в зазоре между стыкуемыми световодами формируется полимерный коннектор 10. Одновременно с этим контролирующее излучение, выходящее из лазера 6, отражается от поверхности полупрозрачного зеркала 8б, фокусируется микролинзой 8а на торце нестыкуемого конца световода 2, проходит сквозь световод 2, формирующийся коннектор 10, световод 3, микролинзу 9а и, отражаясь полупрозрачным зеркалом 9б, попадает в фотоприемник 7. Для исключения попадания инициирующего излучения на фотодиод 7а его входное окно закрыто светофильтром 7б, пропускающим только контролирующее излучение длиной волны больше 650 нм. Достижение максимума величины контролирующего излучения, измеряемого фотоприемником, свидетельствует о формировании коннектора, после чего выключают источники инициирующего излучения 4 и 5.
На фиг.2 изображен реактор 1 с фотополимеризующейся композицией, в котором размещены концы коннектируемых световодов 2 и 3 и сформированный или формирующийся полимерный коннектор 10.
Вносимые полимерным коннектором потери не превышают 0,2 дБ.
В заявляемом изобретении показано использование фотополимеризующейся композиции для оптического формирования коннектирующих элементов световым потоком, распространяющимся из торцов стандартных световодов.
Разработан способ коннектирования световодов, согласно которому происходит формирование волноведущих структур под воздействием светового излучения, выходящего из концов световода, и в процессе фотополимеризации образующего градиентный профиль распределения показателя преломления, согласованный со световодом. Глубина полимеризации композиции, а следовательно, и ее показатель преломления определяются дозой воздействующего оптического излучения.
Разработано устройство для коннектирования световодов, которое обеспечивает позиционирование торцов световодов в объеме фотополимеризующейся композиции, экспонирование композиции излучением, выходящим из торцов световодов, и контроль качества формирующегося коннектора и, соответственно, задание времени облучения композиции.