УНИФИЦИРОВАННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА РАЗЪЕМНОГО СОЕДИНИТЕЛЯ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
UNIFIED OPTICAL SCHEME OF DETACHABLE FIBER OPTIC CONNECTOR FOR OPTICAL CONVERTER DEVELOPMENT

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам передачи оптических сигналов и, в частности, к разъемным волоконно-оптическим соединителям.
Проблема согласования волоконных световодов между собой представляет самостоятельный интерес [1-28]. На ранних этапах развития оптических линий связи соединения волоконных световодов исследовались для установления зависимости вносимых оптических потерь от различных видов рассогласований световодов между собой. В [1] отмечается, что в среднем в линии оптической связи может быть несколько десятков разъемных соединителей. Поэтому, важно знать величину вносимых оптических потерь, приходящихся на эти соединители, и учесть ее при определении допустимого динамического диапазона оптических потерь всей линии связи.
Усилия исследователей были направлены на установление влияния поперечных, продольных, угловых смещений осей стыкуемых световодов на возникающие в соединении оптические потери. В [2] приведена оптическая схема стыкуемых световодов.
В [3] приведены оптические схемы для поперечных и продольных рассогласований стыкуемых световодов и математические выражения для определения оптических потерь, вызванных этими рассогласованиями:
Вносимые оптические потери из-за продольного смещения осей соединяемых световодов определяются так:
Вносимые оптические потери из-за разности геометрических размеров соединяемых световодов определяются из выражения:
Вносимые оптические потери из-за разности показателей преломления сердечника световода и окружающей среды определяются из выражения:
Угловое рассогласование световодов из рассмотрения исключено по причине отсутствия такового в геометрических, математических и (как будет показано ниже) физических моделях оптических преобразователей.
Аналогичная картина наблюдается и при расчете вносимых оптических потерь в соединении волоконных световодов при наличии других видов рассогласований.
Таким образом, в известных оптических схемах и математических моделях представлены теоретические выражения для определения вносимых оптических потерь отдельно по каждому виду рассогласований в соответствующих оптических схемах соединения световодов. Очевидно, что эти схемы и соответствующие им математические модели можно считать существенным при решении задачи оценки общего динамического диапазона линии связи. Однако, для решения обратной задачи, состоящей в определении допусков на рассогласование соединяемых световодов по заданной величине вносимых потерь, желательно располагать достаточно строгим математическим аппаратом, отображающим одновременно, однозначно, всесторонние и в полном объеме зависимость величины оптических потерь от геометрических и диэлектрических параметров соединяемых световодов.
Целью изобретения является создание унифицированной оптической схемы разъемного соединителя волоконных световодов, являющейся основой для определения допусков на рассогласование соединяемых световодов по заданной величине оптических потерь в соединении световодов, определения конструктивных параметров устройств согласования и осуществления последовательных переходов к оптическим схемам оптических преобразователей линейных перемещений прерывательного и отражательного типов, оптических преобразователей давления, оптических сигнализаторов и индикаторов жидкости, при этом необходимо разработать обобщенную математическую модель соединения световодов, адекватно отражающую зависимость вносимых оптических потерь в соединении световодов при воздействии всех видов рассогласований для многомодовых и одномодовых световодов и одновременно являющуюся математической основой функции преобразования оптических преобразователей с амплитудной модуляцией интенсивности излучения (оптических преобразователей линейных перемещений прерывательного и отражательного типов, оптических преобразователей давления, оптических сигнализаторов и индикаторов жидкости).
Технический результат достигается тем, что
1) для известной оптической схемы разъемного соединителя волоконных световодов, включающей передающий и приемный световоды с геометрическими и оптическими параметрами, расположенные с продольным z и поперечным x рассогласованиями, создается новая обобщенная математическая модель соединения световодов, описывающая зависимость вносимых оптических потерь в соединении световодов одновременно при воздействии всех видов рассогласований, и позволяющая по заданной величине оптических потерь определять допустимые величины рассогласований световодов.
3
4
1
2
2) на основе известной оптической схемы разъемного соединителя волоконных световодов, содержащей передающий и приемный световоды с геометрическими и оптическими параметрами, расположенными с продольным z и поперечным x рассогласованиями, и полученной обобщенной математической модели соединения световодов создаются унифицированные оптическая схема и математическая модель соединения световодов, для чего в оптической схеме и математической модели приемный световод имеет постоянные геометрические (радиус сердечника световода - a, радиус поверхности торца световода - j) и оптические (показатель преломления сердечника – n, показатель преломления оболочки – n) параметры; передающий световод имеет переменные геометрические (радиус сердечника световода - r, ρ - радиус поверхности торца световода) и оптические (показатель преломления сердечника – n, показатель преломления оболочки – n, n - показатель преломления окружающей среды) параметры, изменение которых или изменение параметров z и x приводит к получению оптических схем преобразователей с амплитудной модуляцией интенсивности излучения:
- расположение торцов приемного и передающего световодов с одинаковыми геометрическими и оптическими параметрами на расстоянии z>0 с поперечным рассогласованием x>0 приводит к оптической схеме разъемного соединителя волоконных световодов, при этом функция преобразования к соединителя определяется из выражения:
- расположение торцов приемного и передающего световодов с одинаковыми геометрическими и оптическими параметрами на расстоянии z>0 без поперечного рассогласования (x=0) приводит к оптической схеме оптического прерывательного преобразователя линейных перемещений, при этом функция преобразования к определяется из выражения:
1
3
2
4
пр
пе
- расположение торцов приемного и передающего световодов с разными оптическими (n≠n, n≠n и NA≠NA) и геометрическими параметрами (r>a) без поперечного рассогласования (x=0) на расстоянии z>0 приводит к оптической схеме оптического отражательного преобразователя линейных перемещений, при этом функция преобразования к определяется из выражения:
- для приемо-передающего канала с двумя и более световодами
- для приемо-передающего канала с одним световодом;
1
3
2
4
пр
пе
- расположение торцов приемного и передающего световодов с разными оптическими (n≠n, n≠n, но NA=NA) и геометрическими параметрами (r>a, ρ>0, j>0, ρ>j) на расстоянии z>0:
1) без поперечного рассогласования (x=0) приводит к оптической схеме оптического отражательного преобразователя давления, при этом функция преобразования определяется из выражения:
- для приемо-передающего канала с двумя и более световодами.
2) с поперечным рассогласованием (x>0) приводит к оптической схеме оптического отражательного преобразователя давления, при этом функция преобразования к определяется из выражения:
- для приемо-передающего канала с одним световодом;
1
3
пр
пе
- расположение торцов приемного и передающего световодов с одинаковыми геометрическими и разными оптическими (n<n, NA≠NA) параметрами без поперечного рассогласования (x=0) на расстоянии z=0 приводит к оптической схеме волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости, при этом функция преобразования к определяется из выражения:
n - показатель преломления окружающей среды.
Выполним синтез новой обобщенной математической модели разъемного соединителя волоконных световодов для расчета допусков на совмещение световодов исходя из уровня заданных оптических потерь.
Оптическая схема соединителя отражает распространение излучения между двумя световодами с одинаковыми геометрическими и оптическими параметрами. Световоды в данной схеме расположены с продольным смещением z и поперечным смещением x (фиг.1)
1
2
3
4
Согласно схеме (фиг.1) световоды приемо-передающего канала расположены с произвольным зазором z между торцами. Поток излучения распространяется от торца передающего световода (радиус сердечника световода - r, показатель преломления сердечника – n, показатель преломления оболочки - n, ρ - радиус поверхности торца световода) на торец приемного световода (радиус сердечника световода - a, радиус поверхности торца световода -j, показатель преломления сердечника – n, показатель преломления оболочки – n), n - показатель преломления окружающей среды.
Предложенная оптическая схема физически соответствует процессу обмена потоком излучения между передающим и приемным световодами и позволяет перенести, при условии создания соответствующей математичкской модели, исследования в область определения допусков на совмещение световодов и параметров соединительного устройства, исходя из заданного уровня оптических потерь в соединении световодов и совершенной технологии производства световодов, которая исключает оптические потери из-за погрешностей изготовления световодов.
Получим обобщенную математическую модель этой оптической схемы.
Основой для вывода математической модели является теория оптических волноводов. Согласно этой теории вносимые оптические потери в месте соединения волоконных световодов определяются из выражения:
u
где P - величина оптической мощности на торце излучающего световода;
n
P - величина оптической мощности на торце приемного световода.
В то же время величина оптических потерь между торцами световодов равна сумме величин оптических потерь от каждого рассогласующего фактора:
где i - порядковый номер фактора рассогласования.
При этом полагаем:
- оптические потери при поперечном смещении световодов, которые возникают из-за децентровки X, вызванной конструкцией соединителя.
- оптические потери из-за продольного смещения световодов.
- оптические потери из-за разности диаметров совмещаемых световодов пучков, вызванных конструкций соединителя, и которая возникает из-за наличия зазора между торцами согласующих устройств при условии, что плоскости торцов световода и наконечника совпадают.
- оптические потери, вызванные i-ми факторами рассогласования световодов.
Тогда:
и
Отсюда
Для построения математических преобразований используются формулы, отражающие закономерности рассогласований при продольном смещении световодов, поперечном смещении осей световодов, разности диаметров световодов, отличии коэффициентов преломления сердечников световодов. Остальные факторы рассогласования важны, но они в меньшей степени влияют на конструкцию оптического преобразования.
n
u
1
2
3
4
На практике для подстановки в формулу P=P[K⋅K⋅K⋅K] используются математические выражения (1), (2), (3), (4) (для многомодовых световодов).
n
u
1
где x - поперечное смещение осей волоконных световодов, a - радиус сердечника приемного световода, a - радиус сердечника излучающего световода, n - показатель преломления окружающей среды, n - показатель преломления сердечника световода.
Для одномодовых световодов используют выражения:
n
где ω - эффективный радиус моды световода.
Практически значимым математическим отображением данной оптической схемы является выражение:
- для многомодовых световодов;
a - радиус сердечника приемного световода,
r - радиус сердечника излучающего (передающего) световода,
Z - продольное смещение световодов,
x - поперечное смещение осей волоконных световодов,
n - показатель преломления окружающей среды,
1
n - показатель преломления сердечника приемного световода.
NA - числовая апертура световодов, r=a+z⋅tgq, где sinq=NA;
и выражение
- для одномодовых световодов.
Оптические схемы и математические выражения для оптических преобразователей рассмотрены применительно к многомодовым световодам. При этом не вызывает сомнений, что структура оптической схемы и математических выражений для оптических преобразователей на основе одномодовых световодов аналогична структуре оптической схемы и математическим выражениям для оптических преобразователей на основе многомодовых световодов.
Рассмотренные оптическая схема (фиг.1) и математическая модель (24) или (25) связаны с построением оптических соединителей. Функция преобразования оптического соединителя представлена на фиг.2.
Полученные оптическая схема и соответствующая ей математическая модель соединителя обладают фундаментальнам свойством, которое состоит в том, что эти схема и модель позволяют примененить теорию оптических волноводов к исследованию оптических преобразователей с амплитудной модуляцией интенсивности излучения. Для этого выполним переход от обобщенной оптической схемы и математической модели к унифицированным оптической схеме и математической модели соединения световодов. Для этого достаточно считать параметры передающего световода и рассогласования между световодами переменными, а параметры приемного световода постоянными.
Полученные унифицированные оптическая схема и математическая модель соединения световодов обладают способностью преобразовываться в оптические схемы и соответствующие математические модели различных оптических преобразователей физических величин. Унифицированная оптическая схема соединения световодов отличается от обобщенной оптической схемы соединения световодов (это же касается и соответствующих математических моделей) тем, что в обобщенной схеме параметр r принимает любое фиксированное значение (являются переменной величиной в смысле возможности принятия сколь угодно большого количества дискретных значений радиуса), а в унифицированной схеме параметр r является аналоговой функцией радиуса сердечника а приемного световода, расстояния z и числовой авпертуры NA и является истинно непрерывной величиной и выражается зависимостью: r=a+z⋅tgq, где sinq=NA;
1
2
3
4
Унифицированная оптическая схема и математическая модель соединителя при z>0, r=a, x=0, ρ=0, j=0 (n, n, n, a, n, n - соответствущие значения) преобразуется в оптическую схему и математическую модель преобразователя линейных перемещений прерывательного типа. Оптическая схема преобразователя линейных перемещений прерывательного типа с изображением объекта контроля представлена на фиг.3. Математическая модель преобразователя линейных перемещений прерывательного типа соответствует математической модели соединения световодов и выражается формулой (26):
Функция преобразования преобразователя линейных перемещений прерывательного типа представлена на фиг.4.
1
2
3
4
Унифицированная оптическая схема и математическая модель соединителя при z>0 x=0 или x>0 r>a ρ=0, j=0 (n, n, n, a, n, n - соответствующие значения) преобразуется в оптическую схему и математическую модель преобразователя линейных перемещений отражательного типа. Оптическая схема преобразователя линейных перемещений отражательного типа с изображением объекта контроля изображена на фиг.5.
Математическая модель преобразователя линейных перемещений отражательного типа выражается формулой (27) для приемо-передающего канала с одним световодом:
и формулой (28) - для приемо-передающего канала с двумя и более световодами:
Функция преобразования преобразователя линейных перемещений отражательного типа для приемо-передающего канала с одним световодом представлена на фиг.6.
Функция преобразования преобразователя линейных перемещений отражательного типа для приемо-передающего канала с двумя и более световодами представлена на фиг.7.
Унифицированная оптическая схема и математическая модель соединителя при z>0 x=0 или x>0 r>a ρ>0 ρ>0, j>0, ρ>j преобразуются в оптическую схему и математическую модель преобразователя давления. Оптическая схема преобразователя давления с изображением мембраны датчика представлена на фиг.8. Математическая модель преобразователя давления выражается формулой (29) для приемо-передающего канала с одним световодом:
И формулой (30) - для приемо-передающего канала с двумя и более световодами:
Функция преобразования преобразователя давления для приемопередающего канала с одним световодом представлена на фиг.6.
Функция преобразования преобразователя давления для приемопередающего канала с двумя и более световодами представлена на фиг.7.
Коэффициенты M и Л отражают глубокие физические различия в работе преобразователя линейных перемещений отражательного типа и преобразователя давления. Коэффициент Л отвечает только за отражение мембраны. Коэффициент M учитывает отражение, рассеяние, поглощение и форму поверхности объекта контроля.
1
4
Унифицированная оптическая схема и математическая модель соединителя при z>0, x=0, 0<n<n, ρ=0, r=a преобразуется в оптическую схему и математическую модель преобразователя уровня жидкости. Оптическая схема преобразователя уровня жидкости с изображением объекта контроля представлена на фиг.9. Математическая модель преобразователя давления выражается формулой (31). Функция преобразования преобразователя уровня жидкости представлена на фиг.10.
Практическая реализация оптических преобразователей с амплитудной модуляцией интенсивности излучения осуществлена на основе разъемного оптического соединителя, являющегося общим элементом построения преобразователей. На базе разъемного оптического соединителя осуществлена унификация оптических преобразователей с амплитудной модуляцией интенсивности излучения и реализованы универсальные преобразователи давлений, быстродействующие сигнализаторы уровня и индикаторы вида жидкости для взрывоопасных и агрессивных сред, датчики линейных перемещений отражательного и прерывательного типов.
В 1999 году по инициативе Ассоциации энергоменеджеров выполнены работы по разработке и созданию волоконно-оптических уровнемеров для непрерывного измерения уровня жидкости в промышленных резервуарах (схема на фиг.8). Уровнемер используется в автономном режиме с отображением измерительной информации на дисплее в цифровом и мнемоническом виде. Опыт эксплуатации уровнемера Центром энергетической эффективности в составе автоматизированной системы учета энергоносителей показал его преимущества перед традиционными датчиками по надежности, взрывобезопасности, устойчивости к воздействию внешних электромагнитных помех, точности измерений и массогабаритным показателям.
Датчики линейных перемещений отражательного и прерывательного типов (схема на фиг.5 и на фиг.3 соответственно) используются на конвейерных линиях для контроля наличия деталей в автомобильной и химической промышленности.
Быстродействующие сигнализаторы уровня и индикаторы вида жидкости (схема на фиг.9) применены на железнодорожном и автомобильном транспорте.
Используемые источники информации
1. Gloge D. Optical Power Flow in Multimode Fiber. //Bell Syst. Techn. J. - 1972. - Vol.51, №8. - P.1767-1783.
2. Волоконно-оптическая техника: Современное состояние и перспективы.-2-е изд., перераб. и доп./ Сб. статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. - М.: ООО «Волоконно-оптическая техника», 2005. - 576 с. (стр.298, стр.300)
3. Семенов Н.А. Оптические кабели связи. М.: Радио и связь. 1981. с.152.
4. Патент №2054622 РФ, 24.10.90 г., Опубл. 05.11.1993 г, Бюл. №11 «Устройство высокоточной юстировки элементов оптического соединителя», Григорьев В.А., Титов И.В.
5. Патент №2110819 РФ, 4.03.1997 г., Опубл. 10.05.98 г., Бюл. №13 «Способ изготовления волоконно-оптического штеккера» (5 вариантов), Григорьев В.А., Кравченко В.А.
6. Патент №2152061 РФ, 23.12.1996 г., Опубл. 27.06.2000 г., Бюл. №18 «Способ изготовления волоконно-оптического соединителя» (6 вариантов), Григорьев В.А., Кравченко В.А.
7. Патент №217 3474 РФ, 31.10.1997 г., Опубл. 09.10.2001 г., Бюл. №6 «Способ изготовления соединителя волоконно-оптических кабелей» (3 варианта), Григорьев В.А., Кравченко В.А.
8. Патент №2178902 РФ, 27.08.1998 г., Опубл. 27.01.2002 г., Бюл. №3 «Устройство ввода/вывода оптического излучения в волоконный световод», Григорьев В.А.
9. Патент №2184945 РФ, 31.10.2000 г., Опубл. 16.07.2002 г., Бюл. №6 «Термостабильный волоконно-оптический датчик давления», Григорьев В.А., Останин А.В., Татаровский В.М., Ваганов В.И.
10. Положительное решение о выдаче патента по заявки на изобретение №99106528/28, 8.04.1999 г., Опубл. Бюл. №3, 2000 г., «Датчик давления гидростатического измерителя уровня жидкости в резервуаре», Григорьев В.А., Шокин А.А., Бернер М.С., Алексеенко В.И., Ручкина В.Н., Попов В.И., Попов А.Г.
11. Патент №2245968 РФ, 31.08.2003 г., Опубл. 10.02.2005, Бюл. №4, 2000 г., «Водосмесительный кран с бесконтактным дистанционным управлением», Григорьев В.А., Зайцев Ю.Д., Ваганов В.И., Останин А.В., Татаровский В.М.
12. Патент №2327959 РФ 31.07.2007 г., Опубл. 10.04.2008, Бюл. №5 «Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости», Григорьев В.А., Пименов М.Г., Сучкова Е.В.
13. Патент №2042158 06.09.93 г. «Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика», Алексеенко В.И., Григорьев В.А., Белкин С.Е., Бернер М.С.
14. Теумин И.И. Волноводы оптической связи. - М. “Связь”, 1978 г.
15. Бутусов. М.М., Галкин СЛ., Оробинский СП., Пал Б.П. Волоконная оптика и приборостроение. Под общ. ред. Бутусова М.М. Л.: Машиностроение. Ленинград. Отд-ние, 1987.
16. Казангапов А.Н., Патлах А.Л., Вильше Р., Швотцер Г. Волоконная оптика в измерительной и вычислительной технике. Алма-Ата.: Наука. 1989. с.385.
17. Gloge D. Optical Power Flow in Multimode Fiber. //Bell Syst. Techn. L - 1972. - Vol.51, №8. - P.1767-1783.
18. Гусев Ю.М., Кузнецов В.ф., Оробинский СП. Устройство согласования «светодиод - волоконно-оптический кабель»//Техника средств связи. Сер. Техника проводной связи. 1980. Вып.12. С.91-94.
19. Далглейш Д. Неразъемные соединения, разъемы и распределители мощности для применения в полевых условиях//Тр. ин-та инж. По электронике и радиотехнике./ Пер. с англ. 1980. Т.68 №10. С.68-75.
20. Маковец Г.К., Покровский В.Р. Некоторые вопросы создания оптических разъемов//Радиотехника, 1982.. Т. 27. №2. С.50-52.
21. Оробинский С.П., Миронов С.А., Гусев Ю.М. Двухконтактный оптический соединитель// Техника средств связи. Сер. Техника проводной связи. 1982. Вып.3 (6). С.100-102.
22. Основы волоконно-оптической связи/Пер с англ.; Под ред. М.Барноски. М.: Сов. Радио,1980. 271 с.
23. Ватутин В.М., Вагин А.И. Волоконно-оптические системы в технике физического эксперимента. Принципы работы и компоненты // ПТЭ.1989. №1. С.7-36.
24. Ludolf W.S. Verluste In LichbNellenleftert und opttischen steckverbin- dern // Feinwerktechnik & Messtechnik. 1988. V.96, N 1-2. P.31-32.
25. Wagner R.E., Sandahi C.R. Interference effect in optical connections // Applied Optics. 1982. V.21, N 15. P.1381-1385.
26. A.c. 1451632 СССР. Оптическая система устройства стыковки световодов.
27. А.с.1317387 СССР. Вращающийся оптический соединитель / Е.Н.Белопотапова, В.Ф.Фаловский, А.И.Зейфс.
28. А.с. 1451631 СССР. Волоконно-оптический вращающийся соединитель. / Л.Б.Левкович.