ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СОЕДИНИТЕЛЬ
FIBRO-OPTICAL CONNECTOR

Изобретение относится к области техники волоконно-оптических систем передачи, в частности к волоконно-оптическим соединителям (ВОС), реализуемым с использованием нанотехнологий.
Известны оптические соединители (ОС) контактного типа, в которых минимум потерь мощности в соединителях достигается за счет увеличения плотности прилегания соединяемых оптических волокон (ОВ) друг к другу по всей поверхности торцов ОВ.
Известно устройство для соединения световодов (см. патент США №5857045, МПК G02B 6/38, опубл. 20.05.1997 г.).
Известное устройство включает: гнездо, состоящее из первого тела заранее определенной длины, снабженное канавками, прорезанными по длине через центр контактной поверхности, и второго тела аналогичного первому, расширяющие элементы для разделения первого и второго тел и обеспечивающие ввод световодов в прорезанные канавки и средства изгиба, расширяющие внешнюю поверхность гнезда розетки, которая надежно удерживает первое и второе тела вместе и обеспечивает необходимую силу фиксации.
Недостаток данного устройства для соединения световодов - относительно высокий уровень потерь в соединителе.
Известен также соединитель для оптического волокна с отделяющейся системой (см. патент США №5067783, МПК G02B 6/36 от 16.10.1990 г.).
Известный соединитель оптических волокон содержит две собранных втулки, по крайней мере, одна из них содержит фиксирующий ключ. Соединитель снабжен отдельным блоком, содержащим трубчатую часть, снабженную продольным шпоночным пазом и фиксатором.
Недостатком данного соединителя световодов является относительно высокий уровень потерь в месте соединения световодов.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному волоконно-оптическому соединителю является волоконно-оптический соединитель возвратно-поступательного действия (см. патент РФ №2126545, МПК G02B 6/38).
Волоконно-оптический соединитель-прототип содержит каркас, первую и вторую полумуфты для заделки в них соответственно первого и второго отрезков оптического волокна и фиксатор. Фиксатор выполнен в виде двух гибких рычагов защелки, прикрепленных к наружной поверхности полумуфт. Отсоединение соединителя от розеточной части производится оттягиванием полумуфт, в результате чего скошенные поверхности каркаса взаимодействуют с рычагами защелки, поднимая их и освобождая от язычков розеточной части.
Недостатком известного волоконно-оптического соединителя является относительно высокий уровень потерь мощности сигнала, обусловленной неустойчивостью соединения. Кроме того, изменение сопротивления контактного перехода из-за неплотного прилегания торцов ОВ приводит к искажению сигнала.
Целью изобретения является разработка волоконно-оптического соединителя, обеспечивающего снижение уровня потерь мощности в месте соединения в заданном диапазоне длин волн для широкого класса волоконно-оптических соединителей при реализуемых на практике технологиях достижения требуемых показателей преломления. Заявленное устройство расширяет арсенал средств данного назначения.
11
12
21
22
11i
12j
21k
22t
11
21
21
22
11
12
21
22
0
Поставленная цель достигается тем, что в известном волоконно-оптическом соединителе, содержащем первую и вторую полумуфты для заделки в них первого и второго отрезков оптического волокна и фиксатор, скрепляющий первую и вторую полумуфты, в раскрыв каждой полумуфты установлена заглушка, конгруэнтная раскрыву полумуфты. Каждая полумуфта снабжена направляющими элементами и отверстием для оптического волокна. Дополнительно на торцах первого и второго отрезков оптических волокон установлены каскадно-соединенные первая пара повышающего и понижающего и вторая пара повышающего и понижающего оптических многослойных трансформаторов. Число слоев понижающего и повышающего трансформаторов первой пары выбраны N и N, а число слоев понижающего и повышающего трансформаторов второй пары выбраны N и N. Слои первой и второй пар ОМСТ выполнены из материалов с отличающимися показателями преломления n, n и n, n, где i=1, 2, …N, j=1, 2, …N номера слоев в понижающем и повышающем трансформаторах первой пары ОМСТ, а k=1, 2, …N и t=1, 2, …Nномера слоев в понижающем и повышающем трансформаторах второй пары ОМСТ, слои отсчитывают от внешних слоев понижающих трансформаторов первой и второй пар ОМСТ в направлении к торцам первого и второго соединяемых отрезков оптического волокна, a N=N и N=N. Толщина каждого слоя составляет четверть средней волны λ сигнала, передаваемого по оптическому волокну, т.е. равна:
11
12
21
22
Число слоев N, N, N и N выбрано из условий:
ов1
oв2
1
2
1
2
1
2
где n и n - показатели преломления оптических волокон первого и второго соединяемых отрезков оптического волокна, Δa и Δа - предварительно заданные значения рабочего затухания в первой и второй парах ОМСТ. Дополнительно на удалениях f и f от внешнего слоя каждого из многослойных трансформаторов установлены плосковыпуклые диэлектрические линзы, причем удаления f и f равны расстоянию от фокуса линзы до ее вершины, т.е. от F1 (F2) до вершины линзы Q1 (Q2). Показатели преломления линз выбраны из условий:
min1
min2
0
где n и n - предварительно заданные минимально допустимые значения реализуемых показателей преломления первых слоев первой и второй пар ОМСТ. Причем, в собранном виде соединителя между поверхностями диэлектрических линз установлен воздушный зазор Δ в интервале Δ=(1…2000)λ.
Фиксатор соединителя выполнен в виде первого и второго цилиндров, установленных на внешней поверхности первой и второй полумуфт. Цилиндры снабжены резьбовым соединением.
11i
12j
21k
22t
Показатели преломления i-го, j-го и k-го, t-го слоев понижающего nи повышающего n трансформаторов, принадлежащих первой паре оптических многослойных трансформаторов, и понижающего nи повышающего n трансформаторов, принадлежащих второй паре оптических многослойных трансформаторов, вычисляют по формулам:
где  и  - характеристические показатели преломления в первой и во второй парах ОМСТ в точках соединения их понижающих и повышающих ОМСТ,  и  - характеристические показатели преломления первой и второй пар ОМСТ в сечениях, совпадающих с плоскостями первых слоев понижающих оптических трансформаторов и воздушных зазоров, расположенных между первыми слоями понижающих оптических трансформаторов и диэлектрическими линзами.
1
2
Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков обеспечивается плавное согласование волновых сопротивлений соединяемых отрезков оптического кабеля путем последовательной повышающей и понижающей трансформации показателей преломления оптических волокон до значения показателя преломления воздуха при использовании материалов слоев с практически реализуемыми значениями показателей преломления. Что позволяет обеспечить согласованное бесконтактное соединение оптических волокон. А применение диэлектрических линз, установленных на удалениях f и f от внешнего слоя каждого понижающего трансформатора первой и второй пар ОМСТ, обеспечивает выполнение более точной юстировки оптических волокон и попадание оптических волн с одного волокна на другое с минимальным рассеиванием при соединении двух волокон. Тем самым снижаются потери мощности сигнала в соединителе.
Заявленный волоконно-оптический соединитель поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг.1 - общий вид соединителя;
на фиг.2 - вид поперечного сечения полумуфты;
на фиг.3 - рисунок, поясняющий принцип работы диэлектрических линз;
на фиг.4 - структура оптических многослойных трансформаторов и диэлектрических линз соединителя;
на фиг.5 - профиль показателей преломления оптических многослойных трансформаторов и диэлектрических линз соединителя;
0
на фиг.6 - расчетная частотная характеристика затухания волоконно-оптического соединителя при воздушном зазоре - Δ=100λ=0.1 мм;
0
на фиг.7 - расчетная волновая характеристика затухания волоконно-оптического соединителя при воздушном зазоре - Δ=100λ=0.1 мм;
0
на фиг.8 - расчетная частотная характеристика затухания волоконно-оптического соединителя при воздушном зазоре Δ=2000λ=2 мм;
0
на фиг.9 - расчетная волновая характеристика затухания волоконно-оптического соединителя при воздушном зазоре Δ=2000λ=2 мм.
Л
ов1
ов2
ОМСТ
11
12
21
22
11i
12j
21k
22t
11
21
21
22
0
11
12
21
22
11
12
21
22
Заявленный волоконно-оптический соединитель, показанный на фиг.1, состоит из первой 1 и второй 2 полых полумуфт. В раскрывах полумуфт 1 и 2 установлены заглушки 3 и 4. Заглушки 3 и 4 снабжены направляющими элементами в виде штырей 5 и соответствующих им отверстий 6 (см. фиг.1, фиг.2). Соединяемые отрезки оптических волокон 7 и 8 установлены в полостях первой 1 и второй 2 полумуфт. Для исключения возможной деформации соединяемых отрезков оптических волокон 7, 8 в полости полумуфт 1 и 2 могут быть установлены направляющие цилиндрические трубки 9 и 10. Заглушки 3, 4 снабжены отверстиями 11,12 (см. фиг.2), диаметр которых равен диаметру поперечного сечения диэлектрических линз 16, 17 - D. На торцах соединяемых отрезков оптических волокон 7 и 8, имеющих показатели преломления n и n, установлены первый 13 и второй 14 ОМСТ, диаметр D которых равен поперечному сечению соединяемых отрезков оптических волокон (см. фиг.3). Первый 13 ОМСТ состоит из N слоев понижающего и N слоев повышающего трансформаторов, а второй 14 ОМСТ - N слоев понижающего и N повышающего трансформаторов (см. фиг.4). Все слои первого 13 ОМСТ и второго 14 ОМСТ выполнены из материалов с отличающимися показателями преломления n, n, и n, n, где i=1, 2, …N, j=1, 2, …N номера слоев первого 13 ОМСТ, a k=1, 2, …N и t=1, 2, …N номера слоев второго 14 ОМСТ (см. фиг.4, фиг.5). Номера слоев отсчитывают от внешних слоев понижающих трансформаторов первого 13 ОМСТ и второго 14 ОМСТ в направлении к торцам первого 7 и второго 8 соединяемых отрезков оптического волокна (см. фиг.4). Толщина каждого слоя составляет четверть средней волны λ сигнала (см. фиг.4), передаваемого по оптическому волокну, а число слоев - N, N, N и N, выбраны из условий (2) и (3), причем N=N и N=N.
1
2
1
2
Дополнительно на удалениях f и f от внешнего слоя каждого понижающего трансформатора первой 13 и второй пар 14 ОМСТ установлены две диэлектрические линзы 16 и 17 (см. фиг.3, фиг.4), показатели преломления которых выбраны из условий (4) и (5), причем их величина равна минимально реализуемому значению - 1,35. А удаления f и f равны расстоянию от фокуса линзы до ее вершины и выбраны из условия (10):
0
0
1
2
1
2
т.е. равной половине длины волны λ сигнала, передаваемого по оптическим волокнам. При λ=1,087 мкм f=f=0,54 мкм. Радиусы кривизны поверхностей диэлектрических линз - R и R, значения которых вычисляются по формулам (11) и (12):
1
2
1
2
А при f=f=0,54 мкм R=R=0,19 мкм.
л1
л2
0
л1
л2
Линзы выполнены в виде плоско-выпуклой формы. Толщина линз d и d выбрана из условия (13) и равна при λ=1,087 мкм d=d=0,54 мкм:
л1
л2
Л1
Л2
В свою очередь толщина линз d и d определяется по оптическому пути и связана с их диаметром D и D соотношениями (14) и (15):
1max
2max
1max
2max
Л
Л1
Л2
где θ и θ - угол между осью линзы и направлением из фокуса в крайнюю точку профиля, а угол 2θ и 2θ - является углом раскрыва каждой из диэлектрических линз. Исходя из значений геометрических размеров линз диаметр обоих линз равен D=D=D=2,55 мм. Такие значения диаметра обеих линз обеспечивают выполнение более точной юстировки при диаметре оптического волокна - 0,5 мм.
0
0
Полумуфты 1 и 2 снабжены фиксатором 15, который выполнен в виде двух цилиндров, установленных на внешней поверхности полумуфт 1, 2. Один из цилиндров зафиксирован на внешней поверхности одной из полумуфт (на фиг.1 на второй полумуфте 2), а другой установлен с возможностью его перемещения вдоль полумуфты (на фиг.1 - первой 1). Полумуфты 1, 2 скрепляют с помощью имеющихся на цилиндрах резьбовых соединений. Диаметр D полумуфт 1 и 2 выбирают из технологических условий их эксплуатации, например, в интервале D=3÷4 см (см. фиг.2). Отрезки оптических волокон 7 и 8 устанавливают в полумуфтах 1 и 2 таким образом, чтобы в собранном виде соединителя между поверхностями диэлектрических линз устанавливался воздушный зазор Δ в пределах Δ=(100-2000)λ (см. фиг.3 и фиг.4). Толщина d каждого из слоев первой 13 и второй 14 пар ОМСТ выбрана из условия (1), т.е. равной четверти длины волны λ сигнала, передаваемого по оптическим волокнам (см. фиг.4)
11
12
21
22
1
2
1i
2j
a
a
Число слоев N и N первого 13 ОМСТ и N и N второго 14 ОМСТ выбраны из условий (2) и (3), исходя из предварительно заданных допустимых уровней рабочего затухания Δ и Δ в соответствующих ОМСТ 13 и 14. Показатели преломления n и n i-го и j-го слоев первого 13 ОМСТ и второго 14 ОМСТ вычисляют по формулам (6)-(9).
ов1
ов2
Заявленный волоконно-оптический соединитель работает следующим образом. Основной задачей при соединении двух отрезков оптических волокон является их соединение с более низкими потерями мощности сигнала. Потери возникают из-за технологических сложностей обеспечения идеального совмещения поверхностей торцов соединяемых отрезков оптических волокон из-за неустранимых шероховатостей торцевых поверхностей и, как следствие, рассеяние значительной доли мощности. Потери существенно возрастают при соединении отрезков оптических волокон с отличающимися показателями преломления n и n из-за скачкообразного изменения показателей преломления материалов оптических волокон.
1
2
В заявленном соединителе влияние указанных причин потерь мощности в значительной мере устраняется. Это объясняется следующим. Отрезки оптических волокон 7 и 8 закрепляют в первой и второй полумуфтах. На торцах отрезков оптических волокон 7 и 8 устанавливают первый 13 и второй 14 ОМСТ (см. фиг.1 и фиг.3). Дополнительно на удалениях f и f от внешнего слоя первого 13 и второго 14 ОМСТ установлены две диэлектрические линзы 16 и 17, показатели преломления которых выбраны из условий (4) и (5), причем их величина равна минимально реализуемому значению - 1,35 (см. фиг.1 и фиг.3).
11
11
0
1
11,1
min1
12
12
1
ов1
21
21
0
21,1
min2
22
22
2
ов2
0
Функциональное назначение первой пары ОМСТ (см. фиг.5) заключается в предварительном повышении показателя преломления воздуха с помощью N слоев (i=1, 2, …N) понижающего трансформатора от n=1,0003 до значения характеристического показателя преломления G (см. фиг.5), причем значение показателя преломления материала первого (i=1) слоя выбирается минимально допустимым n=n≥1,35, и последующим понижении характеристического показателя преломления с помощью N слоев (j=1, 2, …N) повышающего трансформатора от G до значения показателя преломления n первого оптического волокна 7 (см. фиг.4 и фиг.5). Вторая пара ОМСТ решает аналогичную задачу: повышает показатель преломления воздуха в зазоре Δ с помощью N слоев (k=1, 2, …N)понижающего трансформатора от n=1,0003 до значения характеристического показателя преломления, причем значение показателя преломления материала первого (k=1) слоя выбирается минимально допустимым n=n≥1,35, с последующим понижением характеристического показателя преломления с помощью N слоев (t=1, 2, …N) повышающего трансформатора от G до значения показателя преломления n второго оптического волокна 8 (см. фиг.4 и фиг.5). Полное согласование первого 7 и второго 8 оптических волокон обеспечивается при воздушном зазоре Δ в интервале Δ=(100…2000)λ, установленного между примыкающими поверхностями диэлектрических линз (см. фиг.3 и фиг.4).
В свою очередь дополнительно установленные диэлектрические линзы 16 и 17 (см. фиг.1, фиг.3, фиг.4) обеспечивают снижение потерь мощности сигнала в соединителе, что объясняется основными правилами оптики [Володин В.А. «Энциклопедия». Том 16. Физика. Ч.2. "Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц". М.: Аванта+, 2000] (см. фиг.3):
- лучи, проходящие через фокус в сторону собирающей линзы, после преломления на главной плоскости становятся параллельными ее главной оси;
- лучи, до собирающей линзы идущие параллельно ее главной оптической оси, после преломления обязательно пройдут через главный фокус.
Л
Л1
Л2
Следовательно, обеспечивается попадание основного потока мощности оптических волн, проходящих через фокус F1 первой линзы на вторую линзу и далее в ее фокус F2, испытывая при этом минимум потерь оптической мощности (см. фиг.3). Тем самым, в предлагаемом соединителе снижаются потери мощности сигнала при соединении двух оптических волокон. А применение диэлектрических линз диаметром больше диаметра оптического волокна (0,5 мм), т.е. равным значению D=D=D=2,55 мм, способствует выполнению более точной юстировки оптических волокон при их соединении и, следовательно, дополнительному снижению рассеяния мощности оптических волн.
Это упрощает конструкцию соединителя и его эксплуатацию в полевых условиях.
Порядок изготовления волоконно-оптического соединителя можно показать на примере его расчета с заданной характеристикой затухания.
Пусть необходимо получить волоконно-оптический соединитель с частотной характеристикой затухания, показанной на фиг.6, при следующих исходных данных:
ов1
ов2
- показатели преломления материалов первого и второго оптических волокон n=n=1,47;
0
- показатели преломления слоев ОМСТ1 (ОМСТ2) должны находиться в пределах 1,35-2,5 на краях диапазона частот в интервале от 176 ТГц до 376 ТГц, что соответствует диапазону длин волн в интервале от 1705 нм до 800 нм при средней длине волны λ=1087 нм;
- максимально допустимое затухание Δа волоконно-оптического соединителя - не более 0,5 дБ;
Л
Л1
Л2
1
2
Л1
Л2
1
2
л1
min1
л2
min2
- геометрические размеры линз выбраны из ранее проведенных расчетов и равны D=D=D=2,55 мм, R=R=0,19 мкм, d=d=0,54 мкм, f=f=0,54 мкм, показатель преломления вещества, из которого изготовлены линзы, равен минимально реализуемому значению, т.е. n=n=n=n=1,35.
ов1
ов2
1
2
11
12
21
22
11,1
21,1
11,2
21,2
12,1
22,1
12,2
22,2
С учетом заданных условий задачи значений n, n, Δa и Δa определяют по формулам (2) и (3) определяют число слоев ОМСТ1 и ОМСТ2: N=N=N=N=2. Тогда по формулам (6)-(9) определяют значения показателей преломления каждого слоя ОМСТ1 и ОМСТ2: n=n=1,35; n=n=2,14; n=n=2,19; n=n=1,76.
1
0
2
а
a
На фиг.6 приведена расчетная частотная характеристика затухания волоконно-оптического соединителя, на фиг.7 - расчетная волновая характеристика затухания волоконно-оптического соединителя в составе: ОМСТ1 - (воздушный зазор, равный фокусному расстоянию до линзы 16 - f=0,54 мкм) -диэлектрическая линза - (воздушный зазор с Δ=100λ=0,1 мм) - (воздушный зазор, равный фокусному расстоянию до линзы 17 - f=0,54 мкм) - ОМСТ2. Максимальное затухание волоконно-оптического соединителя в пределах заданного диапазона длин волн составит 0,48 дБ, что удовлетворяет заданному требованию - <Δ=0,5 дБ.
1
0
2
а
а
На фиг.8 приведена расчетная частотная характеристика затухания волоконно-оптического соединителя, на фиг.9 - расчетная волновая характеристика затухания волоконно-оптического соединителя в составе: ОМСТ1 - (воздушный зазор, равный фокусному расстоянию до линзы 16 - f=0,54 мкм) - диэлектрическая линза - (воздушный зазор с Δ=2000λ=2 мм) - (воздушный зазор, равный фокусному расстоянию до линзы 17 - f=0,54 мкм) - ОМСТ2. Максимальное затухание волоконно-оптического соединителя в пределах заданного диапазона длин волн составит 0,48 дБ, что удовлетворяет заданному требованию - <Δ=0,5 дБ.
Полученные результаты расчетов свидетельствуют о малой зависимости затухания заявленного волоконно-оптического соединителя от величины Δ воздушного зазора, что гарантирует надежное соединение ОВ в экстремальных условиях строительства и эксплуатации волоконно-оптических кабелей связи.
Полученная в расчетных примерах максимально-плоская форма характеристики затухания волоконно-оптического соединителя показывает, что варьируя требования к величине затухания на краях заданного диапазона длин волн, с помощью формул (2, 3, 6-9) можно конструировать соединители с малым, близким к нулевому, значением затухания.
Л
Л1
Л2
Приведенный пример свидетельствует о возможности построения волоконно-оптических соединителей с малыми заданными требованиями к величине мощности потерь за счет отражений и к волновым (частотным) характеристикам затухания в заданном диапазоне длин волн. Достоинством предложенного технического решения является значительное снижение затухания соединения до 0,5 дБ на краях рабочего диапазона длин волн по сравнению с существующими аналогами. Кроме того, применение диэлектрических линз способствует снижению потерь мощности сигнала за счет уменьшения рассеяния при соединении оптических волокон. А применение линз с диаметром больше диаметра оптического волокна (0,5 мм), т.е. равным значению D=D=D=2,55 мм, способствует выполнению более точной юстировки оптических волокон при их соединении. Тем самым упрощается эксплуатация соединителей в полевых условиях и снижается время на обеспечение надежности соединителя по сравнению с существующими соединителями, в которых применяются дополнительные средства контроля, измерения, крепления и сварки оптических волокон. Отмеченные достоинства указывают, что при использовании заявленного волоконно-оптического соединителя возможно достижение сформулированного технического результата.