СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
OPTICAL FIBER CONNECTOR AND METHOD OF ITS APPLICATION

Область применения изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к области соединителей оптических волокон, а в частности к узлу соединителя, приспособленному для использования в качестве устройства "последней мили".
Предпосылки к созданию изобретения
В области фотоники оптические волокна (волоконные световоды) используют для передачи оптических сигналов, а также для сопряжения оптических переключателей, световодных решеток, оптических усилителей, модулей и т.п. Оптические системы передачи с использованием элементов фотоники приобретают все большее значение, так как оптические сигналы могут переносить намного большие объемы информации по сравнению с обычными системами связи с использованием медных проводов. Например, за счет использования технологии мультиплексирования по длине волны высокой плотности (DWDM) и демультиплексирования возможно передавать множество длин волн по единственному волокну, обеспечивая пропускную способность данных 40 гигабит в секунду и больше.
Оптические сети с DWDM оборудованием и другими аналогичными устройствами требуют применения большого количества устройств для сращивания кабелей и соединителей. Операции сращивания и соединения играют большую роль в стоимости сети и в ее эксплуатационных параметрах. Несмотря на то, что механическое сращивание оптических волокон может быть достаточным в тех случаях, когда не требуется частое соединение и разъединение, соединители необходимо использовать в таких применениях, в которых необходима гибкость для прокладки (трассировки) или, реконфигурации, или для соединения оконечного устройства, такого как компьютер или другое электронное устройство, с волокном или с другими такими устройствами. Известные в настоящее время технологии соединения или сращивания являются длительными и дорогостоящими, так как их трудно миниатюризировать и ими трудно управлять.
Так как плохое соединение между концами двух оптических волокон ведет к искажениям сигнала и к потере напряженности поля, уже были предложены несколько способов надлежащего соединения оптических волокон, которые обеспечивают хорошее прохождение сигнала. Одно из таких предложений авторов настоящего изобретения содержится в заявке на патент США № 60/358392, поданной 22 февраля 2002 г.
В указанной заявке предлагается соединитель для соединения концов двух оптических волокон за счет прилегания друг к другу (упора друг в друга) их концов, причем соединитель разделен на множество штырей, идущих в продольном направлении у каждого конца соединителя, при этом предусмотрен канал для волокна, идущий от первого конца до второго конца. Такой соединитель изготовлен из материала с памятью формы, такого как полимер или металлический сплав. Как правило, такие материалы, если их деформировать из состояния покоя при помощи любого подходящего средства, например при помощи приложения теплоты, будут затем возвращаться в состояние покоя, когда устранена причина деформации. В указанной заявке на патент приведен пример такого материала, который представляет собой любой материал, который деформируется в пределах его упругости при приложении механической деформации. Другим примером является любой материал, который расширяется за счет повышения температуры и затем возвращается в его исходное состояние покоя, когда температуру понижают до начальной температуры. Примером такого материала является сплав с памятью формы (SMA). Примеры, касающиеся активирования элемента с памятью формы в SMA, приведены в публикациях D.Е.Muntges et. al., Proceedings of SPIE volume 4327 (2001), pages 193-200, и Byong-Ho Park et. al., Proceedings of SРIE volume 4327 (2001), pages 79-87. Миниатюризированные компоненты SMA могут быть изготовлены при помощи обработки лазерным излучением, что описано, например, в публикации Н.Haferkamp et. al., Laser Zentrum Hannover e.v., Hannover, Germany.
Для соединения концов двух оптических волокон с использованием ранее предложенного нами соединителя соединитель сначала следует деформировать любым возможным образом, например за счет теплоты или приложения сжимающей силы вдоль его продольной оси. Например, соединитель может быть нагрет до температуры, достаточной для того, чтобы расшить канал соединителя в достаточной степени для того, чтобы пропустить через него концы соединяемых оптических волокон. В таком состоянии соединителя в его канал вводят концы оптических волокон. Может быть также нанесен оптический гель, который имеет главным образом такой же показатель преломления, что и оптические волокна, для обеспечения однородных оптических характеристик через соединение между волокнами.
После того как концы оптических волокон полностью введены в соединитель, причем соответствующие концы прилегают друг к другу, соединитель может быть охлажден и может возвращаться в свое исходное состояние (к своему исходному размеру). При охлаждении соединитель будет прикладывать контролируемую сжимающую силу к оптическому волокну, величина которой достаточна для того, чтобы удерживать оптические волокна в состоянии упора друг в друга, но недостаточна для повреждения оптических волокон за счет сжатия.
SMA технология особенно хорошо подходит для соединения оптических волокон, так как она позволяет обеспечить механическую точность около +/- 0.01 мкм, что в 400 раз более точно, чем обеспечивают имеющиеся в настоящее время технологии соединения.
Однако использование такого соединителя оптических волокон, как описанный выше, не является полностью удовлетворительным, так как во время операции охлаждения соединителя, проводимой для его возвращения в исходное состояние, может возникать вероятность небольшой раздвижки друг от друга концов оптических волокон. Это делает необходимым во время операции соединения концов оптических волокон включать дополнительную операцию удержания оптического волокна в фиксированном положении, когда соединитель возвращается к своим исходным размерам, чтобы исключить раздвижку друг от друга концов оптических волокон при охлаждении соединителя. Таким образом, требуется некоторая форма фиксированного зажима оболочки, которая обычно покрывает и защищает оптическое волокно или жгут оптического волокна, чтобы исключить осевое перемещение соединенных оптических волокон.
Такая операция является обременительной и не может быть легко и быстро проведена в случае соединения оптических волокон с использованием указанного выше соединителя. Эта операция обычно требует наличия некоторых навыков у техника, который ее проводит, и препятствует быстрому и простому соединению оптических волокон, особенно в контексте соединения "последней мили", когда входящее волокно от оптической сети должно быть соединено с оконечным устройством, которое находится в жилом помещении, в офисе, в производственном помещении и т.п.
Следует иметь в виду, что несмотря на то, что SMA соединитель, описанный в заявке на патент США №60/358,392, представляет собой улучшенное средство для соединения оптических волокон, все еще существует необходимость в создании узла соединителя оптических волокон, который является простым в монтаже и эксплуатации и позволяет производить его быструю установку, а также поддерживать хорошее прохождение сигнала между оптическими волокнами, особенно для соединения, которое осуществляют в местоположении конечного пользователя.
Краткое изложение изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается соединительный узел для соединения оптических волокон, который содержит идущий в продольном направлении корпус, причем указанный корпус имеет первый конец и второй конец, при этом указанный корпус имеет канал, идущий от указанного первого конца до указанного второго конца, причем указанный корпус имеет множество штыревых выступов, которые идут в продольном направлении у каждого из указанных первого и второго концов. Соединительный узел содержит первый фланец, который по окружности соединен с указанным первым концом указанного соединителя, и второй фланец, который по окружности соединен с указанным вторым концом указанного соединителя. Соединительный узел имеет также гнездо соединителя, которое содержит четыре части, которые при соединении образуют камеру соединителя, предназначенную для приема указанного соединителя при соединении с указанным фланцем. Указанные четыре части соединительного узла выполнены таким образом, чтобы прикладывать растягивающее усилие к указанному соединителю и фланцу соединителя, когда они установлены в камере соединителя, за счет осевого вращения указанной первой части гнезда соединителя относительно указанной второй части. За счет приложения такого растягивающего усилия к соединителю, когда он установлен в соединительном узле, диаметр канала соединителя в достаточной мере увеличивается, за счет упругой деформации соединителя, что позволяет вводить в канал соединяемые оптические волокна. За счет противоположного осевого вращения концов гнезда соединителя происходит снятие растягивающего усилия, что позволяет фланцу и соединителю возвращаться в состояние покоя, зажимая за счет упругости оптические волокна и прижимая концы оптических волокон друг к другу для передачи оптических сигналов.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предлагается способ использования описанного выше соединительного узла для соединения оптических волокон.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1 показан вид в перспективе соединителя в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показан вид в перспективе соединителя в разобранном состоянии, показанного на фиг.1, вместе с фланцами.
На фиг.3 показан вид в перспективе соединителя с фланцами.
На фиг.4 показан вид в перспективе части гнезда соединителя в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.5 показан еще один вид в перспективе соединителя с фланцами и волокном, пропущенным через канал соединителя.
На фиг.6 показан вид в перспективе в разрезе соединительного узла в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.7 показан вид в перспективе соединительного узла в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.8 показан вид в перспективе соединительного узла в соответствии с настоящим изобретением, когда сила растяжения приложена к соединителю.
На фиг.9 показан вид в перспективе соединительного узла с оболочкой в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.10 показан вид сбоку соединительного узла в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.11 показан вид в перспективе соединительного узла в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.12 показан вид соединительного узла в разобранном состоянии в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Описание предпочтительного варианта
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показан соединитель 10, предназначенный для использования в соединительном узле в соответствии с настоящим изобретением. Соединитель 10 может быть использован для соединения концов первого оптического волокна 12 и второго оптического волокна 14 для того, чтобы передавать оптический сигнал. Соединитель 10 имеет корпус соединителя 16, который может быть главным образом цилиндрическим. Корпус соединителя 16 обычно имеет первый конец 18 и второй конец 20.
Корпус соединителя 16 также имеет проход через канал 22, который идет от первого конец 18 до второго конца 20. Оптические волокна 12 и 14 могут быть пропущены через канал 22 и закреплены в нем, при прилегании друг к другу концов волокон, для передачи оптического сигнала. Канал 22 выполнен таким образом и имеет такие размеры, что соединитель 10 прикладывает достаточную сжимающую силу к оптическим волокнам 12 и 14, позволяющую удерживать волокна при прилегании друг к другу, когда волокна расположены в канале 22. Следует иметь в виду, что сжимающая сила должна быть достаточной для удержания оптических волокон и поддержания их в состоянии прилегания, без приложения чрезмерного усилия, которое могло бы вызвать повреждение или поломку оптических волокон, препятствующую передаче оптических сигналов.
Соединитель 10 также содержит множество первых штырей 24, которые идут от первого конца 18 ко второму концу 20, и множество вторых штырей 26, которые идут от второго конца 20 к первому концу 18. Первые штыри 24 удерживают первое оптическое волокно 12 в заданном положении в соединителе 10, когда оптическое волокно 12 введено в соединитель. За счет выбора заданной длины первых штырей 24 и вторых штырей 26, можно управлять сжимающей силой соединителя, приложенной к оптическим волокнам 12 и 14, и можно ее изменять по длине корпуса соединителя 16. Вторые штыри 26, которые действуют аналогично штырям 24, удерживают второе оптическое волокно 14. Корпус соединителя 16 может быть разделен на любое подходящее число первых штырей 24 и вторых штырей 26. Альтернативно, соединитель может иметь большее или меньшее число первых 10 и вторых штырей. Первые и вторые штыри могут занимать любой подходящий участок окружности корпуса 16. Например, каждый из первых штырей 24 может занимать ориентировочно 90° окружности. Штыри могут быть образованы любым подходящим способом, например, при помощи фрезерования идущих в осевом направлении пазов 30 на первом конце 18 и идущих в осевом направлении пазов 32 на втором конце 20. Следует иметь в виду, что размер и число вторых штырей может отличаться от числа и размера первых штырей. Например, вторые штыри могут быть аналогичными по размеру, длине и числу первым штырям. Альтернативно, вторые штыри могут быть выполнены отличающимися от первых штырей для соответствия механическим свойствам второго оптического волокна. Например, вторые штыри могут быть короче или длиннее первых штырей, или их число может отличаться от числа первых штырей.
Первые и вторые штыри могут быть смещены по окружности друг от друга на любой подходящий угол сдвига, такой как, например, 45°.
Кроме того, первые и вторые штыри могут идти вдоль корпуса соединителя на достаточно большое расстояние от соответствующих концов, так что они перекрывают друг друга на некотором участке корпуса соединителя; это перекрытие позволяет дополнительно управлять сжимающей силой, оказываемой корпусом соединителя на оптические волокна, в особенности в той точке, где первое и второе оптические волокна прилегают друг к другу.
Соединитель 10 может быть изготовлен из любого подходящего материала, который имеет память формы. Материалами, которые имеют память формы, являются материалы, которые после деформирования из их состояния покоя при помощи любого подходящего средства, возвращаются в их состояние покоя после снятия усилия деформации. Например, таким материалом может быть любой материал, который деформируется в пределах упругости материала при приложении усилия механической деформации и стремится возвратиться или возвращается в начальное состояние покоя, когда механическое усилие перестает действовать. Другим примером такого материала является любой материал, который расширяется за счет увеличения температуры и затем стремится возвратиться или возвращается в начальное состояние покоя, когда температура понижается.
Соединитель 10 может быть изготовлен из любого из множества подходящих материалов, в том числе из SMA, в зависимости от условий конкретной среды, в которой будет использован соединитель, и в зависимости от конкретных руководящих норм и правил, касающихся конструирования и применения соединителей, с учетом распространения и передачи оптических сигналов.
Соединитель 10 может быть изготовлен, например, из полимерных материалов, таких как изостатик 1 полибутен, пьезоэлектрическая керамика, медные сплавы, в том числе бинарные и трехкомпонентные сплавы, такие как сплавы меди с алюминием, сплавы меди с цинком, сплавы меди с алюминием и бериллием, сплавы, меди с алюминием и цинком и сплавы меди с алюминием и никелем; сплавы никеля, такие как сплавы никеля с титаном и железом и сплавы никеля с титаном и кобальтом; сплавы железа, такие как сплавы железа с марганцем, сплавы железа с марганцем и кремнием, сплавы железа с хромом и марганцем и сплавы железа с хромом и кремнием; сплавы алюминия и композиционные материалы с высокой упругостью, которые при необходимости могут иметь металлическое или полимерное упрочнение.
Для осуществления сборки предлагаемый соединительный узел также имеет кольцевые фланцы или кольца, которые могут быть установлены по окружности на первом и втором концах соединителя, имеющие подходящую прочность, например изготовленные из меди. Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2, 3 и 5, на которых показано, что кольцевые фланцы 34 и 36 установлены соответственно на концах 18 и 20. Фланцы могут быть закреплены на концах соединителя при помощи любых подходящих средств, в том числе, например, при помощи клея, смолы или адгезива.
Соединитель с фланцами затем устанавливают в камере гнезда узла соединителя. Гнездо соединителя изготовлено из четырех частей, которые в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения являются идентичными по конфигурации. На фиг.4 показано, что каждая из четырех частей 38 гнезда соединителя имеет поверхность прилегания 40, выемку 42 отверстия и выемку 44 камеры соединителя. Кроме того, имеется также волокно, пропущенное через выемку 46. Все указанные выше элементы выполнены таким образом, что когда четыре части собирают для образования полного гнезда соединителя, тогда выемки 42 образуют отверстие для введения оптического волокна и волоконного кабеля. При этом выемки 44 образуют камеру соединителя, предназначенную для удержания соединителя с фланцами, а выемка 46 образует канал для прохода оптического волокна из отверстия в соединитель.
На. фиг.6 и 7 показано собранное гнездо соединителя вместе с соединителем, причем соединитель установлен в выемках камеры гнезда соединителя и закреплен за счет зажима четырех частей гнезда соединителя. Две из указанных частей при скреплении друг с другом образуют первый конец 48 гнезда соединителя, а две другие части образуют второй конец 50 гнезда соединителя. Части, образующие каждый конец гнезда соединителя, могут быть скреплены друг с другом при помощи соответствующего крепежного средства, например, при помощи винтов 52 или крепежных деталей.
Первая игла 54, диаметр которой слегка превышает диаметр оптического волокна, введена через отверстие, через канал и канал соединителя, со стороны первого конца гнезда соединителя. Вторая игла 56 аналогичным образом пропущена через второй конец гнезда узла соединителя. Игла изготовлена из подходящего металла, такого как сталь, и имеет такой диаметр, что когда ее пропускают указанным выше образом, она производит очень небольшое расширение диаметра канала соединителя за счет очень небольшого смещения штырей корпуса соединителя.
Каждая из четырех частей гнезда соединителя имеет слегка наклонную или спиральную опору 62. На фиг.7 и 8 показано, что две части при соединении образуют конец гнезда соединителя, который, при повороте, как это показано на фиг.8, вызванном наличием опоры 62, будет оказывать легкое вращательное действие на соединитель и фланец, установленный в камере соединителя. Указанные части выполнены таким образом, что при вращении тенденция обратного вращательного перемещения ограничивается. Это может быть осуществлено за счет образования канавки или зуба на опоре для обеспечения захвата или зацепления, чтобы предотвратить обратное вращение после снятия вращающей силы. Каждая опорная поверхность может также иметь штифт 58 и дополняющее отверстие 60 для штифта, чтобы дополнительно скреплять и выравнивать указанные части.
На практике каждый конец камеры соединителя будет работать следующим образом.
После введения игл указанным выше образом, каждому концу гнезда соединителя будет придано небольшое обратное осевое перемещение и за счет наклонной или спиральной поверхности осевое тяговое перемещение будет приложено к фланцам соединителя. Такое вращение концов гнезда соединителя будет оказывать тяговое или слегка растягивающее воздействие на соединитель. За счет аморфной и упругой способности к деформации материала соединителя растягивающая деформация соединителя будет вызывать не только удлинение соединителя, но и создавать напряжение в соединителе, так что точка аморфности будет достигнута, что позволяет удерживать диаметр соединителя немного большим, чем диаметр иглы, за счет деформации в аморфном состоянии. Таким образом, после извлечения иглы диаметр соединителя будет оставаться немного большим, чем диаметр иглы.
Для соединения оптических волокон первую иглу удаляют и оптическое волокно световодного кабеля вводят через отверстие первого конца, при этом оптическое волокно проходит через отверстие в канал соединителя.
Оптическое волокно обычно имеет защитную оболочку, которая при введении в отверстие может быть захвачена и может удерживаться в заданном положении при помощи стенки отверстия 42, которая для этого может иметь соответствующие канавки или зубцы.
Для соединения со вторым оптическим волокном иглу вынимают из второго конца соединительного узла и второе оптическое волокно с оболочкой вводят через отверстие второго конца, при этом оптическое волокно проходит через канал и входит в канал соединителя. И в этом случае оболочка второго кабеля удерживается в заданном положении в отверстии. Это оптическое волокно затем вводят в контакт с оптическим волокном, введенным с противоположного конца. Позднее, для осуществления соединения первый и второй концы гнезда соединителя вращают радиально в противоположных направлениях, один относительно другого, чтобы вызвать осевое вращение в обратном направлении. Это приводит к уменьшению растягивающего усилия, приложенного к соединителю. Это уменьшение растягивающего усилия приводит к уменьшению диаметра канала соединителя и к созданию небольшого перемещения штырей корпуса соединителя, одновременно от первого конца и второго конца соединителя, что приводит к зажиму оптического волокна. За счет продольного уменьшения растяжения происходит плотный прижим кончиков оптических волокон друг к другу. Кроме того, за счет уменьшения диаметра канала два оптических волокна будут зажаты и закреплены в положении упора. Более того, стенка отверстия, которая может иметь зазубрены или иные средства надежного захвата оболочки кабеля, будет прижимать концы оптических волокон друг к другу, причем размер отверстия позволяет оптическому волокну слегка изгибаться, за счет чего исключаются или ограничиваются люфт, проскальзывание или поломка соединяемых оптических волокон, и обеспечивается надлежащее прилегание концов оптических волокон для осуществления передачи сигналов.
Как это показано на фиг.9, завершенный узел с соединенными оптическими волокнами может быть дополнительно покрыт оболочкой или чехлом для защиты от проникновения пыли и других загрязняющих материалов или частиц.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.10, 11 и 12, на которых показано конкретное использование гнезда соединителя в соответствии с настоящим изобретением для соединения оптических волокон у конца "последней мили", в котором оптическое волокно, выходящее из волоконно-оптической сети, соединено с оконечным устройством. Например, это может быть осуществлено в жилом доме или в конторе. Гнездо соединителя в соответствии с настоящим изобретением особенно хорошо подходит для завершения простого соединения в таких условиях. Гнездо соединителя в соответствии с настоящим изобретением может быть установлено в соответствующем местоположении на стене 66 жилого дома или конторского здания во время строительства такого сооружения или позднее, при его модернизации. Гнездо соединителя может иметь первый фланцевый захват 68 и второй фланцевый захват 70, соответственно на первом и втором концах гнезда соединителя, для установки на стене. В таких применениях первый конец гнезда соединителя будет выступать из стены комнаты, как это показано на фиг.10 и 11. В узле следует удалить штифт из первого конца и ввести входящее оптическое волокно от оптической сети при помощи описанных выше операций. Штифт, как уже было упомянуто здесь ранее, следует сохранить на втором конце гнезда соединителя, то есть на конце, выходящем в комнату. Такое гнездо соединителя будет находиться в заданном положении с сохранением растягивающих усилий. В момент соединения с оконечным устройством следует удалить второй штифт при помощи описанных выше операций, пропустить второе оптическое волокно, соединенное с данным устройством, через второй конец соединительного узла и вновь повернуть вокруг оси выходящий в комнату конец соединительного узла, как уже было упомянуто здесь ранее, для снятия растягивающей силы, чтобы произвести соединение. Вращение (поворот) может быть осуществлено за счет вращения фланцевого захвата и мауэрлата. Указанным образом соединение может быть завершено и оконечное устройство может быть соединено таким образом, чтобы получать оптический сигнал от оптической сети; при этом устройство готово к работе.
Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за рамки формулы изобретения.