ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СОЕДИНИТЕЛЬ
FIBRE-OPTIC CONNECTOR

Изобретение относится к области техники волоконно-оптических систем передачи, в частности к волоконно-оптическим соединителям, 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 тела 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.
Недостатком 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
0
11
12j
21k
22t
11
21
21
22
11
12
21
22
0
11
12
21
22
Поставленная цель достигается тем, что в известном волоконно-оптическом соединителе, содержащем первую и вторую полумуфты для заделки в них соответственно 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 соединенные соответственно первая пара повышающего и понижающего и вторая пара повышающего и понижающего оптических многослойных трансформаторов, число слоев понижающего и повышающего трансформаторов первой пары выбраны соответственно N и N, а число слоев понижающего и повышающего трансформаторов второй пары выбраны соответственно N и N. При этом в собранном виде соединителя между внешними слоями первой и второй пар ОМСТ выбран воздушный зазор размером Δ=(1…2000)λ. Слои первой и второй пар ОМСТ выполнены из материалов с отличающимися показателями преломления соответственно n, n и n, n, где i=1,2,…N, j=1,2,…N номера слоев соответственно в понижающем и повышающем трансформаторах первой пары ОМСТ, a k=1,2,…N и t=1,2,…N номера слоев соответственно в понижающем и повышающем трансформаторах второй пары ОМСТ, отсчитываемых от примыкающих к воздушному зазору внешних слоев понижающих трансформаторов первой и второй пар ОМСТ в направлении к торцам соответственно первого и второго соединяемых отрезков оптического волокна, а N=N и N=N. Толщина каждого слоя составляет четверть средней волны λ сигнала, передаваемого по оптическому волокну. Число слоев N, N, N и N выбраны из условий
ов1
ов2
где n и n - показатели преломления оптических волокон первого и второго
a1
а2
соединяемых отрезков оптического волокна, a Δ и Δ - предварительно заданные значения рабочего затухания соответственно в первой и второй парах ОМСТ.
В соединителе фиксатор выполнен в виде первого и второго цилиндров, установленных на внешней поверхности соответственно 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 n повышающего n трансформаторов, принадлежащих первой паре оптических многослойных трансформаторов, и понижающего n и повышающего n трансформаторов, принадлежащих второй паре оптических многослойных трансформаторов, вычисляют по формулам:
min1
min2
где  и  - характеристические показатели преломления соответственно в первой и во второй парах ОМСТ в точках соединения их понижающих и повышающих ОМСТ,  и  - характеристические показатели преломления соответственно первой и второй пар ОМСТ, в сечениях, примыкающих к воздушному зазору, а nи n - предварительно заданные минимально допустимые
значения реализуемых показателей преломления слоев, примыкающих к воздушному зазору соответственно первой и второй пар ОМСТ.
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. Это позволяет обеспечить согласованное бесконтактное соединение оптических волокон и, следовательно, снизить 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 общую схему соединителя;
на фиг.4 - профиль показателей преломления оптических многослойных трансформаторов;
на фиг.5 - требования к частотной характеристике затухания ОМСТ1 (ОМСТ2);
0
на фиг.6 - рассчитанная частотная характеристика затухания волоконно-оптического соединителя при воздушном зазоре - Δ=200λ;
0
на фиг.7 - расчетная волновая характеристика затухания волоконно-оптического соединителя при воздушном зазоре Δ=2000λ.
ов1
ов2
11
12
21
22
11i
12j
21k
22t
11
21
21
22
11
12
21
22
0
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. также фиг.2). Соединяемые отрезки оптических волокон 7 и 8 установлены в полостях соответственно 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 диаметром d, соответствующему диаметру поперечного сечения отрезков оптических волокон 7, 8. На торцах соединяемых отрезков оптических волокон 7 и 8, имеющих показатели преломления n и n, установлены каскадно-соединенные соответственно первая пара повышающего и понижающего 13 и вторая пара повышающего и понижающего 14 оптических многослойных трансформаторов (ОМСТ), состоящих из N и N слоев соответственно понижающего и повышающего трансформаторов первой пары ОМСТ и из N и N слоев соответственно понижающего и повышающего трансформаторов второй пары ОМСТ, причем слои первой и второй пар ОМСТ выполнены из материалов с отличающимися показателями преломления соответственно n, n и n, n, где i=1,2,…N, j=1,2,…N номера слоев соответственно в понижающем и повышающем трансформаторах первой пары ОМСТ, a k=1,2,…N и t=1,2,…N номера слоев соответственно в понижающем и повышающем трансформаторах второй пары ОМСТ, отсчитываемых от примыкающих к воздушному зазору внешних слоев понижающих трансформаторов первой и второй пар ОМСТ в направлении к торцам соответственно первого и второго соединяемых отрезков оптического волокна, a N=N и N=N, причем толщина каждого слоя составляет четверть средней волны λ сигнала, передаваемого по оптическому волокну, а число слоев N, N, N и N, выбраны из условий (1) и (2).
0
0
Полумуфты 1 и 2 снабжены фиксатором 15. В частности, фиксатор 15 выполнен в виде первого и второго цилиндров, установленных на внешней поверхности соответственно первой и второй 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=1÷4 см. Отрезки оптических волокон 7 и 8 устанавливают в полумуфтах 1 и 2 таким образом, чтобы при этом в собранном виде соединителя между внешними слоями первой и второй пар ОМСТ 13 и 14 оставался воздушный зазор Δ в пределах (1-2000)λ (см. также фиг.3 и фиг.4). Толщина d каждого из слоев первой 13 и второй 14 пар ОМСТ выбрана равной четверти длины волны λ сигнала, передаваемого по оптическим волокнам, т.е. d=0.25λ (фиг.3).
11
12
21
22
1
2
1i
2j
Число слоев N и N первой пары 13 и N и N второй пары 14 ОМСТ выбраны из условий (1) и (2), исходя из предварительно заданных допустимых уровней рабочего затухания Δa и Δa в соответствующих первой 13 и второй 14 парах ОМСТ. Показатели преломления n и n i-го j-го слоев 16, принадлежащих соответственно первому 13 и второму 14 ОМСТ, вычисляют по формулам (3) и (4).
ов1
ов2
расч
расч
Заявленный волоконно-оптический соединитель работает следующим образом. Основными проблемами при соединении двух отрезков оптических волокон являются снижение потерь мощности сигнала в месте их соединения и невозможность изготовления слоев трансформаторов из материалов с использованием расчетных значений показателей преломления, не входящих в набор практически реализуемых значений показателей преломления. Проблема потерь возникает 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. Проблема несоответствия расчетных и реализуемых значений показателей преломления возникает в случаях, когда расчетный показатель преломления n<1,35, где число 1,35 определяет нижнюю границу набора реализуемых значений показателей преломления в интервале 1,35<n<2,5 [Путилин Э.С. "Оптические покрытия". Учебное пособие по курсу "Оптические покрытия". СПб: СПбГУИТМО, 2005].
11
11
0
1
11,1
min1
12
12
1
ов1
21
21
0
2
21,1
min2
22
22
2
ов2
В заявленном соединителе влияние указанных причин потерь мощности в значительной мере устранятся. Это объясняется следующим. Отрезки оптических волокон 7 и 8 закрепляют соответственно в первой и второй полумуфтах. На торцах отрезков оптических волокон 7 и 8 устанавливают первую пару понижающего и повышающего ОМСТ 13 и вторую пару понижающего и повышающего ОИСТ 14 (см. также фиг.3 и фиг.4). Функциональное назначение первой пары ОМСТ (см. фиг.3) заключается в предварительном повышении показателя преломления воздуха с помощью N слоев (i=1, 2,… N) повышающего трансформатора от n=1,0003 до значения характеристического показателя преломления G, причем значение показателя преломления материала первого (i=1) слоя выбирается минимально допустимым n=n≥1.35, и последующем понижении характеристического показателя преломления с помощью N слоев (j=1, 2,… N) понижающего трансформатора от G до значения показателя преломления n первого оптического волокна 7 (см. фиг.1 и фиг.4). Вторая пара ОМСТ (см. фиг.3) решает аналогичную задачу: повышает показатель преломления воздуха в зазоре Δ с помощью N слоев (k=1, 2,… N) повышающего трансформатора от n=1,0003 до значения характеристического показателя преломления G (см. фиг.4), причем значение показателя преломления материала первого (k=1) слоя выбирается минимально допустимым n=n≥1,35, и последующем понижении характеристического показателя преломления с помощью N слоев (t=1, 2,…N) понижающего трансформатора от G до значения показателя преломления n. второго оптического волокна 8 (см. фиг.1 и фиг.4). Полное согласование первого 7 и второго 8 оптических волокон обеспечивается при воздушном зазоре Δ. Это упрощает собственно конструкцию соединителя и его эксплуатацию в полевых условиях.
Порядок изготовления ОМСТ1 (ОМСТ2) можно показать на примере его расчета с характеристикой Чебышева [Лапшин Б.А. Новая теория и расчет фильтров и трансформаторов на отрезках передающих линий. - СПб.: Наука, 1998], при этом решаются две задачи: задача согласованного включения двух оптических волокон 7 и 8 (см. фиг.1), разделенных воздушным зазором Δ (см. фиг.3), и задача возможности построения оптических трансформаторов на слоях из материалов с реализуемыми показателями преломления.
Пусть необходимо получить волоконно-оптический соединитель с частотной характеристикой затухания, показанной на фиг.5 при следующих исходных данных:
oв1
oв2
- показатели преломления материалов первого и второго оптических волокон n=n=1.47;
0
0
- максимально допустимое затухание волоконно-оптического соединителя α=0,02 дБ в интервале длин волн от 1613 нм до 820 нм, при средней длине волны λ=1087 нм; что соответствует диапазону частот от 206 ТГц до 346 ТГц и средней частоте f=276 ТГц;
- значения показателей преломления слоев оптических многослойных покрытий должны находиться в реализуемых пределах 1,35…2,5.
oв1
oв2
11
12
21
22
11,1
21,1
1
2
1
2
11,1
11,2
12,1
12,2
21,1
21,2
22,1
22,2
С учетом заданных условиями задачи значений n, nи α из формул (1) и (2), при Δα=0,016 дБ, определяют число слоев повышающих и понижающих оптических трансформаторов: N=N=N=N=2. Задаются минимально допустимым реализуемым значением показателя преломления внешних слоев повышающих трансформаторов первого и второго оптических многослойных покрытий n=n=1,35. Вспомогательные коэффициенты G и G - характеристические показатели преломления понижающего и повышающего трансформаторов в точках их виртуального соединения соответственно первого и второго оптических многослойных покрытий определяют из формул (3)…(6).  и  где g=g=1,0626. Тогда по формулам (3)…(6) определяют значения показателей преломления каждого слоя соответственно: n=1,35; n=2,1790; n=2,3994; n=1,8023; n=1,35; n=2,1790; n=2,3994; n=1,8023.
0
На фиг.6 приведена расчетная частотная характеристика затухания волоконно-оптического соединителя с величиной воздушного зазора Δ=200λ=200×1,087=217,4 мкм=0,2174 мм. Максимальное затухание в заданном диапазоне частот от 206 ТГц до 346 ТГц (в диапазоне длин волн от 1465 нм до 867 нм) составляет α=0,0188 дБ, что удовлетворяет заданному требованию α=0,02 дБ.
0
На фиг.7 приведена расчетная волновая характеристика затухания волоконно-оптического соединителя с величиной воздушного зазора Δ=200λ=200×1,087=2174 мкм=2,174 мм. Максимальное затухание в заданном диапазоне частот от 206 ТГц до 346 ТГц (в диапазоне длин волн от 1465 нм до 867 нм) составляет α=0,0188 дБ, что также удовлетворяет заданному требованию α=0.02 дБ.
Результаты расчета рабочего затухания волоконно-оптического соединителя, приведенные на фиг.6 и фиг.7, свидетельствуют о малой зависимости затухания заявленного волоконно-оптического соединителя от величины Δ воздушного зазора, что гарантирует надежное соединение OВ в экстремальных условиях строительства и эксплуатации волоконно-оптических кабелей связи.
Приведенный пример свидетельствует о возможности построения волоконно-оптических соединителей с малыми потерями мощности за счет отражений в заданном диапазоне длин волн. При использовании заявленного волоконно-оптического соединителя возможно достижение сформулированного технического результата в любом выбранном диапазоне длин волн (инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом) на слоях из материалов с реализуемыми значениями показателей преломления.