устройство для изготовления волоконно-оптических ответвителей

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ, включающее первую пару держателей оптических волокон с фиксаторами, нагревательный элемент, содержащий два электрода и установленный между держателями первой пары, вторую пару держателей волокон, каждый из которых установлен рядом с держателем из первой пары со стороны, противоположной нагревательному элементу, механизм перемещений пары держателей, отличающееся тем, что в него дополнительно введены электропривод механизма перемещения пары держателей, последовательно соединенные датчик натяжения оптических волокон и формирователь управляющего сигнала, выход которого соединен с электроприводом механизма перемещения пары держателей, устройство натяжения волокон, при этом на механизме перемещения пары держателей установлена первая пара держателей, фиксаторы которых выполнены из термопластичного материала, а нагревательный элемент содержит блок из тугоплавкого материала, выполненный с продольным пазом, напротив которого установлены острия электродов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к волоконной технике, и может использоваться при разработке и изготовлении волоконно-оптических линий связи, волоконно-оптических гироскопов, других волоконно-оптических датчиков и их элементов.

Известно устройство для изготовления волоконно-оптических ответвителей, принцип действия которого основан на полировке волокон, их юстировке и фиксации друг относительно друга с последующим помещением участка оптической связи волокон в иммерсионную среду.

Однако изготовление ответвителей на этой установке требует проведения сложных технологических операций (полировка, юстировка и др.), а кроме того, сами ответвители обладают низкой температурной стабильностью своих характеристик из-за использования иммерсии.

Указанные недостатки устраняются в известном устройстве для изготовления волоконно-оптических ответвителей, содержащем первую пару держателей волокон с фиксаторами, нагревательный элемент, выполненный в виде двух электродов, установленный между держателями первой пары, вторую пару держателей волокон, каждый из которых установлен рядом с держателем из первой пары на общей с ними оси со стороны, противоположной нагревательному элементу, механизм перемещения пары держателей. Ответвитель изготавливается путем вытяжки волокон при их тепловом размягчении. В этом устройстве в качестве нагревательного элемента используется два электрода, между которыми зажигается дуговой разряд.

Однако флуктуации натяжения волокон при их вытяжке приводят к искажениям профиля формируемой перетяжки ответвителя, а следовательно, к дополнительным оптическим потерям, и понижают процент выхода годных ответвителей за счет повышения вероятности обрыва и несплавления волокон. Кроме того, нестабильность дугового разряда между двумя электродами также приводит к ухудшению характеристик ответвителей.

Техническим результатом изобретения является повышение процента выхода годных ответвителей с улучшенными оптическими характеристиками.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для изготовления волоконно-оптических ответвителей, включающем первую пару держателей оптических волокон с фиксаторами, нагревательный элемент, содержащий два электрода и установленный между держателями первой пары, вторую пару держателей волокон, каждый из которых установлен рядом с держателем из первой пары со стороны противоположной нагревательному элементу, механизм перемещения пары держателей, дополнительно введены электропривод механизма перемещения держателей, последовательно соединенные датчик натяжения оптических волокон и формирователь управляющего сигнала, выход которого соединен с электроприводом механизма перемещения пары держателей, устройство натяжения волокон, при этом на механизме перемещения пары держателей установлена первая пара держателей, фиксаторы которых выполнены из термопластичного материала, а нагревательный элемент содержит блок из тугоплавкого диэлектрического материала, выполненный с продольным пазом, напротив которого установлены острия электродов.

Для изготовления волоконных ответвителей путем вытяжки двух соприкасающихся волокон при их тепловом размягчении необходимой стадией трансформации волокон является их сплавление с образованием единой оболочки. Если сплавления не происходит, то каждое из волокон утончается отдельно, в результате чего оптическая связь между волокнами оказывается очень слабой и ответвитель не выполняет свои функции. Для обеспечения сплавления волокон продольные (растягивающие) напряжения должны быть меньше поперечных сил поверхностного натяжения, обеспечивающих сплавление, т.е. продольные усилия надо уменьшать, а температуру разогрева увеличивать. Однако, с другой стороны, процесс вытяжки должен обеспечивать минимальное смещениe размягченных участков относительно неразмягченных под действием силы тяжести. Это достигается увеличением продольного натяжения и снижением температуры разогрева.

Из изложенного следует наличие оптимальных величин продольного натяжения волокон и температуры разогрева, а также необходимость их стабилизации. В устройстве-прототипе случайные флуктуации натяжения или температуры могут приводить к обрыву или несплавлению волокон, что снижает процент выхода годных ответвителей. Предлагаемое устройство позволяет стабилизировать указанные параметры в процессе вытяжки, что повышает процент выхода годных ответвителей. Оптимизация и стабилизация продольного натяжения волокон обеспечивается датчиком натяжения и формирователем управляющего сигнала, который выдает сигнал на обмотки электропривода механизма перемещения держателей с целью компенсации возникшей флуктуации натяжения, зафиксированной датчиком натяжения.

Для улучшения стабильности температуры разогрева за счет стабилизации дугового разряда острия электродов устанавливаются напротив продольного паза в тугоплавком диэлектрическом материале, ориентированного вдоль оси расположения держателей, на оси расположения держателей. Наличие диэлектрической поверхности вблизи разряда необходимо для его стабилизации. Если поверхность отсутствует, то конфигурация разряда определяется случайными граничными условиями, что обусловливает ее неустойчивость. При наличии диэлектрической поверхности вблизи разряда граничные условия задаются жестко и возникающий градиент концентрации носителей зарядов обеспечивает стабильность характеристик разряда. Возбуждение разряда вблизи внутренней поверхности паза в тугоплавком диэлектрическом материале, ориентированного вдоль оси расположения держателей, позволяет обеспечить стабилизацию его формы по двум поперечным координатам и введение волокон в область разряда.

При работе устройства следует использовать высокочастотный дуговой разряд, чтобы исключить перенос вещества электродов на поверхность волокон, что приводит к возрастанию оптических потерь ответвителя.

В случае фиксации волокон только на одной паре держателей возникают поперечные напряжения на участках волокон, расположенных между держателями, связанные с разъюстировкой фиксируемых участков волокон по углу и их несоосностью. При размягчении волокон с одновременной вытяжкой эти напряжения могут привести к искривлению волокон в области размягчения, что, в свою очередь, препятствует сплавлению волокон, необходимому для функционирования ответвителя, и увеличивает оптические потери в ответвителе. Использование двух пар держателей, устройства натяжения и фиксатора из термопластичного материала позволит избежать этого за счет предварительного натяжения волокон и фиксации их на держателях второй пары в натянутом состоянии с последующей фиксацией волокон на держателях первой пары термопластичным материалом.

После фиксации волокон на второй паре держателей в натянутом состоянии волокна не имеют изгибов и все поперечные напряжения волокон локализованы вблизи этих держателей. Вследствие этого фиксация волокон на первой паре держателей термопластичным материалом не приводит к возникновению поперечных напряжений на участках волокон, расположенных между держателями, из-за отсутствия разъюстировок фиксируемых участков волокон по углу и их несоосности. Теперь при размягчении волокон с одновременной вытяжкой не возникает искривления волокон в области размягчения, что, в свою очередь, уменьшает вероятность несплавления волокон, необходимого для функционирования ответвителя, и устраняет рост оптических потерь в ответвителе, связанных с искривлением участка связи.

Новизна предлагаемого устройства для изготовления волоконно-оптических ответвителей состоит в том, что впервые задача повышения процента выхода годных ответвителей с улучшенными оптическими характеристиками решается за счет дополнительного введения в его состав устройства натяжения волокон и выполнения фиксаторов держателей первой пары из термопластичного материала. Устройство натяжения необходимо для придания волокнам прямолинейной формы, а фиксация волокон на первой паре держателей термопластичным материалом позволяет избежать возникновения поперечных напряжений в местах фиксации и не приводит к разъюстировкам фиксируемых участков волокон. Кроме того для решения этой задачи за счет уменьшения вероятности несплавления волокон и их обpыва в процессе вытяжки впервые применяется специальная конструкция нагревательного элемента и вводятся последовательно соединенные датчик натяжения волокон, формирователь управляющего сигнала, выход которого соединен с электроприводом механизма перемещения держателей.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство; на фиг.2 - нагревательный элемент; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1.

Устройство содержит первую пару держателей 1, механизм 2 перемещения держателей, нагревательный элемент, выполненный в виде двух электродов 3, острия которых расположены напротив продольного паза в блоке 4 из тугоплавкого диэлектрического материала, установленного между держателями 1, последовательно соединенные датчик 5 натяжения волокон и формирователь 6 управляющего сигнала, выход которого соединен с электроприводом 7 механизма 2, устройство 8 натяжения волокон, вторую пару держателей 9 волокон, каждый из которых установлен рядом с держателем из первой пары 1 со стороны, противоположной нагревательному элементу, фиксаторы 10 из термопластичного материала, входящие в состав держателей 1 первой пары. Устройство предназначено для изготовления волоконно-оптических ответвителей из соприкасающихся волокон 11. Перед началом вытяжки волокна фиксируются на держателях 9 в натянутом состоянии, обеспечиваемом устройством 8 натяжения. Затем волокна фиксируются на держателях 1 термопластичным компаундом, зажигается дуговой разряд между электродами 3 и осуществляется процесс вытяжки с постоянным натяжением, который реализуется за счет управления электроприводом 7 механизма 2 перемещения по выходному сигналу формирователя 6 управляющего сигнала, зависящему от натяжения волокон, измеряемому датчиком 5 натяжения.

Держатели 1 представляют собой стеклянные стержни, жестко соединенные с дисками, один из которых насаживается на ось электродвигателя (ДПР-32-Н1-07). Диски находятся в плотном контакте между собой и при повороте ротора двигателя вращаются в противоположные стороны без проскальзывания. Датчик натяжения, установленный на одном из стержней, представляет собой две миниатюрных пластинки, упруго соединенные между собой, одна из которых жестко закрепляется на стержне, а другая служит для фиксации волокон. Натяжение волокон измеряется по относительному смещению пластинок. В качестве фиксатора 10 используются пицеин. Напряжение на обмотки двигателя подается с формирователя 6, представляющего собой ПИД-регулятор, собранный по стандартной схеме на основе микросхем серии 544УД1.

Нагревательный элемент представляет собой два вольфрамовых электрода 3, расположенных вблизи торцов кварцевого блока 4, имеющего продольный паз 12. Разряд поддерживается напряжением 10 кВ с частотой 400 Гц. Фиксация волокон на держателях осуществляется их механическим зажимом. В качестве устройства натяжения используется микропозиционер с электроприводом и магнитным зажимом волокон.

В процессе вытяжки входной отрезок одного из волокон возбуждается полупроводниковым источником излучения 32ДЛ105, а интенсивность на выходе ответвителя контролируется в каждом из волокон с помощью фотоприемных устройств на основе фотодиодов ФД-256. Процесс вытяжки прекращается по достижении равенства интенсивностей излучения в каждом из выходных отрезков ответвителя. Для изготовления ответвителей используется кварцевоe одномодовое волокно.

На собранном макете устройства были изготовлены пятнадцать ответвителей, потери которых не превышают 0,4 дБ (см. таблицу, партия N 3).

Для сравнения на этом же макете изготавливаются еще две партии по пятнадцать ответвителей, одна из которых (партия N 2) изготавливается без использования устройства 8 натяжения и второй пары фиксаторов, а другая партия (N 3) изготавливается, кроме того, без использования датчика 5 натяжения, формирователя 6 управляющего сигнала и кварцевого капилляра, стабилизирующего дуговой разряд.

Для партии N 1 в семи случаях ответвители не функционируют либо из-за несплавления волокон, либо из-за их образа в процессе вытяжки. Оптические потери остальных составляют 3 - 10 дБ (см. таблицу). Для партии N 2 в трех случаях из-за несплавления волокон ответвители оказываются функционально непригодны. Потери остальных составляют 0,3 - 1,5 дБ (см. таблицу).

Для партии N 3 (предлагаемое устройство) потери всех ответвителей не превышают 0,4 дБ.

Таким образом, предлагаемое устройство для изготовления волоконно-оптических ответвителей позволяет улучшить оптические характеристики ответвителей (уменьшить потери излучения) более чем в 10 раз и повысить процент выхода годных ответвителей с заданным уровнем потерь.