волоконно-оптический кабель для многоканального акустооптического переключателя и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Волоконно-оптический кабель (ОК) для многоканального акустооптического переключателя, содержащий на входном конце сборку плотно соединенных оптических волокон, помещенных в жесткий корпус, снабженный элементами крепления к корпусу акустооптического переключателя, отличающийся тем, что по меньшей мере часть волокон в сборке содержит по длине волокна по меньшей мере один участок с диаметром оболочки, следующей за сердцевиной, меньше диаметра оболочки на остальной длине ОК, при этом соединенные волокна образуют усеченный конус, направленный вершиной к торцу входного конца ОК, а торцы волокон образуют плоский или вогнутый сферический торец входного конца ОК.

2. Волоконно-оптический кабель по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере у части волокон в сборке диаметр оболочки, следующей за сердцевиной, выполнен уменьшающимся по линейному закону в направлении к торцу входного конца ОК на участке с диаметром оболочки, меньшим диаметра оболочки на остальной длине ОК.

3. Волоконно-оптической кабель по п. 1, отличающийся тем, что в случае когда по меньшей мере часть волокон в сборке содержит по длине волокна по меньшей мере два участка с диаметром оболочки, следующей за сердцевиной, меньше диаметра оболочки на остальной длине ОК, эти участки чередуются с участками с неизменным диаметром оболочки, а при сборке двух соседних волокон участок с неизмененным диаметром соединяется с участком соседнего волокна, на котором диаметр оболочки меньше диаметра оболочки волокна на соседнем с ним участке.

4. Волоконно-оптический кабель по п. 1, отличающийся тем, что координаты (X_i, У_i) центра каждого торца волокна, входящего в сборку, связаны с координатами элементов крепления жесткого корпуса.

5. Волоконно-оптический кабель по п. 1, отличающийся тем, что содержит дополнительно по меньшей мере одно реперное волокно, расположенное, например, в центре сборки.

6. Волоконно-оптический кабель по п. 5, отличающийся тем, что координаты центра торца (Х_о, У_о) реперного волокна связаны с координатами центров волокон (X_i, У_i), входящих в сборку.

7. Способ изготовления волоконно-оптического кабеля, при котором на входном конце ОК снимают защитную оболочку с каждого волокна, укладывают волокна по направляющим, погружают обработанную часть в кислотный раствор на время, достаточное для уменьшения диаметра каждого волокна до заданной величины, промывают его, затем погружают входной конец ОК в нейтральный раствор, извлекают его, обеспечивая слипание волокон по всей длине обработанной части, устанавливают входной конец ОК в клеевой раствор так, что торец кабеля касается поверхности клея и при этом обеспечивается за счет капиллярных сил заполнение клеем свободного пространства между волокнами сборки на всей длине обработанной части, надевают на входной торец кабеля после затвердевания клея на всю длину обработанной части трубку с калиброванным наружным диаметром, заполняют свободное пространство внутри трубки клеем и после затвердевания вставляют трубку в жесткий корпус так, что торцевая часть кабеля вместе с трубкой выступают за жесткий корпус, после чего трубку жестко соединяют с корпусом входного конца ОК, выступающую часть кабеля отрезают и полируют входной торец.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что после отрезания и полировки входного торца кабеля определяют положение центра торца каждого волокна относительно элементов крепления жесткого корпуса входного конца ОК к корпусу акустооптического переключателя.

9. Способ по п. 7 или 8, отличающийся тем, что в сборке волокон определяют положение центра торца реперного волокна относительно элементов крепления жесткого корпуса входного конца ОК к акустооптическому переключателю.

10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что определяют положение центров торцов всех волокон входного конца ОК относительно положения центра торца реперного волокна.

11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что определение центра реперного волокна относительно центра торцов всех волокон ОК производят путем сканирования пучком торцевой поверхности входного конца ОК с последовательным подключением выходных концов волокон к фотодетектору, выход которого подключают через аналого-цифровой преобразователь к компьютеру, вычисляющему положение центра торца каждого волокна сборки относительно центра торца реперного волокна.

12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что все торцы выходных волокон обрабатывают и собирают в технологическую сборку, торец которой соединяют с цифровой телекамерой, которую подключают к компьютеру, а после измерения координат центров торцов входных волокон технологическую сборку выходного конца ОК разбирают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам многоканальной оптоволоконной связи, в частности оно может быть отнесено к устройствам коммутации многоканальной оптоволоконной связи посредством акусто-оптического переключателя.

Световой поток, излучаемый одним или несколькими световодами, переводится коммутатором на входной торец одного из световодов, образующего вместе с другими идентичными световодами выходной оптоволоконный кабель.

Конструктивно ОК для оптических коммутаторов может быть выполнен в виде различных сборок.

Так, в устройствах по патентам США 4896935, 5479541, 5434936, 5483608 использованы сборка выходных волокон в кабель, в которой входные торцы одинаковых волокон расположены либо по окружности, либо по линии.

Попытка увеличения числа переключаемых каналов за счет увеличения количества волокон в сборке приводит к существенному снижению быстродействия коммутатора, так как увеличивается расстояние между внешними каналами (двумя наиболее удаленными друг от друга волокнами).

В патенте ФРГ DЕ 107 06 053 А1 (кл. Н 01 J 10/12) предложен ряд новых решений для конструкции ОК.

Выходные волокна собраны так, что их входные торцы образуют двумерный массив, а для более точного попадания входного пучка в центральную жилу выходного волокна применяется средство для автоматического управления положением пучка, содержащее секционный кольцевой фотодетектор расположенный вокруг наружной оболочки каждого выходного волокна.

Это позволяет не заботиться о точности изготовления сборки и стабильности взаимного расположения центров входных торцов волокон в процессе эксплуатации изделия.

К недостаткам предложенного выше решения следует отнести снижение числа переключаемых каналов из-за увеличения площади, занимаемой торцом выходного волокна, окруженного кольцевым фотодетектором, и снижение скорости переключения за счет выделения времени на работу средства управления положением пучка.

Наиболее близким по технической сущности является патент США 5907650 (кл. Н 01 J 10/12), принятый далее за прототип, в котором в качестве ОК в коммутаторе используют высокоточный соединитель в виде матрицы оптических волокон и приводится метод его создания.

Матрица содержит элемент в виде маски с задней и передней поверхностями и множеством отверстий в них.

Входные концы волокон перед сборкой в кабель срезают на конус и вставляют в маску так, что часть волокна с конусной наружной поверхностью выступает за переднюю поверхность маски, и в таком виде маска и волокна на длине маски склеиваются.

Далее происходит механическое удаление выступающих частей волокон и полировка входного торца образовавшейся жесткой сборки оптических волокон.

Способ по данному патенту включает в себя подготовку волокон к формированию конической поверхности на их концах, подготовку отверстий в первичной маске, причем каждое отверстие на передней поверхности маски должно иметь диаметр, меньший, чем диаметр наружной оболочки волокна. Затем производится введение конических концов волокон через отверстия в задней стенке до тех пор, пока конические поверхности входного конца волокон не войдут в соприкосновение со стенками отверстий маски на передней ее стенке. Далее производится нанесение клеящего материала на переднюю поверхность маски и удаление выступающих волокон. Затем производится шлифовка и полирование концов волокон и передней поверхности маски, на которую был нанесен клеящий материал.

На основе предложенных в патенте решений с помощью технологии эксимерных лазеров для одномодовых и многомодовых волокон достигается точность центрирования волокна в пространстве на уровне 2 микрон и выше.

Анализ материалов патента позволяет установить, что стержнем устройства является маска как минимум с двумя стенками, на которых с помощью высокоточной лазерной технологии изготовлены как минимум два массива отверстий, которые служат направляющими при сборке оптических волокон. Расстояние между центрами волокон должно превосходить наружный диаметр волокна без защитной оболочки, а это, как указывалось ранее, снижает максимально возможное число каналов в коммутаторе.

Кроме указанного недостатка, следует отметить сложность технологии сборки волокон в кабель, обусловленную необходимостью изготавливать прецизионную маску, вставлять каждое волокно в отверстие на передней поверхности маски и протягивать его перед этим через направляющие отверстия, расположенные на задней поверхности маски.

Достигнутая точность сборки не устраняет полностью возможность ухудшения параметров переключателя за счет изменения положения всего торца кабеля относительно остальных элементов коммутатора, которое может быть вызвано изменениями условий внешней среды, например температуры.

Все решения, соответствующие современному уровню техники, обладают тем недостатком, что не обеспечивают максимально возможное число каналов и не позволяют реализовать предельные возможности многоканального акустооптического переключателя (МК АОП) и создать на его основе коммутатор с максимальным числом каналов, не ухудшая его быстродействие и обеспечивая при этом возможность простого, а следовательно, дешевого способа монтажа оптического кабеля.

Задачей изобретения является создание ОК для МК АОП, который имел бы максимальное число каналов при минимальной площади входного торца и обеспечивал при его установке в МК АОП минимальное затухание при вводе пучка света в волокно и минимальные перекрестные связи между каналами и сохранял эти параметры неизменными в условиях нестабильной внешней среды.

Поставленная задача достигается за счет того, что волоконно-оптический кабель (ОК) для многоканального акустооптического переключателя содержит на входном конце сборку соединенных оптических волокон, помещенных в жесткий корпус, который снабжен элементами крепления к корпусу акустооптического переключателя, по меньшей мере, часть волокон в сборке содержит по длине волокна, по меньшей мере, один участок с диаметром оболочки, следующей за сердцевиной, меньше диаметра оболочки на остальной длине ОК, при этом соединенные волокна образуют усеченный конус, направленный вершиной к торцу входного конца ОК, а торцы отдельных волокон образуют плоский или вогнутый сферический торец входного конца ОК.

Частными существенными признаками ОК являются:

- на указанном участке каждого волокна в сборке с диаметром оболочки, следующей за сердцевиной, меньше диаметра оболочки на остальной длине ОК диаметр оболочки выполнен уменьшающимся по линейному закону в направлении к торцу входного конца ОК,

- в случае, когда, по меньшей мере, часть волокон в сборке содержит по длине волокна, по меньшей мере, второй участок с диаметром этой же оболочки, следующей за сердцевиной, меньше диаметра наружной оболочки на остальной длине ОК, эти участки чередуются с участками с неизмененным диаметром оболочки, а при сборке двух соседних волокон участок с неизмененным диаметром соединяется плотно с участком соседнего волокна, на котором диаметр оболочки меньше диаметра этой же оболочки волокна на соседнем с ним участке;

- координаты (Хi, Yi) центра каждого торца волокна, входящего в сборку, связаны с координатами элементов крепления жесткого корпуса;

- сборка содержит дополнительно, по меньшей мере, одно реперное волокно, расположенное, например, в центре сборки;

- координаты центра торца (Х₀,У₀) реперного волокна связаны с координатами центров всех волокон (Xi, Yi), входящих в сборку.

Поставленная задача решается также за счет способа изготовления волоконно-оптического кабеля, при котором на входном конце ОК снимают защитную оболочку с каждого волокна, укладывают волокна в две направляющие, погружают на заданную часть длины обработанного участка в кислотный раствор на время, достаточное для уменьшения диаметра каждого волока до заданной величины, промывают его, помещают его в нейтральный раствор, извлекают из него сборку волокон так, что обеспечивается слипание волокон по всей длине протравленной части, затем погружают входной конец ОК в клеевой раствор, так, что торец кабеля касается поверхности клея и при этом обеспечивается за счет капиллярных сил заполнение клеем свободного пространства между волокнами сборки на всей длине протравленной части, а после затвердевания клея надевают на входной конец кабеля на всю его длину, включая и участок с направляющими, трубку с калиброванным наружным диаметром, заполняют свободное пространство внутри трубки клеем и после его затвердевания вставляют трубку в жесткий корпус так, что торцевая часть кабеля вместе с трубкой выступают за жесткий корпус, после чего трубку жестко соединяют с корпусом входного конца ОК, выступающую часть кабеля отрезают и полируют входной торец.

Частными существенными признаками способа являются:

- определение после отрезания и полировки входного торца кабеля положения центра торца каждого волокна относительно элементов крепления жесткого корпуса входного конца ОК;

- включение в сборку волокон, по меньшей мере, одного реперного волокна определяет положение центра торца реперного волокна относительно элементов крепления жесткого корпуса входного конца ОК к АОП;

- определение положение центров торцов всех волокон входного конца ОК относительно положения центра торца реперного волокна;

- определение положения центра торца реперного волокна относительно центра торцов всех волокон ОК путем сканирования узким пучком торцевой поверхности входного конца ОК с последовательным подключением выходных концов волокон к фотодетектору, выход которого подключают через аналого-цифровой преобразователь к компьютеру, вычисляющему положение центра торца каждого волокна сборки относительно центра торца реперного волокна;

- все торцы выходных волокон обрабатывают и собирают в технологическую сборку, торец которой через цифровую телекамеру подключают к компьютеру, а после измерения координат центров торцов входных волокон технологическую сборку выходного конца ОК разбирают.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена промежуточная сборка входного конца ОК с непротравленной частью волокна, зачищенного от защитной оболочки.

На фиг.2 показана та же сборка, но уже с равномерно протравленными волокнами на части длины участка волокна, зачищенного от наружной оболочки.

На фиг. 3 представлена та же сборка с волокнами, протравленными по линейному закону.

На фиг.4 - то же, но с волокнами, протравленными так, что чередуются участки протравленные с участками непротравленными.

На фиг 5, 6, 7 показана промежуточная сборка входного конца ОК с калиброванной трубкой с волокнами, протравленными, как показано на фиг.2, 3, 4 соответственно.

На фиг.8 показана сборка, представленная на фиг.4, вид с торца,

На фиг.9 показана окончательная сборка ОК.

На входном конце кабеля в сборку оптических волокон в жестком корпусе входят волокна, часть из которых, примерно половина, или все содержат вдоль волокна участок с диаметром наружной оболочки (следующей за сердцевиной) меньше диаметра наружной оболочки волокна на остальной длине ОК, при этом соединенные (склеенные) волокна, прилегая друг к другу, образуют усеченный конус, направленный своей вершиной к торцу входного конца ОК, а торцы отдельных волокон уложены либо по плоскости, либо по сфере, так, что они образуют либо плоский, либо вогнутый сферический торец входного конца ОК, занимая при укладке минимальную площадь торца входного конца ОК, либо

- в сборку оптических волокон в жестком корпусе входят волокна, часть из которых, примерно половина, или все содержат по длине волокна участок с диаметром наружной оболочки (следующей за сердцевиной), уменьшающимся в направлении к торцу входного конца ОК по линейному закону, либо

- в сборку оптических волокон в жестком корпусе входят волокна, часть из которых или все содержат по длине волокна несколько участков с диаметром наружной оболочки (следующей за сердцевиной) меньше диаметра наружной оболочки волокна на остальной длине ОК, при этом эти участки имеют одинаковую длину и чередуются с участками такой же длины с неизмененным диаметром наружной оболочки волокна, а при сборке двух соседних волокон участок с неизмененным диаметром соединяется плотно с участком соседнего волокна, на котором диаметр наружной оболочки меньше диаметра наружной оболочки волокна на соседнем с ним участке.

Изобретение позволяет создать ОК с максимальным числом волокон, торцы которых занимают минимальную площадь на его входном торце.

Укладка волокон в кабель так, как указано в п.2 формулы изобретения, позволяет минимизировать потери сигнала через боковые стенки наружной оболочки волокна, а при том же уровне потерь - уменьшить диаметр торца волокна и, следовательно, увеличить число каналов в МК АОП.

Устройство по п.3 формулы изобретения позволяет уложить волокна параллельно друг другу как в рядах, так и в столбцах и тем самым реализовать регулярную укладку волокон с уменьшенным расстоянием между центрами входных торцов соседних волокон.

Для организации адреса центра входного торца каждого волокна (Xi, Yi), привязки адресного пространства к присоединительным элементам жесткого корпуса ОК и обеспечения работы средства автоподстройки адресного пространства в условиях нестабильности окружающей среды в устройстве предложено:

- координаты (Xi, Yi) центра каждого торца волокна, входящего в сборку, привязать к координатам присоединительных элементов жесткого корпуса;

ввести в ОК дополнительно как минимум одно реперное волокно (например, в центре сборки);

- координаты центра торца (Х₀,Y₀) реперного волокна привязать к центрам всех волокон (Xi, Yi), входящих в сборку.

Изобретение позволяет создать ОК, в котором адрес центра торца каждого волокна корректируется в процессе работы коммутатора и тем самым обеспечивается надежная работа МК АОП в условиях нестабильной внешней среды.

Способ создания ОК характеризуется действиями, выполняемыми в следующей последовательности, и включает:

- подготовку оптических волокон для сборки,

- снятие защитной оболочки на требуемой длине до наружной оболочки (следующей за сердцевиной);

- сборку входного конца ОК с использованием либо гексагональной, либо регулярной укладки;

- скрепление (склеивание) волокон на входном конце кабеля и изготовление жесткой сборки;

- установку сборки волокон в жесткий корпус, имеющий элементы крепления к корпусу АОП, так, что часть кабеля выступает за жесткий корпус;

- удаление выступающей части входного конца ОК;

- полировку и доводку входного торца ОК;

- установку защитного кожуха на ОК;

- сборку выходного конца ОК,

при подготовке оптических волокон для сборки защитная оболочка снимается с каждого волокна сборки на такой длине, которая позволяет обрабатывать диаметр с целью его уменьшения, а после обработки соединять (склеивать) все волокна вместе без возникновения напряжения в соединении (например, для волокна с диаметром наружной оболочки, равным 125 мкм, и диаметром сердцевины, равным 9,5 мкм, эта величина равна 70 мм);

при сборке волокон на входном конце ОК их укладывают в направляющие (квадратной, или круглой, или иной формы) и обжимают ими волокна так, что образуется плотная (гексагональная) укладка волокон, причем первая и вторая направляющие устанавливаются на таком расстоянии от конца волокон, при котором волокна по длине свободного конца не меняют порядка укладки, а первая от конца волокон направляющая устанавливается на незащищенной части волокон (например, для волокна, указанного в п.1 формулы изобретения, отстоящие от первой направляющей - 80 мм, а второй - 100 мм). Возможно применение одной направляющей, но при этом ее длина должна быть такой, чтобы обеспечивалось повторение типа укладки на свободном (зачищенном) конце ОК;

- опускают входной конец кабеля в химический раствор (например, плавиковой или серной кислоты) на заданную для данного кабеля глубину (например, для волокна указанного в п.1 формулы изобретения типа и их числе 3232 глубина погружения составляет 30 мм);

- выдерживают опущенный конец кабеля в кислоте в течение времени, достаточном для уменьшения диаметра, очищенного от оболочки до требуемой величины (для кварцевого волокна с диаметром наружной оболочки 125 мкм его уменьшают до диаметра 30 мкм);

- вынимают входной конец ОК из приспособления для травления и помещают его в промывочное устройство;

- опускают отмытый входной конец ОК в нейтральный раствор с повышенной вязкостью;

- вынимают из нейтральной жидкости входной конец ОК так, что обеспечивается слипание волокон друг к другу по всей длине обработанной части,

- устанавливают входной конец кабеля в клеевой раствор так, что торец кабеля касается поверхности клея и при этом обеспечивается за счет капиллярных сил заполнение клеем свободного пространства между волокнами сборки на всей длине обработанной части;

- надевают на входной конец кабеля после затвердевания клея на всю длину обработанной части трубку (например, стеклянную) с калиброванным наружным диаметром;

- заполняют свободное пространство внутри трубки клеем и после затвердевания его вставляют трубку в жесткий корпус так, что торцевая часть кабеля вместе с трубкой выступают за жесткий корпус, после чего трубку жестко соединяют с корпусом входного конца ОК;

- после удаления выступающей части ОК и полировки входного торца ОК определяют положения центра торца каждого волокна относительно присоединительных элементов крепления жесткого корпуса входного конца ОКкАОП;

- определяют положение центра торца реперпого волокна относительно присоединительных элементов крепления жесткого корпуса входного конца ОКкАОП;

- определяют положение центра торцов всех волокон входного конца OK относительно центра торца реперного волокна;

- определяют положение центра реперного волокна относительно центра торцов всех волокон ОК путем сканирования узким пучком торцевой поверхности входного конца ОК с последовательным подключением выходных концов волокон к фотодетектору, выход которого подключают через АЦП к компьютеру, где вычисляют положение центра торца каждого волокна сборки относительно центра торца реперного волокна;

- все торцы выходных волокон обрабатывают и собирают в технологическую сборку, торец которой через цифровую телекамеру подключают к компьютеру, а после измерения координат центров торцов входных волокон технологическую сборку выходного конца ОК разбирают;

- опущенный конец ОК сразу после погружения начинают вынимать из раствора со скоростью, замедляющейся по квадратичному закону;

- перед укладкой волокон в направляющие на зачищенную поверхность каждого волокна наносят полосами равной длины с одинаковым шагом, равным ширине полосы, слой материала, предохраняющий поверхность волокна от стравливания, который после окончания травления смывают, а укладку волокон производят так, что протравленные участки одного волокна сопрягаются с непротравленными участками соседнего волокна.

Как показал проведенный заявителями информационный поиск, из уровня техники неизвестно устройство с перечисленной совокупностью существенных признаков, т. е. заявляемое устройство обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него тем, что в сборку входного конца ОК входят волокна, по меньшей мере, часть из которых содержит по длине волокна участок с диаметром оболочки, следующей за сердцевиной, меньше диаметра этой же оболочки волокна на остальной длине ОК, при этом соединенные (склеенные) волокна, плотно прилегая друг к другу, образуют усеченный конус, направленный своей вершиной к торцу входного конца ОК, а торцы отдельных волокон уложены либо по плоскости, либо по сфере, так что они образуют либо плоский, либо вогнутый сферический торец входного конца ОК, занимая при укладке минимальную площадь торца входного конца ОК.

Также для создания ОК с регулярной укладкой волокон впервые предложено формировать входной конец ОК из волокон, но меньшей мере часть из которых, примерно половина, имеет по длине волокна участки с диаметром оболочки, следующей за сердцевиной, меньше диаметра наружной оболочки волокна на остальной длине ОК, при этом эти участки чередуются с участками с неизмененным диаметром оболочки волокна, причем длины чередующихся участков равны, а при сборке двух соседних волокон участок с неизмененным диаметром соединяется плотно с участком соседнего волокна, на котором диаметром оболочки меньше диаметра оболочки волокна на соседнем с ним участке. Следует отметить, что и в этом случае площадь, занимаемая торцами волокон, меньше, чем у прототипа, а следовательно, предлагаемое устройство во всех вариантах реализации имеет большее число каналов в диапазоне работы коммутатора, чем прототип. В ОК возможно установить либо сборку граданных волокон, либо сборку микролинз, зафиксированных жестко относительно сборки волокон, что позволяет создать МК АОП с максимальным числом полностью развязанных каналов передачи информации.

В предлагаемом устройстве не используется дорогостоящая маска, а регулярная укладка волокон обеспечивается технологией сборки ОК.

В предлагаемом ОК не требуется высокая точность сборки и идеальная (на уровне 1 мкм) регулярность укладки волокон, так как в ОК дополнительно введено реперное волокно, координаты центра торца которого относительно центров входных торцов волокон и относительно присоединительных элементов крепления жесткого корпуса входного конца ОК к корпусу АОП. Способ изготовления прелагаемого ОК отличается от прототипа простотой и стоимостью, так как нет сложных и дорогостоящих операций по созданию маски и установки в нее каждого волокна.

Заявленные устройства ОК с учетом зависимых пунктов формулы позволяют создать разнообразные образцы ОК с быстродействием переключения на уровне единиц микросекунд с числом переключаемых каналов, приближающимся к 10000 каналов, что позволит наиболее полно удовлетворить разнообразные запросы средств оптоволоконной связи и телекоммуникаций.

Как было указано, заявителям неизвестны технические решения, обладающие совокупностью перечисленных отличительных признаков и обеспечивающие получение вышеназванного результата, поэтому заявители считают, что заявляемое устройство и способ для его изготовления соответствуют каждый критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Заявляемые устройство и способ для его изготовления может быть каждый реализован с применением соответствующих современных оборудования и технологий и могут найти широкое применение в средствах оптоволоконной связи и телекоммуникаций, поэтому соответствует критерию промышленной применимости.