Главная > Оптика > Волоконная оптика и приборостроение
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

4.6. Оптические соединители

Для соединения элементов световодных систем между собой требуются простые и надежные соединители волоконных световодов друг с другом (ВС-ВС), с излучателями (ИИ-ВС), фото детекторами (ВС-ФД) и полосковыми световодами (ВС-ПС).

Оптический соединитель представляет собой один из самых важных пассивных компонентов для световодных систем, от уровня разработки которых зависят предельные возможности и сроки эксплуатации систем. Требования, предъявляемые к соединителям, можно сформулировать следующим образом: низкий уровень оптических потерь, стабильность оптических потерь в процессе эксплуатации, устойчивость к внешним воздействиям, надежность, простота сборки, низкая стоимость, герметичность.

Оптические соединители ВС-ВС.

Соединение волоконных световодов производится либо непосредственно «встык», либо с использованием коллимирующих и фокусирующих элементов.

Оптические потери при соединении «встык». Оптические потери при непосредственном соединении волоконных световодов можно разделить на три группы: 1) определяемые взаимным расположением волоконных световодов; 2) связанные с неидентичностью параметров соединяемых волоконных световодов; 3) связанные с отражением от торцов световодов.

В первой группе наибольшую роль играют потери, связанные с радиальным смещением (децентрировкой) сердцевины волоконных световодов, но также существенную роль играет угловое рассогласование, а также расстояние между световодами (осевое смещение).

Потери в результате децентрировки 1374] могут быть определены по формуле

где — коэффициент эффективности совмещения, зависящий от децентрировки, профиля показателя преломления волоконных световодов, модового состава оптического излучения. Коэффициент эффективности совмещения зависит от относительного радиального смещения — смещение, а — радиус сердцевины), а также от модового состава излучения и распределения оптической энергии по сечению волоконного световода. Для коэффициента эффективности получены следующие аналитические выражения [157, 274]: для волоконных световодов со ступенчатым профилем показателя преломления при однородном возбуждении моды

то же с учетом мод оболочки

для волоконных световодов с градиентным профилем показателя преломления при однородном возбуждении мод

то же с учетом мод оболочки

Легко увидеть, что у волоконных световодов с. градиентным профилем показателя преломления оптические потери выше. Это связано с тем, что их числовая апертура, максимальная по оси, убывает до нуля к периферии сердцевины. Точность расчетов при вычислении по приведенным выше формулам вполне достаточна для инженерных целей и хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Для одномодовых волоконных световодов со ступенчатым и градиентным профилем показателя преломления более точно оптические потери в результате децентрировки можно рассчитать по формуле

где — параметр, определяющий диаметр луча.

По формулам (4.65)-(4.69) легко оценить необходимую точность совмещения для обеспечения оптических потерь в соединителе менее 0,5 дБ. Относительное смещение должно быть не больше 0,2, что для многомодовых световодов с диаметром сердцевины 50 мкм дает точность 5 мкм, а для одномодовых с диаметром сердцевины 7 мкм — не менее 0,7 мкм. Потери очень сильно возрастают с увеличением децентрировки: достигает 3 дБ при смещении одномодовых световодов всего на 5 мкм.

Угловое рассогласование волоконных световодов также приводит к существенным оптическим потерям, но в меньшей степени, чем децентрировка. Для многомодовых волоконных световодов в приближении стационарного распределения оптической энергии по модам [277] получено выражение, хорошо согласующееся с экспериментальными данными,

где — показатель преломления среды между соединяемыми световодами; — показатель преломления сердцевины; — показатель преломления оболочки); — угол рассогласования, рад.

Для одномодовых волоконных световодов [256] оптические потери могут быть рассчитаны с помощью уравнения

Рассчетные и экспериментальные зависимости показывают, что для многомодовых световодов рассогласование на Г приводит к потерям порядка 0,3 дБ, а для одномодовых дБ. Угловое рассогласование на дает уже значительные потери: — 1,8 дБ для многомодовых и дБ для одномодовых световодов.

Оптические потери в соединениях волоконных световодов увеличиваются также в результате осевого рассогласования. Для многомодовых волокон было получено следующее выражение:

где и показатели преломления сердцевины волоконного световода и среды между торцами волокон соответственно. Для одномодовых волокон потери описываются уравнением [256]

где — расстояние между торцами волоконных световодов. Оптические потери менее 0,5 дБ достигаются для многомодовых волоконных световодов при и для одномодовых при

Оптические потери при соединении волоконных световодов, вызванные неперпенднкулярностью торцов относительно оси или кривизной поверхности могут быть рассчитаны по следующим формулам:

где — угловые отклонения поверхности торцов; — диаметры скругленных поверхностей торцов.

Устранение причин, обусловливающих потери, зависит от конструкции устройств, определяющей взаимное расположение световодов, и технологии, влияющей на точность позиционирования и качество обработки поверхностей.

Оптические потери, связанные с неидентичностью параметров соединяемых световодов, определяются различием модового состава излучения, распространяющегося по световодам, и могут быть рассчитаны по формулам 1368]:

где — радиусы сердцевины; — индексы, определяющие профиль показателя преломления.

Оптические потери, вызванные отражением оптического излучения от торца волокна из-за несоответствия показателей преломления сердцевины световода и среды в зазоре между торцами (френелевские потери), определяют из выражения

где — показатели преломления сердцевины и среды между торцами соответственно. Френелевские потери при соединении кварцевых волоконных световодов составляют дБ,

они слабо меняются в пределах углов, охватываемых числовой апертурой, и практически неизменны для различных поляризаций.

Оптические потери в соединителях с фокусирующими и коллимирующими элементами. При использовании в соединителях ВС-ВС микролинз излучение, выходящее из волоконного световода, преобразуют в коллимированный луч, который затем с помощью фокусирующего элемента вводится в выходной волоконный световод (рис. 4.30). Как будет показано ниже, основное достоинство соединителей этого типа состоит в слабой зависимости уровня оптических потерь от взаимного расположения микролинз, жестко связанных с волоконными световодами, т. е. в более высоких эксплуатационных характеристиках.

Рис. 4.30. Фокусирующие и коллимирующие линзы, используемые при соединении волоконных световодов, а — сферические; б — градиентные стержневые; в — трехмерные градиентные интегральные

Оптические потери в системе волоконный световод—коллимирующий элемент—фокусирующий элемент—волоконный световод (ВС-КЭ-ФЭ-ВС) определяются оптическими свойствами микролинз, взаимным расположением всех элементов, неидентичностыо параметров соединяемых световодов, френелевскими потерями.

Наиболее важными параметрами микролинз, влияющими на уровень оптических потерь в соединителях, являются: числовая апертура; диаметр фокального пятна, определяемый аберрациями; спектральная зависимость оптических потерь материала, из которого изготовлена микролинза.

Чтобы оптические потери были минимальны, числовая апертура микролннзы должна быть больше числовой апертуры соединяемых волоконных световодов, диаметр фокального пятна — как можно меньше (2—10 мкм), а оптические потери в материале на заданной длине волны не должны превышать десятых долей децибела.

Наиболее широкое распространение в соединителях волоконных световодов нашли сферические линзы и градиентные стержневые линзы. Интенсивно разрабатываются для этой цели и трехмерные интегральные линзы.

Сферические линзы обладают большой числовой апертурой малым диаметром фокального пятна (8—15 мгкм для многомодовых устройств и 2—5 мкм для одномодовых). Подбором соответствующего материала легко обеспечить требуемые спектральные характеристики. Для линз, применяемых

в многомодовых устройствах, это оптические стекла, чистый кварц, полимерные материалы, для одномодовых — сапфир.

При использовании сферических линз в микрооптическик устройствах оптические потери в зависимости от радиального и осевого несовмещения сердцевин световодов и фокуса линзы, приблизительно равны потерям при непосредственном соединении волоконных световодов. Поэтому для снижения потерь до 0,5 дБ требуется точность совмещения для многомодовых световодов ±5 мкм. Системы на основе сферических линз очень чувствительны к угловому рассогласованию, для обеспечения потерь менее 0,5 дБ в соединителе одномодовых световодов на основе сапфировых линз диаметром 250 мкм требуется, чтобы угловое отклонение не превышало долей секунды. В таких системах имеют место оптические потери, вызванные качеством обработки торцов и неидентичностью параметров световодов. Дополнительные потери дБ) вносит френелевское отражение в связи с тем, что фокус линзы находится на некотором расстоянии от нее, и нельзя обеспечить непосредственное крепление световода к поверхности линзы. В зависимости от диаметра сферических линз, расстояние между линзами, обеспечивающее малое увеличение оптических потерь, меняется от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

В целом применение сферических линз в качестве коллимирующих и фокусирующих элементов позволит создать одномодовые и многомодовые соединители с оптическими потерями дБ.

Градиентные стержневые линзы (их также называют «граданами» или «селфоками») разрабатываются с 1964 г. [25]. Они нашли широкое применение в электрооптических системах, светокопировальной [208, 262] и вычислительной технике [182] и ряде других областей благодаря возможности жесткого крепления волоконного световода в фокусе линзы, находящемся на ее плоской поверхности, и малым аберрациям.

Градан представляет собой стержень с градиентным профилем показателя преломления. Оптические пути меридианальных лучей, проходящих через градиентную линзу, равны, когда радиальное распределение показателя преломления описывается выражением

где — показатель преломления в центре; — радиус; — положительная константа. Это выражение можно представить в виде полинома

При это выражение легко привести к виду

где А — положительная константа, т. е. имеет место параболическое распределение показателя преломления. Отклонение

распределения показателя преломления от оптимального приводит к положительным или отрицательным аберрациям и соответственно к увеличению диаметра фокального пятна [223]. Оптимизация технологических режимов [183] позволяет в настоящее время изготавливать граданы с оптимальным профилем показателя преломления, в которых аберрации уменьшаются практически до нуля и диаметр фокального пятна определяется дифракционным пределом

Числовая апертура граданов максимальна в центре и убывает до нуля на периферии:

Меридианальные лучи распространяются по синусоидальной траектории с периодом

При длине градана, равной он является коллиматором, у которого фокус находится на плоской поверхности.

Технология изготовления граданов достигла весьма высокого уровня, разработаны граданы диаметром 0,5; 1; 2; 5 мм с числовой апертурой от 0,2 до 0,6. Для недавно разработанных граданов с диаметром 5 мм и диаметр фокального пятна (на уровне составляет всего 1,18 мкм [349].

Оптические потери на поглощение в диапазоне мкм не превышает 0,05 дБ. Для граданов, используемых в коллимирующей системе микрооптических устройств, зависимость уровня оптических потерь в системе от точности совмещения сердцевины световода с фокусом аналогична приведенной выше зависимости для случая, когда волоконные световоды совмещают «встык» Поэтому допуски на изготовление деталей устройств, точность позиционирования, сложность сборки не отличаются от принятых для чисто волоконных устройств. В ряде случаев большим достоинством является расположение фокуса на жесткой поверхности, к которой можно непосредственно крепить волоконный световод. Зависимость оптических потерь от расстояния между линзами определяется диаметром и числовой апертурой. Для граданов диаметром 2 мм с можно увеличить расстояние до 40 мм, не рискуя вызвать рост оптических потерь, для граданов диаметром 5 мм с — до 80 мм. Применение просветляющих покрытий позволяет снизить общие потери в системе на 1 дБ в случае, если волоконные световоды не крепятся жестко к их поверхности.

Для изготовления граданов применяется несколько технологии 1284]: нейтронная бомбардировка, химическое осаждение из газовой фазы, полимеризация, ионный обмен, технология пористых стекол, выращивание кристаллов. Важнейшими

требованиями к технологии изготовления граданов являются получение возможно большего диаметра линзы и заданного изменения показателя преломления, определяющего апертуру, а также возможность оптимизации профиля для устранения аберраций.

Нейтронная бомбардировка боросиликатных стекол позволяет получать граданы диаметром 0,1 мм с Основная трудность состоит в необходимости внедрения большого числа нейтронов, чтобы обеспечить требуемый градиент профиля показателя преломления и регулярность профиля вдоль волокна. Эта технология не нашла широкого применения.

Химическое осаждение из газовой фазы — основная технология изготовления волоконных световодов с градиентным профилем показателя преломления. Однако пока удалось получить только граданы с диаметром 0,1 мм и Технология химического осаждения не позволяет получить линзы достаточно большого диаметра.

Полимеризация позволяет изготовить градиентные линзы больших диаметров. Пока не удавалось добиться, чтобы , следовательно, требуемых значений Не решена задача обеспечения необходимых термических свойств и недостаточно изучена проблема старения под действием проходящего излучения.

Ионный обмен довольно широко применяется для изготовления граданов. Из всех перечисленных выше эта технология позволяет в наибольшей мере контролировать ход процесса и влиять на него, изменяя концентрации расплава, температуру, состав стекол. Сущность процесса заключается в том, что ионы в стекле заменяются ионами из расплава солей. Возможно изготовление граданов диаметром до 5 мм с Так, по этой технологии получены граданы диаметром 5 мм и обеспечивающие диаметр фокального пятна 1,8 мкм.

Технология, основанная на применении пористого стекла, дает возможность изготовлять граданы больших диаметров (~50 мм), характеризующиеся большими значениями Основные трудности связаны с обеспечением однородности профиля показателя преломления.

Развивается также технология выращивания монокристаллов. Заданный профиль показателя преломления может быть обеспечен за счет градиента концентрации одного из компонентов расплава, из которого выращивается монокристалл. Эта технология может оказаться перспективной для изготовления градиентных линз на основе твердых растворов германия и кремния для дальнего ИК-диапазона.

Градиентные трехмерные линзы — новая, разработанная в последние годы разновидность коллимирующих микролинз, сочетающая в себе достоинства граданов и одновременно позволяющая обеспечить новый тип интеграции элементов.

В настоящее время применяются три метода изготовления интегральных трехмерных линз.

Полимерные микролинзы [291, 292] получают с помощью диффузии допанта в планарную подложку через маску. После полимеризации в результате нагрева образуются линзы, имеющие распределенный показатель преломления. Изготовлены полимерные линзы диаметром до 3,6 мм, однако они имеют недостаточные значения числовой апертуры Диаметр фокального пятна полимерных линз составляет 27 мкм.

Технологии ионного обмена [293] и электродиффузии [294, 66] также основаны на диффузии в планарную структуру через маску. За счет ионного обмена при погружении в расплав солей формируется профиль показателя преломления.

Рис. 4 31. Неразъемный оптический соединитель: 1 — волоконный световод в защитном покрытии, 2 — термофидная трубка, 3 — упрочненный элемент, 4 — эпоксидный клей, 5 — неразъемное соединение

Процесс диффузии протекает в электрическом поле, оптимизация параметров поля, температуры и концентрации расплава позволили изготовить линзы с диаметром до 0,9 мм, и с диаметром фокального пятна 3,8 мкм. За счет применения двухслойных структур можно повысить числовую апертуру до 0,38. Линзы, полученные таким образом, пригодны для волоконно-оптических устройств, характеризующихся низким уровнем оптических потерь. При соединении многомодовых волоконных световодов 50/125 через систему трехмерных градиентных линз оптические потери достигают дБ.

Для изготовления планарных трехмерных линз было применено плазменное химическое осаждение из газовой фазы [215, 239]. Изготовлены линзы диаметром 70 мкм с фокальной длиной 35 мкм и диаметром фокального пятпа 2,7 мкм. Такие линзы представляют интерес при создании одномодовых соединителей и других микрооптических устройств.

Разъемные и неразъемные оптические соединители ВС-ВС. Независимо от оптической схемы соединители волоконных световодов ВС-ВС делят на два больших класса: неразъемные и разъемные. Неразъемные соединители применяются во всех случаях, когда позволяют условия сборки узлов и систем или эксплуатации. Разъемные соединители применяют, когда необходимо или удобно обеспечить возможность многоразового соединения различных узлов и устройств системы.

Неразъемные оптические соединители обеспечивают минимально возможный уровень оптических потерь, так как в них исключены френелевские потери, а также потери, обусловленные неперпендикулярностью, кривизной поверхности или качеством обработки торцов. Структура неразъемного соединителя представлена на рис. 4.31. Сращивание волоконных

световодов осуществляют сплавлением, сваркой или склеиванием

При сплавлении возможна визуальная юстировка сердцевины световодов относительно друг друга либо юстировка по оптическому налу. При этом достигается лучшее совмещение сердцевин, обеспечивается независимость уровня оптических потерь от геометрических параметров световодов, а следовательно, его снижение до минимальных значений.

При склеивании, как правило, совмещение производится в элементах крепления, при этом в качестве базовой поверхности используются сами волоконные световоды, поэтому неидентичность диаметров соединяемых волоконных световодов и эксцентричность сердцевин обусловливают рост оптических потерь.

Технология изготовления сварного соединителя включает следующие операции: удаление вторичного и первичного покрытий, скалывание, совмещение сердцевин волоконных световодов сварку, изготовление защитного покрытия, установку упрочняющего элемента и корпуса, герметизацию. Удаление защитных покрытий, скалывание осуществляют механически, с помощью специальных технологических инструментов. Место сварки покрывают слоем лака, клея для защиты от внешних воздействий. После сварки прочность волоконного световода снижается приблизительно на в результате термического удара, поэтому в соединителях применяют упрочняющие элементы (металлические и керамические стержни). Иногда функцию упрочняющего элемента выполняет корпус. Уровень оптических потерь в соединителе в значительной степени зависит от качества скола.

Из сказанного выше очевидно, что точность совмещения сердцевин волоконных световодов — один из основных факторов, определяющих потери в соединителе. Разработано несколько методов совмещения для различных типов волоконных световодов.

Для многомодовых волокон со стандартными геометрическими параметрами достаточно хорошо осуществляется совмещение в К-образной канавке [282], при этом поверхность волокна используют как базовую. Оптические потери не превышают в этом случае дБ. Совмещение одночодовых волоконных световодов этим методом не обеспечивает требуемых параметров. Даже при отклонении внешних диаметров соединяемых волокон на 1 мкм и эксцентричности порядка 0,5 мкм могут возникнуть потери порядка 0,5 дБ. В связи с этим разработан ряд методов, основанных на контроле точности совмещения.

Совмещение с помощью микропозиционеров и визуального контроля [308] обеспечивает средние потери 0,18 дБ при мкм и 0,12 дБ при мкм. Лучшие результаты дает контроль по экстремуму оптического сигнала при вводе и выводе излучения через торцы соединяемых волокон. Он обеспечивает хорошее качество совмещения, но не всегда удобен, так как концы могут находиться на расстоянии нескольких километров (или даже

десятков километров) от места сварки. Значительно удобнее выводить излучение на изгибе волоконного световода [205, 187] непосредственно в районе сварки. Для волокон, сердцевины которых изготовлены из кварца, легированного германием, применяется возбуждение излучения ультрафиолетовыми источниками.

Сплавление волоконных световодов производят в электрической дуге [319, 204], газовом пламени [196] и с помощью -лазеров [320]. При сплавлении важную роль играет предварителыюе оплавление торцов [176], которое предотвращает образование пузырьков. Встречное поступательное движение волокон [1711 при сплавлении позволяет добиться оптимальных напряжений, что предотвращает образование геометрических неоднородностей (горловин, вздутий). Наиболее широкое распространение получила электродуговая сварка в связи с простотой регулирования теплового режима и возможностью проведения сварки в полевых условиях. Для внутриблочного монтажа может оказаться более целесообразным применение -лазера, позволяющего осуществлять до 4- 10° сращиваний без замены газа.

Как уже говорилось, защитное покрытие [302] и корпус обеспечивают необходимую прочность неразъемного соединителя. Крепление осуществляется к волоконным световодам в месте, где не удалены защитные покрытия.

В целом технология изготовления неразъемных соединителей методом сплавления хорошо отработана, обеспечивает оптические потери дБ для многомодовых и одномодовых волокон. Ее недостатками являются применение открытого огня (что не всегда позволяет применить эту технологию, например в помещениях с повышенной взрывоопасностью) и нарушение при сплавлении структуры волоконного световода (этот вопрос на сегодня недостаточно изучен, но может оказаться, что сплавление влияет на свойства волоконных световодов, обладающих двулучепреломлением).

Технология изготовления соединителей методом склеивания включает те же технологические операции, что и сварка, но вместо сплавления осуществляется склеивание в юстировочном элементе. Юстировочными элементами служат стеклянные или металлические капилляры, -образные канавки, выполненные в металле, пластмассе или кремниевых пластинах [273], эластомерные трубки [267].

На оптические потери в этом типе соединителей влияют только радиальное и угловое рассогласование. Для многомодовых световодов со стандартной геометрией склеивание обеспечивает оптические потери на уровне дБ. Для одномодовых волокон непосредственное соединение без подстройки по сигналу недостаточно. Как было показано выше, применение микролинз при соединении волоконных световодов значительно снижает требования к точности совмещения коллимирующей и фокусирующей линз. При использовании микролинз в неразъемных

соединителях одномодовых волоконных световодов в соединителях достигаются оптические потери, не превышающие 0,5 дБ, но операции изготовления линз на торцах методами оплавления или макания в расплав, или приклеивание сферических линз к торцам волоконных световодов в полевых условиях осуществить сложно. Кроме того, еще недостаточно изучены вопросы старения клееных соединений при прохождении через них оптического излучения.

В целом оба метода — сплавление и склеивание — позволяют осуществлять изготовление неразъемных соединителей в любой области применения в полевых условиях. Наряду с низким уровнем оптических потерь, они обеспечивают устойчивость к внешним воздействиям, что особенно важно в световодных измерительных системах, чувствительность которых существенно зависит от шумов в соеди нителях.

Рис. 4.32. Разъемный соединитель: 1 — наконечник, армирующий световодный кабель; 2 - гайка. 3 — прецизионная втулка, 4 — корпус

В разъемных оптических соединителях наблюдаются все виды оптических потерь, имеющих место при соединении волоконных световодов. Как было показано выше, основную долю составляют потери, вызванные радиальным смещением (децентрировкой) сердцевины волоконных световодов относительно друг друга или относительно фокуса коллимирующих и фокусирующих элементов.

Различают два типа разъемов. У разъемов первого типа в качестве базовой поверхности используется поверхность оптического волокна, совмещение сердцевин световодов осуществляется так же, как и при склеивании неразъемных соединителей, в различных котировочных элементах (-образные канавки, капилляры и т. д.). Такие разъемы не обеспечивают прочного, надежного соединения и не нашли широкого применения. Чаще всего они используются в лабораторных условиях для проведения различных исследований.

Практический интерес при создании волоконных систем, особенно измерительных, представляют оптические разъемы второго типа, в которых кабельные части оконцованы армирующими наконечниками, обеспечивающими не только совмещение световодов, но и их защиту и позволяющими прочно, надежно и жестко закрепить световод в соединителе.

В соединителях второго типа (рис. 4.32) конструкция наконечника, метод центрирования сердцевины волоконного световода в нем относительно базовой поверхности наконечника определяют

практически все основные параметры соединителей. Наиболее широкое применение нашли следующие способы изготовления наконечников и центрирования в них световодов: прецизионное литье, обработка рабочей поверхности наконечника, сборка соединителя из прецизионных деталей, юстировка в наконечниках, юстировка относительно микрооптических элементов.

При изготовлении наконечников методом прецизионного литья [40, 335] они формируются непосредственно на волоконном световоде, при этом в пресс-форме обеспечивается концентричность сердцевины световода относительно базовой поверхности. После формования торец волокна шлифуют и полируют. В результате эксцентричность не превышает нескольких микрон. Технология пригодна для соединителей многомодовых волоконных световодов, она обеспечивает снижение оптических потерь до 1 дБ. Для изготовления соединителей одномодовых световодов эта технология непригодна.

Метод обработки рабочей (боковой) поверхности [60, 216, 3361 заключается в том, что оптическое волокно вклеивается в наконечник, имеющий припуск на обработку по диаметру рабочей части. Затем наконечник устанавливается в центросмещающем патроне специального токарного станка и сердцевина волокна совмещается с осью вращения шпинделя станка с помощью телевизионной системы контроля, после чего боковая поверхность наконечника обрабатывается до номинального размера. Этот метод применяется как для многомодовых, так и для одномодовых волокон. Удалось добиться снижения оптических потерь в соединителях одномодовых волокон до 0,5 дБ. Недостатком метода является сложность. В ряде случаев невозможно обеспечить центрирование длинных (более 500 м) кабелей, особенно многоволоконных, и волокон собранных оптических схем, например волоконных интерферометров, поскольку наконечник нельзя установить во вращающемся приспособлении. Эта проблема отпадает при обработке рабочей поверхности неподвижного наконечника вращающимся инструментом [365], но в этом случае снижается точность центрирования и невозможно обеспечить требуемые значения параметров одномодовых соединителей.

Армирование прецизионными деталями [173, 364, 393] упрощает сборку, но точность изготовления прецизионных деталей (стержней, шариков, втулок и т. д.) должна быть чрезвычайно высокой мкм. Кроме того, оптические потери в значительной мере зависят от соблюдения заданных геометрических параметров волоконных световодов (допусков на отклонение от диаметра, эксцентричность сердцевины). Метод дает хорошие результаты для соединителей многомодовых волокон со стандартными геометрическими параметрами, для которых он обеспечивает оптические потери менее 0,7 дБ. Его достоинствами являются возможность автоматизации изготовления всех деталей и простота сборки, что позволяет осуществлять ее в полевых условиях.

Как правило, практикуется сухая сборка, т. е. волоконно-оптический кабель закрепляется в наконечнике механически, без применения клеев.

Стоимость соединителей может быть значительно снижена за счет изготовления прецизионных деталей наконечника из керамики [337]. Дополнительным преимуществом керамических наконечников перед металлическими является более высокая твердость керамики по сравнению с материалом волоконного световода. За счет этого при шлифовании и полировании торцов поверхность световода заглубляется на мкм и при многоразовом соединении качество поверхности не ухудшается.

При юстировке волоконных световодов в прецизионной втулке (рис. 4.33) [101,67] последняя устанавливается на рабочую часть наконечника, в которую волоконный световод вклеен с довольно большим допуском.

Рис. 4.33. Наконечник: 1 — защитная оболочка; 2 — волоконный световод в защитных покрытиях; 3 — волоконный световод без покрытий; 4 — прецизионная рабочая часть наконечника; 5 — капилляр

Юстировка, т. е. обеспечение соосности втулки с сердцевиной световода, осуществляется микроманипуляторами в специальных приспособлениях. Соосность контролируется оптическими методами либо непосредственно по потерям в соединении (по максимуму сигнала). Закрепление втулки осуществляют быстросохнущим клеем, затем торцы шлифуют. Достоинством метода является независимость оптических потерь от геометрии параметров световодов, возможность автоматизации изготовления единственной прецизионной детали (втулки), простота технологических приспособлений, например по сравнению с оборудованием для обработки боковой поверхности. Оптические потери в многомодовых и одномодовых соединителях составляют 0,7-1,5 дБ.

Рассмотренные выше методы предусматривают непосредственное соединение сердцевины волоконных световодов. Наконечники совмещаются по своим базовым поверхностям в прецизионных втулках различной конструкции, -образных канавках и жестко фиксируются. Несмотря на жесткую фиксацию, не удается полностью исключить смещение сердцевин относительно друг друга под действием внешних воздействий, что приводит к паразитной модуляции оптического сигнала в результате сильной зависимости потерь от радиального смещения и существенно сказывается на параметрах световодных измерительных систем. В соединителях с использованием микролинз, которые монтируются в наконечниках соосно с волоконным световодом таким образом, что торец сердцевины находится в фокусе линзы (рис. 4.33), оптические

потери значительно меньше зависят от точности совмещения коллимирующих и фокусирующих элементов. В качестве микролинз применяются все рассмотренные выше элементы: сферические линзы, граданы, трехмерные интегральные линзы. В подобных соединителях многомодовых и одномодовых световодов достигнуты оптические потери на уровне дБ.

В связи с необходимостью фиксировать волоконный световод в фокусе линзы с такой же высокой точностью, как и при непосредственном соединении волоконных световодов, изготовление мнкрооптических соединителей довольно сложно, не говоря уже о технологии изготовления самих линз. Однако повышенная сложность и трудоемкость изготовления полностью окупаются эксплуатационными характеристиками. Так, требуется относительно невысокая точность совмещения коллимирующего и фокусирующего элементов: увеличению оптических потерь на 0,5 дБ при использовании линз, обеспечивающих коллимированный луч диаметром мм, например для многомодовых световодов, соответствуют радиальное смещение приблизительно на 0,2 мм, осевое на 20 мм, угловое При использовании граданов и трехмерных интегральных линз возможно жесткое крепление световода непосредственно к поверхности линзы, что существенно снижает влияние внешних факторов на оптические потери.

Применение того или иного типа разъемного соединителя определяется требованиями к параметрам конкретных световодных измерительных систем. В системах на основе многомодовых волоконных световодов возможно применение и различных типов соединителей — как основанных на непосредственном соединении световодов, так и включающих линзы. Применение соединителей на основе граданов или трехмерных линз наиболее предпочтительно, так как они обеспечивают наименьшую паразитную модуляцию оптического сигнала. В системах на основе одномодовых световодов, особенно с использованием интерферометрических схем регистрации, применение разъемных соединителей крайне нежелательно, по в случае необходимости также могут быть использованы линзовые соединители на граданах или трехмерных линзах.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление