Оптическое устройство (варианты), модуль лазерного диода, оптический соединитель и способ изготовления оптического устройства - RU2138835C1
Код документа: RU2138835C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к оптическому устройству со средством для предотвращения обратного прохождения в сигнальную линию рассеянных световых лучей, многократно отражающихся в устройстве во время передачи сигнала.
Известно оптическое устройство и способ изготовления оптического устройства (патент США N 4989943, 05.02.91 [1]), в котором для предотвращения обратного прохождения оптического сигнала на его вход используется антиотражающее покрытие на торце волокна или на фокусирующей линзе.
Известное оптическое устройство [1], показанное на фиг. 1, содержит оптическое волокно 106 передачи сигнала, предназначенное для передачи входного светового сигнала 90 на выходной порт, наконечник 96, жестко удерживающий это оптическое волокно 106 передачи сигнала, линзу 100, предназначенную для фокусировки входного светового сигнала 90, который передается через оптическое волокно 106 передачи сигнала, и втулку 94 для жесткого выравнивания наконечника 96 и линзы 100.
В таком устройстве, при передаче входного светового сигнала 90 через оптическое волокно 106 передачи сигнала к линзе 100, часть входного светового сигнала 90 искажается в многократно отраженных световых лучах 98 в промежутке между наконечником 96 и линзой 100. Хотя основной входной световой сигнал 90 фокусируется линзой 100, перенесенной на выходной порт, часть многократно отраженных световых лучей 98 поступает обратно в оптическое волокно 106 передачи сигнала в качестве рассеянных лучей 92, поступаемых снова во внутреннюю часть устройства оптической передачи вместе с входным световым сигналом 90, а часть также передается к выходному порту. Это приводит к значительным шумам, потерям на отражении при передаче и т.п. Для устранения подобных недостатков в известном устройстве используется антиотражающее покрытие.
Известно оптическое устройство с каскадом 2 х 2, содержащее две передающие части, каждая из которых содержит установленные на заданном расстоянии друг от друга два оптических волокна и фокусирующую линзу, и фильтр, расположенный между линзами (патент США N 5030954, 24.09.91).
Известен модуль лазерного диода, содержащий чип лазерного диода, блок управления для подачи напряжения в чип лазерного диода, оптическое устройство, установленное по ходу лазерного луча и включающее оптическое волокно для передачи светового сигнала, наконечник для жесткого удержания оптического волокна для передачи светового сигнала и линзу для фокусировки лазерного луча, установленную в заданном положении от одного конца наконечника, и втулку для точного выравнивания наконечника и линзы (патент США N 5388171, 07.02.95).
Известен соединитель, состоящий из двух частей, каждая из которых содержит оптическое волокно для передачи светового сигнала и наконечник, в котором закреплено это волокно, и корпус для выравнивания наконечников (патент США N 5039193, 13.08.91).
В известных устройствах для устранения шумов, вызванных рассеянными отражениями, используют согласующие жидкости, либо наклонные торцы волокна или клина, находящегося в контакте с торцом волокна. Однако это усложняет процесс изготовления, что приводит к увеличению стоимости, а также снижению надежности устройства.
Известный способ изготовления оптического устройства [1] для предотвращения обратного прохождения в линию передачи сигнала рассеянных световых лучей включает изготовление оптического волокна для передачи световых лучей, закрепление его в наконечнике, изготовление линзы для фокусировки светового сигнала и втулки для выравнивания наконечника и линзы с заданным промежутком и закрепление наконечника и линзы во втулке.
Технической
задачей настоящего изобретения является создание оптического устройства со средством для поглощения и вывода наружу многократно отраженных световых лучей в оптическом устройстве передачи сигналов, в
котором устраняются шумы, улучшая и стабилизируя при этом характеристики передачи светового сигнала оптического устройства передачи, которые необходимы для передачи большого количества оптических
сигналов с высокой скоростью;
создание оптического устройства со средством, предназначенным для подачи линейно сформированного светового сигнала, соответствующего выходному сигналу источника
света, и минимизации искажений сигналов, вызванных многократными отражениями в системе передачи сигналов с многочисленными длинами волн и временными интервалами;
создание системы передачи
оптических сигналов со средством, предназначенным для использования многократно отраженных световых лучей, чтобы контролировать линию передачи сигналов путем обнаружения изменений, происходящих во
времени и внешнем окружении.
Согласно конкретному варианту воплощения настоящего изобретения оптическое устройство содержит оптическое волокно передачи сигналов, предназначенное для передачи входного светового сигнала на выходной порт, оптическое волокно, поглощающее рассеянные световые лучи, предназначенное для поглощения многократно отраженных световых лучей, образующихся в оптическом устройстве, наконечник для жесткого удержания оптического волокна передачи сигнала и оптического волокна, поглощающего рассеянные световые лучи, линзу для фокусировки входного светового сигнала, переданного через оптическое волокно передачи сигнала, и втулку для неподвижного выравнивания наконечника и линзы, таким образом предотвращая обратное прохождение рассеянных световых лучей в оптическое волокно передачи сигнала.
Согласно другому конкретному варианту воплощения настоящего изобретения способ изготовления оптического устройства, предназначенного для предотвращения обратного прохождения рассеянных световых лучей в линии связи, образующихся в устройстве, содержит операции, по которым изготавливают оптическое волокно передачи сигналов, предназначенное для передачи входного светового сигнала на выходной порт или выходного сигнала на входной порт, изготавливают оптическое волокно, поглощающее рассеянные световые лучи, предназначенное для поглощения многократно отраженных световых лучей, образующихся в устройстве, с целью предотвращения обратного прохождения их в оптическое волокно передачи сигнала, снабжают рассеянный свет покрытием из материала, поглощающего отраженное излучение, или посадкой по углу, чтобы предотвратить обратное прохождение рассеянных световых лучей на выходной порт, выполняют наконечник для жесткого удержания оптического волокна передачи сигнала и поглощающего оптического волокна, закрепляют оптическое волокно передачи сигналов внутри наконечника, закрепляют поглощающее оптическое волокно внутри наконечника на расстоянии (d) от оптического волокна передачи сигналов, причем расстояние (d) представляет собой заданную кратную величину длины волны сигнала, шлифуют поверхность внешнего конца наконечника, содержащего оптическое волокно передачи сигнала и поглощающее оптическое волокно, выполняют линзу, предназначенную для фокусировки входного светового сигнала, передаваемого через оптическое волокно передачи сигнала, выполняют втулку для выравнивания наконечника и линзу с заданным размером, и закрепляют наконечник и линзу во втулке.
На фиг. 1 показана схема,
изображающая традиционное оптическое устройство и механизм многократного отражения;
на фиг. 2 - схема, изображающая оптическое устройство и механизм многократного отражения, соответствующие
конкретному варианту воплощения настоящего изобретения;
на фиг. 3 - схематический вид в поперечном сечении наконечника, включающего в себя оптическое волокно передачи сигнала и оптическое
волокно, поглощающее рассеянные световые лучи;
на фиг. 4 - схема, изображающая оптическое устройство и механизм многократного отражения, соответствующие другому конкретному варианту
воплощения настоящего изобретения;
на фиг. 5 - схема, изображающая оптическое устройство, состоящее из каскадов 2 х 2, соответствующих конкретному варианту воплощения настоящего изобретения;
на фиг. 6 - схема, изображающая структуру модуля лазерного диода, изготовленного согласно настоящему изобретению;
на фиг. 7 - схема, изображающая структуру оптического соединителя
сигнала согласно настоящему изобретению;
на фиг. 8 - график, изображающий зависимость коэффициента отражения света от расстояния между конечной поверхностью предлагаемого наконечника и линзой;
на фиг. 9 - график, изображающий выходные зависимости предлагаемого оптического устройства от длины волны;
на фиг. 10 - график, изображающий зависимости выхода от времени
предлагаемого оптического устройства;
на фиг. 11 - график, изображающий зависимости выхода предлагаемого оптического устройства от входного светового луча.
В соответствии с фиг. 2 и 3 предлагаемое оптическое устройство содержит оптическое волокно 20 передачи сигнала, предназначенное для передачи входного светового сигнала 10 на выходной порт (или входного светового сигнала на входной порт), оптическое волокно 16, поглощающее рассеянные световые лучи, предназначенное для поглощения многократно отраженных световых лучей 22, образующихся в оптическом устройстве. Оптическое волокно 16, поглощающее рассеянные световые лучи, состоит из многомодового оптического волокна, изготовленного из стеклянного материала. Оптическое волокно 20 передачи сигналов и оптическое волокно 16, поглощающее рассеянные световые лучи, жестко удерживаются наконечником 18, поверхность которого покрыта антиотражающим покрытием с целью уменьшения оптических потерь, возникающих при отражении. Также выполнена и линза 24, предназначенная для фокусировки входного светового сигнала 10, передаваемого через оптическое волокно 20 передачи сигналов, и втулку 14, предназначенную для выравнивания наконечника 18 и линзы 24.
В процессе работы входной световой сигнал 10 передается через оптическое волокно 20 передачи сигналов на одну конечную часть линзы 24, где часть входного светового сигнала преобразуется в рассеянные световые лучи 22, расположенные между наконечником 18 и линзой 24. Входной световой сигнал 10 фокусируется линзой 24 и подается на выходной порт, а большая часть многократно отраженных световых лучей 22 преобразуется в рассеянные световые лучи 12, которые выводятся наружу через оптическое волокно 16, поглощающее рассеянные световые лучи. Лишь незначительная оставшаяся часть многократно отраженных световых лучей 22 передается на выходной порт вместе с входным световым сигналом 10. Более подробно работа оптического волокна 16, поглощающего рассеянные световые лучи, связанная с предотвращением обратного прохождения в оптическое волокно передачи сигнала рассеянных световых лучей, описывается со ссылкой на экспериментальные данные и соответствующие графики, которые изображены на фиг. 8 - 11.
На фиг. 11 изображен график коэффициента отражения света в зависимости от расстояния между конечной поверхностью предлагаемого наконечника и линзой при условии, что поверхность наконечника представляет собой основание, которое имеет восемь степеней свободы, поверхности наконечника и линзы не покрываются антиотражающим покрытием (АО-покрытием), радиус линзы составляет 1 мм, коэффициент преломления линзы равняется 1,814 на длине волны 1550 нм, на котором по вертикальной оси отложено расстояние L между задней концевой поверхностью наконечника и передней поверхностью линзы, а по горизонтальной оси коэффициент отражения (максимальное значение 1). Минимальный коэффициент отражения (1%) показан на расстоянии L = 0,1146. Отраженные световые лучи на уровне 1% подвергаются постоянным отражениям в пределах расстояния L, приводя в результате к нестабильности выходного сигнала (выходной сигнал 102 и многократно отраженные световые лучи 104, охваченные обратной связью, и вывод через оптическое волокно передачи сигнала).
Согласно фиг. 9 сигнал N 1 представляет собой предлагаемый выходной сигнал, который является суммой первоначального выходного сигнала 26 и многократно отраженных световых лучей 28, поступающих обратно на выход через оптическое волокно передачи сигналов, cигнал SINK - рассеянные световые лучи 12, поглощаемые оптическим волокном 16, поглощающим рассеянные световые лучи, и cигнал N 2 - обычный выходной сигнал, который является суммой первоначального выходного сигнала 102 и многократно отраженных световых лучей 104, поступаемых обратно и вывод через оптическое волокно передачи сигнала. Здесь значение предлагаемого выходного сигнала изображено как наиболее низкое при среднем значении от 0,4 до 0,5 дБ по сравнению со значением обычного выходного сигнала, отличие которых вызвано многократно отраженными световыми пучками за исключением экспериментальных погрешностей. А именно традиционный наконечник 26 приводит к наибольшему количеству многократно отраженных световых лучей, возвращаемых обратно в оптическое волокно передачи сигнала, хотя предлагаемый наконечник создает дополнительные рассеянные световые лучи в поглощающем оптическом волокне 16, поглощая многократно отраженные световые лучи, выводимые наружу. Сигнал SINK представляет собой отраженные световые лучи, выводимые наружу через сигнал, поглощающий оптическое волокно 16, который практически отличается более чем на 30 дБ по сравнению с сигналом оптического волокна передачи сигнала и представлен на таком же графике для того, чтобы показать это изменение.
Временные изменения выходного сигнала изображены на фиг. 10 для длины волны 1550 нм. Контрольный источник показывает стабильность длины волны переменного светового источника, который используется в эксперименте со временем. Для данного значения времени 42 мин обычный выходной сигнал имеет скорость изменения 0,4 дБ, в то время как выходной сигнал по изобретению имеет скорость изменения 0,2 дБ. Следовательно, улучшается характеристика выходного сигнала по изобретению, обеспечивая более низкую скорость изменения. Это происходит вследствие того, что поглощающий оптическое волокно 16 постоянно поглощает отраженные световые лучи.
На фиг. 11 изображены зависимости изменений выходного сигнала от входной мощности в случае, когда предлагаемый наконечник 18 имеет практически линейные характеристики для входного и выходного сигналов, хотя традиционный наконечник 96 имеет нестабильные выходные сигналы с самого начала от значений входного сигнала.
К тому же в другом конкретном варианте воплощения настоящего изобретения, изображенном на фиг. 3 и 4, предлагаемое оптическое устройство содержит оптическое волокно 20 передачи сигнала, предназначенное для передачи входного светового сигнала на выходной порт (или выходной световой сигнал на входной порт), и оптическое волокно 16, поглощающее рассеянные световые лучи, предназначенное для поглощения многократно отраженных световых лучей 22 в оптическом устройстве. Оптическое волокно 16, поглощающее рассеянные световые лучи, состоит из стеклянного многомодового оптического волокна. Поглощающее оптическое волокно 16 имеет конец, образующий поглотитель рассеянного света 30, который покрыт материалом, поглощающим отраженный свет, типа масляного покрытия, для согласования полного сопротивления с целью предотвращения прохождения на выход рассеянных световых лучей 12, поглощаемых в поглощающем оптическом волокне 16. С другой стороны, поглощающий оптическое волокно 16 имеет конец либо заканчивающийся на внешнем конце наконечника 18, и основание, расположенное под углом, либо закрепленный в наконечнике 18 для предотвращения прохождения рассеянных световых лучей 12 на выходной порт. Оптическое волокно 20 передачи сигнала и поглощающее оптическое волокно 16 жестко удерживаются наконечником 18, который покрыт антиотражающим покрытием для того, чтобы уменьшить потери на отражение. Используемая линза 24 также служит для фокусировки входного светового сигнала, проходящего через оптическое волокно 20 передачи сигнала. Наконечник 18 и линза 24 выравниваются при помощи втулки.
Способ изготовления настоящего оптического устройства содержит операции, в соответствии с которыми изготавливают оптическое волокно 20 передачи сигнала, предназначенное для передачи входного светового сигнала 10 на выходной порт или выходного сигнала на входной порт, изготавливают оптическое волокно 16, поглощающее рассеянные световые лучи, предназначенное для поглощения многократно отраженных световых лучей 22, образующихся в устройстве, с целью предотвращения обратного прохождения их в оптическое волокно 20 передачи сигнала, выполняют внешний конец поглощающего оптического волокна 16 с поглотителем 30 рассеянного света, покрытым поглощающим отраженное излучение материалом или основанием, расположенным под углом с целью предотвращения обратного прохождения на выходной порт рассеянных световых пучков 12, выполняют наконечник 18 для жесткого удержания оптического волокна 20 передачи сигнала и поглощающего оптического волокна 16, закрепляют оптическое волокно 20 передачи сигнала внутри наконечника, закрепляют поглощающее оптическое волокно 16 внутри наконечника на расстоянии "d" от оптического волокна 20 передачи сигнала, выбирают данное расстояние кратным длине волны сигнала и предпочтительно 0,125 мм, шлифуют внешний конец поверхности наконечника 18, содержащего оптическое волокно 20 передачи сигнала и поглощающий оптическое волокно 16, выполняют линзу 24, предназначенную для фокусировки входного светового сигнала 10, передаваемого через оптическое волокно 20 передачи сигнала, выполняют втулку 14, предназначенную для выравнивания наконечника 18 и линзы 24 с заданным промежутком, закрепляют наконечник 18 и линзу 24 во втулке 14. Внешний конец поглощающего оптического волокна 16 предпочтительно размещают внутри наконечника. Внешний диаметр D наконечника 18 выбирают подходящим к оптическому устройству.
При работе входной световой сигнал 10 передается через оптическое волокно 20 передачи сигнала на внутренний конец линзы 24. За это время часть входного светового сигнала 10 изменяется в многократно отраженных световых пучках 22 между наконечником 18 и линзой 24. Входной световой сигнал 10 фокусируется линзой 24 и поступает на выходной порт. Большая часть многократно отраженных световых лучей 22 поглощается при помощи поглощающего оптического волокна 16 и выводится наружу в качестве рассеянных световых лучей. То есть блокируется при помощи поглотителя рассеянного света 30 обратное прохождение на выходной порт рассеянных световых лучей 12. Лишь незначительная часть многократно отраженных световых лучей 22 передается на выходной порт по пути распространения входного светового сигнала 10.
На фиг. 5 изображено оптическое устройство, состоящее из каскадов 2 х 2, которые содержат две передающие части, защищенные корпусом 32. Каждая передающая часть включает в себя оптическое волокно передачи сигнала 42, 52, установленное на заданном расстоянии от оптического волокна, поглощающего световой сигнал, предназначенного для поглощения многократно отраженных световых лучей, образующихся в устройстве, наконечник 40,(48), предназначенный для жесткого удержания оптического волокна 42, 50 передачи сигнала и поглощающего оптического волокна 44, 52, линзу 34, (47), установленную в заданном положении от одного конца наконечника 40, (48) для фокусировки светового сигнала, передаваемого через оптическое волокно 42, 50 передачи сигнала и втулку 38, (46) для фиксированного выравнивания наконечника 40, (48) и линзы 34, (47). Две части передачи сигналов совместно с фильтром 36 устанавливаются между двумя линзами 47 и 34 для отражения или передачи передаваемого света через оптические световоды 42 и 50 передачи сигналов.
Согласно другому конкретному варианту воплощения настоящего изобретения, изображенному на фиг. 6, модуль лазерного диода содержит чип 56 лазерного диода для излучения лазерного луча 60, блок 58 управления, предназначенный для подачи напряжения на чип лазерного диода, модульный корпус 54, предназначенный для содержания в себе модуля лазерного диода и оптическое устройство, установленное по ходу лазерного луча, которое включает в себя оптическое волокно 68 передачи сигнала, предназначенное для передачи лазерного луча, оптическое волокно 70, поглощающее рассеянные световые лучи, установленное на заданном расстоянии от оптического волокна передачи сигнала, предназначенное для поглощения многократно отраженных световых лучей, образующихся в модульном корпусе 54, наконечник 66, предназначенный для жесткого удержания оптического волокна 68 передачи сигнала и поглощающего оптического волокна 70, линзу 64, установленную в заданном положении от одного конца наконечника 66 для фокусировки лазерного луча 60, и втулка 62 для точного выравнивания наконечника 66 и линзы 64.
На фиг. 7 изображено устройство связи оптического сигнала, состоящего из двух частей, каждая из которых содержит оптическое волокно 72, 80 передачи сигнала для передачи светового сигнала, оптическое волокно 84, 82, поглощающий рассеянные световые лучи, установленный на заданном расстоянии от оптического волокна передачи сигнала для поглощения многократно отраженных световых лучей, образующихся в устройстве связи, наконечник 74, 78, предназначенный для жесткого удержания оптического волокна 72, 80 передачи сигнала и поглощающего оптического волокна 84, 82. Наконечники 74, 78, содержащие соответственно оптические световоды 72 и 80 передачи сигналов, точно выравниваются при помощи корпуса 76.
Таким образом, большая часть многократно отраженных световых лучей, образующихся в оптическом передающем устройстве, поглощается при помощи оптического волокна, поглощающего рассеянные световые лучи, выводимые наружу так, что устраняются шумы, улучшая и стабилизируя при этом характеристики передачи светового сигнала оптической передающей системы, которые необходимы для передачи большого количества световых сигналов на высокой скорости передачи. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет получить линейно сформированный световой сигнал, соответствующий выходному сигналу источника света, и минимизировать искажения сигнала, вызванные многократными отражениями в передающей системе сигнала с многократными длинами волн и временными интервалами. Кроме того, свет поглощающего оптического волокна может использоваться для контроля передающей линии связи посредством обнаружения изменений, происходящих во времени и внешнем окружении. Более того настоящее изобретение делает необязательной шлифовку конечной поверхности наконечника под точным углом, уменьшая тем самым стоимость.
Реферат
Изобретение используется в волоконно-оптических линиях связи. Оптическое устройство содержит установленные в наконечнике оптическое волокно для передачи сигнала и оптическое волокно, поглощающее рассеянные световые лучи, фокусирующую линзу и втулку для точного выравнивания наконечника и линзы. Торец поглощающего волокна может быть отполирован наклонно. Волокна устанавливают в наконечнике на заданном расстоянии, кратном длине волны светового сигнала. Уменьшены шумы и потери, вызванные многократными отражениями световых лучей в устройстве, упрощен процесс изготовления, уменьшена стоимость. 6 с. и 15 з.п.ф-лы, 11 ил.
