Оптический соединитель

Изобретение относится к оптическим системам передачи, в частности к оптическим соединителям с расширенным световым пучком, предназначенным для соединения между собой волоконно-оптических волокон и оптических кабелей в системах связи и распределенных оптических сенсорных системах, элементы которых функционируют в тяжелых условиях, а именно: оптические соединители могут находиться в воде, грязи, пылевой атмосфере и других неблагоприятных условиях. Заявленный оптический соединитель состоит из двух абсолютно идентичных соединяемых механически между собой бесконтактных оптических разъемов, каждый из которых состоит из защитного корпуса, в котором закреплен оптический модуль. Оптический модуль состоит из крышки, основания и установленной между ними прецизионной центрирующей шайбы, имеющих соосные сквозные отверстия, причем в отверстиях прецизионной центрирующей шайбы зафиксированы центрирующие втулки, в которых установлены жестко закрепленные в основании оптического модуля направляющие штыревые элементы для прецизионного позиционирования оптических разъемов оптического соединителя и коллиматорные объективы, состоящие из сферической линзы, расположенной по направлению к отверстиям защитной крышки, и плосковогнутой линзы c диаметром, точно совпадающим с внутренним диаметром центрирующей втулки. При этом плосковогнутая линза располагается внутри центрирующей втулки и сформирована в процессе вклейки сферической линзы из оптического клея с показателем преломления, совпадающим в пределах точности в 10% с показателем преломления N материала сферической линзы, который имеет значение менее 2 (N<2). Причем центрирующая втулка выполнена с возможностью установки внутри нее ферулы с вклеенным в нее оптическим волокном с образованием оптического контакта между оптическим волокном и плоскостью коллиматорного объектива в точке фокуса на оптической оси цилиндрической части коллиматорного объектива, а оптический фокус коллиматорного объектива находится на плоской поверхности плосковогнутой линзы на оптической оси оптического волокна, вклеенного в ферулу. При этом соосные отверстия в крышке, основании и прецизионной центрирующей шайбе оптического модуля выполнены с возможностью размещения в них оптических каналов и соединительных элементов, а оптическое волокно, вклеенное в ферулу, находится в оптическом контакте с плоскостью коллиматорного объектива в точке фокуса на оптической оси плосковогнутой линзы коллиматорного объектива внутри центрирующей втулки за счет фиксирующего ферулу элемента. Технический результат - упрощение технологии изготовления оптического соединителя. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к области техники оптических систем передачи, в частности к оптическим соединителям с расширенным световым пучком, предназначенным для соединения между собой волоконно-оптических волокон и оптических кабелей в системах связи и распределенных оптических сенсорных системах, элементы которых функционируют в тяжелых условиях, а именно: оптические соединители могут находиться в воде, грязи, пылевой атмосфере и других неблагоприятных условиях.

Необходимость в создании и использовании оптических соединителей с расширенным пучком обусловлена задачей устранения проблемы полного перекрытия светового пучка, выходящего (входящего) из (в) оптического волокна, за счет расширения диаметра светового пучка в десятки раз больше, чем характерные размеры пылевых или грязевых частиц.

Основной принцип, используемый в подобных соединителях, заключается в создании, с помощью шариковой линзы, расширенного светового пучка , диаметр которого в десятки раз превышает диаметр (7 мкм - 9 мкм) модового пятна на выходе одномодового волоконного световода на одном из сочленяемых оптических кабелей и передачи этого расширенного светового пучка во второй сочленяемый оптический кабель для последующей фокусировки и ввода в соответствующее оптическое волокно. При этом передача расширенного светового пучка происходит без оптического контакта между волокнами.

Из уровня техники известны конструкции бесконтактных оптических соединителей с расширенным световым пучком (US4781431, опубл. 01.11.1988; GB2408350, опубл. 25.05.2005; US20090324175, опубл. 31.12.2009; WO 2019012244, опубл. 17.01.2019). В описаных в источниках конструкциях оптические соединители состоят из 2-х совершенно идентичных безконтактных оптических разъемов (далее БОР), в которых используются шариковые линзы (120), находящиеся в оптическом контакте с оптическим волокном, помещенным в керамическую ферулу (1000). Оптический контакт необходим для устранения (уменьшения) потерь на отражение на торце оптического волокна и поверхности шариковой линзы. Все элементы БОР помещены и фиксированы в защитном корпусе, а оптические элементы установлены в цельнометаллическом корпусе - оптическом модуле. В указанных источниках описаны, как правило, БОР гермафродитного типа. Гермафродитный тип БОР наиболее удобен, особенно в полевых условиях эксплуатации, так как в этом случае все БОР идентичны и не требуется разделения на типы разъемов «папа» - «мама». Позиционирование двух оптических модулей при соединении пары БОР «гермафродитного» типа в оптическом соединителе осуществляется с помощью штыревого сочленения. Упомянутые оптические схемы используют шариковые линзы, у которых фокус находится на поверхности шара, что позволяет, при оптическим контакте линзы с торцом оптического волокна, получить после линзы расширенный и близкий к параллельному пучок света. В соответствии с законами оптики, для того, чтобы фокус шариковой линзы находился на поверхности этой линзы или внутри, вблизи поверхности (120), необходимо (см., например, Викторов Д. «Фокус шара» // Квант. ,2006., № 5. С. 30-31), чтобы материал шариковой линзы имел стабильный показатель преломления света ( в диапазоне используемых в системах связи длин волн):

N=2,00

с точностью, по крайней мере до второго знака, после запятой, поскольку изменение значения показателя преломления, например, на 1% приведет к смещению фокуса на несколько десятков микрометров от поверхности линзы, что при использовании стандартных одномодовых оптических волокон с диаметром модового пятна 7 мкм - 9 мкм чревато возникновением значительных потерь оптической мощности.

Оптические стекла, со значением показателя преломления

N=2,00, прозрачные в диапазоне длин волн средств связи 1,31 мкм - 1,55 мкм, не представлены в общеупотребительных каталогах оптических стекол, например, Schott, O'Hara и т.п. Это означает, что в описанных в источниках конструкциях отсутствует возможность использования шариковых линз, изготавливаемых из оптических стекол с показателями преломления отличными от N=2, но c хорошо отработанной технологией производства, например, К8 или К108, а, напротив, требуется применение специальных стекол, которые не являются достаточно доступными. Это приводит к значительному усложнению конструкции соединителя и его удорожанию.

Другим недостатком выявленных решений является то, что представленные в них конструкции оптических модулей предусматривают весьма сложные технологические и технические операции по прецизионному изготовлению цельнометаллических корпусов оптических модулей с прецизионно установленными направляющими штырями, совмещению и фиксации в каждом оптическом канале каждого оптического модуля оптических осей волокна и шариковой линзы, поскольку, например, при пространственном рассогласовании оптических осей шариковой линзы и оптического волокна на расстояния порядка 1 мкм, происходит увеличение вносимых потерь сигнала не менее 1 дБ (по материалам www.fibersystems.com) и, как следствие, снижается надежность работы устройства.

В патентных решениях US 4 781 431; GB 2408 350A; WO 2019/012244 Al точное позиционирование шариковых линз и оптических волокон, вклеенных в серийно выпускаемые наконечники-ферулы достигается использованием специальных юстировочных устройств (162, 163) (из патента US 2009/032417S A1, с охранением нумерации частей, принятой в патенте), с последующей фиксацией УФ-отверждаемым клеем (130). В патенте US 2009/032417S A1, который принят за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, кроме того используется керамическая втулка (134), являющаяся пространственным центратором двух оптических ферул, одна из которых фиксирована в корпусе оптического модуля, а вторая, находится в оптическом контакте с первой и может, при необходимости выдвигаться из центратора из пространства (137), например, при ремонте. В данном патенте описано точное трудоемкое позиционирование всех оптических элементов соединителя также с помощью специальных юстировочных устройств и с фиксацией УФ-клеем.

Кроме описанной выше необходимости взаимной юстировки линз и оптических элементов в каждом оптическом канале оптического модуля, необходимо прецизионное, с микронной точностью, совмещение оптических осей каждой пары соединяемых оптических каналов в оптических модулях при соединении пары БОР в оптическом соединителе.

В противном случае, рассогласование их оптических осей, например, по углу на величину 0.1 град. приведет к увеличению вносимых потерь в оптический тракт почти на 2 дБ (по материалам www.fibersystems.com).

Точное позиционирование пары оптических модулей при сочленении двух БОР гермафродитного типа достигается прецизионным взаимным расположением соединительных штырей (фиг. 2, 105), приемных отверстий (фиг. 2, 104) и оптических осей всех оптических каналов в теле оптического модуля, что достигается применением очень точной (с допусками порядка 1 мкм) механической обработки мест посадки штыря (105) и соответствующего приемного отверстия (104) при изготовлении оптического модуля, а также применением штырей с прецизионными допусками на размеры диаметра, что существенно усложняет конструкцию устройства и его изготовление. После установки штыря и получения приемного отверстия, осуществляется юстировка, с последующей фиксацией УФ-клеем, как описано выше, всех оптических элементов в оптическом модуле относительно позиций штыря и приемного отверстия. Проведение этих технологических операций, очевидно, требует применения дорогостоящего обрабатывающего оборудования и весьма трудоемко, поскольку, как показано выше, подобные конструкции оптических модулей требует одновременного прецизионного взаимного позиционирования в корпусе большого числа элементов, например, 10 элементов в 4-х канальном БОР.

Из источника US 2003012513 известно использование в оптическом соединителе линз (116, 118), представляющих собой стержневые плоско-выпуклые микролинзы, сферическая часть которых сформированна из расплава части циллиндрической заготовки, соединенной с помощью оптической сварки с оптическим волокном. Данная плосковыпуклая линза помещается в наконечник, который может иметь различную форму и, в свою очередь, помещается в держатель 112, который позиционируется, с помощью штыревого соединения, с аналогичным встречным держателем. Данное техническое решение позволяет использовать для формирования линзы боросиликатное стекло или иное стекло, с температурой плавления ниже температуры плавления оптического волокна, показатель преломления которого N<2. Однако, технология формирования прецизионной микросферы (радиус R 0,2-0,6 мм) из расплава стекла, предполагающая соблюдение микронных допусков на размеры как сферической, так и цилиндрической частей, весьма сложна, что приводит к усложнению конструкции устройства. Кроме того, точное позиционирование пары подобных линз в соединителе требует использование как прецизионного наконечника, так и держателя 112. Это означает, что корпус держателя 112 должен изготавливаться на прецизионном механическом токарно-фрезерном оборудовании, что значительно усложняет конструкцию устройства и его производство, а соответственно, удорожает производство, особенно серийное, соединителей описанной конструкции.

Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке достаточно простой и при этом надежной, конструкции оптического соединителя, изготавливаемого по несложной технологии из общедоступных оптических и других материалов, который предназначен для применения в жестких условиях эксплуатации в оптических системах связи и протяженных оптических сенсорных устройств.

Технический результат заключается в упрощении технологии изготовления оптического соединителя.

Указанный технический результат достигается в оптическом соединителе, состоящим из двух абсолютно идентичных бесконтактных оптических разъемов (БОР), механически соединяемых между собой, каждый из которых содержит защитный корпус, в котором закреплен оптический модуль, который не является цельнометаллическим, а

состоит из крышки, основания и установленной между ними прецизионной центрирующей шайбы, имеющих соосные сквозные отверстия, в отверстиях прецизионной центрирующей шайбы зафиксированы центрирующие втулки, в которых с одной стороны установлены коллиматорные объективы, состоящие из сферической линзы, расположенной по направлению к отверстиям защитной крышки, и плосковогнутой линзы c диаметром, точно совпадающим с внутренним диаметром центрирующей втулки,

при этом плосковогнутая линза располагается внутри центрирующей втулки и сформирована, в процессе вклейки сферической линзы, из оптического клея с показателем преломления,

совпадающим, в пределах точности в 10% с показателем преломления N материала сферической линзы, который имеет значение менее 2 (N<2),

причем центрирующая втулка выполнена с возможностью установки внутри нее ферулы с вклеенным в нее оптическим волокном, с образованием оптического контакта между оптическим волокном и плоскостью коллиматорного объектива в точке фокуса на оптической оси цилиндрической части коллиматорного объектива,

кроме того оптический фокус коллиматорного объектива находится на плоской поверхности плосковогнутой линзы на оптической оси оптического волокна, вклеенного в ферулу,

при этом соосные отверстия в крышке, основании и прецизионной центрирующей шайбе оптического модуля выполнены с возможностью размещения в них оптических каналов и соединительных элементов, а оптическое волокно, вклеенное в ферулу, находится в оптическом контакте с плоскостью коллиматорного объектива в точке фокуса на оптической оси плоковогнутой линзы коллиматорного объектива, за счет фиксирующего ферулу элемента.

В качестве фиксирующего ферулу элемента может использоваться пружина, обеспечивающая поджим оптического волокна или клей.

Оптический модуль закрепляется внутри защитного корпуса, который обеспечивает фиксацию и герметизацию при сочленении двух БОР оптического соединителя.

Защитный корпус может иметь узел фиксации оптического кабеля.

Защитный корпус может иметь гермафродитную конструкцию для упрощения соединения частей корпуса между собой.

Защитный корпус каждого БОР может иметь пылевлагозащитный чехол, защищающий рабочий торец части защитного корпуса в отсутствие соединения.

Прецизионная центрирующая шайба может быть изготовлена из металла, различных сплавов, различных видов керамики с помощью любых пригодных технологий.

В прецизионной центрирующей шайбе может быть выполнено дополнительное сквозное технологическое центральное отверстие для крепления прецизионной центрирующей шайбы к основанию и крышке посредством крепежного резьбового элемента (винт, болт).

В прецизионной центрирующей шайбе может быть выполнено два или более сквозных отверстия для размещения направляющих элементов, количество которых определяется конкретной конструкцией БОР, причем в первой половине отверстий направляющий элемент жестко зафиксирован за счет закрепления его в основании оптического модуля, а вторая половина отверстий, расположенная зеркально симметрично относительно первой половины отверстий является приемной и служит для ввода и фиксации в нем (при соединении двух БОР оптического соединителя) направляющих элементов (штырей), установленных в прецизионной центрирующей шайбе, с аналогичным жестким закреплением в основании оптического модуля второго стыкуемого разъема. Остальные сквозные отверстия прецизионных центрирующих шайб предназначены для размещения оптических каналов, количество которых не ограничено и определяется конкретной конструкцией БОР.

Использование в конструкции каждого оптического модуля прецизионной центрирующей шайбы для фиксации в ее отверстиях прецизионных центрирующих втулок, с коллиматорными объективами и направляющих элементов, обеспечивает позиционирование коллиматорных объективов в оптических модулях соединяемых БОР, друг напротив друга с высокой точностью (для передачи оптического сигнала с минимумом потерь) в связи с тем, что прецизионные втулки, также, как и оптические ферулы, являются, в том числе, серийно производимыми изделиями, типоразмеры которых законодательно установлены международными стандартами, например, IEC 61754-13 от 1999г, IEC 61754-20 от 2001г. Таким образом, применение в конструкции оптического соединителя прецизионных центрирующих шайб и втулок существенно упрощает производство оптического соединителя, поскольку отсутствует необходимость в дополнительном проведении трудоемкого процесса юстировки для точного позиционирования всех оптических элементов соединителя при эксплуатации устройства и изготовлении оптического соединителя, что характерно для конструкций оптического соединителя, описанных в источниках: US 4781431; GB 2408350A; WO2019/012244. В результате использование заявленной конструкции оптического соединителя позволяет повысить эксплуатационные характеристики устройства и упростить производство оптического соединителя при сохранении высокой надежности его работы и других эксплуатационных характеристик.

Под оптическим каналом подразумевается оптическая система обеспечивающая передачу оптического сигнала, а именно: связанные между собой коллиматорный объектив, центрирующая втулка, оптическое волокно оптического кабеля, вклеенное в ферулу.

В качестве направляющего элемента может использоваться металлический или керамический штырь. Направляющие элементы (например, штыри) при их установке в соответствующие ответные приемные отверстия позволяют задавать направление расширенного пучка света. При этом направляющие элементы и приемные отверстия расположены параллельно оси симметрии оптического модуля и проходят через соответствующие центрирующие втулки прецизионной центрирующей шайбы, положение которых определяется также с помощью прецизионной центрирующей шайбы, что значительно упрощает процесс изготовления соединителя, по сравнению с необходимостью высокоточной механической обработки при позиционировании направляющих штырей и приемных отверстий относительно оптических каналов, что необходимо в конструкциях соединителей по патентным решениям US 4781431; GB 2408350A; WO2019/012244.

Количество отверстий с центрирующими втулками в прецизионной центрирующей шайбе может варьироваться от 3 до необходимого, определяемого числом оптических каналов оптического соединителя, при этом не менее 2-х отверстий всегда предназначены для направляющих элементов (штырей).

Основание и крышка оптического модуля играют роль защитного кожуха для механической защиты и герметизации прецизионной центрирующей шайбы и оптических элементов (коллиматорных объективов, ферулы и оптического волокна) в ней.

Оптические прецизионные центрирующие втулки (втулки-центраторы) могут быть выполнены керамическими или металлическими.

Оптические прецизионные втулки-центраторы могут быть вклеены внутри сквозных отверстий прецизионной центрирующей шайбы.

Втулки-центраторы могут быть выполнены сплошными или разрезными.

Применение разрезных втулок-центраторов в конструкции оптического соединителя обеспечивает вентиляцию воздуха, устраняя сопротивление за счет повышения давления воздуха при вдвижении ферулы во втулку.

Выполнение изобретения заявленной конструкции с обеспечением оптического контакта оптического волокна в феруле с плоскостью коллиматорного объектива в точке фокуса на оптической оси цилиндрической части коллиматорного объектива способствует тому, что свет, излучаемый из оптического волокна в виде расходящегося пучка, проходя через коллиматорный объектив, преломляется и превращается в расширенный коллимированный пучок света, который, будучи направлен на идентичный коллиматорный объектив, находящийся в другом оптическом модуле защитного корпуса второго БОР оптического соединителя, преломляется и фокусируется в оптическое волокно, оптического кабеля подведенного и зафиксированного в защитном корпусе второго БОР оптического соединителя.

Заявленная конструкция оптического соединителя поясняется фигурами 1-9, на которых представлен, в качестве примера оптический соединитель из двух идентичных БОР, каждый их которых имеет 4 оптических канала и направляющий штырь и симметрично расположенное приемное отверстие для направляющего штыря. Представленный вариант не ограничивает варианты других конструкций БОР с другим количеством оптических каналов и направляющих элементов, построенных в соответствии с подходом в настоящей заявленной конструкции.

На фиг. 1 представлен вертикальный разрез крышки оптического модуля.

На фиг. 2 представлен вертикальный разрез прецизионной центрирующей шайбы оптического модуля.

На фиг. 3 представлена схема установки центрирующей втулки в прецизионную центрирующую шайбу.

На фиг. 4 представлен вертикальный разрез основания оптического модуля с установленным штырем.

На фиг. 5 (а, б, в, г) представлены варианты формирования коллиматорных объективов.

На фиг. 6 (а, б, в, г) представлены варианты стыковки коллиматорного объектива с ферулой с формированием плосковогнутой линзы.

На фиг. 7 представлен вид оптического модуля с установленными кабелями.

На фиг.8 представлен вид оптического соединителя, состоящего из 2-х БОР.

На фиг. 9 схема входа параксиального светового луча в коллиматорный объектив.

На фигурах позициями 1-23 показаны:

1 - основание оптического модуля,

2 - прецизионная центрирующая шайба оптического модуля,

3 - крышка оптического модуля,

4 - центрирующая втулка,

5 - коллиматорный объектив,

6 - отрезок ферулы,

7 - ферула,

8 - оптическое волокно,

9- пружина,

10 - направляющий штырь,

11 - БОР (бесконтактный оптический разъем),

12 - узел фиксации оптического кабеля,

13 - оптический кабель,

14 - оптический модуль,

15 - приемное отверстие,

16 - позиционирование (обозначение юстировки),

17 - отверстие в прецизионной центрирующей шайбе,

18 - центральное отверстие,

19 - световой луч,

20 - сферическая линза коллиматорного объектива,

21 - плосковогнутая линза коллиматорного объектива,

22 - клей,

23 - отверстие в крышке,

24 - защитный корпус.

Пример реализации заявленной конструкции оптического соединителя.

Оптический соединитель (фиг. 8) состоит из 2-х БОР 11, каждый из которых имеет защитный корпус 24 гермафродитного типа. В защитном корпусе закреплен оптический модуль 14. Оптические модули 14 имеют идентичные сборные конструкции. Каждый оптический модуль 14 состоит из соединяемых между собой основания оптического модуля 1, крышки 3, и размещенной между ними прецизионной центрирующей шайбы 2. Основание, крышка и прецизионная центрирующая шайба имеют 6 соосных отверстий 15, 23, 17. Кроме того, по центру прецизионной центрирующей шайбы выполнено дополнительное сквозное отверстие 18 для ее соединения с крышкой и основанием винтом (на фиг. не показан). В шести сквозных соосных отверстиях 17 прецизионной центрирующей шайбы 2 прочно зафиксированы центрирующие втулки 4. Четыре отверстия 17 предназначены для установки оптических каналов, одно отверстие - с установленным штырем 10 и еще одно - приемное отверстие 15 для размещения в нем штыря 10, установленного во второй ответной прецизионной центрирующей шайбе 2.

Каждый оптический канал оптического соединителя представляет собой связанные между собой коллиматорный объектив 5, центрирующую втулку 4, оптическое волокно 8 оптического кабеля 13, вклеенное в ферулу 7.

Прецизионная центрирующая шайба 2 будет являться единственным позиционирующим элементом всей конструкции БОР оптического соединителя, благодаря чему автоматически позиционируются оптические каналы и направляющие штыри, а центрирующие втулки 4, в свою очередь задают оптические оси коллиматорных объективов, определяя таким образом оптические характеристики оптического соединителя.

Точность изготовления крышки 3 и основания 1 оптического модуля - средняя, достигаемая на общеупотребительном токарно-фрезерном оборудовании.

Вместо шариковой линзы с показателем преломления N=2,00 в конструкции настоящей полезной модели применяется оптическая система, которая представляет собой коллиматорный объектив 5, состоящий из сферической линзы 20 и плосковогнутой линзы 21, радиус кривизны вогнутой части которой R2 , точно соответствует радиусу кривизны R1 сферической линзы 20.

Коллиматорный объектив 5 установлен в центрирующей втулке 4 прецизионной центрирующей шайбы и находится в оптическом контакте с оптическим волокном 8, вклеенным в стандартную ферулу 7 (фиг. 7).

При этом сферическая линза 20, может быть произведена из общедоступных оптических стекол с показателем преломления N<2 (что существенно упрощает процесс производства оптического соединителя), прозрачных в используемом диапазоне длин волн света, а плосковогнутая линза 21 автоматически формируется в процессе установки сферической линзы 20 в центрирующую втулку 4, с помощью оптического клея, показатель преломления которого N2 близок или совпадает с показателем преломления N1, в пределах точности 10% , что позволяет пренебречь потерями оптической мощности за счет френелевского отражения (менее 0.1%) и исключить процедуру просветления сферической линзы со стороны плосковогнутой клеевой линзы, тем самым дополнительно упростить технологию изготовления оптического соединителя.

Использование в заявленной конструкции коллиматорного объектива имеет и другие существенные преимущества перед использованием в устройствах аналогичного назначения одиночной шариковой линзы. В заявленной конструкции в коллиматорном объективе обеспечивается увеличение дины оптического пути расходящегося светового пучка по сравнению с одиночной шариковой линзой, что приводит к увеличению диаметра коллимированного пучка на выходе из коллиматорного объектива, что в свою очередь уменьшает дифракционную расходимость, а кроме того, фактическое уменьшение числа сферических преломляющих поверхностий, за счет применения плосковогнутой линзы, уменьшает абберационные искажения, в частности, вызванные сферической абберацией и, следовательно, улучшает ввод излучения в оптическое волокно в оптическом соединителе, обеспечивая снижение потерь оптического сигнала в процессе эксплуатации устройства, что , в итоге, повышает надежность его работы и эксплуатационные характеристики в целом.

Расчеты в геометрическом приближении параксиальных световых лучей (фиг. 9) показывают, что если используется коллиматорный объектив 5, состоящий из сферической линзы 20 с радиусом кривизны R1, изготовленной из материала с показателем преломления N1, а плосковогнутая линза 21 сформирована из оптического клея с показателем преломления N2, то фокусное расстояние АВ такого коллиматорного объектива, отсчитываемое от центра А сферической поверхности, при падении световых лучей 19 из среды с показателем преломления N0 равно:

Формула 1.

Следовательно, идеальный коллиматорный объектив 5 (в реальных условиях, коллиматорный объектив может незначительно отличаться от идеального, при учете того, что оптический пучок, излучаемый одномодовым световодом является гауссовым) реализуется при условии нахождения фокуса В на плоской поверхности и продольный размер L объектива коллиматорного объектива 5 должен быть равен :

Формула 2.

Например, для хорошо известного оптического стекла марки К8 или К108 с показателем преломления N1=1,5 в области длин волн 1.31-1.55 мкм, широко используемых в системах связи и сенсорных устройствах и оптического клея ОМ 72 ТФ 5 с показателем преломления N2 =1,587 размер L, для коллиматорного объектива, содержащего сферическую линзу с радиусом кривизны R , составляет:

L=3,12R

При этом форма коллиматорного объектива 5 может быть самой разнообразной, определяемой конкретными размерами используемых оптических элементов и требованиями к оптическому соединителю.

В первом примере реализации заявленной конструкции, представленной на фиг. 5 а, коллиматорный объектив сформирован при заливке оптического клея в центрирующую втулку 4 и размещении сферической линзы 20 с диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр центрирующей втулки 4, в полость втулки на половину диаметра линзы 20, таким образом, что между сферической линзой 20 и внутренними стенками центрирующей втулки остается зазор, заполненный оптическим клеем. То есть, сферическая линза погружается в оптический клей внутри оптической втулки на половину своего диаметра и фиксируется в нем. При этом оптический клей после погружения в него сферической линзы 20 при застывании клея и клеевом соединении сферической линзы 20 и ферулы 7, формирует плосковогнутую линзу 21. В данном примере осуществляют прецизионную установку сферической линзы 20 рутинными юстировочными процедурами.

Во втором примере реализации заявленной конструкции представленном на фиг. 5 б, коллиматорный объектив сформирован при заливке оптического клея в центрирующую втулку 4 и размещении сферической линзы 20 с диаметром, существенно меньшим, чем внутренний диаметр центрирующей втулки 4, в полость втулки практически целиком. При этом между сферической линзой 20 и внутренними стенками центрирующей втулки остается зазор, заполненный оптическим клеем. То есть, сферическая линза практически целиком погружается в оптический клей внутри оптической втулки, оставляя только непогруженной верхнюю часть с диаметром большим сформированного коллимированного пучка, и прочно фиксируется в нем. При этом оптический клей после погружения в него сферической линзы 20 формирует плосковогнутую линзу 21. В данном примере также осуществляют прецизионную установку сферической линзы 20 рутинными юстировочными процедурами.

В третьем примере реализации заявленной конструкции, представленном на фиг. 5 в, коллиматорный объектив сформирован при заливке оптического клея в центрирующую втулку 4 и установки сферической линзы 20 с диаметром, большим, чем внутренний диаметр центрирующей втулки 4, в полость втулки 4 таким образом, что сферическая линза 20 опирается на внутренние стенки полости центрирующей втулки 4. При этом между сферической линзой 20 и внутренними стенками центрирующей втулки не имеется зазоров. То есть, часть сферической линзы погружается в оптический клей и прочно фиксируется в нем. При этом оптический клей после погружения в него сферической линзы 20 формирует плосковогнутую линзу 21.

В четвертом примере реализации заявленной конструкции, представленном на фиг. 5 г, коллиматорный объектив сформирован по принципу, описанному в третьем примере, однако плосковогнутая линза 21 склеивается с отрезком ферулы 6, стандартного типоразмера, в котором вместо оптического волокна помещен отрезок из прозрачного в диапазоне применяемых длин волн материала, показатель преломления которого равен или близок по величине показателю преломления оптического клея, формирующего плосковогнутую линзу 21. Материалом, заменяющим оптическое волокно может быть, например, оптический клей или стекло, по характеристикам аналогичное, применяемому в сферической линзе 20. Продольный размер отрезка ферулы выбирается из условия, что общая длина L объектива коллиматорного объектива также определяется формулой 2. Сформированный указанным способом коллиматорный объектив 5 внутри центрирующей втулки 4, предполагается использовать в оптическом соединителе, с возможностью замены оптического кабеля оконцованного ферулами-наконечниками стандартного типоразмера. При этом применение отрезка ферулы 6 обусловлено исключительно необходимостью защиты плоской поверхности плосковогнутой линзы 21, сформированной при застывании оптического клея, при вдвижении ферулы 7 при ремонте в полевых условиях.

Апертура сферической части линзы 20 и рабочий диаметр цилиндрической части плосковогнутой линзы 21коллиматорного объектива 5, в любом варианте исполнения, должны превышать размеры световых пучков, распространяющихся в такой сферической линзе.

В третьем и четвертом примерах реализации заявленной конструкции (фиг. 5 в, г) за счет того, что диаметр сферической линзы 20 несколько превышает внутренний диаметр прецизионной центрирующей втулки 4 (допуск в пределах 1 мкм) серийно выпускаемые центрирующие втулки 4 точно позиционируют сферическую линзу 20 в окружности внутреннего отверстия центрирующей втулки 4 и дополнительной работы по юстировке сферической линзы 20 не требуется. Это достигается также, благодаря высокой точности (разброс - 1-2 мкм) серийно выпускаемых сферических линз. Иными словами точное позиционирование сферической линзы 20 в коллиматорном объективе 5 относительно оптической оси волокна 8 в феруле 7 осуществляется автоматически за счет жесткой посадки сферической линзы 20 в отверстие центрирующей втулки.

Таким образом, коллиматорные объективы, раскрытые в третьем и четвертом примерах реализации, фактически являются самоцентрирующимися типами коллиматорных объективов, использование которых дополнительно существенно снижают трудоемкость при изготовлении заявленной конструкции и повышают эксплуатационные характеристики за счет снижения трудоемкости при эксплуатации (отсутствует необходимость в юстировке при эксплуатации).

Представленные на фиг. 5 варианты построения коллиматорных объективов не исчерпывают другие возможные варианты, соответствующие описанной логике построения коллиматорных объективов в соответствии с настоящим техническим решением.

Формирование и стыковка коллиматорного объектива со стандартной ферулой для получения оптического контакта плоскости коллиматорного объектива с оптическим волокном, вклеенным в ферулу или в отрезок ферулы стантартного типоразмера, осуществляется внутри центрирующей втулки, причем возможны различные варианты стыковки коллиматорного объектива с оптическим волокном, вклеенным в ферулу, в зависимости от требований к оптическому соединителю (фиг.6а-г).

В одном из примеров (фиг. 6а) выполнения заявленной конструкции, клеевое соединение коллиматорного объектива 5 с ферулой с оптическим волокном внутри центрирующей втулки 4 может осуществляется при сборке и формировании коллиматорного объектива, которые предполагается использовать в оптическом соединителем, не подлежащим разборке или ремонту. Порядок сборки следующий:

1. В центрирующую втулку 4 через, основание 1 оптического модуля 14, на необходимую глубину, определяемую с применением формулы 2, вводится ферула 7, с вклеенным оптическим волокном 8 , идущим от оптического кабеля 13, и вклеивается клеем 22 в центрирующую втулку 4.

2. Центрирующая втулка 4 помещается в вертикальное положение открытым концом вверх. В отверстие центрирующей втулки 4 заливается оптический клей, а затем помещается сферическая линза 20.

3. Точное позиционирование сферической линзы 20 в коллиматорном объективе 5 относительно оптической оси волокна 8 в феруле 7 осуществляется автоматически за счет жесткой посадки сферической линзы 20 в отверстие центрирующей втулки.

В следующем примере реализации заявленной конструкции (фиг. 6 б) формирование и клеевое соединение коллиматорного объектива 5 внутри центрирующей втулки 4 с ферулой коннектора быстрого оконцевания 24 для получения оптического контакта с предустановленным отрезком оптического волокна осуществляется при сборке и формировании коллиматорного объектива, которые предполагается использовать в оптическом соединителе, c возможностью оперативной оконцовки оптического кабеля в полевых условиях без применения оптических клеев, полировки торцов и оптической сварки.

Процедура формирования коллиматорного объектива и его стыковки с отрезком оптического волокна в феруле 7 стандартного типоразмера коннектора быстрого оконцевания 24, полностью аналогична процедуре, описанной в предыдущем примере реализации (пример по фиг. 6 а).

В примере реализации заявленной конструкции, проиллюстрированной на фиг. 6 в, формирование и клеевое соединение коллиматорного объектива 5 внутри центрирующей втулки 4 для оптического контакта с вклеенным оптическим волокном в отрезок ферулы 6 стандартного типоразмера предполагается использовать в оптическом соединителе, с возможностью замены оптического кабеля, оконцованного ферулами-наконечниками стандартного типоразмера.

Процедура формирования коллиматорного объектива и его стыковки с оптическим волокном в отрезке ферулы 6 стандартного типоразмера полностью аналогична процедуре, описаной в примере реализации по фиг. 6 а.

В еще одном примере реализации заявленной конструкции по фиг. 6 г самоцентрирующийся коллиматорный объектив формируется аналогично процедуре, рассмотренной в примере по фиг. 6 а. Однако плосковогнутая линза 21 склеивается с отрезком ферулы 28, стандартного типаразмера, в котором вместо оптического волокна помещен отрезок из прозрачного, в диапазоне применяемых длин волн, материала, показатель преломления которого равен или близок по величине показателю преломления оптического клея, формирующего плосковогнутую линзу 21. Материалом, заменяющим оптическое волокно может быть, например, оптический клей или стекло, аналогичное, применяемому в сферической линзе 20. Продольный размер отрезка ферулы выбирается из условия, что общая длина L коллиматорного объектива также определяется формулой 2. Сформированный указанным способом коллиматорный объектив 5 внутри центрирующей втулки 4, предполагается использовать в оптическом соединителе с возможностью замены оптического кабеля оконцованного ферулами-наконечниками стандартного типоразмера. При этом применение отрезка ферулы 28 обусловлено исключительно необходимостью защиты плоской поверхности плосковогнутой линзы 21, сформированной при застывании оптического клея, при вдвижении ферулы 7 при ремонте в полевых условиях.

Апертура сферической части 20 и рабочий диаметр цилиндрической части плосковогнутой линзы 21 коллиматорного объектива 5 в любом варианте исполнения, должны превышать размеры световых пучков, распространяющихся в такой сферической линзе.

Дополнительно упрощение производства оптического соединителя достигается за счет упрощения конструкции коллиматорного объектива и его изготовления, а также отсутствия необходимости дополнительного центрирования сферической линзы коллиматорного объектива для расположения оптического фокуса коллиматорного объектива на плоской поверхности плосковогнутой линзы на оптической оси оптического волокна, вклеенного в ферулу. Коллиматорный объектив сформирован при заливке оптического клея в прецизионную центрирующую втулку и последующей жесткой посадки сферической линзы с диаметром, большим, чем внутренний диаметр центрирующей втулки в отверстие прецизионной центрирующей втулки. При этом между сферической линзой и внутренними стенками центрирующей втулки не имеется зазоров. То есть, часть сферической линзы погружается в оптический клей и прочно фиксируется в нем. При этом оптический клей после погружения в него сферической линзы формирует плосковогнутую линзу. Таким образом, конструкция и процесс изготовления коллиматорного объектива достаточно простые, при этом полученный коллиматорный объектив является самоцентрирующимся, поскольку при его выполнении указанным образом происходит опирание сферической линзы на внутренние стенки полости прецизионной центрирующей втулки, что приводит к автоматическому центрированию сферической линзы. Соответственно использование самоцентрирующегося коллиматорного объектива исключает применение дополнительных устройств и проведение каких-либо манипуляций для центрирования сферической линзы и упрощает способ изготовления оптического соединителя в целом.

Таким образом, была разработана усовершенствованная технологическая процедура сборки оптического модуля, которая отличается полным отсутствием операций точной юстировки оптических элементов (при формировании коллиматорных объективов по фиг. 5в, г) и направляющих элементов:

1. Коллиматорный объектив 5 с цилиндрической частью плосковогнутой линзы 21, точно соответствующей диаметру центрирующей втулки 4 за счет формирования плосковогнутой линзы 21 из массы оптического клея в процессе стыковки коллиматорного объектива с ферулой 7, в том числе ферулой 7 коннектора быстрого оконцевания 24, или отрезком ферулы 6 стандартного типоразмера, которые в свою очередь вклеены в центрирующую втулку 4, которые уже фиксированы на прецизионной центрирующей шайбе 2. При этом происходит автоматическое позиционирование оптических осей центрирующей втулки, коллиматорного объектива и оптического волокна в феруле или отрезке ферулы.

2. Коллиматорный объектив 5 с цилиндрической частью плосковогнутой линзы 21, точно соответствующей диаметру центрирующей втулки 4 за счет формирования плосковогнутой линзы 21 из массы оптического клея и отрезка ферулы стандартного типоразмера с замещением оптического волокна на стержень из оптического клея или стекла 28.

3. Подготовленная таким образом прецизионная центрирующая шайба 2 надевается на штырь 10, предварительно закрепленный в основании 1 оптического модуля 14 с помощью клея, термопосадки или точечной сварки и т.п., при этом точного позиционирования штыря 10 в основании 1 не требуется.

4. Все части оптического модуля 14: основание 1, прецизионная центрирующая шайба 2 с установленными втулками 4, надетая на штырь 10 и крышка 3 собираются в единый оптический модуль 14 ,с использованием клея и герметизирующих материалов.

5 Наконечники-ферулы стандартного типаразмера 7, которыми оконцованы оптические волокна 8 оптического кабеля 13 через основание 1 оптического модуля 14, вводятся в центрирующую втулку 4 и поджимаются стандартными пружинами 9 для получения оптического контакта с торцом коллиматорного объектива.

1. Оптический соединитель, состоящий из двух абсолютно идентичных соединяемых механически между собой бесконтактных оптических разъемов, каждый из которых состоит из защитного корпуса, в котором закреплен оптический модуль, отличающийся тем, что оптический модуль состоит из крышки, основания и установленной между ними прецизионной центрирующей шайбы, имеющих соосные сквозные отверстия, причем в отверстиях прецизионной центрирующей шайбы зафиксированы центрирующие втулки, в которых установлены жестко закрепленные в основании оптического модуля направляющие штыревые элементы для прецизионного позиционирования оптических разъемов оптического соединителя и коллиматорные объективы, состоящие из сферической линзы, расположенной по направлению к отверстиям защитной крышки, и плосковогнутой линзы c диаметром, точно совпадающим с внутренним диаметром центрирующей втулки,

при этом плосковогнутая линза располагается внутри центрирующей втулки и сформирована в процессе вклейки сферической линзы из оптического клея с показателем преломления, совпадающим в пределах точности в 10% с показателем преломления N материала сферической линзы, который имеет значение менее 2 (N<2),

причем центрирующая втулка выполнена с возможностью установки внутри нее ферулы с вклеенным в нее оптическим волокном с образованием оптического контакта между оптическим волокном и плоскостью коллиматорного объектива в точке фокуса на оптической оси цилиндрической части коллиматорного объектива,

кроме того, оптический фокус коллиматорного объектива находится на плоской поверхности плосковогнутой линзы на оптической оси оптического волокна, вклеенного в ферулу,

при этом соосные отверстия в крышке, основании и прецизионной центрирующей шайбе оптического модуля выполнены с возможностью размещения в них оптических каналов и соединительных элементов,

а оптическое волокно, вклеенное в ферулу, находится в оптическом контакте с плоскостью коллиматорного объектива в точке фокуса на оптической оси плосковогнутой линзы коллиматорного объектива внутри центрирующей втулки за счет фиксирующего ферулу элемента.

2. Оптический соединитель по п. 1, отличающийся тем, что коллиматорный объектив представляет собой соединенные между собой посредством клеевого соединения сферическую и плосковогнутую линзы.

3. Оптический соединитель по п. 2, отличающийся тем, что сферическая линза выполнена с диаметром, превышающим внутренний диаметр центрирующей втулки для ее жесткой прецизионной посадки в отверстие центрирующей втулки.

4. Оптический соединитель по пп. 1, 2, отличающийся тем, что плосковогнутая линза автоматически формируется в отверстии центрирующей втулки при вклеивании сферической линзы при изготовлении коллимирующего объектива.