SE454026B - Sett for anslutning av en optisk fiber jemte for settets tillempning avsett anslutningsdon och monteringsmedel - Google Patents

Description

20 25 30 35 40 454 026 z rinnande kvartssträngen utdrages till en fiber. (Dessa beskrivningar är naturligtvis grovt schematiska.) I båda fallen är det svårt att hålla fibern helt rotations- symmetrisk med avseende på mittzonen med högst brytnings- index, fiberns kärna. Exempelvis kan en singelmodfiber ha diametern 100}m1och en kärna med diametern 10)mn Denna ligger i praktiken ofta decentrerad med 3 m. För en gra- díentindexfiber är en vanlig diameter 125 fm, med en ur ljustransmissionssynpunkt effektiv kärndiameter om Sfllpm.

I detta fall är i 3% en normal tillverkningstolerans. När man i gradientindexfallet vill koppla ihop två fibrer, är det nödvändigt att passa ihop dem på bättre än 5)m\för att förlusten skall vara under 1 dB. För singelmodfibrer är problemet med skarvning femfalt svårare.

Det inses alltså att en centrering vid skarvning av optiska fibrer av detta slag, som bara tar hänsyn till ytterdia- metrarna, inte kan anses tillfredsställande.

Vid skarvning av optiska fibrer med skarvdon kan Fresnel- -förlusterna uppgå till 0,35 dB, om skarvningen sker med användning av luftspalt. Bättre värden kan enkelt erhållas om spalten fylls med ett indexmatchande medium, en metod som dock av praktiska skäl ofta måste avvisas. Det kan nämnas att en permanentskarvning genom hopsmältning av fiberändar, som i princip naturligtvis borde vara förlust- fri, i praktiken har visat sig ge förluster på några tion- dels decibel bl.a. beroende på fiberkärnans osymmetriska läge i förhållande till ytterdiametern.

Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att åstadkomma en enkel och med hänsyn till förlusterna förmånlig skarvning av optiska fibrer med användning av skarvdon, som möjliggör isärtagbara inkopplingar i motsats till hopsmältningsmeto- den. Det är ett särskilt syfte att frigöra dylik skarvning, utförd genom precisionsanpassade anslutningsdon, från den tidigare vanliga anknytningen till fiberns yttre yta, som ofta ej är representativ för den däri transporterade ljus- strâlens mittpunkt. Med föreliggande uppfinning centreras 10 15 20 25 30 35 40 3 454 026 fiberkärnorna oberoende av fiberns ytterdiameter.

Ett ytterligare syfte är att åstadkomma en enkel och billig anslutning, som i och för sig kan vara användbar även för grövre fibrer av stegindextyp, varvid enligt uppfinningen inga särskilda precisionspassdon behövs utöver en väl- definierad ytterkonisk yta, till vilken anpassning sker enligt uppfinningen.

Med anslutningsdon avses innefattade både sådana som är avsedda för att ansluta en fiber till en annan och sådana som är avsedda för anslutning till komponenter, t.ex. strålningskällor eller detektorer.

Ovanstående och andra syften uppnås enligt uppfinningen genom ett sätt enligt nedanstående krav 1. Ett för sättet särskilt avpassat anslutningsdon anges i krav 7, och ett för sättets genomförande avsett monteringsmedel anges i krav 9.

Det är lämpligt att utföra centreringen av fiberkärnan i det koniska donet under optisk observation, och därvid låta anslutningsdonets ytterkona vila i en motsvarande innerkona.

För att betrakta fiberänden föredrages användning av ett mikroskop med t.ex. ett hårkors eller liknande, markerande önskad mittplacering av fibern, samt en tvådimensionell manipulatorför att svänga justerdonet tills centrering av kärnan uppnåtts. Som mikroskop kan användas ett metallmikro- skop, företrädesvis av s.k. omvänd typ, ev. med möjlighet till belysning genom objektivet. Om belysning via fibern anordnas, behövs belysningen genom objektivet endast om donets hela ändyta behöver iakttagas under centreringen.

Gradientindexfibern har i regel mitt i kärnan en liten anomali motsvarande den sista punkt där röret vid smältning gått ihop. Denna anomali lämpar sig väl för att sikta på med hårkorset eller vad man nu har anordnat i mikroskop- okularets betraktningsplan och framträder som en mörk punkt om fibern belyses lämpligt vid bortre änden.

Vid ett monteringsmedel enligt uppfinningen är det lämpligt 10 15 20 25 30 35 40 454 026 4 att ihop med ett mikroskop och en innerkonisk passningsyta för anslutningsdonets ytterkona använda en manipulator av typ X-Y-bord, varmed justerdonet kan svängas i två vinkel- räta riktningar. Även andra, inom mikroskoperingstekniken förekommande manipuleringsmedel kan anpassas till ifråga- varande bruk.

Som ett alternativ till optisk observation kan elektrisk inmätning av centreringen göras genom att det injusterbara donet placeras i en första kona i en dubbelkona, som i sin andra kona har ett precisionstillverkat koniskt referensdon med ett för fiberkärnans diameter anpassat centralt hål. Ge- nom detta hål kan optisk strålning från fiberkärnan detekte- ras och kärnan justeras till donets centrum genom att t.ex. maximera detektorströmmen på ett visarinstrument.

Denna metod har ett speciellt användningsområde för att kontaktera fiberförsedda IR-dioder och IR-lasrar. (Eng. pigtailed components).

Metoden att elektriskt mäta in centreringen bör vara an- vändbar för till donets X-Y-bordets automatisering av fiberkärnans injustering geometriska axel genom servostyrning av båda axlar.

Det är även möjligt att genom en rent translatorisk rörelse i X-Y-planet centrera justerdonet (9) till centrum av ytterkonan (16) om donet ej ligger an mot skuldran (10). Då krävs att injusteringen göres med ett X-Y-bord med en positioneringsupplösning på närmare 0,1 }nn och en justerings- möjlighet i Z-led blir också nödvändig. Denna centrerings- variant bedöms medföra ett dyrare injusteringsmedel.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas i form av ett icke-be- gränsande utföringsexempel i anslutning till figurerna.

Fig. 1 visar i genomskärning och ungefär S gångers förstoring ett färdigmonterat anslutningsdon, med schematiskt visad anslutning till ett annat don av liknande slag t.ex. ett referensdon. Pig. 2 visar schematiskt ett under montering varande anslutningsdon jämte ett monteringsmedel. 10 15 20 25 30 35 40 454 .uzea I fig. 1 visas ett monterat anslutningsdon 3 med en optisk fiber 1 monterad däri. Fiberänden är skalad, dvs. skydds- mantlingen 2 har tagits bort.

I likhet med vad som är tidigare känt, har anslutningsdonet 3 vid spetsen en ytterkona 16, tjänande som passningsyta mot en innerkona i en passbit 15, som har tvâ koncentriska innerkonor, och en mötande ytterkona 16 till ett annat an- slutningsdon som är schematiskt visad. Ytterkonan 16 är en del av ett rör 4, på vilket sitter en fästmutter 8. I det visade exemplet är fästmuttern fäst vid röret 4 via en lös fästring 7 i ett spår, och fästmuttern 8 är anordnad för att kunna fästa anslutningsdonet vid t.ex. ett mellanstycke (ej visat). Rörstycket 4 är förlängt med ett andra, på- skruvat rörstycke 5, så att donet uppvisar en fösta del 4 och en andra del 5, båda med ett genomgående hål 12. Hålet i den första delen 4 avsmalnar vid spetsen till en ungefär- ligen innerkonisk yta 10. I hâligheten 12 är infört ett justerdon 9, också med ett genomgående hål 13, i vilket hål 13 fibern 1 är införd. Justerdonet 9 är tillräckligt långt för att vid bakänden utsticka ur delen 4, när delen 5 ej är monterad, men utsticker knappast, eller ej alls från delen 5 när denna är påskruvad vid gängan 6 (man kan natur- ligtvis fästa på annat sätt än genom gänga, t.ex. med lim).

Justerdonet 9 är spetsigt vid änden, och här visat med en påsatt spets 11. Spetsen 11 är spetsigare än hålets 12 av- smalnande yta 10, varför justerdonet vilar emot ytan 10 något innanför spetsen, i detta fall ca 2 mm innanför.

Vid montering och injustering av anslutningsdonet skalar man fibern 1 vid änden och insticker den i justerdonet 9, i dess hål 13, som avsmalnar vid 14. Det är lämpligt att bemänga fiberänden med t.ex. någon härdplast, så att den fäster inuti justerdonet och dess ände blir förankrad vid spetsen. Man trär därefter på den bakre delen 5, som dras tillbaka utanpå fiberns 1 beklädnad 2 för att ej vara i vägen. Därefter instickes justerdonet 9 i den främre delen 4 tills det bottnar vid spetsen. Den främre delen monteras i en innerkona framför ett mikroskop. Det är nu möjligt 10 15 20 25 30 35 40 454 026 6 att flytta fibern något i förhållande till ytterkonans 16 axel, genom att låta justerdonet svänga, varvid dess spets kan glida där den vilar emot ytan 10. I mikroskopet kan man då studera fibern, som företrädesvis är upplyst. Denna upp- lysning kan ske från fiberns motsatta ände. Det är även möjligt att låta en ljusstråle gå in via hålet 18 i juster- donet, vilket är lämpligt om fiberns motsatta ände tlex. är otillgänglig. Fiberkärnan centreras mot ett hårkors i mikroskopet genom att X-Y-bordet påverkar justerdonets för- längning 21.

Därefter fixeras justerdonet varaktigt, t.ex. med härdplast såsom vid 17 och förlängningen 21 bortmonteras. Lämpliga härdplaster är kända för fackmannen. Eventuellt kan hela utrymmet mellan delen 4 och justerdonet 9 utfyllas med härdplast.

Därefter påsättes den bakre delen 5 vid den främre delen 4, varvid justerdonet 9 blir dolt. Efteråt kan man, om så önskas, klämma ihop den bakre delen 5 utifrån och därmed få en mekanisk avlastning av fiberkabeln 2 på konventionellt sätt.

Det i fig. 2 visade medlet för injustering är särskilt lämpat för den nämnda justeringen. Ett s.k. omvänt metall- mikroskop 24 har ett objektiv, t.ex. med 10x förstoring och N.A. 0,2, en spegel 26 och ett okular 27, framför vilket sitter ett hårkors eller en mätringsskiva 28. Mikroskopet är injusterat så att det betraktar utefter axeln till en uppåt öppnande innerkona i en platta 15'. Delen 4 fastsättes med muttern 8 och justerdonet 9, med fastsatt fiber 1 in- sättes i delen 4. En förlängningsarm 21 fastsättes på juster- donets utstickande bakände medelst en skruv 22. Förläng- ningsarmen 21 har vid sin ände ett genom centrum gående spår 30, så att fibern 1 kan uttagas åt sidan.

På mikroskopbordet sitter en pelare 31, och överst på denna ett vanligt korsbord 20 med inställningsorgan 32 och 33 för translationsrörelse i två vinkelräta riktningar. På kors- bordet 20 är monterat ett fjädrande blad, som bringas att 10 15 20 25 30 35 40 , 454 026 bära emot förlängningsarmens 21 fria ände. Genom att vrida på skruvarna 32 och 33 kan nu förlängningsarmen 21 och justerdonet 9 svängas emot ytan 10 (fig. 1), varvid fibern blir justerbar, under det att justeringen övervakas i mikroskopet.

Längden pâ förlängningsarmen kan t.ex. vara 100 mm. Som redan nämnts, bär justerdonet emot ytan 10 ungefär 2 mm in räknat från spetsen. En förflyttning med 1/100 mm på kors- bordet medför då en vinkeländring om 10-4 rad., och fiberns ytterände rör sig O,2lpm. Då eventuella glapp i korsbordet ju går att ta hänsyn till, är det tydligt att man kan genomföra en justering med åtminstone denna noggrannhet.

Man kan lägga märke till att fiberns riktning ej ändrar sig mycket vid justerdonets 9 svängning, varför justeringen knappast inverkar på fiberns riktningsjustering. Detta är viktigt, eftersom ju i fibern transporterat ljus utkommer i bestämd riktning (låg numerisk apertur, N.A. ofta av storleks- ordningen 0,1). Som ovan anförts, är ju den erforderliga justermânen ofta av storleksordningen 3-Slpm. En förflytt- ning av centrum för fiberänden med 5 betyder en vinkel- ändring om 2,5 . 10-3 rad., vilket är väsentligen försum- bart i förhållande till den numeriska aperturen.

Det är även möjligt att använda ett mikroskop, som har möj- lighet till konoskopisk avbildning (t.ex. genom Amici- -Bertrand-lins), varigenom man i samma apparatur kan kontrollera att frân fiberänden utträdande ljus ej har en från anslutningsdonets symmetriaxel alltför avvikande ut- gångsriktning.

Vid ett särskilt utföringsexempel av uppfinningen förfors på följande sätt. Den vid änden avklädda fibern 1 instacks i justerdonet 9, som först fyllts med härdplast (vid 120°C värmehärdande tvåkomponentlim av typ Epotech 360 från Epoxy Technology). Efter härdning kapades den utstickande fiberänden genom att först lätt ritsa den och därefter bryta av den. Justerdonet 9 insattes löst i den främre delen 4, och det hela slipades framifrån för hand mot 10 15 20 454 026 a slippapper med minskande kornstorlek på vanligt sätt till god ytjämnhet på fiberänden. Enheten monterades därefter i ett justermedel enligt fig. 2, och en limring av rätt tjockt cyanakrylatlim (Tak Pak från Loctite) 17 (se fig. 1) an- bringades, varefter justering utfördes. Efter fullbordad justering härdades cyanakrylatlimmet genom påläggning av tillhörande härdare, som ger mycket snabb härdning. Den justerade anordningen kunde därefter frigöras, varefter en härdplast av förut nämnd epoxy-typ insprutades i mellanrum- met mellan justerdonet 9 och den främre änden 4. Genom att nospartiet vid 19' försetts med en axiell skära, kunde lim- met uttränga mot spetsen. Sedan detta härdats, kunde den bakre änden påskruvas och fibern mekaniskt fästas definitivt genom hopklämning.

Det noteras att justerdonet i fig. 1 visats gjort i två delar, med ett nosstycke, på grund av att det eljest är svårt att borra upp ett tillräckligt litet hål, av fiberns dimension. Man kan tänka sig att göra mittpartiet av juster- donet av s.k. kanylrör och i andra änden fästa ett något grövre, särskilt tillverkat rör, försett med hålet 18. De synliga delarna av anslutningsdonet bör lämpligast göras av rostfritt material, som ej behöver ges särskild ytbehand- ling ägnad att försvåra innehâllandet av goda måttoleranser. år.

Claims (9)

10 15 20 25 30 35 454 026 Patentkrav

1. Sätt för montering av en optisk fiber i ett genomgående hål i ett anslutningsdon och centrering av fiberns kärna i förhållande till en rotationssymmetrisk axel till en pass- ningsyta i anslutningsdonet, vilken passningsyta är avsedd för att vid anslutning av anslutningsdonet åstadkomma dettas reproducibla montering, varvid fibern först fixeras i en hål- lare, vilken därefter under fiberns belysning och optisk kontroll manipuleras till ett justerat läge i anslutnings- donet och där fixeras med hjälp av ett fästmedel, företrädes- vis ett lim, k ä n n e t e c k n a t av att det nämnda hålet (12) vid ena änden är avsmalnande och bildar en inre skuld- ra (10), att hâllaren vid den ände, där fibern bringas att utträda, är avsmalnande i högre grad än det nämnda hålet, och att hållarens avsmalnande parti (11) bringas till anligg- ning emot den inre skuldran, varefter centrering sker genom att hållaren svänges under glidning emot skuldran, tills fiberkärnans ände intagit det nämnda centrerade läget på axeln, varefter den nämnda fixeringen sker.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t, av att ett betraktningsinstrument anordnas för att utifrån anslutnings- donets första ände betrakta fiberns ände och av att hållaren kopplas till ett i minst två dimensioner justerbart juster- instrument för justerdonets oberoende svängning inom två från varandra skilda plan.

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att anslutningsdonets passningsyta är en ytterkonisk yta, var- vid anslutningsdonet för justering monteras med sin ytterkona insatt i en därtill avpassad innerkona.

4. Sätt enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a t av att som betraktningsinstrument användes ett metallmikroskop.

5. Sätt enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a t av att som betraktningsinstrument användes ett mikroskop, som 10 15 20 25 30 35 454 026 10 fokuseras mot fiberns ände, varvid ljus anordnas att ut- träda ur fiberns ände, så att dennas läge är fastställbart.

6. Sätt enligt krav 5, varvid fiberns motsatta ände kan vara otillgänglig, k ä n n e t e c k n a t av att fibern från sin utsida belyses genom ett i hållaren upptaget hål.

7. Anslutningsdon för tillämpning av sättet enligt något av föregående krav för centrering och montering av en optisk fiber, och vilket har ett genomgående hål, vid en första ände en rotationssymmetrisk passningsyta för centrerad an- slutning emot en däremot svarande komplementär passningsyta, samt lösgöringsbara fasthållningsmedel, k ä n n e t e c k - n a t av att däri ingår en första, donets första ände inne- hållande del (4), en andra, därtill anslutningsbar förlängan- de del (5) och en i det genom den första och den andra delen anordnade, båda partierna genomgående hålet införingsbar, med ett genomgående och för fiberns (1) placering avsett hål (13) försedd hållare (9), varvid det genomgående hålet i den förs- ta delen uppvisar ett vid den första, med passningsytan (16) försedda änden beläget, mot änden avsmalnande parti (10), som bildar en skuldra, hållaren (9) vid sin ena, första ände på sin utsida är avsmalnande, och detta i högre grad än den förs- ta delens håls avsmalnande parti, så att hållaren är infö- ringsbar i nyssnämnda hål och anordningsbar till kontakt med skuldran vid ett läge på något avstånd från den första änden av den första delen, samt därvid svängbar under kvarstående av dylik kontakt, varjämte hållarens längd är tillräcklig för att denna skall utsticka från den första delen, då den andra delen är omonterad.

8. Anslutningsdon enligt krav 7, k ä'n n e t e c k n a t av att hållarens genomgående hål har en sidoöppning (18) vid en plats som är frilagd då hållaren är insatt i den första delen och den andra delen är omonterad.

9. Monteringsmedel för montering enligt sättet enligt något av krav 3 - 7 av ett anslutningsdon enligt krav 7, k ä n n e - *fr 10 454 026 11 t e'c k n a t av att däri ingår en platta (15') med ett innerkoniskt, utåt sig öppnande hål för insättning av ett anslutningsdons därtill passande ytterkoniska passningsyta, ett mikroskop (24 - 27) anordnat att betrakta en i ett dy- likt anslutningsdon anordnad optisk fibers (1) ände, en hål- larförlängare (21) anordnad att med sin ena ände fästas vid en hållare (9) i anslutningsdonet (4), och ett i tvâ rikt- ningar vinkelrätt justerdonsförlängaren förflyttbart och på dennas andra ände verkande svängjustermedel (20), varvid hâllarförlängaren (21) är försedd med en urtagning för ut- tagning av en från justeringsdonet utkommande optisk fiber.