Надежно соединить оптические волокна, не используя ничего другого, не так просто, как кажется
Модель внутриволоконной микролинзы
(Comsol Multiphysics, модуль геометрической оптики)
Мы привыкли видеть в телекоммуникационном оборудовании коннекторы, которые просто стыкуют оптические волокна, стараясь сделать это по одной оси без смещения. Но в условиях постоянных вибраций такая схема не сработает. Потери на нем будут стремительно расти из-за повреждения самих волокон и их сдвига относительно оси. Как правило, в узкоспециализированных задачах с высокими нагрузками используют коннекторы, расширяющие пучок с помощью дополнительных линз. Они дороги и сложны в производстве.
Одна из научных групп Высшей инженерно-технической школы ИТМО предложила модель надежного коннектора с расширенным пучком, построенного без использования внешних линз — только на самих волокнах. В этой статье рассказываем подробно, почему эта идея гораздо удачнее, чем решения, применяемые в промышленности сегодня.
В чем суть задачи
Стандартный волоконно-оптический коннектор просто соединяет два волокна, устанавливая их в упор.
Такое соединение хорошо работает при решении задач в стандартных условиях. Плюс подобных соединений — они очень дешевы и широко доступны. Но в космической отрасли или авиастроении из-за повышенных нагрузок такое соединение проживет недолго. Концы волокон будут постоянно соприкасаться, как результат — трещины и повреждения волокон (и как следствие — многократный рост потерь).
Чтобы этого не происходило, надо, во-первых, немного раздвинуть волокна, чтобы они не касались друг друга, а во-вторых, увеличить пучок в размере, чтобы если волокна сдвигаются друг относительно друга при тряске, не было потери сигнала.
Коннекторы, доступные коммерчески, для увеличения пучка используют шариковые линзы на концах обоих волокон. Проблема в том, что такие линзы достаточно сложно сделать. Есть стандартные размеры — 1, 2, 3 мм —, но волокно по сравнению с ними очень маленькое — 125 мкм (как минимум в 8 раз меньше). Размер коннектора получается несоизмеримо большим. А кроме того шариковую линзу необходимо постоянно прижимать к волокну, т.е. проявляется точно такая же проблема контакта и дополнительная пружина, обеспечивающая плотное прилегание.
Источник: https://www.timbercon.com/resources/blog/expanded-beam-fiber-optic-connectors-for-medical-devices/
Вместо шариковых линз одна из групп Высшей инженерно-технической школы ИТМО предложила использовать градиентное оптоволокно, приваренное к концу обычного волокна.
Профиль показателя преломления градиентного оптоволокна
В научных работах по теме кабельных сборок встречались схожие идеи: коллеги предлагали использовать вместо шариковой линзы так называемый градан — объемный кусок стекла с градиентом показателя преломления. Но он имеет все те же недостатки, что и шариковая линза — габариты, прижим и границу сред.
А вот градиентное волокно существенно упрощает конструкцию. Для реализации коннектора не требуется изобретать экзотические ферулы или придумывать прижимные механизмы для линз. Достаточно просто продумать процесс полировки волокон.
Эскизная 3D-модель аппаратного и кабельного коннекторов
Первый этап разработки
На плечи научной группы легла задача разработать технологию, как получить такой коннектор с заданными характеристиками. В апреле она подала заявку на конкурс по НИОКР и выиграла.
На первом этапе было проведено успешное моделирование процесса перехода света через такой коннектор при условии различных нагрузок, в частности при вибрации от 10 до 500 Гц с амплитудой колебаний порядка 0,75 мм. В эксперименте предполагалось, что само волокно от таких воздействий не разрушается и к нему не прилагается никаких нагрузок на разрыв (это стандартные для данной сферы параметры испытаний).
Модель волоконно-оптического коннектора (модуль геометрической оптики)
Все расчеты группа выполняла в Comsol Multiphysics, который позволяет задавать множество параметров для волоконной оптики, в том числе сорт стекла, его показатель преломления и т.п. У инструмента есть модуль геометрической оптики, где свет представляется как луч, и отдельно модуль волновой оптики, который позволяет рассчитывать распространение волн внутри материалов. Для моделирования использовались оба модуля, и результаты получились похожие.
Результаты на сегодняшний день
Расчеты показали, что у коннектора на базе градиентного волокна параметры даже лучше, чем у существующих сборок с шариковыми линзами, потому что уменьшается количество границ сред, которые пересекает свет. На такой границе всегда есть потери на отражение. В классической схеме с шариковой линзой есть по три границы с каждой стороны контакта (волокно-воздух, воздух-стекло, стекло-воздух). В схеме с градиентным волокном —только две (обычное волокно-градиентное, градиентное волокно-воздух). Плюс потери на границе обычного и градиентного волокон минимальны. Суммарные потери на таком контакте —менее 1 дБ.
Научная группа признается, что на прототипе, сделанном в буквальном смысле на коленках, потери уже удалось сократить до 0.5 дБ (хотя в заявке они указывали 1 дБ). Для сравнения потери в схеме с шариковой линзой порядка 2.0 дБ.
Вероятно, улучшить ситуацию в случае с шариковой линзой помогло бы просветляющее покрытие, но его напыление — это отдельный технологический этап, причем довольно сложный, поскольку покрытие должно быть ровным. Так что превосходство новой схемы налицо. Плюс коннектор получается компактнее.
Параллельно с расчетами группа опробовала полировку волокон. Это необходимо, чтобы сократить потери в кабельной сборке.
Чтобы выполнять свою функцию, градиентное должно иметь определенную длину, иначе продолжится фокусировка светового луча и потери сигнала вырастут. Таким образом, отполировано оно должно быть до определенной длины. Сейчас технология еще не обкатана и стандартный полировочный станок, где волокно трется о пленку с частицами разного диаметра (2, 3, 5, 10 микрон), не предназначен для такой точной правки длины. На втором этапе проекта планируется разработать оснастку, которая позволит полировать волокна для коннекторов не на глаз, а в соответствии с точным расчетом.
Планы на будущее
Пока группа работает над первым этапом проекта.
Результатом второго этапа будет макет изделия — кабеля, который с одной стороны имеет аппаратный коннектор, подключаемый к прибору, а с другой — реализуемую сборку. Макет будет испытан на практике, в том числе в условиях повышенных вибраций.
Пока группа работает с волокном, имеющим один оптический канал. В опытном образце планируется реализовать два волокна. Схема при этом будет сложнее, потому что крепить коннектор к кабелю с учетом правильной его юстировки придется несколько иначе.
Предполагается, что сборка в производстве будет дешевле примерно в 1.5 раза, нежели обычные кабельные сборки для специальных применений (без расширенного пучка, но с бронированными кабелями и прочими опциями). При этом за счет расширенного пучка она будет во много раз надежнее.
В будущем команда рассматривает возможность создания вращающихся кабельных сборок по тому же принципу. Они будут полезны в биомедицинских применениях, чтобы обеспечить подвижность соединений имплантов и датчиков, используемых для наблюдения за параметрами организма. Сложность в том, что одно волокно можно вращать вокруг своей оси, но когда их два, придется проектировать призму, которая через отражения обеспечит передачу сигнала от одного волокна в другое вне зависимости от взаимного положения кабелей.
