DE102012020920A1

DE102012020920A1 - Verfahren zur Verbindung zweier optischer Fasern, von denen eine Faser in einem Kunststoff eingebettet ist, und entsprechende Verbindungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012020920A1
Application number: DE102012020920A
Authority: DE
Inventors: Georg Kuka
Original assignee: Fiberware Generalunternehmen fur Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Fiberware Generalunternehmen fur Nachrichtentechnik GmbH
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: DE102012020920B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung zweier optischer Fasern (2, 3), von denen eine Faser (2) in einem Kunststoff (1) eingebettet ist, deren erstes Ende (2a) im Bereich einer Außenfläche (1b) des Kunststoffs (1) endet. Um eine Verbindung mit einer anderen optischen Faser (3) herzustellen, wird der Kunststoff (1) um das erste Ende (2a) herum von der Außenfläche (1b) aus gesehen bis zu einer vorgegebenen Tiefe unter Bildung einer Ausnehmung (4) entfernt und das erste Ende (2a) freigelegt. Anschließend wird eine erste Ferrule (6) soweit in die Ausnehmung (4) und auf das erste Ende (2a) geschoben, dass ein Faserüberstand (7) vorhanden ist. Die erste Ferrule (6) wird anschließend mit dem Kunststoff (1) und mit dem ersten Ende (6) fest verbunden. Das zweite Ende (3a) der anderen Faser (3) wird mit einer zweiten Ferrule (8) konfektioniert und die beiden Ferrulen (6, 8) werden mittels einer Führungshülse (9) miteinander verbunden. Weiter wird eine entsprechende Verbindungsvorrichtung vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung zweier optischer Fasern, wobei eine Faser in einem Kunststoff eingebettet ist und im Bereich einer Außenfläche des Kunststoffs endet, und eine entsprechende Verbindungsvorrichtung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9.
Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) sind moderne Materialien, die z. B. im Flugzeugbau, Brückenbau oder Fahrzeugbau Verwendung finden. Um Materialmengen zu minimieren, ist man bestrebt, das mechanische Verhalten der Bauteile genau zu ermitteln. Neben der Kenntnis der maximalen Belastungen ist auch die Alterung dieser Materialien eine wichtige Kenngröße.
Dabei kommen insbesondere faseroptische Sensoren (FOS) zum Einsatz, die z. B. Dehnungen im glasfaserverstärkten Kunststoff messen.
Bei faseroptischen Sensoren werden als optische Fasern meist Single-Mode-Fasern verwendet, die in den Kunststoff eingebettet und auf diese Weise mechanisch fest mit dem Kunststoff verbunden sind. Die eingebetteten Fasern enden an einer Außenfläche des Kunststoffs; sie sind die eigentlichen Sensorfasern. Zur Messung der Dehnungen im Kunststoff muss die Sensorfaser mit der optischen Faser eines Messkabels verbunden werden, um die Verbindung zu einem optischen Messsystem herzustellen. Die optische Verbindung (Kopplung) erfolgt über die Faserenden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das eine technisch einfache Verbindung zweier optischer Fasern ermöglicht, von denen die eine Faser, z. B. als optischer Sensor, in einem Kunststoff eingebettet ist. Eine weitere Aufgabe ist es, eine entsprechende Vorrichtung zur optischen Verbindung von zwei Fasern anzugeben.
Die Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gegeben; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
Die Lösung sieht bezogen auf das Verfahren vor, dass der Kunststoff um das erste Ende herum von der Außenfläche aus gesehen bis zu einer vorgegebenen Tiefe unter Bildung einer Ausnehmung entfernt und das erste Ende freigelegt wird, dass anschließend eine erste Ferrule soweit in die Ausnehmung und auf das erste Ende geschoben wird, dass ein erster Faserüberstand vorhanden ist, dass die erste Ferrule anschließend mit dem Kunststoff und mit dem ersten Ende fest verbunden wird, dass auf das zweite Ende der anderen Faser eine zweite Ferrule geschoben wird, so dass ein zweiter Faserüberstand vorhanden ist, dass die zweite Ferrule anschließend mit der zweiten Faser fest verbunden wird und dass die erste und die zweite Ferrule mittels einer gemeinsamen Führungshülse miteinander verbunden werden, wobei die Stirnseiten der beiden Enden einander zugewandt ausgerichtet sind.
Zweckmäßigerweise ist der Kunststoff ein glasfaserverstärkter Kunststoff und die gesamte erste Faser in dem Kunststoff eingebettet ist. Technisch einfach ist es, wenn am ersten Faserüberstand eine konvexe Stirnseite durch Aufschmelzen des ersten Endes mittels eines Lichtbogens gebildet wird. Insbesondere kann am ersten und zweiten Faserüberstand eine konvexe Stirnseite durch Aufschmelzen der beiden Enden mittels eines Lichtbogens angeformt werden. Ohne angeformte konvexe Stirnseiten Können die beiden einander zugewandten Enden durch einen optischen Kleber miteinander verbunden werden. Eine einfache Ausführung sieht vor, dass die erste Ferrule mittels eines Verbindungsmittels mit dem Kunststoff und mit dem ersten Ende fest verbunden wird. Dabei wird als Verbindungsmittel am besten ein Kleber verwendet, der aufgrund seiner Viskosität zumindest teilweise in die erste Ferrule einzieht.
Die Lösung sieht bezogen auf die Vorrichtung vor, dass sich das erste Ende der in den Kunststoff eingebetteten Faser in eine Ausnehmung hinein erstreckt, dass eine erste Ferrule in der Ausnehmung angeordnet ist und das erste Ende mit einem Faserüberstand umschließt, wobei die erste Ferrule mit dem Kunststoff und mit dem ersten Ende fest verbunden ist, dass eine zweite Ferrule das zweite Ende der anderen Faser mit einem Faserüberstand umschließt und mit dem zweiten Ende fest verbunden ist und dass eine Führungshülse die erste und die zweite Ferrule miteinander verbindet, wobei die Stirnseiten der beiden Enden in der Führungshülse mit durchgehender optischer Achse einander zugewandt ausgerichtet sind.
Die Erfindung wird nachfolgen anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen
1 einen glasfaserverstärkten Kunststoff mit einer optischen Faser,
2 das freigelegte Ende der Faser gemäß 1,
3 das gereinigte Ende gemäß 2,
4 das Ende gemäß 3 mit Ferule und eine Führungshülse vor dem Aufstecken,
5 ein Ende eines Messkabels mit aufgesteckter Ferule und
6 die mittels Führungshülse miteinander verbundenen Fasern.
1 zeigt schematisch einen glasfaserverstärkten Kunststoff 1 der Einfachheit halber in Form einer Platte 1a, in den eine optische Faser 2 eingebettet ist, deren (erstes) Ende 2a an einer Außenfläche 1b der Platte 1a (des Kunststoffs 1) endet. Die Endfläche 2b des Faser-Endes 2a ist optisch gesehen für eine dämpfungsarme Lichtkopplung unbrauchbar, da die Faser hier im Beispiel nach dem Einbetten einfach abgesägt wurde.
Von der Faser 2 ist in 1 nur die Endfläche 2b und eine auf den Glaskörper 2e der Faser 2 aufgebrachte Primärbeschichtung 2c zu sehen.
Praktisch muss zur Messung von Dehnungen eine Mindestlänge der Faser 2 bzw. des Endes 2a im Kunststoff 1a eingebettet sein; in 1 ist die gesamte Faser 2 in den Kunststoff 1a eingebettet.
Das Ende 2a wird mit einem Kronenbohrer freigelegt, wobei der Kunststoff 1 bis auf eine dünne Schicht 5 um das Ende 2a herum entfernt wird. Durch das Aufbohren entsteht von der Außenfläche 1b aus gesehen bis zu einer gewünschten Tiefe eine Ausnehmung 4, in der sich das freigelegte Ende 2a befindet.
Das freigelegte Ende 2a ist in 2 gezeigt. Es trägt noch die Primärbeschichtung 2c und die dünne Kunststoff-Schicht 5. Die Schicht 5 wird mit Hilfe eines Heizgerätes verdampft, wobei sich auch die Primärbeschichtung 2c löst. Anschließend wird das Ende 2a gereinigt.
Das gereinigte Ende 2a, d. h. dessen Glaskörper, ist in 3 zu sehen. Eventuell noch störende Teile des Endes 2a werden abgeschnitten. Anschließend wird eine Ferrule 6 (Keramik-Ferrule mit 1,25 mm Außendurchmesser) soweit in die Ausnehmung 4 und auf das Ende 2a geschoben, dass ein Faserüberstand 7 von etwa 1 mm vorhanden ist; das Ende 2a schaut also aus der Vorderseite der Ferrule 6 etwas heraus. Die Ferrule 6 ist ein hochpräzises mechanisches Führungsröhrchen, das aus Material mit einem hohen Härtegrad gefertigt ist, also z. B. aus verchromtem Metall, Hartmetall, Keramik oder Kunststoff. Es zeichnet sich durch sehr geringe Führungstoleranzen aus, da kleinste Toleranzabweichungen in der Ferrule 6 unmittelbare Auswirkungen auf den axialen Versatz haben, was sich wiederum direkt auf die Verbindungsdämpfung auswirkt.
Mit einem Lichtbogenschweißgerät wird das (im Allgemeinen immer noch optisch unbrauchbare) Ende 2a mit der Endfläche 2b aufgeschmolzen, wobei sich eine (optisch nahezu perfekt) abgerundete (quasi sphärische) Endfläche 2d ausbildet. Gegebenenfalls muss die Endfläche 2d noch geglättet werden.
Speziell könnte auch eine Quarzkugel und dergleichen am Ende 2a erzeugt oder angeschweißt oder anderweitig befestigt werden. Allgemein gesagt wird am Faserüberstand 7 auf jeden Fall eine konvexe Endfläche 2d (Stirnseite) erzeugt (angeformt).
Dann wird die Ferule 6 wieder etwas zum Ende 2a zurückgeschoben und die Ferule 6 und das Ende 2a werden mit dem Kunststoff 1a fest verbunden (z. B. mit Epoxydharz festgeklebt).
Das Ende 2a mit der konvexe Endfläche 2d und der Ferule 6 ist in 4 gezeigt.
Zur Messung von Dehnungen wird das Ende 2a mit einer optischen Faser 3 eines Messkabels 7b verbunden. Zur Herstellung der Verbindung mit der Faser 3 wird ein (zweites) Ende 3a der ebenfalls eine Primärbeschichtung tragenden optischen Faser 3 des Messkabels von der Primärbeschichtung 3c befreit und gereinigt und eine Ferrule 8 mit einem Faserüberstand 7a von etwa 1 mm aufgeschoben. Anschließend wird mit dem Lichtbogenschweißgerät ebenfalls eine (nahezu perfekt) abgerundete (quasi sphärische) Endfläche 3d erzeugt.
Die so konfektionierte Faser 3 ist in 5 dargestellt.
Mit Hilfe einer Führungshülse (Kupplungshülse) 9 werden die beiden Ferrulen 6, 8 miteinander verbunden. In der Führungshülse 9 sind die Stirnseiten der beiden Enden 2a, 3a einander zugewandt, ohne axialen Versatz und mit durchgehender optischer Achse ausgerichtet. Am zweckmäßigsten werden die beiden Endflächen 2d, 3d so miteinander in Kontakt gebracht, dass sie sich berühren. Der optische Koppelverlust liegt unter 0,5 dB. Die beiden miteinander verbundenen optischen Fasern 2, 3 sind in 6 gezeigt.

Claims

Verfahren zur Verbindung zweier optischer Fasern (2, 3), von denen eine Faser (2) in einem Kunststoff (1) eingebettet ist, deren erstes Ende (2a) im Bereich einer Außenfläche (1b) des Kunststoffs (1) endet, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (1) um das erste Ende (2a) herum von der Außenfläche (1b) aus gesehen bis zu einer vorgegebenen Tiefe unter Bildung einer Ausnehmung (4) entfernt und das erste Ende (2a) freigelegt wird, dass anschließend eine erste Ferrule (6) soweit in die Ausnehmung (4) und auf das erste Ende (2a) geschoben wird, dass ein erster Faserüberstand (7) vorhanden ist, dass die erste Ferrule (6) anschließend mit dem Kunststoff (1) und mit dem ersten Ende (6) fest verbunden wird, dass auf das zweite Ende (3a) der anderen Faser (3) eine zweite Ferrule (8) geschoben wird, so dass ein zweiter Faserüberstand (7a) vorhanden ist, dass die zweite Ferrule (8) anschließend mit der zweiten Faser (3) fest verbunden wird und dass die erste und die zweite Ferrule (6, 8) mittels einer gemeinsamen Führungshülse (9) miteinander verbunden werden, wobei die Stirnseiten der beiden Enden (2a, 3a) einander zugewandt ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (1) ein glasfaserverstärkter Kunststoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte erste Faser (2) in dem Kunststoff (1) eingebettet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Faserüberstand (7) eine konvexe Stirnseite durch Aufschmelzen des ersten Endes (2a) mittels eines Lichtbogens angeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten und zweiten Faserüberstand (7, 7a) eine konvexe Stirnseite durch Aufschmelzen der beiden Enden (2a, 3a) mittels eines Lichtbogens angeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden einander zugewandten Enden (2a, 3a) durch einen Kleber optisch miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ferrule (6) mittels eines Verbindungsmittels mit dem Kunststoff (1) und mit dem ersten Ende (2a) fest verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel ein Kleber ist, der aufgrund seiner Viskosität zumindest teilweise in die erste Ferrule (6) eindringt.
Vorrichtung zur Verbindung zweier optischer Fasern (2, 3), wobei zumindest eine Faser (2) in einem Kunststoff (1) eingebettet ist und im Bereich einer Außenfläche (1b) des Kunststoffs (1) endet, dadurch gekennzeichnet, dass sich das erste Ende (2a) der in den Kunststoff (1) eingebetteten Faser (2) in eine Ausnehmung (4) hinein erstreckt, dass eine erste Ferrule (6) in der Ausnehmung (4) angeordnet ist und das erste Ende (2a) mit einem Faserüberstand (7) umschließt, wobei die erste Ferrule (6) mit dem Kunststoff (1) und mit dem ersten Ende (2a) fest verbunden ist, dass eine zweite Ferrule (8) das zweite Ende (3a) der anderen Faser (3) mit einem Faserüberstand (7a) umschließt und mit dem zweiten Ende (3a) fest verbunden ist und dass eine Führungshülse (9) die erste und die zweite Ferrule (6, 8) verbindet, wobei die Stirnseiten der beiden Enden (2a, 3a) in der Führungshülse (9) mit durchgehender optischer Achse einander zugewandt ausgerichtet sind.