ITMI20001365A1 - Dispositivi assorbitori di umidita' per amplificatori laser e processo per la loro produzione. - Google Patents

Dispositivi assorbitori di umidita' per amplificatori laser e processo per la loro produzione. Download PDF

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Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:
“DISPOSITIVI ASSORBITORI DI UMIDITÀ PER AMPLIFICATORI LASER E PROCESSO PER LA LORO PRODUZIONE”
La presente invenzione si riferisce a dispositivi assorbitori di umidità amplificatori laser e ad un processo per la loro produzione.
Gli amplificatori laser sono impiegati nelle telecomunicazioni su fibra ottica. Come noto, in questa applicazione il segnale è un impulso luminoso che viaggia in una fibra di vetro. Durante il trasporto nella fibra, il segnale ottico subisce attenuazioni che ne rendono necessaria l'amplificazione a distanze prefissate, generalmente comprese tra circa 50 e 100 Km, oppure ad ogni diramazione della linea.
Allo scopo vengono impiegati dispositivi, detti amplificatori ottici, in cui il segnale viene riportato all'intensità iniziale. Generalmente gli amplificatori ottici comprendono componenti elettronici e un dispositivo laser, per esempio un laser ad alta potenza ad arseniuro di gallio, GaAs, che è l'elemento attivo neH'amplificazione del segnale ottico. Il dispositivo laser è disposto in un contenitore, che ha lo scopo di mantenere un ambiente gassoso controllato intorno al dispositivo per garantirne il funzionamento. In particolare, è necessario evitare che il dispositivo laser venga a contatto con l'umidità, che potrebbe causare corto circuiti neH'elettronica del dispositivo o la corrosione dei materiali che lo compongono.
L'umidità può essere presente nel contenitore come residuo del processo di produzione; oppure, può essere generata all'interno dell'amplificatore durante il suo funzionamento, per reazione tra l'idrogeno rilasciato dalle pareti stesse dell'amplificatore ed ossigeno; o ancora, può essere generata per reazione tra tracce di composti organici (come alcoli o colle, impiegati nella produzione degli amplificatori) ed ossigeno. Secondo l'insegnamento del brevetto US 5.392.305, l'ossigeno è generalmente aggiunto intenzionalmente aH'atmosfera di riempimento del dispositivo (in genere azoto o un gas raro) in quantità di almeno 100 ppm, proprio allo scopo di eliminare le tracce di composti organici che sono noti avere un effetto dannoso sulla vita dell' amplificatore.
L'impiego di materiali assorbitori di umidità negli amplificatori laser è descritto per esempio nel brevetto US 5.696.785, che ha per oggetto un sistema di assorbimento di gas diversi tra cui l'acqua, costituito da almeno una zeolite naturale o sintetica, un composto scelto tra silice porosa, carboni attivi, allumina ed alcune zeoliti, ed un agente inorganico con la funzione di legante dei componenti prima indicati. La miscela viene resa compatta tramite l'impiego di opportuni trattamenti termici, formando fogli non più spessi di un millimetro che vengono fatti aderire ad una delle superfici interne del contenitore deH'ampIificatore. Il sistema assorbitore descritto in questo brevetto è però alquanto complesso, e non è specificato il modo in cui il sistema assorbitore è fissato all'interno del contenitore del laser. Inoltre, questa soluzione presenta il rischio che si possano avere polveri o frammenti del materiale getter liberi di muoversi nel contenitore dell' amplificatore laser; simili particelle potrebbero interagire chimicamente o danneggiare meccanicamente i vari componenti dell'amplificatore, o potrebbero frapporsi in un cammino ottico all'interno del dispositivo, danneggiandone in ogni caso il funzionamento.
La domanda di brevetto Europea EP-A-720260 descrive un altro sistema per l'assorbimento di gas negli amplificatori laser. In questo caso è previsto che il materiale getter, in forma di una pastiglia o di ima tavoletta come nel brevetto US 5.696.785 precedentemente discusso oppure in forma di polveri sciolte, sia contenuto in un apposito alloggiamento, ed in contatto con l'ambiente gassoso interno all'amplificatore solo attraverso una superficie permeabile ai gas ma in grado di trattenere particelle solide. Questa costruzione dovrebbe evitare che schegge o polveri del materiale getter possano muoversi liberamente nel contenitore. La superficie permeabile ai gas (per esempio, una lamina metallica microforata) viene fissata alle altre pareti dell'alloggiamento del getter o direttamente ad una parete del contenitore del dispositivo laser tramite saldatura; la saldatura può essere effettuata in vari modi, per esempio a resistenza o, date le piccole dimensioni in gioco, a laser. Per assicurare che questo sistema non perda particelle, è necessario che detta saldatura sia continua (saldatura "a cordone continuo"). È però noto che è difficile realizzare saldature di lunghezza di millimetri o decine di millimetri senza che queste presentino discontinuità: queste discontinuità sono punti critici per i sistemi assorbitori di umidità descritti nella domanda EP-A-720260, in quanto possono costituire passaggi per la polvere del materiale getter, tramite cui questa può raggiungere l'ambiente interno delfamplificatore con gli inconvenienti prima visti. Inoltre, con le saldature "a cordone continuo" si producono sempre delle bave scarsamente legate, che possono staccarsi, riproponendo gli stessi problemi prima visti per le polveri del materiale getter.
Scopo della presente invenzione è quello di fornire dispositivi assorbitori di umidità per amplificatori laser esenti dagli inconvenienti della tecnica nota, così come di fornire un processo per la loro produzione.
Questo ed altri scopi vengono ottenuti secondo la presente invenzione, che in un suo primo aspetto riguarda dispositivi assorbitori di umidità costituiti da:
- un contenitore metallico di forma cilindrica con il fondo chiuso, aperto superiormente ed avente in corrispondenza del bordo superiore un elemento di ritenzione meccanica;
- un elemento metallico annulare con profilo ad "L" inserito nel contenitore e di altezza inferiore a questo, con una superficie cilindrica di diametro esterno di poco inferiore al diametro interno del contenitore ed una superficie piana rivolta verso l’interno del contenitore;
- un elemento metallico permeabile ai gas ma capace di trattenere particelle solide, fissato tra la superficie piana dell'elemento metallico con profilo ad "L" e detto elemento di ritenzione meccanica del contenitore e che definisce un volume insieme al fondo del contenitore e alla parete cilindrica dell'elemento ad "L"; e
- un materiale assorbitore di umidità in detto volume.
L’invenzione verrà descritta nel seguito con riferimento ai disegni annessi in cui: - la Fig. 1 mostra in sezione un possibile dispositivo dell'invenzione
- la Fig. 2 mostra l'elemento metallico ad anello con profilo ad "L" impiegato nei dispositivi dell'invenzione;
- le Figg. da 3 a 5 mostrano possibili modi di fissare il dispositivo assorbitore di umidità dell'invenzione all'interno di un amplificatore laser;
- le Figg. da 6 a 8 mostrano varie fasi o prodotti intermedi neU'ottenimento dei dispositivi dell'invenzione.
Con riferimento alle figure 1 e 2, il dispositivo dell'invenzione 10 è costituito da un contenitore principale 11 al cui interno è presente un elemento canaliforme anulare con profilo ad "L", 13; il contenitore 11 presenta in corrispondenza del bordo superiore una parte 12 che forma l'elemento di ritenzione precedentemente citato e che coopera con la superficie 15 dell'elemento 13 a mantenere in posizione e a fissare rigidamente l'elemento 16. L'elemento 16 ha la funzione di permettere il passaggio dei gas dall'esterno verso il volume interno 17 del dispositivo, definito dalle pareti interne degli elementi 11, 13 e 16, impedendo nel contempo la fuoriuscita di particelle del materiale assorbitore di umidità 18 da detto volume intemo verso lo spazio interno dell'amplificatore. La figura 1 mostra solo un parziale riempimento di materiale 18 nel volume 17, per permettere di evidenziare quest'ultimo, ma normalmente nei dispositivi dell'invenzione il riempimento del volume 17 è completo.
Il dispositivo 10 può ovviamente avere dimensioni complessive differenti a seconda del particolare amplificatore laser a cui è destinato. Dimensioni tipiche sono per esempio un diametro compreso tra 4 e 8 mm ed un'altezza compresa tra 1,5 e 3 mm.
In una sua possibile forma di realizzazione alternativa, il dispositivo dell'invenzione presenta una serie di rilievi sul fondo, che servono per il fissaggio del dispositivo ad una parete interna deH'ampiificatore laser; questa forma alternativa, rappresentata dal dispositivo 10' in figura 3, è del tutto uguale al dispositivo 10 a meno dei rilievi, e non verrà descritta in dettaglio. I rilievi sul fondo del dispositivo 10' sono generalmente tre, perché come ben noto questa struttura permette di avere la massima stabilità meccanica di fissaggio; preferibilmente i rilievi sono disposti a 120° tra di loro sul fondo del contenitore.
Il contenitore 11 viene normalmente prodotto per tranciatura e stampaggio da un foglio metallico. Generalmente si impiegano fogli in acciaio, che unisce le caratteristiche di formabilità, robustezza meccanica e inossidabilità; preferito è l'impiego dell’acciaio A1SI 304. Lo spessore tipico del foglio, e quindi delle pareti del contenitore 11, sono comprese tra circa 0,1 e 0,3 mm.
L'elemento anulare con profilo ad "L", 13, viene prodotto con le stesse tecniche e gli stessi materiali del contenitore 11. Detto elemento ha una superficie cilindrica 14 ed una piana, a forma di corona circolare, 15. Questo elemento è generalmente prodotto con un diametro esterno inferiore di qualche centesimo di millimetro al diametro interno del contenitore, così da facilitare l'introduzione nel contenitore 11 dell'elemento 13, riducendo però al minimo le possibilità di movimento di quest'ultimo. L'altezza di questo elemento è generalmente compresa tra circa 0,5 e 1 mm. La larghezza della superficie 15 è determinata dal compromesso tra l'esigenza di fornire un supporto stabile all'elemento 16 e l'esigenza della minima riduzione della superficie di passaggio dei gas verso il materiale assorbitore di umidità 18; detta larghezza è tipicamente di circa 1 mm.
L'elemento 16 può essere un qualunque elemento metallico che presenti una buona permeabilità ai gas, ma in grado di trattenere particelle solide. Può per esempio essere una lamina metallica microforata, ma è preferibilmente un disco di polveri metalliche sinterizzate, comunemente disponibile in commercio per varie applicazioni, soprattutto nel campo della filtrazione. Preferito per gli scopi dell'invenzione è l'impiego di setti in acciaio sinterizzato, per esempio AISI 316L, con porosità comprese tra circa 0,5 e 1 pm: setti con dimensioni inferiori delle porosità comportano una riduzione della conducibilità dei gas e quindi una ridotta velocità di assorbimento, e sono inoltre più costosi, mentre setti con porosità di dimensioni maggiori potrebbero lasciar passare particelle di materiale solido. L'elemento 16 ha un diametro circa uguale a quello dell'elemento 13, ed uno spessore di alcuni decimi di millimetro, generalmente circa 0,5 mm.
Il volume intemo 17 del dispositivo 10 è riempito con un qualunque materiale assorbitore di umidità 18. Preferito è l'impiego di zeoliti naturali o sintetiche, o dell'ossido di boro prodotto secondo le modalità descritte nella domanda di brevetto Europea EP-A-960647 a nome della Richiedente.
Alcuni possibili modi in cui un dispositivo assorbitore di umidità dell'invenzione può essere fissato ad una parete interna di un amplificatore laser sono rappresentati nelle figure da 3 a 5. La parete a cui il dispositivo dell'invenzione viene fissato è convenientemente il coperchio che chiude l'amplificatore, generalmente realizzato in Kovar (una lega di cobalto, ferro e nichel) ma sono possibili anche altri posizionamenti.
La figura 3 mostra un tipo particolare di dispositivo dell'invenzione, 10', in cui il contenitore, 1 Γ, presenta sul fondo dei rilievi, 30, 30' e 30". Il dispositivo 10’ è fissato alla parete 31 tramite punti di saldatura realizzati in corrispondenza di detti rilievi.
La figura 4 mostra un dispositivo dell'invenzione, 10, tenuto in posizione tramite un apposito elemento metallico 40, opportunamente sagomato e fissato alla parete 41 tramite i punti di saldatura 42, 42', 42" e 42"'; l'elemento 40 presenta nella sua superficie principale un'apertura 43, generalmente circolare, di diametro inferiore a quello del dispositivo 10 ma tale da esporre parzialmente la parte 12 del contenitore 11 e totalmente l'elemento 16, così da non causare riduzioni nella conduttanza di gas verso il materiale assorbitore di umidità.
Un'altra possibile forma di elemento di ritenzione è mostrata in sezione in figura 5. In questo caso il dispositivo 10 è tenuto in posizione da un elemento 50, di forma anulare con profilo ad "L"; l'elemento 50 è mostrato in parziale spaccato. La base della parete cilindrica 51 dell'elemento 50 è fissata, tramite brasatura o punti di saldatura, 52, 52', .., alla parete 53 dell'amplificatore laser, mentre la superficie piana 54 dell'elemento 50 trattiene il dispositivo 10. Analogamente all'elemento 40 della figura precedente, anche l'elemento 50 presenta un'apertura superiore di diametro tale da non ostruire la superficie dell'elemento 16 del dispositivo 10.
Ulteriori forme realizzative di elementi di ritenzione del tipo 40 o 50, come per esempio una "gabbia" di fili metallici fissati alla parete con punti di saldatura, risulteranno evidenti agli esperti del ramo,
In un secondo aspetto, l’invenzione riguarda un processo per la produzione dei dispositivi assorbitori di umidità precedentemente descritti.
Questo processo comprende le operazioni di:
- provvedere un elemento annulare con profilo ad "L" ed inserirlo, con la superficie piana rivolta verso il basso, in uno stampo di geometria opportuna e a fondo chiuso;
- introdurre polvere di un materiale assorbitore di umidità o di un suo precursore nella cavità costituita dall’elemento con profilo ad "L" e comprimere la polvere ottenendo una pastiglia costituita dalle polveri compresse e solidali con detto elemento ad "L";
- capovolgere detta pastiglia ed inserirla in un contenitore cilindrico a fondo chiuso, di diametro leggermente superiore a quello della pastiglia;
- inserire nel contenitore cilindrico, appoggiandolo su detta pastiglia, un elemento metallico permeabile ai gas ma capace di trattenere particelle solide, avente diametro circa uguale a quello della pastiglia;
- ribadire il bordo superiore del contenitore o parti di questo sull'elemento metallico permeabile ai gas.
Il processo è rappresentato nelle figure da 6 a 8. Nella prima fase del processo (fig. 6, in sezione) si inserisce l’elemento ad "L", 13, con la superficie piana rivolta verso il basso, in uno stampo 60, e si riempie a rasamento la cavità così ottenuta con la polvere del materiale assorbitore di umidità 18. La polvere 18 viene poi compressa con un apposito punzone e forma con l'elemento 13 un corpo unico, che costituisce la pastiglia 70, rappresentata in figura 7 capovolta rispetto all'orientamento con cui è stata prodotta. Per favorire la stabilità meccanica della pastiglia 70 la polvere 18 può essere miscelata con un additivo che favorisca la coesione della polvere e la sua adesione all'elemento 13. Nel caso che il materiale 18 sia una zeolite, questa è preferibilmente impiegata in forma umida, con l'eventuale ulteriore aggiunta di piccole quantità di componenti leganti, preferibilmente inorganici, come argille o simili. Nel caso dell'impiego di ossido di boro, questo ha già caratteristiche di comprimibilità e adesione adatte alla produzione della pastiglia 70 e non richiede raggiunta di altri componenti. Nel caso si impieghino altri materiali, come per esempio ossido di calcio, è necessario il ricorso ad un legante inorganico, come caolino o simili. È anche possibile formare la pastiglia con un precursore del materiale 18, e poi ottenere il materiale attivo per l'assorbimento di umidità con un trattamento successivo, da effettuarsi per esempio a dispositivo 10 finito. Nel caso per esempio dell'impiego di ossido di boro, la pastiglia 70 può essere formata con acido borico, che può essere poi decomposto termicamente nel dispositivo finito ottenendo l’ossido, secondo gli insegnamenti della domanda di brevetto Europea EP-A-960647 citata.
La figura 8 mostra in sezione un successivo stadio intermedio nel processo di produzione del dispositivo 10, ottenuto dopo le operazioni di inserimento della pastiglia 70 in un contenitore cilindrico a fondo chiuso 80 ed ulteriore inserimento nel contenitore, appoggiato sulla pastiglia 70, dell'elemento 16 permeabile ai gas ma capace di trattenere particelle solide. Come si nota in figura, la pastiglia 70 viene inserita nel contenitore 80 capovolta rispetto all'orientamento con cui è stata prodotta. Il contenitore 80 ha un'altezza superiore all'altezza complessiva della pastiglia 70 e dell'elemento 16, di modo che si ha la parte superiore, 81, del contenitore 80, sporgente rispetto alla superficie superiore dell'elemento 16. Nell'ultima operazione del processo la parte 81 viene ribadita sulfelemento 16, e forma l'elemento di ritenzione 12, ottenendo il dispositivo 10 della figura 1. Per la ribaditura della parte 81 si usa generalmente una serie di 3-4 punzoni sagomati, ognuno dei quali impartisce alla parte 81 una piegatura parziale fino ad ottenere un angolo di 90°.
Il dispositivo ed il processo della presente invenzione presentano una serie di vantaggi rispetto a quanto noto in precedenza. Il dispositivo 10 è costruito in modo che lo spazio 17 sia completamente racchiuso da elementi ottenuti da lavorazioni meccaniche, e non richiede quindi saldature lungo linee continue che, come detto in precedenza, non garantiscono la totale ritenzione di polveri e possono essere causa di frammenti metallici liberi derivati da bave di saldatura. La presenza dell'elemento 13 costituisce una spalla che sopporta la pressione esercitata durante la ribaditura della parte 81 sull'elemento 16: questo evita deformazioni meccaniche della struttura complessiva (sempre indesiderabili nelle applicazioni in dispositivi elettronici, in cui sono generalmente richieste tolleranze dimensionali strette), ed evita inoltre che la pressione esercitata sull'elemento 16 venga trasmessa direttamente alla polvere, cosa che potrebbe causare fuoriuscite della polvere stessa dal contenitore durante detta operazione di ribaditura. Il processo dell'invenzione riflette i vantaggi del dispositivo, richiedendo solo una serie di operazioni semplici, facilmente automatizzabili ed evitando il ricorso a complesse operazioni di saldatura di estrema precisione su piccole parti. Inoltre, assemblando la pastiglia 70 in una fase precedente (ed in una camera diversa) da quella della sua introduzione nel contenitore, quest'ultimo non è mai esposto ad un ambiente in cui sono presenti polveri sciolte, che potrebbero altrimenti aderire alle sua pareti esterne ed essere poi rilasciate nell'amplificatore.

Claims (16)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo assorbitore di umidità (10, 10') per amplificatori laser costituito da: - un contenitore metallico (11) di forma cilindrica con il fondo chiuso, aperto superiormente ed avente in corrispondenza del bordo superiore un elemento di ritenzione meccanica (12); - un elemento metallico anulare con profilo ad "L" (13) inserito nel contenitore e di altezza inferiore a questo, con una superficie cilindrica (14) di diametro esterno di poco inferiore al diametro interno del contenitore ed una superficie piana (15) rivolta verso Tintemo del contenitore; - un elemento metallico (16) permeabile ai gas ma capace di trattenere particelle solide, fissato tra la superficie piana deH'elemento metallico con profilo ad "L" e detto elemento di ritenzione meccanica del contenitore e che definisce un volume (17) insieme al fondo del contenitore e alla parete cilindrica dell'elemento ad "L"; e - un materiale assorbitore di umidità (18) in detto volume.
  2. 2. Dispositivo (10') secondo la rivendicazione 1 in cui il contenitore (1Γ) presenta una serie di rilievi (30, 30', 30”) sul fondo.
  3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2 in cui i rilievi sul fondo del contenitore sono tre e sono disposti a 120° tra di loro.
  4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 in cui il contenitore viene prodotto per tranciatura e stampaggio da un foglio metallico.
  5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 in cui l'elemento anulare con profilo ad "L" viene prodotto per tranciatura e stampaggio da un foglio metallico.
  6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 in cui l'elemento metallico permeabile ai gas è un setto poroso in acciaio sinterizzato.
  7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6 in cui detto setto poroso ha dimensioni dei pori comprese tra circa 0,5 e 1 μm .
  8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 in cui il materiale assorbitore di umidità è una zeolite naturale o sintetica.
  9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 in cui il materiale assorbitore di umidità è ossido di boro.
  10. 10. Processo per la produzione di un dispositivo assorbitore di umidità per amplificatori laser comprendente le operazioni di: - provvedere un elemento anulare con profilo ad "L" (13) ed inserirlo, con la superficie piana (15) rivolta verso il basso, in uno stampo (60) di geometria opportuna e a fondo chiuso; - introdurre polvere di un materiale assorbitore di umidità (18) o di un suo precursore nella cavità costituita dall'elemento con profilo ad "L" e comprimere la polvere ottenendo una pastiglia (70) costituita dalle polveri compresse e solidali con detto elemento ad "L"; - capovolgere detta pastiglia ed inserirla in un contenitore cilindrico (80) a fondo chiuso, di diametro leggermente superiore a quello della pastiglia; - inserire nel contenitore cilindrico, appoggiandolo su detta pastiglia, un elemento metallico (16) permeabile ai gas ma capace di trattenere particelle solide, avente diametro circa uguale a quello della pastiglia; - ribadire il bordo superiore (81) del contenitore o parti di questo sull'elemento metallico permeabile ai gas.
  11. 11. Processo secondo la rivendicazione 10 in cui detta pastiglia è formata a partire da polvere di ossido di boro.
  12. 12. Processo secondo la rivendicazione 10 in cui detta pastiglia è formata a partire da polvere del materiale assorbitore di umidità miscelata ad un additivo che favorisca la coesione della polvere e la sua adesione all'elemento ad "L" 13.
  13. 13. Processo secondo la rivendicazione 12 in cui il materiale assorbitore di umidità è una zeolite e l'additivo è acqua.
  14. 14. Processo secondo la rivendicazione 13 in cui alla miscela di zeolite ed acqua si aggiunge un'argilla.
  15. 15. Processo secondo la rivendicazione 10 in cui detta pastiglia è formata a partire da polvere di acido borico.
  16. 16. Processo secondo la rivendicazione 15 in cui l'acido borico è decomposto termicamente nel dispositivo finale (10) ad ossido di boro.
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