ITRM20000503A1 - Dispositivo terminatore ottico con fibra - Google Patents

Description

Descrizione dell’Invenzione Industriale dal titolo:

DISPOSITIVO TERMINATORE OTTICO CON FIBRA

TESTO DELLA DESCRIZIONE

L’invenzione concerne un dispositivo a terminatore ottico con fibra che, grazie alla semplicità del processo tecnologico consolidato, permette di ottenere prodotti a basso costo con buone prestazioni.

E’ noto che le terminazioni ottiche sono state sviluppate per assorbire la luce proveniente da connettori non terminati, minimizzando quindi la potenza riflessa che potrebbe alterare il corretto funzionamento delle sorgenti laser. Tali dispositivi trovano applicazione nelle reti ottiche quando, ad esempio, sono presenti spine di connettori accessibili agli utenti non collegati o aperti, in armadi, in moduli di trasmissione, in permutatori ottici, terminazioni di utenti, oppure in collegamenti punto - multipunto (reti PON) per terminare le parti non connesse di accoppiatori ottici.

Nel brevetto AMP Ine. N° 4998795 U.S. viene descritto un dispositivo per terminazioni ottiche (reflection-less terminator) in cui si utilizza una porzione di fibra dello stesso tipo di quella da tenni nare. La parte anteriore della fibra viene inserita in una ferula che è montata in un corpo meccanico che presenta una configurazione a spina, mentre la parte opposta della fibra viene troncata con un certo angolo, utilizzando ad esempio un taglierino, e successivamente immersa completamente in un mezzo opaco adesivo che ha la funzione di assorbire la luce trasmessa dalla fibra stessa.

Nel brevetto Lucent Technologies Ine. N° 5619610 U.S. viene descritto un terminatore ottico (optical terminator) in cui è utilizzata una struttura cilindrica solida in materiale polimerico con un indice di rifrazione simile a quello della fibra ottica. L’ estremità del dispositivo, che è attestata su una ferula cilindrica, è solida per una certa distanza predeterminata per ottenere una attenuazione di almeno 20dB.

Scopo dellinvenzione, in una sua prima variante, è quello di impiegare una parte di fibra inserita in una ferula per connettori lappata opportunamente su entrambe le facce esterne, senza Γ impiego di mezzi opachi aggiuntivi per l’assorbimento della luce.

Una seconda soluzione prevede l’impiego di una porzione di fibra attenuata di almeno 10 dB/cm inserita all’interno di una fenda per connettori ottici.

L’invenzione è esposta più in dettaglio nel seguito con l’aiuto dei disegni che ne rappresentano alcuni esempi di esecuzione.

La fig. 1 rappresenta, in assonometria, una terminazione ottica con elementi FC.

Le figg. 2-3 mostrano l’esploso dei componenti di teminatori ottici, rispettivamente FC e SC.

Le figg. 4-5 indicano, in sezione laterale, la lappatura angolata, rispettivamente sul bicchierino e sulla bolla di resina.

La fig. 6 rappresenta un terminatore ottico con fibra attenuata.

Le terminazioni ottiche della Fig. 1 sono perfettamente compatibili con connettori ottici 3, del tipo SC, ST, FC ecc. e, pertanto, anche interfacciabili con gli adattatori 2 di tipo noto.

In entrambe le varianti dell’invenzione è previsto l’utilizzo degli stessi componenti ottici e meccanici impiegati per il montaggio dei connettori come nelle Figg. 2, 3 presentando la classica configurazione a spina 1, propria dei connettori attualmente in uso mentre, la parte terminale della fibra 4 sulla quale si desidera minimizzare le perdite di riflessione, ossia sulla quale si deve realizzare la terminazione ottica, deve essere provvista di una spina 3 come un connettore FC, come del resto avviene di solito nei network ottici. La terminazione ottica della Fig. 1 si realizza con il collegamento di detta spina 3 con il terminatore 1 attraverso un normale adattatore 2 per connettori ottici. Quest’ultimo, ovviamente, sarà scelto in base alla topologia dei dispositivi usati, in modo da consentire la corretta connessione tra gli apparati meccanici. Sono, quindi, possibili anche collegamenti tra terminatori e connettori di tipi differenti (es. SC-FC, SC-ST, ST-FC ecc.), quando l’adattatore ottico è di tipo ibrido.

La realizzazione del terminatore ottico 1 è basata sull’ impiego di una porzione di fibra di una certa lunghezza.

Nel seguito sono esposte due soluzioni differenti per implementare un terminatore ottico che può essere facilmente assemblato in qualunque corpo meccanico utilizzato per i connettori ottici più diffusi.

Nel terminatore ottico con fibra normale, indicato nelle figg. 4-5, viene utilizzata una porzione di fibra 21 dello stesso tipo di quella da terminare. Il pezzo di fibra 21 impiegato per detto terminatore ottico viene inserito all'interno di una ferula 17 e cementata, usando ad esempio una resina, alla stregua dei connettori ottici. Normalmente, in detti connettori, vengono impiegate ferule in zirconia con una estremità ancorata ad un bicchierino 18 di materiale plastico o metallico che ha funzionalità prettamente meccaniche. La porzione di fibra da impiegare, inizialmente dev’essere di lunghezza tale da sporgere su entrambe le estremità 19 e 22 dell’insieme ferula-bicchierino. L’estremità 22 della ferula che è, quindi, a contatto con il connettore 3 della fibra 4 da terminare, viene lappato con la porzione di fibra 21 secondo i criteri che normalmente vengono rispettati per la realizzazione dei connettori ottici. Pertanto, in relazione al tipo di lappatura della superficie di contatto della estremità 22 della ferula, si ottengono valori di Return Loss che decrescono partendo da lappature PC fino a quelle APC. Per ottenere dei dispositivi che realizzino terminazioni ottiche, occorre ridurre ulteriormente le perdite di riflessione sino al raggiungimento delle attuali specifiche per questo tipo di componenti.

La soluzione proposta per ridurre ulteriormente le perdite di riflessione è quella di lappare opportunamente anche l’estremità opposta della porzione di fibra 21, ossia quella che sporge dal bicchierino 18. La lappatura viene eseguita con un certo grado di finezza e ad un certo angolo a rispetto al piano normale dell’asse centrale 20 della fibra 21 o, equivalentemente, del bicchierino 18. La riduzione in termini di Return Loss che si ottiene dipende dall’ angolo a e dal grado di rugosità della tappatura. Questi ultimi, quindi, sono i due parametri sui quali intervenire per controllare e determinare le prestazioni del terminatore ottico.

Analiticamente, una tale lavorazione sulla superfice dell’estremità 19 della fibra o, equivalentemente, del bicchierino, permette di deflettere il raggio riflesso con un angolo superiore a quello di accettazione della fibra 21, in modo che la maggior parte della potenza ottica venga persa nel mantello e non retro-accoppiata nel nucleo.

La relazione di Fresnel con cui si esprime il rapporto tra l’ampiezza del campo riflesso e di quello incidente, in coincidenza della discontinuità dell’indice di rifrazione del materiale alla superfice dell’estremità 19 si esprime analiticamente come segue:

Dove n rappresenta l’indice di rifrazione del nucleo, mentre a è l’angolo di inclinazione della superfice di discontinuità mensionata. Come si può notare, al crescere di a, la frazione di potenza riflessa aumenta e proporzionalmente si incrementa l’angolo di riflessione della luce. A questo punto si considera la parte di potenza ottica riflessa che rimane confinata nel nucleo della fibra 21 e determina l’effettiva perdita di ritorno del terminatore. Assumendo una distribuzione gaussiana della potenza ottica che si propaga in fibra, la riflessione in aria di una fibra angolata può essere espressa come segue:

dove

a = raggio del nucleo

Δ = differenza tra l’indice del nucleo e quello del mantello

λ = lunghezza d’onda

Sostituendo l’espressione di RO in quella di RS si ottiene l’andamento della perdita di ritorno in funzione dell’ angolo di lappatura a.

Attraverso la simulazione di questa relazione, una riduzione delle perdite di riflessione apprezzabile si riscontra con un angolo di lappatura a>8°. Per migliorare le prestazioni del dispositivo, basta incrementare l’angolo di lappatura a dell’estremità 19 della porzione di fibra 21.

Ad esempio, con a di circa 16° e un grado di lappatura della superfice della fibra di 0.5 μιη, si ottiene una riduzione del Return Loss di oltre -10 dB. Pertanto, utilizzando questi valori, alla fine si ottiene un terminatore ottico che esibisce perdite di riflessione come segue:

• RL < -55 dB con ferule PC

• RL < -60 dB con ferule UPC

• RL < -65 dB con ferule APC

Tali valori di RL rispettano ampiamente le attuali specifiche richieste per questo tipo di dispositivo e consentono pertanto di evitare ulteriori accorgimenti come l’impiego di mezzi opachi o index matching per ridurre le perdite di riflessione.

Ovviamente, si può aumentare oltremodo il valore di a per ottenere valori di RL sempre più bassi. Questo però, comporta un tempo di tappatura più elevato poiché aumenta il volume di materiale da esportare, con un conseguente incremento dei costi di produzione. Occorre, quindi, trovare il giusto compromesso tra le prestazioni richieste dal dispositivo e i costi per la sua realizzazione.

Il tempo di tappatura dipende, oltre dall’angolo a, anche dal tipo di bicchierino 18 usato per la feruta 17, poiché la lavorazione delta parte terminale delta porzione di fibra 21, avviene coinvolgendo anche la superficie deH’estremità 19 del bicchierino da cui sporge la fibra. Per ridurre il tempo di tappatura si può evitare di asportare materiale dal bicchierino, lasciando un eccesso di resina 23, usata per cementare la fibra, sull’estremità 19 dalla quale essa sporge . In fase liquida, la resina si distribuisce in modo da formare una bolla. In tal modo, con alcune decine di secondi, si riesce ad asportare il materiale necessario per dare un angolo a alta superficie terminale delta porzione di fibra immersa nella bolla di resina 23, senza intaccare il bicchierino.

Per proteggere il terminatore ottico 9, 12 da disturbi esterni che potrebbero degradarne le prestazioni come stress meccanici, agenti chimici, polvere ecc., è prevista una capsula 5, 15 ancorata al corpo meccanico che sigilla il dispositivo.

Nella variante a terminatore ottico con fibra attenuata 27, delta fig. 6, viene utilizzata una porzione di fibra attenuata di una certa lunghezza “L” che, come nella precedente soluzione, viene inserita in una ferula 25 in zirconia e opportunamente lappata sull’estremità 24 che andrà a contatto con il connettore 3 della fibra 4 da terminare. L’ altra estremità 28, invece, viene tagliata normalmente all’ asse centrale 29 della fibra 27 o con un certo angolo.

La luce che entra nella porzione di fibra 27 si propaga nella guida e viene attenuata di una quantità, tipicamente espressa in dB/cm, che dipende dal tipo di drogaggio impiegato e dalla lunghezza di detta fibra 27. La luce che incide sulla superfice dell’estremità 28 della fibra 27 attenuata viene in parte trasmessa e in parìe riflessa. Quest’ultima viene ulteriormente attenuata dalla porzione di fibra 27 della stessa quantità precedente, minimizzando, quindi, le perdite di riflessione del dispositivo.

Indicando con AL l’attenuazione per unità di lunghezza della fibra 27, espressa in dB/cm, con RLIN (dB) il Return Loss alla superficie della ferula in ingresso, e con RLOUT (dB) il Return Loss alla superfice dell’estremità 28 terminale della fibra 27, Γ ammontare delle perdite di riflessione esibite dal dispositivo RL (dB) sono date, in valore assoluto, dalla seguente espressione:

RL (dB) = RLIN (dB) AL (dB/cm) x 2L (cm)+ RLOUT (dB) Pertanto, scegliendo opportunamente nel progetto del terminatore ottico di Fig. 6 i parametri precedenti, ossia Γ attenuazione per unità di lunghezza e la lunghezza L della fibra 27 attenuata, si ottengono i valori di Return Loss RL desiderati.

Impiegando le ferule 25 in zirconia che vengono usate normalmente nei connettori ottici, la cui lunghezza assiale, comprensiva del bicchierino 26, è di circa 2 cm, si può scegliere, ad esempio, una porzione di fibra 27 attenuata di lunghezza L = 2cm. La luce che entra nel terminatore ottico e successivamente riflessa percorre, dunque, un cammino ottico di circa 4 cm. Se la fibra 27 ha una attenuazione tipica di 10 dB/cm, la luce riflessa dal dispositivo subisce una attenuazione di ben 40 dB. Per evitare valori di lunghezza L troppo elevati per il normale alloggiamento nel corpo meccanico a spina delle Figg. 2, 3, al fine del raggiungimento delle prestazioni prefissate, è opportuno scegliere fibre attenuate con almeno 10 dB/cm ottenendo, in tal modo, dispositivi con bassissimi valori di Return Loss.

Anche per questa soluzione è prevista una capsula 5, 15 ancorata al corpo meccanico per proteggere il terminatore ottico 9, 12 da disturbi esterni.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Dispositivo terminatore ottico caratterizzato da una porzione di fibra dello stesso tipo della fibra da terminare, inserita in una ferula in zirconia con bicchierino e lappata opportunamente su entrambe le superfici terminali, Γ estremità della porzione di fibra, che nel collegamento con la fibra da terminare è a contatto con il connettore di detta fibra mediante un adattatore ottico, essendo lappata come un connettore, mentre l’altra estremità è lappata ad un angolo a rispetto al piano normale all’asse centrale della fibra e con un determinato grado di finezza.
2. 2. Dispositivo secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che la riduzione in termini di perdite di riflessione, che si ottiene lappando angolarmente l’estremità della porzione di fibra, dipende dall’angolo a e dalla finezza di tappatura, mentre una riduzione di Return Loss apprezzabile si ottiene per a > 8° con un grado di tappatura con una rugosità dell’ordine di alcune centinaia di nm.
3. 3. Dispositivo secondo la riv. 1 caratterizzato da un terminatore ottico ottenuto da una porzione di fibra attenuata di lunghezza adeguata, inserita in una feruta in zirconia con bicchierino, detta ferula essendo tappata con la fibra come i connettori ottici mentre l’altra estremità della fibra attenuata viene tagliata normalmente al suo asse centrale o angolarmente.
4. 4. Dispositivo secondo la riv. 1, caratterizzato dalla presenza di una fibra attenuata con attenuazione per unità di lunghezza di almeno 10 dB/cm per evitare valori di lunghezza L troppo elevati.
5. 5. Dispositivo secondo la riv. 1 caratterizzato da un corpo meccanico esterno che presenta una configurazione a spina i cui singoli componenti meccanici sono gli stessi dei connettori ottici.