RU2758774C1

RU2758774C1 - Method for assembling optical fiber with body parts and design of a fiber-optic sealed connector based on the method

Info

Publication number: RU2758774C1
Application number: RU2020124534A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Репин
Original assignee: Александр Владимирович Репин
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2021-11-01

Abstract

FIELD: fiber-optic components production.

SUBSTANCE: invention relates to fiber-optic components and methods for their production. The claimed method for assembling optical fiber with housing parts (sealed fiber-optic connector) contains a volume closed after assembly, including mutual positioning of parts and optical fiber, heating of the housing and connecting them with a binder fastener. Moreover, first the parts (tips) fixing the optical fiber are fixed in the housing, then the fiber without the fastener is installed in them and the housing is heated to a temperature exceeding the maximum permissible operating temperature of the sealed fiber-optic connector, while the material that is cured in the range from the preheating selected to the maximum permissible operating temperature of the sealed fiber-optic connector is selected as the fastener. After curing the fastener in the seams between the housing and the tips and equalizing the pressure in the heated internal volume of the housing, a fastener is applied to the fiber inserted into the holes of the tips, which is inserted into the gap between the fiber and the tips by longitudinal movement of the excess fiber segment, and cured at a temperature no less than the maximum permissible operating temperature of the sealed fiber-optic connector, and after curing the fastener, the temperature is reduced to room temperature.

EFFECT: creation of a method for assembling an optical fiber with a stabilized position of the optical fiber and achieving permanence of the radiation power transmitted through the optical fiber under increased mechanical and climatic loads, as well as simplifying the optical fiber assembly process.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к волоконно-оптическим компонентам и способам их получения. The invention relates to fiber optic components and methods for their production.

В настоящее время известно большое число способов фиксации оптического волокна относительно элементов конструкций волоконно-оптических компонентов. В то же время до сих пор фиксация оптического волокна по отношению к элементу конструкции и способы его крепления вносят наибольшие осложнения при сборке и работе изделий, особенно предназначенных для использования на подвижных объектах (например, летательных аппаратах, подводных лодках) и объектах, подверженных значительным перепадам температуры.Currently, a large number of methods are known for fixing an optical fiber relative to structural members of optical fiber components. At the same time, until now, the fixation of optical fiber in relation to a structural element and the methods of its attachment introduce the greatest complications in the assembly and operation of products, especially those intended for use on mobile objects (for example, aircraft, submarines) and objects subject to significant drops. temperature.

Известные способы фиксации оптического волокна включают предложения RU 1757345, US 4997253 крепления в двух точках опоры на плоской монтажной поверхности: сначала к ближайшей к активному элементу опоре, а потом, окончательно, ко второй опоре. В патентах RU 1757345, US 4997253 крепление производят при помощи припоя. Хотя и подбирают используемые материалы с близкими термическими коэффициентами расширения (в дальнейшем - “КТР”), но отличия КТР имеются, что приводит к изменению положения оптического волокна. Широко известно закрепление оптического волокна эпоксидными клеями (типовые технологии сборки коннекторов). В то же время остаются нерешенными проблемы закрепления оптического волокна, например, в герметичных проходных розетках, где точки крепления волокна могут быть разнесены на десятки миллиметров. Необходимость максимального облегчения подвижного объекта (например, летательного аппарата) приводит к применению в качестве корпусных материалов алюминиевых сплавов, а их КТР резко отличен от КТР кварца. Простая вклейка оптического волокна в такой корпус невозможна - перепад температур от - 60 до +150°С рвет волокно внутри корпуса, какое-либо демпфирование (например, керамического наконечника - с усилием, меньшим усилия разрушения волокна) в герметичном корпусе резко усложняет конструкцию.Known methods for fixing optical fiber include proposals RU 1757345, US 4997253 fastening at two points of support on a flat mounting surface: first to the support closest to the active element, and then, finally, to the second support. In patents RU 1757345, US 4997253, the fastening is performed using solder. Although the materials used are selected with close thermal expansion coefficients (hereinafter referred to as “CTE”), there are differences in CTE, which leads to a change in the position of the optical fiber. It is widely known to secure optical fibers with epoxy adhesives (typical connector assembly technologies). At the same time, the problems of securing optical fiber remain unresolved, for example, in sealed feed-through sockets, where the attachment points of the fiber can be separated by tens of millimeters. The need to maximize the lightening of a moving object (for example, an aircraft) leads to the use of aluminum alloys as hull materials, and their CTE is sharply different from the CTE of quartz. A simple gluing of optical fiber into such a housing is impossible - a temperature difference from -60 to + 150 ° C tears the fiber inside the housing, any damping (for example, a ceramic tip - with a force less than the breaking force of the fiber) in a sealed housing dramatically complicates the design.

Известны решения с использованием однородных материалов, например, патент на изобретение №2168191, где в качестве направляющей подложки для оптического волокна используются отрезки того же волокна, т.е. кварца, отверждение первого слоя клея ведут УФ-излучением, а в качестве второго слоя применяют высокопрочный эпоксидный клей типа ВК6. Но кварцевый корпус разъема был бы непрочен и не технологичен, он не может применяться в условиях эксплуатации подвижных объектов (удары, перегрузки и т.д.).There are known solutions using homogeneous materials, for example, patent for invention No. 2168191, where segments of the same fiber are used as a guide substrate for an optical fiber, i.e. quartz, the curing of the first layer of glue is carried out by UV radiation, and high-strength epoxy glue of the VK6 type is used as the second layer. But the quartz case of the connector would be fragile and not technologically advanced, it cannot be used in operating conditions of moving objects (shock, overload, etc.).

Наиболее близким решением можно считать применение для корпуса керамических материалов с малым отрицательным КТР (патент US 6377729) и способ создания таких материалов (патент CN 102826606).The closest solution can be considered the use of ceramic materials with a low negative CTE for the case (US patent 6377729) and a method for creating such materials (CN 102826606 patent).

Однако даже выравнивание КТР не в полной мере решает проблему: при повышении температуры до максимально допустимой (для летательного аппарата это 150°С) существенно поднимается давление в герметичной полости разъема. Поскольку при такой температуре эпоксидный клей размягчается, прецизионные керамические наконечники, вклеенные в корпус, начинают выдавливаться из корпуса. В результате - увеличение оптических потерь на стыке наконечников, изменение расстояния между торцами не состыкованных наконечников с отверждением клея при снижении температуры, уход волокна ниже торца наконечника и т.п.However, even the equalization of the CTE does not fully solve the problem: when the temperature rises to the maximum permissible (for an aircraft it is 150 ° C), the pressure in the sealed cavity of the connector rises significantly. As the epoxy softens at this temperature, the precision ceramic tips glued into the body begin to squeeze out of the body. As a result, there is an increase in optical losses at the junction of the ferrules, a change in the distance between the ends of non-docked ferrules with curing of the glue when the temperature is lowered, the fiber leaves below the end of the ferrule, etc.

Цель изобретения - создание способа сборки оптического волокна со стабилизированным положением оптического волокна и достижением постоянства передаваемой через оптическое волокно мощности излучения при повышенных механо-климатических нагрузках и, кроме того, с упрощением процесса сборки оптического волокна.The purpose of the invention is to create a method for assembling an optical fiber with a stabilized position of an optical fiber and achieving constancy of the radiation power transmitted through an optical fiber at increased mechanical and climatic loads and, in addition, simplifying the process of assembling an optical fiber.

Это достигается тем, что предложен способ сборки оптического волокна с деталями корпуса (герметичного волоконно-оптического разъема), содержащего замкнутый после сборки объем, включающий предварительный нагрев корпуса до температуры, превышающей максимально допустимую температуру эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема, нанесение крепежного вещества на закрепляемые участки оптического волокна и участок крепления, причем в качестве крепежного вещества выбирают материал, отверждающийся в диапазоне от выбранной для предварительного нагрева до максимально допустимой температуры эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема, а после отверждения температуру снижают до комнатной. Сначала в корпусе герметичного волоконно-оптического разъема закрепляются детали, в которые будет устанавливаться волокно (например, керамические наконечники). Возможна и установка волокна в наконечники, но без крепежного вещества. После нагрева корпуса до температуры, превышающей максимально допустимую температуру эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема, отверждение крепежного вещества в швах между корпусом и наконечниками и выравнивания давления в нагретом внутреннем объеме корпуса на волокно, вставленное в отверстия наконечников, наносится крепежное вещество, которое продольным перемещением избыточного отрезка волокна вводят в зазор между волокном и наконечниками, и отверждают при температуре не менее максимально допустимой температуры эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема. После охлаждения давление в замкнутом объеме падает, и подняться при максимально допустимой температуре может только до 1 атмосферы. Это значит, что не будет ни смещения наконечников, ни ухода волокна, поскольку после остывания корпуса волокно в замкнутом объеме изгибается, при нагреве вытягивается до нормальной длины. Во избежание излома или повышения потерь длину замкнутого объема корпуса рассчитывают, как функцию от минимально допустимого радиуса изгиба применяемого волокна и от значения КТР корпуса.This is achieved by the fact that a method is proposed for assembling an optical fiber with parts of a housing (sealed fiber-optic connector) containing a closed volume after assembly, including preheating the housing to a temperature exceeding the maximum allowable operating temperature of a sealed fiber-optic connector, applying a fastener to the fastened sections of the optical fiber and the area of attachment, and as the fastening agent, a material is selected that cures in the range from the selected for preheating to the maximum allowable operating temperature of the sealed fiber-optic connector, and after curing the temperature is reduced to room temperature. First, the parts in which the fiber will be installed (for example, ceramic ferrules) are fixed in the body of the sealed fiber optic connector. It is also possible to install the fiber in the ferrules, but without the fastener. After heating the housing to a temperature exceeding the maximum allowable operating temperature of the sealed fiber-optic connector, curing the fastener in the seams between the housing and the ferrules and equalizing the pressure in the heated internal volume of the housing, a fastener is applied to the fiber inserted into the holes of the ferrules, which is applied by the longitudinal movement of the excess a piece of fiber is inserted into the gap between the fiber and the ferrules, and cured at a temperature not less than the maximum allowable operating temperature of the sealed fiber-optic connector. After cooling, the pressure in the closed volume drops, and at the maximum allowable temperature it can rise only up to 1 atmosphere. This means that there will be no displacement of the tips, no fiber drift, since after cooling of the housing, the fiber in a closed volume bends, and when heated, it stretches to its normal length. To avoid kinking or increasing losses, the length of the enclosed volume of the housing is calculated as a function of the minimum allowable bending radius of the fiber used and the CTE of the housing.

Поскольку такой способ сборки оптического волокна с корпусными деталями позволяет устранить недостатки конструкции, не прибегая к сложным технологиям получения и обработки специальных материалов с отрицательными КТР, как это происходит в прототипе, заявленные отличия являются существенными.Since this method of assembling an optical fiber with body parts makes it possible to eliminate design flaws without resorting to complex technologies for obtaining and processing special materials with negative CTE, as is the case in the prototype, the declared differences are significant.

На Фиг. 1а изображен один из примеров конструкции (розетка герметичного разъема), к которому применим заявленный способ. Розетка состоит из корпуса 1, выполненного из алюминиевого сплава, и имеющего замкнутый воздушный объем. В корпусе установлены керамические наконечники 2, 3 для фиксации оптического волокна 4. Наконечники зафиксированы клеем.FIG. 1a shows one of the examples of construction (socket of a sealed connector) to which the claimed method is applicable. The socket consists of a housing 1 made of an aluminum alloy and having a closed air volume. The body contains ceramic tips 2, 3 for fixing optical fiber 4. The tips are fixed with glue.

После нагрева сборки до температуры, превышающей максимально допустимую температуру эксплуатации герметичного волоконно-оптического разъема, клей 5 наносится на волокно и продольным перемещением избыточного отрезка волокна вводится в зазор между волокном и наконечниками. Клей отверждают при температуре не менее, чем максимально допустимая температура эксплуатации разъема.After the assembly is heated to a temperature exceeding the maximum allowable operating temperature of the sealed fiber-optic connector, glue 5 is applied to the fiber and by longitudinal movement of the excess fiber section is introduced into the gap between the fiber and the ferrules. The adhesive is cured at a temperature not less than the maximum allowable operating temperature of the connector.

После охлаждения оптическое волокно 4 в замкнутом объеме корпуса 1 принимает форму, изображенную на Фиг. 1б (изгиб преувеличен для понимания поведения волокна при охлаждении).After cooling, the optical fiber 4 in the closed volume of the housing 1 takes the shape shown in FIG. 1b (bending is exaggerated to understand the behavior of the fiber on cooling).

Предложенный способ и конструкция волоконно-оптической герметичного разъема на основе способа может использоваться в системах связи, АСУТП, являясь важной частью оптических коммуникационных систем, при создании волоконно-оптических датчиков, оборудования подвижных объектов, работающих при перепадах давления (например, летательных аппаратов и подводных лодок) и в условиях герметизации опасных объемов (контрольно-измерительных устройств АЭС и т.д.).The proposed method and design of a fiber-optic sealed connector based on the method can be used in communication systems, process control systems, being an important part of optical communication systems, when creating fiber-optic sensors, equipment for mobile objects operating under pressure drops (for example, aircraft and submarines ) and in the conditions of sealing hazardous volumes (NPP control and measuring devices, etc.).

Claims

1. A method of assembling an optical fiber with body parts - a sealed fiber-optic connector containing a closed volume after assembly, including the mutual positioning of parts and an optical fiber, heating the body and connecting them with a binder fastener, characterized in that the parts are first fixed in the body - tips that fix the optical fiber, then install the fiber in them without a fastener and heat the case to a temperature exceeding the maximum allowable operating temperature of the sealed fiber-optic connector, and as a fastener, a material that cures in the range from the selected for preheating to the maximum permissible operating temperature of a sealed fiber-optic connector, and after curing of the fastener in the seams between the body and the ferrules and equalizing the pressure in the heated internal volume of the body on the fiber inserted into the holes of the ferrules, nan The fastening substance is introduced into the gap between the fiber and the ferrules by the longitudinal movement of the excess fiber length, and is cured at a temperature not less than the maximum allowable operating temperature of the sealed fiber-optic connector, and after the fastener has cured, the temperature is reduced to room temperature.

2. A sealed fiber-optic connector according to the method of claim 1, comprising a sealed fiber-optic connector body and connectors with ferrules, characterized in that the sealed fiber-optic connector body contains at least one opposing pair of ferrules with their backs facing out into a closed volume, the length of which is a function of the minimum allowable bending radius of the applied fiber and the value of the coefficient of thermal expansion (CTE) of the housing.