PL B1. Sposób termicznego łączenia w łuku elektrycznym włóknistych światłowodów fotonicznych

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. G02B 6/24 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób termicznego łączenia w łuku elektrycznym włóknistych światłowodów fotonicznych (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 17/10 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 08/14 (73) Uprawniony z patentu: UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNO- PRZYRODNICZY IM. JANA I JĘDRZEJA ŚNIADECKICH W BYDGOSZCZY, Bydgoszcz, PL (72) Twórca(y) wynalazku: MAREK RATUSZEK, Bydgoszcz, PL ZBIGNIEW ZAKRZEWSKI, Bydgoszcz, PL JACEK MAJEWSKI, Bydgoszcz, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Piotr Jankowski

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób termicznego łączenia w łuku elektrycznym włóknistych światłowodów fotonicznych ze światłowodami telekomunikacyjnymi tak aby nie następowało w trakcie spajania zapadanie się (kolaps) dziurkowanej struktury światłowodów fotonicznych. Znany jest sposób termicznego łączenia światłowodów włóknistych metodą spajania w łuku elektrycznym. Został on opisany w pracy: D. Gloge, A.H. Cherin, C.M. Miller, P.W. Smith Optical Fiber Telecommunications - Fiber Splicing S.E. Miller and A.G. Chgnoweth, Eds. New York: Academic, W sposobie tym odpowiednio obcięte końcówki łączonych światłowodów włóknistych są podgrzewane (za pomocą łuku elektrycznego lub płomieniu) do uzyskania plastyczności czół, a następnie centrycznie dociskane do siebie i tym samym łączone. Podgrzewanie odbywa się w płaszczyźnie łączenia włókien w łuku elektrycznym. Ten sposób daje dobre rezultaty przy łączeniu światłowodów telekomunikacyjnych o tych samych średnicach rdzenia 2a i aperturach numerycznych NA czyli o jednakowych średnicach pola modu 2W. Światłowody telekomunikacyjne wytwarzane są z litego szkła krzemionkowego (SiO 2 ) z rdzeniem domieszkowanym najczęściej dwutlenkiem germanu (SiO 2 +GeO 2 ) co zwiększa współczynnik załamania względem płaszcza i stanowi strukturę prowadzącą światło. W 1996 wytworzono pierwszy światłowód fotoniczny zwany również PCF (Photonics Crystal Fibers), światłowód był wykonany ze szkła krzemionkowego (SiO 2 ). Został on po raz pierwszy opisany w pracy: J.C. Knight, T.A. Birks, P.St.J. Russell, D.M. Atkin All-silica single mode optical fiber with photonic crystal cladding, Optical Letters, vol. 21, Światłowody fotoniczne stanowią nową klasę włókien optycznych. Posiadają one strukturę dwuwymiarowego kryształu fotonicznego z wprowadzonym podczas produkcji defektem, który stanowi rdzeń światłowodu strukturę prowadzącą światło. Światłowody fotoniczne posiadają uporządkowaną mikrostrukturę (matrycę) otworów powietrznych o odpowiedniej średnicy i rozmieszczeniu, biegnących wzdłuż jego długości tworząc trzeci wymiar. Rodzaj rdzenia, średnica i rozmieszczenie otworów decydują o właściwościach propagacyjnych światłowodów fotonicznych. W celu wykorzystania światłowodów fotonicznych, np. jako czujników, trzeba łączyć je ze znormalizowanymi światłowodami telekomunikacyjnymi poprzez które można podłączać światłowody fotoniczne do znormalizowanych światłowodowych wyprowadzeń źródeł i detektorów światła. Częstym problemem podczas termicznego łączenia za pomocą łuku elektrycznego światłowodów fotonicznych i światłowodów telekomunikacyjnych jest powstawanie w obrębie spoiny, od strony światłowodów fotonicznych, zapadnięć struktury światłowodu PCF (tzw. kolaps). Kolaps wynika z bezpośredniego grzania czół światłowodów co przy obecności wielu otworów powietrznych w strukturze światłowodu fotonicznego powoduje zapadanie się, począwszy od czoła, struktury światłowodu fotonicznego. Tak wykonana spoina charakteryzuje się zwiększonym tłumieniem oraz znacznie osłabioną wytrzymałością spoiny na zrywanie i zginanie. Sposób według wynalazku polega na przesunięciu łuku elektrycznego od minimum stu mikrometrów dla temperatury łuku 1900 C do maksimum dwustu mikrometrów dla temperatury łuku 2000 C od płaszczyzny łączenia 4 (czoła) światłowodów w kierunku światłowodu telekomunikacyjnego 9, a przedział temperatury łuku wynosi od 1900 C do 2000 C, proporcjonalnie, w zależności od wielkości przesunięcia pozycji łuku od płaszczyzny 4. Pozycja łuku oraz temperatura spawania są ustalone przed wykonaniem spoiny i nie ulegają zmianie w trakcie procesu łączenia. Zakresy temperatury oraz przesunięcia łuku umożliwiają dostosowanie warunków spawania do budowy światłowodu fotonicznego 8. Fig. 5 przedstawia podgrzewanie za pomocą łuku elektrycznego, sposób łączenia za pomocą łuku elektrycznego światłowodów fotonicznych 8 ze światłowodami telekomunikacyjnymi 9 który powoduje, że nie dochodzi do zapadania się czoła światłowodu fotonicznego, co zostało zaprezentowane na fig. 6, która przedstawia fotografię spoiny 11 wykonanej sposobem według wynalazku. Sposób wg wynalazku przedstawiony został na załączonym materiale ilustracyjnym na którym, fig. 1 przedstawia podgrzewanie w płaszczyźnie łączenia włókien w łuku elektrycznym, fig. 2 przekrój światłowodu telekomunikacyjnego, fig. 3 przykłady przekrojów światłowodów fotonicznych z różnymi rodzajami rdzeni (defektów), fig. 4 przedstawia powstawanie w obrębie spoiny, od strony światłowodów fotonicznych, zapadnięć struktury światłowodu PCF (tzw. kolaps), fig. 5 przedstawia ilustrację podgrzewania za pomocą łuku elektrycznego, fig. 6 przedstawia sposób łączenia za pomocą łuku elektrycznego światłowodów fotonicznych ze światłowodami telekomunikacyjnymi.

3 PL B1 3 Sposób wg wynalazku przedstawiony został na rysunkach, gdzie: 1 płaszcz światłowodu, 2 rdzeń światłowodu, 3 - łuk elektryczny o temperaturze 1900 C C, 4 czoła łączonych światłowodów, 5 - płaszcz: SiO 2, 6 rdzeń: SiO 2 + najczęściej GeO 2, 7 rdzenie światłowodów fotonicznych, 8 światłowód fotoniczny, 9 jednomodowy światłowód telekomunikacyjny, 10 obszar spoiny z widocznym zapadnięciem (kolapsem) struktury w światłowodzie fotonicznym, 11 obszar poprawnej spoiny. Sposób według wynalazku przedstawiony został bliżej w przykładzie stosowania, jakim jest łączenie za pomocą łuku elektrycznego standardowego światłowodu jednomodowego 9, z zerem dyspersji w tzw. II oknie optycznym i skokowym profilem współczynnika załamania ze światłowodem fotonicznym 8 o strukturze przedstawionej na przekroju zaprezentowanym na fig. 7. Fotografię spoiny, wyżej wymienionych włókien, otrzymanej w łuku elektrycznym umieszczonym standardowo w płaszczyźnie łączenia, w temperaturze 2000 C, przedstawiono na fig. 4, gdzie widoczne jest wyraźne zapadnięcie się (kolaps) struktury światłowodu fotonicznego. Fotografia przedstawiona na fig. 6 prezentuje spoinę tych samych co na fig. 4 włókien, wykonaną za pomocą łuku elektrycznego o temperaturze 2000 C z tym że przesuniętym o 200 m od czół łączonych włókien w kierunku światłowodu telekomunikacyjnego. Spoina wykonana według wynalazku nie wykazuje zapadnięć struktury od strony światłowodu fotonicznego. Zastrzeżenie patentowe Sposób termicznego łączenia w łuku elektrycznym włóknistych światłowodów fotonicznych 8 o przekroju kołowym ze światłowodami włóknistymi o słabym prowadzeniu i przekroju kołowym tzw. światłowodami telekomunikacyjnymi 9, znamienny tym, że łuk elektryczny przesuwa się o 200 m dla temperatury łuku 2000 C od płaszczyzny łączenia światłowodów 4 w kierunku światłowodu telekomunikacyjnego 9, a przedział temperatury łuku 3 wynosi od 1900 C do 2000 C, dla przesunięcia od 100 do 200 mikrometrów, przy czym parametry te są niezmienne w trakcie procesu łączenia.

4 4 PL B1 Rysunki

5 PL B1 5

6 6 PL B1

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)