ES2204826T3 - Mejoras relacionadas con la interconexion de estructuras de transmision optica. - Google Patents

Mejoras relacionadas con la interconexion de estructuras de transmision optica.

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ES2204826T3
ES2204826T3 ES01900178T ES01900178T ES2204826T3 ES 2204826 T3 ES2204826 T3 ES 2204826T3 ES 01900178 T ES01900178 T ES 01900178T ES 01900178 T ES01900178 T ES 01900178T ES 2204826 T3 ES2204826 T3 ES 2204826T3
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Geoffrey Martland Proudley
Peter David Foote
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Abstract

Un material compuesto (94; 12; 40; 74), que comprende: unos medios de transmisión óptica (96; 10; 42; 70) embebidos dentro de un portador (94; 12; 40; 74); y una superficie (24) de interfase óptica de alta calidad prevista dentro del portador en conexión con los medios de transmisión óptica, proporcionando la superficie de interfase óptica unos medios para conexión óptica a los medios de transmisión (14) desde el exterior del portador; caracterizado por un microsustrato (92) embebido dentro del material compuesto sobre el que están previstos unos medios de tratamiento óptico (90; 44; 54) asegurados a los medios de transmisión óptica, estando ópticamente conectados los medios de tratamiento óptico a los medios de transmisión óptica para tratar luz hacia o desde los medios de transmisión óptica y para proporcionar la superficie de interfase óptica.

Description

Mejoras relacionadas con la interconexión de estructuras de transmisión óptica.
La presente invención concierne a mejoras que se refieren a estructuras de transmisión óptica de interfase y más particularmente, aunque no exclusivamente, a un aparato para acoplar unos primeros medios de transmisión óptica, tales como una fibra óptica, embebidos dentro de un material compuesto, tal como un panel de avión, a unos segundos medios de transmisión, tales como una fibra óptica, externos al material compuesto. La presente invención concierne, también, a un aparato tal que puede proporcionar un acoplamiento en un número mínimo de operaciones simplificando por ello el procedimiento de acoplamiento.
La frase "embebido dentro de un material compuesto" en el contexto de la presente invención está destinada a significar que, en un posible punto de conexión, el artículo está completamente rodeado por el material compuesto y está situado debajo de las superficies exteriores del material compuesto después de fabricación. Tal artículo embebido no está expuesto a la superficie exterior y sólo se puede acceder a él entrando por el interior del material compuesto.
La expresión "material compuesto", como se usa en esta memoria, se ha de interpretar ampliamente, porque está dirigida a cualquier estructura de soporte para portar unos medios de transmisión de luz. Materiales compuestos típicos son paneles de avión y otras estructuras soportadoras hechas de materiales plásticos, fibra de carbono, vidrio o metal, por ejemplo, e incluyen estructuras multicapa.
El uso de fibras ópticas y de materiales compuestos avanzados está llegando a ser más aceptado en la industria aeronáutica que los sistemas previos de metales ligeros y de cableado eléctrico. Hay muchas ventajas para el uso de fibras ópticas, tales como peso reducido, eliminación de problemas electromagnéticos, tales como recogida de ruido y radiación incidental de señales, costes inferiores de los materiales en bruto y eliminación de trayectorias conductoras potencialmente peligrosas. Aunque estas ventajas son claramente deseables, el uso de sistemas ópticos en aeronáutica tiene sus propias características específicas, diferentes a las asociadas con sistemas usuales que, hasta la fecha, han reducido la aceptación de esta nueva tecnología.
La fibra óptica embebida en estructuras de materiales compuestos puede proporcionar funciones de detección (por ejemplo, de deformación, de temperatura) elegantemente distribuidas y embebidas, así como el potencial para enlaces de comunicación embebidos. A pesar de la funcionalidad probada de tales estructuras de fibra óptica embebida, los problemas permanecen en cuanto al mejor modo de hacer de interfase (es decir, lanzando y extrayendo luz) hasta/desde las fibras ópticas embebidas. Un modo descrito en el documento US- 5.299.273 implica fijar un conector óptico relativamente grande a una parte de estratificado de material compuesto que tiene una fibra óptica embebida en ella. El conector óptico es fijado recortando la estructura a través de la trayectoria de la fibra óptica, exponiendo por ello un extremo de la fibra que se encuentra enrasado con la superficie de la estructura. Luego, la fibra óptica se pule y el conector se acopla usando técnicas de microposicionamiento para alinear correctamente el conector y la fibra óptica.
Otras soluciones actuales incluyen permitir que fibras embebidas delicadas salgan de la superficie o borde de estructura (los llamados "terminales volantes"), o que conectores de fibra embebidos en una superficie del material compuesto en los extremos o lados de fibras ópticas embebidas para conexión posterior a dispositivos ópticos externos o a otras fibras ópticas. Ejemplos del último tipo de acoplamiento se muestran en el documento US-5.809.197 y en el artículo de S. Meller, J. Greene, C. Kozikowski, K. Murphy, R. Claus, "Polymer and Metal-Matrix Composite-Embedded Optical Fibres for Avionics Communications Links" ("Polímero y fibras ópticas embebidas en material compuesto de matriz metálica para enlaces de comunicaciones en aviónica"), actas SPIE, Vol. 3042, pp. 383-388, 1997.
La provisión de "terminales volantes" es problemática, porque éstos son puntos únicos potenciales de fallo durante uso del material compuesto. Como son propensas a dañarse, las fibras se deben gestionar durante la fabricación del material compuesto (estratificado), lo que aumenta la complejidad, el tiempo y el coste de fabricación. Igualmente, la provisión de conectores embebidos usuales en la superficie del material compuesto puede complicar, también, el procedimiento de fabricación, ya que particularmente estos conectores embebidos tienden a ser más bien voluminosos y requieren protección cuidadosa. Adicionalmente, puede ocurrir acrecentamiento de resina alrededor de estos conectores (y también en el caso de terminales volantes) que puede conducir a efectos de fisuración y contaminación.
En general, todos los métodos anteriores sufren de los problemas de daño potencial a las fibras ópticas que salen fuera del material compuesto y a los conectores embebidos presentes en la superficie del material compuesto, cuando éste tiene que ser "acabado" en su procedimiento de fabricación. Estos problemas han dificultado la aceptación universal de sistemas de fibra óptica embebidos en la industria aeronáutica.
La solicitud de patente de UK número 9812109.8, publicada como el documento GB-A-2.322.479, a nombre de Advantest Corporation, describe un método para conectar una fibra óptica prevista en una placa madre óptica a una fibra óptica prevista en una placa hija óptica. La fibra óptica en la placa madre termina en una cara a 45º que refleja luz a la fibra óptica de la placa hija. Alternativamente, la fibra óptica en la placa madre puede terminar en una cara vertical, y un espejo en forma de prisma se puede usar para reflejar luz a la fibra óptica prevista en la placa hija.
Se desea superar o, al menos sustancialmente, reducir los problemas descritos anteriormente.
Se ha apreciado que los conectores ópticos embebidos no tienen que estar expuestos en una superficie del material compuesto hasta después de que se han completado los procedimientos de fabricación, tales como recortado y desviado, sobre el material compuesto. Una vez que se completan estos procedimientos de fabricación, se puede situar el conector óptico embebido y un conducto de paso hacia él formado en el material compuesto. De este modo, se pueden aliviar sustancialmente los problemas anteriormente descritos.
Más específicamente, según un aspecto de la presente invención se ha previsto un material compuesto, que comprende: unos medios de transmisión óptica embebidos dentro de un portador; y una superficie de interfase óptica de alta calidad prevista dentro del portador en unión con los medios de transmisión óptica, proporcionando la superficie de interfase óptica unos medios para conexión óptica a los medios de transmisión desde el exterior del portador; caracterizado por un microsustrato embebido dentro del material compuesto sobre el que están previstos unos medios de tratamiento óptico asegurados a los medios de transmisión óptica, estando ópticamente conectados los medios de tratamiento óptico a los medios de transmisión óptica para tratar luz hacia o desde los medios de transmisión óptica y para proporcionar la superficie de interfase óptica.
La presente invención permite que los medios de transmisión óptica estén ocultos (inaccesibles) dentro del material compuesto, todo el tiempo que se requiera, especialmente hasta la posfabricación del material compuesto. Luego, se puede recuperar el acceso a los medios de transmisión, según se requiera. Este concepto de empotramiento y recuperación completos, ventajosamente también posfabricación, permite que sea incorporada redundancia en el material compuesto. Medios de transmisión óptica embebidos de repuesto y óptica de interfase podrían estar embebidos dentro del material compuesto, pero se mantienen ocultos en la estructura hasta que se requieran, por ejemplo, si unos medios de transmisión óptica y una interfase existentes se llegan a dañar. Estos enlaces estarían ocultos, también, en el momento de fabricación del material compuesto y no requeriría ninguna gestión externa de terminales traseros delicados, por ejemplo. Cuando se requiere un nuevo canal de comunicación óptica o una nueva función de detección, se pueden detectar la localización de unos medios de transmisión seleccionados y su superficie de interfase de alta calidad y un conducto de paso apropiado hacia la interfase formado para acceso al mismo. En consecuencia, se pueden proporcionar enlaces y/o funciones de detección adicionales sin la necesidad de medios de transmisión óptica adicionales externos al material compuesto.
La presente invención proporciona, también, beneficios en términos de complejidad, tiempo y coste de fabricación reducidos. El número total de operaciones requeridas para establecer una conexión se puede reducir, también, si se compara con los sistemas usuales. Además, se considera que la presente invención acelerará la implementación de sistemas de fibra óptica embebida en la industria aeronáutica.
Si bien siempre existe algo de pérdida con un acoplamiento óptico, los medios de tratamiento óptico pueden realzar una señal en la interfase óptica para mejorar el rendimiento del acoplamiento óptico. Además, la luz desde los medios de transmisión puede ser manipulada para optimizar su extracción desde el material compuesto.
La superficie de interfase óptica de alta calidad se proporciona en el momento en el que los primeros medios de transmisión óptica se embeben dentro del material compuesto. La expresión "superficie de interfase óptica de alta calidad", como se usa en la presente invención, está destinada a denotar una superficie que puede ser acoplada a otra superficie óptica y proporciona una interfase óptica aceptable (teniendo un bajo nivel de aceptabilidad de pérdida de señal) sin la necesidad de medidas que realcen la calidad, tales como pulido de la superficie. Proporcionando tal superficie de alta calidad, la interconexión a los primeros medios de transmisión óptica se hace más sencilla, porque no hay necesidad de proporcionar operaciones de tratamiento adicionales, tales como pulido, para crear una interfase óptica de calidad aceptable para transmisión de luz.
Proporcionar un microsustrato sobre el que están previstos los medios de tratamiento óptico asegurados a los medios de transmisión óptica proporciona ventajosamente una conexión segura y de alivio de tensiones entre los medios de tratamiento óptico y los medios de transmisión óptica. Además, la orientación de los medios de tratamiento óptico se puede controlar en la medida que el microsustrato se puede alinear más fácilmente que los propios medios de tratamiento óptico.
La estructura de alineación está prevista, preferiblemente, sobre el microsustrato. De este modo, sólo se tiene que preparar una microestructura única para implementar varias funciones sin la necesidad de otras estructuras especializadas. Esto reduce ventajosamente costes.
Opcionalmente, el microsustrato está formado de silicio.
Preferiblemente, el material compuesto comprende un conducto de paso formado dentro del portador a los medios de transmisión óptica embebidos desde una superficie exterior del portador. Esto se forma, convenientemente, después de que se han completado los procedimientos de fabricación, de manera que los medios de transmisión óptica y su interfase óptica de alta calidad no sean dañados por los procedimientos.
El material compuesto puede comprender además un tapón protector previsto en el conducto de paso para cerrarlo; pudiéndose retirar el tapón protector antes de formar una conexión óptica. De este modo, se puede establecer ventajosamente acceso a los primeros medios de transmisión óptica antes de la finalización de cualquier procedimiento de fabricación en el material compuesto y en los medios de transmisión óptica, y su interfase óptica de alta calidad puede ser protegida mediante la disposición del tapón.
Cuando se ha de formar el conducto de paso usando un láser, preferiblemente, el material compuesto comprende además medios para impedir que luz usada en la irradiación láser sea acoplada ópticamente con los medios de transmisión óptica. El fin de tales medios es impedir que ocurra cualquier daño a los medios de transmisión óptica que puede ser causado por la longitud de onda de la radiación láser.
A este respecto, los medios de impedimento están dispuestos, preferiblemente, para diferenciar entre las longitudes de onda de la luz usada en la operación de mecanizado con láser y la luz usada en los medios de transmisión óptica, y para impedir la transmisión de luz usada en la operación de mecanizado con láser a los medios de transmisión óptica. Esto proporciona un modo de impedir acoplamiento óptico entre la luz láser y los medios de transmisión óptica, que usa ventajosamente un número mínimo de componentes. Las dos longitudes de onda pueden ser diferenciadas, por ejemplo, por un espejo selector de longitud de onda o por un divisor de haz. Una vez que las dos longitudes de onda de luz pueden ser diferenciadas, un modo adicional de impedir el acoplamiento óptico es que los medios de impedimento estén dispuestos para transmitir la luz usada en el láser de la operación de mecanizado hasta al menos unos medios de absorción de haz de luz previstos dentro del material compuesto.
A fin de determinar la localización de los medios de transmisión óptica y de su interfase, el material compuesto puede comprender además unos medios de localización detectables embebidos dispuestos para indicar la localización de la superficie de interfase óptica de alta calidad dentro del material compuesto. Esto es útil cuando el material del material compuesto y los medios de transmisión óptica no son fácilmente diferenciados por el procedimiento de localización.
Los medios de localización pueden comprender un marcador de posición embebido dentro del portador. Además, el material compuesto puede comprender un marcador de profundidad embebido también dentro del portador para indicar cuándo se ha formado el conducto de paso a la profundidad correcta. Esto es particularmente útil en mecanizado con láser en el que la luz usada para ablación se puede supervisar, también, por reflexión para determinar cuándo se ha alcanzado un marcador reflector que representa una profundidad correcta.
En una realización de la presente invención, el marcador de profundidad comprende el marcador de posición y, por consiguiente, se reduce ventajosamente el número de componentes adicionales. Además, el marcador de posición o el marcador de profundidad puede comprender un revestimiento de sacrificio que está dispuesto para poder ser retirado después de la formación del conducto de paso a fin de acceder a los medios de transmisión óptica. De este modo, la profundidad precisa del conducto de paso se puede controlar con alta precisión.
Los medios de transmisión óptica pueden comprender una fibra óptica de núcleo expandido térmicamente en su superficie de interfase óptica. Esto reduce las restricciones de alineación en el punto de interconexión, facilitando por ello el procedimiento de interconexión.
El material compuesto puede comprender además una estructura de alineación embebida dentro del portador para alinear unos medios de interfase con los medios de transmisión óptica en la superficie de interfase óptica. El uso de una estructura de alineación acelera ventajosamente el procedimiento de interconexión, ya que se puede realizar una interconexión precisa sin retraso indebido que puede ser causado, de otro modo, por el uso de otros procedimientos de alineación.
Por ejemplo, los medios de tratamiento óptico pueden comprender medios para dirigir un haz de luz. Más específicamente, los medios de dirección pueden comprender un divisor de haz o un espejo de microgiro. Los medios de colimación de haz de luz pueden comprender una lente de índice graduado o una fibra de índice graduado. Todos estos medios diferentes para manipular el haz de luz pueden configurar ventajosamente el procedimiento de interfase para optimizar las características de transmisión, independientemente de la localización deseada de entrada/salida hacia/desde el material compuesto.
Los medios de transmisión óptica comprenden, preferiblemente, una fibra óptica, puesto que éste es uno de los sistemas de transporte óptico actualmente disponibles más eficaz desde el punto de vista económico y más eficiente.
El material compuesto comprende, preferiblemente, componentes microópticos o un conjunto de componentes que están completamente embebidos junto con la fibra en el momento de fabricación. El empaquetamiento de microóptica se podrá basar en varias tecnologías. Lentes o fibras GRIN (de índice graduado) podrían hacer de interfase (por ejemplo, empalmadas) hasta la fibra del sistema embebido para proporcionar colimación de haz (para alineación facilitada a la otra mitad de la interfase).
Es necesario "encontrar" la microóptica enterrada con el láser de mecanizado (o procedimiento alternativo). Sin embargo, el lugar objetivo podrá ser fácilmente identificado, antes de mecanizar, por estructuras de empotramiento (por ejemplo, revestimientos metálicos) que serían visibles con rayos X del material compuesto.
Es posible que el material compuesto comprenda fibras ópticas TEC, posiblemente empalmadas a la fibra óptica embebida o formadas en el extremo de la fibra del sistema para expandir el núcleo de la fibra embebida a fin de relajar las restricciones de alineación en el punto de conexión.
La presente invención permite que sea formado un material compuesto con fibras ópticas embebidas y con componentes microópticos. El material compuesto se puede tratar a través de cualquier número de operaciones de fabricación hasta que se crea un material compuesto acabado. Luego, por formación de imágenes por rayos X del material compuesto, se puede determinar la localización de las fibras ópticas y de los componentes microópticos y se pueden proporcionar marcas para uso posterior sobre el material compuesto. Estas marcas representan puntos de taladrado para acceder a las fibras ópticas embebidas y a los componentes microópticos.
Se describirán ahora realizaciones actualmente preferidas de la presente invención con referencia a los dibujos que se acompañan. En los dibujos:
las figuras 1a, 1b y 1c son vistas en corte parcial esquemático de un material compuesto para avión que incorpora una fibra óptica que muestra diferentes etapas de un método para hacer interfase a la fibra óptica embebida, como se describe en nuestra solicitud de patente de UK en tramitación junto con la presente;
las figuras 2a y 2b son vistas en corte parcial esquemático de materiales compuestos para avión que incorpora cada uno una fibra óptica y una abertura óptica embebida;
la figura 3a es una vista en corte parcial esquemático de un material compuesto para avión que incorpora una fibra óptica y una abertura óptica embebida;
la figura 3b es una vista en corte parcial esquemático del material compuesto para avión de la figura 3a que muestra un método para formar un conducto de paso mecanizado con láser hacia la abertura óptica embebida;
la figura 4a es una vista en perspectiva esquemática de una fibra óptica en un bloque de pulido que se usa para preparar la fibra óptica para acoplamiento lateral;
la figura 4b es una vista en corte esquemático del bloque de pulido y de la fibra óptica de la figura 4a a todo lo largo del bloque de pulido;
las figuras 5a, 5b y 5c son vistas en corte parcial esquemático de un material compuesto para avión que incorpora la fibra óptica pulida de las figuras 4a y 4b que muestra diferentes etapas de un método para hacer interfase a la fibra óptica embebida;
la figura 6a es una vista en corte esquemático en un plano vertical de un material compuesto para avión que incorpora una fibra óptica y una abertura óptica embebida según una realización de la presente invención; y
la figura 6b es una vista en corte esquemático en un plano horizontal del material compuesto para avión de la figura 6a según la presente invención.
Haciendo referencia a las figuras 1a, 1b y 1c, se describe ahora un método para acoplar una fibra óptica 10 embebida dentro de un material compuesto 12 para avión de fibra de carbono a otra fibra óptica 14 prevista externamente al material compuesto 12, como se establece en nuestra solicitud de patente de UK en tramitación junto con la presente. La fibra óptica 10 se embebe en el momento de fabricación del material compuesto 12 y se oculta eficazmente respecto a las superficies exteriores 16 del material compuesto 12 en todos los puntos posibles de conexión, ya que la fibra óptica 10 no se extiende hasta una superficie de conexión 16 del material compuesto 12. De este modo, se pueden acabar las superficies de conexión 16 del material compuesto 12 en el procedimiento de fabricación sin dañar la fibra óptica 10.
La figura 1a muestra un extremo 17 del material compuesto 12 para avión, que tiene la fibra óptica 10 embebida en él, que lo ha sido a través de los procedimientos de acabado de fabricación.
Aunque no se muestra, el otro extremo del material compuesto 12 puede ser similar al mostrado en la figura 1a. A fin de formar una conexión óptica a la fibra óptica 10 embebida, el material compuesto 12 es explorado por rayos X y sus resultados establecen la localización exacta de la fibra óptica 10 dentro del material compuesto 12. No es necesario proporcionar ninguna propiedad especial de detección de la estructura dentro del material compuesto, ya que se puede determinar fácilmente la localización de la fibra óptica. Si se requiere realce de imagen de la estructura embebida, se podrá usar revestimiento de fibra selectivo (antes del empotramiento). Los resultados se usan para determinar un punto de taladrado 18 a fin de crear acceso a la fibra óptica 10 enterrada desde el exterior del material compuesto 12.
Se establece acceso a la fibra óptica enterrada en el material compuesto 12 taladrando un agujero (conducto de paso) 20 desde el punto de taladrado 18 determinado a través del material compuesto 12, como se muestra en la figura 1b. El taladrado de agujeros es una práctica de producción aceptada y se realiza de manera rutinaria en la fabricación de material compuesto. El conducto de paso 20 así formado se cruza con la fibra óptica 10 y la corta. A fin de reincorporar un acabado óptico en la cara de la fibra óptica 10, especialmente para formar una interfase óptica de alta calidad en la porción 22 cortada de la fibra óptica 10, la porción 22 cortada se pule entonces usando un procedimiento de pulido estándar que no requiere más explicación en esta memoria. Sin embargo, se ha de apreciar que el procedimiento de pulido se lleva a cabo desde dentro del conducto de paso 20.
Se hace entonces una conexión de clavija al extremo 24 pulido de la fibra óptica 22 cortada, como se muestra en la figura 1c. Más particularmente, una clavija 26 de conector que tiene una trayectoria de transmisión óptica interna 28 es insertada en el conducto de paso 20 y situada a fin de alinear ópticamente un extremo de la trayectoria de transmisión 28 con el extremo pulido 24 cortado de la fibra óptica 10. La clavija 26 de conector funciona para introducir/extraer luz hasta/desde la fibra óptica 10 embebida a través de la trayectoria de transmisión óptica interna 28. Se puede usar cualquier técnica de alineación, pero en la presente realización, se construye alineación en la clavija 26 de conector por uso de un mecanismo de microposicionamiento (no mostrado) de traslación en los tres ejes, que mueve la trayectoria de transmisión óptica interna 28 para optimizar el acoplamiento óptico antes de fijar la posición relativa de la trayectoria y de la clavija 26 en el conducto de paso 20 y, por consiguiente, la alineación óptica.
Un conector 30 de interfase está acoplado ópticamente al otro extremo de la trayectoria de transmisión óptica interna 28 de la clavija 26 de conector. En su estado conectado, como se muestra en la figura 1c, una trayectoria óptica interna 32 dentro del conector 30 de interfase conduce desde la clavija 26 de conector hasta la fibra óptica externa 14, que está fijada al conector 30 de interfase. De este modo, se puede establecer una conexión óptica entre la fibra óptica 10 embebida y la fibra óptica externa 14.
Aunque la conexión entre la fibra óptica 10 embebida y la fibra óptica externa 14 se ha mostrado en un extremo 17 del material compuesto 12, se podrá llevar a cabo el procedimiento de conexión anteriormente descrito en ambos extremos del material compuesto 12. Este procedimiento conectaría fibras ópticas externas 14 a cualquier extremo de la fibra óptica 10 embebida que no tuviera ninguna porción que saliese de cualquier superficie exterior 16 del material compuesto 12. De este modo, se puede usar una fibra óptica 10 completamente encerrada dentro de un material compuesto 12 para la transmisión de señales ópticas o la detección de condiciones medioambientales a las que está expuesto el material compuesto.
En una alternativa (no mostrada) al método de interconexión anteriormente descrito, se pueden relajar las restricciones de alineación usando una fibra de núcleo expandido, tal como una fibra óptica TEC (de núcleo térmicamente expandido), en el lugar de interfase en el que ha sido cortada la fibra óptica 10 embebida. Más particularmente, la fibra óptica TEC está empalmada sobre la fibra óptica 10 y embebida dentro del material compuesto. Cuando se explora el material compuesto, los resultados de rayos X identifican la porción de fibra óptica TEC, y la localización del punto de taladrado 18 se fija para crear un conducto de paso que se cruce con esta porción.
Haciendo referencia ahora a la figura 2a, se describen algunas propiedades de la presente invención. Como existen algunas similitudes entre la interconexión de esta realización y el método de interconexión anteriormente descrito, la descripción siguiente está dirigida a las diferencias entre esta realización y la anterior para evitar repeticiones innecesarias.
Se usa un panel 40 de material compuesto que incluye una fibra óptica 42 embebida. La fibra óptica 42 tiene un componente microóptico 44 previsto en uno de sus extremos, que está completamente embebido, también, dentro del panel 40 de material compuesto en el momento de su fabricación. El componente microóptico 44 comprende, por ejemplo, una lente GRIN (de índice graduado) que está unida o fusionada a la fibra óptica 42 embebida a fin de proporcionar colimación de haz para alineación relajada con otra mitad de la interfase (conector 26 de clavija y conector 30 de interfase, como en la primera realización). Alternativamente, las lentes GRIN pueden se remplazadas por una longitud apropiada de fibra GRIN (de índice graduado).
Antes de acabar los procedimientos de fabricación en el panel de material compuesto, la localización del componente microóptico 44 es determinada por el uso de una técnica de formación de imágenes, tal como exploración con rayos X, y se forma un conducto de paso 46 hacia el componente microóptico 44, por ejemplo taladrando. El conducto de paso 46, en esta realización, se forma en la conducción con el componente microóptico 44 a través de una cara extrema del material compuesto 40. El conducto de paso 46 así formado se sella entonces temporalmente con un tapón 48 protector para proteger el componente microóptico 44 embebido de los procedimientos de acabado del material compuesto posteriores. Una vez que se han completado los procedimientos de acabado, el tapón 48 puede ser retirado para proporcionar acceso al componente microóptico 44 enterrado y, por consiguiente, a la fibra óptica 42 embebida. La retirada del tapón 48 proporciona por ello una abertura de interfase hasta la fibra óptica 42 embebida a través de una superficie óptica 50 de alta calidad embebida proporcionada por el componente microóptico 44. Se instalan entonces enlaces al mundo exterior usando una clavija de conector y un conector de interfase (no mostrado), de modo similar al primer método de interconexión descrito.
Si se requiere, la superficie óptica 50 de alta calidad se puede cubrir con revestimiento protector (no mostrado) que se puede retirar por grabado químico, por ejemplo, justo antes de formar la conexión óptica. Además, si bien se han usado lentes GRIN en la realización anteriormente descrita, es posible, también, remplazar aquéllas con fibras GRIN que realizan esencialmente la misma operación.
Se describen ahora propiedades adicionales de la presente invención con referencia a la figura 2b. Para evitar repeticiones innecesarias, sólo se describirán en lo que sigue diferencias con lo que se ha descrito previamente.
En la figura 2b, se desea conectar a la fibra óptica 42 embebida desde una cara lateral superior 52 del material compuesto 40. En consecuencia, el componente microóptico 44 está provisto de un espejo de microgiro 54 para dirigir de manera controlable la dirección de luz emitida desde la fibra óptica 42 embebida a través del componente microóptico 44. En la presente realización, la luz se refleja y se hace girar 90º usando el espejo de microgiro 54 que tiene un ángulo de espejo de 45º. Como el haz de luz resultante es dirigido hacia la superficie lateral superior 52 del material compuesto 40, se proporciona un conducto de paso 56 desde la superficie lateral superior 52 del material compuesto 40 hasta el espejo de microgiro 54. El conducto de paso 56 se sella entonces con el tapón protector 48 hasta que se han completado los procedimientos de fabricación llevados a cabo en el material compuesto 40, como en la primera realización previamente descrita. La formación de aberturas se podrá realizar después del acabado del material compuesto, en el que los tapones proporcionan meramente protección de la interfase hasta un momento posterior en el que se realiza la conexión.
Un elemento alternativo de tratamiento de haz de luz hacia el espejo de microgiro 54, que se podrá usar, si se requiere, para proporcionar direccionamiento de haz, es un divisor (no mostrado) de haz. Otras estructuras microópticas que se podrán embeber incluyen rejillas, guías de onda, acopladores evanescentes, placas de onda, hologramas y filtros ópticos. Estas estructuras podrán estar implicadas en interrogación al sistema, así como en provisión de una interfase óptica.
Haciendo referencia ahora a la figura 3a, se describen más propiedades de la presente invención. De nuevo, se describirán en lo que sigue sólo diferencias. En la figura 3a, el material compuesto se fabrica y acaba sin ningún conducto de paso preformado y taponado hacia el elemento de tratamiento óptico. Más bien, el conducto de paso sólo se forma después de que la fabricación del material compuesto haya sido totalmente completada. Más específicamente, el panel 40 de material compuesto comprende una fibra óptica 42 embebida, un componente microóptico 44 de colimación de haz y un espejo 54 de giro de haz, como en la segunda realización. Sin embargo, el espejo de giro 54 tiene selectividad de longitud de onda específica, como se describirá con detalle más adelante. El material compuesto comprende, también, un tope 58 de haz de mecanizado previsto en un lado inferior del espejo de giro 54 y un marcador de posición 60 metálico que es fácilmente detectable por una técnica de formación de imágenes.
Una vez que se ha completado el material compuesto, se somete a rayos X para determinar la localización precisa del marcador de posición 60. Un punto de taladrado (no mostrado) se determina y marca en la superficie del material compuesto. Luego, se usa una técnica de mecanizado con láser de precisión, como se ilustra esquemáticamente en la figura 3b, para crear un conducto de paso 62 desde el punto de taladrado a través del material compuesto 40 hasta el marcador de posición 60 y el espejo de giro 54. Un láser excímer (por ejemplo) junto con óptica de enfoque 64 se usan en la medida que permiten ablación precisa y controlada de material (por ejemplo, fibra de carbono) del panel de material compuesto sobre una base pulso a pulso.
Este enfoque requiere protección de la fibra óptica 42 embebida y del componente microóptico 44 para asegurar que no son dañados durante el procedimiento de mecanizado con láser. En consecuencia, la superficie superior del espejo de giro 54 está provista de un revestimiento de sacrificio 66 protector que puede ser retirado por el láser excímer después de que se ha formado el conducto de paso 62. El revestimiento 66 es metálico y ayuda al procedimiento de mecanizado, puesto que la reflectividad de la luz del fondo del conducto de paso 62 se supervisa durante su formación, de manera que es posible determinar cuándo se ha alcanzado este revestimiento 66, especialmente cuándo el conducto de paso está a la profundidad correcta. Luego, se puede fijar el láser para retirar un grosor predeterminado de material correspondiente al grosor del revestimiento protector. Alternativamente, el revestimiento puede estar hecho de un material tal como cobre, que puede ser abladido selectivamente por el láser (debido a las características de absorción de longitud de onda de luz específicas) o grabado químicamente de manera selectiva sin dañar las superficies del compuesto 40 de fibra de carbono. Como modificación a la presente realización, se puede omitir el marcador (objetivo) de posición 60 y el revestimiento 66 metálico puede proporcionar su función en la medida que es fácilmente detectable por la técnica de formación de imágenes por rayos X.
En la presente realización, las longitudes de onda de transmisión óptica y las longitudes de onda de mecanizado con láser se seleccionan para que sean diferentes. Además, el espejo de giro 54 tiene una característica para reflectancia selectiva de longitud de onda que asegura que la radiación láser de mecanizado no se acopla a la fibra óptica 42 embebida. Más específicamente, el espejo de giro 54 tiene una característica que transmite las longitudes de onda de mecanizado con láser de luz y refleja las longitudes de onda de transmisión óptica de luz. El tope 58 de haz de absorción está situado a fin de absorber la radiación láser una vez que se ha creado el conducto de paso 62 y que se ha transmitido a través del espejo de giro 54.
Una vez que se ha creado el conducto de paso 62, la conexión a la fibra óptica 42 embebida se lleva a cabo de manera similar a la descrita en las realizaciones previas.
Las figuras 4a, 4b, 5a, 5b y 5c muestran un acoplamiento a una fibra óptica 70 efectuado a una de sus porciones laterales para formar el llamado acoplamiento evanescente. El fin de tener acoplamiento evanescente es que permite que se cree una estructura de bifurcación, de manera que la señal que está siendo transmitida a lo largo de la fibra óptica 70 pueda ser dividida entre la fibra óptica 70 embebida existente y otra fibra óptica 72 externa a un material compuesto 74 en el que está prevista la fibra 70. Esta forma de acoplamiento se usa para permitir acceso lateral a fibras de modo eficiente.
Las figuras 4a y 4b muestran un procedimiento de preacondicionamiento empleado para crear un acoplamiento lateral a la fibra óptica 70. El procedimiento implica colocar la fibra óptica 70 en un bloque de pulido 76 que está dispuesto para retener la fibra óptica 70 con una porción lateral 78 que sobresale ligeramente de una superficie de pulido 80 del bloque 76. La porción lateral 78 que sobresale de la fibra óptica 70 se pule entonces usando cualquier técnica de pulido estándar, que es bien conocida para el destinatario experto en la técnica.
Una vez que se ha pulido la porción lateral, la fibra óptica 70 se embebe dentro del material compuesto 74 de tal modo que facilita acoplamiento a la porción pulida 78. Más particularmente, como se puede ver claramente en la figura 5a, un bloque acoplador 82 evanescente embebido está previsto en la región lateral 78 pulida para proporcionar soporte a la fibra óptica 70 en el punto predeterminado de conexión. La fibra óptica 70 y el bloque acoplador 82 están embebidos dentro del material compuesto 74, de manera que cualquier procedimiento de fabricación que actúa en las superficies exteriores del material compuesto no causa ningún efecto a la fibra óptica 70 o al bloque acoplador 82.
En esta realización, el bloque acoplador 82 actúa, también, como un localizador de posición de posfabricación para un punto de acoplamiento y es detectado fácilmente por los resultados de una exploración con rayos X del material compuesto 74. Una vez que se ha completado la exploración, se determina un punto de mecanizado para mecanizar hacia abajo en la dirección del bloque acoplador 82, y se mecaniza el material compuesto 74 para crear un conducto de paso 84 de poca profundidad a fin de acceder a la porción lateral 78 pulida de la fibra óptica 70, como se muestra en la figura 5b.
El conducto de paso 84 así formado es de un tamaño suficiente para alojar un bloque acoplador 86 de interfase evanescente. El bloque acoplador 86 de interfase soporta un extremo de la fibra óptica externa 72 que tiene, también, una superficie lateral pulida. A fin de efectuar acoplamiento, el bloque acoplador 86 de interfase y el bloque acoplador 82 están conectados juntos para alinear ópticamente las porciones laterales pulidas respectivas de sus fibras ópticas 70, 72.
En otra realización (no mostrada), las fibras ópticas 70, 72 con porciones laterales pulidas están remplazadas por fibras D en el material compuesto 74. Las fibras D son similares a fibras pulidas laterales y tienen un lado plano próximo al núcleo de fibra que les proporciona una tolerancia de alineación reducida comparada a otras geometrías de fibra óptica. En una región de conexión, las fibras D están provistas de bloques de soporte para facilitar el hacer de interfase.
Se describe ahora una realización de la presente invención, como se muestra en las figuras 6a y 6b. Esta realización es similar a las disposiciones previamente descritas y, a fin de evitar repeticiones innecesarias, se describen en lo que sigue sólo las diferencias.
La diferencia principal es que, para facilitar la fabricación, el componente microóptico 90 está formado sobre un microsustrato 92 que está embebido, también, dentro del panel 94 de material compuesto. El microsustrato 92 está formado de silicio, aunque se pueden usar alternativamente otros materiales. El mecanizado de silicio es relativamente fácil y permite que sean formadas estructuras de conexión, tales como acanaladuras, cavidades, reflectores y marcadores de alineación (no mostrados). Estas estructuras de conexión realizan dos funciones de conectividad. En primer lugar, permiten que el componente microóptico 90 y la fibra óptica 96 sean alineados y asegurados juntos con alta precisión sobre el microsustrato 92 y, en segundo lugar, permiten que la combinación del componente microóptico 90 y de la fibra óptica 96 embebida esté acoplada al conector externo (no mostrado) de modo preciso y fiable. El microsustrato 92 es embebido en el momento de fabricación del material compuesto.
El componente microóptico 90 puede comprender lentes/óptica/prismas, así como ventanas o revestimientos para proteger sus superficies ópticas antes de ser expuesto para conexión. Todo el montaje es embebido durante fabricación. Puede incluir, también, marcadores objetivo para localización de rayos X/exploración C del conjunto.
Un procedimiento que se puede usar para crear estructuras de alineación para los componentes microópticos 90 es el llamado procedimiento LIGA (del alemán, Ligthographie Galvanoformung und Abformung), que está basado en litografía por rayos X. Este procedimiento usa realización profunda por rayos X de una capa resistente y posterior electrochapado para formar estructuras alineadas con precisión. Esto puede proporcionar estructuras de alineación en metales y cerámica, y (a partir de una estructura maestra) permitir replicación de alto volumen en otros materiales tales como materiales compuestos fabricados de materiales plásticos fuertes, tales como PMMA (poli(metacrilato de metilo)) y PEEK (poli(éter éter cetona)). El sustrato 92 se puede formar a partir de procedimientos diversos, éste no es más que uno de ellos. Otros procedimientos incluyen grabado de silicio o mecanizado con láser. El sustrato 92 alineado y los componentes microópticos 90 están diseñados para ser suficientemente resistentes para sobrevivir tanto al procedimiento de fabricación como al entorno funcional de la estructura de avión/material compuesto.
Algunos elementos de tratamiento óptico, especialmente aquéllos sin simetría rotatoria, pueden ser susceptibles de desalineación durante el procedimiento de curado del material compuesto. Un sustrato que contuviera estos elementos minimizaría tal movimiento. La estructura en capas natural del material compuesto puede hacer, también, que el sustrato se encuentre "plano", mejorando además la alineación con otros sustratos.
Otras estructuras microópticas que se podrán usar como elementos de tratamiento de haz en las realizaciones anteriores incluyen rejillas, guías de onda, acopladores evanescentes, placas de onda, hologramas y filtros ópticos. Estas estructuras podrán estar implicadas en interrogación al sistema, así como en provisión de una interfase óptica.
Habiendo descrito realizaciones preferidas particulares de la presente invención, se ha de apreciar que las realizaciones en cuestión son sólo ilustrativas y que variaciones y modificaciones, tales como las que se les ocurrirán a los poseedores del conocimiento y oficio apropiado, se pueden hacer sin salirse del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, si bien la formación de imágenes por rayos X es un modo preferido de detectar la localización de la fibra óptica embebida y/o de los componentes microópticos, otras técnicas pueden ser adecuadas, también, tales como formación ultrasónica de imágenes. Además, el uso de un sustrato se puede utilizar igualmente bien para alinear una fibra óptica y/o los componentes microópticos, y otras técnicas pueden ser adecuadas, también, tales como formación ultrasónica de imágenes. Además, el uso de un sustrato se puede utilizar igualmente bien para alinear una fibra óptica a un acoplador evanescente o de fibras D.

Claims (12)

1. Un material compuesto (94; 12; 40; 74), que comprende:
unos medios de transmisión óptica (96; 10; 42; 70) embebidos dentro de un portador (94; 12; 40; 74); y
una superficie (24) de interfase óptica de alta calidad prevista dentro del portador en conexión con los medios de transmisión óptica, proporcionando la superficie de interfase óptica unos medios para conexión óptica a los medios de transmisión (14) desde el exterior del portador;
caracterizado por un microsustrato (92) embebido dentro del material compuesto sobre el que están previstos unos medios de tratamiento óptico (90; 44; 54) asegurados a los medios de transmisión óptica, estando ópticamente conectados los medios de tratamiento óptico a los medios de transmisión óptica para tratar luz hacia o desde los medios de transmisión óptica y para proporcionar la superficie de interfase óptica.
2. Un material compuesto según la reivindicación 1, en el que el microsustrato está formado de silicio.
3. Un material compuesto según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende además un conducto de paso (20; 46; 62; 84) formado dentro del portador hasta los medios de transmisión óptica embebidos.
4. Un material compuesto según la reivindicación 3, que comprende además medios (58) para impedir que luz de irradiación láser usada en la formación del conducto de paso se acople ópticamente con los medios de transmisión óptica, en el que los medios de impedimento están dispuestos para diferenciar entre las longitudes de onda de luz láser usada en la formación del conducto de paso y la luz usada en los medios de transmisión óptica, y para impedir transmisión de luz usada en la formación del conducto de paso irradiado por láser hasta los medios de transmisión óptica.
5. Un material compuesto según cualquier reivindicación precedente, que comprende además medios de localización (60) detectables dispuestos para ser usados en localizar la posición de la superficie óptica de alta calidad desde el exterior del portador, en el que los medios de localización comprenden un marcador de posición detectable embebido dentro del material compuesto.
6. Un material compuesto según la reivindicación 5, en el que los medios de localización son proporcionados por el microsustrato.
7. Un material compuesto según la reivindicación 5 ó 6, cuando sea dependiente de la reivindicación 4, que comprende además un marcador (58) de profundidad embebido dentro del material compuesto para indicar cuándo se ha formado el conducto de paso a la profundidad correcta.
8. Un material compuesto según la reivindicación 7, en el que el marcador de profundidad es proporcionado por el microsustrato.
9. Un material compuesto según la reivindicación 8, cuando sea dependiente de la reivindicación 5, en el que el marcador de profundidad comprende el marcador de posición.
10. Un material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, cuando sean dependientes de la reivindicación 3 ó 4, en el que el marcador de posición o el marcador de profundidad comprende un revestimiento de sacrificio (66) que está dispuesto para poder ser retirado después de la formación del conducto de paso a fin de acceder a los medios de transmisión óptica.
11. Un material compuesto según cualquier reivindicación precedente, que comprende además una estructura de alineación embebida dentro del portador para alinear unos medios de interfase con los medios de transmisión óptica a través de la superficie de interfase óptica.
12. Un material compuesto según la reivindicación 11, en el que la estructura de alineación es proporcionada por el microsustrato.
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