PL224871B1 - Sprzęgacz, w szczególności do produkcji interferometrów odpornych na wysokie temperatury i interferometr odporny na wysokie temperatury - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sprzęgacz, w szczególności do produkcji interferometrów i interferometr przystosowany do pracy w wysokich temperaturach i środowisku agresywnym. Interferometr będący przedmiotem patentu składa się z co najmniej jednego, korzystnie dwóch sprzęgaczy. Wyn alazek ma zastosowanie w czujnikach światłowodowych wykorzystujących zjawisko interferencji, tzw. czujnikach interferometrycznych.

Światłowód będący podstawą wykonania znanych sprzęgaczy i na ich bazie interferometru zawierającego sprzęgacze składa się z rdzenia, płaszcza i pokrycia. Rdzeń, jako najbardziej wewnętrzny obszar światłowodu charakteryzuje się na ogół wyższym współczynnikiem załamania niż płaszcz światłowodu. Zarówno rdzeń jak i płaszcz wykonywane są najczęściej ze szkła krzemionkowego, przy czym rdzeń jest zazwyczaj odpowiednio domieszkowany w celu podwyższenia współczynnika załamania względem współczynnika załamania płaszcza. Pokrycie światłowodowe przylega do płaszcza i ma na celu m.in. ochronę światłowodu przed niekorzystnymi czynnikami atmosferycznymi, uszk odzeniami itd. a także zapewnia prawidłowe odprowadzanie modów płaszczowych. Najczęściej stosowane pokrycia światłowodów wykonywane są z polimerów, np. akrylu. Innym przykładem materiału wykorzystywanego na pokrycia światłowodowe są różnego rodzaju metale, np. miedź.

Znane są urządzenia wykorzystywane w konstrukcjach czujników zawierających światłowody, które mają postać sprzęgaczy, które powstają poprzez zbliżenie światłowodów, ich rozgrzanie a następnie rozciągnięcie, w skutek czego rdzenie światłowodów zbliżają się do siebie tak, że następuje sprzęganie światła pomiędzy nimi. Przed wykonaniem sprzęgacza na odcinku, w którym wystąpić ma sprzęganie pozbawia się światłowodu pokrycia znanymi metodami mechanicznymi, termicznymi lub innymi.

Typowym przedstawicielem takiej grupy sprzęgaczy jest znany z opisu wynalazku JP2002250837 sprzęgacz przystosowany do pracy w wysokich temperaturach (do około 250-300°C) i przy dużej wilgotności, w którym włókna światłowodu 1 są ze sobą zgrzane i utrzymywane poprzez przyklejenie tak wytworzonego połączenia do elementu montażowego. Sprzęgacz wytwarza się z wykorzystaniem kleju o określonym module Younga oraz z zastosowaniem siły rozciągającej świ atłowody dobranej do właściwości wytrzymałościowych światłowodów. Klej utwardzany jest korzystnie promieniowaniem UV, jednak wariant wynalazku przewiduje utwardzenie kleju pod działaniem jedynie ciśnienia w temperaturze pokojowej.

Z kolei w opisie JP2003195092 ujawniono sprzęgacz do pracy w trudnych warunkach zewnętrznych a także pod wodą, w którym sprzęgane są włókna światłowodowe o metalowych pokryciach. Sprzęgacz według tego ujawnienia zawiera wiele połączonych włókien światłowodowych o m etalowych pokryciach, a połączenie jest zamknięte hermetycznie i zabezpieczone na elemencie wzmacniającym we wnętrzu metalowej obudowy.

Znana jest także metoda wytwarzania sprzęgacza włókien optycznych według opisu zgłoszenia CN102520485, w której pierwszym kroku szlifuje się światłowody, a następnie ogrzewając i rozciągając sprzęga się je, tworząc sprzęgacz o jak to określono „wysokiej niezawodności i poprawnych (właściwych) właściwości temperaturowych”.

Z kolei opis wynalazku CN101408644 ujawnia sposób produkcji sprzęgacza, w którym włókna światłowodowe sprzęga się poprzez ich ogrzanie i miejscowe przewężenie, a następnie umieszcza się połączone włókna w U kształtnym rowku w kwarcowej podstawie, mocując je jednocześnie termoutwardzalnym klejem. Cały sprzęgacz zamknięty jest w szczelnej obudowie ze stali nierdzewnej.

Znane jest także rozwiązanie według patentu EP0525743, w którym ujawniono sposób produkcji sprzęgaczy światłowodowych, w którym światłowody sprzęga się po usunięciu pokryć poprzez miejscowe zgrzanie i przewężenie światłowodów, a następnie za pomocą kleju mocuje się tak uzyskane połączenie do pierwszego podłoża a tak wytworzone połączenie mocuje się klejem do drugiego podłoża.

Ze stanu techniki znane jest także urządzenie i sposób według JPS6230205, w jakim do sugerowanego przez autorów wzmocnienia światłowodów i miejsca ich sprzęgnięcia wykorzystuje się pokrywanie metalowych pokryć sprzęgniętych światłowodów dodatkową warstwą metalowego pokrycia. O ile pokrycie powierzchni sprzężenia metalem zwiększa odporność termiczną tego obszaru, o tyle wpływa negatywnie na warunki propagacji światła oraz na właściwości mechaniczne światłowodów, które stają się znacząco bardziej kruche. Jednocześnie, wykonanie sprzęgaczy na światłowodach pokrytych warstwą metaliczną jest utrudnione technologicznie.

PL 224 871 B1

Powłokę metaliczną nanosi się także na obszar przewężenia sprzęgacza według JPS60143305, przy czym warstwa metalu jest nanoszona jako roztwór chemiczny, pokrywający płaszcz światłowodu.

Z kolei w wynalazku JPS60107007 ujawniono sposób zapobiegania formowaniu się wilgoci w obrębie sprzęgacza światłowodowego, który polega na tym, że natychmiast po sprzęgnięciu światłowodów, w obszarze sprzęgnięcia nanosi się powłokę metaliczną, jaka izoluje powierzchnię światłowodów od warunków zewnętrznych. Powłoka metaliczna wytworzona w warunkach innych niż fabryczne, zmienia właściwości propagacji światła, czyniąc trudny do uzyskania projektowany podział mocy w ramionach sprzęgacza i dodatkowo jak pokazują testy laboratoryjne zmienia właściwości m echaniczne szkła czyniąc je podatne na złamania.

Znany jest także sposób stabilizacji sprzęgacza według JPH05142444, który polega na zamocowaniu każdego z jego ramion do podłoża poprzez lutowanie ich metalicznej powłoki z użyciem m etalu - stopu lutowniczego. Jak zdradza opis każde z ramion musi być przylutowane co najmniej punktowo, optymalnie w kilku punktach, jednak z wyłączeniem części sprzęgacza, która jest przewężona. Takie zamocowanie ramion sprzęgacza nie zmienia co prawda warunków propagacji światła w samym obszarze sprzęgnięcia, ale miejscowo - w czterech punktach, gdzie wykonano luty - pogarsza właściwości mechaniczne światłowodów - zwiększając podatność na złamanie włókna bezpośrednio przy wykonanych lutach.

Znany jest także sprzęgacz według JPH0283504 w jakim jednorodne światłowody pozbawione pokrycia sprzęga się znaną metodą zbliżając je, ogrzewając nad palnikiem i rozciągając doprowadzając do miejscowego przewężenia. Sprzężone włókna umieszcza się poprzez wklejenie w obudowie z metalu lub szkła, wytwarzając tym samym mechaniczną obudowę miejsca sprzęgnięcia. W celu zapobiegnięcia wyciekania modów płaszczowych stosuje się klej o obniżonym współczynniku załamania w stosunku do współczynnika załamania płaszczy sprzęganych światłowodów.

W ochronnej obudowie umieszczany jest także sprzęgacz ujawniony w opisie JPS60107606, który po ostygnięciu miejsca sprzęgnięcia wkładany jest do obudowy z metalem o niskiej temperaturze topnienia. Ogrzanie metalu w obudowie powoduje, że metalizowane pokrycie światłowodu jest przylutowywane do obudowy. Metoda ta zabezpiecza sprzęgacz przed uszkodzeniami mechanicznymi pochodzenia zewnętrznego i wysoką temperaturą, jednak zmienia warunki propagacji sygnału (nawet pomimo zastosowania niskotopliwych lutów).

Znane rozwiązania umożliwiają wytworzenie sprzęgaczy światłowodowych mogących pracować w temperaturach co najwyżej 300°C. Powyżej tej temperatury dochodzi w nich do degradacji płaszcza otaczającego rdzenie i rozproszenia sygnału. Wyjątkiem są światłowody o metalowych pokryciach, jednak w ich wypadku łączenie poprzez zgrzanie i przewężenie światłowodów jest wyjątkowo trudne z uwagi na fakt, iż w światłowodach z tego typu pokryciami dochodzi do zmiany właściwości mechanicznych rdzenia i płaszcza. Rdzeń oraz płaszcz stają się w ich przypadku kruche i nieodporne na powstające w szkle naprężenia będące skutkiem zmiany temperatur lub obciążeń mechanicznych. Znane próby poprawienia tego parametru sprowadzają się do modyfikacji składu chemicznego szkła używanego do wytwarzania światłowodu, jednak wszelkie domieszki zmniejszające kruchość stanowią zanieczyszczenia jakie pogarszają parametry optyczne światłowodu.

Co najmniej jeden sprzęgacz, korzystnie dwa, połączone odcinkami światłowodów tworzą interferometr, który może być wykorzystywany w czujnikach interferometrycznych. Światłowody łączące sprzęgacze nazywane są ramionami interferometru. Problemem technologicznym w produkcji interferometrów światłowodowych jest występowanie pewnego ograniczenia odległości, w jakiej można w ykonać kolejny sprzęgacz na tych samym światłowodach. Tym samym, znacząco utrudnione jest wykonywanie poszukiwanych w technice czujników interferometrycznych o krótkich ramionach.

Opracowanie interferometru odpornego na wysokie temperatury jest konieczne, gdy trzeba zastosować czujniki interferometryczne w wymagających warunkach. Zagadnienie opracowania interferometru odpornego na wysokie temperatury jest bezpośrednio związane z opracowaniem sprzęgaczy wysokotemperaturowych, ponieważ interferometry tworzy się z użyciem sprzęgaczy, przykładowo w oparciu o jeden sprzęgacz można skonstruować np. interferometr Michelsona lub interferometr Sagnaca lub inny, a w oparciu o dwa sprzęgacze np. interferometr Macha-Zehndera lub inny.

Dlatego celowym było opracowanie sprzęgacza do produkcji interferometrów, które mogą być wykorzystywanie do produkcji czujników pracujących w wysokich temperaturach.

Sprzęgacz, w szczególności do produkcji interferometrów odpornych na wysokie temperatury i interferometr odporny na wysokie temperatury, zawiera co najmniej dwa równoległe światłowody

PL 224 871 B1 umieszczone w obudowie, z których każdy składa się z umieszczonych naprzemiennie co najmniej trzech odcinków światłowodów, przy czym każdy odcinek jest w pokryciu innym niż odcinek sąsiadujący z nim, z których co najmniej jeden odcinek umieszczony jest w pokryciu o temperaturze topnienia wyższej niż 200°C, korzystnie metalowym. Wzajemnie sąsiadujące odcinki o pokryciach innych niż o temperaturze topnienia wyższej niż 200°C, oraz o pokryciach o temperaturze topnienia wyższej niż 200°C, korzystnie metalowych, są wzajemnie połączone dowolnie znaną techniką, korzystnie poprzez spawanie. Korzystnie, gdy każdy ze światłowodów zawiera co najmniej dwa odcinki światłowodu w niemetalowym, korzystnie polimerowym pokryciu, pomiędzy którymi umieszczony jest odcinek o pokryciu o temperaturze topnienia wyższej niż 200°C, korzystnie metalowym. Na odcinkach światłowodów o nie-metalowych, korzystnie polimerowych pokryciach wykonywane są sprzęgacze. Sprzęgacze wykonywane są za pomocą znanych technologii.

Odcinki światłowodów, na których wykonano sprzęgacz, połączone są trwale z podłożem, k orzystnie szklanym. Podłoże ma kształt rynny lub rurki, a co najmniej w obszarze granicznym podłoża sprzężone światłowody zamocowane są do podłoża w sposób trwały i nierozłączny za pomocą wys okotemperaturowego kleju, korzystnie kleju o charakterystyce Resbond 940 LE. Sprzężone światłowody wraz z podłożem do jakiego są zamocowane, wsunięte są do stanowiącej obudowę kapilary, k orzystnie szklanej i zamocowane do niej za pomocą kleju, korzystnie wysokotemperaturowego i o niskim współczynniku rozszerzalności termicznej. Korzystnie gdy otwory kapilary w jakich umieszczone są światłowody są dodatkowo zamknięte uszczelniaczem, korzystnie odpornym na wysokie temperatury, wybranym korzystnie spośród silikonu, pianki silikonowej, kauczuku lub miękkiej żywicy.

Interferometr odporny na wysokie temperatury według wynalazku zawiera sprzęgacze według wynalazku połączone co najmniej dwoma odcinkami światłowodu. Przy czym światłowody przech odzące przez sprzęgacze zawierają sprzęgnięte w sprzęgaczach co najmniej dwa odcinki światłowodu o polimerowym pokryciu, a poza kapilarami sprzęgaczy usytuowane są połączone trwale z odcinkami o polimerowym pokryciu co najmniej trzy odcinki światłowodów o pokryciu odpornym na wysokie temperatury, korzystnie metalowym, a włókna światłowodów mają jednakową albo zróżnicowaną długość mierząc po zewnętrznej i wewnętrznej stronie zagięcia - ramion - interferometru.

Sprzęgacz i interferometr według wynalazku rozwiązują problem realizacji sprzęgania włókien o odpornych na wysokie temperatury, korzystnie zwłaszcza o metalowych pokryciach, które jest trudne do zrealizowania technologicznie m.in. ze względu na kruchość światłowodów o takich pokryciach. Poprzez konstrukcję sprzęgacza i interferometru według wynalazku ominięty zostaje problem wykonywania sprzęgacza na światłowodach posiadających odporne na wysokie temperatury, zwłaszcza metalowe pokrycie. Jednocześnie, ramiona interferometru tworzą światłowody o odpornych na wysokie temperatury pokryciach, co pozwala stosować interferometr w zastosowaniach czujnikowych, gdzie wymagana jest podwyższona odporność temperaturowa. Z kolei same sprzęgacze wykonywane są na światłowodach posiadających niemetalowe, korzystnie polimerowe pokrycia, co pozwala zaadaptować dobrze znane technologie produkcji sprzęgaczy.

Przy czym, wykonanie sprzęgaczy wchodzących w skład interferometru może być zrealizowane oddzielnie tzn. po wykonaniu osobnych sprzęgaczy następuje ich złączenie (np. poprzez spawanie, z użyciem kawałków światłowodów o odpornym na wysokie temperatury pokryciu, które tworzą ramiona interferometru) albo wykonanie sprzęgaczy po wcześniejszym zespawaniu odcinków światłowodów o różnych pokryciach, kolejno: odcinka o pokryciu odpornym na wysokie temperatury, korzystnie m etalowym, odcinka z niemetalowym, korzystnie polimerowym pokryciem, ponownie odcinka odpornego na wysokie temperatury, korzystnie metalowego, odcinka o niemetalowym, korzystnie polimerowym pokryciu, oraz ponownie odcinka o pokryciu odpornym na wysokie temperatury, korzystnie metalowego. Wykonanie sprzęgaczy w drugiej konfiguracji pozwala na uzyskanie małej odległości pomiędzy sprzęgaczami, co jest korzystne z punktu widzenia działania układów czujnikowych.

Uzyskanie naprzemienności elementów tworzących sprzęgacze i ramiona interferometru jest także możliwe poprzez wykonanie interferometru na jednolitych odcinkach światłowodów o pokryciu polimerowym a następnie metalizowaniu ramion interferometru.

Sprzęgacz, w szczególności do produkcji interferometrów odpornych na wysokie temperatury i interferometr odporny na wysokie temperatury przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia budowę światłowodów wchodzących w skład jednego z ramion interferometru, fig. 2 przedstawia budowę interferometru według wynalazku z wykorzystaniem dwóch sprzęgaczy, fig. 3 przedstawia widok czujnika interferometrycznego wytworzonego za pomocą sprzęgaczy według wynalazku.

PL 224 871 B1

P r z y k ł a d I

Sprzęgacz, w szczególności do produkcji interferometrów odpornych na wysokie temperatury zawierających światłowód zawiera równoległe światłowody umieszczone w obudowie. Każdy ze światłowodów zawiera odcinki 2 światłowodu w niemetalowym pokryciu umieszczone pomiędzy odcinkami 1 o pokryciach o temperaturze topnienia wyższej niż 200°C. Poszczególne odcinki 1 i 2 światłowodów połączone są czołowo w technologii spawania. Wzajemnie odpowiadające sobie odcinki 2 światłowodów o niemetalowym pokryciu są sprzęgnięte tak, że ich rdzenie zbliżone są wzajemnie na odległość umożliwiającą propagację sygnału optycznego między światłowodami.

Sprzęgnięte światłowody połączone są trwale z podłożem 3. Podłoże 3 ma kształt rynny a w obszarze granicznym podłoża sprzężone światłowody zamocowane są do podłoża 3 w sposób trwały i nierozłączny za pomocą wysokotemperaturowego kleju 5. Sprzężone światłowody wraz z podłożem 3 do jakiego są zamocowane wsunięte są do kapilary 4 i zamocowane do niej za pomocą kleju wysokotemperaturowego 5 o niskim współczynniku rozszerzalności termicznej. Otwory kapilary 4 w jakich umieszczone są sprzęgnięte światłowody są dodatkowo zamknięte uszczelniaczem 6 odpornym na wysokie temperatury.

Interferometr odporny na wysokie temperatury według wynalazku zawiera sprzęgacze 7 według wynalazku połączone odcinkami światłowodu 1 o metalowym pokryciu. Przy czym światłowody przechodzące przez sprzęgacze zawierają sprzęgnięte odcinki światłowodu 2 o polimerowym pokryciu, a poza kapilarami 4 sprzęgaczy usytuowane są połączone trwale z odcinkami 2 o polimerowym pokryciu odcinki 1 światłowodów o pokryciu odpornym na wysokie temperatury wykonanym z metalu, a włókna światłowodów 8 i 9 znajdujących się pomiędzy sprzęgaczami 7 mają zróżnicowaną długość.

Sprzęgacze wykonane są po wcześniejszym zespawaniu odcinków światłowodów o różnych pokryciach, kolejno: odcinka o pokryciu metalowym, odpornym na wysokie temperatury 1, odcinka 2 z niemetalowym, polimerowym pokryciem, odcinka 1 metalowego odpornego na wysokie temperatury, odcinka 2 o niemetalowym, polimerowym pokryciu, oraz odcinka 1 o pokryciu metalowym odpornym na wysokie temperatury. Wykonanie sprzęgaczy w takiej konfiguracji pozwala na uzyskanie małej odległości pomiędzy sprzęgaczami, co jest korzystne z punktu widzenia działania układów czujnikowych.

Claims (16)

1. Sprzęgacz, w szczególności do produkcji interferometrów odpornych na wysokie temperatury zawierających światłowód, zawierający co najmniej dwa równoległe światłowody umieszczone w obudowie, znamienny tym, że każdy ze światłowodów składa się z umieszczonych naprzemiennie co najmniej trzech odcinków przewodzących światło w różnych pokryciach, z których co najmniej jeden odcinek (1) ma pokrycie o temperaturze topnienia wyższej niż 200°C, a wzajemnie odpowiadające sobie odcinki (2) o pokryciach innych niż o temperaturze topnienia wyższej niż 200°C są sprzęgnięte dowolną znaną techniką.

2. Sprzęgacz według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy ze światłowodów zawiera odcinki (2) światłowodu w niemetalowym pokryciu umieszczone pomiędzy odcinkami (1) o pokryciach o temperaturze topnienia wyższej niż 200°C.

3. Sprzęgacz według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pokrycie o temperaturze topnienia wyższej niż 200°C jest pokryciem metalowym.

4. Sprzęgacz według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że światłowody o pokryciach innych niż o temperaturze topnienia wyższej niż 200°C są światłowodami o pokryciu polimerowym.

5. Sprzęgacz według zastrz. 1 lub 2 albo 3 albo 4, znamienny tym, że poszczególne odcinki światłowodów połączone są czołowo w technologii spawania.

6. Sprzęgacz według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4 albo 5, znamienny tym, że wzajemnie odpowiadające sobie odcinki (2) światłowodów o niemetalowym - pokryciu są sprzęgnięte tak, że ich rdzenie zbliżone są wzajemnie na odległość umożliwiającą propagację sygnału optycznego między światłowodami.

7. Sprzęgacz według dowolnego z wcześniejszych zastrzeżeń, znamienny tym, że połączone (sprzęgnięte) światłowody połączone są trwale z podłożem (3).

8. Sprzęgacz według zastrz. 7, znamienny tym, że podłoże (3) jest szklane.

9. Sprzęgacz według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że podłoże (3) ma kształt rynny lub rurki.

PL 224 871 B1

10. Sprzęgacz według zastrz. 7 albo 8 albo 9, znamienny tym, że co najmniej w obszarze granicznym podłoża (3) sprzężone światłowody zamocowane są do podłoża (3) w sposób trwały i nierozłączny za pomocą wysokotemperaturowego kleju (5) o niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej.

11. Sprzęgacz według zastrz. dowolnego z wcześniejszych zastrzeżeń, znamienny tym, że sprzężone światłowody wraz z podłożem (3) do jakiego są zamocowane wsunięte są do kapilary (4), zamocowane do niej za pomocą kleju (5), a otwory kapilary (4) w jakich umieszczone są światłowody są dodatkowo zamknięte uszczelniaczem (6).

12. Sprzęgacz według zastrz. 11, znamienny tym, że klej (5) jest odporny na wysoką temperaturę.

13. Sprzęgacz według zastrz. 12, znamienny tym, że klej (5) jest odporny na wysoką temperaturę, a kapilara (4) uszczelniona jest dodatkowym szczeliwem, wybranym spośród silikonu, pianki silikonowej, kauczuku lub miękkiej żywicy.

14. Interferometr odporny na wysokie temperatury zawierający sprzęgacze określone w zastrzeżeniach od 1 do 13, które zawierają co najmniej dwa równoległe światłowody umieszczone w obudowie i sprzęgnięte dowolnie znaną techniką, znamienny tym, że każdy ze światłowodów składa się z umieszczonych naprzemiennie w kapilarze co najmniej trzech połączonych szeregowo odcinków przewodzących światło w różnych pokryciach, z których co najmniej jeden odcinek (1) ma pokrycie o temperaturze topnienia wyższej niż 200°C, a wzajemnie odpowiadające sobie odcinki (2) o pokryciach o niemetalowym pokryciu innych niż o temperaturze topnienia wyższej niż 200°C są sprzęgnięte, a sprzęgacze połączone są co najmniej dwoma odcinkami światłowodów o odpornym na w ysokie temperatury pokryciu światłowodu.

15. Interferometr według zastrz. 14, znamienny tym, że długości włókien (8) i (9) światłowodu znajdującego się pomiędzy sprzęgaczami (7) są różne.

16. Interferometr według zastrz. 14, znamienny tym, że długości włókien (8) i (9) światłowodu znajdującego się pomiędzy sprzęgaczami (7) są równe.