Разработано и реализовано с применением методов 3D-печати несколько конструктивных схем оптического многоканального делителя сигналов для экспериментального образца полнодуплексного “смартлинк соединения”. Удалось изготовить световодный блок макета оптического делителя путем многослойной 3D-печати: формирования нескольких слоёв световодных пакетов за один технологический цикл.

ООО “НТЦ “Интрофизика” осуществляет научно-исследовательскую и прикладную практическую деятельность в области разработки двунаправленных оптических соединений – смартлинков (смартлинк соединений) [1, 2], реализующих технологию интеллектуальных многоканальных оптово­локонных соединений [3, 4]. Одним из основных пассивных элементов указанного соединения является оптический многоканальный делитель сигналов.

В 2009 году специалистами ООО “НТЦ “Интрофизика” был предложен пластинчатый делитель сигналов для “смартлинк соединений” [5]. Применение этого изобретения позволило не только осуществить изготовление оптического делителя методами 3D-печати и обойтись в оптической схеме без дорогих оптических элементов в виде микролинз и светоделительных кубов, но и осуществить разделение встречных информационных потоков, реализовав тем самым одновременный приём и передачу информации в оптошину, обеспечивая её полнодуплексную (двунаправленную) работу [6, 7]. Вместе с тем, существенными недостатками этого делителя сигналов явились достаточно высокая сложность изготовления для достижения требуемой точности конструкции, и, как следствие, высокая себестоимость, а также определённая громоздкость конструкции в случае размещения линеек световодов приёмников и передатчиков в одном корпусе при увеличении расстояния между массивами передатчиков и приёмников в зависимости от топологии платы. Разработка новых конструктивных схем оптического  многоканального делителя сигналов для “смартлинк соединений” [8, 9] позволяет минимизировать недостатки пластинчатого делителя.

Первая конструктивная схема макета оптического многоканального делителя сигналов показана на рисунке 1. Слева на рисунке показана модель макета делителя, справа – изготовленные образцы макетов. При изготовлении макета делителя использовался метод последовательного формирования пакета световодов из отдельных пластин.

 

Рисунок 1 – Макет многоканального делителя (схема 1)

Отличительными особенностями этой конструктивной схемы являются:

а) наличие жесткого полимерного корпуса с размещенным внутри световодным блоком;

б) конфигурация корпуса Y-типа с симметричным расположением радиально расходящихся световодных плеч;

в) световодный блок сформирован из пакетов световодов (оптических волокон, ОВ), топология укладки световодов близка к квадратной.

По указанной конструктивной схеме изготовлены макеты оптических многоканальных делителей сигналов модификаций Д2-7 и Д2-11. Отличие модификаций заключается только в количестве световодов в одном пакете (соответственно 7 и 11 световодов) и, собственно, в общем количестве световодов в макете делителя.

Макет делителя выполнен в корпусном варианте, полностью из полимерных материалов, с равномерным распределением световодов в световодных плечах. Основными элементами макета многоканального делителя сигналов являются корпус с крышкой и световодный блок, состоящий из пакетов индивидуальных световодов (рисунок 2).

Корпус макета делителя имеет три торцовые поверхности с проемами для выхода оптических волокон световодного блока. Нижний торец корпуса, имеющий больший проем, предназначен для размещения сходящихся участков разнонаправленных пакетов световодов. Верхние торцы корпуса, имеющие меньшие одинаковые проемы, предназначены для размещения расходящихся участков разнонаправленных пакетов световодов. Угол расхождения выходных плеч корпуса составляет порядка 77 градусов.

Пакет световодов представляет собой одномерный массив оптических волокон, имеющих постоянное по всей длине сечение.

Для изготовления корпуса в сборе макета многоканального делителя сигналов использовались прозрачные и черные фотополимерные смолы FormLabs Clear FLGPCL02 и Black FLGPBK01, а также прозрачная фотополимерная смола MiiCraft Clear BV-003. Показатели прочности на растяжение отвержденного филамента составляют более 40 МПа.

 

Рисунок 2 – Устройство макета многоканального делителя (схема 1)

Для изготовления световодного блока использовалось полимерное оптическое волокно (ПОВ) диаметром 0,4 мм производства ТЦ ПОВ (г. Тверь, http://www.pofcentre.ru). Сердцевина ПОВ с коэффициентом преломления 1,49 изготовлена из метилметакрилата (ММА) и метилакрилата (МА), ингибированных нитроксильным радикалом 2,2,6,6-тетраметил-4-оксипиперидин-1-оксил. Оболочка ПОВ с коэффициентом преломления 1,396 изготовлена из фторопласта марки 2М. Затухание ОВ на длине волны 680 нм составляет 300…500 Дб/км, на длине волны 850 нм – 2500…3500 Дб/км [10].

На рисунке 3а показан процесс 3D-печати заготовок световодных пакетов с использованием FDM-технологии на принтере Wanhao Duplicator 4X Black DH. На рисунке 3б показана напечатанная восьмиугольная заготовка световодных пакетов и нарезанные фрагменты пакетов ОВ. Из одной заготовки получается семь фрагментов пакетов ОВ, восьмой фрагмент заведомо бракованный – в нем образуется т.н. «ступенька» при печати. На рисунке 3в показан процесс укладки световодных пакетов в корпус макета делителя.

 

Рисунок 3 – Изготовление макета многоканального делителя (схема 1)

Вторая конструктивная схема макета оптического многоканального делителя сигналов [9] показана на рисунке 4. В верхней части рисунка показана модель макета делителя, в нижней части – изготовленные образцы. При изготовлении макета делителя использовался метод печати оптошин способом формирования каналов.

Отличительными особенностями этой конструктивной схемы являются:

а) наличие жесткого полимерного корпуса с размещенными внутри каналами с индивидуальными световодами;

б) конфигурация корпуса Y-типа с симметричным расположением расходящихся световодных плеч, образованных каналами корпуса;

в) световодный блок сформирован из индивидуальных световодов, расположенных в каналах корпуса, топология укладки световодов квадратная.

 

Рисунок 4 – Макет многоканального делителя (схема 2)

По указанной конструктивной схеме изготовлены макеты оптических многоканальных делителей сигналов модификаций Д2-16 и Д2-16дл. Модификация Д2-16дл – это удлиненный вариант макета делителя Д2-16. Увеличение длины торца «вход-выход» корпуса макета делителя осуществлено исходя из технологических соображений формирования световодных плеч: с учетом миниатюрности корпуса (длина световодного канала от 3,2 до 4,2 мм) достаточно сложно предусмотреть перпендикулярность поверхности торца «вход-выход» корпуса макета делителя и сходящихся к этому торцу оптических осей ОВ световодных плеч.

Макет делителя выполнен в корпусном варианте, полностью из полимерных материалов, с равномерным распределением световодов в световодных плечах. Основными элементами макета многоканального делителя сигналов являются корпус и индивидуальные световоды.

Корпус макета делителя имеет три торцовые поверхности. В корпусе имеются 32 канала для размещения индивидуальных световодов. Каналы корпуса образуют, по сути, световодные плечи макета делителя – по 16 каналов на одно плечо. Угол расхождения световодных плеч макета делителя составляет 60 градусов. В плоскости XY световодные плечи смещены относительно друг друга для удобства формирования каналов. Каналы корпуса предназначены для размещения индивидуальных световодов. Для удобства размещения макета делителя в оптической цепи предусмотрена переходная втулка, которая играет роль стыковочного элемента оптического тракта.

Для изготовления корпуса макета многоканального делителя сигналов использовалась прозрачная фотополимерная смола MiiCraft Clear BV-003, для изготовления втулки переходной – черная фотополимерная смола FormLabs Black FLGPBK01.

Для изготовления световодов использовалось ПОВ диаметром 0,4 мм производства ТЦ ПОВ (г. Тверь, http://www.pofcentre.ru), аналогичное полимерному волокну, использованному при изготовлении макета многоканального делителя по конструктивной схеме 1.

На рисунке 5 (поз. 1-4) показаны этапы формирования световодов и торцов макета делителя. На рисунке 5 (поз. 5) показано размещение индивидуальных световодов (ПОВ) в удлиненном корпусе макета делителя. На рисунке 5 (поз. 6) показан макет оптического многоканального делителя, размещенный во втулке переходной.

 

Рисунок 5 – Изготовление макета многоканального делителя (схема 2)

Третья конструктивная схема макета оптического многоканального делителя сигналов [8] показана на рисунке 6. В верхней части рисунка показана модель макета делителя, в нижней части – изготовленные образцы. При изготовлении макета делителя использовался метод последовательного формирования пакета световодов из отдельных ОВ.

Отличительными особенностями этой конструктивной схемы являются:

а) наличие мягкого полимерного корпуса (оболочки) с размещенным внутри световодным блоком;

б) полная асимметрия световодных плеч;

в) световодный блок сформирован из индивидуальных световодов, топология укладки световодов квадратная либо гексагональная.

 

Рисунок 6 – Макет многоканального делителя (схема 3)

По указанной конструктивной схеме изготовлены макеты оптических многоканальных делителей сигналов модификаций Д2-32 и Д2-114.

Макет делителя выполнен в мягком корпусном варианте (оболочке), полностью из полимерных материалов, с равномерным распределением световодов в световодных плечах. Основными элементами макета многоканального делителя сигналов являются оболочка и световодный блок, состоящий из индивидуальных световодов (рисунок 7).

Для образования в конструкции макета делителя структурированных торцов использованы полимерные втулки (коннекторы).

Световодный блок макета делителя включает два световодных плеча, неодинаковых по длине, но содержащих одинаковое число индивидуальных световодов, имеющих постоянное по всей длине сечение.

Рисунок 7 – Устройство макета многоканального делителя (схема 3)

Для изготовления мягкого корпуса макета использовались прозрачный полиуретановый состав Clear Flex 50 и лента ПВХ с липким слоем.

Для изготовления световодов макета многоканального делителя Д2-32 использовалось ПОВ диаметром 0,4 мм производства ТЦ ПОВ (г. Тверь, http://www.pofcentre.ru), аналогичное полимерному волокну, использованному при изготовлении макетов многоканального делителя по конструктивным схемам 1 и 2. Для изготовления световодов макета многоканального делителя Д2-114 использовалось ПОВ диаметром 0,19 мм производства ТЦ ПОВ (г.Тверь, http://www.pofcentre.ru). Сердцевина ПОВ с коэффициентом преломления 1,49 изготовлена из ММА и МА, ингибированных нитроксильным радикалом 2,2,6,6-тетраметил-4-оксипиперидин-1-оксил. Оболочка ПОВ с коэффициентом преломления 1,396 изготовлена из фторопласта марки 2М. Затухание ОВ на длине волны 680 нм составляет 500…800 Дб/км, на длине волны 850 нм – 3000…4000 Дб/км [10].

На рисунке 8а показан двумерный чертеж слоя световодного блока, выполненный в Компас-3D. Рисунок 8б отражает подготовку 3D-принтера к печати – симуляция печати с использованием VisualCAM.

Рисунок 8 – Изготовление макета многоканального делителя Д2-114 (схема 3)

На рисунке 8в показана многослойная 3D-печать заготовки световодного блока с использованием принтера Wanhao Duplicator 4X Black DH, на рисунке 8г – разрезанная на две части заготовка световодного блока. На рисунке 8д показано приспособление для укладки и склеивания заготовок при формировании световодного блока. На рисунке 8е показан срез световодного блока, состоящего из 228 оптических световодов диаметром 0,19 мм каждый.

Основной особенностью макета многоканального делителя сигналов Д2-114 является то, что световодный блок сформирован из двух заготовок, каждая из которых изготовлена с использованием многослойной 3D-печати. Проводимые на предыдущем этапе ПНИ работы не позволяли добиться требуемого результата: возникали дефекты нитей, заключающиеся в сопряжении пограничных слоев световодов, расположенных друг над другом в соседних слоях, имели место внутренние дефекты нитей. Модернизация механической части 3D-принтера позволила осуществить многослойную печать.

В таблице 1 приведены технические характеристики изготовленных макетов оптических многоканальных делителей.

Таблица 1 – Технические характеристики макетов делителей


Наименование параметра

Значение

Д2-7

Д2-11

Д2-16

Д2-32

Д2-114

Конфигурация макета

Y-типа

асимметричного типа

Тип корпуса

жесткий, полимерный

мягкий, полимерный

Габаритные размеры макета, мм

23,3×12×20,93

6,2×3,3×

4,0

-

-

Длина световодного плеча, мм

20,3

3,7

255,0;

140,0

215,0;

80,0

Стенка корпуса, мм

1

0,27…0,6

0,2

0,2

Количество световодных плеч, шт.

2

Количество ОВ в световодном плече, шт.

49…77

121

16

32

114

Материал ОВ

полимер

Диаметр ОВ, мм

0,4

0,2

В таблице 2 приведены результаты проверки изготовленных макетов делителей на светопропускание с использованием фотоэлектрического способа, в таблице 3 – показатели вносимых потерь.

 

Таблица 2 – Показатели светопропускания изготовленных макетов делителей

Макет

делителя

Ксв, %

Длина СП, мм

Диаметр ОВ, мм

Передатчик

Приемник

СП1

СП2

СП1

СП2

Д2-7

49,97

49,95

20,3

20,3

0,4

1 LED

29 pin-ФД

Д2-11

49,97

49,95

20,3

20,3

0,4

1 LED

29 pin-ФД

Д2-16

50,0

49,98

3,8

3,8

0,4

1 LED

29 pin-ФД

Д2-32

49,78

49,62

255,0

140,0

0,4

1 LED

29 pin-ФД

Д2-114

48,82

48,43

215,0

80,0

0,2

8 VCSEL

29 pin-ФД

Примечание – в таблице 2: СП – световодное плечо; Ксв – коэффициент светопропускания.

Таблица 3 – Показатели вносимых потерь макетов делителей

Макет делителя

Затухание ОВ, Дб/км

Вносимые потери, %

световодное плечо 1

световодное плечо 2

Д2-7

300-500

0,1

0,1

Д2-11

300-500

0,1

0,1

Д2-16

300-500

0,019

0,019

Д2-32

300-500

1,267

0,698

Д2-114

3000-4000

8,241

3,149

Для формирования потока излучения использовали светодиод на чипе Epistar голубого света, рабочий диапазон длин волн которого 455…465 нм, а также кристалл с массивом из восьми VCSEL-лазеров, генерирующих излучение на длине волны 850 нм. В качестве приемника излучения использовали кристалл с массивом из 29-и pin-фотодиодов со спектром отклика 750…1500 нм.

Из таблицы 2 видно, что показатели светопропускания макетов Д2-7 и Д2-11 не хуже данных показателей других модификаций макетов, учитывая то, что при изготовлении макетов Д2-7 и Д2-11 оптоволокно при формировании световодного блока подвергалось значительному термическому воздействию (более 80 оС).

На рисунке 9 показаны фрагменты засветки световодных плеч макетов делителей, фотографии получены с помощью микроскопа Dino-Lite. На рисунке 9 поз.4 показана засветка суммирующего торца макета делителя: в одном световодном плече излучение VCSEL с длиной волны 850 нм (на рисунке красный цвет), в другом – излучение светодиода с длиной волны 460 нм (на рисунке голубой цвет).

Рисунок 9 – Фрагменты засветки световодных плеч макетов делителей

Таким образом, в результате проведения работ:

а) изготовлены макеты оптических многоканальных делителей сигналов трех конструктивных схем;

б) осуществлена многослойная 3D-печать при изготовлении световодных блоков макета делителя;

в) значения коэффициентов светопропускания изготовленных макетов оптических делителей не менее 48 %;

г) вносимые потери макетов оптических делителей составляют не более 8,5%.

Исследования проводятся при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках выполнения Соглашения от 24 ноября 2014 г. №14.579.21.0067 (уникальный идентификатор проекта RFMEFI57914X0067).

 

 

Литература:

1. Никитин В.С. Смартлинки - умные соединения / В.С. Никитин, Э.И. Семенов, А.Н. Ломанов, А.В. Гусаров // Фотоника. – 2009. – № 13. – С.32-39.

2. Никитин В.С. Первый смартлинк создан в России / В.С. Никитин, Э.И. Семенов, А.Н. Ломанов // Фотоника. – 2010. – № 2. – С.30-34.

3. Пат. 2270493 Российская Федерация, МПК7 H 01 L 23/525. Способы самовосстанавливающегося соединения многоконтактных приборов или микросхем и устройство для его осуществления [Текст]/ Никитин В.С.;  заявитель и патентообладатель Никитин В.С. – № 2004101348/28; заявл. 16.01.2004; опубл. 20.02.2006. Бюл. № 5 – 1 с. : ил., табл.

4. Пат. 2350054 Российская Федерация, МПК7 H 05 K 1/00, H 01 L 23/52. Микросхема с оптоволоконными многоконтактными соединениями [Текст]/ Никитин В.С.;  заявитель и патентообладатель Никитин В.С. – № 2007108476/09; заявл. 06.03.2007; опубл. 20.03.2009. Бюл. № 8 – 1 с. : ил., табл.

5. Пат. 2419129 Российская Федерация, МПК7 G 06 F 3/042, H 01 L 27/14. Многоканальный делитель сигналов для смартлинков [Текст]/ Никитин В.С.;  заявитель и патентообладатель ООО "НТЦ "Интрофизика" – № 2009131971/08; заявл. 24.08.2009; опубл. 20.05.2011. Бюл. № 14. – 1 с.: ил.

6. Никитин В.С., Солостин А.В. 3D-печать оптических многоканальных делителей сигналов // Материалы XI международной научно-практической конференции «Научный потенциал мира – 2015». София, Болгария: Бял ГРАД-БГ. 2015. Т. 5. С. 33–42. URL: http://doi.org/10.17686/rusnauka_2015-200529.

7. Никитин, В.С. Изготовление оптического делителя для «смартлинк соединения» с использованием SLA- и FDM-технологий / В.С. Никитин, Э.И. Семёнов, А.В. Солостин, В.Г. Шаров, С.В. Чайка // Компьютерная оптика. – 2016. – Т. 40, № 1. – С. 57-63. – DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-1-57-63.

8. Заявка на изобретение 2015118753 Российская Федерация, МПК (2015.01) G02B 6/00, G02B 1/04, G06F 15/16, G06F 13/00, G06N 3/067, H01L 23/525. Многоканальный делитель оптических сигналов для «смартлинк соединений» [Текст]/ Никитин В.С.;  заявитель и патентообладатель ООО "НТЦ "Интрофизика"; заявл. 19.05.2015. – ил.

9. Заявка на изобретение 2016103433 Российская Федерация, МПК (2015.01) G02B 6/00, G02B 1/04, G06F 15/16, G06F 13/00, G06N 3/067, H01L 23/525. Многоканальный дискретный делитель оптических сигналов для «смартлинк соединений» [Текст]/ Никитин В.С., Солостин А.В., Ермаков Б,В.; заявитель и патентообладатель ООО "НТЦ "Интрофизика"; заявл. 02.02.2016. – ил.

10. Полимерные оптические волокна [Электронный ресурс]: ООО «Технологический центр полимерного оптического волокна». – http://www.pofcentre.ru/production/pof.