GR1010660B

GR1010660B - Free space optical coupling of embedded optical fibers

Info

Publication number: GR1010660B
Application number: GR20230100638A
Authority: GR
Inventors: Γεωργιος Βιολακης; Νικολαος Τιριακιδης; Κοσμας Τιριακιδης; Θωμαϊς Τιριακιδου
Original assignee: Componous Ιδιωτικη Κεφαλαιουχικη Εταιρεια,
Priority date: 2023-07-31
Filing date: 2023-07-31
Publication date: 2024-03-21

Abstract

In the present disclosure an optical system and method for connecting an embedded optical fiber to an external connector comprised of another optical fiber is described. Such an optical system can be an embedded optical fiber inside a composite material shaft exiting the shaft from the end face. The optical fiber runs throughout the whole length of the shaft and both shaft end-faces are polished. One side acts as a visible light input plane and on the other side, a second, external optical fiber assembly embedded on a special end-fitting. This assembly is comprised of a microlens array whose functionality is to transmit light to and from the embedded optical fiber and transmit it with minimal losses to the external optical fiber.

Description

Τίτλος Ευρεσιτεχνίας: Οπτική σύζευξη σε ελεύθερο χώρο ενσωματωμένων οπτικών ινών Patent Title: Free-space optical coupling of embedded optical fibers

Σύντομη Περιγραφή Short Description

Αιτιολογική έκθεση και τρέχουσα τεχνολογία Explanatory report and current technology

Μετά την εφεύρεση του φράγματος περίθλασης Bragg (Fiber Bragg Grating) οι αισθητήρες οπτικών ινών έχουν καταστεί ως μία ώριμη και αξιόπιστη τεχνολογία μέτρησης μηχανικών τάσεων, θερμοκρασιών ή παραμορφώσεων, μεταξύ πολλών άλλων εφαρμογών. Αισθητήρες οπτικών ινών χρησιμοποιούνται πλέον ευρύτατα σε εφαρμογές υψηλών απαιτήσεων ακρίβειας, αλλά και κόστους, όπως παρακολούθηση δομικής ακεραιότητας γεφυρών ή φραγμάτων, πυρηνικών αντιδραστήρων, γυροσκόπια διαστημοπλοίων, στην ιατρική, μεταξύ πολλών άλλων. Ο κοινός παρονομαστής στην συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων χρήσης αισθητήρων οπτικών ινών είναι οι υψηλές απαιτήσεις σε ακρίβεια και αξιοπιστία, αλλά και το υψηλό κόστος που συνοδεύει τις απαιτήσεις αυτές. Ένα μεγάλο μέρους του κόστους αυτού, ιδιαίτερα σε εφαρμογές, όπου ο αισθητήρας οπτικών ινών είναι ενσωματωμένος εντός κάποιου υλικού/δομής, αναλώνεται στην επίτευξη σύζευξης υψηλής ποιότητας μεταξύ της ενσωματωμένης οπτικής ίνας με κάποιον εξωτερικό κυματοδηγό ή όργανο ανάγνωσης του αισθητήρα (ζεύξη εισερχόμενου και εξερχόμενου φωτός από και προς τον ενσωματωμένο αισθητήρα οπτικών ινών). Since the invention of the Fiber Bragg Grating, fiber optic sensors have become a mature and reliable technology for measuring mechanical stresses, temperatures or deformations, among many other applications. Fiber optic sensors are now widely used in applications with high accuracy requirements, but also cost, such as monitoring the structural integrity of bridges or dams, nuclear reactors, spacecraft gyroscopes, in medicine, among many others. The common denominator in the vast majority of cases where fiber optic sensors are used is the high requirements for accuracy and reliability, but also the high cost that accompanies these requirements. A large part of this cost, especially in applications where the fiber optic sensor is embedded within some material/structure, is spent on achieving high-quality coupling between the embedded optical fiber and an external waveguide or sensor readout (coupling incoming and outgoing light to and from the embedded fiber optic sensor).

Στην πλειοψηφία των υλοποιήσεων οπτικής ζεύξης ενσωματωμένων οπτικών ινών, η οπτική ίνα ή μια συστοιχία οπτικών ινών, ενσωματώνεται στο υλικό κατά τρόπο τέτοιο, ώστε ένα επαρκές μήκους της ενσωματωμένης οπτικής ίνας να εξέρχεται του υλικού ενσωμάτωσης και το προεξέχων μέρος να μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για την απευθείας σύνδεση με αναγνωστικά μηχανήματα, είτε για την συγκόλληση με άλλη οπτική ίνα. Η διαδικασία αυτή ενσωμάτωσης δεν απαιτεί ένταση εργασίας ούτε είναι χρονοβόρα σε περιπτώσεις υλικών που η κατασκευή τους δεν περιλαμβάνει αποκοπή άκρων ή λείανση σε θέσης εισόδου/εξόδου των οπτικών ινών. Κάτι τέτοιο, ωστόσο, δεν ισχύει στην περίπτωση των περισσότερων σύνθετων υλικών και ιδιαίτερα δομών όπως κυλινδρικοί άξονες που παράγονται μέσω περιέλιξης νημάτων, των οποίων τα άκρα αποκόπτονται μετά την τύλιξη. Παρομοίως, σύνθετα υλικά σε επίπεδο ή ελεύθερο σχήμα παρουσιάζουν αντίστοιχες προκλήσεις όσον αφορά στην ενσωμάτωση οπτικών ινών, εμποδίζοντας μια ευρύτερη αποδοχή σε εφαρμογές χαμηλότερους κόστους. Μία λύση στο πρόβλημα αυτό είναι η αποτροπή της θραύσης του άκρου της οπτικής ίνας που εξέρχεται του σύνθετου υλικού, αλλά αυτή η προσέγγιση επιφέρει μείωση της ποιότητας του άκρου, αφού καθιστά την περεταίρω επεξεργασία του απαγορευτική, ενώ αυξάνει εκθετικά τον χρόνο κατασκευής, αφού απαιτείται ιδιαίτερα προσεκτική μεταχείριση. Συνεπώς, η αύξηση του χρόνου κατασκευής, αυξάνει και το κόστος του τελικού προϊόντος, ενώ κάθε περιοχή που δεν μπορεί να υποστεί επεξεργασία, πέραν του λειτουργικού αντίκτυπου, έχει και αισθητικό, απωμειώνοντας περεταίρω την αξία του. Επομένως, είναι καίριας σημασίας η ύπαρξη μιας αξιόπιστης και βιομηχανικά συμβατής μεθόδου σύζευξης ενσωματωμένων οπτικών ινών σε σύνθετα υλικά με εξωτερικούς κυματοδηγούς ή συσκευές - πράγμα που θα επιφέρει και διεύρυνση της χρήσης της εν λόγω τεχνολογίας και σε άλλες εφαρμογές χαμηλότερου κόστους. In the majority of embedded fiber optic coupling implementations, the optical fiber, or an array of optical fibers, is embedded in the material in such a way that a sufficient length of the embedded optical fiber protrudes from the embedding material and the protruding portion can be used either for direct connection to reading devices or for splicing with another optical fiber. This embedding process is not labor-intensive or time-consuming in cases of materials whose manufacture does not include edge cutting or grinding at the entry/exit location of the optical fibers. This is not the case, however, in the case of most composite materials and especially structures such as cylindrical shafts produced by winding yarns, the ends of which are cut off after winding. Similarly, flat or free-form composites present similar challenges for fiber optic integration, hindering wider adoption in lower-cost applications. One solution to this problem is to prevent the fiber tip from breaking as it exits the composite, but this approach reduces the quality of the tip, making further processing prohibitive, and exponentially increases manufacturing time, requiring careful handling. Consequently, increased manufacturing time also increases the cost of the final product, while any area that cannot be processed has an aesthetic impact, further reducing its value. Therefore, it is crucial to have a reliable and industrially compatible method of coupling embedded optical fibers in composite materials with external waveguides or devices - which will also lead to an expansion of the use of this technology in other lower-cost applications.

Στον τομέα αυτό υπάρχουν διάφορα διπλώματα ευρεσιτεχνίας που χρησιμοποιούν διαφορετικές προσεγγίσεις. Στο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας των Η.Π.Α. 2005/0259909 Α1 τα άκρα μίας ενσωματωμένης σε σύνθετο υλικό οπτικής ίνας τοποθετούνται εντός προστατευτικού κελύφους το οποίο ενσωματώνεται κι αυτό εντός του σύνθετου υλικού. Η λύση αυτή επιφέρει εκτεταμένες αλλαγές στο σχέδιο του σύνθετου υλικού, ώστε να δημιουργηθεί επαρκής χώρος για το κέλυφος, ενώ απαιτεί και ικανό όγκο υλικού, οπότε δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε μικρές δομές. Ωστόσο, ακόμα πιο σημαντικό, η ύπαρξη του κελύφους αυτού αλλάζει επί τα χείρω τις μηχανικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού, μειώνοντας την δομική του αντοχή κι έτσι η λύση αυτή παραμένει μη ελκυστική για την πλειονότητα των πρακτικών εφαρμογών. Στο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας των Η.Π.Α. There are several patents in this field that use different approaches. In U.S. Patent 2005/0259909 A1 the ends of an optical fiber embedded in a composite material are placed within a protective shell which is also embedded within the composite material. This solution involves extensive changes to the design of the composite material, in order to create sufficient space for the shell, while also requiring a sufficient volume of material, so it cannot be applied to small structures. However, even more importantly, the presence of this shell changes the mechanical properties of the composite material for the worse, reducing its structural strength, so this solution remains unattractive for the majority of practical applications. In U.S. Patent

2006/0045421 Α1 παρουσιάζεται μια μέθοδος ευθυγράμμισης του πυρήνα της ενσωματωμένης οπτικής ίνας και μορφοποίησης ενός μικροφακού μέσω εκτομής με laser υπεριώδους ακτινοβολίας. Στο εν λόγω έγγραφο, γίνονται αναφορές στα διπλώματα ευρεσιτεχνίας των Η.Π.Α. με σειριακό αριθμό 2003/0219217 το οποίο αφορά σε ακίδες ευθυγράμμισης και στο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας με σειριακό αριθμό 2003/0136968 το οποίο αφορά σε μικροκάφουλα με υποδοχείς μικρο-οπών, καθιστώντας τα ως προαπαιτούμενο, καθιστώντας σαφές ότι η εν λόγω μέθοδος έχει απαιτήσεις ευθυγράμμισης ακρίβειας σε επίπεδο μικρομέτρων, πράγμα που καθιστά την μέθοδο κοστοβόρα και μη ελκυστική για χρήση σε κλίμακα βιομηχανικής παραγωγής. Επιπλέον, η πολυπλοκότητα του εν λόγω συστήματος αποτελεί τροχοπέδη για την ευρύτερη αποδοχή του σε προϊόντα με μεγάλο όγκο παραγωγής. Μια διαφορετική προσέγγιση λαμβάνει χώρα στο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας των Η.Π.Α. 2007/0058388 Α1, όπου η σύζευξη μεταξύ ενσωματωμένης οπτικής ίνας και εξωτερικού κυματοδηγού, λαμβάνει χώρα μέσω ενός αυτό-εγγραφόμενου (self-written) κυματοδηγού. Αντίστοιχες λύσεις, παρουσιάζονται στα διπλώματα ευρεσιτεχνίας των Η.Π.Α. 2006/0045421 A1 discloses a method for aligning the core of an integrated optical fiber and forming a microlens by means of ultraviolet laser ablation. In said document, references are made to U.S. patents with serial number 2003/0219217 relating to alignment pins and to patent with serial number 2003/0136968 relating to microcapsules with micro-hole receptacles, making them a prerequisite, making it clear that said method has micrometer-level precision alignment requirements, which makes the method costly and unattractive for use on an industrial production scale. Furthermore, the complexity of this system is a brake on its wider acceptance in high-volume products. A different approach is taken in U.S. Patent 2007/0058388 A1, where the coupling between an integrated optical fiber and an external waveguide is done through a self-written waveguide. Similar solutions are presented in U.S. Patents 2007/0058388 A1,

2016/0077288 Α1 και US 10,466,419 Β2. Το βασικό μειονέκτημα των μεθόδων αυτών είναι η απαίτηση σε ευθυγράμμιση ακρίβειας της τάξης των μερικών εκατοντάδων νανομέτρων κατά τη διάρκεια της δημιουργίας του αυτό-εγγραφόμενου κυματοδηγού, η οποία με τη σειρά της αυξάνει τον χρόνο κατεργασίας, την πολυπλοκότητα και συνεπώς το κόστος. Εκτός των αυτό-εγγραφόμενων κυματοδηγών, έχουν προταθεί και συστήματα μετατροπής της διαμέτρου του κυματοδηγούμενού φωτός, (δίπλωμα ευρεσιτεχνίας Η.Π.Α. 2016/0062039 Α1) και ανεξάρτητα συστήματα εγγραφής κυματοδηγών (δίπλωμα ευρεσιτεχνίας Η.Π.Α. 2016/0072585 Α1). Ωστόσο και εδώ τα βασικά μειονεκτήματα παραμένουν η πολυπλοκότητα της λύσης, οι ανάγκες σε χρόνο κατά την κατεργασία και το αυξημένο τελικό κόστος του προϊόντος. 2016/0077288 A1 and US 10,466,419 B2. The main disadvantage of these methods is the requirement for alignment accuracy of the order of a few hundred nanometers during the creation of the self-recording waveguide, which in turn increases the processing time, complexity and therefore cost. In addition to self-recording waveguides, waveguide diameter conversion systems (U.S. Patent 2016/0062039 A1) and independent waveguide recording systems (U.S. Patent 2016/0072585 A1) have also been proposed. However, here too, the main disadvantages remain the complexity of the solution, the time required during processing and the increased final cost of the product.

Επιπρόσθετα, σε όλες τις παραπάνω μεθόδους, η επισκευή μιας αστοχίας ή μιας απευθυγράμμισης της σύζευξης μεταξύ των κυματοδηγών, απαιτεί ιδιαίτερα πολύπλοκες διεργασίες και πολλές φορές μπορεί να χρειαστεί να επαναληφθεί η διαδικασία από την αρχή, πράγμα που επηρεάζει αρνητικά τα κόστη επισκευής αλλά και το χρόνο αδράνειας του συστήματος, λόγω της έντασης χρόνου που απαιτείται για την επισκευή. Additionally, in all of the above methods, repairing a failure or misalignment of the coupling between the waveguides requires highly complex processes and many times the process may need to be repeated from the beginning, which negatively affects repair costs and system downtime, due to the time intensity required for the repair.

Σύνοψη ευρεσιτεχνίας Patent summary

Ο σκοπός της παρούσας ευρεσιτεχνίας είναι η παροχή ενός αξιόπιστου τρόπου σύνδεσης, με ελάχιστες ανάγκες ευθυγράμμισης και τις μικρότερες δυνατές απώλειες, μεταξύ μιας ενσωματωμένης οπτικής ίνας σε σύνθετο ή άλλο υλικό κι ενός εξωτερικού κυματοδηγού. Η προτεινόμενη διεργασία είναι συμβατή με τους χρονικούς περιορισμούς που διέπουν ένα βιομηχανικό προϊόν που κατασκευάζεται σε μεγάλη κλίμακα, και η διεργασία αυτή μπορεί να αυτοματοποιηθεί πλήρως, οδηγώντας σε σημαντική εξοικονόμηση κόστους προϊόντων σύνθετων υλικών με ενσωματωμένες οπτικές ίνες ή αισθητήρες οπτικών ινών. The purpose of the present invention is to provide a reliable connection method, with minimal alignment requirements and the lowest possible losses, between an integrated optical fiber in a composite or other material and an external waveguide. The proposed process is compatible with the time constraints of an industrial product manufactured on a large scale, and this process can be fully automated, leading to significant cost savings for composite products with integrated optical fibers or fiber optic sensors.

Η παρούσα ευρεσιτεχνία αφορά σε ένα οπτικό σύστημα που αποτελείται από μία πρώτη οπτική ίνα (102) η οποία είναι ενσωματωμένη σε ένα υλικό υποδοχής (100), όπως ένα σύνθετο υλικό, τοποθετημένη διαμηκώςτου υλικού υποδοχής, μία αυτοκόλλητη συστοιχία σφαιρικών ή ασφαιρικών μικροφακών (110) σε επαφή με το εκτεθιμένο καιλειασμένο άκρο της ενσωματωμένης πρώτης οπτικής ίνας (103), μία δεύτερη συστοιχία σφαιρικών ή ασφαιρικών μικροφακών (111) διαφορετικού διαμετρήματος της πρώτης συστοιχίας (110) τοποθετημένης σε προκαθορισμένη απόσταση από την πρώτη συστοιχία και ένας σφαιρικός μικροφακός (112) κατασκευασμένος και τοποθετημένος μέσω διφωτονικού πολυμερισμού πάνω στο άκρο της δεύτερης οπτικής ίνας (120). Η δεύτερη οπτική ίνα (120) προσαρμόζεται σε μικρο-υποδοχέα (122), ο οποίος με τη σειρά του τοποθετείται σε υποδοχή σύνδεσης (130) εντός του υλικού σύνδεσης με το σύνθετο υλικό. Σε περίπτωση σύνδεσης πολλαπλών δομών με ενσωματωμένες οπτικές ίνες, η δεύτερη οπτική ίνα παραλείπεται και παραμένουν οι δύο συστοιχίες μικροφακών οι οποίες αλλάζουν τη διάμετρο του πεδίου που κυματοδηγείται, το ομογενοποιούν και το ανακατευθύνουν στις ενσωματωμένες οπτικές ίνες. The present invention relates to an optical system comprising a first optical fiber (102) which is embedded in a host material (100), such as a composite material, positioned longitudinally of the host material, an adhesive array of spherical or aspherical microlenses (110) in contact with the exposed and polished end of the embedded first optical fiber (103), a second array of spherical or aspherical microlenses (111) of different diameter of the first array (110) positioned at a predetermined distance from the first array and a spherical microlens (112) manufactured and positioned by two-photon polymerization on the end of the second optical fiber (120). The second optical fiber (120) is fitted to a micro-receptacle (122), which in turn is placed in a connection socket (130) within the connection material with the composite material. In the case of connecting multiple structures with integrated optical fibers, the second optical fiber is omitted and the two microlens arrays remain which change the diameter of the guided field, homogenize it and redirect it to the integrated optical fibers.

Το υλικό ενσωμάτωσης (ή υποδοχής) (100) μπορεί να είναι ένα σύνθετο υλικό, όπως ανθρακονημάτινα ή υαλονημάτινα σύνθετα υλικά ή ακόμα και πιο σύνθετες δομές όπως ένα κελί συσσωρευτή. Το σύνθετο υλικό με ενσωματωμένη οπτική ίνα μπορεί να προκύφει από συνήθεις βιομηχανικές κατασκευαστικές πρακτικές, όπως η περιέλιξη νήματος, ενώ η σύζευξη μεταξύ πρώτης (102) και δεύτερης (120) οπτικής ίνας ή μεταξύ πρώτης οπτικής ίνας και δεύτερης οπτικής ίνας ενσωματωμένης σε άλλο υλικό, μπορεί να επιτευχθεί είτε χειροκίνητα είτε μέσω αυτοματοποιημένης διεργασίας. Η σύζευξη μεταξύ της πρώτης, ενσωματωμένης οπτικής ίνας και της δεύτερης οπτικής ίνας δεν είναι απαραίτητο να λάβει χώρα κατά την διάρκεια κατασκευής του σύνθετου υλικού, αλλά μπορεί να γίνει και σε δεύτερο χρόνο. Η δεύτερη οπτική ίνα (120) με τον ενσωματωμένο μικροφακό (112) ενθυλακώνεται εντός του τερματικού της (130) κατά τρόπο τέτοιο, ώστε να μπορούν να λάβουν χώρα ευθυγραμμίσεις μέσω ακτινικά τοποθετημένων κοχλιών (131). Το κέλυφος που ενσωματώνει τη δεύτερη οπτική ίνα περιλαμβάνει χώρο ελεύθερης μετάδοσης του φωτός, μέσω ανοίγματος τετράγωνης ή κυκλικής διατομής όπου και εδράζεται η δεύτερη οπτική ίνα. Ο κενός χώρος μεταξύ της πρώτης και της δεύτερης οπτικής ίνας που περιλαμβάνει και τα υπόλοιπα οπτικά στοιχεία, όπως τις συστοιχίες μικροφακών, μπορεί να πληρωθεί με υλικό κατάλληλου δείκτη διάθλασης ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες από ανακλάσεις στις διεπιφάνειες αέρα - υλικού οπτικών στοιχείων. The embedding (or receiving) material (100) may be a composite material, such as carbon fiber or fiberglass composite materials, or even more complex structures such as a battery cell. The composite material with embedded optical fiber may result from standard industrial manufacturing practices, such as filament winding, while the coupling between the first (102) and second (120) optical fibers or between the first optical fiber and a second optical fiber embedded in another material, may be achieved either manually or through an automated process. The coupling between the first, embedded optical fiber and the second optical fiber does not necessarily have to take place during the manufacture of the composite material, but can also be done at a later time. The second optical fiber (120) with the integrated microlens (112) is encapsulated within its terminal (130) in such a way that alignments can take place by means of radially positioned screws (131). The shell incorporating the second optical fiber includes a free light transmission space, through an opening of square or circular cross-section where the second optical fiber is seated. The empty space between the first and second optical fibers that also includes the remaining optical elements, such as the microlens arrays, can be filled with a material of appropriate refractive index in order to minimize reflection losses at the air-material interfaces of the optical elements.

Η ακτίνα έκαστου μικροφακού της πρώτης συστοιχίας μικροφακών (110) μπορεί να έχει μέγεθος παρόμοιο ή μικρότερο της ακτίνας του πυρήνα (101) της ενσωματωμένης οπτικής ίνας (100), ώστε να διασφαλίζεται η βέλτιστη ζεύξη φωτός ακόμα και σε περίπτωση μη ακριβούς ευθυγράμμισης μεταξύ πρώτης και δεύτερης οπτικής ίνας. Η ακτίνα καμπυλότητας και ο δείκτης διάθλασης (υλικό) εκάστου μικροφακού ορίζουν την εστιακή απόστασή του και κατά συνέπεια την εστιακή απόσταση ολόκληρης της συστοιχίας, η οποία επιλέγεται ανάλογα τις ανάγκες της τελικής εφαρμογής κατά τρόπο τέτοιο ώστε ακόμα κι αν η ευθυγράμμιση μεταξύ πρώτης και δεύτερης οπτικής ίνας δεν είναι ακριβής να υπάρχει επαρκής ζεύξη φωτός μεταξύ τους. Η ακτίνα εκάστου μικροφακού της δεύτερης συστοιχίας μπορεί να είναι παρόμοιου ή μεγαλύτερου μεγέθους της ακτίνας των μικροφακών της πρώτης συστοιχίας και η απόσταση μεταξύ των δύο συστοιχιών εξαρτάται από τις εστιακές αποστάσεις των δύο συστοιχιών, η οποία πρέπει να είναι τέτοια ώστε να σχηματίζεται το είδωλο της ευθυγραμμισμένης δέσμης φωτός που εξέρχεται ή εισέρχεται του πυρήνα της πρώτης οπτικής ίνας και το είδωλο αυτό σχηματίζεται στην έξοδο της δεύτερης συστοιχίας μικροφακών. Η ακτίνα καμπυλότητας του μικροφακού (112) πάνω στην δεύτερη οπτική ίνα (120) και η απόστασή του από το άκρο της δεύτερης οπτικής ίνας επιλέγονται κατά τρόπο τέτοιον ώστε σχηματίζεται η επιθυμητή διάμετρος του φωτός καθώς αυτό εστιάζεται προς από τον πυρήνα (121) της δεύτερης οπτικής ίνας (120). Ο μικροφακός εστίασης κατασκευάζεται πάνω στην επιφάνεια της δεύτερης οπτικής ίνας και μπορεί να περιλαμβάνει και μία τρίτη συστοιχία μικροφακών που θα δρα επικουρικά όσον αφορά στην ομογενοποίηση της δέσμης και η συστοιχία αυτή μπορεί να αποτελείται από σφαιρικούς ή και ασφαριρικούς μικροφακούς. The radius of each microlens of the first microlens array (110) may be similar to or smaller than the radius of the core (101) of the integrated optical fiber (100), in order to ensure optimal light coupling even in the event of imprecise alignment between the first and second optical fibers. The radius of curvature and the refractive index (material) of each microlens define its focal length and consequently the focal length of the entire array, which is selected according to the needs of the final application in such a way that even if the alignment between the first and second optical fibers is not precise, there is sufficient light coupling between them. The radius of each microlens of the second array may be similar to or greater than the radius of the microlenses of the first array and the distance between the two arrays depends on the focal lengths of the two arrays, which must be such that the image of the aligned light beam exiting or entering the core of the first optical fiber is formed and this image is formed at the output of the second array of microlenses. The radius of curvature of the microlens (112) on the second optical fiber (120) and its distance from the end of the second optical fiber are selected in such a way that the desired diameter of the light is formed as it is focused towards the core (121) of the second optical fiber (120). The focusing microlens is constructed on the surface of the second optical fiber and may also include a third array of microlenses that will act as an auxiliary element in terms of beam homogenization, and this array may consist of spherical or aspherical microlenses.

Το οπτικό σύστημα μπορεί να συμπεριλαμβάνει μια φωτεινή πηγή στο άλλο άκρο της πρώτης οπτικής ίνας που είναι ενσωματωμένη σε κάποιο υλικό, ώστε να διευκολύνει τον εντοπισμό και την σχετική ευθυγράμμιση μεταξύ των δύο οπτικών ινών. Επιπροσθέτως, το σύστημα μπορεί να συμπεριλαμβάνει συστοιχίες μικροφακών που αποτελούνται τόσο από σφαιρικά όσο και από ασφαιρικά στοιχεία, ώστε να ελαχιστοποιούνται οι οπτικές απώλειες μεταξύ των δύο οπτικών ινών προς σύζευξη, ιδιαίτερα όταν η πρώτη, ενσωματωμένη, οπτική ίνα τερματίζεται σε μη επίπεδη επιφάνεια, όπως το εξωτερικό τοίχωμα κυλινδρικού συσσωρευτή. Στο τέλος της διεργασίας συναρμολόγησης του οπτικού συστήματος, αφαιρείται η εξωτερική πηγή φωτός και το εκετεθιμένο άκρο μπορεί να επικαλυφθεί με ένα απορροφητικό μέσο ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι οπισθανακλάσεις, σε περίπτωση μη σύνδεσης άλλου στοιχείου. The optical system may include a light source at the other end of the first optical fiber embedded in a material to facilitate the identification and relative alignment between the two optical fibers. In addition, the system may include microlens arrays consisting of both spherical and aspherical elements to minimize optical losses between the two optical fibers to be coupled, particularly when the first, embedded, optical fiber terminates on a non-planar surface, such as the outer wall of a cylindrical accumulator. At the end of the optical system assembly process, the external light source is removed and the exposed end may be coated with an absorbent medium to minimize back reflections, in the event that no other element is connected.

Το οπτικό σύστημα μπορεί επιπλέον να περιλαμβάνει έναν ενισχυτή οπτικών ινών Ερβίου, συγκολλημένου στην πρώτη, ενσωματωμένη, οπτική ίνα, του οποίου ο ρόλος είναι η ενίσχυση του φωτός, σε περίπτωση επιβολής ελαχιστοποίησης απωλειών. Στην περίπτωση αυτή, η δεύτερη οπτική ίνα, εκτός του φέροντος οπτικού σήματος, φέρει και το σήμα άντλησης της οπτικής ίνας Ερβίου. Η παροχή του σήματος άντλησης στην δεύτερη οπτική ίνα λαμβάνει χώρα εκτός του χώρου τερματισμού της δεύτερης οπτικής ίνας, στο άλλο της άκρο, χρησιμοποιώντας τυπικά μέσα σύζευξης μεταξύ πολλαπλών οπτικών ινών όπως ο οπτικός συζεύκτης ή ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα. The optical system may further include an Erbium fiber optic amplifier, bonded to the first, integrated, optical fiber, whose role is to amplify the light, in case of imposing loss minimization. In this case, the second optical fiber, in addition to the optical signal carrier, also carries the Erbium fiber pump signal. The supply of the pump signal to the second optical fiber takes place outside the termination space of the second optical fiber, at its other end, using typical coupling means between multiple optical fibers such as an optical coupler or integrated photonic circuits.

Claims

Patent Title: Optical coupling in free space of embedded optical fibers Claims The present patent claims the following:

1. An optical system consisting of:

an integrated optic that may contain a sensor or sensor array, embedded in material and positioned along or across the host material with the ends of the optical fiber touching the host material;

an array of microlenses, spherical, or aspherical or toroidal, in contact with the ground end of the integrated optical fiber, which is positioned with small alignment requirements relative to the core of the integrated optical fiber;

a second optical fiber or other waveguide with a microstructured microlens at its terminal end, spherical, hemispherical or aspherical in shape, mounted within a structure used both to support the waveguide during the construction of the microlens and to position and align the waveguide opposite the integrated optical fiber; a second microlens array of hemispherical, aspherical or toroidal shape, used for reshaping the optical beam and positioned between the first microlens array and the second waveguide and mounted in the structure that also mounts the second waveguide, in a position opposite the integrated optical fiber;

wherein the terminal end of the integrated optical fiber is in contact with the mother body of the structure in which it is integrated and in contact with the first array of microlenses;

wherein both the first optical fiber and the second microlens array are spherical, hemispherical, aspherical, toroidal, or other free shape, and may also include diffractive optical elements.

The optical system of claim 1, wherein the mother material into which the first optical fiber is embedded is a composite material.

3. The optical system of claim 1, wherein the host material into which the first optical fiber is embedded is a functional structure, such as a chemical accumulator that stores electrical energy.

The optical system of claim 1, wherein the host material for embedding the first optical fiber has a cylindrical, rectangular or free-form shape.

5. The optical system of claim 1, wherein the second microlens array is fabricated and positioned over the microstructured microlens of the second waveguide and is mechanically supported on the ground end of the second optical fiber or the second waveguide.

6. The optical system of claim 5, wherein the second microlens array can be aligned by means of one, two or three screw(s), positioned around the second waveguide support structure at an angle of, 0°, 0° and 90°, 0°, 120° and 240°, respectively, relative to the longitudinal axis of the second waveguide.

7. The optical system of claim 5, wherein the position of the second optical fiber or the second waveguide is adjustable by means of one, two or three screws, positioned around the second waveguide support structure at an angle of 0°, 0° and 90°, 0°, 120° and 240°, respectively, relative to the longitudinal axis of the second waveguide support structure.

8. The optical system of claim 5, wherein both the second optical fiber or waveguide and the second array of microlenses can be aligned independently of each other, by means of independent groups of screws, positioned around the perimeter of the supporting structure of the second waveguide and the second array of microlenses.

9. The optical system of claim 1, wherein the second optical fiber or waveguide is removed and two or more similar host materials with an integrated optical fiber are placed in series with their first array of microlenses in opposing positions to achieve optical coupling between them in free space. The second optical fiber or waveguide is placed at the end of the chain of individual host materials with integrated optical fibers.

10. A method of aligning the second optical fiber or the second waveguide with respect to the first integrated optical fiber comprising:

a visible light source attached to the optical grade polished surface of the embedded optical fiber, on the side of the embedding material where the second optical fiber or waveguide will not be placed; an optical power meter attached to the terminal end of the second optical fiber located outside its mounting structure;

a group of alignment screws that adjust the relative position of the second optical fiber or waveguide with respect to the first optical fiber, so as to minimize optical losses.

11. The method of claim 10, wherein the second optical fiber or waveguide support structure is aligned automatically, by means of a robotic arm that includes machine vision and optical power meters, so that the process of positioning and aligning the second waveguide support structure takes place without human intervention.

12. The method of claim 11, wherein the second optical fiber or waveguide is aligned relative to the embedded optical fiber by an automated system and the optical signal is optimized by a feedback loop between the optical power meter and the automated alignment mechanism.