SE509706C2 - Optisk fiberkabel - Google Patents

Description

~*1~ 10 15 20 25 30 35 509 706 -,-n»» '- kyla bort den vid absorptionen utvecklade värmen medelst Vattenkylning. Även i detta fall sker kylningen från kom- ponentens utsida.

En svaghet i samtliga av de metoder som nu beskrivits är att värmen först måste absorberas i en metallyta och sedan ledas genom metallen till den kylande ytan antingen nu denna är avsedd att kylas medelst luftkylning eller vattenkylning.

Syftet med denna uppfinning är att åstadkomma en optisk fiberkabel med en förbättrad kylprincip så att fibern kan användas för överföring av mycket höga optiska effekter utan att skador uppstår på själva fibern eller dess hölje.

Uppfinningen bygger på att effekten (värmen) får absorbe- ras direkt i ett kylande medium istället för att ledas ge- nom en en metall.

Uppfinningen kännetecknas av att åtminstone en av fiberns (kärna och omgivande cladding) kontaktändar är belägen i ett hålrum med ett strömmande kylmedium så att strålar som inkommer utanför fibern fångas upp och absorberas åtmins- tone delvis i nämnda kylmedium. Hålrumets väggar innefat- tar åtminstone en begränsningsyta som är ickeabsorberande.

De övriga begränsningsytorna kan vara absorberande (me- tall). Effekt som leds genom kylmediet kommer att absorbe- ras i dessa ytor, men eftersom ytorna direktkyls av det strömmande mediet (kylvätskan) undviks en eventuell över- hettning. Eftersom den optiska strålningen passerar det strömmande kylmediet innan den eventuellt kommer fram till metallytan är det endast en mindre del som kommer att ab- sorberas i den ytan.

Enligt en föredragen utföringsform ligger fibern i direkt kontakt med det omgivande kylande mediet som kan utgöras aV Vatten .

Enligt en alternativ utföringsform är fibern omsluten av f 00 o .- co a u r-ø cc in eo n s c o o r r . r too 0000 o <- n o o ef: rn en n. e: 10 15 20 25 30 35 NMT ro reco f fr- ß :1-73000 K o 0077 an x OOOW “Ûfifi 903355 (_ \' _. f, c- r. oo r oc 509 706 ett transparent rör som i sin tur ligger i direkt kontakt med det omgivande kylande mediet.

I det följande skall uppfinningen närmare åskådliggöras under hänvisning till bifogade ritningsfigurer som schema- tiskt visar nâgra olika utföranden hos den nya optiska fi- berkabeln.

Figur l visar principen för en optisk fiberkabel med di- rekt Vattenkylning av kontaktdon, Figur 2 är en detaljvy över gränsområdet mellan fiberns ände och det transparenta "fönster" som släpper in strål- ningen i det vätskefyllda hålrum som omger fiberns ändpar- ti, Figur 3 visar en s.k.modstripper som anbringats runt fi- bern i det vätskefyllda hålrummet för att leda ut strål- ning i fiberns cladding till det omgivande kylmediet, Figur 4 är en detaljvy över gränsområdet mellan fiberns ände och det transparenta fönstret enligt ett alternativt utförande där "fönstret" utgöres av en optisk hålskiva sm tätats mot fiberns mantelyta, och Figur 5 visar tre olika varianter på hur ett transparent kapillärrör kan vara anbringat runt fibern i det vätske- fyllda hålrummet.

I figur 1 visas ena änden av en optisk fiber 3 vilken på känt sätt utgöres av en kärna, exempelvis av kvartsglas, och en cladding, exempelvis av glas eller någon polymer med lämpligt brytningsindex.

' En laserstråle 1 är anordnad att fokuseras mot fiberns än- dyta. Den laserkälla som är mest använd är Nd-YAG lasern, vars våglängd är 1,06 pm. Denna våglängd lämpar sig bra för överföring i optiska fibrer. Andra i och för sig kända noev 10 15 20 25 30 35 509 706 fwy-fl o oonafl* oofinld lasrar som kan vara aktuella är exempelvis diodlasrar, C02- lasrar, CO-lasrar och andra typer av Nd-lasrar.

Ett flytande kylmedium (vätska) 2 är anordnat så att det omger fiberändens mantelyta. Den del 4 av den infallande laserstrålningen som hamnar utanför fiberns kärna fångas upp och absorberas, åtminstone delvis, i detta medium.

Strålning (effekt) som transmitterats genom vätskan absor- beras av väggarna 8, 5 som omger och innesluter vätskan.

Dessa väggar är i direkt kontakt med kylmediet och kyls därför direkt på ytan. Den bakre väggen 5 innefattar en inloppskanal 5a och en utloppskanal 5b för kylmediet.

Absorptionen i vätskan skall inte vara alltför stark, då det är lätt att få stötkokning där strålningen träffar vätskan. Vatten är ett lämpligt kylmedium, dels på grund av enkelhet, men även av det skälet att inträngninsdjupet är lämpligt. För en Nd-YAG laser är exempelvis absorp- tionsdjupet för vatten ca 50 mm.

Den yta som bestrålas av den infallande laserstrålen måste vara transparent för att släppa in strålningen i det vät- skefyllda rummet. Denna yta, det s.k. fönstret 7, kan vara antingen glasklar eller diffust spridande, huvudsaken är att absorptionen i ytan är låg.

Enligt en föredragen utföringsform står fiberns ändyta 6 i optisk kontakt med fönstret 7. Det optiska fönstret måste då vara av god optisk kvalitet, eftersom även den ur- sprungliga strålningen går genom detta fönster. Genom att fönstret och fiberns ändyta står i optisk kontakt med va- randra kan man i stort sett eliminera reflektionsförlus- terna i dessa gränsytor, se figur 2. Ett sätt att uppnå optisk kontakt är att svetsa samman fibern och fönstret på liknande sätt som visas i förut nämnda SE 93.01l00-5 där en stav är svetsad samman med fiberns ändyta. Fönstret 7 kan vara tjockt för att möjliggöra en AR-behandling av ytan. 10 15 20 25 < :kr 1 ¿\ .r g f IC < «°: ° 1 ~. f e r fr: r-ß- i "509 (1 Ö O 7()6 0755" Förutom strålning som faller helt utanför fibern bör även sådan strålning som finns i fiberns cladding 9 ledas ut i det omgivande kylmediet. Detta kan man göra genom att an- bringa en s.k. modstripper 10 på fibern, se figur 3. Mod- strippern kan utgöras av en glaskapillär av det slag som visas i de förut nämnda 83.07l40-7 och 93.0ll00-5 där glas-kapillären är limad fast på claddingens mantelyta och på så sätt rensar claddingen från strålning.

Ett annat sätt att åstadkoma modstrippingen är att matte- ra fiberns mantelyta. Sådan mattering är i och för sig förut känd, se US 4,575,18l. Genom matteringen kommer strålning som utbreder sig i claddingen att ledas direkt ut från densamma ut i kylmediet och absorberas där.

I den utföringsform som nu beskrivits var fönstret och fi- bern svetsade saman för att uppnå god optisk kontakt. Ett alternativt sätt att uppnå optisk kontakt är att pressa fibern och fönstret mot varandra. Även vid en sådan an- _liggning under press blir förlusterna i gränsytan försum- bara.

Istället för att anbringa fiberns ändyta mot ett fönster 7 kan en optisk hålskiva ll användas, se figur 4. Hålskivan 11 utgör en transparent, icke absorberande begränsningsyta (främre vägg) för kylmediet på samma sätt som fönstret 7, men har en central öppning i vilken fiberns ände är in- trädd. Hålskivan är på lämpligt sätt tätad mot fiberns mantelyta. Hålskivan ll behöver inte vara av bästa optiska kvalitet eftersom den huvudsakliga strålningen 2 inte går genom skivan utan direkt in i fiberns ändyta. Hålskivan kan vara både glasklar och matt.

Fibern 3 är i en utföringsform omgiven av ett kapillärrör 12 av transparent material, exempelvis kvartsglas, så att kapillärrörets mantelyta ansluter till det kylande mediet.

I figur 5 visas tre olika varianter på hur kapillärröret 10 15 20 25 30 35 509 706 '~'>fi'\^'* kan vara applicerat. I figur 5a visas en variant där ka- pillärröret 12 avslutas och tätas mot fönstrets 7 innery- ta. I figur 5b visas en variant där fibern 3 går ut genom det främre fönstret (hålskivan) 11. Även i detta fall tä- tas kapillärröret mot innerytan hos skivan 11. I den tre- dje varianten som visas i figur 5c går även kapillärröret 12 ut genom den främre väggen 13. I detta fall är det inte nödvändigt att den främre väggen är transparent eftersom den strålning som faller in utanför kapillärrörets ändyta 14 är försumbar.

Syftet med kapillärröret är att vid behov ge en extra skyddande, icke-absorberande inkapsling av av fibern. Som redan nämnts är kapillärröret tätat mot de främre och ba- kre begränsningsytorna hos hålrummet så att kylmediet in- nesluts i det ringformade utrymme som bildas mellan kapil- lärrörets mantelyta och hålrummets cylindriska yttervägg och kommer inte i direkt kontakt med fiberns mantelyta.

Till skillnad mot den glaskapillär som kan utnyttjas som modstripper behöver detta skyddande kapillärrör ej vara förbundet (fastlimmat) på fibern. I det fall ett skyddande kapillärrör används utföres modstrippingen i form av en matterad yta på claddingen.

Uppfinningen är inte begränsad till de som exempel visade utföringsformerna utan kan varieras inom ramen för de ef- terföljande patentkraven.

Claims (7)

r* 10 15 20 25 30 35 PATENTKRAV

1. Optisk fiberkabel av det slag som innefattar en fiber (3) med en kärna och en omgivande cladding (9), vilken fi- berkabel är avsedd för överföring av höga optiska effek- ter, företrädesvis effekter som överstiger 1kW, och där åtminstone en av fiberns ändar är försedd med en anordning för bortkylning av optisk förlusteffekt vilken innefattar ett hålrum med ett strömmande, absorberande kylmedium (2) vilket omger fiberändens mantelyta, varvid strålar som in- kommer utanför fibern fångas upp och absorberas åtminstone delvis i nämnda kylmedium (2) och att hålrummets begräns- ningsytor (väggar) innefattar en främre, åtminstone delvis icke-absorberande begränsningsyta (7) genom vilken den in- kommande strålningen släpps in i hålrummet varvid begräns- ningsytorna är anordnade att direktkylas av det strömmande kylmediet för att undvika överhettning på grund av i dessa ytor eventuellt absorberad strålning k ä n n e t e c k - n a d a v att den främre begränsningsytan utgöres av ett transparent fönster (7) varvid fiberns (3) ändyta (6) bringats i optisk kontakt med nämnda fönster.

2. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 1 k ä n n e - t e c k n a d a v att kylmediet (2) utgöres av en vät- ska, företrädesvis vatten.

3. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 2 k ä n n e - t e c k n a d a v att fibern (3) ligger i direkt kontakt med kylvätskan.

4. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 2 k ä n n e - t e c k n a d a v att fibern (3) är omsluten av ett transparent rör (12) som ligger i direkt kontakt med kyl- vätskan. 'S09 åošw 10 15 20 25 30 35 509 706 3

5. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 2 k ä n n e - t e c k n a d a v att begränsningsytorna i det vätske- fyllda hålrumet innefattar en i huvudsak cylindrisk, be- gränsningsyta (8) som sträcker sig i fiberns längsriktning och innesluter densamma centralt samt en bakre, begräns- ningsyta genom vilken inlopps- och utloppskanaler (5a, 5b) för kylvätskan är anordnade att passera.

6. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 1 k ä n n e - t e c k n a d a v att fiberns ändyta (6) smälts in i fönstret (7) genom svetsning.

7. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 1 k ä n n e - t e c k n a d a v att fiberns ändyta (6) tryckts in mot fönstret (7) för att uppnå god optisk kontakt mellan fön- ster och fiber.