CN101324688B - 用于传输高光学功率和电信号的光电混合连接装置 - Google Patents

用于传输高光学功率和电信号的光电混合连接装置 Download PDF

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Abstract

用于至少第一和第二光学纤维的光学连接、以及至少第一和第二电导体的电连接的光电混合连接装置包括：第一连接器，它具有其中封装第一光学纤维的套圈、超过套圈凸出并环绕套圈的对中套筒、以及与第一电导体连接的至少一个插入式电触头；第二连接器，它具有其中封装第二光学纤维的套圈、以及与第二电导体连接的至少一个插入式电触头；两光学纤维中的每个具有相对纤维轴线成直角对齐、并设有防反射涂层的平面纤维端；以及在两个连接器的装配状态，第二连接器的套圈被插入第一连接器的对中套筒直至紧靠对中套筒或在第一连接器的套圈上，纤维端通过气隙相互分离，且两个连接器的插入式电触头以导电方式相互插入。

Description

用于传输高光学功率和电信号的光电混合连接装置
技术领域
本发明涉及用于至少第一与第二光学纤维的光学连接和用于至少第一与第二电导体的电连接的光电混合连接装置。
背景技术
纵向二极管泵浦固体激光器突出表现在其高效率和良好光束质量。储存较大量能量的能力同时使其通过谐振腔内部的光量开关能够产生毫焦耳脉冲，脉冲宽度为数毫微秒。这意指这种激光器适用于材料加工。特别地对于激光器雕刻，优良激光束质量对获得精确加工结果是非常必要的。从固态激光器产生无散射的激光束需要无散射泵波束。在多种情况下后者由以下过程产生：二极管激光棒的强散射且非均匀光束参数产物通过波束整形光学器件被改变为对称的，并最终通过球形调焦镜头被耦合到多模纤维。该纤维耦合根本地使实际固态激光束源(即固态激光谐振腔)与泵光源之间的空间可能分离。特别地，固态激光谐振腔与泵光源之间的该空间分离在气冷激光系统实现中是基本的，可以小重量构建高度紧凑的激光头，固态激光谐振腔放置在所述激光头中。泵光源产生这种高热量输出，必须采用大重量的大体积冷却元件。因此，去除泵光源以及必要的冷却单元以使固态激光器的功率源单元分离，从而使实际激光头能够有小容量结构。
功率源单元与激光头之间的光学连接通过前述多模纤维(玻璃纤维)形成。多数情况下功率源单元与激光头之间的接口不仅仅依赖光泵光连接而确定。事实上控制激光头中的致动器或传输传感器数据也需要电子数据导体。如果必须进行控制的另一元件(如扫描器)位于激光头上，则还需要其他电导体。即，激光头必须与功率源单元同时进行光学连接和电连接。为在使用位置进行功率源单元与激光头的简单转接，对于至少一个光学纤维和至少一个电导体的共用光电混合连接装置是需要的。
光电混合连接装置已用于航空电子、通信领域、军事和空间飞行。目前在可用的混合连接装置中，一种装置通常用于处理具有典型为1-2W较小光学功率以及约7...50μm较小纤维芯直径的单模纤维传输的光学接口的情况。由于功率低，目前所使用的混合连接装置相对其因潜在耦合损耗造成的破坏而言并未临界。这些具有弯曲未涂层纤维端面的混合连接装置所采用的“紧靠耦合”技术在该低功率范围内功能良好，但不适用于具有约为0.1...1.0mm大纤维芯直径的光学多模高功率连接(功率≥10W)。在具有较小芯直径的单模纤维或多模纤维的情况下在约0.2dB的1-2W的低功率范围典型耦合损耗在光学高功率范围(功率≥10W)是不能耐受的。
用于光学纤维或光学波导的光学连接装置长期是已知的。已知的光学连接器是已国际标准化的称为F-SMA的连接器(也称为SMA连接器)。F-SMA连接器采取旋入式连接器的形式，其中纤维被导入相对较长的插针直径为3.175mm且在接触面上为完全平齐的金属套筒圈中。用这种连接器实现的插入损耗取决于很多准则。这样例如在光导具有大芯直径情况下阻尼显著小于具有较小直径的纤维。
从DE4208140A1已知用于光学波导的旋转耦合，其中共同光学连接的光学波导的各纤维端均具有圆形斜面或其自身被圆整。该耦合由套筒和贯穿纤维形成的插针组成。为保护所述各纤维端，在连接处的纤维端之间设置间隙。该间隙装满折光率液以减少反射。
此外，从DE202005005362U1已知用于光学数据传输的线缆及相应的光学连接装置，其中各透镜被连接到连接装置区域中的各纤维端。即使当连接装置的连接器相互完全插入时，各透镜之间仍存在轴向间隙。通过这种方式避免可引起破坏的任何轴向力传递到光学元件上。透镜形式的这种光学元件会聚来自光学纤维的光，这样便可通过间隙而无耗损。
最后，从美国4,896,939已知用于光学数据传输的另一种线缆和光学连接装置，其中其两端的光学纤维与套圈端部完全平齐，然后提供约6.35μm的薄铬涂层。通过这些铬涂层，纤维两端一方面被保护，另一方面在连接装置中相隔约12.7μm。
发明内容
本发明的目的在于为尤其在多模操作中大于约10W的高光功率提供光电混合连接装置。
根据本发明，该目的通过一种用于至少第一和第二光学纤维的光学连接、以及至少第一和第二电导体的电连接的光电混合连接装置实现，该光电混合连接装置包括：
第一连接器，所述第一连接器具有其中封装第一光学纤维的套圈、超过套圈凸出并环绕套圈的对中套筒、以及与第一电导体连接的至少一个插入式电触头；
第二连接器，所述第二连接器具有其中封装第二光学纤维的套圈、以及与第二电导体连接的至少一个插入式电触头；
其中，两光学纤维中的每个具有相对纤维轴线成直角对齐、并设有防反射涂层的平面纤维端；以及
其中，在两个连接器的装配状态，第二连接器的套圈被插入第一连接器的对中套筒直至紧靠对中套筒或在第一连接器的套圈上，所述两个光学纤维的纤维端通过气隙相互分离，且两个连接器的插入式触头以导电方式相互插入。
在根据本发明的混合连接装置中，纤维端配置为平面并提供有防反射涂层，且相互分离以保护防反射涂层。通过这种结构，光学接口处的辐射耗损可被尽量减小到最低，这样即使在高功率应用中也不会超过所用元件的破坏阈值。
光学纤维优选被设计为多模纤维并用于至少10W的高光学功率。
为防止因至少一个光学纤维所发出辐射对至少一个电导体造成破坏，光学纤维具有集成安全装置。如果从纤维的引导区域发出辐射，这将使激光器停止工作。这种安全装置优选地基于检测电阻变化。此外，混合线缆具有电导体以检查混合连接装置连接器的正确定位。如果电导体的触头没有被插入，则激光束不激发。
本发明的其他优点可从权利要求书、描述和附图中获得。可单独或以任意组合整体采用前述和下文描述的特征。所示和所描述的实施例不应理解为详尽列举，仅为描述本发明的示例性特征。
附图说明
图1显示根据本发明的光电混合连接装置的第一实施例；
图2显示根据本发明的光电混合连接装置的第二实施例；
图3显示根据本发明的混合线缆的实施例；和
图4示意性显示具有功率源装置(power supply device)和激光头的激光系统的结构，功率源装置和激光头通过图3中所示混合线缆以及图1或图2中所示混合连接装置光学地以及电气地相互连接。
具体实施方式
图1所示的光电混合连接装置1借助于两个可相互插入的连接器4a、4b用于提供至少第一与第二光学纤维(光波导)2a、2b的光学连接以及多个第一与第二电导体3a、3b的电连接。所有第一连接器4a的元件以“a”标识，第二连接器4b的元件以“b”标识。第一连接器4a具有其中封装第一光学纤维2a的套圈5a、超过套圈5a凸出且环绕套圈5a的不锈钢或铝制对中套筒6a、与第一电导体3a连接的多个插入式电触头7a。第二连接器4b具有其中封装第二光学纤维2b的套圈5b、与第二电导体3b连接的多个插入式电触头7b。两个光学纤维2a、2b中的每个均具有相对纤维轴线8a、8b成直角对齐的平面纤维端9a、9b，在每种情况下平面纤维端与套圈端平齐地终止。光学纤维2a、2b优选为具有至少约0.1mm纤维芯直径并为至少约10W的高光学功率而设计的多模纤维。
尽管套圈5a以固定方式被安装在第一连接器4a的连接器壳体10a中，但套圈5b在第二连接器4b的连接器壳体10b中被引导使其可沿轴向移动、并通过弹簧11b在朝向连接器接口的方向上(即图1中向左的方向)被预载。套圈5a通过对中套筒6a与外部屏蔽，且套圈5b被此处设计为金属套筒12b的金属屏蔽环绕。两个光学纤维2a、2b的平面纤维端9a、9b设有绝缘的防反射涂层13a、13b。
当连接器4a、4b如图1所示相互完全插入时，第二连接器4b的套圈5b被插入第一连接器4a的对中套筒6a，直至此处被设计为环形台阶的止动部14b的端面紧靠对中套筒6a，且对于具有相同NA的典型为100-800μm的纤维芯直径在两套圈5a、5b之间以及也是在纤维端9a、9b之间留有约5-500μm的预定气隙15。该气隙15防止纤维端9a、9b之间的机械接触以及对其防反射涂层13a、13b的任何破坏。通过弹簧11b，第二连接器4b的套圈5b保持紧靠对中套筒6。当连接器4a、4b相互完全插入时，对中套筒6a的一部分被更多插入金属套筒12b，两连接器4a、4b的插入式触头7a、7b也以导电方式相互插入。通过这种混合连接装置1，光学接口的辐射耗损可被尽量减至最小，这样即使在高功率应用中也不会超出所用元件的破坏阈值。
图2所示的光电混合连接装置1不同于图1中所示的混合连接仅在于，此处至少一个、优选为两个套圈5a、5b超过其各自纤维端9a、9b凸出，套圈5a没有与对中套筒6a相作用的止动部，并且当连接器4a、4b相互完全插入时，两套圈5a、5b的套圈端的端面相互紧靠。通过纤维端9a、9b的至少一个纤维端的回缩，两纤维端不相互紧靠，而是在此处仍存在气隙15。
图3所示为混合线缆20的横截面，所述混合线缆上可连有连接器4a、4b。在所示实施例中，混合线缆20具有带有光学纤维22和集成安全装置的光学波导线缆21，如果从纤维的引导区域发出幅射或如果连接装置1没有正确配置，集成安全装置可阻止激光功率散失，混合线缆20还具有多个线缆23，线缆23在每种情况下具有一个或多个电导体(芯)24。
图4示意性显示具有激光头31和独立功率源装置35的激光系统30的结构，激光头中设有激光束源32的光学元件以及例如用于使离开激光头31的激光束34偏转的电控扫描器33，供电装置中设有用于激光束源32的泵光源36、以及用于激光头31的电源和控制电子单元37。激光束源32为例如二极管泵固态激光器(例如Nd:YAG或Nd:YVO4)，诸如具有输出镜的激光谐振腔、后镜和设在它们之间的激光晶体、如果必要的光量开关、束流收集器以及光束整形器的其光学元件设在激光头31中。
激光头31与功率源装置35的电气和光学连接借助于混合线缆20实现，其端部设置的连接器4a被插入设在激光头31上和功率源装置35上的连接器4b。激光头31与功率源装置35之间的光学高功率传输部分通过功率源装置35中从泵光源36通向功率源装置35的连接器4b的光学纤维38、混合线缆20中将混合线缆20的两个连接器4a相互光学连接的光学纤维22(参见图3)、以及激光头31中从激光头31的连接器4b通向激光束源32的光学纤维39形成。激光头31和功率源装置35之间的电连接通过功率源装置35中从电源和控制电子单元37通向功率源装置35的连接器4b的电导体40、混合线缆20中将混合线缆20的两个连接器4a相互电气连接的电导体24、以及激光头31中从激光头31连的接器4b连接到例如扫描器33的电导体41形成。

Claims (15)

1.一种用于至少第一和第二光学纤维(2a、2b)的光学连接、以及至少第一和第二电导体(3a、3b)的电连接的光电混合连接装置(1)，包括：
第一连接器(4a)，所述第一连接器(4a)具有第一光学纤维(2a)、以及与第一电导体(3a)连接的至少一个插入式电触头(7a)；
第二连接器(4b)，所述第二连接器(4b)具有第二光学纤维(2b)、以及与第二电导体(3b)连接的至少一个插入式电触头(7b)；
其中，两个光学纤维(2a、2b)中的每个具有相对纤维轴线(8a、8b)成直角对齐的平面纤维端(9a、9b)，在两个连接器(4a、4b)的装配状态，两个连接器(4a、4b)的插入式电触头(7a、7b)以导电方式相互插入，所述两个光学纤维(2a、2b)的纤维端(9a、9b)通过气隙(15)相互分离；
其特征在于：
所述两个光学纤维(2a、2b)设计用于至少10W的高光学功率的传输；
所述第一光学纤维(2a)被封装在套圈(5a)中，所述套圈(5a)被设置在所述第一连接器(4a)中、并且被超过套圈(5a)凸出的对中套筒(6a)环绕；
所述第二光学纤维(2b)被封装在套圈(5b)中，所述套圈(5b)被设置在所述第二连接器(4b)中，所述第一光学纤维(2a)和所述第二光学纤维(2b)中的每个的平面纤维端(9a、9b)设有防反射涂层(13a、13b)；以及
在两个连接器(4a、4b)的装配状态，第二连接器(4b)的套圈(5b)被插入第一连接器(4a)的对中套筒(6a)直至紧靠对中套筒(6a)或在第一连接器(4a)的套圈(5a)上。
2.根据权利要求1所述的光电混合连接装置，其特征在于：
两个套圈(5a、5b)中的至少一个与封装的纤维(2a、2b)的纤维端(9a、9b)平齐地终止。
3.根据权利要求1所述的光电混合连接装置，其特征在于：
两个套圈(5a、5b)中的每个与封装的纤维(2a、2b)的纤维端(9a、9b)平齐地终止。
4.根据权利要求1所述的光电混合连接装置，其特征在于：
两个套圈(5a、5b)中的至少一个超过封装的纤维(2a、2b)的纤维端(9a、9b)凸出。
5.根据权利要求1所述的光电混合连接装置，其特征在于：
两个套圈(5a、5b)中的每个超过封装的纤维(2a、2b)的纤维端(9a、9b)凸出。
6.根据权利要求1至3任一所述的光电混合连接装置，其特征在于：
第二连接器(2b)的套圈(5b)具有止动部(14b)，在两个连接器(4a、4b)的装配状态，止动部紧靠第一连接器(2a)的对中套筒(6a)。
7.根据权利要求1所述的光电混合连接装置，其特征在于：
两个套圈(5a、5b)中的至少一个超过封装的纤维(2a、2b)的纤维端(9a、9b)凸出，并且在两个连接器(4a、4b)的装配状态，两个套圈(5a、5b)的端面相互紧靠。
8.根据权利要求1所述的光电混合连接装置，其特征在于：
两个套圈(5a、5b)中的每个超过封装的纤维(2a、2b)的纤维端(9a、9b)凸出，并且在两个连接器(4a、4b)的装配状态，两个套圈(5a、5b)的凸出套圈端的端面相互紧靠。
9.根据权利要求1-3任一所述的光电混合连接装置，其特征在于：
两个连接器(4a、4b)中的至少一个的套圈(5a、5b)或套筒(6a、12b)被引导使得它可克服弹簧(11a)的作用沿轴向运动。
10.根据权利要求1至3任一所述的光电混合连接装置，其特征在于：
两个连接器(4a、4b)中的每个具有环绕套圈(5a、5b)的金属屏蔽。
11.根据权利要求10所述的光电混合连接装置，其特征在于：
所述金属屏蔽是金属套筒。
12.根据前述权利要求1至3任一所述的光电混合连接装置，其特征在于：
套筒由金属制成。
13.根据前述权利要求12所述的光电混合连接装置，其特征在于：
所述金属是不锈钢或黄铜。
14.根据权利要求1至3任一所述的光电混合连接装置，其特征在于：
光学纤维(2a、2b)为多模纤维。
15.根据权利要求1至3任一所述的光电混合连接装置，其特征在于：
两个连接器(4a、4b)中的至少一个设在混合线缆(20)上，混合线缆(20)具有至少一个光学纤维(22)和至少一个电导体(24)。
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