CN102213799A - 一种光纤维对接方法及其产品 - Google Patents

Abstract

一种光纤维对接方法及其产品，本发明与光纤领域有关，特别是具精准校正的机械接合光纤的重要工序，也应用于光接头终接，光纤夹持装置和光纤加工的夹持方法。应用Soddy圆方程和用料箱有助推导出实际所需的棒尺寸，和与3-棒束相适应的套筒孔尺寸，使得这孔隙能适当地设计到引导任何尺寸的光导纤维并具有最小的间隙，各种直径的棒分类放进料箱和根据想要的孔隙选取，因而消除了对三棒直径严紧公差的需要。可使两光纤线段对接对单模光纤缆具有小于1μm的不同心度，本发明套筒夹持棒夹紧机构夹持棒束，这样减小了机械应力，也消除需要用光纤夹迫使光纤线段紧贴尺寸不稳定的V或U型槽校准零件。

Description

一种光纤维对接方法及其产品

技术领域

本发明与光纤领域有关，特别是具精准校正的机械接合光纤的重要工序，也应用于光接头终接，光纤夹持装置和光纤加工的夹持方法。

背景技术

引用的参考文献（参考的美国专利文献）

专利号	颁发日期	发明人
			3989567	1976/11/02	Tardy
4047796	1977/09/13	Kao等人
			4123139	1978/10/31	Sandah
4223976	1980/09/23	Zangiacomi等人
			4378145	1983/03/29	Stancati等人
4460243	1984/07/17	Strait,Jr.
			4490007	1984/12/25	Murata
4506946	1985/03/26	Hodge
			4575182	1986/03/11	Hensel等人
4676589	1987/06/30	Miyahaita等人
			4921323	1990/05/01	Delahanty等人
6981802B2	2006/01/03	Sasaki等人
			6779931B2	2004/08/24	Murata等人
4743084	1988/05/10	Manning等人
			6179482B1	2001/01/30	Takizawa，等人
7011454	2006/03/14	Caveney，等人
			7264410	2007/09/04	Doss，等人
6741786	2004/03/25	Flower，等人

http://en.wikipedia.org/wiki/Descarte’s_Theorm

http://mathworld.wolfram.com/SoddyCircles.html

Technician’s Guide to Fiber Optics 2版 Sterling,Donald 著

光波导性能的应力效应

International Journal of Solids and Structure'，M Huang 著 2003年4月，第7版40册，1615-1632页

光纤接合就是把两根光纤连接在一起，它通常要么用熔接器或者用机械接合器完成，两者是不同类型的设备。熔接器比机械接合器产生更可靠的低连接损耗（＜0.1dB）效果。但是，它有仪器成本高，体积大和易损坏的重大缺点，所以不适于现场使用。现行的机械接合器只要求少量的手工具，可携带和体积不大，但它们的接合性能不仅很差（约0.3dB）而且不稳定，是由它们的设计不良造成的。目前市场上现有的机械式接合器其设计全部都是引导接合的光纤头对头对准并联接在一起，但是其操作是困难的同时其重复性是不可预见的。本发明提供一精准孔隙机械接合器以克服先前的机械接合器技术的缺点。

本发明展示一精准孔隙机械接合器安装在精确直径的套筒内。这样制造出简单，成本低，机械接合是可靠和稳定的接合器，而其性能满足严格的光连接低接入损耗的要求。这是一种机械接合器，其性能比得上熔接器但更经济和实用。说明本发明的经济价值、技术熟练的工作者将体会到，就一熔接器的成本而论在US$20k以上，而且笨重和使用困难。本发明应用的零件总值在目前工业中低于US$2k。同时这里还提供内装本发明的精准孔隙机械接合器的预抛光光纤接头尤其适于现场使用。还提供有精准孔隙的光纤夹持器与其同样精确的套筒外壳作为光纤校准的机械基准。两光纤相互对接的机械接合目标是使两光纤连接具有最小的光能损耗（如接入损耗，或IL）。这样，低损耗连接必须满足如下严格的物理要求：

a)      两光纤线段中心对准，即无径向偏移。

b)      两光纤线段较至绝对平行，即无角偏移。

c)      两光纤端平面紧密接触接合和无间隙，即无横向偏移。

如果：

d)      在整个工作环境范围如在高/低温，和可承受的震动和冲击下连接机构保持机械稳定，则两光纤线段的连接可稳定和有高的可靠性。

同时能达到全部四个条件是很困难的。这由于每条光纤线段通常小于头发丝的宽度，而即使校准上很小的偏移都可引致重大光能损耗的后果：按工业标准在单模光纤传输的情况下允许0.3dBIL或损耗，所有先前的机械接合器工艺都想尝试解决这些a)到d)的问题。

现有很多已颁布的关于光纤机械接合和连接技术的专利。Tardy的美国专利3989567，Sandahl的美国专利4123139，Kao等人的美国专利4047796，Zangiacomi等人的美国专利4223976，Murata的美国专利4490007，Deveau，Jr等人的美国专利5351371，都尝试应用3-棒束以形成一直线孔隙，两光纤插入和头对头校准，这样的方式去解决机械对接的问题。

先前技术如Sandahl的美国专利4123139和Kao的美国专利4047796展示了3根具十分精确机械公差的同尺寸棒的棒束的应用。这些先前技术，应用平面几何学可计算出由3等尺寸棒所形成的精准孔隙，但是这些先前技术对棒机械公差的高要求产生了重大的问题。如 Sandahl的美国专利4123139规定棒的机械公差是±0.00001''（英寸）而Kao的美国专利4047796规定棒的机械公差是±0.0001''（英寸），但按目前的工艺状况，这样的高精度棒现时是十分昂贵的，它们的生产成本高到使它的应用成为十分不切实际。此外，这些先前技术还出现另外的困难。如在棒尺寸公差在规定的±0.0001''（英寸）的情况下，光纤很可能仍难插入孔隙，这将在下文再说明。所以这些先前技术只得借助松的棒束以便使光纤插入。随后用一夹紧机构捆绕棒束扎紧棒和光纤，希望接合的光纤仍然紧密对接而不损它们的对准度和引致折断。但是这样的接合器的重复性不良以至性能是不可预测的，因而导致大大的浪费时间和材料。对这些问题技术熟练的工作者都很清楚，所以尽管这些专利存在超过20年，现在商业上可用的棒束机械接合器除了作光纤引导外，都不用这些先前技术3-棒束的方法做接合器。然而本发明消除对高机械公差的棒的需要也消除对夹紧机构的需要。

Miyashta等人的美国专利4676589尝试应用由比正常尺寸小的U或V形槽与半圆塑料插块以套筒包装组成的机械接合器作光纤接合以解决所造成的困难。设计是简单但不能很好工作，因为制造精确到足以包容宽度极细光纤的V或U形槽是困难的。V或U型槽隙通常要么太小而造成光纤难以插入及引致光纤折断，或者槽太松引致过大的光接入损耗（IL）。

有现存的先前的机械接合器，也包含制造十分精准的通孔，如Sasaki等人的美国专利6981802B2和Murata等人的6779931B2中所描述的。但是这些接合器制造十分困难。因为加工一直径不大于头发丝的长、直和精确的通孔是困难的。此外这类接合器要求要么有一特殊的通气孔或者用特别的传送程序，以避免空气活塞效应而妨碍光纤线端面相互对接。由于精确V型槽或钻孔的先前接合器不完美的特性和困难，而有更多的先前技术尝试不要求精确V型槽或通孔而能解决问题的发明。如Delahanty等人的美国专利4921323所描述的，本质上，Delahanty和其他人应用V或U型槽做光纤校准零件以及一插块和一平面在光纤插入前分开或宽松的组合，以便使光纤容易插入。当两光纤插入并相互紧接时，其后机构所含的复杂机械结构或特殊的聚合物材料发生作用，迫使光纤紧贴校准零件。但是这样的装置难以达到可靠和可重复的接合，因为复杂机械结构通常产生的夹紧力是不均匀或不一致性的，因而夹紧后最终的光纤接合结果是不可预料的。今天工业上V或U型槽方法仍保留于大部分常用的机械接合方法中，但是技术熟练的工作者都熟知这样的接合器所带来的困难点。此类接合器常需多次操作和反复试验，接合的接入损耗检验和加倍检验都是必需的，以达到满意的结果。

本发明解决的困难还包括制备光纤接头以便在现场终接光缆。现场终接光缆的困难是众所周知的。光纤接头的终接是要求熟练的劳工，昂贵的抛光设备，消耗材料和工作间。还要求费时的环氧树脂搅拌和凝固，和复杂的接头抛光工序。考虑到成本，时间和熟练的劳工，在现场抛光接头是不实际的。于是制造预抛光接头是一个很有用的场部件。所以用内装机械接合器的预抛光接头以终接现场光纤，能容易和快捷地终接接头而全不用熔接器和接头引线或需接头抛光，对现场光纤安装是高效和理想的。它能让现场操作者在几分钟内更换或装置光接头。

先前技术已体会并论述这需要。Manning等人的美国专利4743084，Takizawa等人的美国专利6179482B1，Caveney等人的美国专利7011454，和Doss等人的美国专利7264410，都尝试让机械接合器与预抛光光纤接头组合，为方便现场光纤容易插入，这些专利要么先应用径向可变方式的“形状记忆”材料在宽松的位置，或用V或U型槽板和平面板处并在打开位置。现场光纤插入后，总是需要夹紧功能例如由卷边或启动凸轮机构，或移动杠杆驱动平板，迫使两光纤紧靠校准零件并夹紧光纤。这些发明都有复杂的机械结构缺点，而且它们的重复性不稳定及接合性能不比熔接方法好，除非用于应急的联接维修或对光学性能要求不高的场合。但是本发明应用精准孔隙机械接合器与预抛光接头补救了这些难点。借助本发明则可预期达到一致性、稳定和低IL（接入损耗）等性能，这都是因为它的构造简单和精确，无夹紧和启动机构，并机械结构坚固。

本发明也可适用于任何要求光纤保持稳定和/或导向的多个工序中的光纤夹持，现有的裸光纤夹持器用于精确的光纤检测或加工是利用V或U型零件组成作为光纤导向和夹紧的应用。Flower等人的美国专利6741786，尝试解决现有光纤夹持器共通的问题，就是在光纤导和夹紧时过大的应力加到光纤上，这可能引致不利于光纤性能的弯曲和变形。为使光纤的应力和弯曲变形减至最小，Flower描述的方法是交错地导向和夹紧光纤。本发明进一步改进Flower的光纤夹持方式，提供无变形的光纤夹持和导向，和均匀分布的应力仅加于光纤外部的外被上，借助本发明，光纤的位置可容易地对参考基准（如包容棒束的套筒），校准，作检测和进一步的加工。本发明可应用于要求光纤精确和稳定夹持的任何光纤装置。

发明内容

本发明的首要目标是提供简单、可靠和具成本效益的实验室和现场可安装的精确孔隙机械接合器，用于光波导纤维，如光缆700，描述于图9。

本发明的另一个目标是提供一种预抛光接头的终接方法，不用熔接或粘结物凝固和接头抛光，如图10。本发明找到和改正先前技术的缺点和毛病，这包括昂贵，复杂和笨重的机械构造，脆弱的结构和不可靠的性能。这些缺点对光纤现场安装工作影响特别重大。

本发明再一个目标是提供一个改进的光纤夹持器，用以稳定和精确夹持光纤，并且没有变形或有害的应力加于光纤，这是很重要的。

这些目标是应用本发明的棒束组合的方法而达到。这方法解决了先前技术其依赖和应用极严紧机械公差尺寸棒的问题和避免使用夹紧机构。不同尺寸的棒按其尺寸以材料箱分类，棒束由来自不同料箱的棒基于Soddy圆图形构成。选择适当的棒可构成棒束的精准孔隙，它令夹持和导向的光纤和孔隙间控制到最小间隙和相应地最小的接入光能损耗而没有断裂和有害的作用力加于光纤上。借助料箱分类方法，棒可以是不同尺寸的，并不用依赖先前技术所提出的需要高机械公差的要求。由于降低棒的机械公差要求，因而零件成本急剧下降。本发明产生的3-棒束方法使光纤接合实用和可靠，结合一精确设定的套筒以包容3-棒束。如以先前技术所描述的那样（通常会引起对接光纤的开裂或过量的应力/疵点）。按本发明，包装棒束的套筒内径（1D）相应于Soddy圆的外圆。套筒外径的位置和内径以明确定义的方式同心或偏心的与孔隙位置相关联，可用作其他装置的定位基准。套筒也可用较棒材料软的材料做衬制成，以小于正常尺寸内径的套筒使棒能压配合插入，这样便达到降低套筒内径的精度和机械公差的要求。

附图说明

图1 解说明光连接要求接合具有最小或没有径向，角度和横向偏差。

图2A说明——先前技术的机械接合器应用一直通孔校准光纤线段作联接。

图2B说明——先前技术的机械接合器，应用特别的光纤传送程序以避免接合时空气阻塞。

图2C说明——先前技术的机械接合器有两半圆插块，其中一块有V型槽，插块由可塑性材料制成以小于正常尺寸的V型孔隙作光纤线段校准。

图3A说明先前技术的典型的V型槽设计，光纤对接后，用平压板迫使光纤紧靠V型槽作校准。

图3B说明先前技术的3根棒宽松地捆在一起，以便光纤插入，然后一机构如热收缩管用以扎紧棒束。

图3C说明先前技术的2棒和一压板的设计。

图3D是先前技术的接合器设计，用V或U型槽与一平插块宽松组合，光纤插入后，松开夹子以夹紧插块。

图4说明Soddy圆方程式，包括3个相切的圆，加上内圆和外圆。

图5A说明使用本发明的基本结构棒束装置的横切面图，基于Soddy圆图。

图5B是图5A装置的外形图。

图6A是图5A装置的轴向剖面图。

图6B是图6A中心区域的放大图。

图7A是展示另一可选装置等轴图，有内衬弹性材料的套筒和小于正常尺寸的棒束。

图7B是图7A装置的外形图。

图8A是利用Soddy圆图特殊情况的另一棒束装置的横截面图。里面两根棒和一半圆插块被一套筒所包围而构成的一个假想孔。

图8B说明图8A装置的外形图。

图8C是图8A的半圆套筒的剖面图。

图8D说明Soddy圆图形的特殊情况。

图9A是一推介的机械接合装置的等轴图。

图9B是以9A装置的剖面图，展示结合本发明结构的详细图。

图10A，B和C是结合本发明的预抛光接头的推介装置的剖面，图10D为其立体图。

图10A展示一套管夹持器有一孔用以包容3-棒束，放入光纤线段以备下一工序。

图10B是预抛光套管光纤线段组件的最终产品。

图10C展示了适合900μm外被光缆的夹头和推盖与图10B的光纤组件的组合。

图11A说明展示SC接头的终接预抛光光纤与现场光缆接合的等轴图。

图11B是图11A接头的横截面图，根据本发明的预抛光套管光纤线段与现场光缆机械接合的组合。

图12A是多光纤机械接合器的顶视图。

图12B是图12A装置的横截面图。

图12C是图12B的部分详细图，包括嵌入的抛光平片和棒排。

图13A是应用本发明的光纤夹持器装置的等轴图。

图13B是图13A光纤夹持器装置的横截面图，描述棒束压配合到夹持器的内孔并在轴向夹持和引导光纤。

图14是光纤元件装置的剖面图，此装置是本发明夹持光纤在相对于套筒外径OD的稳定和精确中心位置和光学元件的组合。

图15A说明另一Soddy圆图形，这里调整棒的尺寸使孔隙轴偏离中心一给定的距离。

图15B说明另一Soddy圆图形用附加平插块产生第二个精准孔隙以包容第二根光纤线段作精准的两光纤间隔并在同一结构中。

具体实施方式

通常需要一个与光纤尺寸配合的长、直和精准的孔道，以便达成光纤缆的机械接合。图1阐示必需的对接光纤的物理校准要求，以达到没有或最小的光能损耗。在单模光纤的情况下，径向偏移110，应小于波导心直径的10%（一般其直径是0.009mm），亦即对单模光纤应小于0.001mm。角偏移120应为2度或更小，而横向偏移130应为（20%）0.002mm或更小。如满足这些要求，则连接损耗将在允许的范围内，限定到0.3dB或更小。

图2A说明——先前技术的机械式接合器250，极大的功夫花于制造直通孔230上。如果孔尺寸230过松，那么光纤得不到适当的校准，因而不能满足光纤光学连接的光能损耗的要求。如果孔230过紧，则光纤不能插入并引致断裂。如果考虑用于尺寸公差为0.125±0.0005mm的单式光纤，只有孔的尺寸230是0.1255mm精度为+0.0005mm和-0.000mm接合器才工作良好。但是实际经验显示，不但加工这样精确的孔非常困难，而且还需要通气孔260结构，以避免空气活塞效应。否则将在对接的光纤间产生较大的间隙210（横向偏移），这将引致过量的连接功率损耗。

图2B说明另一先前技术的机械接合器，它在接合时以特殊的传送过程以图解决这通气问题。两光纤100插入壳体200使它与平面240对齐。然后两组件组合在一起，并使端面240紧密对接。光纤校准后，操作者推动其中一根光纤线段100进入到另一壳体200，这样配对组装和完成接合，但是图2B的接合器使用困难并限制了它的用途。

图2C说明——先前技术的机械接合器，它避免使用精确的直孔，应用V或U型槽插块280与可塑性平插块270一道以套筒290包装。通常设计，V型槽隙285小于光纤尺寸，使得可塑性材料制的平插块270能压使光纤以V型槽285作校准。但是实际上精准的控制孔隙的尺寸是十分困难的。它要么太紧，光纤不能或很难插入，因而引致光纤断裂，或者太松，引致过量的光损耗。

图3A说明——典型的先前技术的V型槽设计，在光纤100对接后，用压板310驱使光纤紧靠V型槽316作校准。在这方法中，没有精确地V型槽隙，插入时不会造成光纤损坏，但是夹紧和启动机构必定出现问题，平板310加于光纤100的应力引起的问题如偏光性相关损耗（PDL）这对光性能是有害的。这效应描述在“光波导性能的应力效应”“Stress effects on the performance of optical wavequides” International Journal of Solids and Structures. 2003年4月7版40册 1615-1632页 M.Huang著。

图3B和3C阐示两种先前技术的机械接合器用棒311代替用V或U型槽作光纤校准的导向零件。这些先前技术的接合器要么用宽松的棒束，所以棒的尺寸不用精确控制，所以不足以产生尺寸范围在0.0005mm以内的空隙，或者要求用十分精准的棒，这对商业产品来说是不实际的。所以这些设计最终全部都必须应用小于正常尺寸的孔隙，这要求棒束必须松组装和附加夹紧和启动机构让光纤线段插入后达到最终接合。图3B说明3根棒311松动地捆束以便光纤插入，然后一机构比如热收缩管用以扎紧棒束321，可以看到是这棒排不能精确控制压抑点321，所以不能设定孔隙使光纤位置保持稳定，这样将不可能产生一致而重复的结合效果。图3C说明2棒和一压板313的设计。它有图3A  V型槽设计相同的缺点。先前技术是基于3等尺寸棒的计算需要用十分精确机械公差（±0.00001''）英寸的棒，明显地增加零件成本。图3D是另一典型的机械接合器设计。它用有V或U型槽的半圆插块370与半圆平面插块320和在不夹紧状态下的夹子360松动地组装。光纤插入后夹子360夹紧插块。在这设计中，光纤100可容易地插入。当光纤100紧密对接时，凸轮机构或杠杆350释放夹子360使平插块320推使光纤线段紧靠V型槽和作光纤校准。通常V型槽插块370和/或平面插块320由弹性材料制成，使它能模压成型和在夹子360放开时提供机械可塑性。图3D设计比图3A或3C设计较方便使用，因为它的夹紧机构易于启动和完成接合。但这些结构是复杂的以及为降低制造成本需要用塑料模压制成，这带来模压和金属夹子成型的高模具成本。这局限性限制这类设计要么脆弱或者是机械结构复杂，同时由于缺少刚性造成接合性能重复性不一致的缺点。

有更多与上述方法类似的设计，每个不同都是关于如何夹紧，和如何启动夹子等等，但都遇到同样的缺点。

本发明应用Soddy圆的几何知识提供光纤定位/夹持或接合的新方法和装置。本发明把精确棒束转变换成极精准的细、直假想孔用作光纤机械接合，接头终接或光纤夹持装置。

图4描绘Descartes理论的“接吻圆”几何模式。它建立了4个相切圆的相应关系。Frederic Soddy把它延伸到3维的球面相切模式。这就是现在所知的Soddy圆。两个不相交的圆与三个半径分别为r₁，r₂和r₃的圆全部相切的精确解是：

这里

r₄ ⁽⁺⁾是Soddy圆的内半径，而r₄ ^(-)Soddy圆的外半径。

图5A阐示本发明应用的Soddy圆几何的横截面图。

三根棒510，511，512按Soddy圆几何排列产生孔隙520用作光纤100的机械接合。进一步，包围棒束的套筒内径ID的尺寸550亦可确定。对应Soddy圆方程r₁,r₂和r₃是直棒510，511，512的半径，光纤100将插入其中，三根尺寸相同或不同的直棒510，511，512结成束并以套筒530包围，用这样的方法使每根棒与另二棒接触和相切，在这棒束的中心可以见到一三角形通道形成一精准和直线的假想孔或孔隙，对于光纤100，它与全部3根棒510，511，512接触和相切。

重要地，本发明是用一般化的Soddy圆，而不是先前技术所用特定的3等尺寸圆的平面几何（这是Soddy圆的特殊情况）以解决棒和光纤两者的机械公差所出现的问题，特别是按Soddy圆方程允许用不同尺寸的圆，能达到更好的效果，比如用料箱方法在下文再述，以现代加工技术状况，直径小于1mm的钢棒可控制到±0.003mm（±0.0001''）英寸以内，但是成本比标准公差±0.006mm要高得多。而先前技术的用3等尺寸高精准的圆棒，假想孔尺寸（孔隙）r₄ ⁺最佳仅可控制到0.001mm以内，如下表1

表明：3棒的半径对应Soddy圆内和外圆半径有怎样的可能值

r1	r2	r3	r4 (+)	r4 (-)
					0.807	0.807	0.807	0.1248	1.7388
0.810	0.810	0.810	0.1253	1.7453
					0.813	0.813	0.813	0.1258	1.7518

表1

但是，在日常实际应用中，按表1控制孔隙尺寸公差在0.001mm以内，还是不够严格到足以保证每一光纤和每次都能插入和满足接合性能要求。这是由于实际上光纤尺寸本身亦有±0.0005mm的公差。如果遇到棒的公差在下限和光纤的公差在上限，则光纤将不能插入到孔隙内，因为孔隙太小，或者在相反的情况，由于孔隙过大，光纤将对不准。两种情况接合性能都因而受损。所以就是控制孔隙尺寸在给定范围公差在0.001mm以内，仍有30%的机会光纤不能插入孔隙内或者孔隙可能过松而不能满足图1所述的光纤接合的物理要求。对商品来说这是不能接受的。因此，为使这棒束装置有效地用于单模光纤机械接合器，严格的空隙尺寸公差如在0.0005mm以内是必须达到的。

作为本发明的一部分，研究出一种方法既提供较精准的孔隙尺寸又允许很松的棒尺寸公差，鉴于维持棒加工到非常严的公差是十分昂贵和商业上也不合实际的，但精确测量已加工棒的真实尺寸如直径，是简单快捷和十分便宜的，应用Soddy圆方程的通用型式，选用不同尺寸的圆棒，中心孔隙直径很容易确定。根据本发明的方法，棒按制造规范加工公差要求较松，所以更具成本效益，然后测量已加工好的棒直径，及按真正测出的直径分类，放入多个料箱内。如果从料箱中适当选取了3棒的直径，那么孔隙直径的偏差可控制到比棒直径偏差更高的级别。例如制造公差十分严的棒公差是±0.001mm（0.00004''）英寸。孔隙直径的偏差是可精确地控制到0.0005mm以内（不实际和昂贵的工艺）。那么料箱的方法也能生产出对光纤同样精确的孔隙尺寸直径偏差，同时还消除对公差非常严要求的棒的需要。例如，假设棒的直径是0.812mm具有十分严的加工公差±0.001mm，这些数值通常可应用于要求孔隙尺寸稍大于0.125mm即接合光纤的直径是.125±0.0005mm，表2表示如果3棒同尺寸，孔隙直径的公差极限值和直径的名义值。

表2

比较起来，表3则显示：倘若3棒是不同尺寸按Soddy圆方程得出的空隙尺寸，3棒从4个料箱中选取以得到最佳的孔隙尺寸，使用松6倍的制造公差的棒即±0.006mm这样对名义棒直径为0.811mm，实际的棒尺寸范围在0.805mm与0.816mm之间。棒直径分类到料箱如下：

（测量增量0.001mm，和每料箱范围为0.003mm）

箱1≥0.805＜0.808mm	最小0.805	最大0.807
			箱2=0.808＜0.811mm	最小0.808	最大0.810
箱3=0.811＜0.814mm	最小0.811	最大0.813
			箱4=0.814＜0.817mm	最小0.814	最大0.816

表3显示对于棒在最小和最大的公差范围内，内孔隙直径和外套筒直径，但是，棒从不同的料箱中选取以得到最优的空隙直径。三个不同料箱组合显示为：2，3，4；1，4，4和3，3，3

表3

从R₄ ⁽⁺⁾行可清楚看到，选择适当的料箱组合可达到十分严格的孔隙尺寸分布（本例是0.0003mm以内），甚至用松的制造公差，即使可用几个不同料箱组合，最小孔隙直径基本上也可精确预测，而且大大降低成本。对应于外圆直径R₄ ^(-)的套筒直径公差也有所依据并可严格控制（本例在0.006mm内）

由于内孔隙直径和外套筒直径的精确性和可确定性使得棒束可严谨地用套筒固定，这在下文再叙。相比先前技术，它在光纤插入时必需松配合（松的棒束），插入后接着用夹紧机构夹紧，这势必引起光纤对接位置移位和受过量的应力的作用。本发明可用一套筒包装棒束，免除了重复性不一致和通常很复杂的夹紧机构。

再来便是可设计适当的棒长度使光纤接合有最小的角偏移，而棒和光纤间的空隙520提供一空气通道不需要像先前技术那样，需要制造排气孔或特殊传送程序。

图5B阐示以套筒530紧夹棒束50的等轴图。适当剥开平切的光纤100可借助倒角口540从棒束的一端插入，套筒530通常用较棒本身软的材料制成，有轻微小于名义尺寸的内径550。这样棒束50可以轻过盈配合紧固在套筒内。套筒内径尺寸基于Soddy外圆并轻微小于内径名义值尺寸。相配的光纤100可从棒束50的另一端滑入到同一精准假想孔中，两者在棒束的中部紧密对接，展示在图6A和6B上。

图6A是本发明装置的轴向横剖面图。它展示两光纤以倒角540导向，以精准孔隙560校准和在棒束的中部接合。

图6B是结合面210的详细图。通过由本发明的3-棒束所构成的精准孔隙的制导。本发明可让光纤自动校准。机械接合工作缩减为简单地把光纤在轴向对接即可。在这当中和随后的接合工序都不用任何附加的夹紧和启动机构。

本发明的另一具体装置尤其是适合用在试验室内的临时接合。图7A是本发明另一具体装置的端视图。它利用略小于名义值孔隙与弹性内衬108的套筒包装棒束。棒510尺寸的选取使得孔隙560相对于光纤100的尺寸略小于名义上给的一定值。由于孔隙尺寸可用本发明的配置非常精准地控制，相对的套筒弹性内衬的可塑性也能精准的控制。这对十分精确地控制光纤的不紧也不松的插入也是必需的。适当硬度的弹性材料108内衬于套筒，它的内径620设计到对插入提供可塑性与棒束有适当过盈，以给光纤插入提供可塑性。这样，小于名义值尺寸的孔隙扩张以容纳光纤。由于弹性材料108的径向可塑性和摩擦的夹持力，这配合将紧密夹持棒束和保持期望的空隙尺寸。当光纤插入时，光纤能驱使缩小尺寸的孔隙打开，使它不仅能包容光纤与很好的控制光纤插入阻力，而且还提供光纤保持力作临时机械接合。

这改进了如图2C所述的这些先前的方法。这些方法由于控制光纤与V型槽的严格过盈值是十分困难的，因而光纤断裂是个重大的问题。

图7B是图7A装置的外形图。

图8A说明本发明棒束设计的另一具体装置，它应用两根棒820，821和一半圆插块800在套筒830内面。另外此配置也可用一个半圆柱孔套筒实现。这图形是Descartes’理论的特殊情况。里面3相切圆之一用直线代替。亦即具有零曲率的圆，或无限大的半径。Soddy圆方程三切圆以曲率k₁，k₂和k₃表达而不是它们的半径：

k₄ = k₁+k₂+k₃±2

如果k₃=0 亦即圆3是直线，相应简化为：

k₄=k₁+k₂±2

例如，如果棒1和2每棒的半径为0.25mm，对应的曲率k₁和k₂是4mm，k₄对应机械接合的孔隙曲率是16mm。这样孔隙相配单式光纤其径为0.125mm。外圆(r₄ ^-)是直线890。套筒内径1D835有一精确的几何解。本例是0.5625mm。套筒内径1D835与精准孔隙同心并与两棒820，821相切，插块800的平面偏离中心一光纤半径，与套筒内径835的半径相同。

图8B阐示这装置的等轴图，图8C是有倒角810以便于插入的半圆插块800的等轴图。用于3棒束配置的同样的杆尺寸料箱分类也可用于这装置，以放宽的机械公差，从规定棒尺寸公差在±0.003mm的不同料箱中取的棒的配合可取代规定尺寸公差为±0.001mm的棒，从而控制孔隙尺寸在0.0005mm内。

本设计的优点是接合棒束（即两棒820，821）小于3-棒束。因而特别适用在小型号预抛光光纤接头。平面半圆插块800可用与棒相同的材料制造以产生要求精确间隙尺寸的孔隙，或者用弹性材料制造，使用合适尺寸的棒820可用于产生任何期望的小于正常尺寸孔隙。图8D说明棒820嵌入弹性的半圆插块800产生缩小尺寸的孔隙840。这提供了与图7用弹性内衬820设计的同样优点。弹性材料的硬度和假想孔缩小尺寸值可取具最佳值使光纤能在合适的可塑性下插入和不断裂。弹性插块800逼使光纤100紧靠棒820校准光纤作接合。比较理想的是套筒830与插块800以工程塑料模压成一半圆柱孔套筒，以减少零件数量。由于本发明的接合程序不含用以给光纤加压的可动的夹紧和启动零件，没有了易损的校准零组件，实现了稳定和刚性的机械接合器，在接合中和接合后，甚至不利的环境条件下，都具有坚固的功能特性。

本发明所述的用于光纤机械接合器的棒束，可以很容易地与预抛光套管和光纤线段结合作为预抛光接头应用于现场接头终接如图11所示。这样棒束50也可与光纤夹持器组合如图13A所示。套筒外径（OD）与孔内径131（1D）同心及必然与光纤134的光轴同心。套筒外径OD136可作为基准和方便用作光纤夹持器的光纤位置校准的参考，以作进一步的光纤加工。由于本发明的棒束能直线地夹持光纤在相对于光纤夹持器基准的十分精确的位置，工作者可作只与轴向相关的游动作检验或对光和校正，而不用担心3维或4维的不同方向变换和光纤的转动操作。图14阐示结合本发明的棒束142稳定和直线夹持光纤700的光纤装置。它装有一个无源或有源的光学元件145，它的安装位置143可与夹持器外径OD152同心及必然与棒束142同心，而光纤位置可十分精准地控制。光纤端面151的理想位置可容易调节。图15A阐示光纤夹持的又一可能结构。它由同尺寸的棒149与150基于Soddy圆几何模式组成具有偏心的光纤轴。图15B阐示也可加一块附加的半圆插块产生另一精准的孔隙作双光纤夹持与精确的分隔。本发明的双光纤夹持器大大简化组装上的设计可应用于在单个元件内作发射和检测。

推介具体装置的说明

图9A阐示一推介的机械接合装置的等轴图。小窗口738是便于目测检验接合质量。图9B阐示说明图9A接合器详细结构的横截面图。光缆700在适当的长度上剪开和剥离露出裸光纤100以作接合。端面210通常涂上匹配光胶以减少Fresnel反射损耗。3-棒束50从料箱选取合适棒尺寸组合构成与要接合的光纤给定尺寸相适应的精准孔隙，棒束50被圆柱形主体730包封。主体有一通孔尺寸731对应Soddy外圆尺寸。实用上主体是由较软的材料如黄铜制成孔731的公差规定为+0.000/-0.010mm这样棒束可容易地以压配合压入。孔731也可涂上一层可塑性材料739如硅橡胶，使孔731的公差可以更宽，两端罩720预装有夹头740可用螺纹或压配合装入主体730，把棒束50横向的包围在主体内，端盖710以滑配合或螺纹770组装到端罩720，而此时夹头740仍未被端盖的倒角737收紧，直至实际的接合出现，如下再述。夹头740同心地位于端罩720一边，以开缝孔732让光纤穿过端盖的倒角口910插入。工作时，用工具夹持两光纤线段使其相会，及在棒束50的中间位置相互对接，端盖710可进一步推进，使倒角737压在夹头倒角790上以收紧夹头，用螺丝操作或用弹簧驱动。因而夹头将夹紧光纤在位置750附近。此外，护罩735安装在端盖710上，用以减轻光缆700的应力。

图10A-10D阐示推介的结合本发明机械接合器的预抛光接头套管夹持器装置。图10A阐示一套管夹持器具有孔径170，其设计是为了包装3-棒束160。另一方面这孔也可涂覆弹性材料以获得更大的机械可塑性包紧3-棒束160。棒束160压配合到孔170内以后套管155压配合到套管夹持器的插入孔180完全包围3-棒束160。光纤线段163从平面166插入套管，剥开端190在机械接合器束160中部适当定位，然后加环氧树脂珠161并凝固以固定光纤线。环氧树脂凝固后切除伸出端面166的过长光纤，以备工厂抛光。图10B阐示最终产品80，一个由图10A器件产生的预抛光套管光纤线段组件。折射率相配的光胶常加在剥开端190以降低Fresnel反射效应，这典型地改善单模传送损耗。图10C阐示预抛光套管光纤组件80与已安装的夹头740和通过螺纹770旋入的尾盖710的组合。图10C构成对900μm外被光缆的SC预抛光接头内部装置90。图11A是结合本发明机械接合器的广泛使用的含900μm光缆的SC型光纤接头的等轴图。图11B是图11A的SC型接头的横截面图。它结合图10C的预抛光套管光纤线段接头内部装置90，终接现场光缆70，类似图9所示的机械接合器。

图12是一多光纤机械接合器装置。图12A是顶视图，图12B是A-A剖面图，图12C是抛光平片123嵌入半壳体122和棒排820套入另一半壳体121的U型管道129的详细图。两半壳体可用螺丝组合，这样棒排压向平片123的平面139形成与光纤线段100精准配合的孔隙，应用Soddy圆方程式可得到。r₁，r₂或r₃之一是零曲率（或无限大半径），（这里任意取r₃）外圆r₄-也一样。r₃相应于平面139，r₄ ^-相对于包容平面129。依此可计算出合适的棒尺寸820，履行本发明提议的按棒尺寸材料箱分类，孔隙的精度也大大提高。实际上，平片123是用聚合物制造提供可塑性与令棒排820倾向一方的弹簧机构125一道使它们相互靠紧保证棒排紧密包封：对N+1根棒，有N个精准孔隙形成可构成N多光纤机械接合器，此外，平片123的弹性产生光纤紧密对接的摩擦夹持力，对临时性的密集光纤接合排是必需的。平片123的硬度可优选使光纤可以很小的力插入不会断裂，而径向，角度和横向偏移仍满足性能要求。

图13A是应用本发明的光纤夹持器装置的等轴图。图13B是说明棒束132（r₁，r₂，r₃）压配合到光纤夹持器座133的内孔131（r₄ ^-）的横截面图。棒尺寸的选择取决于控制光纤线段的孔隙尺寸和孔隙间隙，光纤线段或光缆700沿后盖910的倒角口滑入，穿过夹头740以棒束132的精确孔隙导向。光纤夹持器座外径OD136加工到以很高的精度与孔131同心。必然地棒束132产生的假想孔与光纤夹持器的基准OD136同心。这样，光纤134的径向位置相对基准136精准地固定，光纤134可在精确同心定位下在轴向前后移动作光纤的进一步操作。夹头740固定了光纤位置没有任何张力或弯曲力加于光纤。任何这些应力是有害于光的传输性能，例如高偏振相关的损耗。在这装置中，光纤夹持器的主体可设计为一般通用的光纤接头组成零件，比如FC接头类型螺母135连接，和旋入FC接头连接部分。这设计能在轴向调整光纤，便于准确的光检测，对光，减幅或其他处理如光纤端面抛光工序等等。

图14阐示—装置，里面光纤部件141有一孔144（r₄ ^-）包容本发明的棒束142（r₁，r₂，r₃）。型腔143加工到非常精确地与孔144同心，同心地夹持一无源或有源的光学元件145。光缆700插入以棒束142导向和校准，与无源或有源元件145的光轴重合，这装置大大地简化光校准。

图15A阐示另一光纤夹持装置。按Soddy圆方程，选取适当的棒尺寸使光轴对基准155偏心一给定的理想距离149。图15B阐明加一附加半圆平插块800，产生一附加的精准孔隙，以夹持另一光纤。这是具有特定光纤间隔的双光纤夹持器，用于在同一部件内作进一步的光纤加工和检测。

总的来说，本发明应用适当从料箱选取直棒的棒束，形成非常精准的直假想孔作光纤线段机械接合。由于降低对严紧机械公差的要求，这些棒是容易加工的。应用Soddy圆几何方程，作为光纤机械接合具有最佳间隙的精准孔隙尺寸是可计算出来的。套筒的尺寸也可精准确定，因而不需要夹紧和启动机构扎紧棒束。形成这孔隙的先前方法是通过一块实心材料占孔或开槽形成，这是十分难精密加工的。另一先前方法称棒束的棒尺寸是超级精密，于是成本增加到不切实际的程度。相反，本发明的棒束具成本效益和可用于机械接合器，预抛光接头，或光纤夹持器，从Soddy圆方程的精确解，构成的棒束可配合任何尺寸的光导纤维并具有很高的精度，也可容易和可靠地构成孔隙而被很精确控制的间隙使光纤线段在轴向活动得以作接合和精确校准程序，而没有不需要的应力加于光纤或引致光纤断裂。

在这里本发明不打算将其范围仅限制在具体装置的展露，有技术经验者可分辨出可能的变化和改进都不离本发明的概念。例如一或两根校准杆可用弹性材料造成另一根则用硬金属，具可见光源的附件可加到本装置上以方便目测检验。或者夹头可用软的材料如黄铜制造。不同的附加零件也可用来夹持900μm和/或3mm的外被。本发明的目标应构成考虑到的专利范围。

Claims (10)

1.一种光纤维对接方法，由以下组成：第一，第二和第三根直圆柱形，相切的棒，每根有相关外径，该第一根棒选自第一料箱，料箱内含第一料箱棒半径范围的棒，上述的第一棒具有第一半径；该第二根棒选择第二料箱，料箱内含第二料箱棒半径范围的棒，上述第二棒具有第二半径；该第三根棒选自第三料箱，料箱内含第三料箱棒半径范围的棒，上述第三棒具有第三半径；上述的第一，第二和第三棒形成一棒束被包围在具有内半径的套筒内：上述被包围的棒束具有Soddy圆图形的垂直截面，里面上述第一，第二和第三圆柱形棒的半径对应于Soddy圆r₁，r₂和r₃，上述套筒的内半径与相对Soddy圆r₁，r₂和r₃的外Soddy圆半径r₄ ^(-)相关联；上述截面内有一内孔隙，孔隙半径与相对Soddy圆r₁，r₂和r₃的Soddy内圆半径r₁ ⁽⁺⁾相关联；其特征是上述第一，第二和第三料箱棒半径范围使形成上述第一，第二和第三根棒构成上述的内孔隙具有用户确定值和用户确定公差的孔隙半径，该内孔隙用以固定光纤线段控制最小间隙做校准，连接和接合的至少一种功用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是上述的棒束，里面该套筒内衬由可塑性材料组成及该套筒内衬的内半径小于上述Soddy圆外半径r₄ ^(-) Soddy圆r₁，r₂和r₃是用户确值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是上述的棒束，里面该套筒内衬由可塑性材料组成及该孔隙半径小于用户确定的光纤半径值，以提供光纤的保持力。

4.一种用于光纤维对接的机械接合器，其特征是光纤机械接合器里面上述用以夹持光纤线段紧密接触的机械制动光纤线段的装置包括：两端盖，每个都连接到外罩，同时使夹头抓住光纤的外被涂层，把光纤推向该棒束的中心，因而两光纤线段在该棒束中心附近接触。

5.根据权利要求4所述的用于机械接合器，其特征是光纤机械接合器还包括两光纤线段之间有一接合面，和进一步包括匹配光胶加到该接合面上以调节该两光纤间的光传送，并加有通气孔及存储匹配光胶。

6.一预抛光光导纤维接头，其特征是：

（1）、一预抛光套圈光纤线段组件内包括一套圈和一套圈夹持套管，用以夹持该第一预抛光光纤线段；而里面上述棒束配置在该套圈夹持套管内；

（2）预抛光光导纤维接头，进一步包括两光纤线段间有一交接面，更包括匹配光胶加于上述交接面上以调节两光纤间光的传送。

7.一棒束最少有一内孔隙固定光纤线段作校准，连接和接合中最少一种操作方法，其特征是：

该棒束包括：第一和第二直圆柱形相切的棒紧夹与一平面接触，该内孔隙在与第一和第二棒与平面之间；

第一和第二棒具有选定的半径使根据Soddy圆几何产生一用户给定半径的孔隙，该第一棒选自第一料箱内含第一料箱棒半径范围的棒；该第一棒有第一半径，该第二棒选自第二料箱内含第二料箱棒半径范围的棒，该第二棒有第二半径；该第一和第二料箱棒半径范围配置使得第一和第二棒形成的内孔隙具有用户确定值和用户确定公差的孔隙半径，该第一和第二棒相对于Soddy圆r1和r2。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，该棒束，进一步包括最少再加上一根附加棒形所成棒排，每根棒与所有相邻的棒相切，每根棒并与上述平面接触，

该棒束有多个该两棒与该平面间的内孔隙，每一上述的棒选自一料箱内含具一种棒半径范围的棒，上述棒的配置使得每一上述的内孔隙具有用户确定值和用户确定公差的孔隙半径，每一上述内孔隙用以固定一光纤线段；多光纤机械接合器包含项该棒束。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征是：

（1）、里面该第一和第二棒紧夹在有一半径的套筒的半圆柱部位，上述的平面是该套筒半圆柱部位的平面；

（2）一光导纤维机械接合器校准，连接和对接最少两光纤线段以作接合，包括项13的方法；

（3）预抛光光导纤维接头作第一预抛光光纤线段与第二光纤线段连接，预抛光光纤套圈横向包围棒束在套圈套管内及端盖外罩，光纤涂层夹头使光纤线段端通过对接的机构；

（4）、棒束里面该套筒的半圆柱部位包括内有一半圆柱插块的圆柱套筒，和一半圆柱套筒两者中之一。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征是：

（1）包括权利要求1棒束的配置使孔隙控制到最小，使该光纤端面能相对于套筒作轴向位置调节；

 （2）进一步包括一光学装置安装在一安装面上与套筒的内半径同心，该安装面包含上述棒束和上述的光纤线段。

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