CN103299224B - 带有具有相对的成一定角度的平表面的透镜的光连接器 - Google Patents

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Abstract

揭示了一种将至少一个光源光连接到至少一个光接收器的光连接器。所述光连接器包括第一和第二连接器构件，它们分别具有第一和第二正光焦度透镜元件，这些透镜元件分别具有第一和第二平面透镜表面。这些透镜元件排列在其各自的连接器构件中，使得当两个连接器构件可操作地配对时第一和第二透镜形成光学系统，在该光学系统中，第一和第二平面透镜表面是相对地间隔开且其间有窄间隙，并且第一和第二平面透镜表面不垂直于光学系统轴。这些透镜可以是常规的具有凸表面的均匀折射率透镜，或者可以是具有两个平表面的梯度折射率透镜。所述光连接器可容忍以某种方式进入所述窄间隙的污染物。

Description

带有具有相对的成一定角度的平表面的透镜的光连接器
相关申请交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求2011年1月11日提交的美国临时申请61/431,517的优先权，其全部内容通过引用而结合于此。
技术领域
本申请涉及光连接器，尤其涉及带有具有相对的成一定角度的平表面的透镜的光连接器。
背景技术
光纤正越来越多地被用于各种应用，包括但不限于宽带语音、视频和数据传输。随着消费类设备越来越多地使用更大的带宽，预计用于这些设备的连接器将朝着远离电连接而使用光连接或电与光连接的组合的方向发展以满足带宽需求。
一般而言，用于远程通信网络等的常规光连接器并不适于消费类电子设备。例如，常规光连接器与消费类设备及其接口相比是相对较大的。另外，常规光连接器需要非常小心地部署到相对干净的环境中，并且一般在连接之前需要手工清洗。这种光连接器是高精度连接器，设计用于减小在光网络中配对的连接器之间的插入损耗。此外，尽管远程通信中所使用的光连接器是可重新配置的（即，适于配对/分离），但是它们并不旨在用于通常与消费类电子设备相关联的数目相对较大的配对周期。
除了要用数目相对较大的配对/拆散周期来操作之外，消费类电子设备通常被用在污染物无处不在的环境中。结果，用于商品化的电子设备的光连接器必须被设计成使得任何污染物（例如，灰尘、泥渍、碎屑、流体等，它们以某种方式进入到光连接器中）不会实质性地降低光连接器性能。
此外，光连接器应该被设计成使得被反射的光并不返回到光源，并且使得多次反射并不会引起干涉效应（干涉效应可能会削弱系统性能）。通过向光路中的表面施加防反射涂层，可以减小光反射的削弱效应。然而，这种防反射涂层增大了光连接器的复杂度和成本。
减小光反射的另一种已知的方法是：在光学表面之间提供折射率匹配的流体。然而，在光学表面相接之处连接器需要定期地断开连接和进行连接的那些应用中，使用折射率匹配的流体并不现实。因此，期望有一种光连接器原本就能抑制光反射的不利影响而不使用防反射涂层或折射率匹配的流体。
此外，某些消费类电子设备具有用于进行连接的尺寸与空间限制，并且可能并不顺从于直的光连接，使得带弯曲的光连接器也是令人期望的。
发明内容
本公开的一个方面是一种用于将至少一个光源光学地连接到至少一个光接收器的光连接器。所述光连接器包括第一和第二连接器构件，它们分别具有第一和第二正光焦度透镜元件，这些透镜元件分别具有第一和第二平面透镜表面。这些透镜元件排列在其各自的连接器构件中，使得当两个连接器构件可操作地配对时第一和第二透镜形成光学系统，在该光学系统中，第一和第二平面透镜表面是相对地间隔开且其间有窄间隙，并且第一和第二平面透镜表面不垂直于光学系统轴。这些透镜可以是具有凸表面的常规透镜，或者可以是各自具有两个平表面的梯度折射率透镜。所述光连接器可容忍以某种方式进入所述窄间隙的污染物。
本公开的另一个方面是一种用于将光源光学地连接到光接收器的光连接器。所述光连接器包括第一连接器构件，所述第一连接器构件具有第一前部，所述第一前部具有第一前端；并且所述光连接器包括被安排在第一前部处的第一透镜，所述第一透镜具有第一轴、第一正光焦度和第一平表面，且所述第一平表面最靠近所述第一前端。所述光连接器也包括第二连接器构件，所述第二连接器构件具有第二前部，所述第二前部具有第二前端；并且所述光连接器包括被安排在第二前部处的第二透镜，所述第二透镜具有第二轴、第二正光焦度和第二平表面，且所述第二平表面最靠近所述第二前端。所述光连接器是通过配对地啮合所述第一和第二前端以形成光学系统而形成的，所述光学系统具有从所述第一和第二轴形成的光轴，所述第一和第二平表面相对地间隔开且成一定角度以便不与光学系统轴相垂直。
本公开的另一个方面是一种在至少一个光源和至少一个光接收器之间形成光连接的方法。所述方法包括将第一连接器构件连接到第二连接器构件，第一连接器构件具有至少一个第一透镜，该第一透镜具有第一正光焦度和第一平表面，第二连接器构件具有至少一个第二透镜，该第二透镜具有第二光焦度和第二平表面。连接所述第一和第二连接器构件就从所述至少一个第一透镜和至少一个第二透镜形成了至少一个光学系统，第一和第二平表面相对地间隔开并且成一定角度以不与相应的光学系统轴相垂直。所述方法也包括使光通过至少一个光学系统从至少一个光源传播到至少一个光接收器。
本公开的另一个方面是一种用于将工作波长的光从光源传递到光接收器的光连接器。所述光连接器包括第一连接器构件，所述第一连接器构件具有第一后部和第一前部，所述第一前部具有第一前端，第一透镜位于第一前部中，第一透镜具有第一正光焦度和在第一前端附近的第一平表面，第一透镜具有第一焦平面和第一透镜轴。所述光连接器也包括第二连接器构件，所述第二连接器构件具有第二后部和第二前部，所述第二前部具有第二前端，第二透镜位于第二前部中，第二透镜具有第二正光焦度和在第二前端附近的第二平表面，第二透镜具有第二焦平面和第二透镜轴。第一和第二前部被配置成配对地啮合以从第一和第二透镜形成光学系统，其中，所述光学系统具有由共轴的第一和第二透镜轴定义的光学系统轴，第一和第二平表面是相对的且间隔开，并且成一定角度以不与光轴相垂直。
将在以下详细描述中阐述附加的特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的发明可认识到。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者给出诸实施例，并旨在提供用于理解实施例的本质和特性的概观或框架。包括的附图提供了对本公开的进一步的理解，且被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图示出了多个实施例，并与详细说明一起用来解释其原理和操作。
附图说明
图1是根据本公开的示例性光连接器的侧视图；
图2是图1的连接器组件的示例性光连接器的特写纵向横截面图；
图3是图2的光连接器的示例性光学系统的特写图，也示出了插头和插座光纤，其各自的末端被安排在插头和插座透镜的相应焦平面处，其中，平的透镜表面是彼此平行的但是并不垂直于光学系统轴；
图4相似于图3，并且示出了光连接器的光学系统的示例性实施例，其中，平的透镜表面既不彼此平行也不垂直于光学系统轴；
图5相似于图4，并且示出了在平的透镜表面之间的间隙被空气填充时光从插头光纤经过光学系统到插座光纤的示例性路径；
图6相似于图5，并且示出了间隙被流体填充的示例；
图7是光连接器的示例性光学系统的特写视图，示出了与相应的成一定角度的平透镜表面42A和44B相关联的两个角度θA和θB；
图8相似于图5，并且示出了光从平的透镜表面反射，以形成在插头光纤的方向上往回传播但并不进入该插头光纤的反射光；
图9相似于图8，并且示出了一个示例，其中，来自平的透镜表面头的双重反射光在插座光纤的大致方向上并未大量进入该插座光纤中。
图10是示例性的单式光连接器的倒置透视图，插头与插座具有单式结构，插头包括大致直角的弯曲；
图11是图10的单式光连接器的纵向横截面图；
图12是图10的示例性单式光连接器的特写侧视横截面图，示出了碎屑存在于平的透镜表面之间的间隙中的示例；
图13相似于图12，并且示出了流体存在于平的透镜表面之间的间隙中的示例；
图14相似于图2，并且示出了插头和插座透镜是GRIN透镜的示例性实施例；
图15和图16相似于图3和图4，并且示出了插头和插座透镜是GRIN透镜的示例性实施例；
图17相似于图10，并且示出了包括GRIN透镜的单式光连接器的示例性实施例的透视图，该单式连接器内部的元件是以剖视图示出的；以及
图18相似于图11，并且示出了图17的单式光连接器的示例的横截面图，所示的单式光连接器具有存在于光纤缆线槽中的插座光纤缆线。
详细描述
图1是根据本公开包括光连接器10的示例性连接器组件100的侧视图。图2是图1的连接器组件的示例性光连接器10的特写纵向横截面图。光连接器10包括第一和第二配对连接器构件12A和12B，它们具有相似的（但并不一定相同）结构。为了便于描述，连接器构件12A在本文中被称为“插头12A”，连接器构件12B被称为“插座12B”。注意到，这种术语是可选的并且可以反过来。在附图中，光从左向右传播，除非另外指明。
连接器组件100包括插头和插座光纤缆线110A和110B，它们被分别连接到光连接器10的插头12A和插座12B。插头和插座光纤缆线110A和110B分别带有至少一个插头光纤32A和至少一个插座光纤32B。连接器组件100包括相应的应变消除构件（“护套”）112A和112B，用于盖住光纤缆线110A和110B分别与插头12A和插座12B相接的连接器组件的相应部分。
参照图2，插头12A包括插头外壳14A，该插头外壳14A具有插头外壳主体16A，该插头外壳主体16A具有前部17A和相对的后部20A，该前部17A具有前端18A。同样，插座12B包括插座外壳14B，该插座外壳14B具有插座外壳主体16B，该插座外壳主体16B具有前部17B和相对的后部20B，该前部17B具有前端18B。插头和插座主体16A和16B被配置成限定相应的插头腔和插座腔60A和60B。
插头12A和插座12B使其各自的前部17A和17B配置成配对地啮合于其各自的前端18A和18B，以在插头和插座之间通过一个或多个光路来建立光通信，正如下文所描述的那样。
在一示例中，插头和插座主体16A和16B被配置成在其各自的后部20A和20B处支持至少一个插头套圈24A和至少一个插座套圈24B。插头套圈24A和插座套圈24B具有各自的前端26A和26B以及各自的中心孔28A和28B。套圈中心孔28A和28B被分别确定尺寸以容纳各自的插头和插座光纤32A和32B，它们具有各自的端面34A和34B，该端面34A和34B存在于套圈前端26A和26B处或附近。插头和插座光纤32A和32B具有相应的纵向光纤轴AFA和AFB（参见图3和4）。纵向光纤轴AFA一般表示光源轴，纵向光纤轴AFB一般表示光接收器轴。
同样，插头和插座主体16A和16B被分别配置成在其各自的前部17A和17B处支持至少一个插头透镜40A和至少一个插座透镜40B。插头透镜40A和插座透镜40B使其各自的焦平面PA和PB位于其各自的后部20A和20B处（例如，在套圈前端26A和26B处或附近）。插头透镜40A和插座透镜40B也具有各自的透镜轴AA和AB（参见图3和4）。当插头12A和插座12B配对以形成光连接器10时，插头透镜40A和插座透镜40B构成光学系统41。焦平面PA和PB也用作光学系统焦平面。
如下所述，焦平面PA和PB在组合起来形成光学系统41时不需要彼此平行。在一示例中，焦平面PA和PB一般表示光学系统41的最佳焦点位置（光大致聚集之处），并且并不一定表示使光成为点状焦点的位置。焦平面PA和PB由此可以被视为光学系统41的像平面，排列在焦（像）平面PA处的光源被成像到焦（像）平面PB处的光接收器上。
在一示例中，插头和插座透镜40A和40B中的至少一个是由单个光学元件构成的，而在另一个示例中，插头和插座透镜中的至少一个是由多个光学元件形成的。
在一示例中，插头和插座光纤32A和32B分别排列在插头和插座套圈24A和24B中，使得光纤端面34A和34B从各个套圈前端26A和26B延伸到相应插头腔和插座腔60A和60B中。由此，插头和插座光纤32A和32B的相应光纤端面34A和34B与相应插头和插座透镜40A和40B间隔开，并且一般被放置在相应焦平面PA和PB处。由此，插头和插座光纤32A和32B（它们一般表示光源和光接收器）通过各自的插头腔和插座腔60A和60B经由光学系统41的操作而彼此进行光通信。
在一示例中，插头腔和插座腔60A和60B是用空气填充的，而在其它示例中，这些腔是用另一种气体、或固体、或流体、或胶状介电材料填充的，它们对于光连接器10的工作波长是透明的。光连接器10的示例性工作波长包括光通信波长850nm、1310nm、1550nm中的一个或多个。其它示例性工作波长包括：与垂直腔表面发射激光器(VCSELS)相关联的波长，比如980nm和1060nm；以及用于基于硅的光源的1300nm和1600nm。在一示例中，光连接器10的工作波长是在从约850nm到约1600nm的范围中。光连接器10可以在多个工作波长处工作。
图3是光学系统41连同插头和插座光纤32A和32B的特写视图。当通过插头12A和插座12B的配对连接而形成光学系统41时，插头和插座透镜40A和40B的透镜轴AA和AB是大致共轴的并且限定了共同的光学系统轴A1。插头和插座光纤32A和32B的光纤端面34A和34B大致存在于各自的焦平面PA和PB处。
在一示例中，插头透镜40A包括：凸的前表面42A，面向插头后部20A；以及平的后表面44A，位于插头前端18A处。插座透镜40B包括平的前表面42A，位于插座前端18B处；以及凸的后表面44B，面向插座后部20B。当插头12A和插座12B配对地啮合在其各自的前端18A和18B处以形成光连接器10时，插头透镜40A的平的后表面44A以及插座透镜40B的平的前表面42A是相对的并且间隔开以限定间隙48。在一示例中，间隙48具有在25微米和100微米之间的轴宽度WA（参见图7）。注意到，当光连接器10断开连接时，平的透镜表面44A和42B可以被视为外部表面，因为这些表面存在于各个插头和插座前端18A和18B处并且在插头和插座12A和12B断开连接时露出来。
在一示例中，相对的平的透镜表面44A和42B相对于光学系统轴A1是成一定角度的（即，并不垂直于A1）并且是彼此平行的。图4相似于图3，并且示出了光学系统41的示例性实施例，其中，相对的平的透镜表面44A和42B既不彼此平行也不垂直于光学系统轴A1。
用于透镜40A和40B的示例性材料包括：聚醚酰胺((PEI)，由通用电气公司以商标名称1010出售)，聚甲基丙烯酸甲酯，玻璃（包括玻璃，它是纽约州康宁公司的商标），塑料，氧化硅/氧化锗玻璃，甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸苄基酯的共聚物，以及透镜设计领域的技术人员所使用的上述的组合。在下文详细讨论的示例中，至少一个透镜40A和40B是梯度折射率(GRIN)光学元件，用于这种元件的示例性材料是上述硅石/氧化锗（例如，掺有锗的硅石）玻璃。具有至少一个GRIN透镜的光连接器10的示例在下文中被详细讨论。
下面的表1和表2阐明了示例性透镜设计参数。表1和2中所呈现的示例使用了均匀折射率透镜。然而，本发明也可应用于其它透镜类型，比如上述的GRIN透镜。在下面的表1和2中，使用了如下缩写：工作波长是λ，纤芯直径是DC(DCA,DCB)，光纤数值孔径是NAA和NAB，从光纤32A到透镜40A的顶点的距离是DVA，透镜40A和40B的直径是DA和DB，轴向间隙宽度是WA，透镜40A和40B的轴向厚度是THA和THB，从透镜40B的顶点到光纤32B的距离是DVB，光纤32B的光纤轴AFB相对于光轴A1的横向偏移是LATB，光纤轴AFB相对于光学系统轴A1的相对角度是，并且透镜40A和40B的折射率是nA和nB，
如果光学系统41被用于在相同的光纤之间耦合光120，则期望光学系统41具有等大放大率。然而，光学系统41不需要具有等大放大率。例如，除了等大之外的放大率可以通过针对凸的透镜表面42A和44B使用不同的曲率半径来实现。
光学系统41可以具有除了等大放大率之外的放大率的示例是当光源是有源发光器件（比如半导体激光器）且光接收器是光纤时。半导体激光器一般具有比光纤芯更小的横截面，并且一般也具有比光纤接受角更大的发散角。在这种情况下，光学系统41可以具有比等大更大的放大率，一示例放大率是在从1.5X到3X的范围中。
光学系统41可以具有除了等大放大率之外的放大率的另一个示例是：光源是光纤，并且光接收器是光检测器。光检测器一般具有比光纤芯更小的横截面以及比光纤所发射的光束的发散角更大的接受角。在这种情况下，光学系统41可以具有比等大更小的放大率。在一个示例中，放大率处于从稍微低于1X到0.33X（即，1:3）的范围中。
光学系统41可以具有除了等大放大率之外的放大率的另一个示例是当在不相似的光纤或波导之间进行耦合时。在这种情况下，光学系统41可以具有比等大更大或更小的放大率，这取决于发射和接收光纤的相对特征。注意到，为了避免实质性的光学损耗，接收光纤应该具有比发射光纤的光展量（etendue）更大或相等的光展量。
此外，在一个示例中，凸的透镜表面42A和44B的至少一个是非球面的。
参照图1-4，在连接器10的操作中，光120是从插头12A传输到插座12B。光120在插头12A中时被标识为光120A，在插座12B中时被标识为光120B。由此，在一示例中，在插头光纤32A中传播的光120A从插头光纤端面34A（该端面大致位于焦平面PA处）出射并且在穿过插头腔60A到插头透镜40A时发散了。在这一方面，插头光纤末端34A起到光源的作用。在下文所描述的实施例中，光源是采用有源器件的形式，比如发光二极管或激光器。
发散的光120A接下来入射到透镜表面42A上并且是大致准直的，由此形成大致准直的光120A，该光大致平行于光学系统轴A1而穿过插头透镜40A。准直的光120A接下来穿过成一定角度的平的透镜表面44A并且横跨间隙48到达插头透镜40B的成一定角度的平的透镜表面42B，由此形成了大致准直的光120B。
准直的光120A在穿过间隙48时发生了一些折射，因透镜表面44A和42B是成一定角度的平的透镜表面的缘故。然而，在相对的成一定角度的平的透镜表面44A和42B是平行的并且插头和插座透镜40A和40B是由相同的材料制成的情况下，构成准直的光120A和准直的光120B的光线是彼此大致平行的并且仅仅相对于彼此稍微移位。也注意到，成一定角度的平的透镜表面44A和42B不具有光焦度，这在考虑到间隙48中可能存在的污染物时是有利的，下文会更详细地描述。
大致准直的光120B接下来穿过插座透镜40B到达其凸的透镜表面44B，此处，准直的光120B被转换成会聚光120B，该光会聚到大致位于焦平面PB处的端面34B处的插座光纤32B上。在这种意义下，插座光纤端面34B用作光（光学）接收器。在图11所示的示例性实施例中，用有源器件（比如光检测器）来替代光纤端面34B。
在图4所示的示例中，焦平面PA和PB中的至少一个是相对于光学系统轴A1而倾斜的，即，并不垂直于光学系统轴。由此，在一示例性实施例中，光纤端面34A和34B中的至少一个是相对于光学系统轴A1而倾斜的，即，光纤轴AFA和AFB中的至少一个相对于光学系统轴A1而倾斜了角度（参见图4）。此外，在一个示例中，光纤轴AFA和AFB中的至少一个相对于光学系统轴A1而横向移动了距离LATA和LATB（如在光纤端面34A和34B处所测得的那样）。在一示例中，光纤轴AFA和AFB中的至少一个相对于光学系统轴A1而倾斜并移动，比如像图4的示例中所示的那样。
图5相似于图4，并且示出了当间隙48被空气填充时从插头光纤32A经过光学系统41到插座光纤32B的光路120。图6相似于图5，并且示出了间隙48被流体49（以水为形式）填充的示例，在850nm的工作波长处间隙48具有额定折射率nG=1.33。注意到，在流体49存在的时候，光路120基本上保持未变。这主要是因为成一定角度的平的透镜表面44A和42B不具有光焦度。如果透镜表面44A和42B具有光焦度，则间隙48中存在流体49将会减小光焦度并且实质性地改变光路120，这可能会实质性地减小耦合到插座光纤32B中的光120B的量。因为成一定角度的平的透镜表面44A和42B不具有光焦度，所以间隙48中存在流体49一般对穿过该间隙的光120不具有实质性的影响。
图7是由插头和插座透镜40A和40B所形成的示例性光学系统41的特写视图，并且示出了与插头透镜40A的成一定角度的平的透镜表面44A相关联的角θA以及与插座透镜40B的成一定角度的平的透镜表面42B相关联的角θB。角θA和θB是相对于与光学系统轴A1相垂直的线而测得的，并且通过几何分析分别表示透镜表面法线NA和NB相对于相应成一定角度的平的透镜表面44A和42B的光学系统轴形成的角。
在一示例中，角θA和θB被选定以优化光连接器10的性能，这在一示例中意味着下列之中的至少一个：使插头和插座光纤32A和32B之间的光耦合效率达到最大；使可进入插头和插座光纤的反射光的量达到最小；以及使因间隙48中存在污染物而导致光耦合的减少达到最小。使它回到插头光纤32A中的反射光可能干扰或以其它方式削弱原始光源（未示出）的正常操作，并且进入插座光纤32B的反射光可能在下游（例如，在光检测器（未示出）处）导致不想要的干涉效应。
为了让光连接器10被如此优化，角θA和θB需要足够大以减小或消除来自成一定角度的平的透镜表面44A和42B之一或两者的光反射的不利影响，但也需要足够小以使得间隙48中存在污染物并不显著地增大WA并使光以相对于插座光纤轴AFB的过大的角度到达插座光纤末端34B从而使它不能耦合到插座光纤32B。
角θA和θB的范围取决于具体的光学系统10，比如光源的尺寸和发射角、光接收器的尺寸和接受角度以及插头透镜40A和插座透镜40B的焦距。对于表1和2所呈现的示例性光学系统，角θA和θB可以是在从2度到7度的范围中，并且具有在从2度到4度的范围中的绝对差θA–θB。也注意到，角θA可以大于或小于角θB。
图5示出了在角θA=6度且角θA=3度的光学系统41的实施例。透镜40A和40B是由相同的材料（即上述PEI）制成的，并且具有在850nm的波长处的折射率nA=nB=1.6395。光纤32A和32B是多模的，芯直径DCA=DCB=80微米并且数值孔径NAA=NAB=0.29。
图8相似于图5，但是示出了光120A被从成一定角度的平的透镜表面44A和42B反射以形成反射光120R1，该反射光往回在光纤32A的方向上传播。然而，成一定角度的平的透镜表面44A和42B的角θA和θB被选择从而使得光120R1并不进入光纤32A中。
图9相似于图8，并且示出了一示例，其中，光120A首先被成一定角度的平的透镜表面42A反射以形成反射光120R1并且接下来再次被成一定角度的平的透镜表面44B反射以形成反射光120R2，该反射光在光纤32B的大致方向上前行（参见特写插图）。因为角θA和θB的选择，所以双重反射光120R2的大部分并不进入光纤32B，由此防止了反射光带来的不期望有的干涉效应。
上文所介绍的图6示出了在间隙48被在850nm的波长处具有折射率nG=1.33的流体填充时从插头12A传播到插座12B的光120。由此，在一示例中，角θA和θB被选定从而使得连接器10的性能基本上不变小，即使在以流体49为形式的污染物填充了间隙48的情况下。
作为示例，考虑以水为形式的流体49，它在850nm的工作波长处具有折射率n=1.327。间隙48可以足够小，使得光连接器10周围的流体49可以通过毛细作用而被吸到该间隙中，由此填充了间隙48。当光120穿过间隙48并且到达光纤32B时，流体49的存在可以改变构成光120的光线的位置和角度。
如上所述，光连接器10被配置成使得间隙48的轴向宽度WA一般较小。小间隙48确保了陷在间隙中的任何流体污染物49的厚度也较小，使得光120穿过流体污染物的光衰减较小。由此，即使流体污染物在一般使用时看起来基本上不透明，但在薄层中这种污染物的光衰减应该是最小的。此外，在靠近计算设备时吃的许多食物通常是基于水的，所以使用水作为间隙材料时光连接器性能的估计被相信代表了真实生活的经验。
平均在800nm到859nm范围内的波长处，穿过0.001英寸的示例材料的示例性光学透射值被列在下面的表3中。所列的材料构成了光连接器的可能的污染物：
在图6的示例中，θA=6度并且θB=3度，基本上所有的光120B被耦合到光纤32B中，即使在间隙48被以水为形式的流体49所填充的时候。如上所述，这主要与小间隙宽度WA有关，并且还与没有光焦度的平的透镜表面44A和42B有关。此外，因为流体49具有折射率n>1，所以它减小了来自平的透镜表面44A和42B的反射损耗，使得流体49的存在仅仅使光连接器10的耦合效率稍微（即非实质性地）变差了，例如，使其变差了小于约0.2dB。
由此，在一示例中，成一定角度的且平的透镜表面44A和42B在形成光学系统41的过程中被组合时具有下列一般的性质：它们不具有光焦度，这可能通过在间隙48中存在污染物而被不期望地改变；它们彼此相对并且间隔开，并且以相对于光学系统轴A1而测得的相应角θA和θB成一定角度，这些角度被选择以使得来自平的透镜表面中的任一者的后向反射并不导致大量反射光120R1往回耦合到光纤32A或者更一般地往回朝着光源120A耦合；角θA和θB被选择以使得双重反射光120R2并不耦合到光纤32B中；角θA和θB被选择以使得因表面之间的间隙48中存在流体49而导致光120发生的偏移和移位是可接受地小的，即，最多导致耦合到光纤32B中的光120B的量有非实质性的变化。
单式光连接器
图10是示例光连接器10（“单式光连接器”）的倒置透视图，其中，插头和插座12A和12B各自具有单式结构，插头具有基本上直角的弯曲。图11是图10的单式连接器10的纵向横截面图。在图10和11中，笛卡尔坐标被示出以便参考。
单式光连接器10非常适于在至少一个光纤32B和相应的至少一个有源器件33A（比如激光器或光电二极管）之间提供光耦合。有源器件33A被显示成安装在母板35A上并且位于平面PAD中，该平面PAD基本上垂直于相交的光学系统轴A1。在一示例中，有源器件33A被安装在母板35A上，使得光120A在插头12A之内经历基本上直角的弯曲，正如下文所描述的那样。注意到，单式光连接器10适于将多个光纤32B连接到多个其它光纤32A或者连接到多个有源器件33A，由此在插头12A和插座12B之间创建多个光路。
继续参照图10和11，在一示例中，插头主体16A和插座主体16B各自具有通过模制或机器加工而形成的单式结构。在另一个示例中，插头主体16A和插座主体16B中的至少一个是由多个工件形成的。此外，在一示例中，插头主体16A和插座主体16B是由对连接器10的工作波长透明的材料制成的。一种示例性材料包括透明的树脂，它透射在上述光通信波长（比如850nm、1310nm和1550nm）中的一个或多个处的光120，或更一般地讲，它透射在上述从约850nm到约1600nm的工作波长范围的波长处的光。一种示例透明树脂是上述PEI，它在850nm的波长处具有1.6395的折射率。
插头主体16A包括成一定角度的表面SM，该表面相对于光学系统轴A1基本上以45度角取向，使得光学系统轴折叠了大致90度。成一定角度的表面SM限定了用于插头主体16A的通过全内反射进行工作的内部镜子，由此在光120A的一般光路中形成了基本上90度的弯曲。在一个示例中，凸的透镜表面42A和平的透镜表面44A是插头主体16A的一部分，并且与之整体地形成，例如，通过模制或机器加工而形成。腔60A作为开口的凹陷而形成于插头主体末端15处。
在一示例中，插座主体16B包括孔28B，该孔28B具有轴A28，其中，该孔被确定尺寸以容纳光纤32B。尽管图11示出了轴A2、AFB和A28全是共轴的示例，但是孔28B可以具有不与光学系统轴A1相平行的孔轴A28，使得插座光纤32B的端面34B可以相对于光学系统轴而倾斜。腔60B被显示成作为开口的凹陷大致形成于插座主体16B的中心，尽管按照需求该开口的凹陷可以形成为更加靠近该插座主体的一端或另一端。腔60B也可以作为闭合腔而形成，这允许该腔被流体填充。在一个示例中，凸的透镜表面44B和平的透镜表面42B是插座主体16B的一部分，并且与之整体地形成，例如，通过模制或机器加工而形成。
如在上文所描述的示例光连接器10中，在示例性单式连接器10中，透镜表面44A和42B是成一定角度的且是平的，并且不是平行的，即，既不垂直于光学系统轴A1也不彼此平行。
在单式光连接器10的操作中，来自发光有源器件33A的发散光120A是通过腔60A朝着凸透镜42发射的，这形成了大致准直的光，该光穿过基本上围绕着光学系统轴A1且以A1为中心的插头主体16A的一部分。准直的光从成一定角度的表面（内部镜子）SM内反射大致90度，并且朝着平的透镜表面44A前进。注意到，光120A穿过的插头主体16A的部分有效地限定了透镜40A。此外，在这种配置中，有源器件33A所处的平面PAD与焦平面PA共平面，并且基本上平行于由成一定角度的表面SM所形成的光学系统轴A1的折叠部分，该折叠部分穿过插座12B。
接下来，光120A穿过平的透镜表面44A和间隙48，并且作为光120B在平的透镜表面42B处进入插座12B的插座主体16B。接下来，光120B作为基本上准直的光而穿过插座主体16B，直到它到达凸的透镜表面44B。凸的透镜表面44B使基本上准直的光120B聚集以形成会聚光120B，该聚光120B穿过腔60B并且在位于焦平面PB处的端面34B处会聚到光纤32B上。接下来，光120B作为被引导的光而在光纤32B中传播，最终从插座12B出来，并且传播到其下一目的地，该目的地可能是另一个有源器件（未示出，比如光检测器）或无源器件（未示出，比如另一个光纤）。
图12是图10和11的示例单式光连接器10的特写侧视横截面图，示出了污染是以碎屑片200的形式存在于间隙48中的示例（例如，灰尘、粗砂等）。碎屑200的存在并不导致实质性的后向反射或干涉效应，但是对于不透明的碎屑而言可能出现一些衰减。图13相似于图12，并且示出了流体49存在于间隙48中的示例。如上所述，流体49的存在并不实质性地影响单式连接器10的性能，因为间隙宽度WA相对较小，还因为成一定角度的平的透镜表面44A和42B不具有光焦度。
图10-13的连接器10的光学系统42具有与上述相同的一般性质，且增加的性质是大致90度的弯曲促进了与安装在平面PAD中的有源器件33A的耦合，在一示例中该平面PAD大致平行于穿过插座12B的光学系统轴A1的那部分。
本文所揭示的光连接器10被设计成在光辐射源（即光源）和光辐射接收器（即光接收器）之间提供光耦合。光辐射源可以是光波导（比如光纤）或能发光的有源器件（比如激光器）。光辐射接收器可以是光波导（比如光纤）或能检测光的有源器件（比如光电二极管）。光连接器10一般被配置成减弱因间隙48中存在污染物而导致的不利性能影响，并且在一示例中被优化成使耦合效率达到最大同时使不想要的反射所带来的不利影响达到最小。
GRIN透镜实施例
图14相似于图2，并且示出了插头透镜40A和插座透镜40B是GRIN透镜的示例性实施例。对于GRIN透镜40A和40B，透镜表面42A和44A是平的并且基本上垂直于光学系统轴A1，同时相对的透镜表面44A和42B是上文所描述的那样。由此，与在凸表面42A和44B处有光焦度（与具有均匀折射率的各个透镜相结合）不同，光焦度存在于每一个透镜40A和40B的体积之内，其中，折射率径向地变化，随着离各个透镜轴AA和AB的距离而减小，从而为每一个透镜提供所需的正光焦度。
由此，透镜40A和40B可以被一般地表征为具有正光焦度的透镜，该光焦度源自常规的具有凸的透镜表面的平-凸透镜（分别是42A和44B）以及成一定角度的平的表面44A和42B，或者源自每一个透镜40A和40B的体积内的梯度折射率，且透镜表面42A、44A、42B和44B全都是基本上平的。
图14和图15相似于图3和图4，并且示出了透镜40A和40B作为GRIN透镜。GRIN透镜40A和40B使光120遵循弯曲的路径穿过透镜40A和40B，横跨间隙48的光是基本上准直的即基本上平行于光轴A1。
图17相似于图10，它示出了包括GRIN透镜40A和40B的单式光连接器10的示例实施例的透视图。图17的单式光连接器10的插头12A和插座12B内部的元件都以剖视图示出。
图18相似于图11，并且示出了图17的单式光连接器10的示例的横截面图。图18的单式光连接器10被显示成具有插座光纤缆线110B，它存在于插座主体16B中所形成的光纤缆线槽29中。
在单式光连接器10中使用GRIN透镜40A和40B就消除了对腔60A和60B的需求，这种腔显然要被用于上述非GRIN实施例中以提供体积，该体积的折射率不同于透镜，以使得光可以在进入透镜或从透镜出来之后会聚或发散。对于GRIN透镜，这种会聚和发散出现在透镜的体积之内，使得具有不同的折射率的相邻体积不是必要的。在一示例中，腔60被用于在有源器件33A和插头主体16A之间提供间隔。
在图17和18的示例实施例中，GRIN透镜40A位于插头主体16A的一部分之内。由此，光120首先穿过插头主体16A的一部分，接下来遇到透镜40A，该透镜用于使光在间隙48处大致准直。另一方面，GRIN透镜40B使其后面的平的表面44B基本上接触光纤端面34B，并且光120B在从成一定角度的前表面42B穿过透镜40B的体积到达后表面44B时会聚。聚焦的光接下来被耦合到光纤端面34B。在一示例中，在后面的透镜表面44B和光纤端面34B之间可能有一些空间，使得光120B不需要恰在后面的透镜表面处形成致密的焦点，而是在超越后面的透镜表面一小段距离处。
使用上述配置透镜40A和40B（GRIN透镜、常规透镜、或它们的组合）的光连接器10的优势是：光连接器的插头和插座这两半12A和12B能容忍相对的横向移位，即，这两半可以被横向移位而光连接器并不经受实质性的光损耗。对于光连接器部件的低成本制造而言，这种容忍度是很有吸引力的。
插头12A和插座12B的良好对准将平的表面44A和42B放置到其恰当的相对取向中。在一示例中，插头12A和插座12B的对准是使用一个或多个对准特征来实现的，比如图1的光连接器10上所示的对准特征13A和13B。示例对准特征包括位于各个前端18A和18B处的连接器的周围的标记、平顶齿、凹口等（参见图2）。替代地，或者补充地，还可以使用共轴对准特征，比如管中套圈对准。这种管中套圈方案的优点在于：即使在污染物被引入间隙48中时，它也保持了平的表面44A和42B的角度对准，尽管它可能使光连接器设计比较复杂并且可能需要额外的关注以完全清洁关键的连接器对准表面。
虽然在此参照了本公开的优选实施例和特定示例说明和描述了本公开，但对本领域技术人员显而易见的是，其它实施例和示例能实现相似功能和/或获得相似结果。所有这些等价实施例和示例都落在本公开的精神和范围内，并旨在被所附权利要求所覆盖。此外，对本领域技术人员显而易见的是，可对本公开作出各种修改和变化而不背离本公开的精神和范围。因而，本公开旨在涵盖本公开的所有这些修改和变型，只要它们落在所附权利要求书及其等效物的范围中即可。

Claims (31)

1.一种用于在工作波长处将至少一个光源光学地连接到至少一个光接收器的光连接器，包括：
第一和第二连接器构件，所述第一和第二连接器构件分别具有至少一个第一正光焦度透镜以及至少一个第二正光焦度透镜，所述至少一个第一正光焦度透镜具有第一平透镜表面，所述至少一个第二正光焦度透镜具有第二平透镜表面；以及
所述至少一个第一和至少一个第二透镜排列在其相应的第一和第二连接器构件中，使得当所述第一和第二连接器构件被可操作地配对时，所述至少一个第一和至少一个第二透镜形成至少一个光学系统，在所述至少一个光学系统中，所述第一和第二平透镜表面是相对的并且是相对地间隔开的以形成具有在25微米和100微米之间的轴向宽度的间隙并且不与光学系统轴相垂直，所述第一平透镜表面相对于垂直于所述光学系统轴的线形成第一角度，并且所述第二平透镜表面相对于垂直于所述光学系统轴的线形成第二角度，所述第一角度与所述第二角度不相等从而使得所述第一角度与所述第二角度之间的绝对差是在2度到4度之间。
2.如权利要求1所述的光连接器，还包括：
所述至少一个光学系统具有第一和第二焦平面，
所述光源基本上位于第一焦平面处，而所述光接收器基本上位于第二焦平面处。
3.如权利要求2所述的光连接器，其特征在于，
所述第一和第二焦平面是非平行的。
4.如权利要求2所述的光连接器，其特征在于，
所述光源包括光源轴，
所述光接收器包括光接收器轴，并且
其中，所述光源轴和光接收器轴中的至少一个是以下中的至少一个：相对于光学系统轴成一定角度以及移位。
5.如权利要求2所述的光连接器，其特征在于，
所述光源包括第一光纤，所述第一光纤具有第一端面，光从所述第一端面发出。
6.如权利要求5所述的光连接器，其特征在于，
所述光接收器包括第二光纤，所述第二光纤具有第二端面，在所述第二端面处来自所述光源的光经由所述光学系统被接收到。
7.如权利要求6所述的光连接器，还包括：
第一和第二光纤分别被第一和第二套圈支撑。
8.如权利要求1所述的光连接器，其特征在于，
所述工作波长是在从850nm到1600nm的范围中。
9.如权利要求1所述的光连接器，还包括下列之中的一个或多个：
形成于第一透镜中的第一光焦度来自与第一平透镜表面相对的第一凸透镜表面以及第一透镜内的第一梯度折射率之一；以及
第二光焦度是从与第二平透镜表面相对的第二凸透镜表面以及第二透镜内的第二梯度折射率之一形成的。
10.如权利要求9所述的光连接器，其特征在于，
第一和第二凸透镜表面中的至少一个是非球形的。
11.如权利要求1所述的光连接器，其特征在于，
第一和第二连接器构件被分别形成为对所述工作波长基本上透明的第一和第二单式结构，
其中，第一单式结构限定了第一透镜，第二单式结构限定了第二透镜。
12.如权利要求11所述的光连接器，还包括：
第一单式结构具有成基本上45度角的表面，该表面通过内反射而形成所述光学系统轴的基本上直角的弯曲。
13.如权利要求11所述的光连接器，还包括：
第一和第二透镜具有各自的第一和第二焦平面，并且
所述光源排列在第一焦平面处，并且
所述光接收器排列在第二焦平面处。
14.如权利要求11所述的光连接器，还包括：
第二单式结构具有孔，所述孔的尺寸被确定成容纳至少一个光纤；以及
所述光接收器包括排列在所述孔中的光纤，所述光纤具有基本上位于第二焦平面处的端面以通过所述光学系统接收来自所述光源的光。
15.如权利要求2所述的光连接器，其特征在于，
所述第一和第二角度最小化或消除来自所述光源但被第一和第二平表面中的至少一个往回反射到所述光源的光的量。
16.如权利要求15所述的光连接器，其特征在于，
所述第一和第二角度最小化或消除来自所述光源但被所述平表面反射且被所述光接收器接收到的光的量。
17.如权利要求1所述的光连接器，其特征在于，
第一和第二透镜中的至少一个是由选自下列材料组中的至少一个材料形成的：聚醚酰胺，聚甲基丙烯酸甲酯，玻璃，塑料，氧化硅/氧化锗玻璃，以及甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸苄基酯的共聚物。
18.一种在至少一个光源和至少一个光接收器之间形成光连接的方法，包括：
将第一连接器构件连接到第二连接器构件，所述第一连接器构件具有至少一个第一透镜，所述至少一个第一透镜具有第一正光焦度以及第一平表面，并且所述第二连接器构件具有至少一个第二透镜，所述至少一个第二透镜具有第二光焦度以及第二平表面，所述连接从所述至少一个第一透镜和至少一个第二透镜形成至少一个光学系统，第一和第二平表面是相对的并且是相对地间隔开的以形成具有在25微米和100微米之间的轴向宽度的间隙并且成一定角度以不与光学系统轴相垂直，所述第一平表面相对于垂直于所述光学系统轴的线形成第一角度，并且所述第二平表面相对于垂直于所述光学系统轴的线形成第二角度，所述第一角度与所述第二角度不相等从而使得所述第一角度与所述第二角度之间的绝对差是在2度到4度之间；以及
使光通过所述至少一个光学系统从所述至少一个光源传播到所述至少一个光接收器。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
所述至少一个光源具有第一光纤并且
所述至少一个光接收器具有第二光纤。
20.如权利要求18所述的方法，还包括：
将第一和第二透镜之一或两者形成为梯度折射率(GRIN)透镜。
21.如权利要求18所述的方法，还包括：
将第一和第二连接器构件形成为第一和第二整体结构。
22.如权利要求18所述的方法，还包括：
配置第一和第二平表面，以最小化或消除从第一和第二平表面中的至少一个反射的光返回到相应的至少一个光源或被相应的至少一个光接收器接收到。
23.如权利要求18所述的方法，其特征在于，
所述至少一个光源包括光源轴，
所述至少一个光接收器包括光接收器轴，并且
其中，所述光源轴和光接收器轴中的至少一个是以下中的至少一个：相对于光学系统轴成一定角度以及移位。
24.一种用于将工作波长的光从光源传输到光接收器的光连接器，包括：
第一连接器构件，所述第一连接器构件具有第一后部和第一前部，所述第一前部具有第一前端，第一透镜位于所述第一前部中，第一透镜具有第一正光焦度以及在第一前端附近的第一平表面，第一透镜具有第一焦平面和第一透镜轴；
第二连接器构件，所述第二连接器构件具有第二后部和第二前部，所述第二前部具有第二前端，第二透镜位于所述第二前部中，第二透镜具有第二正光焦度以及在第二前端附近的第二平表面，第二透镜具有第二焦平面和第二透镜轴；以及
其中，第一和第二前部被配置成配对地啮合以从第一和第二透镜形成光学系统，
其中，所述光学系统具有由共轴的第一和第二透镜轴所限定的光学系统轴，
第一和第二平表面是相对地间隔开的以形成具有在25微米和100微米之间的轴向宽度的间隙并且成一定角度以不与光轴相垂直，所述第一平表面相对于垂直于所述光学系统轴的线形成第一角度，并且所述第二平表面相对于垂直于所述光学系统轴的线形成第二角度，所述第一角度与所述第二角度不相等从而使得所述第一角度与所述第二角度之间的绝对差是在2度到4度之间。
25.如权利要求24所述的光连接器，其特征在于，
第一透镜包括面向第一后部的第一凸表面，并且
第二透镜包括面向第二后部的第二凸表面。
26.如权利要求24所述的光连接器，其特征在于，
第一和第二透镜包括梯度折射率(GRIN)透镜。
27.如权利要求24所述的光连接器，还包括：
所述光源基本上位于第一焦平面处，并且
所述光接收器基本上位于第二焦平面处。
28.如权利要求27所述的光连接器，还包括：
第一和第二平表面被配置成最小化或消除从第一和第二平表面中的至少一个反射的光返回到所述光源或被所述光接收器接收到。
29.如权利要求24所述的光连接器，其特征在于，
第一和第二连接器构件被分别形成为对所述工作波长基本上透明的第一和第二单式结构，
其中，第一单式结构限定了第一透镜，第二单式结构限定了第二透镜。
30.如权利要求24所述的光连接器，其特征在于，
第一和第二连接器构件被分别形成为第一和第二单式结构，
第一单式结构对所述工作波长透明并且支持第一透镜作为第一梯度折射率(GRIN)透镜，并且
第二单式结构支持第二透镜作为第二GRIN透镜。
31.如权利要求24所述的光连接器，还包括：
第一单式结构具有成基本上45度角的表面，该表面形成光学系统轴的基本上直角的弯曲。
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