CN103562765B - 用于扩展光束连接器的截切球透镜 - Google Patents

Abstract

公开了截切球透镜和制造截切球透镜的方法，其中具有在球透镜内部（即里面）的焦点的球透镜通过移除球透镜的表面来构建致使焦点暴露。在截切球透镜的暴露侧上的表面面向将光引导向透镜的光纤的端面。在优选实施例中，截切球透镜的光轴与光纤的光轴重合。

Description

用于扩展光束连接器的截切球透镜

技术领域

本发明大致涉及透镜，更具体地，涉及用在扩展光束光学连接器的球透镜（balllens）。

背景技术

光纤连接器是许多不同的光传播系统的重要部分。例如，它们存在于大致所有的光纤通信系统中并且它们被用于在军事应用中将光成像到目标上。这种连接器可被用于将光纤的线段接合（join）到更长的长度，以将光纤连接到有源设备（active device），比如辐射源、探测器和中继器，以及将光纤连接到无源设备(passive device)，比如开关、多路器和衰减器。光纤连接器的主要功能是保持光纤端使得光纤的芯与配合结构的光学通道轴向地对齐。通过这种方法，来自光纤的光光学地耦合到光学通道。

此处的特别关注的为“扩展光束”光学连接器。这种连接器传统地用于高振动、高功率和/或不干净的环境，在这个环境中光纤与配合连接器的光路之间的“物理接触”是有问题的。为了避免碎片和振动的问题，已开发出扩展光束光学连接器，其扩展光束并使其越过连接器之间的气隙传播。通过扩展光束，光束相对于碎片的大小增加，使得光束更少地受干涉的影响。此外，越过气隙传播光束消除部件与部件的磨损，由此增加连接器对振动的耐受性。几年来，扩展光束连接器已经发展成耐用的多光纤连接器，其包括外壳体，该外壳体被构造为与配合连接器的外壳体配合，典型地通过螺纹件连接（screw connection）。包括在外壳体中的是若干内组件或“插入件”。每个插入件典型地包括插入件壳体；套箍组件，其被包括在插入件壳体并且适于接收光纤；以及在插入件壳体的配合端的球透镜，其光连接到光纤。

球透镜作为接口在军事瞄准（military targeting）中特别有用。这种应用涉及使用光纤从高功率光源（例如激光器）传播光到将光成像到目标上的光学系统。偏好球透镜接口是因为光纤中的光的高功率密度。扩展光束减少在可分离接口处的功率密度，这减少了由激光和灰尘与碎片在可分离的接口处的相互作用导致的激光引起的损坏。在这种应用中，激光波长长于大约为1.31μm到1.55μm的典型的通信波长。

图1示出了一个这样的球透镜100（为了简明，只示出了球透镜100和光纤110；未示出外壳体的插入件壳体和套箍组件）。如图1所示，球透镜100用于在连接器接口扩展和准直光101。当两个扩展光束连接器配合时（在图2中概念性地示出），在每对光学地耦合的插入件的球透镜200之间有气隙220。与图1中的一样，图2中的球透镜200用于准直沿着光纤210传播的光102。

发明内容

泰科电子公司（哈里斯堡，宾夕法尼亚州）制造使用商标的扩展光束（EB）连接器。这些扩展光束连接器用于典型的通信波长为比如0.85μm、1.3μm、1.31μm和1.55μm的用途，其中前两个波长常常用在多模（MM）应用中，而后两个波长用于单模（SM）应用。这些EB连接器使用3mm的球透镜以准直并且然后重新聚焦光。折射率约为2的球透镜在球的表面附近聚焦准直光。因此在SM设计中，选择透镜材料使得在1.31μm和1.55μm下折射率差不多等于2。对于MM应用，使用具有折射率小于2的透镜材料，使得聚焦平面在透镜外面，即外部。在MM EB连接器中，机械壳体（称为“EB插入件”）将光纤保持在距离透镜预先确定的距离使得光纤端被定位在焦平面的外部。

球透镜能够以精确控制球状和直径的方式制造。因此利用球/球体形状的机械特征，通过使用安装在EB插入件中的被动对齐特征，球透镜能够被准确地相对于光纤放置，即球的几何形状提供了用于球形透镜的定位的重要“配准表面（registration surface）”。

上述设计很好地工作于0.85μm与1.55μm之间的典型通信波长。然而，出现了以下情况，其中特定的应用可能需要连接器工作于更高波长，比如上述的军事应用中，或者1.8μm到5μm的中红外波长范围附近。这需要使用与当前的EB连接器中所使用的不同的玻璃。一种在红外光学元件中常用的玻璃是硒化锌（ZnSe），其能够传递红外波长的光。然而，当试图将硒化锌用于球透镜时存在问题：硒化锌的折射率大于2，因而入射在由硒化锌制成的球透镜300上准直光束将光聚焦在球内的点312处，如图3所示。因此，典型的EB透镜设计不能用作EB连接器的准直透镜，但是还是想要能够使用球透镜的机械对齐特征。本发明满足这个需要以及其它需要。

通过截切球透镜提供了解决方案，其中具有在球透镜内部（即里面）的焦点的球透镜通过移除球透镜的表面来构建致使焦点暴露。在截切球透镜的暴露侧上的表面面向将光引导向透镜的光纤的端面。在优选实施例中，截切球透镜的光轴与光纤的光轴重合。

附图说明

本发明将通过参考附图的示例的方式被描述，其中：

图1示出了现有技术的球透镜；

图2示出了两个扩展光束连接器在其彼此配合时的透镜部分；

图3示出了焦点在由ZnSe或其他具有折射率大于2的材料制成的球透镜中的焦点的内部聚焦；

图4概念性地示出了要求保护的发明；

图5A和5B示出了要求保护的发明的优选实施例；

图6和7示出了要求保护的发明的替代实施例；

图8示出了要求保护的发明的另一个替代实施例；

图9A示出了要求保护的发明的另一个替代实施例；以及

图9B示出了由圈BB指出的图9A的扩大的部分。

具体实施方式

要求保护的发明为截切球透镜，其中具有在球透镜内部（即里面）的焦点的球透镜通过移除球透镜的表面来构建致使焦点暴露。截切球透镜的暴露侧上的表面面向将光引导向透镜的光纤的端面。在优选实施例中，截切球透镜的光轴与光纤的光轴重合。

在优选实施例中，球透镜由ZnSe形成；然而，应理解球透镜可以由适用于红外波长且具有折射率大于2的任何材料形成。球透镜的表面被移除（例如通过研磨、钻孔、激光处理和/或抛光）以“暴露”焦点。这种截切球透镜提供了球透镜的一些优势，比如通过使用球透镜的表面和EB插入件中的被动特征准确地相对于光纤定位的能力。

在优选实施例中，光纤与截切球透镜接触，将截切球透镜用作光纤的机械止挡件，即球透镜的基本平坦的暴露表面与截切球透镜的焦点重合。然而，其他的变型是有可能的；例如，在替代实施例中，可从球透镜中移除额外的材料使得焦点超出暴露表面，即在截切球透镜的外面但在移除材料前球透镜限定的区域中。然后，光纤和截切球透镜能够以与上述关于标准多模EB连接器类似的方式被保持在预先确定的距离处（例如使用EB插入件的特征）。这种设计考虑到光纤-透镜距离在轴线方向的主动对齐以优化性能。对使用哪种设计的选择是在主动对齐的成本与制造透镜的成本和准度之间的权衡。

图4示出了本发明的概念。在图4中，球透镜400被示出为具有前区域402和后区域404。中心线406确定了前区域402与后区域404之间的边界。应理解前区域402、后区域404和中心线406本身不是物理地勾画的区域而是为解释和限定本发明的目的而被确定。包括前区域402和后区域404的材料是一种或相同材料，由想象的中心线406分开。

在图4的球透镜中，球透镜400由折射率大于2的材料形成。例如，图4的球透镜能够由ZnSe制成。对于在由折射率大于2的材料制成的标准球透镜的表面408处传播准直光401的透镜，传播光的光纤410将必须被定位使得其在焦点414处具有端面412；然而，这将不可能，因为焦点414位于限定球透镜400的球状的后区域404中。要求保护的发明提供了这个问题的解决方案。根据要求保护的发明，球透镜400被改造为能够将光纤410的端面412放置在焦点414。以下将更全面地描述各种改型。

在一个实施例中，在球透镜400中钻了足够大以容纳光纤410的孔，所以形成了足够深的开口使光纤410的端面412能够被插入直到焦点414。这种构造将看上去基本地像图4的构造，因为球透镜400大致地保留了其全部的球状形状除了被钻以使得光纤410能够插入的孔。孔能够被钻到一定的深度使得球透镜400的平坦表面与焦点414重合。替代地，孔能够被钻得超过焦点414，并且光纤410能够被插入到一定距离使得光纤410的端面412停留在新的焦点（未示出），新的焦点可以熟知的方式被计算出。（超过焦点414的球透镜材料的移除将改变焦点的位置因为部分光束将行进穿过空气或诸如凝胶体或粘合剂的其他光传播媒介，但是本领域技术人员在不需要过度试验的情况下能够容易地计算出新的焦点。）在任一情况下，由光纤410传递/传播穿过的光将在球透镜400的前区域402的表面408处得到准直光束，如图4所示。

图5A和5B示出了要求保护的发明的优选实施例。在本实施例中，左球透镜500L和右球透镜500R被气隙520隔开。每个球透镜具有前区域502和后区域504，并且后区域504被抛光、研磨、切割或以其他方式形成，使得球状帽如所示地从球透镜移除。中心线506标识了前区域502与后区域504之间的边界。研磨和抛光能够通过使用磨砂材料实现。切割可以通过使用激光、钻石锯或其他已知切割装置实现。此外，切割、研磨，和/或抛光的结合可被使用以移除部分球透镜。

在图5A中，被移除的球状帽通过使用左球500L中的虚线虚构地示出；右球500R示出了没有虚构线的球。使球状帽形成一定的尺寸使得焦点514暴露在后区域504的面516上。在优选实施例中，暴露的焦点514与通过如图5B所示的移除球状帽所限定的圈的中心点518重合。与图4所示的实施例一样，在本实施例中移除的部分的尺寸能够为使得暴露的焦点514不与面516重合，而是位于后区域504中但与面516间隔开。光纤510然后能够被定位使得其端面512与新的暴露的焦点重合（未示出，见图4的描述所给出的解释），留出光纤端面512与新的焦点之间的气隙（其能够被光投射凝胶体、粘合剂等填充）。

图6和7示出了本发明的替代实施例。在图6中，被移除的部分是球状锥624，在球状锥624的顶点形成有基本平坦的表面622，并且暴露的焦点614与平坦表面622的顶点重合。在图7中，被移除的部分的移除在远离前区域702延伸的后区域704中形成了圆锥形表面724，在圆锥形表面724的顶点处形成基本平坦的表面722。在每个情况（图6和图7）下，基本平坦的表面能够更接近前区域602或702形成使得在基本平坦的表面和暴露的焦点之间形成间隙，如就图4和5相似地讨论的。

通过模型确认了要求保护的发明的优异的性能。具体地，运行了模型，其中假设光纤为数值孔径(NA)（numerical aperture）为0.3的阶梯折射率(step-index)光纤，并且芯的直径为100μm。建模了3mm的ZnSe球透镜。从光纤到球透镜的弯曲表面的距离与两个球透镜之间的距离是变化的以优化在1.8μm和5μm的性能。结果是（忽略反射损失）在1.8μm和5μm两者的损失都为0.034dB。

注意到，仅校准和传播光所需的透镜的部分是被光穿过的部分。因此，球透镜能够以任何有帮助或需要的方式被改造，只要以上示出的光路不受影响。例如，可选择对部分进行抛光/研磨/切割至使其锥形更显著的程度，如图8所示。如能够可见的，光在图8的示例中穿过的圆锥体824的区域与光在图7的更浅的圆锥体724穿过的区域大致相同。

在以上公开的实施例中，光纤被劈开或抛光使得光纤的端面垂直于光轴并且端面平行于截切球透镜的基本平坦的面。然而，应理解在另一个实施例中，光纤能够以一定的角度被劈开或抛光，比如8度，以减少背反射（back-reflection），并且球能够被定向使得截切球的平坦面平行于光纤的成角度的端面。此外，如图9A和9B所示，光纤能够被在一定角度上被劈开并且被移除的后区域的部分能够以被移除的区域的表面也成角度的方式被移除，并且光纤的成角度的端面不需要平行于截切球透镜的成角度的表面。在任一这些实施例中，光纤可接触球，或者球与光纤之间有气隙（如图9所示）。

此外，虽然焦点暴露的部分在此处被指为包括“平坦面”，但应理解，该表面可以替代地为曲面（凸面或凹面）并且仍然落入要求保护的发明的范围中。在优选实施例中，截切球的大体形状为大于球状的一半，从而得以利用球状透镜的机械性质，尤其是关于透镜的对齐的性质。本发明的截切球透镜的基本要素是光线在其中行进穿过的区域保持基本完整。因而，例如，图8中所示的截切球透镜可通过在“十点钟”与“十一点钟”的位置之间和/或“七点钟”与“八点钟”的位置之间切掉楔形部分来改造并且这仍然落入要求保护的发明的范围中，只要楔形没有侵入通过透镜的光路。本领域技术人员可以想象出其他的实施例，比如使用带有圆形末端的光纤，或不平行于球透镜的表面的光纤端面定向。此外，虽然图5-9示出的左和右透镜被示出为基本相同，图5-9中所示的不同的变型可被混合和匹配，即图5中的左透镜可与图8中的右透镜一起使用。

还应理解，此处使用的术语“平坦的”和“平行的”，，包括在权利要求中的，包括描述的元件各自大体上平面的或大体上平行的的情况。例如，当光纤端面被劈开或当后区域的部分被移除时，应理解某些瑕疵可导致劈开的光纤的端面的部分或者材料被移除后的后区域的表面具有弯曲边缘、多余的材料或其他瑕疵。对于要求保护的发明的目的来说，这种表面被认为是平坦的。相似地，由于略微的对齐的瑕疵，对于要求保护的发明的目的来说，当元件大体上平行时，元件被视为平行的，甚至元件略微地不完全平行对齐。

在任何这些设计中，还应理解抗反射(AR)涂层可在透镜/空气界面被添加到透镜。对于那些光纤与透镜接触的设计，透镜和/或光纤上的AR涂层将被优化用于光纤/透镜界面。对于那些光纤未与透镜接触的设计，离光纤最近的透镜的表面可以是被涂覆用于透镜/空气界面的AR。并且光纤能够被涂覆用于光纤/空气界面。在任何这些设计中，可能不想在一个或多个表面上涂覆AR（例如，由于成本）。然而，在表面被涂覆AR后将达到最佳性能。

Claims (7)

1.一种截切球透镜，包括：

球透镜，其具有前区域和后区域，每个所述前区域和后区域具有球状表面，并且所述后区域中的球透镜材料的一部分被移除，使得所述后区域的球状表面的部分在球透镜材料的所述部分被移除后保持不变；以及

焦点，其中光纤的端面能够被放置在所述焦点，

其中，所述焦点位于所述球透镜的所述后区域中，并且球透镜材料的所述被移除的部分为球状锥，并且其中所述焦点暴露在所述球状锥的顶点。

2.根据权利要求1的截切球透镜，其中在移除所述球透镜的所述部分后，球透镜的剩余部分在大小上大于球透镜的一半。

3.根据权利要求1的截切球透镜，其中所述球透镜材料包括硒化锌。

4.根据权利要求1的截切球透镜，其中所述光纤的端面垂直于所述光纤的纵向轴线。

5.根据权利要求1的截切球透镜，其中所述球状锥的顶点形成有基本平坦的表面，所述光纤的所述端面被放置在所述焦点，所述端面的表面平行于所述基本平坦的表面。

6.根据权利要求5的截切球透镜，其中当所述端面被放置在所述焦点时，所述光纤的所述端面物理地接触所述球透镜。

7.一种截切球透镜，包括：

球透镜，其具有前区域和后区域，每个所述前区域和后区域具有球状表面，并且所述后区域中的球透镜材料的一部分被移除，使得所述后区域的球状表面的部分在球透镜材料的所述部分被移除后保持不变；以及

焦点，其中光纤的端面能够被放置在所述焦点，

其中，所述焦点位于所述球透镜的所述后区域中，并且球透镜的所述被移除的部分的移除在远离所述前区域延伸的后区域中形成锥形表面，所述焦点被暴露在所述锥形表面的顶点。