CN104199154A - 用于对准多芯塑料光纤组件的方法 - Google Patents

Abstract

一种多芯塑料光纤被用于多信道通信目的。本发明提供一种对准工具，其包括光源、选择性滤光器和具有导向缺口的可拆卸对准管，该对准工具用于映射多芯塑料光纤的各个纤芯且用于将预先切好的光纤段的两裸露端与光收发器进行连接。所公开的对准方法可使设有导向缺口的对准管连接到预先切好的光纤段的两端。光收发器导向凸起和凹槽紧密配合，通过光纤在收发器有源元件之间创造多条完整的光学路径。此外，还描述了一种在不使用对准工具和对准管的基础上将光发射器组装到多芯塑料光纤和相应的光接收器的自动组装方法，该方法指定光发射器位于一相对于纤芯和接收器的特定位置，基于光信号检测标准而分派每一发射器到一优选的接收器。

Description

用于对准多芯塑料光纤组件的方法

本申请是申请日为2010年11月16日、申请号为201080061722.8、名称为“用于对准多芯塑料光纤组件的系统及方法”的发明专利申请的分案申请。

背景技术

通过使用现有的玻璃光纤链接可实现高速和安全通信需求的快速增长。当单个物理链路出现实际应用极限，多个链接可以被聚合起来。光纤链路的聚合体通常是由多个光纤所制成的束状或带状物来实现。玻璃光纤电缆更适用于远距离通信链接。电缆连接器的使用和玻璃光纤聚合体的铺设过程是复杂且昂贵的。

另一种选择是使用塑料光纤(POF，Plastic Optic Fibers)。塑料光纤具有直径相对较大的纤芯，其直径范围值为0.2-1.0mm。塑料光纤用于通信和控制产业中的光传导。塑料光纤电缆更适用于短距离链接。塑料光纤单芯电缆在直线低成本连接过程方面更为突出。在某些应用中，光纤电缆可突显出具有与简单刀具一样的切割性能。

多芯塑料光纤(MC-POF，Multi-Core POF)是一种具有多个小直径光学纤芯的光纤。该类光纤的主要优点在于其改良的弯曲半径，这与其较小纤芯直径有关。多芯塑料光纤的其中一种实际应用是与光收发器(由共用同一壳体及某些电路的光发送器和光接收器构成)的结合，光收发器用于将电信号转换成光信号和将光信号转换成电信号。

图1A展示了现有多芯塑料光纤(MC-POF)10的截面图。该多芯塑料光纤由排列成一圆形结构、嵌入在一非透明柔性粘接材料内且由一纤衣14所包覆的多个塑料纤芯12所制成。例如，图1A所示，37个纤芯环绕在中心纤芯12的四周且排列成三个同心圆。日本ASHAI公司所生产的型号为SMCK1000P的多芯塑料光纤中，每一光纤具有不同数量的纤芯12，例如，19个纤芯或37个纤芯。在具有19个纤芯的光纤中，每个纤芯12的直径可为例如0.2mm，而其光纤外直径可为1.5mm。现有多芯塑料光纤更适于作为单链路数据通信，其中，光纤中的部分或全部纤芯传导来自单个光源的光。与单芯塑料光纤相比，使用多芯塑料光纤的好处是有一改良的弯曲半径，其有利于光纤电缆的铺设。

多芯塑料光纤在工业和本领域的实际应用是需要将光纤的两端与现有的光收发器进行连接。图1B展示了由多芯塑料光纤10及连接在光纤10两端的两光收发器18a和18b组成的光学组件。

理论上，多芯塑料光纤可以通过使用光纤中的单个纤芯作为独立的数据链路来实现多条数据链路平行通信。

因此，需要一种设备或方法来实现高效且有效的连接，包括多芯塑料光纤中各个纤芯之间及与其相关的多发送/接收的光收发器之间的对准。

附图说明

本发明的主旨在本说明书的结论部分进行清楚和详细的说明。可通过结合以下附图的详细描述来更好地理解关于本发明的操作机构和操作方法及其目的、特征和优点：

图1A展示了现有技术中日本ASHAI公司的37芯塑料光纤的横截面；

图1B展示了与光收发器连接的、用于现有单通道通信链路的多芯塑料光纤组件；

图2A展示了本发明某一实施例中与两对准模块相连的多芯塑料光纤；

图2B展示了本发明某一实施例的对准模块；

图2C展示了19芯塑料光纤的横截面；

图3展示了本发明某一实施例中三个光发射器和六个光检测器面向19芯塑料光纤的同心圆布局及其中心的附加链路；

图4A为本发明某实施例中多芯塑料光纤连接两对准模块的示意图；

图4B展示了本发明某实施例中具有凹槽的对准管的横截面；

图4C展示了本发明某实施例中去除纤衣后的19芯塑料光纤的横截面示例；

图5为本发明某实施例的方法流程图。

为了简单清楚地描述，图中所示的元部件未必按照规定比例描绘。例如，某些元部件的尺寸可相对于其它元部件被放大以清楚示意。此外，附图中类似的标号代表类似的元器件。

具体实施方式

本发明实施例的多芯塑料光纤可通过使用光纤中的各个纤芯作为单独的数据链路来实现多个数据链路的平行通信。本发明的主旨在本说明书的结论部分进行清楚和详细的说明。可通过以下结合附图的详细描述来更好地理解关于本发明的操作机构和操作方法及其目的、特征和优点。

为了简单清楚地描述，图中所示的元部件未必按照规定比例描绘。例如，某些元部件的尺寸可相对于其它元部件被放大以清楚示意。此外，附图中类似的标号代表类似的元器件。

在以下详细描述中，提及多个具体细节以便清楚、完整地理解本发明。然而，对于本领域技术人员而言，没有这些具体细节本发明也可被实施。在其它实施例中，熟知的方法、流程和部件将不会被详细描述以免模糊本发明。

图1A和图1B展示了现有光纤的一般示意图。图1A展示了37芯塑料光纤10的横截面。如图1A所示，多芯塑料光纤10可被一纤衣14所包覆，多个纤芯12围绕一中心纤芯12c呈同心圆排列。如图所示，下面以纤芯12f作为示例纤芯12f来进行说明。图1B展示了多芯塑料光纤10与光收发器18a和18b连接后的组合。光收发器18a和18b可包括一个或多个用于发送光信号的发射器及一个或多个用于接收光信号的接收器。图2A展示了便于图1B所示的光收发器18a和18b与多芯塑料光纤10的裸露端连接的对准装置的第一实施例。理论上，单个多芯塑料光纤中可实现的有效通信链路数量为1个到N个，N的最大取值为置于光纤内的纤芯数量。

图1B所示的光收发器18a和18b可与多链路多芯塑料光纤一起使用，每一光收发器18a或18b具有一个或多个现有的光发射或传送装置，如发光二极管(LED)，和一个或多个现有的光接收器、检测器或传感器。以下更一步来说明光发射器和光检测器面向多芯塑料光纤的裸露芯时的定位。通信链路的成功运作需要依赖于这些光发射器和光检测器与光纤纤芯的正确定位或对准。

如图2A所示，具有多芯塑料光纤的两端裸露，该光纤的两端可被“映射”以确定示例纤芯12f的第一裸露端和其第二裸露端之间的一致性。多芯塑料光纤的制造商已给出每个单独纤芯12，例如图1A所示的光纤10的横截面中的纤芯12f的“映射”和定位。一旦完成映射，多芯塑料光纤则可用于连接相应的可自动对齐光纤纤芯的多链路光收发器。因此，多芯塑料光纤可作为多链路数据通信器件。

参照图1A所示的多芯塑料光纤10的横截面来说明一段多芯塑料光纤10中的纤芯“映射”。选用位于上述横截面中外环的光纤纤芯12f作为“示例纤芯”。实际上，光纤10中每个纤芯12的几何横截面为压扁的环形，然而为了解释自我对准特性，我们可假设光纤10中每个纤芯12的几何横截面为圆形。代表光纤10纤芯12的每个环形的几何中心位置由制造商给出。因此，被选作“示例纤芯”的环形12f的中心位置和标记可自动确定同个光纤中的其它纤芯的中心位置。

参照图2A和图2B来说明用于确定表示纤芯12f的环形的中心位置和标记。如图2A和图2B所示，图2B所示的对准装置20是包括对准管22、选择性滤光器24和光源26的组合。对准管22可为开缝圆柱状结构，其具有可与多芯塑料光纤的纤衣直径相适配的内径。对准管22可设计为可绕选择性滤光器24旋转且可与其相脱离的部件。装置34(图未示)可使组件20a和20b相对于多芯塑料光纤进行旋转且使这些组件连接到多芯塑料光纤10和使其相分离。例如，光源26a、选择性滤光器24及对准管22可被设计为可进行旋转或一起操作或各自作为单个部件。光源26a、选择性滤光器24及对准管22可被设计为相脱离。例如，光源26a和选择性滤光器24可从对准管22上拆卸下来。

对准管22具有有利于进行对准操作的缺口32。选择性滤光器24设计为非透明圆盘以防止光线进入对准管22的内部空间，该非透明圆盘上与缺口32相对的预设位置上设置有一小直径通孔28，该通孔28的位置与图1A中的环形12c的中心位置一致。选择性滤光器24中的通孔28直径及其位置取决于与对准装置20一起使用的多芯塑料光纤的规格。对于日本ASHAI公司型号为SMCK1000P的19芯光纤，其通孔28的直径为0.1mm。光源26优选地为LED器件，该LED器件安装在对准装置20内且可发射直径与选择性滤光器24相同的平行光束。选择性滤光器24的另一个实施例是选择一小段同样的光纤，除了处于外环的纤芯外其所有纤芯均被覆盖或密封。这种情况下，LED光源26被固定在选择性滤光器上，该选择性滤光器被固定在与缺口32相对的预设位置处。

上述组件20、20a和20b可包括一光源。特别地，这些装置可被设计和/或配置在预设部位、区域或导体的部分表面处来产生光。例如，选择性滤光器24可使得由组件20内光源发射的光仅到达多芯塑料光纤10的一个纤芯上。例如，光源26、滤光器24和对准管22可被进行设计和/或组构，使得当组装或连接到多芯塑料光纤10的一个裸露横截端面时，单个纤芯(如示例纤芯12f)被暴露在由组件26中的光源所发射的光中。为了简化说明，只展示了单个通孔28。可理解地，也可设计为多种其它布局。例如，多芯塑料光纤10的纤芯12数量是可选的且其可通过使用具有多个通孔28或其它开口的选择性滤光器24而被裸露在光中。因此，导体表面的任何部位例如多芯塑料光纤10的开口端可根据任何设计被裸露在光中。

当连接到导体的开口端，例如多芯塑料光纤10、组件26、滤光器24和对准管22可相对于光纤的开口面旋转。例如，滤光器24和对准管22可相对于与多芯塑料光纤的轴线相一致的旋转轴进行旋转。因此，多芯塑料光纤10的开口端的表面上用于接收光的部位或区域是可控制的。例如，过滤器24和对准管22可被旋转到使得通孔28和纤芯12f产生最大交集的位置处。也即，上述组件可被旋转而使得经过通孔28到达纤芯12f的光达到最大量。在一个实施例中，为了确定由组件26发射的光可到达纤芯12f或导体的第一端中的纤芯束中的任何其它纤芯的最大值，可测量从导体第二端发射出来的信号且该测量信号的最大值可被记录下来。当该最大值被记录下来时，对准管22可被固定或夹紧在第一端。接着，包括组件26、滤光器24和对准管22及连接到导体第二端的相似组件可以上述方式进行旋转，对于该旋转，发射自第一端的信号的最大值可被记录。当在第一端观察到信号的最大值或最大等级时，连接到第二端的对准管22可被固定或夹紧在其第二端。光导体和被连接的对准管可组构成可对准组件。可对准光导体可为一可与光接收器和/或光发射器对准的导体。例如，在一可对准导体上的标记可标示着导体内纤芯的位置。因此，导体内的一个或多个纤芯的位置可与一个或多个接收器或发射器相对准。例如，牢固地连接到此处所述导体的对准管22上的缺口32可用于对准导体以使导体内的纤芯位置便于确定。因此，多芯塑料光纤的纤芯可与对应的接收器或发射器相对准。

根据本发明的一实施例，提供了一种制造可对准导体的装置和方法。根据本发明的另一实施例，还提供了一种制造可对准导体的系统和方法。根据本发明实施例的系统和方法可生产两端具有标记的光导体使得可根据标记来确定导体内纤芯的一个或多个端部或开口的位置。本发明一个实施例的系统可包括两个与上述图2B所示组件20相类似的组件。系统中的组件20可被连接到一个控制器，该控制器用于控制这些组件且接收这些组件的输出。特别地，控制器可通过组件例如组件26中的光源来控制光的传输，还可接收该组件所接收光的指示。

与连接到选择性滤光器24和对准管22的导体一起提供的还有控制器，其可使组件20连接到导体的第一端以产生光，系统的组件可使得滤光器和对准管相对于导体的第一端进行旋转。控制器可记录导体第二端所接收的信号且在最大或预设信号强度被记录时使第一端停止旋转。系统可包括一部件，该部件用于当第二端的预定或最大信号值被记录时将对准管固定或夹紧到第一端。第一对准管被牢固地连接到导体(连接到选择性滤光器和对准管)的第一端时，导体的第二端可被旋转，而第二端接收的信号可被记录。根据第一端所接收信号的最大值，控制器可使对准管连接到第二端以夹紧第二导体的端部和开口。

参照图5，其展示了本发明实施例所述方法的流程图。对准方法的步骤如图4和图2A所示。如方框510所示，该方法流程可包括获取一个导体，例如，提供被切成所需长度的多芯塑料光纤10。

如方框515所示，该流程可包括使导体的第一端裸露且在该裸露端上安装一对准装置，例如，可在多芯塑料光纤10的第一裸露端插入对准装置20a的对准管22a。如方框520所示，该流程可包括提供光到导体的开口，例如，光源26a可被打开而发射一圆形光束到过滤器圆盘24a上。直径为例如0.1mm的光束通过通孔28a而打到多芯塑料光纤10的第一裸露表面，图2C示意性地显示了其横截面。图2C中的圆圈36表示光束所打到的表面。

如方框525所示，该流程可包括记录导体第二端的信号强度。例如，将一光传感装置(图未示)连接到多芯塑料光纤10的第二裸露端。所述光传感装置可为一(手动或带有光传感器的)显微镜或现有技术中的电子光传感器。

如方框530所示，该流程可包括旋转对准管和滤光器以获取导体第二端的最大信号强度。例如，可使对准装置20a相对于置于对准管22a内的多芯塑料光纤10在一第一方向上缓慢地旋转(如箭头30所示)直到最大光信号被获取，其表示光束通过通孔28a(如斑点36所示)而打到示意单元12f的中心处。在“选择性滤光器”旋转的第二实施例中，照明光束慢慢与光纤的外环纤芯保持一致直到完全相对准而在检测器内产生最大信号。

在某些实施例中，在第一方向的旋转可被执行直到发现所接收光信号减少，而后，进行相反方向的旋转以到达可获取所接收信号的最大值的位置。

如方框535所示，该流程可包括将对准管固定到导体上，例如，该方法可包括使用现有工具卷动对准管22a。从而，多芯塑料光纤可被固定在对准管22a内。接着，对准工具20a可从对准管22a中移除(该对准管22a可被固定在多芯塑料光纤10的第一端)。如方框540所示，该流程可包括将第二和第一端颠倒过来而重复至少部分上述步骤。从而，多芯塑料光纤10的第二裸露端被插入到对准装置20b的对准管22b内。除了选择性滤光器圆盘24b的通孔28b的位置及上述步骤的重复操作是针对第二端之外，对准装置20b具有与对准装置20a相类似的结构和功能。附图标记中的“a”替换为“b”。需要说明的是，该对准方法的主要步骤可通过人手或实验工具进行人工操作来完成，也可通过现有技术中的自动化生产线来实现。

此时，多芯塑料光纤可被连接到图1B所示的光收发器18a和18b。光收发器18a和18b在实际应用中与对准管22a和22b配合使用而构成一自对准组件。这些光收发器自带有用于与纤芯12的裸露端相配合以形成多链接多芯塑料光纤的光发射器和光检测器。所述光收发器(图未示)的外壳带有精确机械“牙齿”，其可与对准管22的导向缺口紧密配合。为了确定多芯塑料光纤10安装和卷入对准管22的长度，我们使用数字100标识可使用的部分。导体例如多芯塑料光纤可被提供原始长度使得当连接到组件22a和22b时其长度可根据需要，例如预定长度来选择。另一种光对准管如图4所示。

图4A展示了图2A和图2B所示的便于将图1B所示的收发器18c和18d连接到多芯塑料光纤10的裸露端的对准装置的一种可选实施例。该可选实施例是基于图4C所示的典型19芯多芯塑料光纤的基本结构特征。本实施例中所给出的一段光纤的端部为使用现有工具剥除其纤衣14后的结构。被剥去的纤衣14的长度L可为20mm。裸露光纤110的横截面如图4C所示。需要注意的是，非透明柔性粘接材料50(纤芯埋入其内)在纤衣下没有形成完整圆圈，而是在光纤110的12个外环纤芯的旁边形成具有12个凹槽13的“锯齿状”样式。这些凹槽13用于对准装置的可选实施例中。

对准装置的另一个可选实施例为选用中空的对准管52(图4A和4B)，其具有形成有“锯齿状”样式54的内表面以与光纤110的裸露部分L的外周样式相配合。该中空对准管52用于滑过光纤110的裸露部分L。对准管52的后部53具有与已包覆纤衣的光纤的外径相配合的内径。该后部开缝以便于卷边。对准管52的前部具有一导向缺口(与图2中标号为22的部件相类似)。由于具有12个凹槽，对准管52可被安装在光纤110的裸露部分L的12个可选件。用于本实施例的第一对准工具70c与图2B中标号为20的部件相类似，其不同点在于“选择性滤光器”和LED被一杆件64所替代，该杆件64具有设置在对准管52内的光发射器62(图4C所示)以精确对准图4C中第二个同心圆中的12个纤芯的其中一个以及导向缺口55。该第二对准工具70d装配有一光传感器(图未示)，其固定在工具70d内且直接感应图4C中第二个同心圆中的12个纤芯的其中一个纤芯所发出的光。

参照图4A、4B、4C及图2A来说明另一个可选方法。多芯塑料光纤110根据现有方式被切断为所需长度且光纤两端被剥去长度L的纤衣。接着，多芯塑料光纤110的第一裸露端被插入对准装置70c的管52c内。被剥衣光纤将会插入管52c中12个位置的其中一个。此时，可采用现有工具将管53c卷入。多芯塑料光纤被固定在管52c内。接着，多芯塑料光纤110的第二裸露端被插入对准装置70d的管52d内。当对准装置70c中的光发射器62且装置70d内相应的光传感器被激活时，对准装置70d逐步重复标示在图4C中的位置56、58和60。仅需进行六次可选操作的尝试则可得到光传感器中的最大信号，该最大信号是光纤两端的纤芯之间实现全对准。接着，使用现有工具将管53d进行卷动。此时，多芯塑料光纤110被固定在管52d内。

光收发器18c和18d(图未示)在实际使用中是与对准管52c和52d配合使用以共同形成一自对准组件。这些光收发器具有与纤芯12的裸露端相连接的光发射器和光检测器以形成多链接多芯塑料光纤。所述光收发器的外壳带有精密机械“牙齿”，其与对准管52的导向缺口55紧密配合。

该使用被切断且被剥衣光纤110的方法可用于简单的发射接收对，该处有五个发射器沿着图4C中的杆件64排布。光发射器将会被设置在光收发器内以面向五个相应的纤芯12。连接到光纤110的第二端的光收发器的接收部具有五个以相似方式排布在发射器内的光传感器。发射组和接收组的对准只需要最少的可选顺序。另一实施例中，发射器和接收器可被混合设置在光纤110每一端的单个杆件64内，以制成一双边直通多链接通信设备。在更多其它实施例中，发射器和接收器也可被设置在图4C所示的直径58和60上。

收发器与多芯塑料光纤在多链接应用中的自对准方法在图3中已进行了描述。图3展示了由日本ASHAI公司生产的型号为SMCK1000P的典型19芯光纤的横截面。该方法无需图2和图4所示实施例所描述的对准管或机械对准过程。在本实施例中，通过两组通信链接来使用以同心圆排布的19个纤芯12：a)其中一种链接使用中心纤芯44，该中心链接将无需进行对准，在此不再进一步讨论；b)第二组通信链接使用环绕着中心纤芯44而排布成同心圆的纤芯，该第二组链接可用作一个或多个通信链接。

假如第二组链接作为单个通信链接，光纤横截面和收发器的光发射器和光传感器布局之间的相对角度则不重要。该情况下无需进行对准。第二组链接作为三个通信链接的情况如图3和图1B所示。图1B表示被切断且暴露a、b两端的一段19芯光纤10。收发器18a和18b以现有方式连接在上述a、b两端。光纤的两裸露端的纤芯结构如图3所示围绕中心纤芯44的同心圆上。三个光发射器42(收发器18a中的发射器的一部分)与纤芯12的相对位置关系如图3所示。图3展示了六个光检测器40(或传感器，设置在光纤的另一侧且为收发器18b中接收器的一部分)与纤芯12和光发射器42的相对位置。

光发射器42、光检测器40和纤芯12的排布是预先计算好的，使得三个光发射器42和六个光检测器40相对19芯光纤的纤芯12处于任何位置时至少一个检测器会接收到代表三个通信链接的三个光发射器中的其中一个的信号。光收发器18a(图1B)的三个光发射器42通过与其相对的纤芯进行发射时，光收发器18b(六个可用检测器)内相应的三个光检测器40会依据检测到的最强信号而被选中。用于执行上述自动选择的现有装置图未示。

主要应用于无线通信的多输入多输出(Multiple In-Multiple Out，MIMO)技术受益于从多路发射器到多路接收器的不同传输通道。参照图3和图1B，我们可以将上述方法定义为“3×6MIMO”。对19芯光纤有效的其它实施例为“1×2MIMO”，即一个发射器和两个接收器的三链路，以及“4×7MIMO”，即四个发射器和7个接收器以实现更好的性能。

上述“3×6MIMO”的实例使用光纤10来实现三个通信链路，每个链路使用一个光发射器42和两个光检测器。由于大多数串扰是因位于同个同心圆中的两相邻检测器之间发生错位而产生的，本技术方案应用可带来有效的体系结构。在一以同心圆方式排布有N个纤芯(例如37芯)的多芯塑料光纤中，附加的同轴链路群可被增加在第二圆圈上。

Claims (2)

1.一种自动对准多芯塑料光纤与需连接在预先切好的一段光纤两端的光收发器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

切出一段N芯塑料光纤，其中所述N芯围绕一中心纤芯而排布成同心圆；

在所述光纤的第一端提供一第一光收发器，该第一光收发器具有一个与所述光纤的中心纤芯相对的光发射器及与所述光纤的N-1个纤芯相对的呈几何对称的T个光发射器；

在所述光纤的第二端提供一第二光收发器，该第二光收发器具有一个与所述光纤的中心纤芯相对的光检测器及与所述T个光发射器相对的呈几何对称的R个光检测器；

将所述第一光收发器连接到所述多芯塑料光纤的第一裸露端；

将所述第二光收发器连接到所述多芯塑料光纤的第二裸露端；

操作所述第一光收发器在所述T个光发射器中的每一个光发射器上发射光信号以确定T个通信链接；

操作所述第二光收发器在所述R个光检测器中的每一个光检测器上检测光信号；以及

为每一个光发射器选择相应的一个具有最强信号的光检测器，从而N芯塑料光纤与所述第一和第二光收发器连接而成的组件被自动自我对准且所述T个光发射器和所述R个光检测器中的至少一个光检测器提供了T个通信链路，中心纤芯和附加的发射检测对提供一附加的通信链路。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组件包括连接有包括三个光发射器的第一光收发器和包括六个光检测器的第二光收发器的一段19芯塑料光纤，所述组件被自动对准而提供三条通信链路及一由附加的发射检测对分别安装到所述光收发器而实现的中心通信链路。