CN104364685A - 具有模制透镜的扩束型连接器 - Google Patents

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Abstract

一种扩束型连接器(100)包括：套筒(101)，用于保持至少一个光纤(102)和至少一个透镜主体(103)，所述套筒(101)具有内表面(101a)，所述内表面具有特定几何形状；具有光纤端面(102a)的光纤(102)；以及透镜主体(103)，所述透镜主体(103)形成有第一面(104)和第二面(105)，所述第一和第二面(104、105)基本上是平坦的，所述第一面(104)具有接口点(104a)，用于光学耦合光纤端面(102a)，所述第二面(105)具有凸表面(107)，所述接口点(104a)和凸表面(107)通过所述透镜主体(103)光学耦合，所述透镜主体(103)具有外周边(103a)，所述外周边的至少一部分具有特定几何形状，使得所述透镜主体(103)当被设置在所述套筒(101)内时相对于套筒(101)保持在精确径向位置。

Description

具有模制透镜的扩束型连接器
技术领域
本发明总地涉及一种扩束型光学连接器，并尤其涉及一种扩束型(expanded-beam)插头和插座终端类型(termini-type)的光学连接器。
背景技术
光纤连接器是基本所有光纤通信系统的关键部件。例如，这种连接器用于将光纤的片段连结成更长的长度、将光纤连接到有源器件(如辐射源、探测器和重发器)、以及将光纤连接到无源器件(如切换器、多路复用器和衰减器)。光纤连接器的主要功能是保持光纤端部，使得光纤的芯部与配合结构的光学路径轴向对准。以这种方式，来自光纤的光被光学耦合到光学路径。
在此尤其关注的是扩束型光学连接器。这种连接器传统上用于高振动和/或肮脏环境，其中，光纤和配合连接器的光路的物理接触是成问题的。尤其是，在肮脏环境中，在配合过程中，颗粒会陷在连接器之间。这种碎片在光学通信上具有极度有害影响，这是因为，相比于光路(例如，在单模下为10微米直径)颗粒较大，并因此有可能阻挡光学通信的至少一部分。此外，在高振动环境中，在物理接触中，具有套箍的光学连接器趋于在其表面上经历刮擦。这种刮擦减小了光纤端面的光洁度，由此增大了反射损失和散射。
为了避免在光路中的碎片以及振动的问题，已经研发了一种连接器，这种连接器扩大光束并且将光束跨过连接器之间的空气间隙传输。通过扩大光束，它的相对尺寸相对于碎片增大，使得光束不易于受到碎片造成的影响。此外，跨过空气间隙传输光束消除了部件对部件的磨损，由此，增加了连接器对振动的容限。近年来，扩束型连接器已经发展成耐用型多光纤连接器，其包括外部壳体，该外部壳体被构造成与配合连接器的外部壳体机械相互接合(典型地通过螺钉连接)。在外部壳体内容纳的是多个内部组件或终端。
终端400的例子在图4(a)和4(b)中示出。每个终端400包括套筒401、容纳在套筒401内并适于接收光纤402的套箍组件408以及在套筒401的配合端部处光学耦合到光纤402上的球透镜440。球透镜作用为扩大和准直通过(或靠近)连接器接口的光。当两个扩束型连接器如图4(b)所示配合时，终端400与类似的连接器400’配合，使得在每个终端400、400’的球透镜440、440’之间具有空气间隙421。这种连接器例如在美国专利US7,775,725(在此称为725专利)中公开，该专利通过引用整体结合于此。
如上所述，光束借助于玻璃透镜扩大和聚焦。在多模实施例中，如图4(a)和4(b)所示，垫片480用于将光纤端面远离透镜表面间隔开一定距离位于球透镜的焦点处。对于单模扩束型连接器500构造，如图5(a)和5(b)所示，玻璃材料用于形成球透镜，该球透镜具有精确地位于透镜表面540a上的焦点590，使得光纤端面可以与透镜直接物理接触并防止空气间隙和减少向回反射。由此，用于单模扩束型应用的玻璃透镜不同于多模透镜并且一般更昂贵。
发明内容
所要解决的问题是无论透镜是否被构造成用于多模或单模连接器，它是连接器系统中最昂贵的部件。因此，为了大的生产量，希望找到不太昂贵的透镜选项。本发明尤其满足了这个需求。
解决方案是通过不昂贵的模制透镜主体来提供，其中可构造特征轻易模制到主体上以提供期望的光学和对准特性。具体地说，透镜被模制到透镜主体上，以将透镜的焦点精确定位在透镜主体表面上，使得光纤可以与透镜形成物理接触，以避免空气间隙，由此减少反射。此外，主体被模制有周围特征，使得当设置在套筒中时，被模制的透镜主体在套筒内精确对准。
附图说明
现在，将借助于示例参照附图描述本发明，图中：
图1(a)示出本发明的连接器的一个实施例，其具有设置在套筒中并与抛光的套箍物理接触的模制透镜主体；
图1(b)示出与类似连接器配合的图1(a)的连接器；
图2(a)是图1(a)的连接器的变型，其中裸光纤从套箍的端面突出，并且接收在透镜主体的光纤接收腔室内，由此消除了抛光套箍和表面的需要；
图2(b)示出与类似连接器配合的图2(a)的连接器；
图3(a)示出本发明的另一种变型，其中，带缓冲层的光纤被构造成具有突出的裸光纤，使得其接收在透镜主体的光纤接收腔室内，由此不仅避免对抛光的需要，而且避免了对套箍本身的需要；
图3(b)示出与类似的连接器配合的图3(a)的连接器。
具体实施方式
本发明涉及廉价模制透镜主体，其中可构造特征易于模制到主体内以提供期望的光学和对准特性。具体地说，透镜被模制到透镜主体内，以精确地将透镜的焦点定位在透镜主体表面上，使得光纤可以与透镜形成物理接触，而避免空气间隙，由此减小了反射。此外，主体被模制有周边特征，使得当设置在套筒中时，模制的透镜主体被精确地对准在套筒之内。
于是，本发明的一个方面是包括模制透镜主体的扩束型连接器。在一个实施例中，连接器包括：(1)用于保持至少一个光纤和至少一个透镜主体的套筒，所述套筒具有内表面，该内表面具有特定几何形状；(2)具有光纤端面的光纤；和(3)透镜主体，该透镜主体被模制有第一面和第二面，所述第一和第二面基本上是平面的，所述第一面具有用于光学耦合所述光纤端面的接口点，而所述第二面具有凸表面，所述接口点和凸表面通过透镜主体光学耦合，所述透镜主体具有外周边，所述外周边的至少一部分具有特定几何形状，使得所述透镜主体在被设置在套筒中时被相对于套筒保持在精确径向位置处。
本发明的另一方面是具有模制的光学和对准特征的透镜主体。在一个实施例中，透镜主体被模制有第一面和第二面，所述第一和第二面基本上是平面的，所述第一面具有用于光学耦合光纤端面的接口点，所述第二面限定了至少一个凸表面，所述接口点和所述凸表面通过透镜主体光学耦合，所述透镜主体具有外周边，所述外周边的至少一部分具有特定几何形状，使得所述透镜主体当设置在套筒中时相对于所述套筒被保持在精确径向位置。
在一个实施例中，所述模制透镜主体被构造成接收光纤，使得不需要抛光套箍。在又一实施例中，所述透镜主体被构造成接收带缓冲层的光纤，由此不仅消除了抛光套箍的加工步骤，而且一起消除了套箍。
参照图1(a)、1(b)、2(a)、2(b)以及3(a)、3(b)，示出了本发明的扩束型连接器100、200、300的各种实施例。在每个实施例中，连接器100、200、300包括套筒101，该套筒101用于保持具有光纤端面102a、202a、302a的至少一个光纤102、202、302。套筒101对于每个实施例基本上(但不是必须的)相同，其具有内表面101a，该内表面101a具有特定几何形状。连接器100、200、300还包括透镜主体103、203、303。透镜主体103、203、303模制有第一面104、204、304以及第二面105、205、305，所述第一面和第二面基本是平坦的。第一面具有接口点104a、204a、304a，用于光学耦合光纤端面102a、202a、302a。第二面具有至少一个透镜，在这个实施例中，该至少一个透镜是凸表面107、207、307。每个凸表面107、207、307的焦点基本上在接口点104a、204a、304a处，使得凸表面和接口点通过透镜主体光学耦合。所述透镜主体103、203、303还被模制成限定外周边103a、203a、303a，所述外周边的至少一部分具有特定几何形状，使得透镜主体当被设置在套筒中时，其相对于套筒101被保持在精确径向位置处。连接器系统100、200和300的这些特征和元件在下面将更加详细地加以考虑。
套筒101在上述所有实施例中基本上相同(虽然这不是必须的)。套筒功能为保持和对准套箍/光纤以及透镜主体。虽然套筒101能够被以任何已知方式构造，典型地，它被构造为圆筒状套筒，该圆筒状套筒具有圆形横截面的圆筒形内部几何形状。除了具有如上所述用于保持和对准套箍/光纤以及透镜主体的内部几何形状外，套筒101还包括外部几何形状101b，该外部几何形状101b被构造成被外部套筒120接收和保持，如图1(b)、2(b)和3(b)所示。具体地说，外部套筒120具有内部几何形状120a，该内部几何形状被构造成接收和紧密对准套筒101，以形成配合的连接器组件150，如图1(b)所示(也如图2(b)和3(b)中所示)。
光纤102、202、302可以是任何已知光纤，包括玻璃和塑料光纤。此外，光纤可以被构造有各种芯部，以传输各种模式。适当的光纤的示例包括单模、多模、偏振保持和多芯部光纤。单模、多模、偏振保持光纤是众所周知的并且商业上可购得。多芯部光纤是比较近期的，并且在一个共同的光纤内包括两个或多个芯部。适当的多芯部光纤包括例如在共同的覆层内具有多个芯部的光纤，其例如可以从Corning公司、OFS-Furukawa Electric有限公司、和Sumitomo Electric公司购得。或者，与芯部限定在共同的覆层内不同，芯部可以通过沿着光纤的长度延伸的通道限定。以这种方式限定的光纤称为光子晶体结构芯部或者孔式光纤芯部。这种光纤例如在文献Kazunori Mukasaet al."Multi-Core Fibers for Large Capacity SDM",Optical Fiber Conference 2011,OWJ1中描述，该文件通过引用结合于此。
在图1(a)中的实施例中，光纤102以已知的构造被保持在套箍108中。套箍108包括端面109，该端面109被抛光以呈现抛光的光纤端面102a。或者，如图2(a)所示，套箍202的光纤端面202a不抛光。更具体地说，套箍208包括洞孔，裸光纤202设置在该洞孔中，使得裸光纤的一部分210从套箍端面109延伸。在一个实施例中，不是抛光套箍端面以抛光光纤端面，而是光纤端面被切割(cleave)，以提供适于光学耦合的平滑表面。用于制备从套箍突出的切割光纤的方法是已知的，并且例如在美国专利US7,377,700中公开，该专利通过引用整体结合于此。从而，套箍组件208能够以显著减小的成本制备，因为在套箍组件的制备过程中抛光趋于是昂贵的加工步骤。
在一个实施例中，套箍包括至少两个洞孔，其中每个洞孔适于保持光纤。在另一实施例中，套箍包括一个中心洞孔，该中心洞孔的尺寸适于保持多于一个光纤。
此外，在其中光纤端面被激光切割的实施例中，可以使用端部成形技术，如在美国专利US6,963,687(由此通过引用整体结合于此)所公开的，以将光纤端面成形有透镜或其他结构，以增强与透镜主体的光学耦合。例如，对于光纤和透镜(例如，见图2)之间具有空气间隙的单模光纤，光纤端面的倾斜或成角度精修(finish)将减少反射。
在又一个实施例中，光纤没有被保持在套箍中。具体地说，参照图3(a)，本发明的连接器300的减少套箍的实施例被示出，其中，连接器300包括带缓冲层的光纤302，其具有裸部分310，该裸部分310从带缓冲层的光纤302的端部突出。再者，突出的裸光纤310能够利用已知的技术，包括激光剥离来制备。
本发明的关键方面是模制透镜主体103、203和303，分别如图1(a)、2(a)和3(a)所示。所述模制透镜主体执行以下功能中的一个或多个：(1)它本身在套筒之内对准，以相对于光纤径向定位，(2)它与光纤光学耦合，(3)它在光纤和配合连接器之间扩展或聚焦光束，和/或(4)它机械地抵靠配合连接器的透镜主体，以相对于配合连接器轴向定位连接器。
为了便于在套筒101之内对准，透镜主体包括周边103a，该周边103a的至少一部分被构造成被接收并接触套筒101的内表面101a，使得透镜主体103在套筒101之内径向对准。典型地，虽然不是必须的，径向套筒具有圆筒形内侧几何形状，该内侧几何形状具有圆形横截面，如上所述。于是，在一个实施例中，透镜主体103的周边103a的至少一部分被构造成接收在圆筒状套筒中。整个周边103a接触套筒101的内部101a并非是关键的，关键的只是有足够的部分来确保透镜主体被保持对准。例如，在一个实施例中，周边103a是圆筒状的，使得整个部分接触内表面101a。在可替代实施例中，周边103a是带槽的，使得仅带槽的部分的顶峰接触周边。在另一实施例中，仅透镜主体的周边上的若干(例如，三个或多个)等距离的肋接触内表面101a。鉴于本公开，其他实施例对于本领域技术人员将是显见的。
为了与光纤光学耦合，透镜主体具有限定接口点的第一面，该第一面是平滑的，用于向光纤端面发射和从光纤端面接收光，而没有显著损失或失真。在一个实施例中，接口点被构造成与光纤端面形成物理接触。于是，如下面所描述的，对应于接口点的透镜焦点设置在透镜主体的在接口点处的表面处或附近。在另一实施例中，光纤端面离开接口点较短距离，以产生空气间隙。于是，在这种实施例中，透镜的焦点将超过接口点。在一个实施例中，在光纤端面和接口点之间使用折射率匹配胶。在另一实施例中，接口点是带透镜的以增强光纤端面和透镜主体之间的光学耦合。在另一实施例中，为了便于与接口点和光纤端面的对准，接口点从第一面凹入，即，设置在透镜主体内光纤接收腔室的端部处，如下面相对于图2和3所描述的。鉴于本公开，其他实施例对于本领域技术人员而言将是显见的。
为了扩展或聚焦在第二面处离开或进入透镜主体的光束，透镜主体包括一个或多个透镜。在一个实施例中，如下面相对于图1(a)至3(a)所述，透镜为模制或加工到透镜主体的第二面中的凸表面。凸表面被构造成使得它们的焦点处于接口点处，如上所述。在一个实施例中，凸表面被限定在腔室106、206和306中。于是，在一个实施例中，与在第二面内具有腔室以限定凸表面相反，凸表面可以从第二面突出。但是在这个实施例中，如下所述，用于轴向定位配合连接器的透镜主体的抵靠会受损。在一个实施例中，离散的透镜对应于单个光纤或芯部。在另一实施例中，一个透镜通过透镜主体光学耦合到两个或多个光纤或芯部。
为了与配合连接器机械接口并轴向定位该连接器，透镜主体具有第二面，该第二面具有一个或多个前向平坦部分，用于接触配合连接器的类似透镜主体。例如，参照图1(b)、2(b)和3(b)，连接器100、200和300与配合连接器100’、200’、和300’机械接触或接合，以分别形成配合的组件150、250和350。具体地说，每个透镜主体的第二面具有平坦的前向部分，使得两个透镜主体能够抵靠，以光学耦合连接器100、100’。(类似的布置被用于图2(b)和3(b)中的连接器。)以这种方式，第二面105的前向平坦部分和凸表面107(下面描述)之间的距离限定了在两个连接器之间的扩展光束的长度的一半。如果凸表面107没有凹入到腔室106内，那么为了便于抵靠，第二面可以具有突起，该突起具有平坦的端面，用于抵靠配合连接器上的类似透镜主体。鉴于本公开，用于抵靠或以其他方式机械接触透镜主体以轴向定位连接器的其他技术对本领域技术人员将是显见的。
透镜主体可以具有如上所述的各种实施例。例如，在图1(a)所示的实施例中，透镜主体包括第一面104和第二面105。第一面104包括接口点104a，用于光学耦合光纤102。第二面105包括腔室106，该腔室限定了凸表面107，用于扩展离开透镜主体的光束或者聚焦进入透镜主体的光束。
参照图2(a)，公开了透镜主体203的另一实施例。图2(a)中的透镜主体203类似于图1(a)的，除了它具有光纤接收腔室211，用于接收从套箍的端面209突出的裸光纤的部分210。如上所述，由于裸光纤202的部分210延伸超过套箍的端面，其端面能够在不抛光套箍的情况下制备。接口点204a不是设置在第一面上(象接口点104a位于第一面104上那样)，而是在光纤接收腔室211的端部处凹陷在透镜主体203的内侧。于是，凸表面207的形状需要被构造成使得它的焦点在凹陷的接口点204a处。或者，透镜主体可以更长，使得接口点204a和凸表面207之间的距离大约与接口点104a和透镜主体103的凸表面107之间的距离相等。鉴于本公开，本领域技术人员将知道用于将凸表面207的焦点定位在接口点204a上的其他方法。
在图3(a)中所示的另一实施例中，透镜303包括环形部分315，该环形部分从第一面304向后延伸。环形部分315包括内表面315a，该内表面被构造成接收带缓冲层的光纤302的外表面302a。这种布置作用为将带缓冲层的光纤302紧密保持在透镜主体303内，由此消除了对套箍的需求。如同图2(a)的实施例一样，透镜主体的第一面304包括光纤接收腔室311，用于接收从带缓冲层的光纤302突出的光纤的部分310。接口点304a定位在光纤接收腔室311的端部处。
虽然就三个不同透镜主体图示说明本发明，但是应该理解存在可替代的透镜主体。例如，在一个实施例中，光纤可以是多芯部光纤，如上所述。在这种实施例中，第一面将具有多个接口点，且第二面将在其中限定多个透镜，使得每个透镜耦接到接口点上。如上所述，这涉及到将给定透镜的焦点定位在其相应的接口点处。透镜的构造可以改变。如上所述，透镜可以被限定为由第二面内的腔室限定的凸表面，或者透镜可以是从第二面突出的凸表面。在一个实施例中，多个凸表面被限定在单个腔室内。多芯部光纤在透镜主体和光纤上可能需要键合特征，使得透镜和与多个单独透镜相关的芯部对准。在一个实施例中，仅一个透镜被限定在透镜主体内，以与多个芯部耦合。这种构造利用彼此紧密靠近的芯部。鉴于本公开，其它的实施例对于本领域技术人员而言将是显见的。
透镜主体可以包括任何易于模制的光学透明材料，例如包括PEI(聚醚酰亚胺)、PESU(聚醚砜)。透镜主体的所有特征(例如，光纤接收腔室、接口点、透镜、外周边等)可以模制在透镜主体中，或可替代地，可以模制透镜主体坯体，并在其中机加工各个特征。在另一实施例中，一些特征可以被模制而成，而其他特征可以被机加工而成。
另外的特征可以被添加到透镜主体和/或光纤，以进一步改善光学性能。例如，在一个实施例中，防反射涂层施加到透镜上以减少菲涅尔(Fresnel)损失。同样，在光纤端面和透镜主体的第一面(例如，见图2)之间存在空气间隙的实施例中，防反射涂层可以施加到光纤端面上，以改善光学性能。

Claims (16)

1.一种扩束型连接器(100)，包括：
套筒(101)，所述套筒用于保持至少一个光纤(102)和至少一个透镜主体(103)，所述套筒(101)具有内表面(101a)，所述内表面具有特定几何形状；
具有光纤端面(102a)的光纤(102)；以及
透镜主体(103)，所述透镜主体(103)形成有第一面(104)和第二面(105)，所述第一和第二面(104、105)基本上是平坦的，所述第一面(104)具有接口点(104a)，用于光学耦合光纤端面(102a)，所述第二面(105)具有凸表面(107)，所述接口点(104a)和凸表面(107)通过所述透镜主体(103)光学耦合，所述透镜主体(103)具有外周边(103a)，所述外周边的至少一部分具有特定几何形状，使得所述透镜主体(103)当被设置在所述套筒(101)内时相对于套筒(101)保持在精确的径向位置。
2.如权利要求1所述的连接器(100)，其中，所述透镜主体(103)是模制的。
3.如权利要求1所述的连接器(100)，还包括：
套箍(108)，所述套箍具有至少一个用于接收所述光纤(102)的洞孔和用于呈现光纤端面(102a)的端面(109)。
4.如权利要求3所述的连接器(100)，其中，所述第一面(104)被构造成抵靠所述套箍(108)的端面。
5.如权利要求3所述的连接器(100)，其中，呈现所述光纤端面(102a)的所述端面(109)的至少一部分被抛光，以将光纤端面(102a)与所述接口点(104a)光学耦合。
6.如权利要求3所述的连接器(100)，其中，所述第一面(104)包括光纤接收腔室，以接收从所述端面突出的所述光纤(102)的一部分。
7.如权利要求6所述的连接器(100)，其中，空气间隙存在于所述光纤端面(102a)和所述透镜主体(103)之间。
8.如权利要求7所述的连接器(100)，其中，所述光纤端面(102a)和所述透镜主体(103)具有防反射涂层。
9.如权利要求7所述的连接器(100)，其中，所述光纤端面(102a)具有倾斜角度。
10.如权利要求6所述的连接器(100)，其中，所述端面未抛光。
11.如权利要求6所述的连接器(100)，其中，折射率匹配胶设置在光纤接收腔室内位于光纤端面(102a)和接口点(104a)之间。
12.如权利要求1所述的连接器(100)，其中，所述光纤(102)包括带缓冲层的光纤，并且其中所述透镜主体(103)包括从所述第一面(104)延伸的环形部分，所述环形部分具有内侧几何形状，该内侧几何形状被构造成接收所述带缓冲层的光纤的一部分。
13.如权利要求12所述的连接器(100)，其中，裸光纤末端从带缓冲层的光纤延伸，且所述第一面包括光纤接收腔室以接收所述裸光纤末端。
14.如权利要求1所述的连接器(100)，其中，所述第二面(105)被构造成抵靠配合连接器的配合透镜主体的第二面。
15.如权利要求1所述的连接器(100)，其中，所述第二面(105)包括限定了凸表面的腔室。
16.如权利要求1所述的连接器(100)，其中，所述透镜主体(103)是整体模制的光学透明材料。
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