CN1047239C - 光纤套管抛光法 - Google Patents

Abstract

一种抛光光纤连接器中套管的方法，该方法使套管球形端面的顶点居中，位于光纤轴上。套管顶部倾斜且大致为球形为一对互联的光纤提供倾斜的直接接触(APC)。这些套管通常有一切角面，从最外层的直径引向球形的倾斜端面。在已有技术中，球形端面的顶点不与光纤轴重合，光纤端部之间有空隙，影响介入损耗、稳定性和重复性等性能参数。本发明提供了几种使斜削套管具有APC抛光面的方法，同时使球形端面的顶点保持在光纤轴上。

Description

光纤套管抛光法

技术领域

本发明总的来说涉及用于连接远距离通信线路的装置，尤其涉及一种制备光纤连接器中使用的套管的方法。

背景技术

在近几年中，光纤已作为最佳媒质代替铜线来运载电信信号。同使用铜线一样，在安装、修理或替换光纤时，必须进行光纤互联。一般有两种连接装置，即接头和连接器。“接头”通常是指一种在一对光纤之间提供永久连接的装置。相反，“连接器”通常表示一种可以用不同的插头或插座反复连接和卸除的装置。虽然本发明原本可以既提供永久连接又提供暂时连接，“连接器”不应在局限的意义上理解，但本发明指的就是这种装置。

现可买到两种基本类型的光纤连接器：套管连接器和双锥形连接器。套管连接器使用一种圆柱形的准直部件，一般为陶瓷的，具有一中心孔，用于容纳单根光纤。双锥形连接器使用一种截锥形的插头。两种连接器一般都是将一对插入至一公共的插座或插孔中的插头组合起来，以提供完全连接。现有技术还知道，倾斜地对光纤端面抛光，可以改善经过连接器的信号传输。这种结构减少了信号在端面的内部反射。例如，参见美国专利5,062,682号和5,066,094号，欧洲专利194,325号和日本专利申请(公开)1-121805号。

目前，对于反射率极低的连接器的要求变得更为严格，尤其在使用激光光源的高速、单模光纤中。有线电视运行人员目前需要反射率小于-50dB，而且这一标准大概也将被所有的电话供应商所采用。反射率性能还必须在极端环境下保持一致，可重复和稳定。同时，要求介入损耗小于0.5dB。早期的技术通过在倾斜的连接器光纤端面之间提供一空气隙，以更高的介入损耗(衰减)为代价来降低反射。参见，美国专利4,695,126号。在日本专利申请(公开)号为59-38707的套管结构中，通过只使部分套管端面倾斜而尽可能减小空气隙，但这仍使损耗至少增大0.35dB，而且由于谐振菲涅耳反射，连接稳定性和重复性很差。

美国专利号4,615,581中所示的结构取消了空气隙，但这种结构使用一毛细管，带来了几个新的问题。首先，光纤必须能经受相当急剧的弯曲，这会使光纤在插入期间，并从长远观点来看由于静态疲劳而损坏。其次，很难可靠地插入光纤，从而使成品连接器组件非常贵。最后，如果套管端面不能非常接近90°界面，则仍会产生细微的端隙。另一种设计(美国专利号4,978,193)企图通过在工厂准确地制作成角平面，然后在现场使用硬陶瓷套管材料作为止动器只抛光预先制成角度的表面，来克服光纤缝隙。这种设计要求以严格的公差将成对的连接器销合在一起；如果销合公差不很严格，或者随轴向或旋转方向的影响而变化，那么将产生空气隙，带来所有相应的缺陷。

如美国专利号5,140,660所述，在现有技术中一般利用端头呈球形的套管，在被连接的光纤端面之问提供强制的直接接触(PC)，使倾斜的连接器获得低于0.25dB的损耗值。该设计也解决了早期有关在端面被斜切或磨斜的套管上形成一倾斜的球形表面的问题。为使抛光套管端面所需的磨光和抛光量最小，并有利于套管在连接器插座内适当对准，需斜削套管。然而，如图1所示，当在如此斜削的套管10上形成一倾斜的球形端面时，所获得的球形表面14的顶点12并不与光纤轴16重合，即不与套管的径向中心重合(参见′660专利中的图3)。在这一问题上，此处所用的“顶点”一词是指球面14上其切线大致与球面14的倾角θ平行的点。倾角θ一般可以用球面14与斜削面18相交处在直径两端的点A和B之间形成的直线来定义。但本领域中那些熟练的技术人员将意识到，表面14可以不完全为球形，而且事实上，在点A和B附近常常不为球形，尽管在其中心附近非常接近于球面。因此，顶点12处的切线可以不完全平行于点A和B之间的连线；类似地，“球形的”一词也不应在局限的意义上理解。

顶点12与光纤轴16不重合使光纤端面之间产生一空隙(由于含有微观的尺寸，故该效果在图1中放大)。′660专利指出，如果斜平面与圆周的切角面相邻，那么这个问题是不可避免的，所以它通过在套管上配备一个直径较小的、延伸在切角面之外的尖部来消除上述问题。但660专利的设计仍有若干缺陷。由于对准部件中使用的材料与一般用来制造套管的二氧化锆和铝陶瓷要软，而该设计内在地要求倾斜端面有一陡变的前缘，这会切割、切削或切刮各种类型的准直套筒和外罩或插孔。该问题可能产生碎片，堆积在套管端面之间，并由此降低信号的传输。′660专利设计中的阶梯式圆柱形也可能不能与现存的或将来的诸如发光二极管和激光器等光电器件的插座完全匹配，有损伤这类器件的可能性。因此，希望发明一种倾斜地抛光套管端面的方法，该方法不需要有直径较小的且伸出切角面的尖部，仍能使斜面的顶点位于中心，非常靠近光纤轴，从而使光纤端面之间可能的空隙最小。

发明内容

本发明提供一种套管，该套管包括一圆柱体，圆柱体具有一斜削端和一用来容纳光纤的中心孔，套管倾斜的端面大致为球形，并且顶点大致在孔的中心(至少在50μm内，一般在10μm内)。有几种方法可用来制造这种套管。大多数方法要求在套管上、靠近切面的地方形成一临时的倾斜端面，然后再抛光，以形成顶点处于中心的球面。

在三种方法中，临时表面是平的，并且以所希望的角度倾斜(通常约为8°)。在第一种方法中，在形成平的斜面后，再次研磨套管端面，产生一新的均匀切角面。然后，由于重新确定了切角面，对套管进行常规抛光(抵着一柔性垫片)，可使顶点处于光纤轴上。在第二种需要临时平面的方法中，以略微比所希望的倾角更陡的角度抛光球面，将顶点移向光纤轴。在第三种方法中，在该平面上形成一圆柱面。

第四种方法用凹面加工刀磨削正在轴上旋转的套管，形成一临时的球面。在另一种方法中，没有临时表面，即只有一个抛光步骤，在该步骤中，以略微比所希望的倾角更陡的角度抛光套管端面。该方法要求严格控制起始的端面直径、抛光角度和球面的曲率半径。对每一方法中的某些步骤可以通过就地模压套管予以取代。作为结果的各个连接器具有很低的反射率(一般为-70至-80分贝)和低衰减(约0.2分贝)，而且稳定性极佳(±0.2分贝)。

附图概述

后附的权利要求中给出了本发明新的特征和范围。但参考附图可最全面地理解发明本身，其中，

图1是依照已有技术构造的两个倾斜的直接接触(APC)的套管的放大侧视图；

图2是依照本发明构造的两个APC套管的侧视图，其中球面的顶点与光纤轴重合。

图3是一透视图，描绘了一种依照本发明来构造一套管的方法，其中在形成一临时平的斜面后重新确定均匀的切角面。

图4是一侧视图，描绘了另一种依照本发明来构造一套管的方法，其中以一比所希望的倾角更陡的角度抛光套管；

图5和6是两张侧视图，又示出了另一种依照本发明来构造一套管的方法，其中凹面加工刀先形成一临时表面，然后以一比所希望的倾角更陡的角度抛光该临时表面；

图7是一透视图，又描绘了另一种依照本发明来构造一套管的方法，其中在临时平面上形成一圆柱面；而

图8是一侧视图，示出了一种依照本发明来构造一套管的方法，其中以单次抛光操作形成球面。

本发明的较佳实施例

现参看各附图，尤其是图2，本发明总体上包括一用作光纤连接器的套管20(包括ST、SC、FC等连接器形式)，套管20具有大致为圆柱形的管体、一切角的末端22和一倾斜的球形端面24，其中圆柱体带有一中心孔，用于容纳光纤。即使球形端面24与切角面相邻，套管20仍使斜面24的顶点居中，位于光纤轴28上。本发明设想了几种用来实现该结构的方法，可使顶点偏离光纤轴的距离在50微米之内。另外如下所述，该结构会带来极佳的反射率和介入损耗，并且连接器性能的稳定性和可重复性有所提高。

图3示出了一种制备套管的方法，该方法通过在斜面的整个周边周围添加一均匀的切角面，来补偿斜面从边缘至中心距离的不均匀。图3描绘了套管20a的顶端部分，其终止于一顶端30，具有一斜削过的周边32，这是开始时用诸如就地模压套管或磨削顶端30等常规方式而形成的。用诸如美国专利号4,831,784和4,979,334中所描述的那些改良的抛光设备在顶端30上形成一倾斜端面34；但抛光薄片应具有一个刚性的垫材，诸如玻璃或金属等，而不是上述专利示出的柔性垫材。对套管20a的抛光是在它相对抛光薄片取适当的角度下进行的(在2°至20°范围内，但一般约为8°)。支撑套管的夹具沿该适当的角度取向，而不与垫片垂直。夹具应具有锁结装置，当抛光时可防止套管扭曲。用硬的垫材进行抛光可使端面34首先是平的；图3中所示的阴影区域36是在套管制备的这个阶段中形成的端面34的一部分，尽管如下所述，该部分在下一步骤中被消除。因此，在制备的这一阶段，套管20a的端部30与美国专利号4,978,193所示的相似。

在完成平的倾斜抛光面后，通过再次磨削端部30，在表面34的整个周边周围形成一均匀的切角面；图3中阴影线区域38与原始的切角面32合并在一起，形成重新确定的切角面。在该过程中磨去了阴影区材料36。在该方法中，当除去阴影区材料36后，(从光纤轴至表面34的边缘的)两段距离x变得相等；但如下所述，不必使这两段距离相等以获得图2的结构，事实上，在依照其余的几种方法构造套管时，这些距离是不相等的。在重新确定切角面之后，用一(通常的)柔性橡胶垫片和精研薄片(或，不如该方法那样好，用凹形的刚性垫片)来取代抛光设备上的刚性垫片，并且重复抛光过程(套管20a的取向角度与第一次抛光步骤中的相同)，使端面34成为球面形。已凭经验发现，其后形成的球面顶点自然居于中心，位于套管20a的光纤轴上。

还应注意，虽然有几种公开的方法将顶点“移”向光纤轴，但表面34的倾斜角度基本保持不变。对根据这一方法制备的二十个套管进行了试验，由它们制成的连接器的平均介入损耗为-0.2dB±0.02dB，反射率为-82dB±0.5dB。

现参看图4，另一种方法以更倾斜的角度在柔性抛光垫片上抛光端面，将顶点推向或偏至光学中心。首先，用上述方法，在套管20b上以所希望的倾角θ形成平的抛光面。让切角面保持不规则，并且在第二道工序中不予校正，即AF和BF距离不相等(AF和BF是沿套管端面确定的大体成椭圆形的主轴方向上从切角面边缘至中心孔的距离)。第二道工序很简单，包括用柔性的衬垫和抛光薄片来代替刚性的衬垫和抛光薄片，并以一略比θ更倾斜的角度进行抛光。具体地说，已凭经验确定，在第二道抛光工序中，套管20b应依照下列方程以斜角Φ取向 $\mathrm{\Φ}=\frac{\mathrm{BF}}{\mathrm{AF}}\×\mathrm{\θ}$

该方法最好用在初始形成的端面直径较小(例如，1.4毫米)的套管上。磨削较小的端面使“移动”顶点更为容易，并且节省30％-40％的加工时间。根据上述尺寸，距离AF和BF分别为0.7069毫米和0.8317毫米。假设倾角为8°，则第二次抛光工序使套管20b以下述角度取向： $\mathrm{\Φ}=\frac{0.8317}{0.7069}\×8^o=9.412^o$ 通过沿点O和B之间的区域将更大的力施加在端面上，以第二个角度进行的抛光，可有效地使顶点居中，位于光纤轴上。对根据该法制备的十个套管系列进行试验，用它们生产的连接器的平均介入损耗为-0.23dB±0.015dB，反射率为82.4dB±0.5dB，顶点平均径向偏心13μm(标准偏差σ=6μm)。

第三种方法利用高速转轴曲面加工器来初步形成凸面的半径并使之居中，如图5所示。凹面加工刀40(诸如新泽西州惠泊尼市通用工业钻石用具股份有限公司生产的工业钻石刀具等)可以方便地产生球形的倾斜端面，端面顶点严格地位于光轴上，不必考虑因切角面而在端面周围存在不相等的材料。套管20c在转轴42中保持所希望的倾向，转轴42的轴与点44重合，而点44是套管20c的光学中心与其端面相交的交点。转轴42以500-1000转/分速率旋转，而刀具40以8000-12000转/分旋转。由于这一过程可能损坏套管20c中的光纤，所以在该初始磨削步骤之后再把光纤插入套管20c中(并固定住)。用柔性垫片46进行最终的PC抛光，抛光时套管20c以上述方程所给的更加倾斜的角度Φ取向。该方法有利于自动化，但仍可用图6所示的简单的单孔手用夹具48方便地在现场安装。与这里揭示的其余方法一样，该抛光处理可获得端部大致为球形且与套管的球形端面连续的光纤。

结合图7描述又一种使顶点居中的方法，首先，用上述方法，在套管20d削角的端部50上形成一平的斜面。但在该方法中，随后例如依靠圆柱形凹面垫材(支撑诸如疏松颗粒的研磨材料或精磨薄片等适当的研磨材料)磨削端部50，形成圆柱形表面52。圆柱形表面的轴54与先前平面的斜度平行，即与倾轴平行。该实施例使我们回想起前面现有技术描述中有关“顶点”之定义和“球形”表面之含义的讨论。表面52并不严格为球形，但是圆柱形表面52充分地接近于球形表面，从而能使本领域的熟练技术人员获得其顶点，印表面的切线大致与倾角平行的点。因此，应把“球形”一词理解为包括这些圆柱面。

虽然图7的实施例就旋转力而言稳定性更好，因为表面凸纹与倾角正交，但它对倾角的精度是一个更大的负担。一种减少这一负担的方法是提供如图7中阴影区域56所示的浅凹角(shallow reliefangle)。这些凸纹区域可以模压至端部50中，而非用机械加工的方法。事实上，本领域的那些熟练技术人员知道，上述许多结果可在理论上模制到位，但目前的技术水平还不能在模压方面提供所需的精确度。光纤孔与外直径的同心度必须在1.0微米内，而且外直径本身的精度必须在1.0微米内。

这里揭示的最后一种方法实现了把倾斜端面顶点居中，使之位于光轴上的目标，并在整个抛光过程中仍使用柔性橡胶垫材。在该过程中，必须严格控制起始端面直径、所希望的曲率半径和抛光角，才可获得可重复的结果。在图8中，θ仍是所希望的倾角，r是被抛光球形端面所希望的曲率半径；a是切角面的高度，而b是其宽度；VR是端面的起始直径，而VQ是斜面的有效直径。已经证明，可以通过以略大于θ的角度φ抛光套管，用单次抛光步骤使最终球面的顶点位于光纤轴上，具体地

φ=θ+fθ，其中 $\mathrm{f\θ}=\frac{\mathrm{fs}}{r}$ $\mathrm{fs}=\frac{\mathrm{VQ}}{2}-\mathrm{VP}$ $\mathrm{VQ}=\frac{\mathrm{VR}\sin \left({\tan }^{-1}\left(\frac{a}{b}\right)\right)}{\sin ({\tan }^{-1}\left(\frac{a}{b}\right)-\mathrm{\θ})}$ 和 $\mathrm{VP}=\frac{\mathrm{VR}/2}{\cos \mathrm{\θ}}$ 。对一典型的套管(VR=1.41毫米，a=0.93毫米，b=0.55毫米)使用这些方程，会带来下述计算：

和

假设曲率半径为6毫米，那么且

φ=8°+0.62°=8.62°。该方法的工作原理是考虑到顶点所希望的移动量，通过对端面施加一更倾斜的角度，使得当应用于具体的半径时，偏离光学中心(光纤轴)的角度结果为θ。当企图用多套管夹具同时抛光几个套管时，这会出现一些困难，因为这种设置加在每个套管上的压力是不均匀，会导致不同的有效曲率半径。例如，若设半径为10毫米(不是6毫米)，那么相应的抛光角度为8.37°而非8.62°，按8.62°抛光将不会适当地使顶点居中。只要能够独立控制加在每个套管上的抛光力，从而控制有效半径，就可使用任何机械，可以改进美国专利号5,107,627中描述的设备来同时制造几个套管。所施加的用以产生所给曲率半径的力必须凭经验确定。

用所有上述方法生产的连接器都提供非常低的反射率(一般为-70至-80分贝)，而且衰减少(约0.2分贝)，稳定性极佳(±0.02分贝)；这些结果基于1300纳米的光源。所有端面的顶点偏离光纤轴的距离在50微米之内，而且大部分在10微米内。与现有技术的连接器相比，性能水平基本上不受灰尘、热变化、轴向和径向力以及反复接合的影响。用低成本的刀具加工能容易地完成现场端接。所得到的连接器完全能与美国专利号5,140,660的连接器设计接合，但依照本发明制造的连接器磨刮插座耦合套筒的可能性更小，并且与光电器件的插座更加适配。

尽管参照几个具体的实施例描述了本发明，但该描述并不意味着在局限的意义上来理解。参照本发明的描述，对所揭示的实施例进行各种修改以及本发明的其他实施例对本领域的熟练技术人员是显而易见的。例如，除了连接器之外，可用本发明制造衰减器。因此，可以料想，这些修改并不脱离后附权利要求中确定的本发明的精神或范围。

Claims (19)

1．一种在光纤连接器中使用的制品，它包括：

一大体呈圆柱形的本体，具有一中心孔和一顶端；

所述本体的所述顶端具有一斜切角面和一大体呈球形的端面；并且

所述球形端面相对所述孔的法向倾斜，

其特征在于，所述球形端面与所述斜切角面直接相邻，并且所述球形端面还有一顶点，所述球形端面在所述顶点处的切线基本上平行于这样一个平面，该平面通过所述球形端面与所述斜切角面的交点轨迹，所述顶点近似地与所述孔的轴重合。

2．如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述球面的所述顶点偏离所述孔的轴的距离在50微米内。

3．如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述倾斜的球形端面的倾角在2°-20°的范围内。

4．如权利要求1所述的制品，其特征在于，包括一光纤，所述光纤位于所述本体的所述孔中且终止于所述顶端，所述光纤具有一端面，端面的形状大体为球形，且与所述本体之所述球形端面连续。

5．如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述球面的所述顶点偏离所述孔的轴的距离在10微米内。

6．一种有套管的光纤连接器，其中套管具有一顶端和一用来容纳一光纤的中心孔，光纤终止于所述顶端，所述顶端还有一斜切角面和一大体呈球形的端面，所述球形端面相对所述孔的法向倾斜，在所述孔的法向与一平面之间确定了一倾角，所述平面通过所述倾斜的球形端面与所述斜切角面的交点轨迹，并且所述光纤具有一端面，端面形状大体为球形且与所述套管的所述球形端面连续，

其特征在于，包括以下改进：

所述球形端面与所述斜切角面直接相邻；并且

所述球形端面在所述中心孔的轴处确定一切线，该切线大致平行于所述平面。

7．一种用来制备光纤连接器中使用的套管的方法，其特征在于，包括下列步骤：

获取一具有带切角面之顶端的套管，套管也具有可容纳一光纤的中心孔，并且，

与切角面直接相邻，使套管的顶端形成一球形端面，球形端面相对于孔的法向倾斜，在所述孔的法向与一平面之间确定了一倾角，所述平面通过所述倾斜的球形端面与所述斜切角面的交点轨迹，球形端面还在所述孔的轴处有一切线，该切线大致平行于所述倾角。

8．如权利要求7所述的方法，其特征在于，套管的球形端面由以下步骤形成：

在套管的顶端形成一平的斜面，从而除去一部分切角面；磨削套管的顶端，在平的斜面周边形成一均匀的切角面；并且抵着一柔性垫片抛光该平的斜面。

9．如权利要求7所述的方法，其特征在于，套管的球形端面由以下步骤形成：

在套管的顶端形成一平面，以所述倾角相对孔的法线取向；并且

抵着柔性垫片抛光平面，同时使套管相对垫片保持一斜角，该斜角大于所述倾角。

10．如权利要求7所述的方法，其特征在于，套管的球形端面由以下步骤形成：

在套管的顶端形成一凸面，凸面相对于孔的法向以所述倾角取向；并且，

抵着柔性垫片抛光凸面，同时使套管相对垫片保持一斜角，该斜角大于所述倾角。

11．如权利要求7所述的方法，其特征在于，套管的球形端面由以下步骤形成：

在套管的顶端形成一平面，该平面相对孔的法向以所述倾角取向；并且

将平面抛光成圆柱面，所述圆柱面有一与平面斜率平行的轴。

12．如权利要求7所述的方法，其特征在于，以角度φ=θ+fθ来抛光套管，从而形成套管的球形端面，其中θ为所希望的倾角，而且 $\mathrm{f\θ}=\frac{\mathrm{fs}}{r}$ $\mathrm{fs}=\frac{\mathrm{VQ}}{2}-\mathrm{VP}$ $\mathrm{VQ}=\frac{\mathrm{VR}\sin \left({\tan }^{-1}\left(\frac{a}{b}\right)\right)}{\sin ({\tan }^{-1}\left(\frac{a}{b}\right)-\mathrm{\θ})}$ 和 $\mathrm{VP}=\frac{\mathrm{VR}/2}{\cos \mathrm{\θ}}$

VR为套管端面的起始直径，r为球面的有效半径，a为切角面的有效高度，而b为切角面的有效宽度。

13．如权利要求9所述的方法，其特征在于，斜角Φ大致依照方程 $\mathrm{\Φ}=\frac{\mathrm{BF}}{\mathrm{AF}}\×\mathrm{\θ}$

来确定，其中θ为所述倾角，平面一般为椭圆形，并具有一长轴，AF是沿长轴从孔到切面的最短距离，而BF是沿长轴从孔至切面的最长距离。

14．如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述凸表面是按以下步骤形成的：

将套管放在转轴上，套管相对转轴的轴线以所述倾角取向，并且旋转转轴，同时用凹面加工刀磨削套管的顶端。

15．一种用来制备光纤连接器中使用的套管的方法，其特征在于包含以下步骤：

获取一具有带切角面之顶端的套管，套管也具有可容纳一光纤的中心孔；

在套管的顶端，与切角面直接相邻形成一临时表面，所述临时表面相对所述孔的法向倾斜，在所述孔的法向与所述临时平面之间确定了一倾角；并且

将所述临时表面转变成一球形端面，所述球形端面在所述孔的轴处有一切线，该切线大致平行于所述临时平面。

16．如权利要求15所述的方法，其特征在于，

临时表面是平的；

所述形成临时表面的步骤，除去了一部分切角面；并且

所述转变步骤包括磨削套管顶端的步骤，以在平面周边形成一均匀切角面，并且包括抵着一柔性垫片抛光所述平面的步骤。

17．如权利要求15所述的方法，其特征在于，

临时表面是平的；并且

所述转变步骤是这样完成的，即抵着一柔性垫片抛光所述平面，同时使套管相对垫片保持一斜角，该斜角大于所述倾角。

18．如权利要求15所述的方法，其特征在于，

临时平面是凸的；并且

所述转变步骤是这样来完成的，即抵着一柔性垫片抛光所述凸面，同时使套管相对垫片保持一斜角，该斜角大于所述倾角。

19．如权利要求15所述的方法，其特征在于，

临时表面是平的；并且

所述转变步骤是这样来完成的，即将平面抛光成一圆柱面，所述圆柱面有一与所述平面的斜率平行的轴。

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