CN104956245B - 用于在套环或生产夹具内对准多芯纤维的结构和技术 - Google Patents

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Abstract

一种用于对准多芯纤维的对准装置，该对准装置具有带前部面和后部面的主体，并且包括在前部面处的前部开口和后部面处的后部开口之间延伸的毛细管。毛细管的内周包括对准表面，毛细管的对准表面对应于多芯纤维的对准表面。前部开口被成形为紧密地装配在多芯纤维周围，以阻止多芯纤维相对于对准装置主体进行非纵向运动。

Description

用于在套环或生产夹具内对准多芯纤维的结构和技术
相关申请的交叉引用
本发明要求享有2012年12月5日提交的美国临时专利申请序列号No.61/733,531的优先权，所述美国临时专利申请归本发明的受让人所有并且全文并入本文中以作为参考。
援引并入
下列专利申请全文并入本文中以作为参考：2011年3月16日提交的名称为“用于多芯光纤电缆的多纤维连接器(Multifiber Connectors for Multicore Optical FiberCables)”的美国专利申请序列号No.13/049,794，所述专利申请归本发明的受让人所有。
技术领域
本发明大体上涉及光纤领域，并且特别地涉及用于提供用于多芯光纤的对准连接器化的结构。
背景技术
多芯纤维(MCF)技术通过允许由单一纤维并行地承载多个光学数据信号而能够大大地增加当前光纤网络的容量。已经开发的MCF的直径等于或接近单芯纤维的直径。使用这些MCF替代单芯纤维增大了接线密度，而不危害光学性能或引起纤维管理问题。
待处理的一个重要技术问题是连接器化(connectorization)，即如何适当地端接MCF电缆，从而使得它们具有可接受的低水平的插入损耗。当前正研发的MCF所具有的插入损耗必须足够低，以支持通常需要2至4个连接的数据通信应用。已经证明对于当前可获得的技术而言，满足插入损耗需求具有挑战性。
发明内容
本发明的一个方面涉及用于对准多芯纤维的对准装置。对准装置具有带前部面和后部面的主体，并且包括在前部面处的前部开口和后部面处的后部开口之间延伸的毛细管。毛细管的内周包括对应于一个或多个相应的多芯纤维对准表面的一个或多个对准表面。前部开口被成形以紧密地装配在多芯纤维周围，以阻止多芯纤维相对于对准装置主体进行非纵向运动。后部开口被成形以紧密地装配在多芯纤维周围，以允许多芯纤维相对于对准装置主体进行一选择量的非纵向运动。毛细管在后部开口和前部开口之间提供了锥形过渡区域。多芯纤维沿着毛细管运动致使多芯纤维对准表面被压抵在毛细管对准表面上，以相对于对准装置主体对准多芯纤维芯。
附图说明
图1A和1B示出了具有D形轮廓的7芯式多芯纤维(MCF)的端视图和等距视图。
图2是第一MCF的端视图，已经旋转了角度θ的第二MCF重叠在所述第一MCF上。
图3示出的表格列出了给定纤维几何形状的插入损耗和旋转角度之间的关系。
图4是示出了由紧密装配的套环毛细管对图1A和1B中所示的MCF进行旋转限制的图。
图5是示出了纤维-毛细管间隙与由紧密装配的套环毛细管对MCF进行旋转限制之间的关系的图。
图6A和6B分别示出了根据本发明的一个方面的对准装置的等距视图和后视图。
图7是示出了根据本发明的一个方面的松散装配的后部毛细管开口的图。
图8是示出了包括紧密装配的前部开口和图7中所示的松散装配的后部毛细管开口的毛细管几何形状的图。
图9是示出了根据本发明的一个方面的松散装配的后部毛细管开口的图。
图10是示出了包括紧密装配的前部开口和图9中所示的松散装配的后部毛细管开口的毛细管几何形状的图。
图11是示出了纤维通过示例性毛细管在根据本发明的对准装置中行进的一系列图。
图12和13是示出了根据本发明的另一方面的多纤维套环和对准引导件的一对图。
图14示出了用于测量插入损耗和未对准之间的关系的测试装置。
图15是示出了使用图14的装置测试的受测MCF-MCF连接在不同损耗范围内的损耗发生频率的柱状图。
图16是示出了仅仅伴行芯的损耗发生频率的柱状图。
图17是示出了测试MCF组中的所选一组的柱状图。
图18示出了一对表格，其列出了测试MCF的预测损耗和测得损耗之间的偏差，以及测试MCF组中所选之一的中心芯读数。
具体实施方式
本发明的各方面涉及用于降低多芯纤维(MCFs)的插入损耗的结构和技术，并且特别地涉及用于在套环、生产夹具等中精确和可靠地旋转对准MCF的结构和技术。
在此将参考具有D-形横截面轮廓的MCF来描述本发明的实施方式。在2011年3月16日提交的美国专利申请序列号No.13/049,794中描述了这种MCF，所述美国专利申请归本发明的受让人所有并且全文并入本文中以作为参考。将意识到的是，本文中所描述的本发明的实施方式可应用于具有其它轮廓类型的MCF，例如包括双D形轮廓、多边形轮廓等。
图1A和1B分别示出了示例性的D形7芯式MCF10的端视图和等距视图。MCF10包括延伸通过共用的包层14的中心芯11和六个伴行芯12。伴行芯12以正六边形构造布置，其中每对相邻的伴行芯形成六边形的一个侧部，并且中心芯11位于六边形的中央处。MCF10的外周包括在本文中分别被称为“圆筒部”和“平坦部”的圆柱形部分16和平坦侧表面18。
中心芯11位于MCF圆筒部16的纵向轴线处。平坦部18沿着纤维的长度延伸，并且关键地定位成用以精确地指示MCF伴行芯12的旋转方向。在所示的示例性MCF10中，平坦部18靠近一对伴行芯12并且平行于连接这两个伴行芯的中心的假想线。
图1B示出了MCF10的端面视图，并且示出了本文中用于描述本发明的大量尺寸参数。这些参数包括如下：
OD：MCF圆筒部16的外径；
Dsat：穿过六个伴行芯12的中心的虚线圆20的直径；
Rsat：伴行圆20的半径；
Wflat：MCF平坦部18的宽度；
Dcore_size：每个芯11、12的直径；
Hflat：MCF平坦部18的高度(即，平坦部18和圆筒部16的相对侧之间的距离)。
示例性MCF的尺寸如下(微米)：
OD：125；
Dsat：74.6；
Rsat：37.3；
Wflat：53.4；
Dcore_size：27.2
Hflat：119.
此外，为了进行讨论，术语“z轴线”指的是MCF圆筒部16的纵向轴线。术语“x轴线”和“y轴线”分别指的是垂直于z轴线的水平轴线和竖直轴线。术语“纵向运动”指的是沿着z轴线的平移运动。术语“径向运动”指的是垂直于z轴线的平移运动(即沿着x轴线和/或y轴线的平移运动)。术语“极性”用于描述围绕z轴线的旋转运动或对准。术语“非纵向运动”指的是除了沿着z轴线的平移运动之外的所有纤维运动。
当将匹配的第一和第二MCF彼此连接时，第一MCF的各个芯与第二纤维的相应各个芯成对。理想地，每个成对的芯应当与其对应的芯完美地对准。
理论上来说，如果第一和第二MCF完美匹配，如果它们的相应中心芯精确定位在z轴线上，以及如果两根纤维之间的唯一未对准之处是围绕z轴线的旋转未对准，则在各中心芯之间不存在偏移。然而，实际上，由于制造偏差和其它现象，中心芯也受到极性未对准的影响，但是通常程度小于伴行芯。
图2是MCF10的图，第二MCF10’(虚线所示)重叠在其上。MCF10具有完全水平的平坦部18。MCF10’已经沿着顺时针方向旋转了倾角θ。应用基本的几何原理，将发现倾角θ等于第二MCF平坦部18’相对于第一MCF平坦部18的角度。如果两个MCF完全对准，则θ＝0。
还将发现，第二MCF相对于第一MCF的旋转导致相应的伴行芯的中心之间发生偏移。如果已知伴行圆环的直径，则能够精确地计算由给定倾角所导致的偏移长度。此外，如果已知偏移量，则基于MCF伴行芯的已知属性，能够预测出所产生的插入损耗量。
图3示出了表格30，其列出了对于MCF10而言基于旋转角度的预测损耗。如上所述，伴行圆的直径为74.6μm(因而，半径是37.3μm)。根据表格30，将发现的是，为了获得0.10dB的预测损耗，将需要限制第一MCF相对于第二MCF的最大旋转量不超过2度。
图4示出了套环40或类似结构的一部分的图，其具有毛细管42，所述毛细管的D形轮廓对应于MCF10的形状。为了进行讨论，套环部分40设置有两个相同的毛细管42。左侧毛细管42是空的；右侧毛细管含有已安装的MCF10。
将发现的是，毛细管42具有被成形以紧密地装配在MCF10周围的D形轮廓。特别地，每个毛细管包括对应于MCF平坦部18的平坦部分48以及对应于MCF圆筒部的圆形部分46。MCF的旋转受到毛细管平坦部48的限制，所述毛细管平坦部与MCF平坦部18对接。
如图5中所示，MCF10的旋转范围根据MCF平坦部18和毛细管平坦部48之间的间隙量C而发生改变。由于MCF10的尺寸是已知的，因而能够精确地计算获得给定旋转范围所需的间隙量。
根据表格30(图3)，将发现的是，为了使获得的最大插入损耗为0.10dB，需要使旋转未对准限制为不大于约2度。因而，如果第一MCF10将要被连接至方向完全水平的第二MCF，则通过使用间隙为约0.9微米的套环毛细管，将能够获得符合需求的损耗水平。
如果另一方面MCF10将要被连接至旋转自由度范围相同的第二MCF，则应当允许每个MCF沿着相反方向倾斜的可能性，由此使得可能的旋转未对准的范围加倍。因此，0.9微米的间隙将导致多达4度的旋转未对准，而最大的可能插入损耗约为0.29dB。为了使得所需的损耗水平为0.10dB，因而将需要将MCF10的旋转运动限制至±1度。
预期的是，为了满足当前发展的MCF应用的插入损耗要求，每对匹配芯的相应中心之间的最大偏移应当为约0.65微米。根据表格30(图3)，可以看出的是，0.65微米的偏移对应于2度的倾角。因而，MCF10的旋转运动应当被限制在近似±1度的旋转范围。这个旋转范围对应于约0.46微米的间隙C。
已经证明的是，使用现有技术难以获得符合需要的公差。例如，在一种方法中，通过以下方式对D形MCF进行极性对准，所述方式将一个或多个MCF放置在沿着纤维的轴线对准纤维中心的固定装置内，随后将超平坦的对准杆压在全部的相应MCF平坦部上，以使得每个MCF旋转为极性对准。一旦对准之后，使用环氧树脂封装或其它合适的手段，将每个MCF固定在固定装置后方数毫米处的位置处。随后，将MCF插入圆形连接器套环中，以用于进行清理和端面抛光。
到目前为止，利用上述方法获得的损耗特性的平均插入损耗是约1dB，而最大的插入损耗为约2dB。这种损耗水平比支持数据通信系统(诸如，10Gb、40Gb、100Gb或400Gb以太网或光纤通道数据链接)的结构化布线系统容许的损耗大两倍至三倍。
本发明提供了损耗特性显著改善的结构和技术。通常参照“对准装置”来描述本发明的操作，对准装置在本文中通常用来指代用于向光纤提供对准连接器化的套环、生产夹具以及类似结构的术语。
图6A和6B分别示出了示例性对准装置60的等距视图和后视图，所述示例性对准装置包括具有前部面62、后部面64的主体、以及在所述前部面、后部面之间延伸的毛细管70。将意识到的是，如本文中所使用的，术语“前”和“后”是任意的。为了进行讨论，术语“后部面”用于指示对准装置中的将装载MCF的一侧。术语“前部面”指的是对准装置的这样的侧部，多芯纤维段的引导端在行进了纤维毛细管70的长度之后从所述侧部离开。
毛细管70在对准装置的前部面62处具有前部开口72，在对准装置的后部面64处具有后部开口74。通过剥离纤维的端部部分、将已剥离的纤维插入后部开口64中、以及使纤维沿着毛细管70的长度滑动直至纤维从前部开口72出来为止，将MCF10装载在对准装置60中。
毛细管的前部开口72紧密地装配在MCF10周围，以便于将运动的旋转范围限制在上述公差范围内，同时允许MCF10沿着纵向方向行进通过前部开口72。根据这些公差，为了实现0.2dB或更佳的插入损耗，应当将MCF10在前部开口72处的旋转限制至约±1.5度。这个旋转范围对应于MCF10的外表面和毛细管70的内表面之间的间隙不大于0.68微米。
根据本发明，毛细管的后部开口74被构造以具有相对于MCF10的外径而言相对较大的孔，由此允许相对容易地将MCF10插入至毛细管70内。后部开口的相对大孔在插入点和前部开口72之间呈锥形，以使得MCF10定向在其预期的角度位置处。上述结构可使得纤维和套环之间的公差能够更小，由此减少由侧向纤维未对准所引起的损耗。
图7和8是示出了根据本发明的用于构造毛细管的后部开口的第一方法的一对图。
图7(a)示出了毛细管70在对准装置60的后部面62处的横截面视图，图7(b)示出了在MCF10已经安装在毛细管中的毛细管70。在图7中，通过将后部开口构造成具有对应于前部开口形状的D形轮廓，但是在MCF平坦部和毛细管对准表面78之间具有一选定量的间隙79(示为黑色)，形成了松散装配的后部开口74。
在本实例中，毛细管的后部开口被构造成向MCF10提供约±20度的大致角度定向。可以通过将后部开口74的外径构造成比第一开口的外径约大100微米，可以实现这种大致的角度定向。
图8是示出了用于与图7中所示的毛细管的后部开口74一起使用的示例性毛细管几何形状70的图。将发现的是，毛细管的平坦对准表面78在毛细管的前部开口72的平坦部分和毛细管的后部开口74的平坦部分之间延伸，并且毛细管表面的圆柱形部分在毛细管的前部开口的弯曲部分和毛细管的后部开口的弯曲部分之间延伸。
图9是根据本发明的另一方面的后部开口94的图。与D形轮廓不同的是，后部开口94构造成具有圆形形状。在本发明的示例性实施方式中，MCF10在后部开口94中具有全范围的旋转运动。
图10是示出了用于与图9中所示的毛细管后部开口94一起使用的示例性毛细管几何形状90的图。由于后部开口94的圆形形状，毛细管对准表面98沿着毛细管90的长度在某一点处与毛细管表面96的圆柱形部分融合在一起。此外，在后部开口94和前部开口92之间设置有光滑的锥形过渡区域。
应当注意到的是，设计方案1(图7-8)和设计方案2(图9-10)是基于采样原理的。设计方案2的MCF角度位置在插入点处具有更大的公差。然而，如果在插入点处MCF的角度位置超过公差，则设计方案2可能将MCF10堵塞在毛细管内。
图11是示出了将MCF10通过毛细管70而装载在对准装置60内的横截面视图。图11(a)中，将MCF10的引导端插入在松散装配的毛细管后部开口74中。在图11(b)中，MCF10大致部分在毛细管内。最后，在图11(c)中，MCF10的端部通过紧密装配的毛细管前部开口72而离开对准装置。
将发现的是，随着MCF10沿着毛细管70的长度行进，毛细管装配在MCF10周围的紧密度增大。因而，MCF10的非纵向运动的范围逐渐受限。当MCF10到达毛细管前部开口72时，其达到最大限制，并且其芯此时旋转对准。
设计方案1(图7和8)和设计方案2(图9-10)二者与更早期设计相比，都能够减少MM-MCF连接损耗约0.5dB或更多，以帮助这种纤维满足用于数据中心或企业结构化布线系统的规格。设计方案1或设计方案2可以应用于下列之一或两者：作为用于MPO/MTP或其它多纤维连接器的套环孔设计；作为引导件以在将纤维插入圆孔套环或者设计方案1或设计方案2的套环之前角对准纤维。
图12示出了示例性MT型多纤维套环120的透视图，其包括根据本发明的1×12阵列的毛细管121。
图13示出了对准引导件130的一部分的横截面视图，其包括用于与合适的多纤维套环132结合使用的1×12阵列的毛细管131。对准引导件的毛细管131被构造成与套环的毛细管133对准，以允许纤维134首先螺旋通过引导件130，随后通过套环132。如上所述，对准引导件130可以与包含对准部件的套环132(例如，图11中所示的套环)结合使用。作为替代方案，对准夹具可以与不具有对准部件的圆孔套环结合使用。对准夹具可以集成在MPO/MT型套环内或者可以构成为独立部件。
测试
图14示出了用于测试在发射电缆147和一组测试纤维152之间的一组MCF-MCF连接150的装置140的视图。测试仪器是具有环绕通量(EF)发射器的48-通道JGR IL/RL测试组141，其用作输入发生器和输出检测器。
执行大量测试，以测量图1A和1B中所示类型的MCF的各匹配段之间的连接的旋转未对准和插入损耗之间的关系。将输入光射入不同旋转未对准程度的一系列测试MCF-MCF连接150中。将产生的输出与输入进行比较，以确定连接损耗量。
发射电缆147包括终止于MT4套环146和149处的四个MCF段。测试MCF段利用MT4套环151和153而连接成四组。套环146用于将发射电缆147连接至光学输入，如下所述。套环153用于将测试纤维组152连接至测试仪器141。发射电缆147缠绕在15mm的心轴上，以便于进行模式调节。
套环149和151连接在一起以在发射电缆147和测试纤维组152之间形成测试连接150。发射电缆MCF终止于套环149处，其中MCF平坦部精确地对准参考轴线。测试纤维152终止于具有不同旋转方向的套环151和套环153处。
对于发射电缆147中的四个MCF中的每一个而言，将输入光从测试仪器141给送通过一系列锥形单芯纤维142，随后借助于锥形纤维束143而耦联在一起形成27.2微米的MCF144。将输入MCF144与MT4套环145相连，所述套环145连接至套环146，以便于在输入MCF144和包含在发射电缆147内的MCF段之间提供连接。
通过将发射电缆147连接至一系列测试纤维组152，而获得样本MCF-MCF连接150。如所示，在MCF横截面154上，测得每个样本MCF-MCF连接的伴行通道1、2和6以及中心通道3的插入损耗。每个测试纤维组测试两次：一次是将套环151和153分别连接至发射电缆147和测试仪器141，而另一次相反地连接。
图15示出了对于在波长为850nm和1310nm时的所有测试MCF-MCF连接的不同水平的损耗发生的频率柱状图155。
图16示出了仅伴行芯的损失发生的频率柱状图160。
图17示出了仅测试纤维的第二端的伴行芯的柱状图170。
图18示出了一对表格181、182，其列出了关于同一测试纤维组的数据。表格181列出了预测损耗和实际结果之间的差异。表格182列出了中心芯的读数。还检查了光到达芯的限制。对于相邻通道而言并没有呈现显著的模式泄漏。(并未有意地弯曲或伸直纤维。)
参考表格181，应当注意的是，预测损耗和测得损耗之间的差值是由于未考虑到一些损耗因素，包括例如：(1)套环孔的真实位置公差；(2)引导销与引导孔的装配；(3)纤维与纤维孔的装配；(4)芯/包层偏心率；以及(5)芯的真实位置公差。基于上述测试结果，应当认为，旋转未对准对插入的影响显著大于其它因素。
测试结论
根据上述测试，得出以下结论。
1.各MCF之间的插入损耗的主要因素是芯在端面-端面连接处的旋转未对准。
2.要克服的主要障碍是不能维持所需的纤维位置和纤维在套环中位置的随意性。一个原因可能是一旦从对准/固化夹具移除纤维，则环氧树脂不能锁定夹具引起的纤维位置。
3.芯未对准的其它成因在此时显得较不重要，并且随后将处理。这些其它成因包括：芯和平坦部的真实位置、芯未进行倒角、纤维直径公差等。
虽然前述说明书包括将使得本领域技术人员能够实施本发明的细节，但应当意识到的是，说明书实际上是示意性的，并且对于本领域技术人员而言，在这些教导下，本说明书的多种修改和变形方案将是显而易见的。相应地，预期的是，在本文中本发明仅由随附权利要求限定，并且按照现有技术所允许的宽泛范围来理解各权利要求。

Claims (11)

1.一种对准装置，用于旋转对准安装在所述对准装置中的多芯纤维，所述对准装置包括：
主体，所述主体具有前部面和后部面，
其中，所述主体包括在前部面处的前部开口和后部面处的后部开口之间延伸的毛细管，
其中，毛细管的内周包括对准表面，所述毛细管的对准表面对应于多芯纤维上的对准表面，
其中，前部开口被成形为紧密地装配在多芯纤维周围，从而使得当多芯纤维位于前部开口内时，所述多芯纤维被保持处于一个对准定向并且旋转运动的范围处于一选定的公差内，
其中，后部开口被成形为紧密地装配在多芯纤维周围，以允许多芯纤维在后部开口中具有一选定量的非纵向运动，以及
其中，毛细管在后部开口和前部开口之间提供了锥形过渡区域，从而使得随着多芯纤维沿着毛细管的长度行进，毛细管围绕多芯纤维的装配变得逐渐紧密；并且使得多芯纤维的非纵向运动的范围变得逐渐受限，直至多芯纤维的非纵向运动在前部开口处达到最大限制为止，
由此，多芯纤维从后部开口向前部开口的运动使得多芯纤维的对准表面被压抵在毛细管的对准表面上，以旋转对准多芯纤维。
2.根据权利要求1所述的对准装置，
其中，多芯纤维在前部开口中的旋转范围限制了多芯纤维的芯和第二多芯纤维的芯之间的偏移量。
3.根据权利要求1所述的对准装置，
其中，多芯纤维具有包括平坦侧对准表面的D型轮廓，以及
其中，毛细管的内周包括对应于多芯纤维的所述平坦侧对准表面的平坦表面。
4.根据权利要求3所述的对准装置，
其中，后部开口具有D型轮廓，以便于在将多芯纤维插入后部开口中时提供多芯纤维的旋转对准。
5.根据权利要求3所述的对准装置，
其中，后部开口具有圆形轮廓。
6.根据权利要求1所述的对准装置，所述对准装置被构造作为套环。
7.根据权利要求6所述的对准装置，所述对准装置被构造作为多纤维套环。
8.根据权利要求1所述的对准装置，所述对准装置被构造作为与套环结合使用的对准引导件。
9.根据权利要求8所述的对准装置，其中，所述对准装置被构造作为对准引导件，一个或多个多芯纤维在被安装至套环中之前穿过所述对准引导件。
10.根据权利要求9所述的对准装置，其中，所述对准装置被构造作为用于与圆孔套环一起使用的对准引导件。
11.根据权利要求9所述的对准装置，其中，所述对准装置被构造作为用于与包含对准部件的套环一起使用的对准引导件。
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