CN107561650B - 非接触多纤光纤连接器 - Google Patents

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Abstract

本发明非接触多纤光纤连接器，涉及一种用于特别是在现场连接和衔接光缆的光纤连接器部件。连接器部件包括光纤插芯(10)，光纤插芯(10)利用允许光纤通过其延伸的向后的法兰套筒(15)同轴地容纳光纤(20)的较短部分。向后的法兰套筒延伸至其中隐藏光纤部分的熔接接头至主光缆的连接器主体。向前地，光纤端面和插芯具有抗反射涂层(40)并且被配置成使光纤具有相对插芯的向前抛光的端部表面(17)稍微凹入的输出端面(13)，从而当两个插芯端部表面被一起带入适配器时，相应的光纤端面稍微间隔开，从而避免由于物理接触而导致的光纤端面上的磨损，同时仍具有良好的光通信。

Description

非接触多纤光纤连接器
技术领域
本发明整体上涉及光纤连接器，并且特别涉及在光纤连接器中用于端接光纤电缆以连接光缆的连接器部件。
背景技术
在基于光纤的通信系统中，从光纤到光纤的接口需要具有低传输损耗和低后向反射的光纤连接器。总体来说有两种类型的光纤连接器，一种类型是基于物理接触的主要光纤连接器并且在本发明中我们称之为“传统”光纤连接器，以及另一种类型是利用透镜并且仅在有限的应用中使用的扩展光束连接器。
传统连接器设计是在上世纪九十年代着眼于简单和易于实施而开发的。实际上，最为简易的确保两个光纤接触面之间没有空气间隙的方式是通过紧密的物理接触消除。此方法的优点包括，低制造成本以及能够在发生安装的现场创建连接器的封端。由于传统连接器的性能在多种用途中是足够的，所以不惊奇传统连接器在过去的 30 年中迅速的成为了光纤行业的标准并且保持到现在。实际上物理接触机制工作良好，使得大多数的光纤研究者没有意识到能够有另一种制造光纤连接的物理机制。
传统连接器具有两种类型：一种类型具有零度抛光角并且称为PC( 物理接触 )连接器，另一种类型被称为 APC( 倾斜物理接触 ) 连接器，通常为了消除背反射在光纤端面具有 8 度倾斜抛光角。PC 连接器被使用在能够容忍显著背反射的地方，以及 APC 连接器被使用在需要最小背反射的地方。为了确保在光纤之间的可靠的物理接触，PC 和 APC连接器都具有圆形 ( 例如凸状 ) 的连接器表面，使得光纤芯第一个接触。
尽管PC和APC连接器具有通过抛光的简单光纤封端的显著优点，但该方法的缺点也显而易见。例如，在光纤之间的污染物通过产生空气间隙以及尤其是能够阻止物理连接，能够轻易地破坏光的耦合，导致了较差而且不稳定的性能。此外，涉及物理连接的任何设备，重复的耦接连接器导致光纤磨损，其会随着时间的推移不可避免的降低光学性能。实际上，典型传统光纤连接器具有 500-1000 接插次数的平均寿命。
APC连接器具有另一个显著的缺点。倾斜的端面导致了对旋转对准度的额外要求，其借助栓 (key) 将对接角设置在一定的容忍程度内。如果该角度不足够的精确，则在光纤之间将会产生空气间隙，由于菲涅尔反射导致显著的光损耗。尽管圆形的连接器端面缓和了需要的角度精度，但是在实际操作中难以确保光纤在抛光面的顶点，因此减少了可实现的对准。众所周知，APC 连接器与 PC 连接器相比因为插入损耗具有较差的光学性能。对于APC 连接器随机对接性能更差。
公布的美国专利申请第 2011/0262076 号认识到当光纤在补充连接器中对接时，可以通过从插芯 (ferrule) 的前端表面凹入合适的距离而终止 (terminate)，以抑止光纤与另一个光纤物理接触。然而，会在两个玻璃表面处存在多重反射和干扰，导致光传输的不稳定。
对于严酷环境的应用需要更加可靠的解决方案，所以开发了扩展光束连接器。在这种方法中，分散的光纤输出通过透镜被准直，并且作为扩展光束传输到对侧透镜和光纤束，在此被重新聚焦到对接光纤中。在扩张的光路中的尘埃、污垢以及碎片现在分散较小的光束部分，并且因此导致较小的耦合变化。同样，本设计能够容忍更大的振动和冲击。本方法的缺点是较差的光学性能由于插入损耗和回波损耗，并且显然更为复杂以及具有更高的成本，所有这些是因为光学元件数量的增加导致的。因此，为了上述优点付出了显然更高的代价。
本发明的目的是设计出具有较长对接寿命、较为稳定和可预测的传输、对尘埃和污染物不敏感、具有有保证的随机对接性能以及较低成本的光纤连接器。
本发明的另一个目的是设计出保留大多数扩展光束连接器的优点同时去掉缺点的光纤连接器。
发明内容
上述目的由端接光纤线缆并且驻留在连接光纤线缆的连接器适配器中的非接触式 (“NC”) 光纤连接器满足。
每一个上述光纤在输出端面 (facet) 处终止。管状插芯具有同轴地环绕光纤的输出端和结合端。光纤输出端面具有相对于环绕插芯的首尾连接 (endwise) 表面的凹形偏移(concave offset)，使得当光纤耦接设备的两个对准的邻接插芯相互面对并且接触时，在光纤端面之间出现微米级的微小间隙。插芯的首尾连接表面最好为凸面。该间隙足够的小使得光能够容易的在用于光通信的光纤纤芯之间耦合。为了在空气光纤接口处显著地消除
传输损耗，光纤端面被涂有永久的抗反射( “AR”)涂层。提供凹形偏移(concaveoffset)的构成部(means，手段)可以是相对于插芯的首尾连接表面的光纤的凹入部(indentation)，或者是例如通过环形金属沉积产生的相对于光纤端面在插芯的首尾连接表面上的累积间隔件 (built up spacer)。
在优选实施方式中，在 AR 涂层的光纤插芯中的光纤是裸光纤，并且因此在真空AR涂覆室中导致少量的漏气 (outgassing)，并且允许较大数量的上述插芯可以同时镀膜，从而减少用于每一个插芯组件的 AR 涂层消耗。在 AR 涂层的连接器插芯的光纤的后端能够被分开，并且如在已知的拼接连接器中熔接到通常增强的光纤线缆。
NC 耦接装置的优点包括，插入损耗和回波损耗中的优异的光学性能、优异的对接可重复性、较好的可预测性以及在重复的耦合中的较长寿命。该设计包含了在接口处对微粒和污染物更好的容忍能力并且因此更加人性化。最后，可以预测本发明的成本可能仅比传统光纤连接器稍高，并且远远低于扩张光束连接器解决方案的成本。
附图说明
图 1 是示出根据本发明的非接触式光纤连接器部件的优选实施方式的截面视图。
图 2 示出了对接在一起的如图 1 中所示的一对这种非接触式光纤连接器部件。
图3(A)和图3(B)是通过商用光纤干涉仪测量的非接触式光纤连接器部件的凹入式 (recessed) 光纤表面的等高线图。
图 4 是示出根据本发明的非接触式光纤连接器部件的另一个实施方式的截面视图。
图5是具有拼接式(splice-on)连接器结构的通用非接触式光纤连接器部件的示意图。
图 6 是同时用于多个图 1 的非接触式光纤连接器部件的涂有 AR 涂层的样品支架的示意图。
图 7 是根据本发明的实施方式的非接触式多光纤连接器对的平面视图。
具体实施方式
参照图 1，根据本发明的非接触光纤连接器部件的实施方式是用于制作非接触光纤连接器的非接触光纤插芯组件。光纤 20 利用环氧树脂永久地固定在连接器插芯 10 的轴向通孔 25 中，并且金属法兰 (flange，凸缘 )15 连接至插芯 10。插芯的前表面 17 形成平滑的抛光的、弯曲的轮廓 (profie)( 其中，光纤表面 13 从表面 17 稍微偏移 )。AR涂层 40 涂布在插芯的整个抛光表面 17 和光纤端面 13 上。光纤 20 可以是任何类型的光纤。例如，它可以是单模光纤、多模光纤或偏振保持光纤。
图2示出了借助在连接器适配中得到的对准分离套筒(split sleeve)150来耦接在一起以完成光纤连接的一对这种非接触光纤连接器部件。传统的光纤连接器适配器用于对准两个非接触光纤连接器。两个插芯 10 和 110 被示出为通过固定在光纤连接器适配器的中心处的分离套筒精确地对准。第一光纤 20 通过存在于两个光纤之间的间隙 121(由于光纤稍微凹入而产生 ) 将光传递至第二光纤 120。因此，当在插芯 10 和 110 上的AR 涂层
40 和 140 接触时，光纤端面上的 AR 涂层不接触。因此，该光纤连接器称为非接触连接器。
我们现在以制造顺序的次序更详细地描述图 1 中的非接触光纤连接器部件。图1的非接触光纤连接器组件包括插芯 10( 其为传统的连接器陶瓷插芯 )，其通常是具有标准长度和直径的氧化锆陶瓷管。最经常地，插芯 10 具有近似 0.5 到 1.3cm 的长度，并且直径可以是 2.5mm 或1.25mm。插芯 10 具有抛光的前端 17 和后端 19。反过来，插芯 10的向后部分连接至金属法兰套筒 15，利用紧压件被永久地固定至插芯 10。将玻璃光纤 20插入同轴插芯内孔 25 并且通过环氧树脂 ( 未示出 ) 永久地固定。被保护的光缆 30 是插芯 10 的后部。
然后在光输出端处将光纤插芯组件抛光，以便在插芯 10 上得到光滑表面 17。被测量为在光纤核心从垂直线倾斜的抛光角度 ( 其中垂直线垂直于光纤轴 ) 可以是零度，或非零度以最小化后向反射。在优选实施方式中，抛光角度是 8 度。就像传统的光纤连接器( 其中连接器插芯表面是凸形表面 )，插芯前表面 17 也应为凸形的。
差异化抛光
在本发明中的用于非接触光纤连接器的抛光处理与传统的连接器抛光非常相似，除了最终抛光步骤。在光纤短截线 (stub) 移除步骤之后，使用一系列越来越精细的抛光膜(lapping film) 来抛光连接器表面，通常从 9 微米、3 微米到 1 微米钻石粒度。然后执行最终抛光步骤。
在本发明中的最终抛光步骤不同于传统的连接器抛光，并且是负责形成光纤中的凹部的步骤。在该步骤中，将光纤相对于插芯前表面优先地并且差异化地抛光，以便在光纤端面 13 与插芯前表面 17 之间创造凹部。应保持凹部范围为尽可能的小，以减少光学耦合损耗，同时确保在匹配时在相对的光纤端面之间没有物理接触。
对于单模光纤 SMF-28，将光束最佳描述为高斯光束。在空气中，工作距离 ( 雷利范围 ) 是大约 100 微米。如果光纤凹部是 0.5 微米，来自光纤核心的行进两倍凹部长度的光不会足够扩展以诱导大量光学耦合损耗。凹部的范围优选地在 0.1 微米到几微米的范围中。
在图 1 中的凹入的光纤端面 13 可通过利用聚集的抛光膜抛光来创造。这些是具有微型刷的抛光膜，微型刷在它们中内嵌有研磨粒子。例如，3M聚集的抛光膜591可用于创造该凹部。这是具有微型刷的抛光膜，微型刷内嵌有 0.5 微米氧化铈粒子。氧化铈具有与光纤非常相似的硬度，但是比氧化锆陶瓷插芯 10 软很多，并且作为结果，在该中步骤仅抛光光纤表面13。该步骤生成非常光滑的光纤表面并且通常是最后抛光步骤。最终抛光步骤中的时间不同，并且可以如 20 秒之短。在该应保持最终步骤中的抛光压力为比前面的抛光步骤更低，以便扩展聚集的抛光膜的寿命。也可以使用具有其他抛光粒子的聚集的抛光膜，诸如氧化铝或氮化硅。
最终，将 AR 涂层 40 被涂布在光纤 13 的抛光的表面和插芯 17 的前表面。在本发明中，AR 涂层的工作波长范围确定非接触光纤连接器的工作波长范围。
在优选实施方式中，很多抛光光纤插芯组件被加载到真空涂覆室中并且涂覆有多
层堆叠的介电材料。可使用大量 AR 涂覆工艺。例如，涂覆方法可以是离子束溅射或者离子辅助电子束沉积。应注意通过合适的掩膜防止大量涂覆材料在插芯圆柱表面的侧面得到。另外，材料将改变插芯的精确直径，并且引起涂覆材料的剥落，这将影响连接器性能。
在 AR 涂覆室中要涂敷的光缆不可在真空室中显著放气。我们观察到在室中仅仅十个0.9mm松散管道缓冲电缆的杂质就可以将用于离子束溅射的真空抽吸时间从2小时拉长至多于十个小时。必须仔细选择光缆的材料以减少放气。容纳在 AR 涂覆室中的插芯中的裸露的光纤是最佳的。
图 3(A) 和图 3(B) 是通过商用光纤光学干涉仪测量的通过 0.5 微米二氧化铈聚集的抛光膜抛光的非接触光纤连接器的凹入光纤表面的等高线图。为了展现凹入的光纤表面，有意倾斜连接器表面以展现连续等高线。在这两个情形中使用不同量的抛光时间。将绘图中的光纤凹入深度分别估计为 0.5 微米和 2.8 微米。从这两个曲线中可以看到光纤表面中心上的一些弯曲，但是弯曲的量不足够大以显著改变凹入的光纤端面之间的光束传播。
我们抛光了超过500个非接触光纤连接器(零擦伤)，其与传统连接器的最终抛光步骤 ( 其中频繁出现擦伤并且需要检查和再抛光 ) 非常不同。于是，在最终的抛光步骤之后对连接器抛光的 100％检查变成了不必要的，其可以节省大量手工劳动成本。
非接触光纤连接器性能
已制成具有凹入的光纤断面的几百个非接触光纤连接器，具有非常大的制造产量。已制成零度和 8°角的非接触 (ANC) 单模光纤连接器。
零度和 8° ANC 连接器的插入损耗展现了与常规的光纤连接器几乎相同的损耗分布。在全部三个情形中，插入损耗由光纤芯位置中由于几何公差引起的误差支配。
对接的一对零度 NC 连接器具有大约 30dB 的回程损耗，同时对接的一对 8 度ANC连接器具有超过 70dB 的回程损耗，或者与常规的 8 度 APC 连接器相比高出大约10dB 的回程损耗。
在随机对接中，NC 和 ANC 连接器都具有基本有保证的插入损耗性能。因此，ANC连接器是优选的连接器，因为其具有优良的回程损耗性能。
我们测试了一对ANC连接器并且发现其持续经过10,000次对接，从测试的开始到最后具有小于 0.01dB 的插入损耗变化。
在图 1 中所示的类型的非接触光纤连接器大大地改善了光纤连接器的光学性能和耐久性，并且满足大部分应用的需要。
图 4 是示出根据本发明的非接触光纤连接器部件的另一实施方式的横截面视图。用于提供光纤端面相对于插芯前表面的凹部的另一构成部是将插芯表面选择性地涂有金属涂层 45，作为在 AR 涂层 40 上面的间隔 (spacer) 层。可以使用在半导体工业中已知的技术，通过汽相淀积或者离子束溅射涂布具有从零点几微米到几微米厚度的金属涂层。这种涂层已知为耐磨耗和损伤的。
在该实施方式中，可以使用传统的连接器抛光工艺来抛光光纤插芯组件。该抛光处理的结果光纤处于凸面的顶点。抛光角度可以是零度或者 8 度。金属涂层可伴随有合适的掩模操作，使得金属不覆盖光纤表面。应注意，AR 涂层 40 覆盖光纤 20 的输出端面 13和插芯 10 的前表面 17。
在传统的连接器电缆中，在两个光纤连接器之间经常使用较长长度的加固光缆。例如，最多使用的光缆之一是具有凯夫拉尔织物加强件的 3mm 直径电缆。这种电缆将在真空室中大量放气，在 AR 涂覆室内占据太多空间并且难以管理。显然，不选择在 AR 涂覆室中用 AR 涂敷整个光纤连接器电缆。
作为替代，应加载仅具有非常短的长度的光纤的连接器的最基本部分。在 AR 涂敷之后，应通过熔接将这种短光纤连接至长的加固电缆，这是非常可靠的并且相对低成本的光纤连接方法。
在现有技术中已知拼接连接器。这些是具有工厂抛光的连接器表面的传统连接器，在连接器头的后面具有较短长度的裂开的 (cleaved) 光纤，以准备好熔接至较长长度的典型的加固光缆。
图 5 是具有拼接连接器结构的通用非接触光纤连接器的示意图。该结构是低成本大规模生产过程的必要的部分，因为其允许非接触光纤连接器具有非常长的光缆以及加固光缆。耦接装置的拼接结构同样允许非接触光纤连接器在现场进行安装。
在图 5 中，非接触光纤插芯组件容纳在连接器结构中，连接器结构包括壳体550、弹簧 535、主体 580、橡胶罩 590。弹簧 535 提供正向力至光纤插芯 510，其在它的通孔内具有光纤 520。AR 涂层 540 在光纤插芯组件的前表面处并且覆盖光纤端面。在光纤插芯 510后面的光纤具有受保护的裸露的光纤部 530。其被剥开和劈开以露出玻璃光纤部560。长光缆 595 被剥开和劈开以露出玻璃光纤部 575。将这两个玻璃光纤部在熔接接点570 处熔接在一起。玻璃光纤部应当尽可能的短，使得拼接连接器体积不过于大。每个玻璃光纤部的长度优选是 5mm。因为熔接接点非常脆弱，其通过传统的熔接保护套筒 565 加固，熔接保护套管 565 附接在金属法兰 515 的一端以及长电缆 595 的另一端。在保护套筒内有钢条以为其提供强度。
图 6 是用于同时 AR 涂敷大量光纤插芯组件的样品支架 620 的示意图。支架620被加工有许多密集的、插芯尺寸的孔630，从而使可不经AR涂敷将图1中所描绘的类型的大量完全抛光的光纤插芯组件 610 适配在其中。可在相同的涂敷运行中使用这种支架620 来AR 涂敷数千个这种组件以减少制造成本。
以上建立的非接触光纤连接器工作原理同样可用于多光纤连接器，诸如 MT 型阵列连接器。
图 7 是根据本发明的实施方式的非接触多光纤连接器对的平面图。多个光纤750利用环氧树脂永久地固定在多纤连接器插芯模块 710 中。插芯模块 710 的前表面形成具有凹入的光纤端面710的平滑抛光的轮廓。AR涂层涂布在插芯模块710的整个抛光的前表面和光纤端面 720 上。
当使用如图 7 所示的两个非接触多纤连接器制作多纤连接时，两个导向销 740穿过一个插芯模块 710 并进入相对的插芯模块的精确形成的导向孔 730 以对准两个多纤连接器。两个多纤连接器的抛光的前表面必须通过连接器中的弹簧接触 ( 未示出 )。闩锁(latch)( 未示出 ) 将两个插芯模块 710 保持在一起。由于纤维端面是凹入的，所以纤维端面不接触，这导致非接触多纤连接器的可靠且耐用的操作。
可通过大量手段使光纤端面 720 从插芯模块前表面偏移。选择性蚀刻、差异化的抛光、金属沉积或简单的使抛光的插芯表面变形都能够实现光纤端面的非接触。在所有情况下，在相对的光纤直接的微小间隙可从光缆向对接电缆传递光信号。端面可具有些许的角度，例如 8 度。

Claims (9)

1.一种用于连接光纤的光纤连接器部件，包括：
光纤，具有光纤端面，光缆片段在所述光纤端面终止，所述光缆选用在真空环境下减少放气的材料；
光纤插芯，具有容纳所述光纤至其前表面的轴向通孔；
抗反射涂层，涂布在插芯的前表面和光纤端面上；
以及，
构成部，用于在所述光纤端面相对所述插芯的前表面之间的轮廓中提供偏移，
由此，当所述光纤端面连接至另一光纤以进行从光纤到光纤的光通信时，存在间隙，所述间隙足够小使得光能够容易地用于光通信的光纤纤芯之间耦合；
其中，用于提供所述偏移的所述构成部包括从所述插芯的所述前表面凹入的所述光纤端面。
2.如权利要求1所述的一种用于连接光纤的光纤连接器部件，其特征是：用于提供所述偏移的所述构成部包括从所述插芯的所述前表面凹入的所述光纤端面用研磨粒子差异化抛光，所述研磨粒子为氧化铈粒子或者氧化铝或者氧化硅。
3.如权利要求2所述的一种用于连接光纤的光纤连接器部件，其特征是：所述研磨粒子为0.5微米氧化铈粒子，或者0.5微米二氧化铈粒子。
4.如权利要求1所述的一种用于连接光纤的光纤连接器部件，其中，所述在真空环境下减少放气的材料的光缆为裸光纤。
5.一种包含权利要求1所述光纤连接器部件的光纤连接装置，包括：
第一光纤插芯和第二光纤插芯，分别具有轴向孔和抛光的端部表面；每个所述抛光的端部表面彼此接触；
第一光纤和第二光纤，每个光纤固定在相应插芯中的所述轴向孔中，每个光纤在邻近于所述相应的插芯的所述抛光的端部表面的
输出端面终止；
抗反射涂层，涂布在插芯的前表面和光纤端面上；所述光纤连接装置的光缆片段在设置所述抗反射涂层的光纤断面终止，所述光缆选用在真空环境下减少放气的材料；以及
对准结构，以使得所述第一光纤和所述第二光纤的光纤端面在光通信中彼此间隔开而不会干扰光信号的方式来保持所述插芯的所述端部表面接触，
其中，至少一个所述光纤输出端面相对于所述相应的插芯的所述抛光的表面凹入。
6.一种连接光纤的方法，包括：
制备在第一插芯内同轴的第一光纤，所述第一光纤在抛光的光纤端面和光纤插芯的前表面上具有抗反射层；光缆片段在所述第一光纤抛光的光纤端面终止，所述光缆选用在真空环境下减少放气的材料；
制备在第二插芯内同轴的第二光纤；以及
使所述第一插芯和所述第二插芯的相应前表面在适配器中接触，其中，当插芯前表面接触时，所述第一光纤和所述第二光纤具有彼此间隔开的光纤端面，进一步通过以下步骤限定：通过使用研磨粒子进行光纤的差异化抛光，来使至少一个光纤的输出端面相对于它的相应的插芯前表面凹入。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过在所述插芯端部表面处累积金属沉积物并使所述金属沉积物接触来使所述第一插芯和所述第二插芯的端部表面接触。
8.一种多纤光纤连接器，包括：
插芯模块，具有前表面，所述前表面具有接收两个导向销的至少两个导向孔，所述插芯模块具有多个光纤对准孔；
一排或多排光纤，光缆片段具有光纤端面，所述光缆选用在真空环境下减少放气的材料；
每个光纤固定在相应的所述光纤对准孔中并且在邻近于所述插芯前表面的光纤端面终止；
以及抗反射涂层，涂布在插芯的前表面和光纤端面上；
其中，所述光纤端面从所述插芯模块前表面凹入。
9.如权利要求8所述的一种多纤光纤连接器，其中，所述在真空环境下减少放气的材料的光缆为裸光纤。
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