CN107690593B - 用于光学接口装置的具有高耦合效率的扩束套管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光学接口装置的扩束套管，所述扩束套管具有套管主体，所述套管主体具有支撑光纤的光纤支撑特征。所述套管主体限定具有平面的后部表面和凸面且非球面的前部表面的透镜。所述透镜具有选定量的在轴球面像差，所述选定量的在轴球面像差造成经提高的耦合效率，并特定地，提供用于扩束光学接口装置的相面对的扩束套管之间的未对准的容差。所述套管主体还可包括多个透镜并且可以与其可操作地对准的方式支撑多个光纤。

Description

用于光学接口装置的具有高耦合效率的扩束套管
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年5月1日提交的美国申请号14/701,600的优先权的权益以引用的方式并入本文。
技术领域
本公开内容涉及光学接口装置(诸如光纤连接器)，并特定地涉及用于在扩束光学接口装置中使用的具有高耦合效率的扩束套管。
本文提及的任何公开或专利文献的全部公开内容以引用方式并入，包括US2012/0093461(在下文'461出版物)。
背景技术
光纤连接器是用于在需要连接和断开连接能力的地方光学地连结光纤光学电缆的光学接口装置类型。传统类型和最常见类型的光纤连接器使用套管来保持一个或多个光纤。套管具有轻微弯曲的端部，使得当两个连接器配对时光纤的端部开始物理接触。物理接触连接器的一个缺点在于它们对污染敏感。气载尘埃的尺寸已知在亚微米到数十微米的范围中变化，这相当于单模光纤和多模光纤两者的核心直径。此外，污垢和碎屑可完全地截断所连接的光纤之间的光学路径。因此，由于表面上的污染，在采用光纤之间物理接触的连接器之间的数据传输可容易被削弱。物理接触式连接器的另一个优点是精确对准对获得高耦合效率是重要的。在光纤端部之间的小角偏差或侧向未对准可能对耦合效率是不利。
另一种类型的光纤连接器在相应光纤端部处使用微透镜以在光纤端部之间提供光学连接，从而避免对光纤之间物理接触的需要。这样的连接器被称为扩束(EB)连接器，因为来自发射光纤的光束被扩展，并且由发射连接器的第一微透镜准直并且然后由接收连接器的第二微透镜聚焦。虽然物理接触式连接器的许多问题可通过使用扩束连接器来避免，但是仍然存在对未对准容差和耦合效率的改进的需要。
发明内容
本公开内容的一个方面是一种支撑具有数值孔径NAF和位于端部部分处的端部的至少一个光纤的用于光学接口装置的扩束套管。所述扩束套管包括：套管主体，所述套管主体具有相对的前部端部和后部端部、相对的顶部表面和底部表面以及中心轴线，其中所述前部端部包括前部表面，并且所述套管主体对波长A的光是实质上透明的；至少一个光纤支撑特征，所述至少一个光纤支撑特征被配置来支撑位于套管主体的终端端壁处的至少一个光纤的端部，所述终端端壁由具有轴向厚度TH和折射率n的介入主体部分与前部表面间隔开，其中所述终端端壁限定平面的第一透镜表面；至少一个第二透镜表面，所述至少一个第二透镜表面限定在前部表面中，其中第一透镜表面和第二透镜表面以及驻留在它们之间的具有厚度TH的主体部分限定至少一个透镜；并且其中第二透镜表面是凸面且非球面的，具有处于-3.7/n2≤C≤-1.9/n2范围中的圆锥常数C，并且其中至少一个透镜具有处于[(-150.0-NAF 4)·λ]≤SA≤[(-26.5-NAF 4)·λ]范围中的在轴球面像差SA的量。
本公开内容的另一个方面是一种用于将来自至少一个第一光纤的光通过光学通信路径耦合到至少一个第二光纤的扩束光学接口装置。所述扩束光学接口装置包括：如上文所述的第一扩束套管和第二扩束套管并且被布置成具有它们相应相面对的前部端部，使得它们相应中心轴线是在轴的并且所述相应的至少一个第二透镜表面大体上轴向地对准并且轴向地间隔开；以及第一光纤和第二光纤，所述第一光纤和第二光纤可操作地布置在第一扩束套管的至少一个支撑特征和第二扩束套管的至少一个支撑特征中并且分别由所述第一扩束套管的所述至少一个支撑特征和所述第二扩束套管的所述至少一个支撑特征支撑。
本公开内容的另一个方面是一种用于通过光学通信路径在具有相应的第一端部和第二端部以及光纤数值孔径NAF的第一光纤与第二光纤之间耦合波长X的光的扩束光学接口装置。所述扩束光学接口装置包括：相面对的第一支撑构件和第二支撑构件，所述相面对的第一支撑构件和第二支撑构件对波长A的光是透明的并且分别包括第一端部和第二端部，所述第一端部和第二端部支撑轴向地对准并且间隔开的相应的第一透镜和第二透镜，其中所述第一透镜和第二透镜具有相应的第一前部表面和第二前部表面以及第一后部表面和第二后部表面，并且其中所述第一前部透镜表面和第二前部透镜表面中的每一个是凸面且非球面的，具有处于-3.7/n2≤C≤-1.9/n2范围中的圆锥常数C，其中n是所述至少一个透镜的材料的折射率，并且其中所述第一透镜和第二透镜中的每一个具有处于[(-150.0-NAF 4)·λ]≤SA≤[(-26.5-NAF 4)·λ]范围中的在轴球面像差SA的量；以及第一光纤和第二光纤，所述第一光纤和所述第二光纤分别可操作地由所述第一支撑构件和所述第二支撑构件支撑，使得所述第一光纤端部和所述第二光纤端部被设置成邻近所述第一后部透镜表面和所述第二后部透镜表面。
另外的特征和优点在接下来的详细描述中进行阐述，并且本领域的技术人员将借助于所述描述很容易理解或通过实践如书面描述及其权利要求书以及附图中描述的实施例很容易认识其部分内容。应理解，上述概述和以下详述仅是示例性的，并且意图提供用于理解权利要求的性质和特征的概观或框架。
附图说明
包括附图以提供进一步理解并且所述附图并入本说明书并且构成本说明书的一部分。附图示出一个或多个实施例并且所述详细描述用来解释各实施例的原理和操作。这样，本公开内容将从结合附图进行的以下详细描述而得以更完全地了解。
图1A是在EB光学接口装置中使用的呈多光纤光学套管(“EB套管”)形式的示例性光纤支撑构件的正面俯视图；
图1B和图1C是图1A的沿x-z平面中的线a-a截取的EB套管的横截面图；
图1D是图1C的EB套管的中间部分的近距离的自顶向下的横截面图；
图1E是示出核心和包层以及核心边缘和光纤中心轴线的光纤的横截面图；
图2是类似于图1A中所示的EB套管并且基于'461出版物的EB套管的示例性EB套管的正面俯视图；
图3A是两个对接的EB套管的自顶向下(即，x-z平面)横截面图，所述两个对接的EB套管形成EB光学接口装置；
图3B是图3A的光学接口装置的两个相对透镜的近距离的(即，y-z平面)横截面图；
图4A是常规光学接口装置的示意性光学图，所述常规光学接口装置包括具有常规地设计的透镜的两个相对的(对接的)现有技术EB套管；
图4B是处于接收光纤核心的中心处的在图4A的光学接口装置的光学通信路径上行进的光线的在轴光点图，其中所述在轴光点图示出实质上共点成像和高程度的校正；
图4C是处于接收光纤的光纤核心的边缘处的在图4A的光学接口装置的光学通信路径上行进的光线的离轴光点图，其中所述离轴光点图示出大部分离轴光错过光纤核心并且实质上促成耦合损耗；
图5A和图5B是示例性光纤和示例性光学接口装置的透镜的示意图并且示出侧向偏移未对准(图5A)和角度倾斜未对准(图5B)；
图6是在本文中公开的EB套管中使用的示例性透镜的示意性横截面图并且示出用来表征所述透镜的示例性参数；
图7A是根据本公开内容的光学接口装置的示意性光学图，所述光学接口装置包括具有本文所公开的透镜的两个相对的(对接的)现有技术EB套管；
图7B是处于接收光纤核心的中心处的在图7A的光学接口装置的光学通信路径上行进的光线的在轴光点图，其中所述在轴光点图示出归因于大量球面像差的大量的光线发散度；
图7C是处于接收光纤的光纤核心的边缘处的在图7A的光学接口装置的光学通信路径上行进的光线的离轴光点图，其中所述离轴光点图示出实质上全部的离轴光耦合到光纤核心中，从而促成高的耦合效率(即，当与常规光学接口装置的耦合损耗相比较时减少的耦合损耗，参见图4C)；
图8A是当与现有技术光学接口装置(虚线曲线)相比较时，使用如本文所公开的透镜的光学接口装置(实线曲线)的耦合损耗CL(dB)对侧向位移dx(μm)(参见图5A)的曲线图；
图8B是当与现有技术光学接口装置(虚线曲线)相比较时，使用如本文所公开的透镜的光学接口装置(实线曲线)的耦合损耗CL(dB)对角度位移dθ(度)(参见图5B)的曲线图；并且
图9A和图9B是使用两个现有技术透镜(图9A)的示例性现有技术光学接口装置和使用本文公开的透镜(图9B)的示例性光学接口装置的耦合损耗CL(db)作为侧向偏移dx(μm)和角偏移dθ(度)的函数的等高线图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开内容的各种实施例，所述实施例的示例在附图中示出。在全部附图中都尽可能使用相同或相似参考数字和符号来指代相同或相似部件。附图未必按比例绘制并且本领域的技术人员将认识到附图已经被简化来示出本公开内容的重要方面。
下文阐述的权利要求并入所述详细描述中并且构成所述详细描述的一部分。
为了参考起见，笛卡儿坐标在附图中的一些中示出并且并非旨在对方向或取向进行限制。
在下文的论述中，除非另外指出，否则光110在附图中被假定从左至右行进，使得发射光纤和发射EB套管位于附图的左侧并且接收光纤和接收EB套管位于附图的右侧。
在下文论述中还假定从光纤50发射的光110的数值孔径等于光纤数值孔径或实质上与其相同。
示例性EB套管
图1A是在光学接口装置(诸如EB连接器)中使用的呈多光纤光学套管(“EB套管”)10形式的示例性光纤支撑构件8的正面俯视图。在下文的论述中，支撑构件8借助于示例并且为了易于论述参考EB套管10进行论述。图1B和图1C是沿x-z平面中的线a-a截取的EB套管10的横截面图。图1D是如图1C中所见的EB套管10的中间部分的近距离的自顶向下的横截面图。图1E是示例性光纤的横截面图。图2是类似于图1A中所示的EB套管并且基于'461出版物的EB套管的示例性EB套管10的正面俯视图。在描述示例性EB套管10中现对上文提及的附图进行参考。
EB套管10具有主体11，所述主体11具有前部端部12和后部端部14、实质上平行的相对侧面15、实质上平行的顶部表面16和底部表面18以及处于前部端部与后部端部之间的中间部分20。套管主体11具有中心轴线A0，所述中心轴线A0在套管主体的中间平行于侧面15延续。在示例中，EB套管10具有整体构造，即，主体11被制造成单一整体元件，所述单一整体元件在示例中使用单一同质材料由模制过程形成。在示例中，EB套管10由对具有诸如在光学通信系统中使用的波长X(例如，880nm或1310nm或1550nm)的光透明的材料制成。EB套管10的一种示例性材料是光学透明的材料，诸如聚醚酰亚胺(例如，Ultem)、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、环烯烃聚合物或其他透明的聚合物。
EB套管10任选地包括在顶部表面16中、邻近后部端部14形成的凹陷部24，所述凹陷部24容纳将一个或多个光纤50插入EB套管中(参见图1C)。凹陷部24将支撑表面26和主体11内的内壁28限定在中间部分20内。EB套管10还可在顶部表面16中具有其他凹陷部或开口29(参见图2)，所述其他凹陷部或开口29用来注入环氧树脂以将光纤50固定在EB套管10内。
EB套管10包括至少一个光纤支撑特征(“光纤支撑特征”)30，其可操作地将光纤50支撑在套管主体11内。在示例性实施例中，所述至少一个光纤支撑特征30包括至少一个微孔31。每个微孔31在z方向上(即，大体上平行于中心轴线A0)从内壁28朝向前部端部12向位于中间部分20中的光纤止动件平面34延伸。在不存在凹陷部24的示例中，微孔31从后部端部14向光纤止动件平面34延伸。每个微孔31具有中心轴线AM并且在光纤止动件平面34处具有终端端部32。终端端部32是壁并且因此在下文被称为“终端端壁”32。在示例中，终端端部32具有驻留在x-y平面(即，正交于套管中心轴线A0)中的平面表面。
每个微孔31被设定尺寸来容纳光纤50的端部部分51，其中所述端部部分具有端部52，所述端部52邻近光纤驻留于其中的微孔的对应的终端端壁32驻留。如上文所指出，环氧树脂55可用来将光纤50的端部部分固定在微孔31中，如图1D中所示。在示例中，环氧树脂55可以是折射率匹配的和光可固化的。在这方面，环氧树脂55可被认为构成另外的支撑特征30。
在示例中，所述至少一个支撑特征30可另外地包括在支撑表面26中形成的一个或多个导引特征27(例如，凹槽，诸如V形凹槽或u形凹槽)。导引特征27被配置来当光纤端部部分51进入并且然后驻留在相应的微孔中时，将光纤50导引到微孔31中并且支撑光纤。通过举例，EB套管10可被认为与一个或多个光纤50一起使用，并且本文所示出和描述的示例性EB套管支撑多个光纤。
图1E是示例性光纤50的横截面图，其示出了核心53和周围的包层57并且还示出了核心边缘53e。光纤50具有中心轴线AF和光纤数值孔径NAF。核心53具有半径RC，所述半径RC在示例中可以是25μm、31.25μm或40μm，这表示用于多模光纤的三个标准核心尺寸。
在示例中，EB套管10在前部端部12中具有限定凹陷的前部表面12R的凹陷部分42。凹陷的前部表面12R和套管主体11的邻近于其的部分支撑布置于在x方向上延续的线70L中的多个透镜70。每个透镜70具有前部透镜表面72和透镜主体74，所述透镜主体74由套管主体11的驻留在透镜前部表面与微孔31的终端端壁32之间的部分的透镜部分11L限定。终端端壁32因此限定透镜70的背面透镜表面76。凹陷部分42允许前部透镜表面72从套管前部端部12后缩。在示例中，前部透镜表面72是凸面的。每个透镜70具有中心轴线A1，所述中心轴线A1与对应的微孔31的轴线AM对准。每个光纤50具有中心光纤轴线AF，所述中心光纤轴线AF实质上与所述每个光纤50驻留于其中的微孔31的中心轴线AM同轴。
在示例中，透镜70的数量对应于微孔31的数量和EB套管10被配置来支撑的光纤50的数量，每个透镜与对应的微孔轴向地对准。在示例中，透镜70与EB套管10的其余部分模制在一起并且大体上是准直类型的透镜。也就是说，因为透镜70与凹陷部分42中的空气接触，所以由于在主体11与空气之间的折射率不同以及透镜表面72的形状不同，可将它们制造成准直的。透镜70并且特定地透镜表面72的形状在下文中更详细地论述。在其他示例中，透镜70可被配置为聚焦透镜。
EB套管10还可包括容纳导引销62(参见图3A)以促进两个对接的EB套管之间对准的一个或多个对准特征60(诸如导引销开口61)。应注意，虽然导引销开口61的方位和表观尺寸对工业而言是标准的，但是可对导引销开口的尺寸、位置和/或间距进行修改来防止EB套管10与标准套管(诸如MT套管)配对。也可使用其他类型的对准特征60。
对准特征60可提供配对的EB套管10的大体上的对准，但通常不能防止小量的未对准(例如，侧向的和角度的)发生，并且这类小的未对准可对耦合损耗具有相对大的影响。如下文所论述，本文所公开的EB套管10的益处中的一个是其未对准的容差，即使当对准特征60用来在对接的EB套管之间建立大体上的(或“粗略的”)对准。
图1C示出可操作地布置在EB套管10内的光纤50，并且图1D是光纤中的一个和对应的透镜70的近距离视图。用于将光纤50插入EB套管10中的示例性过程如下。首先，将光纤50的端部部分51剥离成裸露的并且然后进行清洗。在光纤50的端部部分51处的端部52然后劈开并且通过凹陷部24插入EB套管10中并且插入相应的微孔31中。光纤50的端部部分51被推动穿过微孔31直到它们相应的端部52到达微孔的位于光纤止动件平面34处的终端端壁32。可将折射率匹配的环氧树脂55通过处于顶部表面16中的开口29(如图2的示例性EB套管10所示)插入微孔31中以将光纤50的端部部分51固定到它们相应的微孔中。环氧树脂55可然后使用UV和近UV光进行固化(例如，光固化)。
EB光学接口装置
图3A是两个相面对的EB套管10的自顶向下的(即，x-z平面)横截面图，而图3B是图3A的两个相面对的EB套管的两个相对透镜表面72的近距离的(即，y-z平面)的横截面图。两个相面对的EB套管10通过两个EB套管在它们相应的前部端部12处对接形成，并且定义成EB光学对接装置100。两个相面对的(对接的)EB套管10限定由EB套管的相应凹陷部分42形成的腔室104，并且相对透镜70的前部透镜表面72横穿腔室在z方向上隔开轴向距离DA。在示例中，0.2mm≤DA≤2.2mm。
在示例中，腔室104填充有空气并且实质上被封离两个相面对的EB套管10的外部的环境。这用来防止灰尘、油、湿气或其他污染物沉积于透镜表面72上和/或悬浮在腔室104内并且从而负面地影响两个透镜70之间的光学通信。
参考图3B，在EB光学接口装置100的一般操作中，主要在位于EB光学接口装置的左手侧上的发射光纤50的核心53内行进的光110离开处于透镜70的后面透镜表面76处的光纤端部52。光110在它离去发射光纤50时发散并且当它经过透镜主体74到达前部透镜表面72时继续发散。光110然后离开前部透镜表面72并且在其处折射以形成实质上准直的光。实质上准直的光110然后行进横穿腔室104到达位于EB光学接口装置100的右手侧(接收侧)上的接收透镜70的透镜表面72。实质上准直的光110然后通过透镜表面72聚焦到接收光纤50的端部52上，并且特定地，聚焦到核心53和光纤端部52上。光110从发射光纤50进行到接收光纤的路径定义EB光学接口装置100的光学通信路径OP。
关于基于透镜的EB套管10的常规知识是将透镜70设计成使得最佳聚焦发生在轴线上(即，中心轴线Al上)。这可例如通过使用非球面透镜使在轴球面像差最小化来完成，所述非球面透镜具有等于-1/n2的“圆锥常数”，其中n是透镜的折射率，例如，如在1985年保存在加利福尼亚州旧金山的、呈现在FOC/LAN 85的出版物J.P.Carrol,F.B.Messbauer和C.H.Whitefield,“Design Considerations of the Expanded Beam Lamdek Single-ModeConnector,”中所公开。
图4A是常规光学接口装置200的示意性光学图，所述常规光学接口装置200包括具有常规地设计的透镜270的两个相对的现有技术EB套管210。光110被示出为在轴光线110A(实线)和离轴光线110B(虚线)。处于发射光纤50和光纤端部52处的核心53处的在轴位置用A表示，并且在核心53的边缘53e处的离轴位置用B表示。处于接收光纤50处的共轭位置分别用A'和B'表示。
图4B是在轴光线110A的光点图，所述在轴光线110A在轴位置A处从位于图4A左手侧上的发射光纤50发散并且在接收光纤50的核心53处的在轴位置A’处会聚。在轴光点图示出了表示在轴光线110A的高会聚度的良好的在轴聚焦。这一类紧密的在轴聚焦表示实质上的共点成像。
图4C是离轴光线110B的光点图，所述离轴光线110B在处于核心53的边缘53e处的位置B处从发射光纤50发散并且在接收光纤50的核心53的边缘53e处的离轴位置B'处会聚。离轴光点图示出了相对大量的射线分散或传播，并且相对大部分离轴光点(多于一半)落在核心53外部。这由离轴光线110B到达处于核心边缘53e处的光纤端部52前面的焦点f引起。因此，相对大量的光110不会在核心边缘53e处耦合到接收光纤50的核心53中。这导致耦合效率的减少，即使在轴聚焦性能是良好的。
未对准：侧向偏移和角偏移
关于基于透镜的EB套管的问题在于当它们在光学接口装置中使用时可对未对准敏感。未对准可以是侧向偏移和/或角偏移的形式。图5A和图5B类似于图4A并且分别示出在EB光学接口装置100的发射EB套管10与接收EB套管10之间的侧向偏移dx和角偏移dθ。当与现有技术EB套管和组件相比较时，这些偏移还结合如本文所公开的EB套管10和光学接口装置100的性能在下文进行论述。
透镜参数和光学设计
图6是示例性透镜70的示意性横截面图，其示出用来表征所述透镜的示例性参数。所述参数包括透镜半径R、当从中心轴线Al测量时透镜表面上点的高度r、轴向透镜厚度TH和当从参考平面RP测量时表面曲率z(r)。参考平面RP由经过透镜表面72的在轴顶点VP和正交于中心轴线Al的平面限定。
在示例中，透镜表面72是非球面的并且由如下方程式限定
z(r)＝r2/{R[l+((1-(1+C)r2/R2)1/2]}
其中中心轴线A1在z方向上延续。表面形状z(r)也被称为“驰度”。曲率半径R在顶点VP(其中r＝0)处被测量。参数C被称为“圆锥常数”并且是对透镜表面72偏离完全的球形形状的程度的测量。当圆锥常数C＝0时，透镜表面72是球形的并且所有的值r由半径R描述。
在示例性实施例中，透镜表面72是凸面且非球面的，并且圆锥常数C处于-3.7/n2≤C≤-1.9/n2范围中。
EB套管10的每个透镜70被设计成当在EB光学接口装置100中使用时具有高的耦合效率CE(即，低的耦合损耗CL)。耦合损耗CL在本文中被定义为在输入光纤中的光学倍率与耦合到输出光纤中的光学倍率之间的比，任何损耗的净值在接口处由菲涅耳反射产生。实际上，这类耦合损耗近似通过如在本领域中所知的在透镜表面上使用防反射膜来获得。特定地，透镜70被配置成使得在与现有技术比较时将更多的光110在位置B'的核心边缘处耦合到光纤核心53中，不过以在轴位置A'的高质量的(即，实质上共点)成像为代价。这种方法部分地基于如下事实：具有抛物线状的折射率分布的梯度折射率光纤50具有径向不均匀的数值孔径NAF。因此，光纤数值孔径NAF在光纤的核心边缘53e处小于在中心(即，在轴)中。当与在轴位置(其具有更大的NAF值)比较时，在核心边缘53e处更小的光纤数值孔径NAF变得更加难以捕获光。
鉴于上文所述，如本文公开的透镜70被配置成使得在核心53的边缘53e处和其附近的大多数离轴光线110B聚焦在光纤端部52上而不在光纤端部52的前部，以确保离轴光线110B中尽可能多的光学倍率进入核心。这在图7A至图7C中示出，所述图7A至图7C类似于图4A至图4C。在图7A中，可看到焦点f’实质上处于接收光纤50的位于离轴位置B'处的端部52处。图7B示出在轴点A’的光点图并且所述光点图示出在轴光线110A不再很好地聚焦于轴线上，即，在轴成像不再实质上共点并且事实上具有大量的像差(特定地，如下文论述的球面像差)。因此，在轴聚焦光点实质上大于图4B中所示的现有技术的情况。另一方面，图7C是离轴位置B'的光点图并且所述光点图示出出大多数的离轴光线110B落在核心53内。这一类离轴光收集性能导致在与在常规EB套管中使用的现有技术透镜相比较时更高的耦合效率(即，减少的耦合损耗CL)。
在示例中，表面曲率半径R被选择成使得光110的入射角不会超过光纤50的NA。透镜70的厚度TH(其在傍轴条件下等于凸面透镜表面72的焦距)通过如下关系大概与半径R、组成EB套管10的主体11的材料的折射率n和空气的折射率n空气相关联
TH＝[n/(n-n空气)]-R
在示例中，透镜厚度TH处于0.4mm≤TH≤1.3mm范围中。同样在示例中，透镜70具有处于0.2mm≤TH≤0.35mm范围中的透镜数值孔径NAL。
透镜性能
本文所公开的透镜70的性能与基于现有技术设计的示例性透镜272进行比较，也就是它的圆锥常数近似等于使球面像差最小化的值(等于-1/n2的这一类值)。透镜70和透镜272具有R＝199μm，厚度TH＝520μm，折射率n＝1.627和通光孔径(直径)＝0.24mm。所述性能基于光纤具有核心半径RC＝25μm和0.2的光纤数值孔径NAF(其中实际的输出光110的NA为0.158)进行评估。所述性能基于相应的套管组件100和200进行比较，所述相应的套管组件100和200各自具有轴向间距DA＝620μm。透镜70和272的差别在于圆锥常数C，所述圆锥常数C对于透镜70是-0.8，而对于透镜272是-0.38。
透镜和EB光学接口装置性能
图8A是当与如上文所述的现有技术EB光学接口装置200(虚线曲线)相比较时，EB光学接口装置100(实线曲线)的耦合损耗CL(dB)对侧向位移dx(μm)的曲线图。对于侧向位移小于5μm，透镜70的耦合损耗CL仅稍微更大，并且在侧向位移大约为5μm处，两个透镜的耦合损耗变得相等。对于侧向位移dx的增加的量超过5μm，现有技术透镜272的耦合损耗CL更大并且耦合损耗的差增长。
图8B是当与在现有技术EB光学接口装置200(虚线曲线)中使用的现有技术透镜272相比较时，如本文所公开的并且在EB光学接口装置100(实线曲线)中使用的透镜70的耦合损耗CL(dB)对角度位移dθ(度)(参见图5B)的曲线图。图8B的曲线图示出针对所示出的角度位移范围的更低的耦合损耗CL(并且因此更高的耦合效率CE)，其中角度位移为2°示出出差大约为1dB，这表示的耦合的光学倍率的差大约为21％。
图9A和图9B是使用两个透镜272(图9A)的现有技术EB光学接口装置200和使用两个透镜70的本文公开的EB光学接口装置100的耦合损耗CL(db)作为侧向偏移dx(μm)和角偏移dθ(度)的函数的等高线图。曲线图具有相同一般形状，不同的是EB光学接口装置100的耦合损耗CL通常低于EB光学接口装置200的耦合损耗CL。当与透镜272相比较时，对于更高量的角偏移和侧向位移，耦合损耗CL的差变得更大，例如在大约1度的角偏移和大约5μm的侧向偏移处相差大约10％。这示出了光学接口装置100的未对准的更高的容差，并且所述更高容差直接归因于透镜70的配置(设计)。
在一个示例中，角偏差为1.2°，耦合损耗CL<0.5dB，而在另一个示例中，角偏差为2°，耦合损耗CL<1.5dB。
对本领域的技术人员将显而易见的是，可在不背离如随附权利要求中限定的本公开内容的精神和范围的情况下，可对如本文描述的公开的实施例作出各种修改。因此，本公开内容涵盖所述修改和变更，只要其属于随附权利要求书和其等同物的范围内。

Claims (20)

1.一种用于光学接口装置的支撑具有数值孔径NAF和位于端部部分处的端部的至少一个光纤的扩束套管，包括：
套管主体，所述套管主体具有相对的前部端部和后部端部、相对的顶部表面和底部表面、以及中心轴线，其中所述前部端部包括前部表面，并且所述套管主体对波长λ的光是实质上透明的；
至少一个光纤支撑特征，所述至少一个光纤支撑特征被配置来支撑位于所述套管主体的终端端壁处的所述至少一个光纤的端部，所述终端端壁由具有轴向厚度TH和折射率n的介入主体部分与所述前部表面间隔开，其中所述终端端壁限定平面的第一透镜表面；
至少一个第二透镜表面，所述至少一个第二透镜表面限定在所述前部表面中，其中所述第一透镜表面和所述第二透镜表面以及驻留在它们之间的具有厚度TH的所述主体部分限定至少一个透镜；并且
其中所述第二透镜表面是凸面且非球面的，具有处于-3.7/n2≤C≤-1.9/n2范围中的圆锥常数C，并且其中所述至少一个透镜具有处于[(-150.0-NAF 4)·λ]≤SA≤[(-26.5-NAF 4)·λ]范围中的在轴球面像差SA的量。
2.如权利要求1所述的扩束套管，其中所述至少一个光纤支撑特征包括被设定尺寸来容纳所述光纤的所述端部部分的至少一个微孔，所述至少一个微孔大体上平行于所述中心轴线从所述后部端部或与所述前部表面间隔开的内壁延续，所述微孔终止在终端端壁处并且与所述至少一个第二透镜表面轴向地对准。
3.如权利要求1所述的扩束套管，其中所述至少一个透镜具有处于0.4mm≤TH≤1.3mm范围中的厚度TH和处于0.2≤NA≤0.35范围中的数值孔径NA。
4.如权利要求1所述的扩束套管，其中所述球面像差SA的量处于[(-150.0-NAF 4)·λ]≤SA≤[(-48.0-NAF 4)·λ]范围中。
5.如权利要求1-4中任一项所述的扩束套管，其中所述套管主体是由单一同质材料制成的整体结构。
6.如权利要求1-4中任一项所述的扩束套管，其中所述套管主体在所述前部端部处包括凹陷部分使得所述前部表面从所述前部端部凹陷，并且其中所述第二透镜表面相对于所述前部端部而凹陷。
7.如权利要求1-4中任一项所述的扩束套管，其中所述至少一个透镜包括多个透镜。
8.如权利要求1-4中任一项所述的扩束套管，其中所述至少一个透镜具有实质上与轴向厚度TH相同的焦距。
9.一种用于将来自至少一个第一光纤的光通过光学通信路径耦合到至少一个第二光纤的扩束光学接口装置，包括：
第一扩束套管和第二扩束套管，所述第一扩束套管和所述第二扩束套管是如权利要求1所述的扩束套管并且被布置成具有它们相应相面对的前部端部，使得它们相应中心轴线是在轴的并且相应的所述至少一个第二透镜表面大体上轴向地对准并且轴向地间隔开；以及
第一光纤和第二光纤，所述第一光纤和所述第二光纤可操作地布置在所述第一扩束套管的所述至少一个光纤支撑特征和所述第二扩束套管的所述至少一个光纤支撑特征中并且分别由所述第一扩束套管的所述至少一个光纤支撑特征和所述第二扩束套管的所述至少一个光纤支撑特征支撑。
10.如权利要求9所述的扩束光学接口装置，其中相应的所述至少一个第二透镜表面以在0.2mm≤DA≤2.2mm范围中的距离DA轴向地间隔开。
11.如权利要求9所述的扩束光学接口装置，其中自所述至少一个第一光纤通过所述光学通信路径到所述至少一个第二光纤的光耦合针对所述第一扩束套管与所述第二扩束套管之间的1.2°的角偏差具有耦合损耗CL<0.5dB。
12.如权利要求9所述的扩束光学接口装置，其中自所述至少一个第一光纤通过所述光学通信路径到所述至少一个第二光纤的光耦合针对所述第一扩束套管与所述第二扩束套管之间的2°的角偏差具有耦合损耗CL<1.5dB。
13.如权利要求9所述的扩束光学接口装置，其中所述第一光纤和所述第二光纤是多模光纤。
14.如权利要求9所述的扩束光学接口装置，其中所述第一扩束套管的第一至少一个透镜和所述第二扩束套管的第二至少一个透镜各自包括多个第一透镜和第二透镜。
15.一种用于通过光学通信路径在具有相应的第一端部和第二端部以及光纤数值孔径NAF的第一光纤与第二光纤之间耦合波长λ的光的扩束光学接口装置，包括：
相面对的第一支撑构件和第二支撑构件，所述相面对的第一支撑构件和第二支撑构件对波长λ的光是透明的并且分别包括第一端部和第二端部，所述第一端部和所述第二端部支撑轴向地对准并且间隔开的相应的第一透镜和第二透镜，其中所述第一透镜和所述第二透镜具有相应的第一前部透镜表面和第二前部透镜表面以及第一后部透镜表面和第二后部透镜表面，并且其中所述第一前部透镜表面和所述第二前部透镜表面中的每一个是凸面且非球面的，具有处于-3.7/n2≤C≤-1.9/n2范围中的圆锥常数C，其中n是至少一个透镜的材料的折射率，并且其中所述第一透镜和所述第二透镜中的每一个具有处于[(-150.0-NAF 4)·λ]≤SA≤[(-26.5-NAf 4)·λ]范围中的在轴球面像差SA的量；以及
第一光纤和第二光纤，所述第一光纤和所述第二光纤分别可操作地由所述第一支撑构件和所述第二支撑构件支撑，使得所述第一光纤端部和所述第二光纤端部被设置成邻近所述第一后部透镜表面和所述第二后部透镜表面。
16.如权利要求15所述的扩束光学接口装置，其中所述第一支撑构件和所述第二支撑构件中的每一个包括具有套管主体的扩束套管，并且其中所述第一光纤和所述第二光纤分别由在相应的所述套管主体中形成的第一微孔和第二微孔支撑。
17.如权利要求16所述的扩束光学接口装置，针对处于所述第一支撑构件与所述第二支撑构件之间的1.2°的角偏差具有耦合损耗CL<0.5dB。
18.如权利要求17所述的扩束光学接口装置，其中通过光学通信路径在具有所述相应的第一端部和第二端部以及所述光纤数值孔径NAF的所述第一光纤与第二光纤之间的波长λ的所述光的耦合针对处于所述第一支撑构件与所述第二支撑构件之间的2°的角偏差具有耦合损耗CL<1.5dB。
19.如权利要求15-18中任一项所述的扩束光学接口装置，其中所述第一前部透镜表面和所述第二前部透镜表面以在0.2mm≤DA≤2.2mm范围中的距离DA轴向地间隔开。
20.如权利要求15-18中任一项所述的扩束光学接口装置，其中所述球面像差SA的量处于[(-150.0-NAF 4)·λ]≤SA≤[(48.0-NAF 4)·λ]范围中。
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