CN1277137C - 光学互连组件及相应方法 - Google Patents

Abstract

一种单模光纤包括一纤芯、一包层和一涂层。单模光纤的包层具有约125.0μm±0.3μm的外径。多根单模光纤可与至少一可变形聚合材料相连以形成光纤组件，及制造光纤组件的方法。光纤组件，例如，可以是带、电缆、辫、光学电路、或带束的一部分。此外，光纤可包括其他适当的几何特性和/或特征，如约0.2μm或更小的纤芯到包层同芯度，和/或在1310nm源波长时约9.2μm±0.3μm的模态场直径。

Description

光学互连组件及相应方法

技术领域

本发明涉及光学互连构件和/或组件，特别是涉及高性能光学互连构件和/或组件。

背景技术

光通信系统包括传送信号如声音、视频和/或数据信息的光纤。光纤能够以较小的损耗在长距离上传输信号。光纤最好包括基于硅石的纤芯，纤芯用于传输光并被一基于硅石的包层包围，该包层通常具有较纤芯低的折射率。通常，较软的第一涂层包围包层，一相对较硬的第二涂层包围第一涂层。光纤可以是单模光纤或多模光纤，其还可从商业渠道获得，例如从纽约的康宁公司获得。

对于实际应用，光通信系统在光纤及光学装置和/或其他光纤之间要求互连或跨接线，以快速、方便地将纤维部分连接在一起，并在必要时重新安排。例如，跨接电缆可使光电缆与发射机或接收机互相连接。

发明内容

本发明致力于一种光纤组件，其包括多根单模光纤，多根单模光纤具有纤芯、包层及涂层；至少一种可变形聚合材料，所述可变形聚合材料与多根单模光纤的至少一部分结合在一起；及多根单模光纤具有外径约为125.0μm±0.3μm的包层。

本发明还致力于一种光纤带，其包括：8根单模光纤，8根单模光纤具有纤芯、包层和涂层；8根单模光纤与一可固化基体相连；带的宽度为约2172μm或更小；带的高度为约360μm或更小；带具有约50μm或更小的平整度；带具有末梢单模光纤，末梢单模光纤具有约1834或更小的中心间距离；及8根单模光纤具有外径为约125.0μm±0.1μm的包层。

本发明还致力于一种光纤带，其包括：12根单模光纤，12根单模光纤具有纤芯、包层和涂层；12根单模光纤与一可固化基体相连；带的宽度为约3220μm或更小；带的高度为约360μm或更小；带具有约75μm或更小的平整度；带具有末梢单模光纤，末梢单模光纤具有约2882或更小的中心间距离；及12根单模光纤具有外径为约125.0μm±0.1μm的包层。

本发明还包括一种光纤辫，其包括：至少一单模光纤，该至少一单模光纤具有纤芯、包层、涂层及第一端；至少一插针被连接到至少一单模光纤的第一端；及单模光纤具有外径约为125.0μm±0.3μm的包层、约0.2μm或更小的纤芯到包层同芯度、在1310纳米约9.2μm±0.3μm的模态场直径。

本发明还致力于一种光纤跨接电缆，包括：至少一具有纤芯、包层、第一端及第二端的单模光纤；第一插针；第二插针；至少一单模光纤的第一端被连接到第一插针，及至少一单模光纤的第二端被连接到第二插针；至少一单模光纤具有外径约为125.0μm±0.3μm的包层、约0.2μm或更小的纤芯到包层同芯度、及在1310纳米约9.2μm±0.3μm的模态场直径。

本发明还致力于一种紧套的光纤组件，包括：至少一具有纤芯、包层、第一端及第二端的单模光纤；一紧套护套；第一插针；紧套护套的一部分包裹所述至少一单模光纤的一部分；至少一单模光纤的所述第一端被连接到所述第一插针；及至少一单模光纤具有外径约为125.0μm±0.3μm的包层、约0.2μm或更小的纤芯到包层同芯度、及在1310纳米约9.2μm±0.3μm的模态场直径。

本发明还包括一种制造光纤组件的方法，包括步骤：选取多根具有外径为约125.0μm±0.3μm的包层的单模光纤；及应用至少一可变形聚合材料到所述多根单模光纤的至少一部分。

本发明还致力于一种柔性光学电路，包括：至少一具有纤芯、包层、第一端及第二端的单模光纤；第一柔性衬底；第二柔性衬底；至少一单模光纤被放置在所述第一衬底和所述第二衬底之间；及至少一单模光纤具有外径约为125.0μm±0.3μm的包层、约0.2μm或更小的纤芯到包层同芯度、及在1310纳米约9.2μm±0.3μm的模态场直径。

附图简要说明

图1为根据本发明的光纤带跨接电缆的局部等比例视图。

图2为图1的示例性带沿线2-2的剖视图。

图2A为根据本发明的示例性光纤的截面图。

图2B为用于解释的带的截面图。

图3为指明现有技术跨接电缆和根据本发明的跨接电缆的插入损耗的比较数据的典型柱图。

图4为根据本发明的另一实施例的光学电路的等比图。

图5为图4的实施例沿线5-5的剖视图。

具体实施方式

本发明的概念可应用于例如单模光纤、互连组件、光学电路、及其组合或其他适当的互连构件和/或组件，其中单模光纤可以是紧套的、宽松的、着色的、未着色的、成束的、或成带的，互连组件可具有例如一单路连接器和/或多路连接器。在一实施例中，本发明互连构件和/或组件的至少一部分与可变形聚合材料结合。根据本发明的一实施例的一示例性实施例在图1中被描述。跨接电缆10的一部分包括一光纤带20(在下文中称作带20)、强度构件12、一外护套14、及插针16。为说明的目的，只示出了一个插针16，然而电缆10可包括其他适当数量的、连接到带20的一端或两端的插针16。电缆10还可适于在带20的一端或两端绞接成辫。如图2所示，带20包括至少两根与至少一可变形聚合材料结合的光纤22，可变形聚合材料如紫外可固化基体24。每根光纤22用于传输光并包括一纤芯22a、一包层22b、和一涂层22c。本发明的光纤22基于在带20中使用的几何特性和/或特征而被选择。如图2A所示，光纤22的几何特性和/或特征包括包层外径D1、纤芯到包层同芯度C1(为使其清晰在图中被夸大了)和/或模态场直径D2(未示出)。模态场直径通常大于纤芯22a的直径并是光纤22中传播的光束宽度的测量。本发明还可包括带20的尺寸参数。如图2B所示，带20的参数可包括带宽度W、带的高度H、带平整度P和/或带20的末梢光纤22d的中心到中心的距离D。

光互连构件和/或组件通常具有信号损耗。也就是说，例如，在两光纤之间的光互连应用通常导致光插入损耗，即，一小部分信号光被损失。总的来说，光插入损耗是不希望得到的结果。通常，对成对光连接器，光插入损耗以分贝测量。光插入损耗的一些原因包括在光纤端面处的反射或光纤纤芯未对准。

光信号的有效耦合取决于互连的光纤或装置之间的对准。光纤的末端应与成对的光纤末端或装置在光学上准确地对准。如果元件未成对为同轴或精确的空间关系，由于传输的光减少，信号质量降低，即光插入损耗。一些现有的互连组件不能够确保高质量信号传输所需要的对准，而其他互连组件或价格昂贵且结构排列复杂、或为了光对准需要进行灵敏的、劳动密集的调节。

为获得相当低的插入损耗，光纤端面因而必须被对齐。此外，由于许多光波导的高数值孔径，光纤对准特别重要。由于当光通过纤维接口时光从纤维轴脱离，如果纤维端面被分隔开，则会损失一部分光。因此，纤维的端面还应被保持虚接。由于在两玻璃端接口之一处的菲涅耳反射，纤维之间的间隔还意味着插入损耗。

本发明已发现，通过基于预定几何特性和/或特征选择光纤22、连接器和/或构件，互连构件和/或组件的插入损耗可被显著减少。更特别地，发明人已发现，互连构件和/或组件的插入损耗可通过选择具有预定范围的几何公差和/或性能特征的光纤而被改善。例如，通过从大量的一般光纤中选择具有预定范围的包层外径D1、纤芯到包层同芯度C1、和/或模态场直径的光纤22，则插入损耗可被减少。也就是说，本发明人已发现，通过基于几何特性和/或特征的预定的控制、选择和/或互连构件的优化，光子器件的互连光学性能可被明显改善。

光纤22，例如康宁SMF-28单模光纤，可被制造成具有最佳性能和可靠性的几何特性。然而，在光纤22的制造过程期间仅有相对较小的几何可变性，然而，该可变性不影响光纤22的性能或可靠性。例如，大量一般单模光纤22可包括下述可接受的几何特性和/或性能特征范围：包层外径D1为125.0μm±1.0μm；纤芯到包层同芯度C1为0.5μm或更小；模态场直径D2在1310nm为约8.80μm到约9.60μm。光纤22从光纤制造商处以卷轴上的长长度方式得到。通常，光纤制造商测量和记录关于一单个卷轴上的光纤的几何和性能数据，且该数据与光纤的识别号相关联。因而，封装光纤进入各种构件的下游制造商不需测量与光纤关联的几何和性能数据，但可基于已知的几何特性和/或性能特征选择用于高性能互连应用的构件。

然而，下游制造商可通过使用商业可用的光纤几何测量系统测量端面或截面光纤几何。例如，如康宁公司在2000年1月出版的出版物MM28所述，在此将其组合进来用于参考，纤维端面的高分辨率图像被测量系统放大和数字化。外包层边缘和纤芯边缘均符合数学函数以确定纤维的端面几何。这使得能够测量包层直径、包层非圆形度、纤芯非圆形度及纤芯到包层同芯度。更特别地，光纤末端是条纹化的涂层(离纤维末端大约2cm远)，并被制成小于1度的端角、接近于理想的镜表面。所制得的光纤末端被放置在光纤几何测量系统的输入和输出阶段。系统自动决定用于图像清晰度的纤维输出末端的位置并调节明视场和纤芯照明装置的亮度。包层边缘和纤芯边缘数据接着被测量并符合适当的算法。对包层直径、包层非圆形度、纤芯非圆形度及纤芯到包层同芯度的结果被自动计算和报告。

本发明的光纤22可以被带化在，例如，如图2中所描述的可固化基体中。带20是说明性的并可包括多种数目的光纤22，如2、4、6、8、12、16、24、32、40、48或其他适合的数字。在一实施例中，带20包括至少两单模光纤22，其被选择为包括外径约125.0μm±0.3μm的包层并与可固化基体结合。带20还可是带束的一部分，例如，如美国专利号6,192,178和/或美国序列号09/789,048所公开的带束，该两专利在此被组合用于参考。然而，本发明的带可被用在其他合适的带束中。本发明的光纤和/或带还可是光纤电缆的一部分。

带20还可包括尺寸参数以允许，例如，带20能被容易地插入插针16内。图2B描述了示例性带的尺寸参数。带20的尺寸参数可包括带的宽度W和带的高度H，带包括基体24。带平整度P被定义为光纤22的中心之间的边距，其为离带20的中心线的最大距离。平整度P可在带20的中心线的上面和/或下面相对于带20的光纤22被测得。尺寸参数还可包括带20的末梢光纤22d的中心到中心之间的距离D。说明性地，8根纤维的带可包括宽度W为约2172μm或更小、高度H为约360μm或更小、平整度P为约50μm或更小、及距离D为约1834μm或更小。12根纤维的带可包括宽度W为约3220μm或更小、高度H为约360μm或更小、平整度P为约75μm或更小、及距离D为约2882μm或更小。

带20的光纤22还可包括通常覆盖涂层22c的彩色材料(未示出)以帮助技工识别单个的光纤22。该彩色材料可使光纤22的外径增加几微米。随着带20中的光纤22的增加，距离D即末梢光纤22d的中心到中心之间的距离由于彩色材料的累积效应而还可能增加。例如，如果彩色材料增加约6-8微米到四十纤维的带的每一250微米直径的光纤上，则彩色材料本身可增加约240-320微米到距离D。由彩色材料增加的距离可在将插针连接到带时导致光纤对不准，这通常是不希望得到的结果。克服该困难的一种方法是在未着色的光纤之间交替放置着色的光纤，然而，该解决办法可增加约120-160微米到距离D。本发明的另一实施例涉及选择光纤22，从而使光纤22的涂层22c的外径小于约250微米，小于约245微米更好，最好为约240微米或更小。因此，当彩色材料被应用到光纤22时，光纤的总外径为约250微米或更小，且距离D将保持在适当的范围内。

图3示出了现有技术跨接电缆和根据本发明的跨接电缆的性能特征，以柱形图形式表示。现有技术跨接电缆具有从光纤制造商处可得的一般光纤中随便选择的光纤。更明确地，图3示出了以分贝(dB)测量的插入损耗，即，互连构件和/或组件的连接和/或接头中的信号损失。总之，由于光纤中的固有特征，例如纤维的反射率或非理想性，光纤具有一定的衰减损失，其可从插入损耗独自测得。

比较数据将被更充分地说明。本发明的8纤维的跨接电缆10的18个样本被准备、测量，并与现有技术8纤维的跨接电缆的18个样本比较。测试表明，与现有技术跨接电缆的相对高的插入损耗相比，本发明的跨接电缆10具有相对低的插入损耗。此外，图3的跨接电缆10包括一更紧密的插入损耗分布，约0.00dB到0.37Db，而对于现有技术跨接电缆，其具有相对宽的插入损耗分布，约0.02dB到约0.64dB。

被测量的本发明跨接电缆10包括选自预定范围的几何特性和/或性能特征的光纤22。更明确地，光纤22包括的包层外径D1为约125.0μm±0.1μm、纤芯到包层同芯度C1为约0.2μm或更小、模态场直径D2在1310nm光源波导处为约9.2μm±0.2μm。

电缆10和现有技术电缆包括被连接到带20的每一端的插针16，以允许带20被连接到光系统中的连接器和/或与光系统中的连接器分离。测试的电缆10和现有技术电缆还包括强度构件12和用于环境包含的外护套14。强度构件12可以是芳香尼龙纤维，例如kevlar^纤维，用于提供抗张强度给电缆10。电缆10还可根据美国序列号09/107,676的专利申请构建，其在此被组合以用于参考。高性能插针16被用在所测试的电缆10和现有技术电缆中，更明确地，可从北卡罗来纳州的Hickory的USConec^获得的MT Elite^TM插针被连接到本发明的一8纤维的带20及现有技术8纤维的带，然而，其他适当插针也可被使用。插针16被打磨成8度角。插针16被连接到一连接器，更明确地，一同样可从USConec^获得的MTP连接器(未示出)，然而，其他适当的连接器也可被使用。电缆10和现有技术电缆均在1550nm的源波长处被测量插入损耗。

如图3所示，现有技术跨接电缆具有相对高的插入损耗。更明确地，现有技术跨接电缆包括在1550nm时0.26dB的平均光纤插入损耗，0.64dB的最大插入损耗，0.02dB的最小插入损耗，及约0.09dB的标准偏差。

另一方面，本发明的电缆的相对低的插入损耗性能令人惊奇地优于现有技术电缆的性能。本发明的平均光纤插入损耗是现有技术电缆的平均光纤插入损耗的一半。更明确地，本发明跨接电缆10具有在1550nm时0.13dB的平均光纤插入损耗，0.37dB的最大插入损耗，0.0dB的最小插入损耗，及约0.06dB的标准偏差。跨接电缆10的平均光纤背反射比率也被测得，在1550nm时背反射比率为-63dB，最大背反射比率为-55dB，最小背反射比率为-72dB，及标志偏差为约4dB。

发明人认为，其他范围的几何特性和/或特征，独自或与其他结合，可提供改善的光学性能。例如，包层外径D1可以是约125.0μm±0.3μm且依然提供相对低的插入损耗。同样地，纤芯到包层同芯度C1为约0.30μm或更小，和/或模态场直径D2在1310nm时为约9.20μm±0.30μm。而且，发明人相信，一些特定的几何特性和/或特征比其他特性影响性能更多。发明人已发现一几何特性和/或特征的一队系统，其改善光互连性能。对于光互连性能，发明人按下述重要性顺序排列下述几何特性和/或特征：包层外径D1、纤芯到包层同芯度C1、及模态场直径D2。

此外，发明人还认为其他几何特性和/或特征，独自或与其他结合，可提供改善的光学性能。例如，光纤还可根据纤芯非圆形度、包层非圆形度、涂层几何、和/或截止波长而被选择。

例如，光纤22的纤芯及包层非圆形度可被选择为约0.5％或更小。测量涂层22c的外径和涂层同芯度可被测量，例如，使用如由康宁公司在2000年3月出版的出版物MM29中描述的Ray-Traced SideView Method，其在此被组合以用于参考。当激光扫描透明保护涂层时，涂层和包层之间的边界可从创建的衍射图确定。被涂层的纤维被模型成一系列几乎同心的圆柱，通过其光线追踪可被执行，产生一组等式，等式接着被解答以得到每层的中心和直径。

同样地，光纤22可被一截止波长选择，如约1230nm或更小。截止波长为光纤仅支持一传播模式的情况下的最小波长。如果系统操作波长短于截止波长，多模式操作可发生，且额外分散源的引入可限制纤维的信息承载容量。光纤的物理部署扮演确定单模操作的区域的角色。对于实践中的电缆中的纤维，由于不同的长度和弯曲结构，典型的部署条件通常将实际截止波长改变为短于测得的纤维截止波长。因此，电缆纤维截止波长对用户更有意义，因为其是在实际应用中被期望的、截止波长的更准确的表示。因为使纤维成缆趋向于改变截止波长为较短的波长，电缆的截止波长的保守估计可通过测量电缆截止结构中的非成缆的纤维而得到。

例如，如康宁公司在2000年2月出版的出版物MM15所述，其在此被组合以用于参考，截止波长可通过传输的功率方法而测得。在该方法中，样本光纤所传输的光谱功率作为波长的函数被与两米多模纤维所传输的光谱功率作为波长的函数相比，其应用等式：

$A_m\left(\mathrm{\λ}\right)=10{\log }_{10}\frac{P_s\left(\mathrm{\λ}\right)}{P_m\left(\mathrm{\λ}\right)}\mathrm{indB}$

其中：A_m＝衰减差

      P_s＝自单模光纤的功率

      P_m＝自多模光纤的功率

多模纤维被用作参考纤维以允许制定出测量系统的光谱响应。为确定截止波长，A_m(λ)被绘成与波长相对。一直线被调整到图的长波长后坡并下降0.1dB。随后的下降的直线和A_m(λ)曲线相交点表示截止波长。对于该测量，光纤末端为条纹化的涂层并以接近理想镜表面的方式制成小于2度的端角。包层模式的条纹还被提供。

根据本发明的实施例的制造可通过操作下述示例性的步骤而得以实现。选择单模光纤。光纤的选择步骤可包括，例如：包层外径为约125.0μm±0.3μm，纤芯到包层同芯度为约0.2μm或更小，模态场直径在1310nm时为约9.2μm±0.3μm；或光纤的其他适合的几何特性和/或特征。应用一可变形聚合材料到单模光纤的至少一部分。可变形聚合材料可包括，例如，薄膜、箔、泡沫、隔膜、机织织物或非机织织物、定向或非定向聚合物、可固化基体、聚脂薄膜、聚酰亚胺或聚酰胺材料、热塑性塑料材料、热固性塑料材料、或丙烯酸盐材料，但通常排除如刚性硅或玻璃衬底的刚性材料，其在严格固定的位置与所有光纤接触。可变形聚合材料还可包括金属/聚合物，例如，可或不承载电流的包铜聚脂薄膜复合材料或其他适当的复合材料。光学/电的电路可被使用，例如，在汽车或航空器应用中。可变形聚合材料可使用适当的粘合剂以粘结光学电路的构件，然而，光学电路可被构建成没有粘合剂。在一制造方法中，可变形聚合材料是此外可固化基体，且该制造方法还包括固化基体的步骤。其他制造方法包括挤压一护套在强度构件和至少一单模光纤的周围或将插针连接到至少一单模光纤。

本发明的概念可被实践为其他形式。例如，图4和图5中示出了一种示例性的光学电路40。如结合图1所述的，光学电路40包括放置在两衬底54a、54b之间的至少一光纤22。光纤22可被放置在弹性聚合衬底54a、54b之间，例如，可从北卡罗来纳州的Hickory的USConec^获得的Concours^TM光学电路。光纤22可被用在具有V-槽的平面光学电路中或其他适当的光学电路中。插针56可被连接到光纤22的末端52，然而，纤维22的末端52可不被终止以用于绞接、熔融或其他连接器化。光学电路40可被用在例如1xN分路器、光学开关、十字接头、波分多路或分离电路、到单输出端的接触带、及平行光学接口应用中。此外，光学电路40可包括其他类型的光纤，例如，多模、纯模、掺铒的、可从康宁公司获得的LEAF^光纤和/或极化保持纤维。

在所附权利要求的范围内，本发明的许多修改和其他实施方式对本领域技术人员将变得显而易见的。例如，光纤可被连接到多种连接器，如单纤的、双纤的、平面式的、绞在一起的、极化的或各种结构中的小波形因素。因此，应理解为本发明不限于所公开的实施方式，修改及其他实施方式也在所附权利要求的范围内。尽管在此使用了特定的术语，它们被使用为普通的和说明性的意义，并不用于限制的目的。本发明已经参考光纤带、跨接电缆、和光学电缆描述，但本发明的创造性概念同样可应用于其他光学互连构件和/或组件。

Claims (11)

1、一种光纤辫，包括：

至少一单模光纤，所述至少一单模光纤具有纤芯、包层、涂层及第一端；

至少一插针，至少一单模光纤的所述第一端被连接到所述至少一插针；及

所述至少一单模光纤具有外径为125.0μm±0.3μm的包层、0.2μm或更小的纤芯到包层同芯度、在1310纳米9.2μm±0.3μm的模态场直径。

2、根据权利要求1所述的光纤辫，所述至少一单模光纤具有外径为125.0μm±0.1μm的包层。

3、根据权利要求1所述的光纤辫，所述至少一单模光纤是光纤带的一部分，光纤带具有由可固化基体连接的多根单模光纤，所述多根单模光纤具有外径为125.0μm±0.1μm的包层。

4、根据权利要求3所述的光纤辫，所述多根单模光纤的单模光纤数为：4、6、8、12、16、24、32、40、或48。

5、根据权利要求3所述的光纤辫，所述辫具有至少一插针被连接到所述多根单模光纤。

6、根据权利要求1所述的光纤辫，所述至少一单模光纤具有外径为245微米或更小的涂层。

7、一种光纤跨接电缆，包括：

至少一具有纤芯、包层、第一端及第二端的单模光纤；

第一插针；

第二插针；

所述至少一单模光纤的所述第一端被连接到所述第一插针，及所述至少一单模光纤的所述第二端被连接到所述第二插针；

所述至少一单模光纤具有外径为125.0μm±0.3μm的包层、0.2μm或更小的纤芯到包层同芯度、及在1310纳米9.2μm±0.3μm的模态场直径。

8、根据权利要求7所述的光纤跨接电缆，所述至少一单模光纤具有外径为125.0μm±0.1μm的包层。

9、根据权利要求7所述的光纤跨接电缆，所述至少一单模光纤是光纤带的一部分，光纤带具有多根单模光纤，其中光纤带具有第一端、第二端、及连接到所述多根单模光纤的可固化基体，所述多根单模光纤具有外径为125.0μm±0.1μm的包层。

10、根据权利要求9所述的光纤跨接电缆，所述多根单模光纤的单模光纤数为：4、6、8、12、16、24、32、40、或48。

11、根据权利要求9所述的光纤跨接电缆，所述光纤跨接电缆具有多个插针，所述多个插针被连接到所述多根单模光纤的至少之一的任何一端。

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