使用大直径对齐销的光缆连接器的制作方法

专利名称：使用大直径对齐销的光缆连接器的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及光纤连接器和装置。本发明尤其涉及包括一圆杆对齐特征的光纤连接器。
背景技术：
光纤正越来越多地用于光信号的传送。光纤使传送能力和传送特性远远超过传统的铜线。
但是，光纤的使用还存在一些困难。事实上，光纤是光信号的导体。为了避免失去或退化传输中的光信号，任何时候都要求光纤精确对齐偶合，并彼此相连或连接到光学装置上。光传输效率是测量一连接器精确耦连所传送的光信号能力的术语。
光缆的使用一般限于大规模的长距离干线设施，诸如电讯工业的设施，光纤传送特征的改进使得费用上升，相应的制造和安装也变得困难。尽管如此，但由于通讯媒体和数据容量的需求不断上升，所以对于较短距离的信号传送或连接局域装置，使用光缆的优越性正在不断提高。这种提高要求使纤维光缆精确地且经济地相互连接起来并连接到多个装置上。
发展实用的光缆连接器的一个明显的问题是连接器的光传输效率。各种因素影响了连接器的光传输效率，包括(a)邻接处的间隙分离，(b)由于轴向错位引起的横向分离，以及(c)连接器的热膨胀特性。
已研制了许多光缆连接器，旨在连接光缆。由于数据的需求不断扩大，单纤维光缆已经让路给多纤维光缆，诸如包括多个平行对齐的光纤的平行宽带光缆。由于纤维的数量不断上升，给保持连接器的传输效率带来了困难。
已知的多纤维连接器的例子包括Berg Electronics的MACTM连接器和美国的Conec的MT连接器。其它的光缆连接器的例子揭示在如下的美国专利中，Katsura等人的5,420,952，Longhurst的5,276,755，Foley等人的5,500,015，Finzell的4,784,457，Sizer第二等人的5,430,819以及Shahid的5,287,426。
许多已知的连接器具有与它们本身相关连的缺点。

图1中所示的MT-型连接器是目前最常用的连接器之一。连接器10包括一具有两个伸出的长销20和22的包套(ferrule)12。所提出的TIA/EIA-604-5MT连接器互匹配能力标准规定，对齐销必须从包套的表面伸出至少是销直径的2.285倍(0.7毫米直径的销伸出1.6毫米长)。
诸如MT连接器的长而细的销试图控制连接器在x、y和z轴的移动。长销可有助于某些应用获得合适的光缆连接，销和孔的连接对于使用者很直观。但是，这种长销的使用在连接、对齐、耐用性和制造方面存在不少的问题。
如图2和3所示，在MT-型连接器的连接过程中，包套12与插座14是过盈压配。插座14有一个接纳孔30。销20插入对应的接纳孔30。要有较多的插入表面来使每一小直径(～0.7毫米)销完全位于插座孔中。已计算出，MT连接器插入匹配的插座孔中的过盈压配需要约6牛顿的力才能完全插入。如果销不能完全插入，两包套之间的空气间隙将引起严重的光损失。
在连接之前，销的正确对齐是很重要的。图2示出了0.7毫米的MT连接器销20的0.5毫米横向错位。即使横向错位很小(例如半个毫米)、销20和匹配容纳孔30的直径较小也会导致完全不能耦连。
图3示出了销20角度偏移的结果。即使很小的角度偏移，也会因销的长度而扩大了这种结果，即使角度偏移再小，也会导致完全不能耦连。
如果销20在与匹配孔30接合之前不能较好地对齐，销20可能偏离孔30并使匹配包套14裂开，从而导致灾难性的问题。长而细的金属销20和22在插入和拔出时也可能弯曲，从而在随后的插入中损坏匹配包套14。长销与匹配孔的较大的过盈压配会使孔磨大，会使不希望的残片残留在连接器的匹配表面，这样会使信号失效。由于销伸出MT的匹配表面较远，匹配表面很难保持干净。
MT连接器的制造还包括严格控制至少9个方面的尺寸的公差(1)销的直径，(2)销的直度，(3)销的锥度，(4)孔的直径，(5)孔的直度，(6)孔的角度，(7)孔的锥度，(8)孔相对于匹配孔的位置，(9)孔相对于纤维的位置。因此，使用传统对齐销使制造的难度和费用都上升了。
另一要考虑的问题是长的突出的金属MT对齐销会起到“天线”的作用，当它位于高频元件附近时会引起电磁干扰。这种干扰又会产生对于其它设备和元件的信号干扰。
已与本发明一起转让给3M公司的、名称为“多纤维或单纤维光缆连接器的对齐组件”的美国专利5,778,123揭示了另一种光缆连接器的结构，此内容在此援引以作参考。该专利揭示了一种图4所示的“球窝”对齐结构，包套100中的凹部或窝130容纳一球120，而不是一长销。凹部130深度为d1。球120的半径为R，R＞d1。球和窝的结构具有显著的优点，因为这种结构不会过分苛求z轴方向的对齐，只需控制两个制造公差很容易控制的、该对齐球的尺寸和两凹部之间的间隔。
但是，球120对对应的对齐凹部130只提供了有限的接合表面。有限的接合表面导致了球120与包套100的不够充分的接合。此外，球和窝的结构由于包套和纤维端部的过分摩擦而容易损坏。如图5所示，过度摩擦球与窝的包套表面可能会损坏或擦掉球的对齐凹部或腔，从而制约了球的精确对齐。
这样为改进光缆连接器和对齐特征留下了空间。
发明概要本发明提供一种纤维光缆连接器，它包括一个新颖的对齐结构，具有超过传统连接器的改进的对齐和制造特性，同时又具有传统的销连接器和球窝连接器的优点。连接器包括紧密配合到尺寸合适的孔中的大直径对齐杆，使光纤芯对齐，从而形成低耗损光互连。大直径杆被定义为杆的直径要大到使杆从含有孔的表面伸出的距离小于杆的直径的两倍。
本发明的纤维光缆连接器具有第一连接器包套和使第一连接器包套与一匹配的第二连接器包套对齐的对齐装置。在一示意性的实施例中，纤维光缆连接器包括一第一连接器包套，它具有一第一匹配表面。匹配表面有至少一个容纳腔，至少一个伸出的对齐杆坐落在腔内并从匹配表面伸出。对齐杆具有直径D1、从匹配表面伸出的长度距离为p1，P1≤2D1在一示意性的实施例中，杆有一半球形顶端，且0.5D1≤p1≤2D1。
纤维光缆连接器还包括一具有第二匹配表面的第二连接器包套，它一与第一连接器包套相对对齐。第二匹配表面有一第二容纳腔，深度为p2，P1＜P2。
第二连接器包套还可包括一第二腔和至少一个坐落在该腔中的第二伸出的对齐杆，对齐杆的直径为d1，从匹配表面伸出的长度距离为p1，P1≤2d1。此外，第一连接器包套的第一匹配表面可有一第二容纳腔，深度为p2，p1＜p2，第一容纳腔构造成被对齐，以容纳第一对齐杆，第二容纳腔构造成被对齐，以容纳第二对齐杆。
纤维光缆连接器还可包括纵向槽，这些槽做成容纳至少一根光纤。在一示意性的实施例中，匹配表面位于连接器包套的纵向端部(由光纤的方向定义)。
在本发明连接器的另一实施例中，连接器包套构成一装置容纳腔。一光电元件放置在装置容纳腔内，一柔性线路电连接于光电元件。在一示意性的实施例中，柔性线路将光电元件封装并保护在容纳腔内。柔性线路可包括至少一个与光电元件光对齐的光传输窗口。
附图简要说明图1是一MT-型连接器的立体图。
图2是图1所示的连接器的横向错位的销的剖面图。
图3是图1所示的连接器的角偏移销的剖面图。
图4是一球窝连接器的连接器端部的剖面图。
图5是一过度摩擦的球窝连接器的一部分的剖面图。
图6是本发明一连接器包套的立体图。
图7是图6所示的连接器包套的连接器端部的一部分的剖面图。
图8是图6所示的连接器包套和支承器具(supporting hardware)的立体图。
图9是本发明一连接器组件的立体分解图。
图10是本发明一连接器中的横向错位的杆的剖面图。
图11是本发明一连接器中的角偏移杆的剖面图。
图12是一剖面图，它顺序示出了本发明的两个连接器包套，用于指出消除错位。
图13是本发明一连接器的过度摩擦的连接器端部的剖面图。
图14是本发明一光电装置插座的立体图。
发明的详细说明图6示出了本发明一连接器包套200的一个示意性的实施例。本发明中的术语连接器是指包括将两个或更多的光缆端部、一个光缆端部与一个光学装置或两个或更多的光学装置相连和对齐的那些装置。因此，本领域的技术人员很容易地知道，本发明可用于使两个光纤连接器包套彼此对齐，或者使一个光纤包套对齐于一光源、探测器或其它光学装置。
包套200包括一对齐块或本体210。为便于说明，把一方向定为包套200的纵向z轴，包套沿此方向容纳和对齐光纤。本体210有一位于本体210纵向端部的匹配表面212和一位于本体210顶部中间的纤维容纳表面214。纤维容纳表面214允许顶部负担一个或更多的光纤，并包括多个使光纤保持平行和对齐的v槽216。本体210还包括沿本体210的侧面纵向设置的第一和第二容纳窝230和232。在本示意性的实施例中，本体由诸如Ticona公司的Fortron6165A6的热塑性塑料构成。包套也可由包括金属、陶瓷、热固塑料的许多其它材料中的任何一种或其它合适的材料制成。
窝230和232分别构成了第一和第二容纳腔234和236。图7是窝230的纵向剖面图。一对齐杆220过盈压配于窝230的容纳腔234。第二对齐杆222(如图8和9所示)可坐落在第二容纳腔236中。
在本实施例中，杆220是圆柱形的，且直径D为2.0毫米，长度为6毫米，并有两个球形端部222和224。对齐杆220可由硬的耐用的材料制成，包括塑料、金属、陶瓷或金属合金，诸如不锈钢合金303SS。容纳腔234类似于圆柱形，且直径为2.0毫米，深度为4.5毫米。当对齐杆220插入容纳窝230中时从匹配表面212伸出约1.5毫米距离p的长度。球形端部杆伸出距离p在杆220的直径D的0.5至2倍之间(即0.5D≤p≤2.0D)，以提供球形端部支柱。对于球形或半球形端部杆，0.5D的距离p等于球体的半径，从而允许杆的全直径与一相对的容纳腔对齐。
在另一实施例中，杆和容纳腔的形状可以是多面体，且腔的直径可根据用于包套的材料和所需的配合可以略大于、等于或甚至小于D。在这些实施例中，直径D是根据杆的剖面厚度测量的。此外，对齐杆的端部几何形状可以有多种，诸如球形半径、斜切、斜面。如果杆顶端不是半球形的，杆的伸出量可以小于0.5的直径，同时，最好使杆的全直径都暴露，以便对齐匹配连接器。
图8和9示出一包括包套200的连接器包套组件900。图8示出一组装而成的连接器，它示出了纤维光缆800、应力消除防护套(strain reliefboot)804、闭锁体250、包套200、包套覆盖件816和对齐杆220和222的相互对齐。
图9示出了连接器组件900的立体分解图。纤维光缆800包括一外护套801，内含一种含纤维的凯夫拉尔加强件803，它包围水平排列的光纤802。光缆800穿入张力减轻保护套804，保护套804限制了光缆800的弯曲。光缆护套的保持套(retention sleeve)805在光缆800上滑动，以防止光缆护套801朝后滑入应力消除保护套804内。
光纤802插入连接器本体810。连接器本体810包括一连接于波纹区域812的中心体811以及包套对齐支柱813和包套保持榫舌815。光缆加强件803被夹在波纹区域812与波纹圈806之间。随后压紧波纹圈806，从而将加强件803夹在波纹区域812与波纹圈806之间。
弹簧817被放在包套对齐支柱813之上，包套200插在对齐支柱813和保持榫舌815上，从而压缩弹簧817。光纤802阵列穿过连接器本体810并靠在包套200中，与v槽216对齐。然后阵列802通过包套覆盖件816保持在适当位置。阵列802的端部被抛光与包套匹配表面212齐平。一个或两个对齐杆220插入包套窝230和232中。最后，将闭锁体250安装在包套200上并将之连接于连接器本体810。
图10-12示出了包套200与匹配包套300的连接。包套300通常与包套200对称，并包括一相对的匹配表面312和相对的匹配窝330。如图10-12所示，在连接过程中，匹配包套300与包套200相对放置。杆220与匹配容纳腔336相对对齐，而匹配包套300的杆320与容纳腔236相对对齐。匹配容纳腔有一深度P2，P2＞P。当对应的杆与腔匹配时，v槽以及光纤因此而对齐。
本发明的较大球形端支柱220允许有较大的对齐不重合和较可靠的匹配。便于匹配是很重要的，因为连接器的许多应用、诸如子卡(daughtercard)与底板的连接，要求“盲匹配”，即在接合之前是不可能看到连接器的方位的。图10示出了大直径杆220是如何补偿0.5毫米横向错位的，诸如前面的图2所示。优点是与对齐结构的直径成正比，对齐结构越大，杆容许的错位也越大。
图11示出了大小与前述的图3相同的角偏移的补偿。一伸出部分有限(从0.5至2倍的杆直径)的对齐杆极少受到因对齐孔中的角度的不精确引起的错位的影响。此外，伸出部分有限的大直径对齐杆与较细的、较多暴露的对齐杆相比不易弯曲和折断。图12示出了包套200和300的匹配过程，从最初的对齐(图12A)到横向错位的补偿(图12B)、至耦连(图12C)。
本发明连接器的另一优点是杆与包套之间的较牢固的接合。如图7和13所示，较大的圆球端部支柱提供了较大的接合和接触区域，这导致了杆与包套之间的较良好的结合。还有，如图13所示，本发明不容易发生过度摩擦。过度摩擦包套200的表面212仅仅会使杆的伸出部分略微增大，这对连接器的对齐没有影响。
本发明的大直径短伸出的杆的结构还有其它优点。杆具有较大的对齐两包套的表面面积，不用象长销连接器那么深地插入窝，从而显著地降低了所需的插入力。此外，由于球形端部支柱不是尖的，不会很深地穿透匹配包套，使不希望的碎片降到最少。由于杆伸出表面不多，所以球形端部支柱连接器容易清洁。本发明提高了接口的可靠性和质量。球形端部支柱由于其较大的横截面和从连接器表面伸出的部分尽可能短从而更为坚牢而不易受损。
最后，由于杆较长销短多了，从连接器表面伸出的距离不象传统销那么长，所以本发明使不希望的“天线效应”降到最小。
本领域的技术人员应明白，当连接需要精确对齐的多种光学装置以及甚至是非光学装置时可使用本发明。图14示出了本发明的光电装置插座。插座400包括一本体或对齐块410，它具有一接触表面412。表面410限定了第一和第二容纳腔430和432。对齐杆420可位于窝430和432中的任一个或两个中，以将杆对应放置在诸如包套200的匹配包套内。杆420的直径为D、从接触表面412伸出的距离在0.5至2倍D之间。表面410还构成一装置容纳腔452。一光电元件450放置在腔内。一柔性线路454放置在光电元件上并与之电连接。柔性线路454可以具有多个窗口456，它包括与光电元件的光接受器或发射器对齐的传输光的聚和体。柔性线路454将光电元件封装和保护在容纳腔452内。
本领域的技术人员应知道，当连接需要精确对齐的多种光学装置以及甚至是非光学装置时可使用本发明。尽管已结合一示意性的较佳实施例描述了本发明，但在不脱离本发明基本精神的情况下还可以其它的具体形式来实施。因此，要知道的是，在此描述和示出的实施例仅用于举例说明，而不是用于限制本发明的范围。还可根据本发明的基本精神和内容范围进行其它的改变和变化。
权利要求
1.一种光纤连接器，它包括a)一第一连接器包套(200)，包括i)一第一匹配表面(212)，ii)至少一个从匹配表面延伸伸出的对齐杆(220)，该对齐杆的直径为D1，从匹配表面伸出的长度距离为p1，p1≤2D1。
2.如权利要求1所述的光纤连接器，其特征在于，还包括a)一具有第二匹配表面(312)的第二连接器包套(300)，它被构造成与第一连接器包套相对对齐，第二匹配表面有一第一容纳腔(336)，其深度为p2，P1＜P2。
3.如权利要求1或2所述的光纤连接器，其特征在于，对齐杆有一球形顶端(222)。
4.如权利要求1至3中的任何一项所述的光纤连接器，其特征在于，0.5D1≤p1≤2D1。
5.如权利要求2至5中的任何一项所述的光纤连接器，其特征在于，a)第二连接器包套还包括至少一个第二伸出的对齐杆(320)，该对齐杆的直径为d1，从匹配表面伸出的长度距离为p1，p1≤2d1，b)第一连接器包套的第一匹配表面有一第二容纳腔(236)，其深度为p2，p1＜p2，以及c)第一容纳腔构造成被对齐，以容纳第一对齐杆，而第二容纳腔构造成被对齐，以容纳第二对齐杆。
6.如权利要求1至5中的任何一项所述的光纤连接器，其特征在于，连接器包括诸纵向槽(216)，以容纳至少一根光纤，并且，匹配表面位于连接器包套的纵向端部。
7.如权利要求1至6中的任何一项所述的光纤连接器，其特征在于，a)连接器包套限定一装置容纳腔(452)，b)连接器还包括一放置在该装置容纳腔内的光电元件(450)，以及c)一柔性线路(454)电连接于光电元件，柔性线路封装并保护容纳腔内的光电元件。
8.如权利要求7所述的光纤连接器，其特征在于，光电元件包括一柔性线路，该柔性线路包括至少一个与光电元件光对齐的传送光的窗口(456)。
全文摘要
一种光纤连接器,具有超过传统连接器的改进的对齐和制造特性。本发明的光纤连接器具有第一连接器包套和使第一连接器包套与一匹配的第二连接器包套对齐的对齐装置。光纤连接器包括一具有第一匹配表面的第一连接器包套。匹配表面具有至少一个容纳腔,至少一个伸出的对齐杆坐落在该腔中,并从匹配表面伸出。对齐杆的直径为D
文档编号G02B6/42GK1328652SQ99813778
公开日2001年12月26日 申请日期1999年4月30日 优先权日1998年11月30日
发明者N·A·李, S·A·伊格尔, G·D·亨森 申请人:3M创新有限公司