专利名称：多端口单通路光学系统和相关方法
技术领域：
本发明一般地涉及纤维光缆联接器，更为具体地说，涉及用于在一单独光纤上从事多路的方法和设备。
使用纤维光学系统以传送数据、声音、图像或其他信号，是广为人知的。纤维光学系统具有许多特性，使它们在某些应用场合下优于使用传统铜缆或类似物的系统。比如，纤维光学系统可以具有大很多的信息载送能力并不会受到电气干扰。此外，经过长距离光纤发送的信号比经过同样长度铜缆发送的信号需要的放大较少。
在一纤维光学系统中，一般，一发射装置把一电气信号转换为一光学信号，送入一光纤的一端。在光纤对置一端处的一接收装置接收光学信号并把它转换成一电气信号。在这样一种纤维光学系统中，通常为了联接目的，各光纤在一种并列配置中被熔合。一光纤的细长一段被熔合于另一光纤的细长一段，使得一些光学信号流动在熔合的各纤维之间。这样一种并列的熔合的界面，可以表征为一被动熔合联接器，允许为熔合的各光纤之间光学信号的良好传送，但不对传送的光学能量数量形成任何控制，这一点在某些应用场合可能是不利的。
通常还有，纤维光学系统包含各有源的联接器。一有源的联接器包括一光接收器，诸如一光检测器，它可以接收一光学信号，把此光学信号转换成为电子数据，以及把此电子数据供给另一可发射一光学信号的有源的联接器。虽然有源的各联接器可以在一条光纤上检测数据并在另一条光纤上传输数据，原有光学信号的某些方面可能在传送中丧失，诸如原有光学信号的能量水平或频率水平，这一点在某些应用场合中可能是不利的。
另外，光学信号往往是红外的，而且因而不是可见的。结果，查除故障、从事维修或以其他方式接触一条携带具有某种特征的红外信号的光纤的技术人员等，可能毫不知情地由于暴露于红外信号而被伤害。这一点是使用纤维光学系统的另一缺点。
本发明解决了以上各种问题和其他一些问题，方式是提供用于提供沿着一条单独的光纤传输多个信号-可以表征为作多路处理-的方法和设备。更为具体地说，按照本发明的一个方面，一第一光学信号在一第一方向上沿着一光纤传输，而一第二光学信号，诸如由于具有一不同的波长而不同于第一光学信号，在此第一方向上沿着同一光纤同时传输，这样一段光纤同时包含第一和第二信号二者。第一光学信号可以是红外的，而第二光学信号可以是可见的，使得提供一可见指示，指出光能正在通过光纤传播。此外，其他一些不同的光学信号可以在第一方向上或与第一方向相反的一第二方向上沿着光纤同时传输。
按照本发明的另一方面，多路是通过一光学系统提供的，此系统包含一收发光学装置，一接收光学装置和许多发射光学装置。每一这些光学装置都是一种梯度指数透镜或类似物。收发光学装置具有对置的第一和第二端部，并可以运作以准直通过它传播的和经由其第一端部发射的光学信号。收发光学装置另外可以运作以聚焦通过它传播的和经由其第二端部发射的光学信号。接收光学装置的第一端部在光学上连接于收发光学装置的第一端部，使得收发光学装置可以运作以便把准直光学信号送向接收光学装置，每一发射光学装置还具有对置的第一和第二端部并可以运作以准直通过它传播和经由其第一端部发射的光学信号。每一发射光学装置的第一端部在光学上连接于收发装置的第一端部，使得收发光学装置可以运作以便从每一发射光学装置接收准直光学信号。每一发射光学装置的第一端部最好是基本上小于接收光学装置的第一端部，使得从收发装置被传送到接收光学装置的光能基本上多于从收发光学装置被传送到任何或所有发射光学装置的光能。因而，保持了对于被传送的光能数量的控制，使得在从收发光学装置传输一或多个光学信号到接收光学装置的过程中经受较少的损失。
按照本发明的另一方面，光学转换器配有在运作上相关的发射光学装置和接收光学装置。转换器之一从接收光学装置接收光学信号，作为回应，至少其他各转换器之一提供光学信号给至少各发射光学装置之一，使得系统作为一收发器来运作。另外，光纤在运作上相关每一光学装置以便在其间形成光学连接。
本发明为在一单独光纤上从事多路创造了条件，而光学信号之一可以是可见的，以提供一项指示，指出光纤是载有能量的。另外，在多种光学信号被送入光学系统的地方会使光能损失较低，有利于多路。
图1是符合本发明一项实施例的一种多端口单通路光学收发系统的示意透视图。
图2是图1收发系统各传播包络面的各准直端部的示意端视立面图。
本发明此后将参照附图比较完整地予以说明，图中画出本发明的一项优选实施例。不过，本发明可以许多不同的方式予以实施而不应当认为局限于在此所述的各项实施例，而是，提供这些实施例可使此披露彻底而又完整，并充分地把本发明的范畴传达给本技术领域中的熟练人员。遍及本文中，同样的编号指的是同样的零件。
参见图1，将说明符合本发明一项实施例的一种多端口单通路光学收发系统10。收发系统10包括一透镜总成12，具有多个光学装置14、16a、16b和18，每一个都具有类似的工作特性并以具有一聚焦端和一准直端为特征。从一点源或类似光源适当地送入光学装置14、16a、16b或18之中具典型性的一个中的各光学信号是经过准直的，而适当地送入此具典型性的光学装置的准直端部的各准直光学信号是经过聚焦的，这一点在以下将较为详细地予以说明。在这一披露的全过程中，各光学信号或能量应当理解为包含用在光学通讯和/或功率传输之中的那种类型的各光学信号，诸如，但不局限于，电磁谱可见和红外部分之中的各种信号。
透镜总成12的光学装置14、16a、16b和18之中的每一种可以由一系列单独的标准透镜或类似透镜形成。不过，按照示于图1之中的本发明的实施例，光学装置14、16a、16b和18大体上是圆柱梯度指数(GRIN)透镜。GRIN透镜是常用的并为本技术领域中的熟练人员所知。每一GRIN透镜14、16a、16b和18最好是能够发挥作用使得一适当地进入其准直端部的准直光学信号在离开准直端部为四分之一光学信号波长的一点处被聚焦。同样，每一GRIN透镜14、16a、16b和18最好是能够发挥作用使得一从一点源或类似光源适当地进入其聚焦端部的光学信号在离开聚焦端部为四分之一光学信号波长的一点处被准直。
透镜总成12的特征可以是包含一接收GRIN透镜14和许多发射GRIN透镜16a和16b，每一个都具有一在光学上连接于一收发GRIN透镜18的准直端部的准直端部。尽管只有两个发射GRIN透镜16a和16b包含在本发明的图示实施例中，而本发明的其他一些实施例可包含较大数量的发射GRIN透镜。按照本发明的图示实施例，透镜14、16a、16b和18之间的光学连接是通过诸如用常用的各种光学粘接剂或类似制剂把它们的准直端部彼此固定起来而形成的。
按照图示的实施例，分别的沿轴向伸展的空腔或缺口20a和20b形成在接收GRIN透镜14之中，用于分别装放发射GRIN透镜16a和16b。画在图1中的缺口20a和20b的尺寸夸大了，以便使图像清晰。尽管缺口20a和20b在图1中画作是邻接的，而按照本发明的另一实施例，各缺口，因而以及各发射GRIN透镜16a和16b彼此离开得比图示的要远。下面将要较为详细地说明，发射GRIN透镜16a和16b在光学上连系于收发GRIN透镜18。即使发射GRIN透镜16a和16b画在制成在接收GRIN透镜14侧面上的缺口20a和20b之内，但用于在各发射GRIN透镜与收发GRIN透镜18之间形成光学连系的其他一些配置也处在本发明的范畴之中。
按照本发明的图示实施例，收发系统10还包括各光纤和各光能转换器，与透镜总成12配合工作。比如，按照本发明的图示实施例，各输入光学信号22，由一光纤24发送，到达收发GRIN透镜18的聚焦端部26。输入光学信号22一般在收发GRIN透镜18的中心轴线处并垂直于聚焦端部26而进入收发GRIN透镜18的聚焦端部。亦即，由光纤24发送的光学信号22被传给收发GRIN透镜18聚焦端部26的聚焦中心，一如以虚线所示大体上圆锥形的传播包络面28。收发GRIN透镜18最好是一四分之一波长GRIN透镜，以便在其聚焦端部26处接收光能的一点源或类似光源，并在其准直端部30处传播一准直光束，一如由传播包络面28所示。
一四分之一波长界面36存在于收发GRIN透镜18的准直端部30与分别属于发射GRIN透镜16a和16b的相邻准直端部38a和38b之间。还有一四分之一波长界面36存在于收发GRIN透镜18的准直端部30与接收GRIN透镜14的准直端部40之间。四分之一波长界面的概念是为本技术领域中的熟练人员所知的。
收发GRIN透镜18的准直端部30通过四分之一波长界面36把准直光能传送给接收GRIN透镜14的准直端部40，并传送给分别属于发射GRIN透镜16a和16b的准直端部38a和38b。下面将要较为详细地说明，发射GRIN透镜16a和16b的准直端部38a和38b与收发GRIN透镜18的准直端部30相比是比较小的。因此，发射GRIN透镜16a和16b只接收从收发GRIN透镜18的准直端部30发射的光学信号一个很小的百分数。比如，每一发射GRIN透镜16a和16b最好是接收不超过大约百分之四到百分之八，或者更为具体地说，不超过大约百分之五的从收发GRIN透镜18的准直端部30发射的光能。
进入接收GRIN透镜14准直端部40的准直光能如虚线所示由大体上圆锥形传播包络面42予以聚焦。收发GRIN透镜18和接收GRIN透镜14最好是同轴线的，使得传播包络面28和42的两准直端部大体上彼此相对对中。一聚焦的或稍为聚焦的光学信号44从接收GRIN透镜14的聚焦端部46出来并入射在，并最好是聚焦在，一检测器件48上。检测器件48可以是一光能接收器，诸如一相对于所接收的光能可改变阻抗的检测器。这样一种光学检测器件48可把光学信号44转换成为电信息，而这种电信息可以具有许多不同的用途。另外，一光纤(未画出)或可以接收和允许光能传播通过的其他类型的装置可把检测器件48连接于接收GRIN透镜14的聚焦端部46。
许多信号，可以回应于光学信号44，分别由许多转换器50生成。虽然只有两个转换器50a和50b包含在本发明的图示实施例之中，但本发明的其他一些实施例包含较大数量的转换器和相关的各光纤54a和54b，以及发射GRIN透镜16a和16b。分别由转换器50a和50b生成的光学信号52a和52b是由相应的光纤54a和54b发送的，使得进入发射GRIN透镜16a和16b的相应的聚焦端部56a和56b。对于每一发射GRIN透镜16a和16b，光学信号52a和52b在相应的发射GRIN透镜的中心轴线处并垂直于相应的聚焦端部38a或38b进入。光学信号52a和52b准直在相应的发射GRIN透镜16a和16b之内，一如以虚线所示为大体上圆锥形的传播包络面58a和58b。
图2中看得最清楚，传播包络面58a和58b的全部准直端部都在传播包络面28的准直端部之内，而传播包络面58a和58b的各准直端部周边最好是触及传播包络面28的周边。其次，传播包络面42准直端面的全部最好是在传播包络面28的准直端面之内，或不伸出其外。按照本发明的一项实施例，传播包络面58a的准直端部限定一大致0.785mm2的区域，传播包络面58b的准直端部限定一大致0.785mm2的区域，传播包络面28的准直端部28限定一大致19.625mm2的区域，以及传播包络面42的准直端部限定一大致18.082mm2的区域。前述各尺寸基于各自是1mmGRIN透镜的发射GRIN透镜16a和16b(图1)，以及各自是5mmGRIN透镜的接收GRIN透镜14(图1)和收发GRIN透镜18(图1)。一般最好是，接收GRIN透镜14传播包络面42的准直端部区域予以最大化，使得尽量减少与光学信号44相关的各项插入损失(图1)。
图1中最清楚地看出，准直光学信号32a和32b分别在发射GRIN透镜16a和16b的准直端部38a和38b处从中出来。这些准直光学信号32a和32b行经四分之一波长界面36并垂直地进入收发GRIN透镜18的准直端部30。光学信号32a和32b沿着一条由传播包络面28表示的路径行经收发GRIN透镜18在收发GRIN透镜的聚焦端部26处出来而进入光纤24，用于作为光学信号34而沿着它传播。光学信号34包含两种光学信号32a和32b。收发系统10可保证双向能量发射，比如，参照光纤24可以看出这一点。光学信号32和34在相反方向上传播通过光纤24。
按照本发明的一项实施例，回应或反应于接到由收发系统10经由光纤24接收的各光学信号22，产生了同时包括光学信号32a和32b的光学信号34。最好是，但并非必需，光学信号32a具有一不同于光学信号32b的频率和/或波长，使得这些信号可以多路成为一复合光学信号34，可以在下游被分离或解编开来。其次，每一光学信号32a和32b可以实施数据、声音、图像和其他信号的传输，而最好是，由信号32a包含的信息不同于由信号32b包含的信息。另外，在某些应用场合下，可能希望光学信号32a和32b包含虽然仍是多路的、但相同的信息。
按照本发明的另一实施例，只有光学信号32a和32b之一实施语言、数据、图像或其他信息等的传输，而光学信号32a和32b之另一包含一种“安全光线”或类似光线。比如，光学信号32a可以是红外的，而光学信号32b可以是可见的。这样一种可见信号32b当技术人员等在查除故障或以另外方式接触一光纤时会是很便利的。通过提供一种很容易见到的、关于一光缆已含有能量的标示，可见信号32b可以减少伤害，诸如由非可见信号32a造成的眼睛损伤。可见的光学信号32b也可以实施数据、声音、图像或其他信息的传输。
在本发明的一另外实施例中，在没有光纤54a和54b的情况下获得了上述结果。按照此另外的实施例，转换器50a和50b可以直接以光学方式连接于发射GRIN透镜16a和16b的相应聚焦端部56a和56b。
一如上所提及，发射GRIN透镜16a和16b的准直端部38a和38b与收发GRIN透镜18的准直端部30相比是比较小的。其次，接收GRIN透镜14的准直端部40大致上或几乎与收发GRIN透镜18的准直端部30的尺寸一样，使得从准直端部30出来的光能的一个很大的百分数入射在准直端部40上并如图所示由传播包络面42聚焦在检测器件48上。因此，发射GRIN透镜16a和16b并不过多干扰从收发GRIN透镜18准直端部30传输到接收GRIN透镜14准直端部40的光能，使得沿着终结于检测器件48处的收发系统10通讯路径具有较低损失。
从收发GRIN透镜18的准直端部30出来的和由发射GRIN透镜16a和16b的准直端部38a和38b接收的光能不作用在光能生成装置50a和50b上，而且不与之相干扰，这些装置分别向发射GRIN透镜16a和16b提供光学信号52a和52b。此外，从发射GRIN透镜16a和16b的准直端部38a和38b出来的全部光能都进入收发GRIN透镜18的准直端部30，用于作为光学信号34被传输到光纤24上。
按照本发明，多路是通过利用一被动光学装置而达到的，此装置的运作使得因向此光学装置送入光学信号而造成的能量损失较低。其次，各多路信号之一可以是可见的，使得提供一种可见的指示，指出携带各多路信号的光纤是具有能量的。
在本发明涉及的技术领域中的熟练人员，在得到前述说明和相关图纸中所提供的教益的同时，将会想出本发明的许多改进和其他实施例。因此，应当理解，本发明不该局限于所披露的各特定实施例，而各种改进和其他实施例指望被包括在所附各项权利要求之内。虽然在此采用了一些特定用语，但它们只用在一种一般和叙述意义上而并不用于限制目的。
权利要求
1．一种光学系统，包括一收发光学装置，具有对置的第一和第二端部，并可以运作以准直通过它传播的并经由第一端部发射的各光学信号和聚焦通过它传播的并经由第二端部发射的各光学信号；一接收光学装置，具有对置的第一和第二端部，并可以运作以聚焦通过它传播的并经由其第二端部发射的各光学信号，其中接收光学装置的第一端部在光学上连接于收发光学装置的第一端部，使得收发光学装置可以运作以便把准直光能传送给接收光学装置；以及许多发射光学装置，各自具有对置的第一和第二端部可以运作以准直通过它传播的并经由其第一端部发射的各光学信号，其中每一发射光学装置的第一端部在光学上连接于收发光学装置的第一端部，使得收发光学装置可以运作以便从每一发射光学装置接收准直光能，而且其中至少一个发射光学装置的第一端部基本上小于接收光学装置的第一端部，以使从收发光学装置传送给接收光学装置的能量基本上多于从收发光学装置传送给至少一个发射光学装置的能量。
2．按照权利要求1所述的一种光学系统，还包括一第三光学装置，可以运作而用于把一第一光学信号送入至少一个发射光学装置的第二端部，使得第一光学信号被准直并被传输给收发光学装置；以及一第四光学装置，可以运作而用于把一第二光学信号送入至少另一个发射光学装置的第二端部，使得第二光学信号被准直并被传输给收发光学装置，其中第一和第二信号是不同的，而光学系统可以运作，使得第一和第二信号同时通过第一光学装置传播。
3．按照权利要求1所述的一种光学系统，其中第三光学装置可以运作，使得第一光学信号是红外的；以及第四光学装置可以运作，使得第二光学信号是可见的。
4．按照权利要求1所述的一种光学系统，其中收发光学装置包括一第一梯度指数透镜，接收光学装置包括一第二梯度指数透镜，以及发射光学透镜包括许多梯度指数透镜。
5．一种光学系统，包括一第一光学装置，具有对置的第一和第二端部，并可以运作以准直通过它传播的并经由第一端部发射的各光学信号和聚焦通过它传播的并经由第二端部发射的各光学信号；一第二光学装置，具有对置的第一和第二端部，并可以运作以聚焦通过它传播的并经由其第二端部发射的各光学信号，其中第二光学装置的第一端部在光学上连接于第一光学装置的第一端部，使得第一光学装置可以运作以便把准直光学信号传送给第二光学装置；以及许多光学装置，各自具有对置的第一和第二端部可以运作以准直通过它传播的并经由其第一端部发射的各光学信号，其中每一光学装置的第一端部在光学上连接于第一光学装置的第一端部，使得第一光学装置可以运作以便从每一光学装置接收准直光能，而且其中至少一个光学装置的第一端部小于第二光学装置的第一端部，以使每一光学装置接收不超过经由第一光学装置第二端部发射的光能的大约百分之八。
6．按照权利要求5所述的一种光学系统，还包括一光能检测器件，起到一转换器的作用，可以运作以便从第二光学装置的第二端部接收光学信号。
7．按照权利要求5所述的一种光学系统，其中第一光学装置包括一第一梯度指数透镜，第二光学装置包括一第二梯度指数透镜，以及许多光学装置包括许多梯度指数透镜。
8．按照权利要求7所述的一种光学系统，其中第一梯度指数透镜形成至少一个空腔和许多梯度指数透镜中的至少一个梯度指数透镜至少部分地处在空腔之内。
9．按照权利要求5所述的一种光学系统，还包括一第三光学装置，可以运作而用于把一第一光学信号送入多个光学装置中至少一个的第二端部；以及一第四光学装置，可以运作而用于把一第二光学信号送入多个光学装置至少另一个的第二端部，其中第一和第二信号是不同的，而光学系统可以运作，使得第一和第二信号同时通过第一光学装置传播。
10．按照权利要求9所述的一种光学系统，还包括一光纤，在光学上连接于第一光学装置的第二端部，其中第一光学装置可以运作以把光能传送给光纤，从而第一和第二信号同时通过光纤传播。
11．按照权利要求9所述的一种光学系统，其中第三光学装置可以运作，使得第一光学信号是红外的；以及第四光学装置可以运作，使得第二光学信号是可见的。
12．一种沿着一光纤传输光学信号的方法，包括的步骤是在一第一方向上通过光纤传输一红外信号；在此第一方向上通过光纤传输一可见信号，使得一段光纤同时包含红外信号和可见信号二者；以及在一与第一方向相反的第二方向上沿着光纤传输至少一第三光学信号，以致此段光纤同时包含每一红外、可见和第三信号。
全文摘要
在一光纤中,不同的第一和第二光学信号在第一方向上通过光纤传输。第一光学信号可以是红外的,而第二光学信号可以是可见的,使得提供一可见的指示,指出光能正在通过光纤传播。光纤连接于一光学系统,它包含一收发GRIN透镜,一接收GRIN透镜和许多小于接收GRIN透镜的发射GRIN透镜。
文档编号G02B6/32GK1287281SQ00118800
公开日2001年3月14日 申请日期2000年6月27日 优先权日1999年6月29日
发明者小詹姆斯·L·佩克 申请人:波音公司