专利名称：用于通过包含精确约束原理使制造缺陷和配合不对准最小化的光学连接器插芯的制作方法
相关申请的交叉参考本申请要求2001年8月31日提交的题目为“用来通过包含运动学概念适应制造误差范围和缺陷的插芯”的美国临时申请60/16,593的优先权。
背景技术：
本发明涉及光学连接器插芯。更特别地，本发明涉及通过精确约束原理设计用于支撑和对准精密光纤的光学连接器插芯以使制造缺陷和配合不对准最小化。
随着社会对带宽需求的增加，基于铜线的有线通信系统由于数据传送能力的局限性逐渐难以满足要求。于是，具有传输代表数据信号的光的光纤传输路径的高速系统得以发展以满足带宽的需求。在一根光纤里数据可以以非常高的速率(例如每秒10G bit)传输。
为了使光纤能提供如此高的数据传输速率，它必需制造为具有精确的容差并且由专门材料制成。通常，光纤是用超纯硅制成，其中有控制地加入搀杂剂(如氧化镉GeO2)。光纤具有一个内部硅层，称为“纤芯”，纤芯外面覆盖有包含不同掺杂剂混合物的第二层硅，称为“覆盖层”。
由于光纤纤芯和覆盖层之间的折光率差，传输通过光纤纤芯的光通过全内反射引导。在纤芯和覆盖层里适当混合搀杂剂产生这种折光率差。只有一种传输模式的光纤称为“单模式”光纤，允许多种传输模式的光纤称为“多模式”光纤。单模式光纤传输数据距离更远，因为它比多模式光纤有较小的距离散射。多模式光纤的纤芯直径较大，使得在光学连接器中对准光纤容易些。
为了以低信号失真将一个光纤连接于另一个光纤，正确对准纤芯是必要的，以便允许光从一个纤芯引导到下一个。为此，使用光学连接器或机械接头。通常，光学连接器包括一个插芯用于将光纤固定在精确的位置上。对于将被连接的两个插芯，通常使用对准销在每个插芯里引导和精确定位光纤。在大部分应用中，其中一个插芯定义为阳件另一个定义成阴件。这意味着其中一个插芯有精确定位销，另一个仅仅有精确销孔。这种传统的方法对决定光纤之间的相对位置不是过度约束就是缺乏约束。
在结合时对准部件(销在孔中)相互干涉产生过度约束。啮合后，对准部件之间的界面处的弹性或塑性变形的平均效果决定了插芯的相对位置和方向。为了得到高度可重复性的对准，对准部件必须制造为具有严格的尺寸和几何容差，这通常显著增加了生产成本。尽管增加了成本和精力，过度约束系统仍然会由于缺陷和配合不对准引起信号失真。
缺乏约束的状态是销/孔接合存在间隙的状态。在这种情形下，两个插芯在间隙横截面内随机对准。如果有任何的偏移力，就会影响插芯的位置。因此，缺乏约束的系统通常会在光纤之间的接口处产生信号失真。需要注意的是过度约束系统通常会磨损成为缺乏约束系统。
由于所使用的光纤的尺寸，典型地多模式光纤直径是125微米(10-6米)，纤芯直径是50微米，单模式光纤直径是125微米，纤芯直径是8.6-9.5微米，因此保持插芯精确的容差十分关键。任何细小的制造缺陷或配合不对准都将导致光纤接口处显著的信号失真。
已经提出了许多不同的插芯设计。例如，日本电报电话公司(Nippon Telegraph and Telephone Corporation)开发的MT(“机械传输”)插芯，利用精密模制直线形玻璃填充的塑料壳来支撑带缆里的光纤阵列。美国电话电报公司(AT&T)开发的MAC(“多芯阵列连接器”)连接器，利用照相平版印刷技术在硅片上精密蚀刻出中心相距250微米的V型槽，用来容纳带缆里的光纤阵列。在题目为“具有在上下表面包括相对开口的树脂模制部分的光学连接器”的美国专利5,416,868、题目为“光学连接器的对准适配器及其制造方法”的美国专利6,168,317、以及题目为“多终端光学互连系统”的美国专利6,328,479中公开了各种插芯设计，以上所有专利作为参考包含于本文。但是，这些已有的插芯设计，要么是过度约束要么是缺乏约束，存在上述的缺点。
本发明的发明人设计了一种插芯，较好地适应了缺陷和配合不对准，从而使得光纤接口处的信号失真最小。这里所述和所要求保护的插芯设计是他们的努力结果。
发明内容
本发明总的目的是提供一种插芯设计，能适应缺陷和不对准以提供精确和可重复的光学耦合，从而使光纤接口处信号失真减至最小。
本发明的这一和其他目的通过一种插芯组件实现，在一个优选实施例中，该插芯组件包括第一插芯、第二插芯、以及至少两个对准部件用于在配合时对准第一和第二插芯。第一插芯、第二插芯和对准部件在第一和第二插芯的配合接口处相互作用以提供三个约束线。在一个实施例中，第一插芯具有一个主体，该主体具有至少一个槽用来容纳至少一根光纤。第一插芯主体包括用于保持第一对准部件的第一表面部分和用于保持第二对准部件的第二表面部分，第一和第二表面部分是V型的。第二插芯具有一个主体，该主体具有至少一个槽用于容纳至少一根光纤。第二插芯主体包括用于保持第一对准部件的第一表面部分和用于保持第二对准部件的第二表面部分，第一表面部分是V型的，第二表面部分是平的。
图1是本发明插芯组件的一个优选实施例的透视图；图2A是图1插芯子组件之一的分解图；图2B是图2A中的插芯子组件沿着线2B-2B的端视图(没有分解)；图3A是插芯子组件的局部端视图，显示V型表面部分；图3B和图3A一样，其中V型表面部分是一个“尖端拱门”式V型；图4A是图1插芯子组件中另外一个的分解图；图4B是图4A中插芯子组件沿着线4B-4B的端视图(没有分解)；图4C是图4A中插芯子组件(没有分解)配合后沿着线4C-4C的横截面图；图5显示另一个独立插芯子组件的横截面图；图6显示可以配合于图5的独立插芯子组件的另一个附属插芯子组件的横截面图；图6A是图6附属插芯子组件中光纤配合接口处的约束线的示意图；图7显示另一个独立插芯子组件实施例的横截面图；图8显示可以配合于图7的独立插芯子组件的另一个附属插芯子组件的横截面图；图8A是图8附属插芯子组件中光纤配合接口处约束线的示意图；图9显示另一个独立插芯子组件实施例的横截面图；图10显示可以配合于图9的独立插芯子组件的另一个附属插芯子组件的横截面图；图10A是图10附属插芯子组件中光纤配合接口处的约束线的示意图；
图11表示插芯组件的另一种结构，其中对准销只位于其中一个插芯子组件上；图12显示三种不同的插芯组件配置来说明一点不足是怎样影响插芯组件的性能的；图13表示用于将对准销保持在插芯的槽中的另一个实施例；图14表示用于将对准销保持在插芯槽中的另一个实施例；图15显示用于结构类似于图2A，2B的插芯子组件的另一个保持装置；图16表示在先技术的MT插芯的横截面图；以及图17表示公开在美国专利5,416,868中的在先技术插芯的横截面图。
具体实施例方式
图1是本发明插芯组件的一个优选实施例的透视图。该插芯组件10包括容纳光纤的带缆22的第一插芯子组件20和容纳光纤的带缆52的第二插芯子组件50。该插芯组件10将第一和第二插芯子组件20和50的光纤42、72的光纤端面21，51对准。图2A和图4A显示光纤42、72，图4A显示光纤端面51。
将在下面非常详细介绍的本发明的插芯组件优选地利用和包含了精确约束，提出当约束两个主体的相对位置和方向时，刚性约束的数目应等于受限自由度的数量。术语“精确约束”意味着两个主体既不是受到具有太多约束的过度约束也不是受到具有很少约束的缺乏约束。在题目为“精确约束利用动力学原理的机械设计”，ASME出版社，纽约，1999的这本书中详细讨论了这些原理。关于精确约束原理的一个详细例子是动力学连接器，它利用由两个主体之间的六个接触点产生的六个刚性约束来限制所有六个自由度。动力学连接器的详细论述可以在Alexander H.Slocum的题目为“精密机械设计”，英格伍德，新泽西州，1992的这本书中找到，该书作为参考包含于本文。
2000年11月9日提交的题目为“形成光纤连接的方法和设备”的美国申请09/711,333公开了动力学连接器的概念，该申请作为参考包含于本文。在该申请(转让于本申请的同一受让人)中公开的光纤连接器设计的一个局限是需要配合的光纤紧密接触。这意味对于传统光纤，两个光纤端面的空隙很小(例如不超过50毫微米)，或者必须使用一种匹配胶。但是，如果光纤端面在物理上实际接触，动力学概念将不再适用。因此在光纤端面之间必须保持非常小的空隙以允许动力学原理按照需要起作用，但是这种设计从生产的角度来说非常困难。
众所周知，精确约束概念通常与这种现象有关，即不管使用哪种坐标系(例如笛卡儿坐标系，球形坐标系，圆柱坐标系)，自然主体(如光纤连接器)相互之间有六个自由度(“DOF”)。例如，在笛卡儿坐标系中，这六个DOF是沿着每个X，Y，Z轴的线性运动和绕着每个X，Y，Z轴的旋转运动。在本发明中，影响信号失真度的三个关键性的自由度是在光纤阵列配合的平面内的平动和转动。因此本发明建立了三个约束来对准插芯，从而限制并因而精确约束三个自由度。
参见图1，第一插芯子组件20总体上显示为包括第一对准销23，第一对准销23由第二插芯子组件50在对准表面61处容纳。偏压部件62将第一对准销23偏压顶靠于对准表面61。第二插芯子组件50总体上显示为具有第二对准销53，第二对准销53由第一插芯子组件20在对准表面24处容纳。偏压部件25将第二对准销53偏压顶靠于对准表面24。
参考图2A，第一插芯子组件20显示为分解状态，总体上显示为包括底部26和顶部27。尽管第一插芯子组件20的优选实施例显示为由几个分开的部分组成，但是对于本领域技术人员来说显然第一插芯子组件20也可以做成单片部件或多片部件。底部26在面向顶部27的侧面29上有许多V型槽28。这些槽28用于容纳光纤42。如图1显示，光纤42被保护在带缆22里。
优选地，顶部27用相对柔韧些的材料制作，例如塑料，而底部26由刚性材料制成，例如金属。但是，如果顶部27也用刚性材料制成，那么它应该做得非常平整。结合于刚性的底部的相对柔韧的顶部通过允许刚性的部分调节光纤的位置有助于在它们之间保持光纤42。
底部26的面向顶部27的侧面29具有用于保持第一对准销23的表面部分31。弹簧部件41的偏压件32，33偏压第一对准销23紧靠于表面部分31。弹簧部件41优选地是弹簧夹。底部26的侧面29也具有用于保持第二对准销53的表面部分24。偏压部件25偏压第二对准销53紧靠于表面部分24。关于对准销的保持的进一步描述将参考图2B给出，图2B是沿着图2A中线2B-2B的第一插芯子组件20的端视图。
图2B显示第一对准销23已经被偏压部件32，33预先压进基本为V型的表面部分31里。第一对准销23在表面部分31的点38，39处接触。应该明白的是只有从图2B看时才是接触点38，39，而实际上它们是沿着表面部分31的接触线。图中示意性示出偏压部件32，33是螺旋弹簧，大致沿着V型表面部分31的中心线提供一个纯的偏移力。第一对准销23的如箭头40所示的X-Y运动被完全约束于第一插芯子组件20。
一旦第一对准销23被约束于插芯，它就和插芯子组件20成为一个整体。图2B所示来自第二插芯子组件50的第二对准销53仅作为图示用。被完全约束或集成于第二插芯子组件50的第二对准销53和第一插芯子组件20之间的关系决定于底部26的基本为V型的表面部分24。第二偏压部件25偏压第二对准销53使其在接触点35，36处紧靠于基本为V型的表面部分24以完全约束销53的如箭头37所示的X-Y运动。可以理解，只有从图2B看时才是接触点35，36，而实际上它们是沿着表面部分24的接触线。因为组装时，插芯子组件20的对准销23和插芯子组件50的对准销53被完全约束于插芯子组件20，因此第一插芯子组件20在此作为独立插芯子组件。
参考图4A，第二插芯子组件50显示为分解状态，总体上显示为包括底部56和顶部57。尽管第二插芯子组件50的优选实施例显示为它是由几个分开的部分组成，但是显然对于本领域技术人员来说可以将第二插芯子组件50做成单片或多片。底部56的面向顶部57的侧面59具有许多V型槽58。这些槽58用于容纳光纤72。如图1所示，光纤72被保护在带缆52里。
优选地，顶部57用相对柔韧些的材料制作，例如塑料，而底部56由刚性材料制成，例如金属。但是，如果顶部57也用刚性的材料制作，那么它应该做得非常平整。结合于刚性的底部的相对柔韧的顶部通过刚性部分调节光纤的位置而有助于在它们之间保持光纤72。
底部56的面向顶部57的侧面59具有用于保持第二对准销53的表面部分54。弹簧部件60的偏压部件55偏压第二对准销53紧靠于表面部分54。弹簧部件60优选地是弹簧夹。底部56的侧面59也具有用于保持第一插芯子组件20的第一对准销23的表面部分61。偏压部件62偏压第一对准销23紧靠于表面部分61。关于对准销的保持的进一步描述将参考图4B给出，图4B是沿着图4A中线4B-4B的第二插芯子组件50的端视图。
图4B显示第二对准销53已经被偏压部件55预先压进基本为V型的表面部分54里。第二对准销53在表面部分54的点65，66处接触。应该明白的是只有从图4B看时才是接触点65，66，而实际上它们是沿着表面部分54的接触线。图中示意性示出偏压部件55是螺旋弹簧，大致沿着V型表面部分54的中心线提供一个纯的偏移力。第二对准销53的如箭头67所示的X-Y运动被完全约束于第二插芯子组件50。
在图1所示的优选实施例中，每个对准销利用V型表面部分和偏压部件固定于每个插芯子组件，如参考图3A的进一步描述。V型表面部分81里的对准销82在总体上垂直于V型表面部分81的中心线的偏压力83的作用下在两个线性自由度(X和Y)内提供精确的约束。对准销82和主体84的表面部分81在接触点85，86处接触。相似的，图3B表示V型表面部分91里的对准销92，其中表面被弯曲。如箭头97所示，表面部分91里的对准销92在总体上垂直于表面部分91的中心线的偏压力93的作用下在两个线性自由度(X和Y)内提供精确的约束。对准销92和主体94的表面部分91在接触点95，96处接触。在该实施例中(相对于图3A)，通过弯曲的表面使得销92和主体94之间的接触点95，96处的应力降低刚度增加。
如这里所定义的，“V型”或“基本为V型”的表面提供两个表面，其中对准部件在由偏压部件偏压时沿这两个表面中的每一个上的接触线接触表面部分。需要指出的是，在“V型”表面部分的定义下，包括具有两个以上表面但是其中仅有两个表面沿接触线接触对准部件的表面部分。
一旦第二对准销53被约束于底部56，它就和插芯子组件50成为一个整体。图4B所示第一插芯子组件20的第一对准销23仅为图示用。被约束于或集成于第一插芯子组件20的第一对准销23和第二插芯子组件50之间的关系决定于平面部分61。偏压部件62偏压第一对准销23使其紧靠于平面部分61，从而销23在点69处接触平面部分61。应该明白的是只有从图4B看时才是接触点，而实际上它们是沿着平面部分61的一条接触线。第一对准销23仅仅被限制在Y轴方向的线性自由度，如箭头70所示。第二插芯子组件50在此作为附属插芯子组件，并且如图4C所示，在配合时独立插芯子组件和附属插芯子组件之间的关系是一个精密的约束系统。
如这里所定义的，“平的”或“基本为平的”表面部分仅提供一个在对准部件由偏压部件偏压紧靠于表面部分时与一个对准部件沿一条接触线接触的表面。。需要指出的是在“平的”表面部分的定义下，包括具有多于一个表面但是其中仅有一个表面沿接触线接触对准部件的表面部分。
图4C是附属插芯子组件50和独立插芯子组件20配合后沿图4A中线4C-4C的横截面图。对准销23，53在附属插芯子组件50的表面部分61、54上的三个点65，66，69处接触。按照物理作用力与反作用力原理，每个接触点提供一个垂直于接触面的约束力。这样，接触点65具有约束线73，接触点66具有约束线74，接触点69具有约束线75。在光纤到光线接口所在的平面里，必须限制三个自由度来防止插芯子组件20和插芯子组件50之间的相对运动。精确约束的原理要求约束比需要的自由度既不多一个也不少一个。由交叉于三个不同点76，77，78的约束线73，74，75所表示的三个约束的系统用来精确约束插芯子组件20和50之间的平面内的三个自由度。在插芯子组件之间的平面里超过三个约束线的情形称为过约束系统，少于三个约束线的情形称为约束不足系统。尽管约束线交叉点通常必须为三个，但是本发明的发明者确定至少有一种情形约束线交叉点的数目为两个。这种情形将在下面详细讨论。
图5显示用于对准光纤端面81的另一个独立插芯子组件80的横截面图，该插芯子组件80将对准销113完全约束在插芯主体86的V型表面部分84里。如箭头97所示，完全约束通过利用偏压部件85偏压对准销113紧靠于表面部分84以提供接触点95，96而实现。如以上参照图2B和4B所述，尽管在图5中偏压部件85是个螺旋弹簧，但是偏压部件可以采用任何结构以提供必要的偏压。
配合插芯子组件110的对准销83完全约束在插芯主体86的V型表面部分91里，其中该插芯子组件110表示在图6中。如箭头100所示，完全约束通过利用偏压部件92偏压对准销83紧靠于表面部分91以提供接触点98，99实现。尽管在图中偏压部件92是个螺旋弹簧，但是偏压部件可以采用任何结构以提供必要的偏压。发明者相信该实施例是独特的，因为从V型表面部分84，91延伸出来的线102，103，104，105的交叉点106位于多根光纤81的中间，并且代表插芯子组件80热膨胀的中心。这种热膨胀中心的配置使得由于温度变化产生的错位最小。
图6显示用于将光纤端面111对准独立插芯子组件80的光纤端面81的另一个附属插芯子组件110的横截面图。附属插芯子组件110将对准销83完全约束在插芯主体116的V型表面部分121里。如箭头130所示，完全约束通过利用偏压部件122偏压对准销83紧靠于表面部分121以提供接触点128，129而实现。尽管在图6中偏压部件122是个螺旋弹簧，但是偏压部件可以采用任何结构以提供必要的偏压。配合插芯子组件80的对准销113完全约束于平面部分114，如箭头127所示。这种约束通过利用偏压部件115偏压对准销113紧靠于平面部分114以提供接触点125而实现。尽管在图6中偏压部件115是个螺旋弹簧，但是偏压部件可以采用任何结构以提供必要的偏压。
当插芯子组件80，110配合时在光纤到光线接口处的约束线的模式对于附属插芯子组件110而言如图6A所示。对准销113，83和表面部分114，121之间的接触点125，128，129用于沿着交叉于点143，144的约束线140，141，142约束插芯子组件80，110。因此插芯子组件80，110的组件被精确约束在配合接口平面内。因为两个平行约束线140，142偏移一个由标号145表示的显著的距离(在该例中，几乎是插芯主体116的整个宽度)，因此它们代表唯一性约束(uniqueconstraint)。需要指出的是实际上，因为不可能在生产中实现真正的平行线，因而约束线140，142最终在方向146或者方向147上在空间相交。
图7显示用于对准光纤端面161的另一个独立插芯子组件160的横截面图，该插芯子组件160将对准销163完全约束在插芯主体166的V型表面部分171里。如箭头180所示，完全约束通过利用偏压部件172偏压对准销163紧靠于表面部分171以提供接触点178，179而实现。尽管在图7中偏压部件172是个螺旋弹簧，但是偏压部件可以采用任何结构以提供必要的偏压。
配合插芯子组件190的对准销193完全约束在插芯主体166的V型表面部分164里，其中该插芯子组件190表示在图8中。如箭头177所示，完全约束通过利用偏压部件165偏压对准销193紧靠于表面部分164以提供接触点175，176实现。尽管在图中偏压部件92是个螺旋弹簧，但是偏压部件可以采用任何结构以提供必要的偏压。
图8显示用于将光纤端面191对准独立插芯子组件160的光纤端面161的另一个附属插芯子组件190的横截面图。附属插芯子组件190将对准销193完全约束在插芯主体196的V型表面部分194里。如箭头207所示，完全约束通过利用偏压部件195偏压对准销193紧靠于表面部分194以提供接触点205，206而实现。尽管在图8中偏压部件195是个螺旋弹簧，但是偏压部件可以采用任何结构以提供必要的偏压。配合插芯子组件160的对准销163约束于平面部分201，如箭头210所示。这种约束通过利用偏压部件202偏压对准销163紧靠于平面部分201以提供接触点209而实现。尽管在图8中偏压部件202是个螺旋弹簧，但是偏压部件可以采用任何结构以提供必要的偏压。
当插芯子组件160，190配合时在光纤到光线接口处的约束线的模式对于附属插芯子组件190而言如图8A所示。对准销193，163和表面部分194，201之间的接触点205，206，209用于沿着交叉于点224，223的约束线220，221，222约束插芯子组件160，190。因此插芯子组件160，190的组件被精确约束在配合接口平面内。因为两个平行约束线220，222偏移一个由标号225表示的显著的距离(在该例中，几乎是插芯主体196的整个宽度)，因此它们代表唯一性约束。需要指出的是实际上，因为不可能在生产中实现真正的平行线，因而约束线220，222最终在方向226或者方向227上在空间相交。
图9显示用于对准光纤端面231的另一个独立插芯子组件230的横截面图，该插芯子组件230将对准销233完全约束在插芯主体236的V型表面部分241里。如箭头250所示，完全约束通过利用偏压部件242偏压对准销233紧靠于表面部分241以提供接触点248，249而实现。尽管在图9中偏压部件242是个螺旋弹簧，但是偏压部件可以采用任何结构以提供必要的偏压。
配合插芯子组件260的对准销263完全约束在插芯主体236的V型表面部分234里，其中该插芯子组件260表示在图10中。如箭头247所示，完全约束通过利用偏压部件235偏压对准销263紧靠于表面部分234以提供接触点245，246而实现。尽管在图中偏压部件235是个螺旋弹簧，但是偏压部件可以采用任何结构以提供必要的偏压。
图10显示用于将光纤端面261对准独立插芯子组件230的光纤端面231的另一个附属插芯子组件260的横截面图。附属插芯子组件260将对准销263完全约束在插芯主体266的V型表面部分264里。如箭头277所示，完全约束通过利用偏压部件265偏压对准销263紧靠于表面部分264以提供接触点275，276而实现。尽管在图10中偏压部件265是个螺旋弹簧，但是偏压部件可以采用任何结构以提供必要的偏压。配合插芯子组件230的对准销233约束于平面部分279，如箭头280所示。这种约束通过利用偏压部件272偏压对准销233紧靠于平面部分279以提供接触点271而实现。尽管在图10中偏压部件272是个螺旋弹簧，但是偏压部件可以采用任何结构以提供必要的偏压。
当插芯子组件230，260配合时在光纤到光线接口处的约束线的模式对于附属插芯子组件260而言如图10A所示。对准销263，233和表面部分264，279之间的接触点275，276，271用于沿着交叉于点294，293的约束线290，291，292约束插芯子组件230，260。因此插芯子组件230，260的组件被精确约束在配合接口平面内。因为两个平行约束线290，292偏移一个由标号295表示的显著的距离，因此它们代表唯一性约束。需要指出的是实际上，因为不可能在生产中实现真正的平行线，因而约束线290，292最终在方向296或者方向297上在空间相交。
以上所述的第一对准销在独立插芯子组件中以及第二对准销在附属插芯子组件中的配置仅仅是可能配置中的一种。图11表示另一种配置，其中两个对准销302，303都位于独立插芯子组件300中，而在附属插芯310中没有对准销。另一种配置(没显示)可以是任何一个插芯子组件都没有装配对准销，而是在插芯子组件配合的同时插入对准销。虽然每个插芯子组件的优选实施例是两个部件和一个可拆卸圆柱型的对准销的组件，但对于本领域技术人员而言显然也可以使用别的插芯子组件配置和对准销配置。
图12显示说明一个潜在的不足是怎样影响光学连接器插芯组件的性能的。在该图中，显示出在不同插芯设计中对于对准销直径差异的灵敏度。情形1说明第一插芯(例如独立插芯)具有沿垂直方向的的两个V型槽用于保持对准销以及第二配合插芯(如附属插芯)具有沿垂直方向的一个V型槽和在镜像方向的一个平面。在这种情形下，对准销直径的差异和插芯到插芯的错位有高度相关性。
情形2说明第一插芯(例如独立插芯)具有沿垂直方向的两个V型槽用于保持对准销以及第二配合插芯(如附属插芯)具有沿非镜像方向的一个V型槽和一个平面。尽管这种情形不象情形1那样在对准销直径的差异方面存在问题，但是它仍然会导致光纤接口处显著的信号失真。当直径小一些的第二销在V型槽里置于更深时，两个插芯之间会产生一个很小的转动。
情形3是本发明的优选实施例，它说明的是第一插芯具有沿垂直方向的一个V型槽用于保持第一对准销以及沿45度方向的一个V型槽用于保持第二对准销。第二配合插芯也具有沿垂直方向的一个V型槽用于保持第一对准销以及沿非镜像方向的一个平面用于保持第二对准销。如图显示，这种情形很好地适应了对准销直径的差异，使光纤接口处的信号失真减至最小。
图13，14，15显示了用于在插芯的槽中保持对准销的其他实施例。在图13中，一个对准销324通过一个具有许多开口321的保持部件320保持在插芯槽中。在每个开口321里，有一个弹性材料322，例如聚亚安酯，连接于它的是一个金属、陶瓷或塑料垫323。垫323以及弹性材料322的材料选取决定于材料的兼容性和对准的要求。垫323紧贴对准销324从而将对准销保持在插芯槽里。需要注意的是弹性材料322对连接销产生一个弹性保持力。
图14显示一个通过一个构造为片簧的弹簧部件330保持在插芯槽中的对准销331。片簧结构是理想的，例如对于较短的弹簧长度需要较高的弹力的情况。图15显示用在构造为类似于如图1，2A，2B所示的第一插芯20的插芯340中的弹簧杆。插芯340包括沿垂直方向的V型表面部分24以及沿45度方向的V型表面部分31。第一弹簧杆341对对准销53施加一个垂直的、预加载的力以将对准销53固定在V型表面部分24里。第二弹簧杆342对对准销23施加一个斜的、预加载的力以将对准销23固定在V型表面部分31里。实际上第一和第二弹簧杆341，342如此配置来提供类似于图2A，2B中的偏压部件25，32，33所提供的偏压作用偏压作用。
图16，17显示在先工艺的插芯。图16显示的是本发明背景技术中描述的MT插芯。在MT插芯中，有两个圆柱孔容纳对准销。因为孔的尺寸刚好容纳对准销，如果例如存在对准销直径差异，那么两个MT插芯(两个插芯具有相同的几何结构)配合时就会产生问题。这将会导致光纤接口处显著的信号失真。需要指出的是MT插芯根据间隙状态具有过约束状态或者约束不足的状态。
图17显示另一种在先工艺的插芯。这种插芯设计可在美国专利5,416,868中看到。在这种插芯设计中，两个配合插芯都有两个V型槽用于容纳对准销。当两个插芯配合时，在配合接口的X-Y平面内有四条约束线350，351，352，353，它们在空间相交于四个点354，355，356，357。第一和第二约束线350和351相交(354)于第一对准销的中心。这两条约束线350，351防止第一对准销在X和Y线性自由度以及X和Y旋转自由度(超出这个平面)上的运动。第三和第四约束线352和353相交(355)于第二对准销的中心，第三约束线352和第一约束线350相交于点356，第四约束线353和第二约束线351相交于点357。因为有四条不同的约束线，但在X-Y面只有三个自由度需要约束，因此这种配合是过约束的状态，即两个连接插芯都是独立的，因为它们都能充分约束对准销。因为在配合接口上的过约束，这种插芯组件在光纤接口处容易导致信号失真。
对于本领域技术人员而言显然插芯设计和特征并不局限于这里描述的实施例。例如，尽管图12所示的情形1和情形2从对准销直径差异的角度来看不太理想，但也许在某种特定的应用中图12所示的情形1和情形2是理想的。因此，本发明的发明者并不把这种设计排除在本发明的实质和范围之外。
更进一步，对于本领域技术人员而言显然这种对准系统将可以用于一根光纤、两根光纤、或者超过两根光纤。而且上述对准系统将可以用于光纤线性阵列(1xN)、光纤矩阵(MxN)、和环形阵(Rxθ)。并且这里所述的本发明还可用于将一个光纤阵列连接于单一垂直腔面激光器(VCSEL)或其阵列或者单一探测器(典型的如二极管)或其阵列。
权利要求
1.一种插芯组件，包括第一插芯；第二插芯；至少两个对准部件，用于在配合时对准第一和第二插芯；并且第一插芯、第二插芯和对准部件在第一和第二插芯的配合接口处相互作用以提供三条约束线。
2.如权利要求1所述的插芯组件，其特征在于，对准部件固定于第一和第二插芯中的一个。
3.如权利要求1所述的插芯组件，其特征在于，三条约束线相交于三个点。
4.如权利要求1所述的插芯组件，其特征在于，三条约束线相交于两个点。
5.如权利要求1所述的插芯组件，其特征在于，三条约束线中的两条把对准部件中的一个完全约束在两个平移自由度和两个旋转自由度上。
6.如权利要求5所述的插芯组件，其特征在于，三条约束线中的一条把其他对准部件中的一个完全约束在一个平移自由度和一个旋转自由度上。
7.如权利要求1所述的插芯组件，其特征在于，在配合接口处的第一和第二插芯没有受到过约束。
8.如权利要求1所述的插芯组件，其特征在于，在配合接口处的第一和第二插芯并非不足约束。
9.一种插芯组件，包括第一插芯；第二插芯，具有第一表面部分和第二表面部分；至少一个第一对准部件和一个第二对准部件，用来在配合时对准第一和第二插芯，第一对准部件通过被紧靠于第一表面部分而保持在第二插芯中，而第二对准部件通过被紧靠于第二表面部分而保持在第二插芯中；以及第一和第二插芯的配合接口，所有对准部件和第二插芯的所有表面部分之间的接触点总和是三个。
10.如权利要求9所述的插芯组件，其特征在于，对准部件的形状是圆柱型的。
11.如权利要求9所述的插芯组件，其特征在于，对于第二插芯，第一表面部分是V型的而第二表面部分是平面。
12.如权利要求9所述的插芯组件，其特征在于，第一插芯有两个表面部分，对准部件之一被保持为紧靠于第一插芯的一个表面部分，而另一个对准部件被保持为紧靠于第一插芯的另一个表面部分。
13.如权利要求9所述的插芯组件，其特征在于，在第一和第二插芯的配合接口处，对准部件之一被约束在两个平移自由度和两个旋转自由度上，而另一个对准部件被约束在一个平移自由度和一个旋转自由度上。
14.一种插芯，包括一个主体，具有至少一个槽用于接受至少一根光纤，该主体将光纤的一端引出在配合接口处；该主体还有第一表面部分和第二表面部分，第一对准部件被保持为紧靠于第一表面部分，第二对准部件被保持为紧靠于第二表面部分；并且第一表面部分在两个位置接触第一对准部件以将第一对准部件约束在两个平移自由度和两个旋转自由度上，并且第二表面部分在一个位置接触第二对准部件以将第二对准部件约束在一个平移自由度和一个旋转自由度上。
15.如权利要求14所述的插芯，进一步包括偏压部件，用来把第一对准部件保持为紧靠于第一表面部分已经把第二对准部件保持为紧靠于第二表面部分。
16.如权利要求14所述的插芯，其特征在于，主体包括一个底部和一个顶部。
17.如权利要求16所述的插芯，其特征在于，底部由金属制成。
18.如权利要求16所述的插芯，其特征在于，顶部由塑料制成。
19.如权利要求14所述的插芯，其特征在于，主体由金属制成。
20.如权利要求16所述的插芯，其特征在于，主体由塑料制成。
21.一种插芯，包括一个主体，具有至少一个槽用于接受至少一根光纤；该主体还有用于保持第一对准部件的第一表面部分和用于保持第二对准部件的第二表面部分，第一表面部分是V型的，第二表面部分是平面的；第一偏压部件，提供用于把第一对准部件保持为紧靠于第一表面部分的第一保持力以约束第一对准部件的运动；以及第二偏压部件，提供用于把第二对准部件保持为紧靠于第二表面部分的第二保持力以约束第二对准部件的运动。
22.如权利要求21所述的插芯，其特征在于，主体包括一个底部和一个顶部。
23.如权利要求22所述的插芯，其特征在于，用于接受光纤的通道由位于底部的槽形成。
24.如权利要求22所述的插芯，其特征在于，底部由金属制成。
25.如权利要求22所述的插芯，其特征在于，顶部由塑料制成。
26.如权利要求22所述的插芯，其特征在于，主体由金属制成。
27.如权利要求22所述的插芯，其特征在于，主体由塑料制成。
28.如权利要求21所述的插芯，其特征在于，主体由陶瓷制成。
29.如权利要求21所述的插芯，其特征在于，第一和第二偏压部件每个都包括一个保持部件和弹性连接于保持部件的垫，垫贴靠于相应的对准部件。
30.如权利要求29所述的插芯，其特征在于，垫由塑料制成。
31.如权利要求29所述的插芯，其特征在于，垫由金属制成。
32.如权利要求21所述的插芯，其特征在于，主体由玻璃制成。
33.一种用于提供第一套光纤与第二套光纤之间对接耦合的插芯组件，该插芯组件包括第一插芯，包括第一主体，用于接受第一套光纤；该第一主体具有用于保持第一对准部件的第一表面部分和用于保持第二对准部件的第二表面部分，第一表面部分是V型的，第二表面部分是V型的；第一偏压部件，提供用于把第一对准部件保持为紧靠于第一表面部分的第一保持力以约束第一对准部件的运动；第二偏压部件，提供用于把第二对准部件保持为紧靠于第二表面部分的第二保持力以约束第二对准部件的运动；以及可以和第一插芯配合的第二插芯，第二插芯包括第二主体，用于接受第二套光纤；该第二主体具有用于保持第一对准部件的第一表面部分和用于保持第二对准部件的第二表面部分，第一表面部分是V型的，第二表面部分是平面的；第一偏压部件，提供用于把第一对准部件保持为紧靠于第一表面部分的第一保持力以约束第一对准部件的运动；第二偏压部件，提供用于把第二对准部件保持为紧靠于第二表面部分的第二保持力以约束第二对准部件的运动。
34.如权利要求33所述的插芯组件，其特征在于，第一主体包括一个底部和一个顶部，第二主体包括一个底部和一个顶部。
35.如权利要求34所述的插芯组件，其特征在于，第一插芯和第二插芯的底部都是由金属制成。
36.如权利要求34所述的插芯组件，其特征在于，第一插芯和第二插芯的顶部都是由塑料制成。
37.如权利要求34所述的插芯组件，其特征在于，第一插芯和第二插芯的顶部都是由陶瓷制成。
38.如权利要求33所述的插芯组件，其特征在于，第一插芯和第二插芯的第一和第二偏压部件每个都包括一个保持部件和弹性连接于保持部件的垫，垫贴靠于相应的对准部件。
全文摘要
提供一种插芯组件。在优选实施例中，第一插芯、第二插芯以及对准部件在第一和第二插芯的配合接口处相互作用以提供三个约束线。第一插芯主体包括用于保持第一对准部件的第一表面部分和用于保持第二对准部件的第二表面部分，第一和第二表面部分是V型的。第二插芯具有一个主体，该主体具有至少一个槽用于接受至少一根光纤。第二插芯主体包括用于保持第一对准部件的第一表面部分和用于保持第二对准部件的第二表面部分，第一表面部分是V型的，第二表面部分是平面的。
文档编号G02B6/38GK1714307SQ02821606
公开日2005年12月28日 申请日期2002年8月29日 优先权日2001年8月31日
发明者塞佩赫·肯亚尼, 瑞安·R·瓦兰斯 申请人:泰拉丁公司