指示光纤连接器的制作方法

专利名称：指示光纤连接器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在光学装置之间进行连接的设备，更具体地涉及一种用于终止光纤的连接器。
背景技术：
光纤连接器是基本所有的光纤通信系统的基本部分。例如，这种连接器可以用于把纤维段接合成更长的长度；把纤维连接到诸如收发器、探测器及中继器的有源装置上；或把纤维连接到诸如开关和衰减器的无源装置上。光纤连接器的主要功能是保持两个光纤的端部，以便一根纤维的芯与另一根纤维的芯轴向对准；因此，来自一根纤维的所有光尽可能有效地耦合到另一根纤维上。这是一项特别有挑战性的任务，因为光纤的光传输区域(芯)相当小。在单模光纤中，芯直径为大约9微米，其中1微米＝1×10-3mm。对于多模纤维，芯可大到62.5至100微米，因此对准较不关键。然而，精确对准仍然是有效互连光纤的必要特征。
光纤连接器的另一个功能是为接合在其工作环境中提供机械稳定性和保护。耦合两根纤维中达到的低插入损失通常是纤维端部的对准、端部之间的间隙的宽度、及任一个或两个端部的光学表面状态的函数。稳定性和接合保护通常是连接器设计(例如不同热膨胀和机械运动效果的最小化)的函数。光纤连接器典型地包括沿其中心轴线安装有玻璃或塑料纤维的金属或陶瓷的小圆柱体。这种圆柱体典型地称作插芯(ferrule)。在插芯和把插芯推到相对插芯中的机构(典型地弹簧)周围的支撑结构包括光学连接器的操作部分。
在一对光纤之间的连接中，一对插芯端部对端部地对接在一起，光从一根到另一根沿其公共中心轴线传播。在这种传统光学连接中，非常希望玻璃纤维的芯精确地对准，以便使由连接引起的光损失(插入损失)最小；但如人们可预想的那样，当今不可能进行完美连接。制造误差可以接近“零”，但是，诸如成本的实际考虑和轻微误对准是容许的事实认为在这种事情中的完美可能是不必要的。然而，关键的是将安装纤维接合的预期操作环境中的稳定性。
在历史上，由于制造成本和设计特征，光学连接器倾向于制造成松散部件的组件，该松散部件的多个由塑料制成。对于计划用于单模I应用的高性能连接器，需要要求对组件的偏心进行调谐，并且直到本发明的出现，还没有一种利用全金属或陶瓷结构在超过塑料操作特性的极为严酷或恶劣环境中实现调谐和性能的方法。在过去当插芯支撑结构接合连接器壳体时已经实现调谐。不希望的是，壳体在调谐中成为整体元件，以及如果壳体被移开或更换，则事实上丧失了调谐。
光纤连接器的一种流行设计表示在美国专利No.4,793,683中；其基本部件包括精密模压塑料锥形插头，在其中具有居中的光纤；压缩弹簧，其绕插头的圆柱形部分布置；及保持套环，其包围插头和弹簧。套环包括使其通过具有精密模压对准套筒的固定物与另一个连接器相耦合的外螺纹，该对准套筒的形状最好地描述为“双锥形”。这种设计已经由在美国专利No.4,934,785所示的连接器所代替，该连接器包括圆柱形插头、保持插头的基础元件、压缩弹簧、及包围插头和弹簧的帽状物。在这种设计中，只有圆柱形插头需要高精度，且其典型地由陶瓷材料制成。当把这些插头的两个接合在一起时，使用对准套筒，该对准套筒包括由金属、陶瓷或甚至塑料制成的分裂、薄壁圆柱体。这种对准套筒不必与上述双锥形对准套筒一样精确。
同时尽管以上连接器表现满意，但希望进行进一步的改进。例如，因为作为用于模拟数据和数字数据的传输介质选择的光纤逐渐为人所接受，故需要提供更高密度互连布置。所有上述单工光学连接器以如下方式构造，即将大量的单工光学连接器堆叠在一起的能力由在插入和从插座或联接装置移开期间手动握住两侧的需要所限制。已知的双工光学连接器，如在美国专利No.4,787,706所示的双工光学连接器，也需要在从插座和联接装置移开期间手动进入其壳体的相对侧，这排除高密度光纤互连阵列。
思考后述的希望，对于电气连接器的技术进行参考，其中，也许为最常使用和接受的连接器是称作RJ 11-型插头/插座的连接器，该连接器典型地用在编码电话产品中。这些连接器已经被广泛接受，因为它们便宜、操作可靠、及顾户容易理解其操作。然而，因为与光学互连有关的高精度和低插入损失要求(特别是在小光数值孔径单模纤维之间)，RJ 11-型设计对于光学连接器是不可接受的。这种电气连接器的例子公开在美国专利No.3,761,869和No.3,954,320中。
认识到由两个非常小的光纤芯的对准所提出的工程挑战，仍然希望提供较小、较便宜、及对于客户操纵更方便的连接器。这种连接器具有巨大的商业重要性。这种设计公开在美国专利No.5,481,634和No.6,293,710及No.6,287,018中，其中塑料用于制造壳体组件。所述壳体组件与上述RF11类型非常相似。锁栓系统结合为单一悬臂组件。所述连接器确认纤维保持结构的使用，该纤维保持结构包括圆柱形插头、和保持插头的端部的基础元件。基础元件为大致圆柱形，但其包括在其一个端部处围绕其圆周的凸缘。螺旋压缩弹簧包围基础元件，使弹簧的一个端部压靠凸缘，另一个端部压靠壳体的内表面。优选地，插芯具有圆形横截面，其轴向通道(毛细管)大体与外圆柱表面同心。另外，凸缘适于使基础元件在多个不同的稳定位置中固定到壳体中，以便旋转基础元件，使得在预定方向上定向纤维的偏心度可使纤维偏心光学性能退化最小。在本发明的优选实施例中，使用正方形凸缘，尽管在以后专利中，设计特征具有包括的六边形偏心调整特征。在AT&T Corp.Anderson等的专利中的产品描述是用于通常称作LC连接器的连接器。
LC连接器除在极严酷环境下的性能、和直接检查连接器的内部元件或替换连接器的外部部件而不失去调谐或偏心补偿的能力之外，具有由大多数光学连接器应用所希望的所有特征。这些特征由连接器本身的真正本质限制，或者由整体外部壳体或者当试图修理时本质损坏的塑料部件的复杂组件限制。这种塑料部件在塑料元件开始产生气体和变脆的升高温度下在本质上也是不稳定的。在5,481,634内，提到使用金属体材料的连接器构造。然而，建议的设计需要多段壳体而不是整体壳体。关于对保持其调谐或偏心补偿的LC连接器的恶劣环境式样的商业市场希望，如果具有单件金属或陶瓷壳体的这种连接器设计成能够以合理成本进行制造，则会在各种应用，如航天、化学或药物学应用中保持极高的价值。

发明内容
这里公开的本发明是一种计划用在恶劣环境中的光纤连接器。所述光纤连接器构造成包括下述所有特征以允许在包括热应力和机械应力的恶劣环境中进行操作，同时保持传递由光学插入损失和返回损失性能所确定的优良光学性能的特征。本发明是大体矩形的本体，其具有联接到其表面之一上的板簧锁栓。板簧锁栓计划相对于壳体的纵向轴线以弧形运动。如果利用适当的设计构造，则恶劣环境连接器壳体可全部由金属或陶瓷材料制成。可使用在热应力和机械应力下不退化的其它材料。此外，如果与良好设计的光纤保持结构适当地结合，则通过相对于矩形本体指示纤维保持结构可从连接器上消除偏心影响。如果适当地设计，则金属板片锁栓系统可用于在配合条件下保持连接器组件。当考虑上述情况，可设计可在极严酷环境中操作和修理的连接器。
有多种已知的光纤连接器。一些普通的商标为FC、SC、ST及最符合公开的LC的连接器的产品。这些类型的连接器的插入和移开通常要求用户能够将他的/她的手指配合到连接器的侧面的一个或多个上。连接器移除典型地通过滑动锁栓(SC)、按压锁栓(LC)或旋转锁栓(ST、FC)来实现。在旋转的情况下，FC连接器是多圈连接器，而ST是一种只要求部分旋转以脱开“刺刀”式联接系统的改进。只有脱开连接器的旋转具有金属部件，并且没有已知的连接器完全由非塑料(陶瓷或金属)部件制成。此外，没有一个已知的可得到连接器可完全拆开，并且如果它们具有纤维偏心则不能保持纤维偏心补偿。
相应地，本发明提供超过所有已知连接器的包装密度，并且提供与LC的包装密度相等的包装密度。锁栓系统类似于由LC提供的系统，除锁栓系统的执行的方法和制造的材料以外。在现有LC连接器中，锁栓与塑料本体成为整体，并且成悬臂状。这里公开的主题发明使用由温度稳定金属材料制成的可分离“板”簧式锁栓系统。通过待公开的连接器的独特设计特征，如果需要的话，可从连接器本体、插芯、及支撑结构上移开在热应力和机械应力下可能退化的所有塑料材料。
纤维偏心补偿当前仅在LC式连接器上可得到。所述补偿使用插芯支撑结构上的正方形或六角对齐获得。所述支撑结构接合LC连接器本体内的适当样式，并且通过接合所述本体保持定位。因而，当插芯和其支撑保持在连接器本体内时，才保持调谐或纤维偏心补偿。在移开之后，就不可能确定纤维保持结构与连接器本体之间的准确位置关系。公开的本发明包括光学插芯保持结构、和具有“键”特征的结构，该“键”特征为了适当调谐而确定位置布置。公开的本发明表明，如果这个“键”特征在连接器本体内适当地定位并且保持，则当纤维支撑结构从连接器本体移开时，整个组件也可保持其偏心补偿。
由于保持偏心补偿是公开发明的关键特征，所以关键是理解偏心问题。在一对互连插芯之间的对准变化主要归因于相对于插芯的称作光纤芯的“偏心”的参数。偏心定义为插芯的端面处的插芯的纵向形心轴线与保持在插芯的通道内的光纤芯的形心轴线之间的距离。一般地，通道不是准确地与作为基准表面的外圆柱表面同心。此外，光纤不可能在插芯通道内居中，并且纤维芯不可能与纤维的外表面同心。所以，偏心包括插芯通道内的光纤的偏心和插芯内的通道的偏心。
如果人们可观看到“发亮”光纤的端部，则所看到的是光点有些移开圆的准确中心的圆。偏心可理解为具有数值分量和方向分量的两维向量。偏心向量的“数值分量”是圆心与光点之间的直线距离，而偏心向量的“方向分量”是由直线相对于2-维直角坐标系的X-轴形成的角度，该直角坐标系的原点是在圆心处。应注意的是，传统光学连接器(即ST、SC及FC)中使用的插芯具有2.5mm的直径，而本发明的优选实施例中使用的插芯具有由LC连接系统所利用的尺寸的一半的直径。通过使用减小尺寸的插芯，偏心向量的数值分量成比例的减小，这将改进精度。
旋转两个互连插芯之一，因为光纤芯相对于插芯的偏心，所以典型地改变保持在通道内的纤维的相对位置。因为难以控制插芯中终止的光纤芯的偏心，所以在不保持精密公差以便相对的芯对准到在约0.7微米内的情况下难以在单模纤维中实现0.1dB或更小的希望损失。这当然增加制造成本。如果待联接的两根光纤的总偏心相同，或者至少非常接近，那么在对准套筒内仅通过相对于另一个插芯旋转一个插芯直到观察到最大耦合(最小插入损失)，即可实现低损失连接。


尽管本发明可允许有不同的形式，但是具体实施例示于附图中并且在此进行详细描述，应理解的是，本公开是本发明原理的示例并且不意图使本发明限制于所述内容。
图1表示没有纤维线缆的纤维连接器；
图2表示在最终组装之前没有光纤的纤维连接器；图3表示光纤连接器的所有元件的分解视图；图4a表示在插入之前纤维保持器和壳体的剖视图；及图4b是插入在壳体内的纤维保持器的剖视图。
具体实施例方式
通过参考结合附图的的如下描述，可以最好地理解本发明的结构和操作的组织和方式、以及其另外的目的和优点，在附图中相似的附图标记表示相似的元件，其中本发明通过使用纤维保持器结构50中的指示特征或部分90能够补偿纤维偏心。纤维保持器设计成使得套环44可配置有相对于指示部分90的六个(hex)旋转位置中的一个，尽管可以使用更多或更少的旋转位置。这种设计能够使套环44和纤维保持器50安装在连接器本体中，该指示处在六个旋转位置(0度、60度、120度、180度、240度、及300度)的一个中。选择的具体位置在连接器的构造期间通过测量纤维偏心、纤维保持器50的基础元件80旋转基于光学功率损失最小测量的量而确定。对于高光学性能连接器的最终要求是通过指示部分将插芯相对于键56径向对准，以便当纤维保持器50安装到连接器壳体12中保持这种关系。例如，偏心总是与图2所示的弹簧锁栓30对准。可看出的是，键56如何在沿壳体的一个壁的线性槽24中接合壳体。适当定位的键可保持径向对准和高光学性能。
图1表示纤维连接器的组件10，未示出纤维线缆。图2表示操作人员在现场将看到的未安装线缆的连接器的基本部件。为了组装连接器，具有联接线缆的先前调谐弹簧加载的纤维保持器50利用在槽24中滑动的键56插入壳体12中。定位圆柱体102滑过后部构件84和滑动套环92，使键槽104接合键56。为了将该组件保持在一起，螺纹套环100放置在定位圆柱体102上，以便螺纹套环接合凸缘106，螺纹套环100拧紧到壳体12的螺纹端34上。
图3公开偏心补偿弹簧加载指示纤维保持器50的更多细节。连接器包括具有轴向通道14的壳体12，该轴向通道14在壳体12的端面16中终止。这个通道适于接收在插芯44中的端部42中的纤维线缆(未示出)的纤维丝端部。壳体12具有限定空腔18以包围和接收纤维保持器50的内表面。图4a表示彼此分离的壳体空腔和纤维保持器。图4b表示包围纤维保持器50的壳体空腔18。壳体具有第一开口20，用于接收光缆(未示出)固定到其上的纤维保持器50。壳体具有第二开口22，用于使插芯44的端部42穿过其突出。开口延伸到空腔18中，并且定位在壳体的相对端部处。手动操作弹簧锁栓30定位在壳体的单侧表面上，用于把壳体固定到相关插座(未示出)上以排除在其之间的意外脱离。锁栓30在由连续弧描述的方向上相对于纤维保持器50的长轴线可运动，并且包括板簧。锁栓永久地或半永久地固定到壳体上，使其固定端32朝向壳体的第二开口22定位。
连接器纤维保持器50接收光缆(未示出)。光缆包括在塑料缓冲材料内封闭的玻璃纤维。光缆还包括围绕缓冲纤维的多个丝状强度构件、和围绕丝状强度部件的塑料套。光缆中的光学丝或纤维在轴向纤维通道46内延伸，并且在所述端部42中终止。纤维通道接收作为相关纤维线缆的裸露端部的丝。基础构件80保持插芯44。基础构件包括与插芯44的纤维轴向通道46共线的轴向光缆通道82。圆柱形插芯具有约1.25毫米的直径。基础构件82上的肩部83接合弹簧54。后部构件84具有配合部分86，该配合部分86接合到形成轴的基础构件80的后部部分88上。后部构件包括多位置偏心指示部分90，如六边形部分。
此外，设置有具有肩部94以接合弹簧54的套环92。弹簧54和套环92在由配合部分86和后部部分88形成的轴上滑动地定位。弹簧部件54布置在肩部83、94之间，以将基础构件80推离套环92。这将朝第二开口22推动纤维保持器，以便插芯44的端部42延伸通过壳体中的第二开口22。套环93也具有与壳体12中的槽24相接合的键56。这允许整个纤维保持器50从连接器壳体上移开，同时当返回连接器壳体时保持其单一的稳定角位置。
接收纤维保持器50的壳体12具有互连或锁定构件。这个互连或锁定构件由螺纹套环100和定位圆柱体102组成。定位圆柱体102具有与键56相接合的键槽104，从而迫使纤维保持器50朝向壳体12的第二开口22。螺纹套环100在壳体中的第一开口20周围与定位圆柱体102上的凸缘106相接合，并且通过拧到螺纹端部34上而固定到壳体12上。定位圆柱体102滑过纤维保持器50的一部分，并且在壳体12的空腔18内滑动。互连部件也可包括单一金属夹片，该单一金属夹片以与定位圆柱体相类似的方式与键56相接合，其中夹片的部分固定到壳体上的突起上。
壳体和互连构件由在极端热应力或机械应力下不退化的材料制成。这种材料可包括金属或陶瓷。为了最低可能的重量，该金属材料可为铝合金，或者为了最佳的环境承受力，该金属材料可为耐腐蚀钢或铜合金。由于壳体和互连构件当其连接在一起时基本上封闭纤维保持器50，并且由于它们由可承受极端热应力或机械应力的材料制成，所以保护保持在纤维保持器50中的光缆。
应变释放罩(boot)110具有保持光缆的纵向通道112。应变释放罩的前部114围绕定位圆柱体102的后端108，并且捕获光缆的丝状强度部件，从而将施加到光缆上的拉伸力传递到连接器。应变释放罩适于限制光缆在其连接连接器的区域中的最小弯曲半径。
圆柱纤维保持器50提供用于在纤维保持器插入到壳体中之前“调谐”插芯44中的纤维丝的装置。这种调谐在纤维保持器内完成，其中指示特征包含在纤维保持器内，并且纤维保持器50的外表面能是圆柱形而不是六边形。带有具有圆柱形外表面的自包含指示特征的这种纤维保持器将允许壳体具有圆柱形空腔而不是六边形空腔。圆柱形空腔而不是六边形空腔可更容易地由金属或陶瓷材料制成。由于壳体由金属或陶瓷材料制成，所以其可更好地承受热应力或机械应力。在调谐之后，即使在从壳体移开纤维保持器之后纤维保持器也可保持这种调谐，从而允许为了更换、检查、或清理可能要求的重新组装，而不会丧失调谐。由于纤维保持器由可承受极端热应力和机械应力的材料制成而不失去偏心调谐位置，所以连接器在热环境和机械环境的宽广范围上具有非常稳定的光学性能。
尽管表示和描述了本发明的优选实施例，但可预见的是，本领域的技术人员可以设计各种修改，而不脱离以上描述和权利要求书的精神和范围。
权利要求
1.一种光纤连接器，包括壳体，其具有本体，该本体具有在相对的第一端和第二端之间延伸的至少一个纵向圆柱形空腔，第一端具有与所述空腔连通和对准的第一开口，第二端具有与所述空腔连通和对准的第二开口，所述壳体在壳体本体中还具有从所述壳体的第二端朝向第一端延伸的槽；纤维保持器，其可插入具有圆柱形外表面的所述空腔内，该纤维保持器包括插芯，其在其中保持纤维丝；定位套环，其具有接收在所述壳体槽中的键，该定位套环包括指示端；后部构件，其可接收在指示端中，该后部构件包括指示部分，该指示部分具有与所述指示端互补的多个指示元件；及偏置构件，其布置在所述插芯与所述定位套环之间，从而朝向后部构件的所述指示部分偏置所述定位套环的所述指示端，和；装置，其用于将所述纤维保持器锁定成与所述壳体接合，从而迫使所述插芯离开所述壳体的第一开口。
2.根据权利要求1所述的光纤连接器，其中，所述壳体还包括固定到壳体的外表面上的柔性锁栓，用于接合配合连接器上的锁栓肩部，以将光纤连接器保持至配合连接器。
3.根据权利要求1所述的光纤连接器，其中，所述纤维保持器锁定装置包括螺纹套环，该螺纹套环接合后部构件并且拧到壳体的螺纹端上。
4.根据权利要求3所述的光纤连接器，其中，用于锁定纤维保持器的所述装置还包括滑过后部构件和套环的定位圆柱体，该定位圆柱体具有与定位套环上的键相接合的键槽，并且具有当所述套环拧到壳体的螺纹端上时由螺纹套环所接合的凸缘。
5.根据权利要求1所述的光纤连接器，其中，所述壳体材料是金属。
6.根据权利要求1所述的光纤连接器，其中，所述壳体材料是陶瓷。
7.一种光纤连接器，包括壳体，其具有本体，该本体具有在相对的第一端和第二端之间延伸的至少一个纵向圆柱形空腔，第一端具有与所述空腔连通和对准的第一开口，第二端具有与所述空腔连通和对准的第二开口，所述壳体在壳体本体壁中还具有从所述壳体的第二端朝向第一端延伸的槽；纤维保持器，其可插入具有圆柱形外表面的所述空腔内，该纤维保持器包括插芯，其具有保持来自纤维光缆的纤维丝的纤维通道；基础构件，其在纤维光缆上延伸并且相邻插芯定位；后部构件，其在纤维线缆上延伸，并具有指示部分，基础构件和后部构件连接在一起形成轴；在所述轴上滑动的定位套环和偏置构件，偏置构件布置在基础构件的肩部与套环的肩部之间，定位套环具有与后部构件的所述指示部分可接合的指示端，定位套环也具有与壳体中的槽相接合的键，和；装置，其用于将所述纤维保持器锁定成与所述壳体接合，从而迫使具有所述纤维丝的插芯离开所述壳体的前部开口。
8.一种光纤连接器，包括壳体，其具有本体，该本体具有在相对的第一端和第二端之间延伸的至少一个纵向圆柱形空腔，第一端具有与所述空腔连通和对准的第一开口，第二端具有与所述空腔连通和对准的第二开口，所述壳体在壳体本体中还具有从所述壳体的第二端朝向第一端延伸的槽；纤维保持器，其可插入具有圆柱形外表面的所述空腔内，纤维保持器包括插芯，其在其中保持纤维丝；和键，其固定到接收在所述壳体槽中的插芯，和装置，其用于将所述纤维保持器锁定成与所述壳体本体接合，从而迫使所述插芯离开所述壳体的第一开口，所述锁定装置包括在定位套环上滑动的定位圆柱体，该定位圆柱体具有与键对准的并且绕键滑动的键槽；和用于将定位圆柱体固定到壳体上的装置。
9.根据权利要求8所述的光纤连接器，其中，定位圆柱体中的键槽与键相接合。
10.根据权利要求8所述的光纤连接器，其中，所述固定装置包括螺纹套环，该螺纹套环接合定位圆柱体并且拧到壳体的螺纹端上。
11.根据权利要求8所述的光纤连接器，其中，所述键在固定到插芯上的定位套环上。
全文摘要
一种用于光纤的高性能连接器包括安装在一种结构中的圆柱形陶瓷或金属插芯。这种结构定位在非塑料(金属系统)基础构件中以形成纤维保持器。这种整体大致圆柱形结构包括沿其中心轴线的用于保持光纤的小通道。这种整体结构安装在非塑料壳体内，该壳体在其一端处包括陶瓷插芯从其突出的开口。与插芯支撑结构成整体并且通过圆柱形结构的第二件与周围结构的内表面相互作用的圆柱形弹簧从在壳体中的开口向外推动陶瓷插芯。壳体包括布置在其单一表面上的金属板簧锁栓，该金属板簧锁栓是可手动操作的，并且用于将连接器锁定到相关插座上。所述连接器，因为它在其结构元件中由非塑料(金属和/或陶瓷)制成，所以在环境(热和机械)的宽广范围上具有非常稳定的光学性能。高性能光学连接器也具有移开圆柱形纤维保持器以直接检查或清理敏感内部部件(弹簧、内部金属或陶瓷部件)的能力。另外，圆柱形结构提供一种装置，该装置“调谐”该圆柱形结构以消除纤维偏心的影响。当调谐时，纤维保持器即使在壳体外也保持这样的调谐，即允许高性能连接器的重新组装而不丧失“调谐”。
文档编号G02B6/38GK101084461SQ200580043927
公开日2007年12月5日 申请日期2005年12月20日 优先权日2004年12月20日
发明者大卫·E·戴伊 申请人:莫莱克斯公司