专利名称：单通道扩束光连接器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括扩束光连接器的连接器系统。
背景技术：
光纤连接器是基本上所有光纤通信系统的关键部件。例如，这种连接器用于将几 段光纤连接为更长的长度，以将光纤连接到有源器件例如辐射源、检测器和中继器，以及将 光纤连接到无源器件例如开关、多路复用器和衰减器。光纤连接器的主要功能是固定光纤 端部以使纤芯与配合构件的光学路径轴向对准。因此，来自光纤的光被光学地耦合到光学 路径。在此特别关注的是“扩束”光连接器。这种连接器一般用于高振动和/或脏的环 境，其中光纤和配合连接器的光路之间的“物理接触”是有问题的。具体地说，在脏的环境 中，在配合期间微粒可能会收集于连接器之间。这些碎屑对光传输具有很大的不利影响，因 为微粒与光路相比相对较大(例如在单模中直径为10微米)，因此很可能阻碍至少一部分 光传输。此外，在高振动环境中，具有套圈的光连接器在物理接触中倾向于在它们的界面处 受到擦伤。该擦伤降低了光纤端面的抛光度，由此增加了反射损耗和散射。为了避免碎屑和振动的问题，已经研发了一种连接器，其扩展光束并通过连接器 之间的气隙传输光束。通过扩展光束，其相对尺寸相对于碎屑增加，使其不易受到干扰。此 外，通过气隙传输光束消除了元件和元件之间的磨损，由此增加了连接器的耐振性。这些年 来，扩束连接器已经发展为耐振的多光纤连接器，该连接器包括被配置成以一般通过螺旋 连接与配合连接器的外壳配合的外壳。在外壳中包含的是许多内组件或“插入件”。每个插 入件包括插入件外壳、包含在插入件外壳内并适合于接收光纤的套圈以及在插入件外壳的 配合端部处被光学地连接到光纤的球透镜。球透镜用于扩展和准直通过(或临近)连接器 界面的光。当两个扩束连接器配合时，在每对光学耦合的插入件的球透镜之间存在气隙。对于扩束连接器最需要的任务之一是保持光纤和透镜之间的光学对准。仅几微米 的径向偏移可以显著影响插入损耗。上述的插入组件在给定通道中利用对准销和弹簧力一 般已经能很好地保持光学对准，以保持插入件接口之间的接触。泰科电子集团公式(Tyco Electronics Corporation)(位于美国宾夕法尼亚州的 哈里斯堡)目前提供了一系列的扩束连接器，其商标名为PROBEAM 。尽管泰科(Tyco) 扩束连接器提供了坚固且高性能的光学连接，但是不管通道数量如何，每个通道结构使用 了相同的连接器主体覆盖区(直径)。换句话说，不管连接器具有一个、两个还是四个光学 通道，它都包含在相同的外壳覆盖区中。申请人已经认识到这种结构限制了单通道电缆独 立扩展的能力，从而使得这种连接器不适合于底板以及类似应用。因此，需要一种具有多通道PROBEAM连接器的光学性能的单通道扩束连接器。
发明内容
根据本发明，连接器系统包括与配合构件一起使用的光连接器。光连接器具有前和后取向并且包括外壳、至少部分由外壳包含的外套管、至少部分配置在外套管中的第一 内套管、至少部分配置在第一内套管中的套圈以及在套圈的前面至少部分地配置在第一内 套管中的透镜。透镜和套圈每个都具有外径，其刚好稍微小于第一内套管的内径，以使套圈 和透镜在第一内套管中保持光学对准。外套管的前端延伸过第一内套管以接收配合构件的 第二内套管。第一和第二内套管具有相同的外径，其刚好稍微小于外套管的内径，以使第一 和第二内套管在外套管中对准。
图1示出了本发明的在未配合状态下的连接器系统；图2示出了在配合状态下的图1的连接器系统；图3(a)示出了本发明连接器系统的另一实施例的侧视图；图3(b)示出了图3(a)的连接器的横截面图；图4示出了在外壳中的图1的连接器系统；图5(a)_5(d)示出了图3的连接器系统在配合时的四个位置的顺序；图5(d) (1)是图5(d)所示的一部分连接器系统的放大视图。
具体实施例方式本发明提供一种扩束连接器系统以确保连接器的光纤和配合光学构件的光学路 径之间的可靠且可重复的光学耦合。在此使用的术语“光学路径”指的是用于传导光学信号 的任何介质，其包括光纤或波导管；基底中的二氧化硅基或聚合结构；或二氧化硅基或聚 合的光学元件。术语“配合元件”指的是包含或包括光学路径的光学插件。例如，配合元件 可以是另一连接器，在此为“配合连接器”，或它可以是其中光学路径是整体元件的光学器 件。光学器件的例子包括诸如上/下路滤光器(add/drop filter)、阵列波导光栅(AWGs)、 分束器/耦合器和衰减器的无源器件，以及诸如光放大器、发送器、接收器和收发器的有源 器件。参考图1，示出了本发明的连接器系统100。该系统包括连接器101和配合构件 102。图1中描绘的配合构件102是第二连接器，其不具有外套管，但是具有在101连接器 中没有包括的弹簧。尽管配合构件描述为连接器，但是应当理解到，在本发明的范围内，也 可能是配合构件的其它实施例。例如，配合构件也可以是适配器，其是分离的，用于将本发 明的连接器连接到另一连接器，或者它可以集成到收发器或其它光学器件中。也可能是如 上所述的其它配合构件。连接器101具有前和后取向，并包括外壳103和至少部分由外壳103包围的外套 管106。在外套管106中是内套管105，其固定透镜107和套圈104。套圈104固定光纤 150。透镜和套圈具有大约相同的外径，其刚好稍微地小于内套管105的内径，以便套圈和 透镜在内套管105中保持光学对准。固定套圈和透镜的内套管的组合在此称为“光学子组 件”或“子组件”。外套管的前端106a延伸过内套管105以接收配合构件102的第二内套 管110。第一和第二内套管105、110具有基本上相同的直径，其刚好稍微地小于外套管106 的内径，以便当连接器101与配合构件102配合时，第一和第二内套管在外套管中保持光学 对准。连接器101的元件不仅相对于图1-2的实施例，而且相对于图3的实施例予以更详细地论述。连接器的外壳用来容纳光学元件并物理地使连接器安装在配合构件上。参考图1， 外壳103容纳外套管106和内套管105，其依次容纳光学元件例如套圈104和透镜107。配 合构件102的外壳115也容纳第二内套管110，其容纳光学元件如透镜112和套圈111。连接器101和配合构件102的外壳103、115被配置成以连接并相互接合。具体地 说，参考图1，外壳103限定前边缘103a，外壳115限定环形凹陷109，该环形凹陷109被配 置成以在连接器101与配合构件102配合时接收前边缘103a。在本实施例中，前边缘103a 包括锥形尖端130以便为进入凹陷109提供引入端。一旦前边缘103a完全插入到凹陷109 中，连接器101保持在相对于配合构件102的某个位置，如图2所示。图1和2所示的实施 例不具有将连接器系统保持锁定在配合位置处的部件。而是，该结构目的在于用作提供配 合部件的连接器外壳内部的“销/插座”结构。这种结构可以例如在底板连接器、母/子插 件连接器、38999型连接器或四同轴(Quadrax)型连接器中发现。公开的具体外壳103、115 对应于已知用于多个类型的电连接器的四同轴尺寸8销和插座式触点。这样设计，可以使 用电和光纤通道的不同组合。此外，图1和2描绘的外壳实施例是过模制型的。此外，外壳 可以被配置成以匹配现有的设计参数。尽管图1中的外壳对应于四同轴尺寸8销连接器， 但是子组件可以用于任何传统的连接器设计。例如，子组件可以插入或过模制到插入件主 体中，以用作如上所述的多通道扩束连接器。外壳可以利用已知技术如喷射和过模制形成。例如，外壳可以通过给内套管过模 制聚合物来制备，或外壳可以单独模制，然后粘贴到内套管上。图1所描绘的连接器101的 外壳通过过模制制备，因而外套管106固定到外壳上。配合构件102由已经模制或机械加 工的各种元件装配而成。内套管的功能是固定和对准光学元件，在本实施例中，光学元件是套圈和透镜，尽 管光学元件也可以包括玻璃块(如美国专利公布号20080050073中公开的)，或经由弹簧或 将光学凝胶用作指数匹配耦合介质保持彼此物理接触。在优选实施例中，光学元件具有大 约相同的外径，以使圆柱形的内套管将它们保持光学对准。具体地说，参考图1，内套管105 被配置成以保持套圈104的一部分104a和透镜107。因为这些元件具有大约相同的外径， 因此它们在套管105中保持对准。同样地，配合构件102的内套管110容纳套圈111的前 部和透镜112，并将它们保持对准。因为内套管用于将透镜和套圈保持光学对准，因此套圈和透镜的外径与内套管的 内径之间的差应当不大于套圈和透镜的光轴之间可允许的径向偏移的最大值。通常，这不 大于约4 y m (多模光纤系统)，优选不大于约3 u m，甚至更优选不大于约2 y m (单模光纤系 统)。连接器系统100在透镜和套圈104的前面104d之间具有气隙。为了产生该气隙， 环形衬垫108放置在透镜和套圈之间。环形衬垫108具有预定厚度以确保沿着光轴透镜 107的边缘和套圈的前面104d之间的距离等于透镜的焦距，以便光纤的端面定位在透镜的 焦距处。透镜的焦距在一定程度上是透镜材料的函数，并且对于某些材料，可使焦点定位于 邻近透镜表面。在这种情况下，光纤需要与透镜接触。这种确定对于本领域技术人员而言 很容易进行。配合构件102相对于内套管110中的套圈和透镜具有相同结构。
内套管优选由精密材料如金属(例如磷_青铜)或陶瓷形成。优选地，内套管是 简单的圆柱体，易于制造和装配。存在光学子元件可以装配在内套管中的多种方式。通常，对于套圈和透镜可优选 固定在内套管中以抵抗移动。例如，一个方法是利用干涉配合在管中定位透镜和套圈。这 可获得最好的对准以及当暴露在热极限值下时获得最好的光学稳定特性。另一可能性是允 许非常小的装配间隙，然后利用环氧树脂将元件固定就位。这将允许环氧树脂固化期间有 效的光学定位和监视。最后，可以使用干涉和环氧树脂固定的组合。相对于干涉配合，装配方法可以包含首先在透镜定位于所述套管之下的夹具中加 热内套管。在某个温度时，内套管将膨胀并允许透镜进入。在这时，环形衬垫插入或配置在 套管中以便它倚靠在内透镜表面上。接下来，终端于光纤的套圈在内套管的开放端部处插 入直到它支靠环形衬垫而停止。这时，允许组件冷却以利用干涉配合产生光学装配。为了 进一步将透镜固定到内套管，环氧树脂131可以涂覆到透镜的边缘，如图1所示。外套管起到对准内套管105、110的作用。为此，外套管接收两个内套管并且其内 径以一定公差非常接近于内套管的外径，以便内套管彼此保持紧密对准。为此，内套管的外 径应当刚好稍微地小于外套管的内径，以便内套管中的光学元件(即套圈和透镜)保持光 学对准。因此，内套管的外径和外套管的内径之间的差应当不大于透镜的光轴之间可允许 的径向偏移的最大值。如上所述，这不大于约4i!m(多模光纤系统)，优选不大于约3i!m， 甚至更优选不大于约2 y m(单模光纤系统)。参考图1，外套管106容纳在外壳103内。在本实施例中，外套管被完全容纳在外 壳内，其可优选形成保护固定点，尽管其它实施例可以是外套管从外壳延伸。粘合剂120用 于将外套管106固定到内套管105。尽管外套管106示出与连接器101相关，但是应当理解 到，外套管106也可以改为连接于配合构件102，以便在配合期间，外套管106接收内套管 105，而不是接收内套管110。如图1所示，外套管106是与外壳103分离的元件。这种结构允许外套管与外壳 分开制造，从而便于使用精确制造技术，该技术对于外壳103的其它部分可能是多余的。然 而，在某些实施例中，可以优选外套管106与外壳103为整体。(这种实施例相对于图3进 行了讨论。)在又一实施例中，外套管106可以与内套管之一 105形成整体。具体地说，就 外套管106固定在相对于内套管105，110的位置中来说，它可以是整体的、一体模制、形成 或另外固定到内套管上。如上所述，关键在于在内套管的外径和外套管的内径之间存在小的容差配合以便 内套管在外套管中保持对准。尽管希望最小的容差，但是通常认识到如果容差太紧，那么在 配合期间内套管在外套管中滑动的能力会受到影响。具体地说，如果外套管106的内径不 够，那么内套管可以在配合处理期间与它粘合。该粘合可能使得配合元件非常困难，或者甚 至在配合处理期间损坏内和外套管。存在避免使外和内套管粘合的多种不同方式。一种方式是在外套管接收内套管之 前预对准套管。具体地说，如上所述，当外壳103的前边缘103a接收在环形凹陷109中时， 连接器系统100使内套管110预对准外套管106。此外，在一个实施例中，也使用外壳实现和保持对准。具体地说，参考图4，连接器 系统100配置在外壳401中。在本实施例中，外壳401是已知的38999尺寸9插头和插座，
6其是一般用于电连接器的耐振连接器。外壳提供用于在配合期间对准和固定连接器系统 100的刚性结构。如上所述，子组件的紧凑设计允许它用于传统的连接器系统如底板连接 器，母/子插件连接器，38999型连接器或四同轴型连接器。防止粘合的另一种方式是赋予内或外套管可塑性以在配合时弯曲。在一个实施例 中，外套管包括一个或多个柔性部分以接收内套管。这些柔性部分可以以不同方式提供，其 包括例如利用弹性材料或产生柔性梁。参考图3和5，示出了包含具有柔性部分350的外套 管306的连接器系统300。具体地说，外套管限定一个或多个通道332，其从其前端306a向 后延伸以限定柔性部分350 (也参见图5 (a))。柔性部分350通过扩展开以调节套管之间的 未对准来允许外套管306没有粘合地接收内套管310。一旦内套管310通过柔性部分的后 向端，柔性部分350将内套管310引导为与第一内套管305对准。在一个实施例中，外套管包括当内套管310插入在外套管306中时以减小内和外 套管之间的容差的装置。尽管不同的装置可以用于实现该结构，但是在本实施例中，突起 333从外套管306向外并径向延伸，如所示。当径向力施加在其上时，突起333用于向内推 动柔性部分350。为此，连接器301和配合构件302具有将向内径向力施加在突起333上的 一种机构。在本实施例中，所述机构是凸轮或由螺母/螺纹互相接合起动的类似机构。更 具体地说，配合构件302的外壳包括螺母330，连接器301包括螺纹331，其被配置成以与螺 母330的螺纹互相啮合。当螺母330旋转以及螺纹互相啮合时，螺母330向连接器301移 动，其内表面330a接触突起333，使得它向内移动，由此向内推动柔性部分350，以便它们接 触内套管310，由此保持它与内套管305对准。参考图5(a)至(d)，逐步示出连接器系统300的配合。当连接器301与配合构件 302接触时，如图5(a)所示，前边缘306a接收在环形凹陷309中，如图5(b)所示。配合连 接器302的内套管310滑动入外套管306，直到内套管305和310的配合表面325、326彼此 接触，如图5(b)所示。接下来，如图5(c)所示，通过推进套圈座的背部以确保内套管的配 合表面325、326之间保持接触以及确保透镜307、312之间保持合适的轴向距离，螺母330 螺旋拧入连接器301的螺纹331以将配合构件302和连接器301推动到一起。此外，如上 所述以及如图5(d)和放大图5(d)(1)所示，当螺母330开始变紧时，它不仅在两个内套管 之间施加正向配合力，而且借助于螺母的内表面330a推靠突起333，还使柔性部分350向内 推动它们以在内套管310上夹紧。尽管光学连接器系统100和300相对于内和外套管是相似的，但是它们在许多显 著方式上是不同的。具体地说，不同于其中外套管106是容纳在外壳中的分离元件的连接 器系统100，在连接器系统300中，外套管306与连接器301的外壳形成一体。具体地说，外 套管306裸露并通过环形脊335与内套管305连接。外套管是与外壳分离还是为整体取决于应用和希望的特点。例如，图1和2所示 的连接器系统100相对于可制造性具有一点优势，因为外套管可以独立于外壳进行制造， 由此允许使用高精确制造技术，而该技术对于制造壳体而言不是必需的。例如，外套管可以 由金属或陶瓷材料制造，而外壳可以喷射模制。此外，利用连接器系统100，外壳103覆盖并 保护外套管106，因此，与为了强度和可制造性相比，外套管可被设计成更是为了精确度。另一方面，连接器系统300是整套的系统，外套管不仅起到对准件的作用，而且起 到外壳的整体部分的作用，由此减少所需部件的数量。此外，由于外套管是外壳的一部分，因此它可以与外壳一起在过模制处理期间形成。这可以减小成本。返回参照图3，描述了连接器系统300的附加元件。在一个方面，透镜107起作用 以将从光纤发射的相对较窄的光束扩展并准直为用于通过气隙传送的相对较大的光束。准 直光束由类似透镜312接收，该透镜将光束聚焦到配合构件的接收光纤的端面上。适当的 透镜包括例如球透镜、GRIN透镜、或具有均勻或渐变折射率透镜的包含球面或非球面的透 镜或透镜组件。在一个实施例中，透镜107是涂敷有用于空气/玻璃界面的抗反射(AR)材 料的球透镜。涂层可以仅涂敷在光路通过透镜的区域处，或者为了简单且易于制造(即不 需要在外壳中对准透镜)可以均勻地涂覆在球透镜周围。套圈104用于固定和对准光纤150。为此，套圈组件104包括接收在内套管105 中的套圈前部分104a，以及具有比前部分104a大的直径的金属凸缘部分104b。凸缘部分 104b肩靠外壳103以防止套圈组件104向后移动。套圈组件104还包括后部分104c，其退 出外壳103并可以包含接收夹具的凹槽，如相对于套圈111所述。此外，后部分104c还可 以用于经由卷曲套管固定电缆增强件。本发明的优点在于套圈的端面104d可以在套圈安 装到内套圈105之前制备(即抛光)。这允许利用已知的技术和设备结构将端面104d配置 成具有任何已知的端面几何形状。例如，端面104d(和配合构件中相应的端面)可以被抛 光以具有平坦的或弯曲的端面或APC端面。参考配合构件102，套圈111基本上与相对于连接器101所公开的相同，然而，在本 实施例中，套圈111通过弹簧114向前推动。具体地说，弹簧114布置在凸缘111b的背面 和外壳115之间，由此向前推动套圈111。此外，在本特定实施例中，凸缘111c的后部分包 括凹槽，围绕该凹槽夹具113咬合就位。夹具113限制了套圈111相对于外壳115的向前运动。值得注意的是，在本实施例中，连接器101不具有偏置的套圈，而配合构件102具 有偏置的套圈。这种结构认识到一个偏置的套圈通常足以保持内套管105和内套管110之 间的接触力。图3的实施例稍微不同之处在于没有套圈是向前偏置的。因为需要将内套管 保持在一起的锁定螺母330，因此在图3的实施例中对于向前偏置套圈的需要变小了。参考图3b，在一个实施例中，连接器包括一系列0圈334和336。这些0圈被定位 成以防止灰尘、碎屑和湿气干涉透镜307、312之间的光学耦合。具体地说，0圈334被定位 成以使当螺母330与螺纹331相互啮合时，螺母330在0圈334上滑动，因此形成第一连接 器301和配合构件302之间的障碍。同样地，0圈336被定位在螺母330的背面附近，并防 止灰尘、碎屑和湿气从螺母330的后侧进入以及干涉光学耦合。
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权利要求
一种连接器系统(100)，包括与配合构件(102，302)一起使用的光连接器(101，301)，所述光连接器具有前和后取向并包括外壳(103)；至少部分由外壳容纳的外套管(106)；至少部分布置在所述外套管中的第一内套管(105)；至少部分布置在所述第一内套管中的套圈(104)；至少部分布置在所述第一内套管中并在所述套圈前面的透镜(107)；其中所述透镜和所述套圈每个都具有刚好稍微地小于第一内套管的内径的外径，以使所述套圈和所述透镜在所述第一内套管中保持光学对准；以及其中所述外套管的前端(106a)延伸过所述第一内套管以接收配合构件(102)的第二内套管(110)，所述第一和第二内套管具有相同的外径，该外径刚好稍微地小于所述外套管的内径，以使所述第一和第二内套管在所述外套管中对准。
2.根据权利要求1的连接器系统，其中所述外套管限定一个或多个从所述前端向后延 伸的通道(332)，由此限定所述外套管的一个或多个柔性部分(350)。
3.根据权利要求2的连接器系统，其中所述柔性部分包括一个或多个径向向外延伸的 突起(333)，这些突起在配合期间接触所述配合构件的元件以使所述柔性部分被径向向内 推动，由此推靠所述第二内套管以确保与所述第一内套管对准。
4.根据权利要求3的连接器系统，其中所述元件是螺母(330)，以及其中所述外壳具有 螺纹(331)以便于将螺母拧紧在其上，从而将所述配合构件固定到所述连接器以及使所述 螺母推靠所述突起以将所述柔性部分推进到所述第二内套管中。
5.根据权利要求1的连接器系统，其中所述外壳包括接收在所述配合构件的第二外壳 (115)的环形凹陷(109)中的环形前边缘(103a)。
6.根据权利要求5的连接器系统，其中所述环形前边缘延伸过所述外套管的前端。
7.根据权利要求6的连接器系统，其中所述配合构件具有前和后取向并包括环形前边 缘，该环形前边缘被配置成以环绕并保持所述第一连接器的环形前边缘。
全文摘要
一种连接器系统(100)包括与配合构件(102)一起使用的单通道扩束光连接器(101)。该光连接器具有前和后取向并包括外壳(103)、至少部分由外壳包含的外套管(106)、至少部分布置在外套管中的第一内套管(105)、至少部分布置在第一内套管中的套圈(104)，以及至少部分布置在内套管中并在套圈前面的透镜(107)。透镜和套圈每个都具有外径，其刚好稍微地小于第一内套管的内径，以便套圈和透镜在第一内套管中保持光学对准。外套管的前端(106a)延伸过第一内套管以接收配合构件(102)的第二内套管(110)。第一和第二内套管具有相同的外径，其刚好轻微地小于外套管的内径，以便第一和第二内套管在外套管中对准。
文档编号G02B6/38GK101852897SQ20091100006
公开日2010年10月6日 申请日期2009年10月29日 优先权日2008年10月29日
发明者索伦·格林德斯莱夫 申请人:泰科电子公司