本申请要求2016年8月17日提交的美国临时专利申请no.62/376,381的优先权,该临时专利申请通过引用完全并入,如在此完全阐述一样。下面提到的所有公开内容都通过引用完全并入,如同在此完全阐述一样。
政府权利
本发明是在能源部授予的第de-sc0009617号合同的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。
本发明涉及光束扩展光束连接器,特别是扩展光束连接器中的套圈组件。
背景技术:
通过光纤波导传输光信号有许多优点,并且其使用是多种多样的。单个或多个光纤波导可以简单地用于将可见光传输到远程位置。复杂的电话和数据通信系统可以通过波导内的光学信号传输数字化数据。这些应用以端对端的关系耦合光纤,耦合是光损失的一个来源。需要精确对准光纤的两个抛光端,以确保光纤链路中的光损耗小于系统的规定光损耗预算。对于单模电信级光纤,这通常对应于小于1000nm的连接器光纤对准公差。这意味着在以千兆位速率运行的并行光纤和单光纤链路中,用于对准光纤的组件必须以亚微米精度组装和制造。
在光纤连接中,光纤连接器端接包含一根或多根光纤的线缆的末端,并且与插接相比能够更快地连接和断开。连接器机械地连接和对准光纤芯,使光可以端对端通过。光纤的端部支撑在套圈中,光纤的端面通常与套圈的端面齐平或略微突出。当连接器组件中的互补套圈配合时,一个套圈的光纤与另一个套圈的配合光纤对准。更好的连接器由于光纤的反射或未对准会损失很少的光。以千兆位速率工作的并联/多光纤和单光纤链路中的连接器必须与亚微米精度制造的子组件组装在一起。假使生产具有如此精确水平的零件不具有足够的挑战性,为了使得到的最终产品具有经济效益,必须在自动化的高速工艺中完成。
在一些应用中,配合光纤的端面彼此物理接触,以实现配合光纤对之间的信号传输。在这样的应用中,各种因素可能降低光纤对之间的光传输的效率,如不规则性、在光纤端面上的毛刺或划痕、光纤对未对准、以及在配合界面的灰尘或碎屑。由于相对于任何外来物体(例如灰尘或碎屑)的尺寸的小光路,任何这样的异物都会干扰光的传输。
迄今为止,现有技术已经开发了扩展光束连接器以扩展光束的尺寸并通过连接器之间的气隙传输光束。通过扩展光束,灰尘或碎屑与光束之间的相对尺寸差异增大,因此减少了任何灰尘或碎屑以及任何未对准对光传输效率的影响。结果,在相对肮脏和高振动的环境中,扩展光束光纤连接器通常是优选的。
迄今为止,现有技术的扩展光束连接器包括安装在每根光纤端面附近的透镜。通常使用两种类型的透镜-准直型和交叉聚焦型。准直透镜接收来自第一光纤的光输出并将光束扩展到相对大的直径。当使用准直透镜时,第二透镜和套圈组件相似地配置有准直透镜,该准直透镜位于第二光纤的端面附近,用于接收扩展光束,并且在第二光纤的输入端面处重新聚焦光束。交叉聚焦透镜接收来自第一光纤的光,将其扩展到相对大的直径,然后将来自相对大直径的光聚焦在特定焦点处。利用交叉聚焦透镜,透镜和套圈组件可以与另一个透镜和套圈组件配合,其具有交叉聚焦透镜或具有本领域已知的非透镜套圈组件。
目前,普遍认为现有技术的光纤连接器制造成本太高,并且更期望提高可靠性和损耗特性。扩展光束连接器中的透镜是附加部件,其需要在组件中光学耦合到光纤的端面,因此需要额外的部件和额外的制造成本。现有技术的扩展光束连接器仍然导致相对高的插入损耗和回波损耗。
如果要将光纤作为短距离和非常短距离应用的首选通信介质,则必须降低生产光纤连接器的成本。在通信系统、数据处理和其它信号传输系统中相对广泛和不断增加的光纤利用已经产生了对于满意和有效的互连端接光纤终端装置的需求。
因此,期望开发一种改进的光纤扩展光束连接器,它具有低插入损耗和低回波损耗,并且可以高产量和低成本制造。
技术实现要素:
本发明提供一种用于在光纤扩展光束连接器中扩展光束的光纤套圈或套圈组件,其克服了现有技术套圈和连接器的许多缺点,其包括低插入损耗和回波损耗、易于使用且可靠性高、环境敏感性低、可以低成本制造。考虑到本发明的套圈的构造,包含本发明的用于多光纤的套圈的光纤连接器的壳体的占用面积或形状因子可以类似于目前使用的仅为单个光纤设计的现有技术的圆柱形套圈的壳体的占用面积或形状因子。(即,本发明的套圈可以结合在设计用于单光纤的工业标准连接器壳体中,例如sc、fc、st、sma、lc、双lc等类型的壳体。)
在本发明的一个方面中,本发明的套圈组件包括具有集成的第一反射表面的第一套圈半部和具有第二反射表面的互补的第二套圈半部,它们一起牢固地保持并相对于套圈半部/组件的外部几何形状精确地对准至少一根光纤的端部。在一个实施例中,在套圈半部上设置凹槽,以保持和对准每根光纤的末端的裸露部分(其具有暴露的包层,没有保护缓冲层和护套层)。因此,光纤的端部由套圈组件端接。
集成的第一反射表面位于第一套圈半部的远端附近,超出光纤的端面,其相对于保持在套圈组件中的光纤的光轴弯折光。在一个实施例中,第一反射表面以发散的方式将来自光纤的光弯折90度(或反过来,将光聚焦到光纤的芯部)。在一个实施例中,套圈组件构造成保持和对准多个光纤,多个第一反射表面设置在第一套圈半部上,每个第一反射表面对应于一个光纤。
集成的第二反射表面位于第二套圈半部的远端附近,并位于与第一套圈半部中的第一反射表面相对应的位置处,使得当第一和第二套圈半部以配合方式连接以形成在整个套圈组件中时,第一反射表面在垂直于套圈组件的纵向轴线的平面中与第二反射表面重叠。第二反射表面相对于来自第一反射表面的光路弯折光。在一个实施例中,第二反射表面以准直的方式(或相反地,将光会聚到第一反射表面)使来自第一反射表面的光弯折90度。在一个实施例中,第二套圈半部配置有多个第二反射表面,每个第二反射表面对应于一个第一反射表面和光纤。
第一套圈半部中的第一反射表面构造有反射几何形状,该反射几何形状弯折(即,转向或折叠)并且整形(即,发散)来自保持在第一套圈组件中的光纤的端面的输出光(或者相反地,弯折和整形(即,聚焦)来自第二反射表面的入射光)。第二套圈半部中的第二反射表面构造有反射几何形状,该反射几何形状弯折(即,转向或折叠)并且整形(即,准直)来自第一反射表面的入射光(或者相反地,会聚入射光以反射到第一套圈中的第一反射表面)。在组装第一和第二套圈半部之后,光信号可以在第一和第二反射表面之间通过。在一个实施例中,第一反射表面构造为凸反射结构(例如,非球面凸镜表面),第二反射表面构造为凹反射结构(例如,非球面凹镜表面)。或者,第一反射表面可以构造成具有光发散特性的凹反射结构。结构化的第一反射表面沿着期望的光路与光纤的光轴光学对准,光纤的端面位于距第一反射表面预定的期望的距离处。准直的扩展光束的光斑尺寸与沿光纤端面和第一反射表面(发散/聚焦表面)之间的光路的距离、第一反射表面的几何形状(发散/聚焦表面)、以及第一和第二反射表面之间的距离(准直/会聚表面)有关。
第一和第二反射表面可以通过被动地对准第一和第二套圈半部而被动地对准(例如,依赖于设置在第一和/或第二套圈半部上的对准表面特征部和/或标记部)。或者,可以通过在反射表面之间传递光信号来主动地对准第一和第二反射表面。
套圈组件具有外表面,用于与外部对准套筒的互补表面(即,大致圆柱形或管状套筒的内表面)对准。套圈组件的外表面通常是圆柱形的,具有接触表面轮廓,其横截面为大致椭圆形。两个相似端接的光纤可以通过对准套筒端对端地光学耦合。
在使用中,两个相似的套圈组件插入到对准套筒中,相应的套圈组件的延伸端的反射表面彼此面对。来自保持在第一套圈组件中的光纤的输出光被第一反射表面弯折和发散,在第二套圈半部处传递到面对的第二反射表面,接着第二反射表面弯折并准直光,该光从第一套圈组件输出并且引导到具有相似光学配置和光路的面对的第二套圈组件中的第二套圈半部的输入部。第一套圈组件中的光路类似于“z”,其在一个实施例中包括两个90度弯折部。进入第二套圈组件的光受到与在第一套圈组件处发生的光学整形相反的光学整形。具体地,进入第二套圈组件的光被第二套圈半部上的第二反射表面弯折和会聚,然后通过第二套圈半部上的第一反射表面进一步弯折和聚焦。第二套圈组件中的光路也类似于“z”,但与第一套圈组件相反,在一个实施例中,第一套圈组件还包括两个90度弯折部。
在一个实施例中,反射表面每个都是背离套圈半部的不透明自由表面。该自由表面暴露于外部(例如,空气或折射率匹配材料),并且反射从外侧引导向自由表面的入射光(即,入射光不被引导穿过套圈的主体)。
在本发明的另一个方面中,套圈部件和/或套筒通过高产量工艺精确地形成,例如冲压金属坯料。在一个实施例中,套圈主体由金属材料制成,其可以选择为具有高刚度(例如,不锈钢)、化学惰性(例如,钛)、高温稳定性(例如,镍合金)、低热膨胀性(例如,殷钢(invar))、或者与其他材料的热膨胀性匹配(例如,用于匹配玻璃的可伐合金(kovar))。每个套圈半部可以被冲压以形成整体或单体式的主体,而不需要在套圈半部内进一步附接子部件。
在本发明的另一个方面中,套圈组件结合在光纤连接器中。
根据本发明的套圈克服了现有技术的许多缺陷,导致光纤扩展光束连接器具有低插入损耗和回波损耗,这提供了易用性和高可靠性以及低环境敏感性,并且可以以低成本制造。
因此,本发明涉及:一种扩展光束套圈,包括具有第一反射表面的第一套圈半部和具有第二反射表面的第二套圈半部,它们一起保持光纤。这对反射表面输出平行于套圈的中间平面的准直光。外部套圈对准两个相似套圈的外表面,且两个相似套圈的相应第二反射表面彼此面对。来自保持在一个套圈中的光纤的输出光被这一对反射表面弯折两次,在第一次弯折之后发生光束发散,且在第二次弯折之后发生光束准直。准直光传递至由套筒对准的对面第二套圈中的对面第二反射表面,该准直光经受与第一套圈中所进行的相反的光学整形,以便会聚并聚焦光以输入到保持在另一套圈中的光纤。
附图说明
为了更全面地理解本发明的本质和优点,以及优选的使用模式,应参考结合附图的以下详细描述。在以下附图中,在整个附图中,相同的附图标记表示相同或相似的部件。
图1a-1c是根据本发明的一个实施例的两个对准的套圈之间的光路的示意图。
图2a-2d示出了根据本发明的一个实施例的两个套圈与对准套筒的联接。
图3a-3c示出了根据本发明的一个实施例的光纤套圈组件的各种视图。
图4a-4b示出了根据本发明一个实施例的图3中的光纤套圈组件中具有凸反射表面的套圈半部的各种视图。
图5a-5b示出了根据本发明的一个实施例的图3中的光纤套圈组件中具有凹反射表面的互补套圈半部的各种视图。
图6a-6f示出了根据本发明另一个实施例的具有带反射表面的插入部的光纤套圈组件的各种视图。
图7a-7f示出了根据本发明另一个实施例的具有带反射表面的铆接插入部的光纤套圈组件的各种视图。
图8a-8c示出了根据本发明的一个实施例的套圈半部的替代构造,以容纳铆接插入部。
图9a-9i示出了根据本发明的又一个实施例的具有带反射表面的铆接插入部的光纤套圈组件的各种视图。
图10a-10d示出了根据本发明一个实施例的包含图3中的套圈组件的光纤连接器。
具体实施方式
下面参考附图参考各种实施例描述本发明。尽管根据实现本发明目的的最佳模式描述了本发明,但是本领域技术人员将理解,在不脱离本发明的精神或范围的情况下,可以根据这些教导实现变型。
图1a-1c是示出根据本发明的一个实施例的结合在光纤连接器中的两个对准的套圈组件之间的光路的示意图。为简单起见,在下文中,“套圈组件”将简称为“套圈(ferrule)”,其具有两个套圈半部。关于套圈的进一步细节将在下文中公开。
图1a示意性地示出了从源套圈12s到接收套圈12r的光束l。源套圈12s和接收套圈12r每个包括一对集成反射表面r1(例如,发散/聚焦镜)和r2(例如,准直/会聚镜),两个套圈之间具有相似的光学几何形状。在一个实施例中,套圈12r和12s可以具有相似或相同的整体物理结构。每个套圈中的一对反射表面r1和r2(在垂直于套圈的纵向轴线的横截面中)重叠并且彼此面对。从保持在源套圈12s中的光纤24的输出端(芯)发射的光束l被其反射表面r1转向和发散,以入射在反射表面r2处。光束l由反射表面r2转向并准直,以入射在接收套圈12s处的相应反射表面r2处,然后,该相应反射表面r2将准直光束转向并会聚到接收套圈12r中的r1。然后,反射表面r1将光束转向并聚焦在保持在接收套圈12r中的光纤24的输入端(芯)上。在一个实施例中,每个套圈中的反射表面r1和r2被配置成在平行于套圈的光轴/纵向轴线/中间平面p(对应于下面讨论的实施例中的套圈半部13和14的配合平面p)的方向上,将光从光纤24反射到套圈外部,或从套圈外部反射到光学24。每个套圈中的光路l类似于“z”,其在所示实施例中包括两个90度的弯折部。
图1b示意性地示出了一对反射表面r1和r2的相对几何形状。如示意性所示,反射表面r1是凸反射表面(例如,凸非球面反射表面),并且反射表面r2是凹反射表面(例如,凹非球面反射表面)。
如图1c所示,光路l在每个套圈12r和12s中类似于“z”,其在每个套圈中包括两个90度的弯折部。光纤24的光轴(或中心线)基本上平行于相应套圈的中间平面p间隔开,所述中间平面p对应于套圈半部13和14的配合平面p。从源套圈12s输出的光和输入到接收套圈12r的光基本上平行于保持在相应套圈中的光纤24的光轴(或中心线)。相应光纤24的中心线在每个套圈(12r,12s)的中间平面p的一侧偏移并平行于中间平面p。
在源套圈12s内,考虑到发射的光束l从保持在套圈12s中的源光纤24发散,光束l在到达反射表面r1之前扩展,这进一步使光束在到达准直反射面r2之前发散/扩展。因此,所得到的准直光的直径/光斑尺寸s明显大于从光纤24的端面射出的光束的光斑尺寸(参见图1c)。因此,套圈12s和12r之间的光束l的截面将是扩展光束,如图1c所示。如图所示,各套圈12r和12s的相应反射表面r2在套圈12s和12r之间彼此暴露。反射表面r2通过各个套圈12r和12s的端部处的开口光学地暴露。然而,反射表面r1没有通过各个套圈12r和12s的端部处的任何开口光学地暴露。
如果光纤中心线和用于发射/入射的套圈开口位于在套圈的中间平面p的两侧侧一定距离处(例如,大约0.15mm)并且平行于套圈的中间平面p,则一空间(例如,约0.3mm)存在于反射表面r2和r1之间(后者对应于光纤中心线)。这一空间和套圈开口形成空腔19,空腔19会保持从套圈的开口端进入的灰尘和碎屑。透明窗用作防尘帽d,其放置在相应的套圈的开口端以密封空腔19。(防尘帽d的结构将在下面结合图3c进一步描述)如图1c中进一步所示,面对的套圈中的光纤24的端面之间没有物理接触。虽然图1c示出了套圈的防尘帽d之间的空间,但在使用中,套圈的端部在防尘帽d处彼此压靠。没有必要在套圈的轴向方向上保持套圈12r和12s对准(但仍然需要通过使用对准套筒(图2c中所示)围绕轴向方向横向对准),因为轴向扩展光束对光纤端面之间的距离的要求有所缓和。不需要对套圈端面进行机械抛光,因此简化了制造工艺并降低了制造成本。此外,扩展光束的相对较大的光斑尺寸减小了灰尘和碎屑污染的影响。由于光纤24的端面之间的物理接触不是必需的,因此光纤连接器之间的机械接口的耐久性将增加。可以使用更轻的轴向预载力,因为不需要相对的光纤端面的物理接触。此外,可以容忍光纤连接器之间的更多未对准,因为更大的光束直径允许连接器之间更多的未对准。
空腔19可以是空的(即,充满空气),或者可以填充具有不同折射率的不同材料(例如,与光纤的芯部折射率匹配的聚合物或环氧树脂)以使得光纤端部接口处的反射最小化。用另一种材料填充空腔19具有防止颗粒/灰尘困在空腔中并防止损坏反射表面r1和r2的额外益处。
图2a-2d示出了根据本发明的一个实施例的两个套圈(具有与图2a中所示的相似结构)与对准套筒的联接。套圈12r和12s各自具有外表面,用于与外部的对准套筒20的互补表面(即,大致圆柱形或管状的套筒20的内表面)对准。每个套圈组件的外表面通常是圆柱形的,具有接触表面轮廓,其横截面为大致椭圆形。两个相似端接的光纤可以通过对准套筒20端对端地光学耦合,两个相似的套圈12(如图2a所示)插入对准套筒20中,相应套圈的反射表面r2彼此面对,以符合图1c中所示的光路。
参照图2b,提供了分开的的套圈12r和12s,其具有至少相似的用于对准套筒20的外部弯曲表面轮廓,以及在两个套圈之间的具有相似光学几何形状的相似反射表面r1和r2。如图2b所示,每个套圈(12r,12s)端接光纤线缆带23的多个光纤。套圈12r和12s与相应的反射表面r1和r2耦合,以符合图1c所示的配置。套筒20未在图2b中示出,但在图2c中示出。套圈12r和12s通过套筒20轴向对准。在套圈之间反射的扩展光束平行于纵向轴线并且平行于套圈的中间平面(配合平面)p。套圈12的中间平面p也是相应套圈12r和12s的套圈半部13和14的配合平面。在该实施例中,对准套筒20是分开的套筒,其符合套圈12r和12s的外表面轮廓。对准套筒20通过对准套圈12r和12s的外表面来对准光纤24,以使光路l实现图1c所示的对准位置(如上所述,在套圈插入套筒中以相互对接时,套圈端部之间不会存在间距)。
在另一个实施例中,上面公开的扩展光束套圈可以是附接到光学装置(例如,气密密封的光电模块om的壳体h)的可拆卸的端接套圈12t(即,“尾纤”(pigtail))。与相似的扩展光束套圈12p端接的光纤带23(例如,接插线)可以使用对准套筒20(例如,具有互补形状的分开的套筒,其尺寸适于接收套圈12t和12p)连接到端接套圈12t。
本发明的各种实施例结合了由本发明的受让人nanoprecisionproducts,inc.开发的一些发明概念,包括各种专有技术,包括用于与光学数据传输有关的光学工作台子组件,包括下面讨论的专利公开中公开的概念,这些概念已经共同转让给受让人。
例如,pct专利申请公开no.wo2014/011283a2公开了一种用于光纤连接器的套圈,其克服了现有技术套圈和连接器的许多缺点,并且进一步改进了上述无引脚对准套筒。光纤连接器包括光纤套圈,该光纤套圈具有大致椭圆形的横截面,用于使用套筒将多个光纤的阵列与保持在另一个套圈中的光纤对准。
美国专利申请公开no.us2013/0322818a1公开了一种用于路由光信号的光耦合装置,其是光学工作台的形式,具有用于路由光学数据信号的冲压结构化表面。该光学工作台包括金属基底,该金属基底具有限定在其中的结构化表面,该结构化表面具有弯折、反射和/或整形入射光的表面轮廓。基部还限定了对准结构,该对准结构配置有表面特征,以便将光学部件(例如,光纤)精确地定位在基部上而与结构化表面精确光学对准,以允许光沿着结构化表面和光学部件之间限定的路径传输,其中,结构化表面和对准结构通过冲压可延展金属材料整体地限定在基部上以形成光学工作台。
美国专利申请公开no.us2015/0355420a1还公开了一种针对光通信模块用于路由光信号的光耦合装置,特别是以光学工作台形式的光学耦合装置,其中,具有弯折、反射和/或整形入射光的表面轮廓的结构化反射表面整体限定在金属基部上。对准结构限定在基部上,配置有表面特征,以便将光学部件(例如,光纤)定位在基部上而与结构化表面光学对准,以允许光沿结构化表面和光学部件之间的限定路径传输。结构化表面和对准结构通过冲压基部的可延展金属材料整体限定在基部上。对准结构有助于基部上的光学部件与结构化表面的被动对准,以允许光沿结构化表面和光学部件之间的限定路径传输。
美国专利申请公开no.us2013/0294732a1还公开了一种具有集成光学元件的密封光纤对准组件,特别是包括光学工作台的密封光纤对准组件,该光学工作台包括金属套圈部分,该金属套圈部分具有接收光纤端部部分的多个凹槽,其中,凹槽限定了端部部分相对于套圈部分的位置和取向。该组件包括集成光学元件,用于将光纤的输入/输出耦合到光电模块中的光电器件。光学元件可以具有结构化反射表面形式。光纤的端部与结构化反射表面相距一定距离并与结构化的反射表面对准。结构化反射表面和光纤对准凹槽可以通过冲压可延展金属以在金属基底上限定那些特征来形成。
美国专利no.7,343,770公开了一种用于制造小公差部件的新型精密冲压系统。这种创造性的冲压系统可以在各种冲压工艺中实施,以生产在上述专利公开中公开的装置。这些冲压过程涉及冲压原材料(例如,金属坯料),以紧密(即,小)公差形成表面特征的最终整体几何形状和几何形状,包括具有与其他限定的表面特征精确对准的所需几何形状的反射表面。
美国专利申请公开no.us2016/0016218a1还公开了一种复合结构,其包括具有主要部分和不同金属材料的辅助部分的基部。基部和辅助部分通过冲压成形。当辅助部分被冲压时,它与基部互锁,同时在辅助部分上形成所需的结构化特征,例如结构化反射表面、光纤对准特征等。通过这种方法,可以在基部的主体上成形相对不太严苛的结构化特征,花费更少的努力来保持相对较大的公差,而辅助部分上的相对更严苛的结构化特征通过进一步考虑限定相对较小公差的尺寸、几何形状和/或饰面而更精确地成形。辅助部分可以包括两种不同金属材料的另一复合结构,其与不同的性质相关联,用于冲压不同的结构化特征。这种冲压方法改进了美国专利no.7,343,770中的早期冲压工艺,其中经受冲压的原材料是均质材料(例如,金属带,例如可伐合金(kovar)、铝等)。冲压工艺从单一均质材料中产生结构特征。因此,不同的特征将共享材料的性质,其可能不针对一个或多个特征进行优化。例如,具有适合于冲压对准特征的性质的材料可能不具有适合于冲压具有最佳光反射效率以减少光学信号损失的性质的反射表面特征。
上述发明构思通过引用并入本文,并且将在下面引用以便于公开本发明。
图3a-3c示出了根据本发明一个实施例的用于光纤连接器10(见图10c)内的套圈12的各种视图。套圈12包括两个套圈半部13和14,其支撑光纤带23的光纤阵列24。套圈半部13和14的结构将在下面结合图4和5更详细地说明。套圈12具有整体大致圆柱形的主体,具有大致椭圆形的横截面(见图3b,其是套圈12从其自由远端(具有防尘帽d)观察的透视端部视图)。应注意,套圈12的横向侧40被截断成大致平坦的表面或具有明显更大的曲率半径的表面。
参考pct专利申请公开no.wo2014/011283a2(其通过引用并入本文),其公开了一种光纤连接器,其包括光纤套圈,该光纤套圈具有大致椭圆形的横截面,用于使用套筒将多根光纤阵列对准保持在另一套圈中的光纤。然而,这种公开没有利用扩展光束来光学耦合保持在套圈中的光纤。在本发明中,本发明的套圈12包括集成的反射表面r1和r2以实现扩展光束。
套圈12被配置成保持多个光纤24,并将其(在套圈半部13和14中的凹槽(34、34’)内,如下面将进一步说明)与设置在套管半部13和14上的多对集成反射表面r1和r2的阵列对准,每一对集成反射表面对应于一个光纤24。套圈半部14的远端与互补套圈半部13的远端齐平(即,在与光纤线缆带23延伸的另一端相反的端部处)。成对的反射表面r1和r2的阵列位于套圈半部13和14的远端附近,超出光纤24的端面22。每根光纤24的端面22位于距其相应的反射表面r1和r2一限定距离处(端面22的边缘抵靠设置在距反射表面r限定距离处的止挡部25;也参见下面讨论的图4b),并且与其相应的反射表面r1和r2对准。每对反射表面r1和r2通过反射将光引导到每个光纤24的输入端22或从每个光纤24的输出端22引导,以相对于保持在套圈12中的光纤24的光轴将光转向。如在前面的实施例中所解释的,每对反射表面r1和r2将光转向90度两次(见图1c),使得离开/进入套圈12的扩展光束平行于光纤轴线(或套圈中间平面p,或套圈半部配合平面p)。
图3c是沿图3b中的线3c-3c截取的剖视图。在该示出的实施例中,窗/防尘帽d示出为具有倾斜表面,以减少在该窗处的光反射和背散射。此外,或者在替代方案中,可以将抗反射(ar)涂层涂覆到窗上。在图3c所示的剖视图中,防尘帽d可以设置有钩17,钩17的尺寸和形状设计成填充空腔19中的空间,从而进一步保护反射表面r1和r2免受污染,并提供光束通过空腔19中的空间的更好的介质。
图4a-4b示出了根据本发明的一个实施例的在图3中的光纤套圈组件中具有反射表面r1的套圈半部14的各种视图。套圈半部14设置有弯曲的外表面15(通常符合整个椭圆形横截面的一半;也参见图3a和3b),以及内部光纤对准结构,其包括多个平行的纵向结构开口凹槽34,所述内部光纤对准结构设置在套圈半部14的主体的内表面39上(该表面面向另一个套圈半部13)。凹槽34有助于光纤24相对于相应的反射表面r1的被动光学对准,以允许光沿着反射表面r1和光纤24之间的限定路径传输。在所示实施例中,凹槽34的横截面显示为半圆形。然而,也可以使用具有v形横截面的凹槽。每个集成反射表面r1是与套圈半部14中的对准凹槽34一体的延伸部。
在所示实施例中,每个反射表面r1是背离套圈半部14的不透明主体的不透明自由表面。自由表面暴露于外部(例如,空气或折射率匹配材料),并且反射从外侧引导向自由表面的入射光(即,入射光不被引导穿过套圈半部14的不透明主体)。每个反射表面r1构造有反射几何结构,该反射几何结构弯折(即,转向或折叠)并且整形(即,发散)来自保持在套圈半部14的凹槽34中的光纤24的端面22的输出光(或者相反地,弯折和整形(即,聚焦)入射在光纤24的端面22处入射至反射表面r1上的外部光)。在一个实施例中,反射表面r1被构造为凸反射结构(例如,非球面凸镜表面)。这些反射表面r1在表面上显示为“凸起”。结构化反射表面r1沿着所需光路l与光纤24的光轴光学对准,在到达反射表面r1之前,光纤24的端面22位于距反射表面r1预定距离处,以达到所需的光束扩展水平。准直的扩展光束的直径/光斑尺寸与沿光纤24的端面22和反射表面r1之间的光路l的距离、发散反射表面r1的几何形状以及反射表面r1和r2之间的距离有关。
参照图4b(和图3c)的特写视图,设置止挡部25以限定每个光纤24的端面22在距相应的反射表面r1预定距离处的位置。止挡部25构造有短的、较窄的凹槽26(例如,具有半圆形横截面),其宽度小于光纤凹槽34的宽度。止挡部25提供限定的边界,光纤24的端面可以抵靠该边界,但允许光穿过止挡部25中的凹槽26在光纤34和相应的反射表面r1之间通过。在图4b中,单个光纤24用虚线阴影表示。如图4b所示,空腔38设置在套圈半部14的表面39中。凹槽34设置在空腔38内,并且凹入配合平面p下方(配合平面p是相对的套圈半部13的接触或配合平面p,并且也是图3中所示的整个套圈12的中间平面p),光纤24的圆柱体不会突出到配合平面p的上方。因此,光纤24的中心线(光轴)偏离(即,低于)并平行于平面p(如图1c中的情况)。套圈半部14的配合平面p也是光穿过其射入/进入套圈半部14的平面。
如图4a所示,在套圈半部14的光缆端部处设置平台16。还参考图3a,在平台16的区域处限定的空间,与在下面进一步讨论的互补套圈半部13处由平台16’限定的类似空间相结合,将提供容纳光纤带24厚度的整体空间。
具有反射表面r1和光纤对准凹槽34的开放结构的套圈半部14适合于诸如精密冲压的大规模制造工艺。本发明采用在美国专利申请公开no.us2013/0322818a和美国专利申请公开no.us2015/0355420a1中公开的冲压光学元件的概念,其通过引用完全并入本文。这些专利公开公开了通过冲压可延展金属材料整体地限定,以整体地并同时通过冲压可延展金属材料(即,原料金属材料或金属坯料)形成反射表面和光纤对准凹槽。
在一个实施例中,套圈半部14的各种结构和特征通过冲压形成。具体地,套圈半部14通过冲压可延展金属材料以整体地并同时限定外部曲面15、平台16和内部表面39上的特征(包括凹槽34、止挡部25和反射表面r1)。有效地,可以生产单件式开放套圈半部14以支撑光纤24,使其端部精确定位并相对于反射表面r1对准,并且进一步与套圈半部14的外部几何形状以及另一个套圈半部13的反射表面r2对齐(下面将对此进行说明,其也可以通过类似的冲压工艺形成)。在本发明中,对准套筒20和套圈12(包括套圈半部13和14)之间的接触有助于并限定光纤和套圈12中的反射表面r1和r2相对于另一个类似套圈12的对准,如图2中由套筒20对准的套圈12r和12s的情况。
图5a和5b示出了根据本发明一个实施例的图3中的光纤套圈组件中的互补套圈半部13。套圈半部13具有套圈半部14的一些结构特征(例如,光纤凹槽34’)。值得注意的是,与反射表面r1(凸反射)不同,套圈半部13包括具有不同几何形状(凹反射)的反射表面r2。鉴于光纤不直接在反射表面r2处引导光,因此不需要相对于反射表面r2提供光纤止挡部。
在所示实施例中,每个反射表面r2是背离套圈半部13的不透明主体的不透明自由表面。自由表面暴露于外部(例如,空气或折射率匹配材料),并且反射从外侧引导向该自由表面的入射光(即,入射光不被引导穿过套圈半部13的不透明主体)。每个反射表面r2构造有反射几何结构,该反射几何结构弯折(即,转向或折叠)并且整形(即,准直)来自反射表面r1的入射光(或者相反地,弯折和整形(即,会聚)入射在反射表面r1处的入射在反射表面r2上的外部光)。在一个实施例中,反射表面r2被构造为凹反射结构(例如,非球面凹镜面表)。结构化反射表面r2沿着期望的光路l与反射表面r1的光轴光学对准,并位于距离反射表面r1预定距离处,用于在到达反射表面r2之前具有期望的光束扩展水平。准直的扩展光束的直径/光斑尺寸与沿光纤24的端面22和反射表面r1之间的光路l的距离、发散反射表面r1的几何形状、以及反射表面r1和r2之间的距离有关。
还参考图3a和3b,与套圈半部14一样,套圈半部13设置有相似的弯曲外表面15’(通常符合整个椭圆形横截面的一半),以及内部光纤对准结构,其包括多个平行的纵向开口槽34’,所述内部光纤对准结构设置在套圈半部13的主体的内表面39’上(该表面面向另一个套圈半部14)。光纤凹槽34’(类似于套圈半部34中的凹槽34)与套圈半部14中的凹槽34互补,凹槽34和34’一起对准光纤24。
参照图5b,限定凹槽34’的内表面39’升高到配合平面p上方(升高部分33)。这是必要的,因为相对的套圈半部14中的凹槽34在配合平面p下方,如上所述。凹槽34’在配合平面p上方升高,配合平面p是与相对的套圈半部13接触的接触平面p,并且对应于图3中所示的整个套圈12的中间平面p。套圈半部13的配合平面p也是光通过其射入/进入套圈半部13的平面。
套圈半部13的升高部分33的宽度类似于套圈半部14的空腔38的宽度(或在可接受的公差范围内,略小于其宽度),使得升高部分33可以很少或没有间隙地装配在空腔38中。实际上,升高部分33和空腔38提供了使套圈半部13和14(至少在垂直于套圈12的轴线的横截面中)对准的结构,使得凹槽34和34’匹配,并且套圈半部的外部弯曲表面15和15’形成所期望的大致椭圆形的截面轮廓。
如在套圈半部14中那样,在套圈半部13的光缆端部处设置平台16’,并且在平台16’的区域处限定空间,该空间与上面讨论的互补套圈半部14中限定的类似空间相结合,将提供容纳光纤带23厚度的整体空间,如图3a中组装的套圈12所示。
在套圈半部13和14与光纤带23组装在一起的情况下,套圈半部13和14沿配合平面p配合,光纤24夹在相应的成对互补凹槽34和34’之间,从而形成图3中所示的套圈12。
与套圈半部14的情况一样,套圈半部13的各种结构和特征可以通过冲压形成。具体地,通过冲压可延展金属材料一体地并同时地限定外部弯曲表面15’、平台16’、盖部分35和内表面39’上的特征(包括凹槽34)来形成套圈半部13。有效地,可以制造单件式开放套圈半部13以与套圈半部14互补,以支撑光纤24,使其端部处于精确位置并相对于反射表面r1和r2对齐,并进一步与套圈半部13的外部几何形状以及套圈半部14的特征对准。如上面参考套圈半部14所述,本发明依赖于对准套筒20和套圈12(包括套圈半部13和14)之间的接触,以限定光纤和套圈12中的反射表面r相对于另一个类似套圈12的对准,如图2中由套筒20对准的套圈12r和12s的情况。
对于上述套圈,考虑到光纤连接器处的相邻套圈的光学对准依赖于对准套筒,套圈的外表面应该保持在高公差下以使用对准套筒进行对准。在上述实施例中,不需要对准引脚来对准一对套圈。因此,为了冲压套圈半部,将包括冲压套圈半部的整个主体的所有关键特征,包括形成凹槽、反射表面、套圈部分的配合表面、以及与对准套筒和另一个套圈的端部接触的外表面。在一个实施例中,对准套筒也可以通过冲压精确地形成。这保持了凹槽和套圈的外部对准表面之间的尺寸关系,以便于仅使用对准套筒进行光学对准而不依赖于对准引脚。
在一个实施例中,套圈主体由金属材料制成,其可以选择为具有高刚度(例如,不锈钢)、化学惰性(例如,钛)、高温稳定性(例如,镍合金)、低热膨胀性(例如,殷钢(invar))、或者与其他材料的热膨胀性匹配(例如,用于匹配玻璃的可伐合金)。每个套圈半部可以被冲压以形成整体或单体式主体,其不需要在每个套圈半部内进一步附接子部件。
图6a-6f示出了用于光纤套圈组件12’的套圈半部14’的各种视图。根据本发明的另一个实施例,套圈半部14’具有插入部i,插入部i具有反射表面r1和光纤对准凹槽34(具有与先前实施例相似的几何形状)。在所示实施例中,插入件i由高反射材料制成,并且套圈半部14’的基部b可以由不锈钢制成。基部b和插入部i都是分开预成形的(例如,通过冲压),以获得图6d中所示的单独的基部b,以及图6e和6f中所示的插入部i。如图6d和6f所示,基部b和插入部i具有互补表面特征部(例如,插入部i背面的脊80和基部b中的凹部84中的互补通道82,用于将插入部i装配到基部b)。将预成型的插入件i和预成型的基部b连接,并且执行最终的高精度的冲压操作,以获得表面特征之间以及这些特征与套圈半部14’的外部弯曲表面之间的整体几何形状和对准。这种方法允许在插入部i(例如,反射表面r1)上预先形成更复杂的表面特征,这是因为在附接和执行最终冲压操作以限定与基部b上的特征对齐的各种特征之前,处理插入部i的较小部分更加容易。
可以应用相似的插入方法来形成具有反射表面r2的套圈半部13’和与先前实施例中讨论的套圈半部13相似的其他特征。
图7a-7f示出了根据本发明另一个实施例的具有带反射表面的铆接插入部的光纤套圈组件的各种视图。在该实施例中,套圈112包括具有反射表面r1的套圈半部114,以及具有反射表面r2的套圈半部113。套圈半部113和114的表面特征大致类似于前面实施例中讨论的套圈半部13和14的表面特征。然而,光纤对准凹槽134和134’以及反射表面r1和r2通过冲压铆接插入部214和213形成,铆接插入部214和213可以由与套圈114和113的基部314和313的材料不同的材料制成,分别形成不同材料的整体复合结构。
具体而言,对于套圈半部114(类似于前面的实施例中的套圈半部14),反射表面r1的阵列、光纤对准凹槽134(类似于前面实施例中的凹槽34)和光纤止挡部125(类似于前面实施例中的光纤止挡部25)是通过将铆接部214冲压到套圈半部114的基部314中而形成的。对于套圈半部113(类似于前面实施例中的套圈半部113),反射表面r2的阵列和光纤对准凹槽134’(类似于前面实施例中的凹槽34’)是通过将铆接部214冲压到套圈半部113的基部313中而形成。在该实施例中,在插入部214和314的面对表面上设置附加的互补自对准特征。具体地,在光纤凹槽134之间冲压形成突起151的阵列,并且在套圈半部113的插入部314中的光纤槽134’附近冲压形成互补槽152的阵列。如图7f所示,突起151与槽152匹配,突起151容纳在槽152中。
这种“铆接”型冲压方法及其特征和优点在美国专利申请公开no.us2016/0016218a1中公开,该申请已共同地转让给本发明的受让人。这种冲压过程的细节在此不再讨论,但并入本文作为参考。使用其中讨论的方法的设计考虑可以应用于冲压形成本文中的铆接插入部,并且这里将不再重复。
图8a-8c示出了根据本发明的一个实施例的用于套圈半部以容纳铆接插入部的基部的替代构造。图8a和8b示出了在铆接部成形之前的套圈半部基部161和162的替代设计。贯穿开口171和172设置在基部161和162上,用于分别在基部161和162上接收铆接插入部。凹部173和174接收相似于图6中所示的插入部的较薄的插入部,适用于某些类型的表面特征,或者从开口171和172处的铆接插入部溢出的材料的一部分。
图8c是示意性剖视图,示意性地示出了接收并部分冲压在基部的贯穿开口中的铆接部。
图9a-9i示出了根据本发明的又一个实施例的具有带反射表面的铆接插入部的光纤套圈组件112’的各种视图。在该实施例中,设置较少的光纤对准凹槽,因此套圈112’可以容纳较少的光纤。这允许更多空间用于在最终冲压操作期间在铆接部分中冲压轴向对准特征。在该实施例中,互补的突起251和对准凹坑252设置在相应的套圈半部114’和113’上的铆接部分214’和213’上。
在本发明的另一个方面,套圈组件结合在光纤连接器中。参见图10a至10d,具有lc连接器壳体的形状因子的连接器10包括上述的套圈12。在图10a中,套圈1’2被压入保持件71的开口端,形成图10b所示的形式。收缩包绕部72形式的柔性套圈设置在保持件71的另一端,光纤带23延伸穿过该柔性套圈。在图10c中,套圈12插入套圈壳体74中,并且保持件71通过预加载弹簧77插入连接器壳体75中。压接部79将保持件71保持在连接器壳体75中的正确位置。靴部76覆盖压接端。图10d示出了完成的连接器10。具有相似套圈的互补连接器可以使用对准套筒20光学连接,类似于图1和2中所示的示意图。
根据本发明的套圈克服了现有技术的许多缺陷,导致光纤扩展光束连接器具有低插入和回波损耗,这提供了易用性和高可靠性以及低环境敏感性,并且可以以低成本制造。
虽然已经参考优选实施例具体示出和描述了本发明,但是本领域技术人员将理解,在不脱离本发明的精神、范围和教导的情况下,可以在形式和细节上进行各种改变。因此,所公开的发明仅被认为是说明性的,并且仅在所附权利要求中指定的范围内受到限制。