使用大直徑對齊銷的光纜連接器的制作方法

專利名稱：使用大直徑對齊銷的光纜連接器的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及光纖連接器和裝置。本發明尤其涉及包括一圓桿對齊特征的光纖連接器。
背景技術：
光纖正越來越多地用于光信號的傳送。光纖使傳送能力和傳送特性遠遠超過傳統的銅線。
但是，光纖的使用還存在一些困難。事實上，光纖是光信號的導體。為了避免失去或退化傳輸中的光信號，任何時候都要求光纖精確對齊偶合，并彼此相連或連接到光學裝置上。光傳輸效率是測量一連接器精確耦連所傳送的光信號能力的術語。
光纜的使用一般限于大規模的長距離干線設施，諸如電訊工業的設施，光纖傳送特征的改進使得費用上升，相應的制造和安裝也變得困難。盡管如此，但由于通訊媒體和數據容量的需求不斷上升，所以對于較短距離的信號傳送或連接局域裝置，使用光纜的優越性正在不斷提高。這種提高要求使纖維光纜精確地且經濟地相互連接起來并連接到多個裝置上。
發展實用的光纜連接器的一個明顯的問題是連接器的光傳輸效率。各種因素影響了連接器的光傳輸效率，包括(a)鄰接處的間隙分離，(b)由于軸向錯位引起的橫向分離，以及(c)連接器的熱膨脹特性。
已研制了許多光纜連接器，旨在連接光纜。由于數據的需求不斷擴大，單纖維光纜已經讓路給多纖維光纜，諸如包括多個平行對齊的光纖的平行寬帶光纜。由于纖維的數量不斷上升，給保持連接器的傳輸效率帶來了困難。
已知的多纖維連接器的例子包括Berg Electronics的MACTM連接器和美國的Conec的MT連接器。其它的光纜連接器的例子揭示在如下的美國專利中，Katsura等人的5,420,952，Longhurst的5,276,755，Foley等人的5,500,015，Finzell的4,784,457，Sizer第二等人的5,430,819以及Shahid的5,287,426。
許多已知的連接器具有與它們本身相關連的缺點。

圖1中所示的MT-型連接器是目前最常用的連接器之一。連接器10包括一具有兩個伸出的長銷20和22的包套(ferrule)12。所提出的TIA/EIA-604-5MT連接器互匹配能力標準規定，對齊銷必須從包套的表面伸出至少是銷直徑的2.285倍(0.7毫米直徑的銷伸出1.6毫米長)。
諸如MT連接器的長而細的銷試圖控制連接器在x、y和z軸的移動。長銷可有助于某些應用獲得合適的光纜連接，銷和孔的連接對于使用者很直觀。但是，這種長銷的使用在連接、對齊、耐用性和制造方面存在不少的問題。
如圖2和3所示，在MT-型連接器的連接過程中，包套12與插座14是過盈壓配。插座14有一個接納孔30。銷20插入對應的接納孔30。要有較多的插入表面來使每一小直徑(～0.7毫米)銷完全位于插座孔中。已計算出，MT連接器插入匹配的插座孔中的過盈壓配需要約6牛頓的力才能完全插入。如果銷不能完全插入，兩包套之間的空氣間隙將引起嚴重的光損失。
在連接之前，銷的正確對齊是很重要的。圖2示出了0.7毫米的MT連接器銷20的0.5毫米橫向錯位。即使橫向錯位很小(例如半個毫米)、銷20和匹配容納孔30的直徑較小也會導致完全不能耦連。
圖3示出了銷20角度偏移的結果。即使很小的角度偏移，也會因銷的長度而擴大了這種結果，即使角度偏移再小，也會導致完全不能耦連。
如果銷20在與匹配孔30接合之前不能較好地對齊，銷20可能偏離孔30并使匹配包套14裂開，從而導致災難性的問題。長而細的金屬銷20和22在插入和拔出時也可能彎曲，從而在隨后的插入中損壞匹配包套14。長銷與匹配孔的較大的過盈壓配會使孔磨大，會使不希望的殘片殘留在連接器的匹配表面，這樣會使信號失效。由于銷伸出MT的匹配表面較遠，匹配表面很難保持干凈。
MT連接器的制造還包括嚴格控制至少9個方面的尺寸的公差(1)銷的直徑，(2)銷的直度，(3)銷的錐度，(4)孔的直徑，(5)孔的直度，(6)孔的角度，(7)孔的錐度，(8)孔相對于匹配孔的位置，(9)孔相對于纖維的位置。因此，使用傳統對齊銷使制造的難度和費用都上升了。
另一要考慮的問題是長的突出的金屬MT對齊銷會起到“天線”的作用，當它位于高頻元件附近時會引起電磁干擾。這種干擾又會產生對于其它設備和元件的信號干擾。
已與本發明一起轉讓給3M公司的、名稱為“多纖維或單纖維光纜連接器的對齊組件”的美國專利5,778,123揭示了另一種光纜連接器的結構，此內容在此援引以作參考。該專利揭示了一種圖4所示的“球窩”對齊結構，包套100中的凹部或窩130容納一球120，而不是一長銷。凹部130深度為d1。球120的半徑為R，R＞d1。球和窩的結構具有顯著的優點，因為這種結構不會過分苛求z軸方向的對齊，只需控制兩個制造公差很容易控制的、該對齊球的尺寸和兩凹部之間的間隔。
但是，球120對對應的對齊凹部130只提供了有限的接合表面。有限的接合表面導致了球120與包套100的不夠充分的接合。此外，球和窩的結構由于包套和纖維端部的過分摩擦而容易損壞。如圖5所示，過度摩擦球與窩的包套表面可能會損壞或擦掉球的對齊凹部或腔，從而制約了球的精確對齊。
這樣為改進光纜連接器和對齊特征留下了空間。
發明概要本發明提供一種纖維光纜連接器，它包括一個新穎的對齊結構，具有超過傳統連接器的改進的對齊和制造特性，同時又具有傳統的銷連接器和球窩連接器的優點。連接器包括緊密配合到尺寸合適的孔中的大直徑對齊桿，使光纖芯對齊，從而形成低耗損光互連。大直徑桿被定義為桿的直徑要大到使桿從含有孔的表面伸出的距離小于桿的直徑的兩倍。
本發明的纖維光纜連接器具有第一連接器包套和使第一連接器包套與一匹配的第二連接器包套對齊的對齊裝置。在一示意性的實施例中，纖維光纜連接器包括一第一連接器包套，它具有一第一匹配表面。匹配表面有至少一個容納腔，至少一個伸出的對齊桿坐落在腔內并從匹配表面伸出。對齊桿具有直徑D1、從匹配表面伸出的長度距離為p1，P1≤2D1在一示意性的實施例中，桿有一半球形頂端，且0.5D1≤p1≤2D1。
纖維光纜連接器還包括一具有第二匹配表面的第二連接器包套，它一與第一連接器包套相對對齊。第二匹配表面有一第二容納腔，深度為p2，P1＜P2。
第二連接器包套還可包括一第二腔和至少一個坐落在該腔中的第二伸出的對齊桿，對齊桿的直徑為d1，從匹配表面伸出的長度距離為p1，P1≤2d1。此外，第一連接器包套的第一匹配表面可有一第二容納腔，深度為p2，p1＜p2，第一容納腔構造成被對齊，以容納第一對齊桿，第二容納腔構造成被對齊，以容納第二對齊桿。
纖維光纜連接器還可包括縱向槽，這些槽做成容納至少一根光纖。在一示意性的實施例中，匹配表面位于連接器包套的縱向端部(由光纖的方向定義)。
在本發明連接器的另一實施例中，連接器包套構成一裝置容納腔。一光電元件放置在裝置容納腔內，一柔性線路電連接于光電元件。在一示意性的實施例中，柔性線路將光電元件封裝并保護在容納腔內。柔性線路可包括至少一個與光電元件光對齊的光傳輸窗口。
附圖簡要說明圖1是一MT-型連接器的立體圖。
圖2是圖1所示的連接器的橫向錯位的銷的剖面圖。
圖3是圖1所示的連接器的角偏移銷的剖面圖。
圖4是一球窩連接器的連接器端部的剖面圖。
圖5是一過度摩擦的球窩連接器的一部分的剖面圖。
圖6是本發明一連接器包套的立體圖。
圖7是圖6所示的連接器包套的連接器端部的一部分的剖面圖。
圖8是圖6所示的連接器包套和支承器具(supporting hardware)的立體圖。
圖9是本發明一連接器組件的立體分解圖。
圖10是本發明一連接器中的橫向錯位的桿的剖面圖。
圖11是本發明一連接器中的角偏移桿的剖面圖。
圖12是一剖面圖，它順序示出了本發明的兩個連接器包套，用于指出消除錯位。
圖13是本發明一連接器的過度摩擦的連接器端部的剖面圖。
圖14是本發明一光電裝置插座的立體圖。
發明的詳細說明圖6示出了本發明一連接器包套200的一個示意性的實施例。本發明中的術語連接器是指包括將兩個或更多的光纜端部、一個光纜端部與一個光學裝置或兩個或更多的光學裝置相連和對齊的那些裝置。因此，本領域的技術人員很容易地知道，本發明可用于使兩個光纖連接器包套彼此對齊，或者使一個光纖包套對齊于一光源、探測器或其它光學裝置。
包套200包括一對齊塊或本體210。為便于說明，把一方向定為包套200的縱向z軸，包套沿此方向容納和對齊光纖。本體210有一位于本體210縱向端部的匹配表面212和一位于本體210頂部中間的纖維容納表面214。纖維容納表面214允許頂部負擔一個或更多的光纖，并包括多個使光纖保持平行和對齊的v槽216。本體210還包括沿本體210的側面縱向設置的第一和第二容納窩230和232。在本示意性的實施例中，本體由諸如Ticona公司的Fortron6165A6的熱塑性塑料構成。包套也可由包括金屬、陶瓷、熱固塑料的許多其它材料中的任何一種或其它合適的材料制成。
窩230和232分別構成了第一和第二容納腔234和236。圖7是窩230的縱向剖面圖。一對齊桿220過盈壓配于窩230的容納腔234。第二對齊桿222(如圖8和9所示)可坐落在第二容納腔236中。
在本實施例中，桿220是圓柱形的，且直徑D為2.0毫米，長度為6毫米，并有兩個球形端部222和224。對齊桿220可由硬的耐用的材料制成，包括塑料、金屬、陶瓷或金屬合金，諸如不銹鋼合金303SS。容納腔234類似于圓柱形，且直徑為2.0毫米，深度為4.5毫米。當對齊桿220插入容納窩230中時從匹配表面212伸出約1.5毫米距離p的長度。球形端部桿伸出距離p在桿220的直徑D的0.5至2倍之間(即0.5D≤p≤2.0D)，以提供球形端部支柱。對于球形或半球形端部桿，0.5D的距離p等于球體的半徑，從而允許桿的全直徑與一相對的容納腔對齊。
在另一實施例中，桿和容納腔的形狀可以是多面體，且腔的直徑可根據用于包套的材料和所需的配合可以略大于、等于或甚至小于D。在這些實施例中，直徑D是根據桿的剖面厚度測量的。此外，對齊桿的端部幾何形狀可以有多種，諸如球形半徑、斜切、斜面。如果桿頂端不是半球形的，桿的伸出量可以小于0.5的直徑，同時，最好使桿的全直徑都暴露，以便對齊匹配連接器。
圖8和9示出一包括包套200的連接器包套組件900。圖8示出一組裝而成的連接器，它示出了纖維光纜800、應力消除防護套(strain reliefboot)804、閉鎖體250、包套200、包套覆蓋件816和對齊桿220和222的相互對齊。
圖9示出了連接器組件900的立體分解圖。纖維光纜800包括一外護套801，內含一種含纖維的凱夫拉爾加強件803，它包圍水平排列的光纖802。光纜800穿入張力減輕保護套804，保護套804限制了光纜800的彎曲。光纜護套的保持套(retention sleeve)805在光纜800上滑動，以防止光纜護套801朝后滑入應力消除保護套804內。
光纖802插入連接器本體810。連接器本體810包括一連接于波紋區域812的中心體811以及包套對齊支柱813和包套保持榫舌815。光纜加強件803被夾在波紋區域812與波紋圈806之間。隨后壓緊波紋圈806，從而將加強件803夾在波紋區域812與波紋圈806之間。
彈簧817被放在包套對齊支柱813之上，包套200插在對齊支柱813和保持榫舌815上，從而壓縮彈簧817。光纖802陣列穿過連接器本體810并靠在包套200中，與v槽216對齊。然后陣列802通過包套覆蓋件816保持在適當位置。陣列802的端部被拋光與包套匹配表面212齊平。一個或兩個對齊桿220插入包套窩230和232中。最后，將閉鎖體250安裝在包套200上并將之連接于連接器本體810。
圖10-12示出了包套200與匹配包套300的連接。包套300通常與包套200對稱，并包括一相對的匹配表面312和相對的匹配窩330。如圖10-12所示，在連接過程中，匹配包套300與包套200相對放置。桿220與匹配容納腔336相對對齊，而匹配包套300的桿320與容納腔236相對對齊。匹配容納腔有一深度P2，P2＞P。當對應的桿與腔匹配時，v槽以及光纖因此而對齊。
本發明的較大球形端支柱220允許有較大的對齊不重合和較可靠的匹配。便于匹配是很重要的，因為連接器的許多應用、諸如子卡(daughtercard)與底板的連接，要求“盲匹配”，即在接合之前是不可能看到連接器的方位的。圖10示出了大直徑桿220是如何補償0.5毫米橫向錯位的，諸如前面的圖2所示。優點是與對齊結構的直徑成正比，對齊結構越大，桿容許的錯位也越大。
圖11示出了大小與前述的圖3相同的角偏移的補償。一伸出部分有限(從0.5至2倍的桿直徑)的對齊桿極少受到因對齊孔中的角度的不精確引起的錯位的影響。此外，伸出部分有限的大直徑對齊桿與較細的、較多暴露的對齊桿相比不易彎曲和折斷。圖12示出了包套200和300的匹配過程，從最初的對齊(圖12A)到橫向錯位的補償(圖12B)、至耦連(圖12C)。
本發明連接器的另一優點是桿與包套之間的較牢固的接合。如圖7和13所示，較大的圓球端部支柱提供了較大的接合和接觸區域，這導致了桿與包套之間的較良好的結合。還有，如圖13所示，本發明不容易發生過度摩擦。過度摩擦包套200的表面212僅僅會使桿的伸出部分略微增大，這對連接器的對齊沒有影響。
本發明的大直徑短伸出的桿的結構還有其它優點。桿具有較大的對齊兩包套的表面面積，不用象長銷連接器那么深地插入窩，從而顯著地降低了所需的插入力。此外，由于球形端部支柱不是尖的，不會很深地穿透匹配包套，使不希望的碎片降到最少。由于桿伸出表面不多，所以球形端部支柱連接器容易清潔。本發明提高了接口的可靠性和質量。球形端部支柱由于其較大的橫截面和從連接器表面伸出的部分盡可能短從而更為堅牢而不易受損。
最后，由于桿較長銷短多了，從連接器表面伸出的距離不象傳統銷那么長，所以本發明使不希望的“天線效應”降到最小。
本領域的技術人員應明白，當連接需要精確對齊的多種光學裝置以及甚至是非光學裝置時可使用本發明。圖14示出了本發明的光電裝置插座。插座400包括一本體或對齊塊410，它具有一接觸表面412。表面410限定了第一和第二容納腔430和432。對齊桿420可位于窩430和432中的任一個或兩個中，以將桿對應放置在諸如包套200的匹配包套內。桿420的直徑為D、從接觸表面412伸出的距離在0.5至2倍D之間。表面410還構成一裝置容納腔452。一光電元件450放置在腔內。一柔性線路454放置在光電元件上并與之電連接。柔性線路454可以具有多個窗口456，它包括與光電元件的光接受器或發射器對齊的傳輸光的聚和體。柔性線路454將光電元件封裝和保護在容納腔452內。
本領域的技術人員應知道，當連接需要精確對齊的多種光學裝置以及甚至是非光學裝置時可使用本發明。盡管已結合一示意性的較佳實施例描述了本發明，但在不脫離本發明基本精神的情況下還可以其它的具體形式來實施。因此，要知道的是，在此描述和示出的實施例僅用于舉例說明，而不是用于限制本發明的范圍。還可根據本發明的基本精神和內容范圍進行其它的改變和變化。
權利要求
1.一種光纖連接器，它包括a)一第一連接器包套(200)，包括i)一第一匹配表面(212)，ii)至少一個從匹配表面延伸伸出的對齊桿(220)，該對齊桿的直徑為D1，從匹配表面伸出的長度距離為p1，p1≤2D1。
2.如權利要求1所述的光纖連接器，其特征在于，還包括a)一具有第二匹配表面(312)的第二連接器包套(300)，它被構造成與第一連接器包套相對對齊，第二匹配表面有一第一容納腔(336)，其深度為p2，P1＜P2。
3.如權利要求1或2所述的光纖連接器，其特征在于，對齊桿有一球形頂端(222)。
4.如權利要求1至3中的任何一項所述的光纖連接器，其特征在于，0.5D1≤p1≤2D1。
5.如權利要求2至5中的任何一項所述的光纖連接器，其特征在于，a)第二連接器包套還包括至少一個第二伸出的對齊桿(320)，該對齊桿的直徑為d1，從匹配表面伸出的長度距離為p1，p1≤2d1，b)第一連接器包套的第一匹配表面有一第二容納腔(236)，其深度為p2，p1＜p2，以及c)第一容納腔構造成被對齊，以容納第一對齊桿，而第二容納腔構造成被對齊，以容納第二對齊桿。
6.如權利要求1至5中的任何一項所述的光纖連接器，其特征在于，連接器包括諸縱向槽(216)，以容納至少一根光纖，并且，匹配表面位于連接器包套的縱向端部。
7.如權利要求1至6中的任何一項所述的光纖連接器，其特征在于，a)連接器包套限定一裝置容納腔(452)，b)連接器還包括一放置在該裝置容納腔內的光電元件(450)，以及c)一柔性線路(454)電連接于光電元件，柔性線路封裝并保護容納腔內的光電元件。
8.如權利要求7所述的光纖連接器，其特征在于，光電元件包括一柔性線路，該柔性線路包括至少一個與光電元件光對齊的傳送光的窗口(456)。
全文摘要
一種光纖連接器,具有超過傳統連接器的改進的對齊和制造特性。本發明的光纖連接器具有第一連接器包套和使第一連接器包套與一匹配的第二連接器包套對齊的對齊裝置。光纖連接器包括一具有第一匹配表面的第一連接器包套。匹配表面具有至少一個容納腔,至少一個伸出的對齊桿坐落在該腔中,并從匹配表面伸出。對齊桿的直徑為D
文檔編號G02B6/42GK1328652SQ99813778
公開日2001年12月26日 申請日期1999年4月30日 優先權日1998年11月30日
發明者N·A·李, S·A·伊格爾, G·D·亨森 申請人:3M創新有限公司