CN103119489B - 用于光学部件的成像接口 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用对光束成像而不是准直光束的光学器件(例如，透镜)的光接口。更具体地，在接口处的每个连接器包括适于接收从场点发出的发散光束并使得光束成像到距离成像透镜预定距离处的像点的光学器件，例如透镜。采用这样的光学器件的连接器可例如有效地配合到具有相同光学器件的相似的连接器或者到没有透镜的连接器。根据本发明的光学连接器包括用于可释放地配合另一光学连接器的光学连接器主体(210)以及具有光交换面的光学部件(201-206)。此外，光学器件(221-226)定位在光学部件(201-206)的光交换面的前面，其适于接收从光学部件的前端面发出的光束并将其成像到像点。

Description

用于光学部件的成像接口

技术领域

本发明涉及光电子学。更特别地，本发明涉及用于彼此连接两个光学部件例如光学纤维或者光波导的方法和设备。

背景技术

典型的情形是，在光学传输部件例如光学纤维上传输的光信号必须在一光学纤维和另一光学纤维或者光电子设备之间进行耦合。典型地，光学纤维的端面配备有给定的标准化的波形因数的光学连接器，例如MT，所述连接器可以耦接到另一光纤或者光电子设备上的配合光学连接器。

通过一对配合连接器彼此连接的光缆可以包括单一光学纤维。但是，越来越常见地，光缆包含多个光学纤维，在电缆中的每个光学纤维中的光通过一对配合连接器耦合到另一电缆中的相应光学纤维或者光电子部件中的相应的光接收器或者发送器中。

光学连接器一般必须非常精确地予以制造以保证尽可能多的光线传输通过接口光纤以最小化传输过程中的信号损失。在典型的光学纤维中，光线一般仅包括在光纤的芯部内，对于单模光纤，该芯部典型地具有大约10微米的直径，对于多模光纤，该芯部典型地具有大约50微米的直径。灰尘斑点的横截面典型地大于10微米。相应地，在两个光纤的接口处的单个灰尘斑点会实质性地或者完全地阻挡光纤中的光信号通过连接器。

相应地，熟知使用扩张光束（expandedbeam）连接器，特别是在其中可能在一定场合例如起伏（rugged）或者多尘环境的情形中。扩张光束连接器包括扩张光束以增大在连接器的光接口处(也就是，设计成连接到另一光学连接器或者光电子设备的连接器的末端)的光束的横截面的光学器件(例如透镜)。当然，取决于光线穿过连接器的方向，透镜也可以扩张离开光纤的光束到更大的横截面，用于耦接到配合连接器的相应透镜或者使得从另一连接器的相应透镜进入透镜的光束成像到光纤的面中的成像点。一般而言，这样的接口采用准直光学器件以使得两个配合连接器的光学器件之间的光束被准直，并且其光斑尺寸比光线从其发源的光纤的芯部（以及光线正被导向到的光纤的芯部）大很多。

发明内容

本发明涉及采用对光束成像而不是准直光束的光学器件(例如，透镜)的光接口。更具体地，在接口处的每个连接器包括光学器件，例如透镜，其适于接收从场点发出的发散光束并使得光束成像到距离成像透镜预定距离处的像点。采用这样的光学器件的连接器可例如有效地配合到具有相同光学器件的相似的连接器或者到没有透镜的连接器。根据本发明的光学连接器包括用于可释放地配合另一光学连接器的光学连接器主体以及具有光交换面的光学部件。此外，光学器件定位在光学部件的光交换面的前面，其适于接收从光学部件的前端面发出的光束并将其成像到像点。

附图说明

现在将通过例子参照附图描述本发明，其中：

图1是现有技术的多光纤扩张光束光学连接器的示意图；

图2是根据本发明的原理的多光纤扩张光束光学连接器的示意图；

图3是根据本发明的原理的两个配合的多光纤扩张光束光学连接器的示意图；

图4是配合到现有技术的没有光学器件的光学连接器的根据本发明的原理的多光纤扩张光束光学连接器的示意图。

具体实施方式

传统地，采用扩张光束耦合的光学连接器包括用于每个光学部件的单独的透镜。以下的讨论将参照其中光学部件是光学纤维的实施例。但是，应当理解，这仅仅是示例性的，本发明可以应用于连接任何两个光学部件，包括光学部件，例如光纤、波导以及光电子装置的任何组合，其中所述光电子装置例如为光电二极管、光电探测器、以及光学和光电子的接收器、发射器和收发器。具体地，光缆的光学纤维被***到连接器的套圈中，该套圈在连接器中精确地横向(也就是与光纤的光轴相横向)对齐包含在其中的光纤，用于光学耦接到配合连接器中的相应的光纤。透镜布置在每个光纤的前端，用于准直离开光纤的光束(或者聚焦在光纤的前面上的光束，在这样的情况下：即光线在其它方向传播，即，从配合连接器的相应光纤进入该光纤中)。

图1是示出传统的扩张光束连接器的基本部件的示意图。为了不使得附图不清楚，附图示出多根光纤的仅一根的光束路径。多根光学纤维101，102，103，104，105，106进入连接器主体110的后部并终止在连接器主体110的前端附近的端面处。连接器主体适于可释放地配合到另一连接器主体以提供两个光学部件之间的可分离的光学连接。这样的连接器在光学领域是熟知的，包括诸如MPO、SC、ST、FC和LC的熟知的标准化的波形因数。透镜121，122，123，124，125，126(在图中示意性地示出为单根曲线，但是本领域技术人员可以将其理解为实际的三维的透镜)定位在每个光纤101-106的端面前面。透镜121-126是准直透镜。更具体地，光束115从每个光纤101-106离开(在图中仅示出从光纤101发出的一个光束)一般开始于大致等于光纤芯(例如，对于单模光纤，10微米；或者，对于多模光纤，50微米)的光斑尺寸，并且它一离开光纤的前端面就开始发散(见图中的光束部分115a)。每个透镜121-126接收来自发散光束115的光线并使得其准直以使得扩张直径的准直光束(见图中的光束115的光束部分115b)从透镜121的前端离开。扩张的准直光束115b较少地受到连接器110和该连接器110在传输***中连接到其上的配合连接器之间的尘粒以及其它污垢的影响，因为扩张的准直光束直径比原光束宽度大很多。扩张光束连接器一般用来连接到同样设计并包含相同透镜的另一扩张光束连接器以使得另一连接器中的透镜将接收准直的扩张光束并将准直光束聚焦回到在那个连接器中的光纤的端面上的点。

例如在图1中所示的扩张光束连接器不能有效地耦接到并不包含准直光学器件的更传统的连接器，因为从扩张光束连接器的透镜发出的扩张光束的仅一非常小的部分的光线可以进入非扩张光束连接器的光纤。也就是，扩张光束的大多数光线将在目标接收光纤的孔之外。

图2是根据本发明的原理的光学连接器210的示意图，其中接口包括光学器件，例如，透镜，就如扩张光束连接器一样，但不是采用准直透镜，而是它采用成像透镜。例如，折射成像透镜221，222，223，224，225，226布置在每个光纤201，202，203，204，205，206的端面的前面以将透镜中的光线成像到像点p。注意到，在该实施例中，像点p恰好在连接器主体210的前端处。透镜可以采用许多形式，包括单一的、多件式的以及全息的(见美国专利6,012,852)透镜。

如可以在图2中看出的，光束215如在图1中那样离开光纤201，即，作为发散光束离开，如由第一光束部分215a所示例的。当它遇到成像透镜221时，透镜将光线成像到像点p，如由光束215的光束部分215b所示例的。超过像点p，光束215开始再次发散，如图2中的光束部分215c所示例的。

该接口具有超过如图1所示的更传统的扩张光束连接器的若干优点。首先，这实际是扩张光束接口，因为正如利用准直透镜的扩张光束连接器中的那样，光束在透镜的前表面处扩张。虽然光束发散到像点，该像点不必在灰尘可粘附到其上的表面上。而是，如将从下面的讨论变得明显的，像点可以在空气中，在那里灰尘不能粘附，因此担心更少一点。因此，图2的发散光束接口具有与准直光束连接器一样的许多优点。而且，如果这样的连接器将被拆开，从连接器逃离的光线将为发散光束，如可以在图2中看出的。这比图1的准直透镜更安全在于，如果发散光束在距离连接器一定距离处进入人眼中，它会比准直光束更不危险得多，其中所述准直光束比本发明的持续发散的光束聚集更多。当然，在本发明的接口中的透镜的像点p处或者非常靠近该像点p处，光束实际上比准直光束接口的光束更聚集。但是，实际的情况是，人员非常不可能意外地将他或她的眼镜如此靠近连接器地暴露于从光学连接器发出的光束。

另一个优点是这样的事实：采用这样的成像透镜的光学连接器可以有效地耦接到相同设计的另一连接器或者在光纤前面不包含光学器件的连接器。更具体地，采用本发明的原理的连接器可以有效地将来自其光纤的光线耦合到另一连接器中的光纤，而不管另一连接器是根据本发明的原理的采用另一成像透镜的相似的连接器，还是在光纤端面前面没有光学器件的更传统的连接器。

图3和4示出这样的事实。特别地，图3示出根据本发明的原理的两个连接器，其采用在它们的各自光纤前面的成像光学器件，并示出光线如何可以聚焦到接收光纤前面上的像点。另一方面，图4示出采用连接到传统的连接器(其在其光纤前面没有光学器件)的成像光学器件的本发明的连接器，其示出光束如何仍可成像到在接收光纤的前面上的点。

首先参照图3，两个连接器主体300，320适于耦接在一起以横向对齐第一连接器中的每个光纤301，302，303，304，305，306与第二连接器320中的相应光纤321，322，323，324，325，326，由此用来耦合光线。诸如MT类型连接器的这样的连接器在本领域是熟知的，因此关于实现适当的横向对齐就无需进一步讨论了。从第一连接器300的光纤301发出的光束315随着它离开光纤301(如光束部分315a所示例的)而发散，直到它进入透镜311(其在图中示意性地表示为单根曲线，但是本领域技术人员可以理解它实际为具有一定深度的透镜)。透镜311将光束成像到像点p(在图3中由光束部分315b示例)。

第二，相同的连接器320耦接到第一连接器300。两个连接器设计为以使得当它们耦合在一起时，两个透镜的像点大致重合。这样，被成像到点p的光束通过该点分散(在图3中由光束部分315c示例)直到它遇到连接器320的透镜321的前部。透镜321将光束成像回到在透镜321的前表面后面一定距离处的第二像点，该一定距离与光纤和连接器300中的透镜301的前面之间的距离相同，接收光纤321的端面定位在那里。

这样，两个具有相同光学器件的连接器有效地将两个光纤之间的光线耦合，如果连接器设计成将两个透镜定位为使得它们的像点大致重合的话。

注意到，两个配合透镜的光学器件不必必须为相同的。如果光学器件不相同，那么两个透镜的前面之间的距离可以被调节以保证最多的光线耦合。

转到图4，两个连接器主体400，420适于耦接在一起以横向对齐第一连接器410中的每个光纤401，402，403，404，405，406与第二连接器420中的相应的光纤421，422，423，424，425，426，通过此用来耦合光。从第一连接器400的光纤401发出的光束随着它离开光纤401直到它进入透镜411而分散。正如图3中的，透镜411将光束成像到像点p。在它的光纤421，422，423，424，425，426前面没有光学器件的第二连接器420耦接到第一连接器400。如果第二连接器420设计为以使得光纤421的前面定位在位置p处，那么该光纤的前端面将位于光束的像点。对于其它光纤402-406，情况也是如此。

这样，两个具有相同光学器件的连接器可以有效地耦合两个光纤之间的光线。但是，甚至进一步地，具有成像光学器件的一个连接器和在光纤前面没有光学器件的另一连接器可以有效地耦合两个光纤之间的光线，只要没有透镜的连接器的光纤定位在有透镜的连接器的透镜的像点p处。

对于光学领域的技术人员来说明显的是，在与上面关于图3和4描述的光线的方向相反的方向传播的光线将恰好以互补的方式表现以使得光线可以在两个连接器的配合光纤之间双向耦合。例如，在相反方向上传输通过图3的构型的接口的光束的表现（behavior）是微小的。因为两个连接器是相同的，所以在相反方向传输通过接口的光束的表现是相同的。事实上，如图3所示的光束线代表在两个方向传播的光线(仅仅是光线的方向将彼此相反)。

对于图4的构型，情况也同样如此。也就是，在图4中所示的光束线将等效地代表在相反方向传输通过接口的光线的光线路径。特别地，发散光束将离开光纤的前端面并分散直到它遇到连接器400中的透镜411的前部，该透镜将使得光束被成像到光纤401端面上的像点。

本发明的光接口可以提供对在光纤前面没有光学器件的传统的连接器提供向后兼容性。例如，传统的MT连接器在光纤前面并不具有光学器件。这样，如果本发明的原理被应用到MT类型的连接器中，这样的成像连接器可以有效地耦接到相同的成像MT连接器以及传统的MT连接器。

因为透镜在p处形成光纤的图像，因此横向和角向错位容差在本发明的两个成像连接器之间实质上与在两个没有透镜的连接器之间的容差相同。这样的一个重要优点在于，用于对齐两个套圈的机械***对于两个没有透镜的连接器、两个成像连接器、或者配合到没有透镜的连接器的成像连接器可以是相同的。例如，MT套圈或者单一光纤套圈设计成精确控制两个配合套圈的横向对齐。但是，角向对齐并不需要严格控制，因为这在没有透镜的光纤-光纤应用中并不需要。如果现有技术的准直透镜用于制造扩张光束连接器，那么两个套圈的角向对齐必须非常精确，并且不能通过使用标准的连接器硬件来实现。本发明并没有这样的问题。

以上的讨论描述了一种理想的光学***，其中光线被成像到点p。这样的理想的光学***可以通过诸如单模光纤的“点源”来合理地实现。但是，多模光纤的更大的芯部并不能合理地近似于理想的点源。因此，诸如ZEMAX^TM的光学设计软件可以用于优化用于图3和4所示的两个构型的光线传输。这样，光学领域的技术人员将理解，优化解决方案可以不必形成如典型地用于光学行业中的那样准确的图像。

尽管在此及上已经关于用于彼此耦接光学传输部件的实施例描述了本发明，但是，本发明可以应用到其中光线将在两个光学部件的光线发射和/或接收(在此及后光线交换)面之间耦合的任何的情形中。这包括光学传输部件例如光学纤维和波导，以及光电子部件例如光电二极管、光电检测器、激光器或者任何其它的光电接收器、发送器或者收发器。例如，在光电子发射器和光学纤维之间的耦接中，发送器可以装备有根据本发明的原理的成像透镜，并可以光学耦接到与没有透镜的连接器或者根据本发明的配备有成像透镜的连接器端接的光学纤维。

Claims (7)

1.一种光学连接器，包括：

光学连接器主体(210)，其具有用于接收具有光交换面的光学部件(201-206)的第一表面，并且所述光学连接器主体具有与所述第一表面相反并且用于可释放地与另一光学连接器配合的第二表面，所述第二表面位于所述光学连接器主体的前端部；和

定位在所述光学部件(201-206)的光交换面的前面的光学器件(221-226)，该光学器件适于接收从所述光学部件的光交换面发出的光束并将该光束成像到像点，其中所述像点被定位在所述光学连接器主体的所述前端部的空气中。

2.如权利要求1所述的光学连接器，其中，所述光学部件是光学传输部件(201-206)，所述光交换面是该光学传输部件的端面。

3.如权利要求1所述的光学连接器，其中，所述光学部件包括多个光学传输部件(201-206)，所述光学器件包括多个光学器件(221-226)，该多个光学器件(221-226)包括用于该多个光学传输部件的每个的光学器件。

4.如权利要求1所述的光学连接器，其中，所述光学器件包括一个或多个折射透镜(221-226)。

5.如权利要求1所述的光学连接器，所述光学连接器主体围绕所述光学器件，所述光学连接器主体适于与所述另一光学连接器主体配合。

6.如权利要求5所述的光学连接器，其中，所述光学部件是光学纤维。

7.如权利要求5所述的光学连接器，其中，所述光学部件是光学波导。