Устройство для соединения входа и выхода оптического волокна, имеющее структурированную отражающую поверхность - RU2649034C2

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

Уровень техники

1. Приоритет

Приоритет по данной заявке принадлежит предварительной заявке на патент США №61/606,885 поданной 05 марта 2012, полностью включенной в данную заявку в виде ссылки. Все упомянутые далее публикации целиком включены в заявку в виде ссылок.

2. Область техники

[0001] Данное изобретение относится к передаче сигналов по оптоволоконным кабелям, в частности к устройству для физического и оптического соединения оптического волокна для маршрутизации оптических сигналов.

3. Описание родственных публикаций

[0002] В связи с возрастающими требованиями к пропускной способности современных устройств передачи данных (например, для передачи видеоинформации высокого разрешения), передача сигналов по оптоволоконным кабелям стала повсеместной для обмена информацией. Оптические сигналы передаются по оптоволокну через сеть оптоволоконных кабелей и связанных с ними соединительных устройств и переключателей. Оптоволоконные кабели обладают значительно более высокой пропускной способностью (способностью передавать информацию) и меньшими потерями сигнала по сравнению с медными проводами заданного физического размера/протяженности.

[0003] При передаче сигналов через оптоволоконную оптику преобразования оптических и электрических сигналов происходят вне концевого фрагмента оптического волокна. Точнее говоря, на выходном конце оптического волокна свет из оптического волокна воспринимается преобразующим приемным устройством и преобразуется в электрический сигнал (т.е. оптоэлектронным преобразованием) для дальнейшего преобразования данных на следующем этапе. На входном конце оптического волокна электрические сигналы преобразуются в световые, которые вводятся в оптоволокно с помощью преобразующего передатчика (т.е. электрооптическим преобразованием).

[0004] Для соединения входа/выхода оптического волокна с передающим/приемным устройством требуются оптические элементы, такие как линзы, чтобы коллимировать (сводить в параллельный пучок) и/или фокусировать свет от источника света (например, лазера) на входящий конец оптического волокна и коллимировать и/или фокусировать свет от выходного конца оптического волокна на фотодиодный детектор. Для того чтобы получить приемлемые уровни сигнала, световоды должны быть прецизионно отъюстированы с большим допуском относительно передатчиков и приемных устройств, так чтобы световоды были очень точно отъюстированы относительно оптических элементов, закрепленных относительно передающих и приемных устройств. Поскольку внутренние оптические элементы и структуры должны соответствовать требуемой степени оптической юстировки, ранее передающие и приемные устройства были снабжены соединительными устройствами, имеющими соединительные порты, к которым световоды присоединяли с помощью соединительных разъемов, расположенных на конце световодов. Так как оптические волокна (световоды) являются непрочными (ломкими), с ними следует обращаться аккуратно как во время, так и после физического соединения со структурами передающего и приемного устройств. Передающие и приемные устройства и связанные с ними (вспомогательные) структуры с соединительными портами являются, как правило, довольно объемными, занимающими много места, что делает их неподходящими для использования в меньших электронных устройствах. До настоящего момента конструкции для соединения оптических волокон с передающими и приемными устройствами, как правило, были очень дорогими, и их размер был относительно большим для данного количества портов.

[0005] Указанные выше недостатки существующих устройств передачи данных через оптоволокно еще больше усугубляются при многоканальной волоконной передаче данных. Соединение и оптическое выравнивание (юстировка) оптических волокон по отношению к передающим и приемным устройствам должны быть объединены (ассамблированы), и компоненты должны быть изготовлены с субмикронной точностью. Как бы ни были перспективны элементы с такими уровнями точности, для экономической целесообразности их производства, они должны быть изготовлены полностью автоматизированным высокоскоростным способом.

[0006] Таким образом, существует необходимость в улучшении конструкции для физического и оптического соединения входа/выходя оптического волокна, повышающем производственную технологичность, легкость (простоту) использования, функциональность и надежность при сниженных затратах.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] В данном изобретении раскрыто устройство для физического и оптического соединения входного/выходного конца оптического волокна (волновода) для маршрутизации оптических сигналов. Устройство может быть использовано для физического и оптического соединения оптоволокна с оптическим приемным устройством и/или передающим устройством, что повышает производственную технологичность, легкость (простоту) использования, и надежность при пониженных затратах, таким образом преодолевая многие недостатки существующих конструкций.

[0008] Согласно данному изобретению устройство для соединения включает структурированную поверхность, которая функционирует как оптический элемент, направляющий свет к/от входному/выходного концов оптического волокна за счет отражения (которое может также включать преломление и дифракцию падающего света). Устройство для соединения также включает конструкцию для фиксации оптического волокна, которое надежно и аккуратно юстирует оптическое волокно относительно структурированной отражающей поверхности. Согласно одному из вариантов выполнения изобретения конструкция для фиксации оптического волокна включает, по крайней мере, одну выемку (или одну или больше выемок), в которую точно и надежно помещается оптическое волокно таким образом, что конец оптоволокна находится на определенном расстоянии от структурированной отражающей поверхности и отъюстирован относительно нее. Расположение и ориентация структурированной отражающей поверхности фиксировано относительно конструкции для фиксации волокна. В одном из вариантов выполнения конструкция для фиксации оптического волокна и структурированная отражающая поверхность установлены на одной (например, монолитной) конструкции устройства для соединения. Согласно альтернативному варианту выполнения конструкция для фиксации оптического волокна и структурированная отражающая поверхность установлены на отдельных конструкциях, которые образуют устройство для соединения, когда ассоциированы (соединены вместе).

[0009] Структурированной отражающей поверхности можно придать плоскую, или вогнутую, или выпуклую форму. В одном из вариантов выполнения структурированная отражающая поверхность имеет гладкую поверхность с зеркальной полировкой. Напротив, она может быть текстурированной (шероховатой) и при этом отражающей поверхностью. Структурированная отражающая поверхность может иметь одинаковые (постоянные) характеристики поверхности или переменные (различные) характеристики поверхности, такие как переменная степень гладкости и/или текстуры, или комбинацию различных областей гладкой и текстурированных поверхностей, составляющих структурированную отражающую поверхность. Структурированная отражающая поверхность может иметь профиль поверхности и/или оптические характеристики, соответствующие, по крайней мере, одному из эквивалентных оптических элементов: зеркалу, фокусирующией линзе, отрицательной (рассеивающей) линзе, дифракционной решетке или их комбинации. Структурированная отражающая поверхность может иметь более одной области, соответствующей различным эквивалентным оптическим элементам (например, центральную фокусирующую область, окруженную кольцевой рассеивающей областью). В одном из вариантов выполнения структурированная отражающая поверхность создана на непрозрачном материале, не пропускающем свет через поверхность.

[0010] Согласно одному из аспектов данного изобретения структурированная отражающая поверхность и конструкция для фиксации оптического волокна задаются открытой структурой, которая может быть произведена поточно-массовым промышленным способом, таким как штамповка, являющимся малозатратным и высокопроизводительным процессом. В одном из вариантов выполнения структурированная отражающая поверхность и выемки для удержания (фиксации) волокна получены штамповкой металлического материала. В одном из вариантов выполнения может быть выбран материал, обладающий высокой прочностью (например, нержавеющая сталь), химической инертностью (например, титан), высокой термостабильностью (никелевый сплав), малым коэффициентом термического расширения (например, инвар) или полностью соответствовать термическому расширению других материалов (например, ковар для соответствия стеклу). Альтернативно, материал может быть твердым (тугопластичным) пластиком или другим твердым полимерным материалом.

[0011] В одном из вариантов выполнения устройство для соединения может быть присоединено к оптическому передающему устройству и/или приемному устройству со структурированной отражающей поверхностью, отъюстированной относительно источника света (например, лазера) в передающем устройстве или относительно детектора (например, фотодиода) в приемном устройстве. Передающее устройство/приемное устройство может быть плотно прикреплено к устройству соединения. Передающее устройство/приемное устройство может иметь проводящие контактные площадки для электрического подсоединения к внешнему контуру. Принимая во внимание, что зафиксированные структурированная отражающая поверхность и конструкция для фиксации оптического волокна прецизионно установлены на одном и том же устройстве для соединения, источник света/детектор будут прецизионно отъюстированы относительно входного/выходного конца оптического волокна за счет юстировки источника света в передающем устройстве или детектора (фотоэлемента) в приемном устройстве относительно структурированной отражающей поверхности соединительного устройства. В одном из вариантов выполнения способ прецизионной юстировки (выравнивания) передающего устройства/приемного устройства относительно устройства для соединения включает накладывающиеся комплементарные юстировочные метки (метки совмещения), нанесенные на передающее устройство/приемное устройство и соединительное устройство.

[0012] Согласно другому аспекту данного изобретения оптическое волокно структурировано как активный оптический кабель, (АОК), который, как известно из уровня техники, имеет передающее устройство на одном конце оптического кабеля для электрооптического преобразования и приемное устройство на другом конце оптического кабеля для оптическо-электрического преобразования.

[0013] Устройство для соединения (соединительное устройство) согласно данному изобретению преодолевает многие недостатки существующего уровня техники, обеспечивает простоту использования и высокую надежность при низкой чувствительности к окружающим условиям, причем это устройство можно изготовить с низкими затратами. Заявленное соединительное устройство может быть сконфигурировано для удержания одного или нескольких волокон, для оптического входа, оптического выхода или для обоих (для двусторонней передачи данных).

Краткое описание чертежей

[0014] Для более полного понимания сущности и преимуществ изобретения, а также предпочтительных способов использования, далее приведено подробное описание со ссылками на сопроводительные чертежи. На всех прилагаемых чертежах аналогичные (одинаковые или похожие) номера позиций обозначают аналогичные или одинаковые части.

[0015] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение конфигурации системы передачи данных через оптическое волокно, в которой использовано устройство для соединения по данному изобретению.

[0016] Фиг. 2 представляет собой схему, иллюстрирующую распределение оптического излучения на входном конце оптического волокна.

[0017] Фиг. 3 представляет собой схему, иллюстрирующую распределение оптического излучения на выходном конце оптического волокна.

[0018] Фиг. 4 представляет собой схему, иллюстрирующую контур излучения на структурированных отражающих поверхностях на входном конце и на выходном конце.

[0019] Фиг. 5 представляет собой схему, иллюстрирующую формирование плоского зеркала с помощью сферического штампа, имеющего гладкую плоскую поверхность.

[0020] На Фиг. 6 приведен вид в перспективе геометрии штампа для штамповки выемки и профиля структурированной поверхности устройства для соединения.

[0021] Фиг. 7А представляет собой сечение вдоль продольной оси оптического волокна (волновода); на Фиг. 7В приведен перспективный вид того же объекта в разрезе.

[0022] На Фиг. 8 приведен вид в перспективе интегрированного передающего устройства/приемного устройства согласно одному из вариантов данного изобретения; Фиг. 8В представляет собой вид в перспективе передающего устройства согласно одному из вариантов данного изобретения; Фиг. 8С представляет собой вид в перспективе приемного устройства согласно одному из вариантов данного изобретения.

[0023] Фиг. 9 представляет собой вид в перспективе активного оптического (АОК) согласно одному из вариантов данного изобретения.

[0024] На Фиг. 10А представлен другой вариант выполнения устройства для соединения по данному изобретению, имеющего юстировочную метку; на Фиг. 10В представлен другой вариант выполнения передающего устройства/приемного устройства.

[0025] Фиг. 11 схематически иллюстрирует сборочный стенд и процесс сборки, включая юстировку, согласно одному из вариантов выполнения данного изобретения.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0026] Далее изобретение описано на примере различных вариантов выполнения со ссылками на сопроводительные чертежи. Несмотря на то, что изобретение описано исходя из наилучших способов воплощения, позволяющих достичь поставленных целей, специалисты оценят, что многие другие варианты и усовершенствования могут быть реализованы в рамках изобретения, без нарушения его духа и буквы.

[0027] Изобретения относится к устройству для соединения (соединительному устройству) для физического и оптического соединения входа/выходя оптического волокна для маршрутизации оптических сигналов. Устройство может быть использовано для физического и оптического соединения оптоволокна с оптическим приемным устройством и/или передающим устройством, что повышает производственную технологичность, легкость (простоту) использования и надежность при пониженных затратах, таким образом преодолевая многие недостатки существующих конструкций. Согласно данному изобретению устройство для соединения включает структурированную поверхность, которая функционирует в качестве оптического элемента, который направляет свет к/от входному/выходного концов оптического волокна за счет отражения (которое может также включать преломление и дифракцию падающего света).

[0028] На Фиг. 1 схематично проиллюстрирована конфигурация канала передачи данных для передачи информации через оптическое волокно, в которой использовано устройство для соединения по данному изобретению. Для простоты на Фиг. 1 показаны только некоторые из основных элементов, позволяющих объяснить изобретение.

[0029] На Фиг. 1, концевые части оптических волокон 10 (входной конец 17 и выходной конец 19 оголены, оболочка раскрыта, без защитного буферного слоя и рубашки 11) направлены на структурированные отражающие поверхности 12 и 14. Передающее устройство 16, имеющее источник света (например, лазер, такой как VCSEL - поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором), преобразует электрические сигналы в оптические сигналы. Направленный свет, выходящий из передающего устройства, направлен на структурированную отражающую поверхность 12 устройства для соединения по данному изобретению, которая фокусирует свет на входной конец 17 оптического волокна 10. Световые сигналы передаются по оптоволокну 10 и выходят (попадают) на структурированную отражающую поверхность 14 другого соединительного устройства по данному изобретению, которая фокусирует входящий свет на оптический детектор (например, pin фотодиод) приемного устройства 18. Приемное устройство преобразует оптические сигналы в электрические сигналы. За счет соответствующей регулировки входа электрического сигнала на передающее устройство 16, данные передаются как оптические сигналы через оптоволокно 10 и извлекаются как электрические сигналы приемным устройством 18, соответствуя входящим данным.

[0030] Согласно проиллюстрированному способу выполнения изобретения, оптоволокно (волновод) может быть 50/125 градиентным оптоволокном с числовой апертурой (NA) 0.2±0.015. Структурированные отражающие поверхности 12 и 14 сконфигурированы в виде вогнутых зеркал, имеющих ширину апертуры, не превышающую 250 мкм, с тем, чтобы соответствовать стандартному шагу между двумя оптическими волокнами в ленточном кабеле. Оптические оси вогнутых зеркал отъюстированы с осью оптоволокна 10. Концы 17 и 19 (плоские или наклонные полированные торцевые поверхности) оптических волокон находятся на эффективном расстоянии (вдоль оптической оси) примерно 0.245 мм от соответствующих структурированных отражающих поверхностей 12 и 14. Источник тока в передающем устройстве 16 и оптический детектор в приемном устройстве 18 находятся на эффективном расстоянии (вдоль оптической оси) примерно 0.1 мм от соответствующих структурированных отражающих поверхностей 12 и 14. Оптическим источником может быть VCSEL лазер с длиной волны 850 нм, оптической мощностью на выходе 6 мВт и расходимостью пучка от 20 до 30 градусов. Оптическим детектором может быть pin фотодиод с активной площадью диаметром примерно 70 мкм.

[0031] Фиг. 2 и 3 схематически иллюстрируют распределение оптического излучения на входе и выходе оптического волокна 10.

[0032] Фиг. 4 схематически иллюстрирует контур излучения на структурированных отражающих поверхностях 12 и 14. Вогнутые зеркала, заданные этими отражающими поверхностями, могут иметь одинаковую форму, но размер обоих зеркал определяется размером большего пятна на зеркале на выходном конце/конце приемного устройства. В иллюстративном примере зеркала могут быть 170 мкм с размером пятна на входном конце/конце передающего устройства (Тх) 64 мкм и размером пятна на выходном конце/конце приемного устройства (Rx) 108 мкм.

[0033] Согласно одному аспекту данного изобретения структурированная отражающая поверхность может быть сформирована путем прецизионной штамповки металлического материала. На Фиг. 5 схематически показано формирование плоского зеркала с помощью сферического штампа с полированной плоской поверхностью. Процесс (способ) прецизионной штамповки и устройство раскрыты в патенте США №7,343,770, права на который были переданы уполномоченному по данному изобретению. Этот патент полностью включен в настоящий документ в виде ссылки. Способ и устройство, раскрытые в этом патенте, могут быть адаптированы для прецизионной штамповки элементов (деталей) устройства для соединения по данному изобретению (включая структурированную отражающую поверхность и оптическую конструкцию для фиксации оптического волокна, раскрытую далее). Способ и система (устройство) штамповки позволяют производить части с допуском, по крайней мере, 1000 нм.

[0034] Другой аспект данного изобретения проиллюстрирован на Фиг. 7, где показано устройство для соединения, которое включает конструкцию для фиксации оптоволокна, которая надежно и безошибочно юстирует (выравнивает) оптическое волокно 10 относительно структурированной отражающей поверхности 13. Согласно еще одному аспекту данного изобретения структурированная отражающая поверхность и конструкция для фиксации оптического волокна задаются открытой структурой, которая может быть произведена поточно-массовым промышленным способом, таким как штамповка, являющимся малозатратным и высокопроизводительным процессом. Фиг. 7А представляет собой сечение вдоль продольной оси оптического волокна 10. На Фиг. 7В приведен перспективный вид вдоль продольной оси оптического волокна 10 в разрезе. В данном варианте выполнения конструкция для фиксации оптического волокна включает выемку 22, в которую в которую точно и надежно помещается оптическое волокно таким образом, что конец оптоволокна 10 находится на определенном (заданном) расстоянии от структурированной отражающей поверхности 13 и отъюстирован относительно нее. Расположение и ориентация структурированной отражающей поверхности 13 фиксировано относительно конструкции для фиксации волокна. В проиллюстрированном варианте выполнения конструкция для фиксации оптического волокна и структурированная отражающая поверхность установлены на одном (например, монолитном) основании 26 устройства для соединения. Согласно альтернативному варианту выполнения (не показан) конструкция для фиксации волокна и структурированная отражающая поверхность установлены на отдельных конструкциях, которые образуют устройство для соединения, когда ассоциированы (соединены вместе). Выемка 22 имеет участок 24, задающий пространство до торцевой поверхности 15 оптического волокна 10. В проиллюстрированном варианте выполнения этот участок 24 имеет такую же ширину, но более пологое (мелкое) дно по сравнению с другими участками выемки 22. Участок 24 задает выступ 27, который является ограничителем, в который упирается часть (конец) торцевой поверхности 15 оптоволокна 10. Соответственно, задается расстояние (например, 245 мкм) вдоль оптической оси между торцевой поверхностью 15 и структурированной отражающей поверхностью 13. В проиллюстрированном варианте выполнения оптоволокно полностью вошло в выемку 22, причем внешняя поверхность оптоволокна 22 находится на уровне верхней поверхности 29 основания 26 (установлена заподлицо). Если диаметр оптического волокна составляет 125 мкм и источник света VCSEL 30 находится на эффективном расстоянии (например, от плоской поверхности VCSEL 30 вдоль оптической оси) 100 мкм от структурированной отражающей поверхности 13, расстояние плоской поверхности VCSEL от верхней поверхности 29 основания 26 будет составлять примерно 37.5 мкм.

[0035] Выемка 22 структурирована с тем, чтобы безопасно удерживать волокно 10 (оголенный участок без оболочки, без защитного буферного слоя и рубашки) за счет закрепления волокна 10, например механически или с помощью посадки с натягом (или прессовой посадки). Посадка с натягом обеспечивает фиксацию волокна 10 на месте, и в результате положение и ориентация волокна 10 закреплены положением и продольной осью выемки 22. В проиллюстрированном варианте выполнения выемка 22 имеет U-образное по форме сечение, в которое по плотной посадке входит оголенное оптическое волокно 10 (т.е. оболочка удалена, без защитного буферного слоя и рубашки). Боковые стенки выемки 22 в значительной степени параллельны, причем просвет выемки может быть несколько уже, чем просвет между параллельными боковыми стенками (т.е. со слабовыраженным С-образным сечением) для обеспечения дополнительной механической фиксации или посадки с натягом волокна 10. Более подробную информацию о структуре открытой выемки можно найти в заявке на патент США №.13/440,970 поданной 5 апреля 2012 на имя того же заявителя, находящаяся одновременно на рассмотрении патентного ведомства и полностью включенная в данный документ в виде ссылки. Основание 26 с выемкой 22 является эффективным монолитным открытым зажимным устройством, поддерживающим оптическое волокно 10 в четко определенном положении и отъюстированным относительно структурированной отражающей поверхности 13. Положение структурированной отражающей поверхности 13 зафиксировано относительно выемки 22 и выступа 27, и, следовательно, зафиксировано относительно торцевой поверхности оптического волокна 10. Структурированная отражающая поверхность 13 не опирается на движущуюся часть и не включает каких-либо движущихся частей.

[0036] В одном из вариантов выполнения основание 26 устройства для соединения изготовлено из металлического материала. В одном варианте выполнения может быть выбран металлический материал, обладающий высокой прочностью (например, нержавеющая сталь), химической инертностью (например, титан), высокой термостабильностью (никелевый сплав), малым коэффициентом термического расширения (например, инвар) или полностью соответствовать термическому расширению других материалов (например, ковар для соответствия стеклу). Для отражательной способности основание 26 может быть изготовлено из металла, такого как алюминий или медь, которые обладают высоким коэффициентом оптического отражения. Отражательная способность может быть достигнута путем нанесения на основание 26 покрытия из материалов, таких как золото, серебро, никель, алюминий и пр. Альтернативно, материал может быть твердым (тугопластичным) пластиком или другим твердым полимерным материалом. Описанная выше открытая структура устройства для соединения, включающего структурированную отражающую поверхность и конструкцию для фиксации оптического волокна, может быть произведена поточно-массовым промышленным способом, таким как штамповка, являющимся малозатратным и высокопроизводительным процессом. Процесс (способ) прецизионной штамповки и устройство раскрыты в патенте США №7,343,770, права на который были переданы уполномоченному по данному изобретению. Этот патент полностью включен в настоящий документ в виде ссылки. Способ и устройство, раскрытые в этом патенте, могут быть адаптированы для прецизионной штамповки зажимных устройств по данному изобретению.

[0037] Фиг. 6 иллюстрирует штамп (пуансон) 200, сконфигурированный для штамповки выемки 22 и структурированной отражающей поверхности 13 на основании 26. Пуансон 200 имеет выпуклый профиль поверхности, обратный (инверсный) структурированной отражающей поверхности и выемке. Профиль поверхности пуансона 200 соответствует параметрам элемента, который должен быть получен штамповкой.

[0038] Фиг. 8А иллюстрирует вариант выполнения интегрированного модуля передающего устройства/приемного устройства 40, включающего передающее устройство/приемное устройство 38, соединенное с оптическим соединительным устройством 39, включающим структурированную отражающую поверхность, отъюстированную относительно источника света/детектора передающего устройства /приемного устройства. Фиг. 8В иллюстрирует вариант выполнения передающего устройства/приемного устройства 38. Передающее устройство/приемное устройство 38 включает основание 150, поддерживающее монтажную плату 51, на которую монтируют источник света источник света/детектор 52 (например, VCSEL/фотодиод) и действующую совместно цепь регулирования (например, 1С чип). Поверхность крепления 53 задана по периметру передающего устройства/приемного устройства 38.

[0039] Фиг. 8С иллюстрирует внутреннюю открытую структуру устройства для соединения 39, которая очень похожа на открытую структуру описанного выше устройства для соединения. Существенно, что устройство для соединения 39 имеет основание 46, на котором заданы выемка 42 и структурированная отражающая поверхность 43 аналогично выемке 22 и структурированной отражающей поверхности 13, заданным на основании 26 согласно варианту выполнения, показанному на Фиг. 6 и Фиг. 7 и раскрытому выше. В данном варианте выполнения участок 44 выемки 22 шире, и, тем не менее, имеет глубину, определяющую выступ 47 для прецизионного размещения торцевой поверхности волокна 10. Более широкая выемка 34 предусмотрена в основании 46 для того, чтобы в нее входил более толстый участок волокна с защитным слоем 11. Эпоксидную смолу можно использовать для закрепления защитного слоя 11 в выемке 34.

[0040] В данном варианте выполнения основание 46 имеет выступающие боковые стенки 37, задающие полость 36, в которой расположены структурированная отражающая поверхность 43 и выемки. Полость 36 обеспечивает пространство, в которое помещается высота 1С чипа, смонтированного на монтажной плате 51. Высота боковых стенок 37 задает расстояние между источником света/детектором в передающем устройстве/приемном устройстве 38 и структурированной отражающей поверхностью 43 в устройстве для соединения 39. Как видно также из Фиг. 7А, если оптическое волокно имеет диаметр 125 мкм и плоская выходная поверхность VCSEL находится на расстоянии 100 мкм (вдоль оптической оси) от структурированной отражающей поверхности 43, высота боковых стенок 37 задает расстояние примерно 37.5 мкм от плоской выходной поверхности VCSEL до поверхности полости 36 (соответствующей верхней поверхности 29 основания 26 на Фиг. 7А).

[0041] Специалистам очевидно, что в модуле 40, при зафиксированных структурированной отражающей поверхности и конструкции для фиксации оптического волокна, прецизионно заданных на одном устройстве для соединения, источник света/детектор прецизионно выравниваются (юстируются) по отношению к входному/выходному концу оптического волокна с помощью юстировки источника света в передающем устройстве или фотоэлемента в приемном устройстве относительно структурированной отражающей поверхности в соединительном устройстве.

[0042] Понятно, что другой перспективной описанной выше комбинацией передающего устройства/приемного устройства и устройства для соединения является интегрированный модуль передающего устройства/приемного устройства, включающий структурированную отражающую поверхность и интегральную соединительную структуру, которая юстирует (выравнивает) оптическое волокно относительно структурированной отражающей поверхности.

[0043] Устройство для соединения 39 может быть получено штамповкой из ковкого металлического материала, как было описано выше. Верхняя поверхность 33 боковых стенок 37 обеспечивает область контакта (прикрепления) для соединения с передающим устройством/приемным устройством 38. Передающее устройство/приемное устройство 38 может быть присоединено к устройству для соединения 39 с помощью клея, эпоксидной смолы, припаивания или сварки. В одном из вариантов выполнения передающее устройство/приемное устройство 38 может быть герметично изолировано от устройства для соединения 39, например, путем лазерной сварки, припоя или пламени. Передающее устройство/приемное устройство 38 и устройство для соединения могут быть изготовлены и протестированы отдельно до их соединения.

[0044] Согласно другому аспекту данного изобретения оптическое волокно структурировано как активный оптический кабель (АОК), который, как известно из уровня техники, на одном конце оптического волокна оснащен передающим устройством для электрооптического преобразования и приемным устройством для оптико-электрического преобразования на другом конце оптоволокна. Фиг. 9 иллюстрирует вариант выполнения АОК 48, который предназначен для модуля передающего устройства/приемного устройств 50 согласно данному изобретению (на Фиг. 9 показан только один конец кабеля; второй конец аналогичен по структуре, где один конец является модулем передающего устройства с лазером или источником света, а второй конец является модулем приемного устройства со световым детектором.) Структура модуля 50 похожа на структуру модуля 40 согласно описанному выше и показанному на Фиг. 8 варианту выполнения, за исключением того, что площадки электрических контактов 49 расположены снаружи передающего устройства/приемного устройства 39. Площадки электрических контактов 49 обеспечивают внешний электрический доступ к цепи управления 54 внутри модуля 50.

[0045] Как схематически показано также на Фиг. 1, АОК 48 по существу включает компоненты, проиллюстрированные на Фиг. 1. АОК 48 включает оптическое волокно (оголенное волокно 10 и защитные слои), модуль передающего устройства 50, соответствующий комбинации передающего устройства 16 и устройства для соединения со структурированной отражающей поверхностью 12 и конструкцией для удержания (фиксации) оптического волокна, описанной выше, которая удерживает конец 17 волокна 10, модуль приемного устройства 50 соответствующий комбинации приемного устройства 18 устройства для соединения со структурированной отражающей поверхностью 14 и конструкцией для удержания (фиксации) оптического волокна, описанной выше, которая удерживает конец 19 волокна 10.

[0046] Фиг. 10 и 11 иллюстрируют вариант выполнения сборки, включая прецизионную юстировку передающего устройства/приемного устройства относительно устройства для соединения путем совмещения (наложения) комплементарных юстировочных меток, имеющихся на передающем устройстве/приемном устройстве и соединительном устройстве. На Фиг. 10А показан другой вариант выполнения соединительного устройства 46', похожего на показанный на Фиг. 8С, за исключением отсутствующих возвышающихся боковых стенок устройства для соединения. Юстировочную метку наносят на верхнюю поверхность основания 46' оптического соединения 39'. Основание 46' прецизионно выравнивает (отъюстирует) оптическое волокно 10, зажатое в выемке, относительно структурированной отражающей поверхности 43'. Юстировочная метка включает три точки 64 (которые могут быть рисками, произведенными штамповкой в процессе штамповки выемки и структурированной отражающей поверхности), расположенные в L-конфигурации вокруг структурированной отражающей поверхности 43', обеспечивая таким образом пространственную юстировку по двум осям (в двух направлениях). Юстировочные точки 64 разнесены на определенное расстояние, соответствующее определенным свойствам источника света/детектора на передающем устройстве/приемном устройстве. Например, на Фиг. 11В представлен вид сверху квадратной верхней поверхности 72 лазера VCSEL 70. VCSEL 70 имеет выходную область 71 которая смещена ближе к одному углу квадратной верхней поверхности 72. Соответственно, помещая три точки 64 на верхнюю поверхность 66, прилегающую к двум сторонам структурированной отражающей поверхности 43', и далее с помощью точек 64, расположенных на определенном расстоянии друг от друга таким образом, чтобы соответствовать углам квадратной верхней поверхности 72 лазера VCSEL 70, выходная область 71 может быть отъюстирована (выровнена) относительно структурированной отражающей поверхности 43' путем совмещения точек 64 с углами квадратной верхней поверхности 72 лазера VCSEL 70. Аналогичную юстировку фотодиода в приемном устройстве относительно структурированной отражающей поверхности, заданной на соединительном устройстве, можно осуществить аналогично описанной выше путем создания аналогичных юстировочных меток на верхней поверхности устройства для соединения. Как показано ранее на Фиг. 8С, аналогичные юстировочные метки (точки 64) предусмотрены внизу полости вокруг структурированной отражающей поверхности 43.

[0047] Фиг. 10 иллюстрирует другой вариант выполнения передающего устройства 38'. Основание 150' имеет поднятые боковые стенки с рельефной выемкой 79, в которую помещается дополнительная толщина защитного слоя 11 оптического волокна 10. VCSEL 70 установлен на монтажной плате 51'.

[0048] На Фиг. 11А схематически проиллюстрирован сборочный стенд 80, включая систему выравнивания, использующую описанные ранее юстировочные метки. Сборочный стенд 80 включает основание 81, на которое опирается юстировочный координатный стол 82 (например, X-Y перемещения в горизонтальной плоскости X-Y и ортогональной Z-оси вне плоскости, а также вращение вокруг оси Z). Сборочный стенд 80 также включает поворотную руку 83, имеющую насадку (головку) для перекладки, которая может вращаться вокруг подшипника 84 для поворота (перемещения) руки на поверхность юстировочного координатного стола 82. Устройство для соединения 39' (или устройство для соединения 39 на Фиг. 8 и 9) опирается на координатный стол для выравнивания 82 с юстировочными метками 64 в горизонтальной плоскости. Передающее устройство/приемное устройство 38' (или передающее устройство/приемное устройство 38 на Фиг. 8 и Фиг. 9) удерживается насадкой (головкой) для перекладки поворотной руки 83. Когда поворотная рука 83 находится в вертикальном положении, как показано на Фиг. 11А, квадратная верхняя поверхность 72 лазера VCSEL 70 находится в вертикальной плоскости. Ось, перпендикулярная плоскости квадратной верхней поверхности 72 лазера VCSEL 70, перпендикулярна оси, которая перпендикулярна плоскости, в которой расположены юстировочные метки 64. С помощью камеры 86 и расщепителя пучка 85 достигают одновременного отображения квадратной верхней поверхности 72 лазера VCSEL 70 и юстировочных меток 64. При включении (приведении в действие) юстировочного координатного стола 82 изображение юстировочных меток 64 может быть отъюстировано относительно изображения квадратной верхней поверхности 72, как показано на Фиг. 11В. Затем поворотная рука 83 поворачивается таким образом, чтобы поместить передающее устройство 38' на поверхность устройства для соединения 39', как показано на Фиг. 11С. Передающее устройство 38' и устройство для соединения 39' соединяют, например, лазерной сваркой, лазерной пайкой или пайкой инфракрасными лучами.

[0049] Устройство для соединения в соответствии с данным изобретением позволяет преодолеть многие недостатки современного уровня техники, обеспечивает легкость (простоту) использования и надежность при пониженной чувствительности к окружающим условиям, и при этом дешево в производстве. Заявляемое устройство для соединения может быть сконфигурировано для удержания одного или множества оптических волокон, для оптического входа, оптического выхода или для обоих (для двусторонней передачи данных).

[0050] Несмотря на то, что выше описаны варианты выполнения устройства для соединения одного оптического волокна, совершенно очевидно, что в рамках изобретения это устройство может быть адаптировано для множества оптических волокон путем создания параллельных выемок в соединительном устройстве.

[0051] Для всех описанных выше вариантов воплощения существует другая перспектива: комбинация передающего устройства/приемного устройства и устройства для соединения может представлять собой интегрированный (объединенный) модуль передающего устройства/приемного устройства, который включает один или больше источник(ов) света/детектор(ов), интегральную конструкцию для соединения, включающую одну или более структурированных отражающих поверхностей и юстирующую один или более световодов (оптических волокон) относительно структурированных отражающих поверхностей.

[0052] Для всех описанных выше вариантов воплощения структурированная отражающая поверхность может быть плоской, вогнутой или выпуклой или являться комбинацией таких поверхностей для создания сложной (комбинированной) структурированной отражающей поверхности. В одном из вариантов выполнения структурированная отражающая поверхность имеет гладкую (полированную) зеркальную поверхность. Напротив, она может быть текстурированной отражающей поверхностью. Структурированная отражающая поверхность может иметь одинаковые характеристики поверхности или разные (изменяющиеся) характеристики поверхности, такие как переменная степень гладкости и/или текстуры по поверхности, или комбинацию различных гладких и текстурированных участков, составляющих структурированную отражающую поверхность. Структурированная отражающая поверхность может иметь профиль поверхности и/или оптические характеристики, соответствующие, по крайней мере, одному из следующих эквивалентных оптических элементов: зеркалу, фокусирующей линзе, отрицательной (рассеивающей) линзе, дифракционной решетке или их комбинации. Структурированная отражающая поверхность может сложный профиль, задающий более одной области, соответствующей различным эквивалентным оптическим элементам (например, центральную фокусирующую область, окруженную кольцевой рассеивающей областью). В одном из вариантов выполнения структурированная отражающая поверхность создана на непрозрачном материале, не пропускающем свет через поверхность.

[0053] Несмотря на то, что изобретение описано исходя из предпочтительных вариантов воплощения, для специалистов очевидно, что многие другие изменения по форме и в деталях могут быть реализованы в рамках изобретения, без нарушения его духа и буквы. Соответственно, раскрытое изобретение следует рассматривать лишь как иллюстрацию, в то время как сущность изобретения ограничена только приведенной далее Формулой изобретения.

Реферат

Изобретение относится к передаче сигналов по оптоволоконным кабелям, в частности к устройству для физического и оптического соединения оптического волокна для маршрутизации оптических сигналов. Заявленное соединительное устройство для физического и оптического соединения оптического волокна для маршрутизации оптических сигналов и способ его изготовления содержат основание, имеющее структурированную отражающую поверхность и конструкцию для фиксации оптического волокна, заданную на основании таким образом, что торец оптического волокна расположен на заранее заданном расстоянии от структурированной отражающей поверхности вдоль оси оптического волокна, где конструкция для фиксации оптического волокна точно юстирует оптическое волокно относительно структурированной отражающей поверхности, так что свет, выходящий из оптического волокна, может отражаться структурированной отражающей поверхностью наружу от соединительного устройства или свет снаружи соединительного устройства, падающий на структурированную отражающую поверхность, может отражаться по направлению к оптическому волокну. Конструкция для фиксации оптического волокна включает выемку, созданную в основании, где выемка отъюстирована относительно структурированной отражающей поверхности. Структурированная отражающая поверхность и конструкция для фиксации оптического волокна, содержащая выемку, получены штамповкой основания. Технический результат – улучшение конструкции для физического и оптического соединения входа/выхода оптического волокна. 5 н. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

Формула