CN111221083B - 一种多芯光纤单芯连接器及其制备和对准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多芯光纤连接器及其制备和对准方法，属于无源光器件领域。采用裸插芯和金属尾柄能够在金属套环中自由旋转的特殊插芯，向特殊插芯上的金属尾柄中注胶，将裸光纤穿入特殊插芯中固化后对光纤端面进行研磨，将特殊插芯水平放置，并用夹具将金属套环固定；旋转和裸插芯相连的金属尾柄，使光纤端面中的标记位于预设位置，根据多芯光纤中各芯的排列形式，通过观察光纤端面，求出任意距离最远的两个纤芯的圆心连线与水平轴或竖直轴之间的夹角，继续旋转金属尾柄，使夹角的度数与目标度数之间的误差在预设范围内，然后点胶固定金属套环和金属尾柄的相对位置，将所有散件组装好。可以实现单根多芯光纤之间的直接快速低插损的连接对准。
Description
技术领域
本发明属于无源光器件领域，更具体地，涉及一种多芯光纤单芯连接器及其制备和对准方法。
背景技术
在光通信网络中，空分复用光纤由于其可为单根光纤的传输容量带来数量级的提升，可以打破传统的香农极限，实现更高带宽的传输而受到了广泛的关注和研究。多芯光纤是空分复用光纤的一种，其在和单模光纤包层尺寸基本一致或略大的情况下，容纳了多个纤芯，显著提高了单根光纤的传输容量。在数据中心和高性能计算系统中，光互连技术被广泛应用以解决高带宽和高密度互联的巨大需求，为了改进系统带宽和前面板的密集布线繁杂程度，多芯光纤成为了一个非常有前景的解决方案。为了方便连接和插拔，这些使用多芯光纤进行高容量高密度互联的应用场景离不开多芯光纤连接器的使用。
光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸连接的无源光器件，它将两个光纤的端面精密对准，并使得由其的引入而造成的连接损耗尽量小。使用光纤连接器将光纤端面进行对准连接的这种冷接方式在实际使用场景中方便快捷，无需像热熔接一样需要有熔接设备且需要对光纤进行一系列的处理。但光纤连接器引入的损耗通常比热熔接高。光纤连接器按连接头的结构形式来分类，有FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT等；按光纤端面形状分有PC(SPC或UPC)和APC；按光纤芯数划分，有单芯和多芯(MT、MPO)之分。
对于多芯光纤的单芯连接器的制作，比如FC、SC、LC、MU等连接器，目前单模或多模光纤的单芯连接器制作方法已经非常成熟，单模光纤单芯连接器(常用的FC、SC、LC、MU等类型)引入的插入损耗一般不超过0.35dB，甚至能做到0.2～0.3dB。而制作多芯光纤单芯连接器从而实现单根多芯光纤之间的对准鲜有相关技术和工艺被提及或公开。在制作多芯光纤单芯连接器的过程中，如何旋转对准多芯光纤，如何实现低插入损耗的多芯光纤单芯连接器是多芯光纤连接器制作的难点，而连接器损耗的高低直接影响着多芯光纤的应用前景和可行性。
参考专利申请CN201910503135.2、CN201720401212.X、CN201811449039.6及CN201810321242.9等都提出了多芯光纤连接器及制造方法，但这些专利中所提及的多芯光纤并不是空分复用多芯光纤，并不是指在单根光纤中容纳了多个纤芯，而是指一根光缆中有多根光纤束或光纤带中有多根光纤，每根光纤都是普通单芯单模光纤，这些专利解决的都是如何将光纤束中的多根单芯单模光纤插入一个多芯连接器(MT、MPO)中从而实现多根单芯单模光纤的直接对准连接，而不是单根多芯光纤之间的直接对准连接。
参考专利申请CN201510110419.7提供了一种多芯光纤连接结构，但它并不是通过传统光纤连接器将光纤端面直接连接，而是采用了与多芯光纤纤芯数相同分布相同外径的连接光纤以及套在连接光纤及多芯光纤外部的光纤弹性套管，通过转动连接光纤使多芯光纤与连接光纤对接。这种方法操作复杂，还需要额外准备特殊的连接光纤及光纤弹性套管等原材料，无法在实际应用中大量采用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种多芯光纤单芯连接器及其制备和对准方法，由此解决在制作多芯光纤单芯连接器的过程中，如何旋转对准多芯光纤，如何实现低插入损耗的多芯光纤单芯连接器的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多芯光纤单芯连接器的制备和对准方法，其中，所述多芯光纤单芯连接器包括：特殊插芯及散件，所述特殊插芯包括：裸插芯、金属尾柄及金属套环，其特征在于，所述裸插芯和所述金属尾柄能够在所述金属套环中自由旋转，所述方法包括：
向所述特殊插芯上的所述金属尾柄中注胶，将裸光纤穿入所述特殊插芯中并固化，固化后对光纤端面进行研磨，将所述特殊插芯水平放置，并用夹具将所述金属套环固定，其中，所述裸光纤为将多芯光纤前端预设长度的涂覆层剥除后得到的裸光纤；
观察研磨好的多芯光纤端面中各个芯和标记的位置，旋转和所述裸插芯相连的所述金属尾柄，使所述多芯光纤端面中的标记位于预设位置，根据所述多芯光纤中各纤芯的排列形式，通过观察所述多芯光纤端面中各个纤芯的位置，找出任意距离最远的两个纤芯的圆心，求出两个圆心连线与水平轴或竖直轴之间的夹角，继续旋转和所述裸插芯相连的所述金属尾柄，使所述夹角的度数与目标度数之间的误差在预设范围内，然后点胶固定所述金属套环和所述金属尾柄的相对位置，最后将所有散件组装好。
优选地，根据所述多芯光纤中各纤芯的排列形式，通过观察研磨好的所述多芯光纤端面中各个纤芯的位置，找出任意距离最远的两个纤芯的圆心，求出两个圆心连线与水平轴或竖直轴之间的夹角，包括：
在所述多芯光纤为环形排列的多芯光纤时，通过观察所述多芯光纤端面，确定排布有偶数n个纤芯的圆环上任意最远的两个纤芯的圆心，得到两个圆心连线与水平轴或竖直轴之间的第一夹角，其中，n为正整数。
优选地，在所述多芯光纤为环形排列的多芯光纤时，所述目标度数为0°、90°或360/n°。
优选地，根据所述裸光纤中各纤芯的排列形式，通过观察研磨好的所述多芯光纤端面中各个纤芯的位置，找出任意距离最远的两个纤芯的圆心，求出两个圆心连线与水平轴或竖直轴之间的夹角，包括：
在所述多芯光纤为矩形排列的多芯光纤时，根据所述多芯光纤芯间距设计，得到最大矩形对角线上的两个纤芯圆心的连线和水平轴或竖直轴之间的第二夹角；
通过观察所述多芯光纤端面，找到最大矩形对角线上的两个纤芯圆心之间的连线与水平轴或竖直轴之间的第三夹角。
优选地，在所述多芯光纤为矩形排列的多芯光纤时，固定所述金属套环并旋转所述金属尾柄，使所述第三夹角与所述第二夹角之间的误差在预设范围内。
优选地，所述特殊插芯的内孔径与剥除涂覆层的所述裸光纤的外径匹配。
优选地，所述多芯光纤的芯数为任意芯数，所述多芯光纤的纤芯为对称性排列。
优选地，所述多芯光纤的纤芯为环形排列或矩形排列。
按照本发明的一个方面，提供了一种利用上述任意一项所述的多芯光纤单芯连接器的制备和对准方法得到的多芯光纤单芯连接器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：提供一种简单易操作的多芯光纤单芯连接器的制备和对准方法，可以实现单根多芯光纤之间的直接快速低插入损耗的连接对准。该方法适用于不同芯数和结构的多芯光纤，例如四芯、六芯、七芯、八芯、十九等等，环形排布或矩形排布或其它对称性排布，可用于制备各种结构和端面类型的单芯连接器，FC、SC、LC、MU或其它，SPC、UPC或APC。纤芯定位精度高，连接头插入损耗低，且重复性好。六芯、七芯、八芯光纤连接器在1310nm和1550nm每芯损耗均小于0.35dB，优选地，每芯损耗小于0.25dB。十九芯光纤连接器在1310nm和1550nm每芯损耗均小于0.45dB，优选地，每芯损耗小于0.3dB。使多芯光纤用于数据中心高密度互联成为了可能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多芯光纤连接器的制备和对准方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种插芯放置及光纤端面观察方法示意图；
图3是本发明实施例提供的一种七芯光纤对准定位方法示意图；
图4是本发明实施例提供的一种环形六芯光纤对准定位方法示意图；
图5是本发明实施例提供的一种矩形八芯光纤对准定位方法示意图；
图6是本发明实施例提供的一种九芯光纤对准定位方法示意图；
其中，1为金属套环，2为夹具，3为金属尾柄，4为裸插芯，5为特殊插芯，6为裸光纤，7为散件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出一种多芯光纤单芯连接器的对准和制备方法，从而实现单根多芯光纤和单根多芯光纤之间的直接快速低插入损耗的连接对准。多芯光纤的芯数可以是四芯、六芯、七芯、八芯、十九芯等任意芯数，纤芯可以是环形排列或矩形排列或其它对称性排列。单芯连接器结构类型可以是FC、SC、LC、MU或其它，端面类型可以是SPC、UPC或APC，无论哪种连接头组合都可适用。
如图1所示是本发明实施例提供的一种多芯光纤连接器的制备和对准方法的流程示意图，包括以下步骤：
如图2所示，准备好某种类型的特殊插芯5及散件7，注意，特殊插芯5的内孔径需要和剥除涂覆层的裸光纤6的外径匹配。将穿好尾套等散件7的光纤前端预设长度的涂覆层剥除，向特殊插芯5上的金属尾柄3中注胶，将裸光纤6穿入特殊插芯5中，并置于固化炉上固化。固化后将光纤端面研磨好。将特殊插芯5水平放置，并用夹具2将金属套环1固定住，金属尾柄3和裸插芯4相连且能够在金属套环1中自由旋转。裸插芯端面前端放置一成像装置，成像装置和终端连接，可在终端显示器中观察光纤端面每个芯所处位置的情况。
其中，特殊插芯5包括裸插芯4、金属尾柄3和金属套环1。裸插芯4和金属尾柄3是连接固定在一起的，金属套环1套在裸插芯4和金属尾柄3的连接处附近，裸插芯4及金属尾柄3能够在金属套环1中自由旋转。
在本发明实施例中的特殊插芯是指裸插芯和金属尾柄能够在金属套环中自由旋转的插芯。
在本发明实施例中，成像装置可以采用CCD或者摄像头等，具体的本发明实施例不做唯一性限定。
多芯光纤中通常都有一个标记，用于区分各个芯及其所在的位置，标记可以做在光纤中任意自己设定的位置。旋转和裸插芯4相连的金属尾柄3，使标记位于某个自己设定的固定位置，每次制作多芯光纤单芯连接器，都将标记置于同一区域。
对于环形排布的多芯光纤，在终端显示的光纤端面上找到排布有偶数(n)个纤芯的那一环圈上任意最远的两个纤芯圆心之间的连线，并求出其与水平轴或竖直轴之间的夹角ɑ。轻轻旋转金属尾柄3，使夹角ɑ的度数接近0°或90°或360/n°，随后点胶固定金属套环1和金属尾柄3的相对位置。ɑ越接近0°或90°或360/n°，说明定位越精准，连接头插入损耗就越小。最后，将所有散件7和特殊插芯5组装好。
对于矩形排列的多芯光纤，先精确计算出最大矩形对角线上的两个纤芯圆心之间的连线和水平轴或竖直轴之间的夹角β。在电脑显示的光纤端面上，找到最大矩形对角线上的两个纤芯圆心之间的连线，并求出其与水平轴或竖直轴之间的夹角θ。轻轻旋转金属尾柄3，使夹角θ的度数接近β，随后点胶固定金属套环1和金属尾柄3的相对位置。θ越接近β，说明定位越精准，连接头的插入损耗也会越小。最后，将所有散件7和特殊插芯5组装好。
以下通过附图及具体实施例对本发明进行详细说明，需要说明的是，该实施例仅为一种可选的实施方式，还可以采用其它排列方式和其它特殊插芯等，本发明实施例不做唯一性限定。
实施方案一：七芯光纤LC/UPC连接器
如图3所示的七芯光纤，其排布有6个纤芯的那一环圈上最远的两个纤芯圆心之间的连线和水平轴之间的夹角为360/6°＝60°。
准备好LC/UPC的特殊插芯及散件，注意，特殊插芯的内孔径需要和七芯光纤包层直径匹配。将穿好尾套等散件的光纤前端约35mm长的涂覆层去掉，向特殊插芯的金属尾柄中注胶，将裸光纤穿入特殊插芯中，并置于固化炉上固化，固化后将光纤端面研磨好。将特殊插芯水平放置，并用特殊夹具将金属套环固定住，用高清CCD观察研磨好的多芯光纤端面的位置情况。旋转和裸插芯相连的金属尾柄，使多芯光纤中的标记(图3中的黑色小圆点)位于某个自己设定的固定位置。每次制作七芯光纤连接器时，都将标记置于同一区域。找到排布有6个纤芯的那一环圈上最远的两个纤芯圆心之间的连线，并求出其与水平轴之间的夹角θ。轻轻旋转金属尾柄，使夹角θ的度数为60°±1°，更优地，使夹角θ的度数为60°±0.5°。随后点胶固定金属套环和金属尾柄的相对位置。θ越接近60°，定位越精准，连接器的插入损耗就越小。最后，将所有散件组装好。下表1为用该方法所制备的4个七芯光纤LC/UPC连接器的每芯插入损耗数值，1为中间芯。由表1可见，七芯光纤LC/UPC连接器在1310nm和1550nm每芯损耗均小于0.35dB，优选地，每芯损耗均小于0.25dB。
表1 七芯光纤LC/UPC连接器每芯损耗
实施方案二：环形六芯光纤SC/APC连接器
如图4所示的环形六芯光纤，其排布有6个纤芯的环圈上最远的两个纤芯圆心之间的连线和水平或竖直轴之间的夹角为360/6°＝60°。
准备好SC/APC的特殊插芯及散件，注意，特殊插芯的内孔径需要和六芯光纤包层直径匹配。将穿好尾套等散件的光纤前端约35mm长的涂覆层去掉，向特殊插芯的金属尾柄中注胶，将裸光纤穿入特殊插芯中，并置于固化炉上固化，固化后将光纤端面研磨好。将特殊插芯水平放置，并用特殊夹具将金属套环固定住，用高清CCD观察研磨好的多芯光纤端面的位置情况。旋转和裸插芯相连的金属尾柄，使多芯光纤的标记(图4中的黑色小圆点)位于某个自己设定的固定位置。每次制作六芯光纤连接器时，都将标记置于同一区域。找到排布有6个纤芯的环圈上最远的两个纤芯圆心之间的连线，并求出其与水平轴之间的夹角θ。轻轻旋转金属尾柄，使夹角θ的度数为60°±1°，更优地，使夹角θ的度数为60°±0.5°。随后点胶固定金属套环和金属尾柄的相对位置。θ越接近60°，定位越精准，连接器的插入损耗就越小。最后，将所有散件组装好。下表2为用该方法所制备的4个环形六芯光纤SC/APC连接器的每芯插入损耗数值。由表2可见，环形六芯光纤SC/APC连接器在1310nm和1550nm每芯损耗均小于0.35dB，优选地，每芯损耗均小于0.25dB。
表2 环形六芯光纤SC/APC连接器每芯损耗
实施方案三：矩形八芯光纤MU/UPC连接器
如图5所示的矩形八芯光纤，其横向芯间距为a，纵向芯间距为b。最大矩形对角线上的两个纤芯圆心之间的连线和水平轴之间的夹角为arctan(b/(3a))°。
准备好MU/UPC的特殊插芯及散件，注意，特殊插芯的内孔径需要和矩形八芯光纤包层直径匹配。将穿好尾套等散件的光纤前端约35mm长的涂覆层去掉，向特殊插芯的金属尾柄中注胶，将裸光纤穿入特殊插芯中，并置于固化炉上固化，固化后将光纤端面研磨好。将特殊插芯水平放置，并用特殊夹具将金属套环固定住，用高清CCD观察研磨好的多芯光纤端面的位置情况。旋转和裸插芯相连的金属尾柄，使多芯光纤的标记(图5中的黑色小圆点)位于某个自己设定的固定位置。每次制作矩形八芯光纤连接器时，都将标记置于同一区域。找到最大矩形上最远的两个纤芯圆心之间的连线，并求出其与水平轴之间的夹角θ。轻轻旋转金属尾柄，使夹角θ的度数为arctan(b/(3a))°±1°，更优地，使夹角θ的度数为arctan(b/(3a))°±0.5°。随后点胶固定金属套环和金属尾柄的相对位置。θ越接近arctan(b/(3a))°，定位越精准，连接器的插入损耗就越小。最后，将所有散件组装好。下表3为用该方法所制备的4个矩形八芯光纤MU/UPC连接器的每芯插入损耗数值。由表3可见，矩形八芯光纤MU/UPC连接器在1310nm和1550nm每芯损耗均小于0.35dB，优选地，每芯损耗均小于0.25dB。
表3 矩形八芯光纤MU/UPC连接器每芯损耗
实施方案四：十九芯光纤SC/UPC连接器
如图6所示的十九芯光纤，其排布有12个纤芯的环圈上最远的两个纤芯圆心之间的连线和竖直轴之间的夹角为360/12°＝30°。
准备好SC/UPC的特殊插芯及散件，注意，特殊插芯的内孔径需要和十九芯光纤包层直径匹配。将穿好尾套等散件的光纤前端约35mm长的涂覆层去掉，向特殊插芯的金属尾柄中注胶，将裸光纤穿入特殊插芯中，并置于固化炉上固化，固化后将光纤端面研磨好。将特殊插芯水平放置，并用特殊夹具将金属套环固定住，用高清CCD观察研磨好的多芯光纤端面的位置情况。旋转和裸插芯相连的金属尾柄，使多芯光纤的标记(图6中的黑色小圆点)位于某个自己设定的固定位置。每次制作多芯光纤连接头时，都将标记置于同一区域。找到排布有12个纤芯的环圈上最远的两个纤芯圆心之间的连线，并求出其与竖直轴之间的夹角θ。轻轻旋转金属尾柄，使夹角θ的度数为30°±1°，更优地，使夹角θ的度数为30°±0.5°。随后点胶固定金属套环和金属尾柄的相对位置。θ越接近30°，定位越精准，连接器的插入损耗就越小。最后，将所有散件组装好。下表4为用该方法所制备的4个十九芯光纤SC/UPC连接器的每芯插入损耗数值，1为中间芯。由表4可见，十九芯光纤SC/UPC连接器在1310nm和1550nm每芯损耗均小于0.45dB，优选地，每芯损耗均小于0.3dB。
表4 十九芯光纤SC/UPC连接器每芯损耗
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多芯光纤单芯连接器的制备和对准方法，其中，所述多芯光纤单芯连接器包括：特殊插芯及散件，所述特殊插芯包括：裸插芯、金属尾柄及金属套环，其特征在于，所述裸插芯和所述金属尾柄能够在所述金属套环中自由旋转，所述方法包括：
向所述特殊插芯上的所述金属尾柄中注胶，将裸光纤穿入所述特殊插芯中并固化，固化后对光纤端面进行研磨，将所述特殊插芯水平放置，并用夹具将所述金属套环固定，其中，所述裸光纤为将多芯光纤前端预设长度的涂覆层剥除后得到的裸光纤；
观察研磨好的多芯光纤端面中各个芯和标记的位置，旋转和所述裸插芯相连的所述金属尾柄，使所述多芯光纤端面中的标记位于预设位置，根据所述多芯光纤中各纤芯的排列形式，通过观察所述多芯光纤端面中各个纤芯的位置，找出任意距离最远的两个纤芯的圆心，求出两个圆心连线与水平轴或竖直轴之间的夹角，继续旋转和所述裸插芯相连的所述金属尾柄，使所述夹角的度数与目标度数之间的误差在预设范围内，然后点胶固定所述金属套环和所述金属尾柄，最后将所有散件组装好。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述多芯光纤中各纤芯的排列形式，通过观察研磨好的所述多芯光纤端面中各个纤芯的位置，找出任意距离最远的两个纤芯的圆心，求出两个圆心连线与水平轴或竖直轴之间的夹角，包括：
在所述多芯光纤为环形排列的多芯光纤时，通过观察所述多芯光纤端面，确定排布有偶数n个纤芯的圆环上任意最远的两个纤芯的圆心，得到两个圆心连线与水平轴或竖直轴之间的第一夹角，其中，n为正整数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述多芯光纤为环形排列的多芯光纤时，所述目标度数为0°、90°或360/n°。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述裸光纤中各纤芯的排列形式，通过观察研磨好的所述多芯光纤端面中各个纤芯的位置，找出任意距离最远的两个纤芯的圆心，求出两个圆心连线与水平轴或竖直轴之间的夹角，包括：
在所述多芯光纤为矩形排列的多芯光纤时，根据所述多芯光纤芯间距设计，得到最大矩形对角线上的两个纤芯圆心的连线和水平轴或竖直轴之间的第二夹角；
通过观察所述多芯光纤端面，找到最大矩形对角线上的两个纤芯圆心之间的连线与水平轴或竖直轴之间的第三夹角。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述多芯光纤为矩形排列的多芯光纤时，固定所述金属套环并旋转所述金属尾柄，使所述第三夹角与所述第二夹角之间的误差在预设范围内。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的方法，其特征在于，所述特殊插芯的内孔径与剥除涂覆层的所述裸光纤的外径匹配。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多芯光纤的芯数为任意芯数，所述多芯光纤的纤芯为对称性排列。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述多芯光纤的纤芯为环形排列或矩形排列。
9.一种利用权利要求1至8任意一项所述的多芯光纤单芯连接器的制备和对准方法得到的多芯光纤单芯连接器。
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