高精度光纤对准元件制造技术

一种光电系统（１００），具有设计用于在能够生产公差低于１０００ｎｍ的零件的压印工艺上制造的元件。该光电系统包括插芯（１３０，１４０）和套管（１５０）。插芯（１３０，１４０）可以包括两个相同的半插芯，其锻压并组装在一起从而形成插芯主体。插芯还可以设计为通过成形工艺生产或通过锻压与成形工艺的组合生产。支撑一根或更多根光纤（１１０，１２０）的一对插芯通过高精度分裂套管（１５０）引导到一起，用于将光纤（１１０，１２０）耦接在一起。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光电系统、子系统和元件，更加特别地涉及用于在单纤维或多纤维光纤连接中对准光纤的精密公差元件。
技术介绍
基于光纤的通讯频道是多种国防和商业应用中的选择的系统，因为其高性能和小尺寸。特别地，纤维光学在长距离应用中有“优势(proved-in)”，诸如城市对城市和大陆对大陆通讯跨接，因为电-光-电(E-O-E)转化元件、光纤放大器、以及光缆相对于使用无需E-O-E的同轴铜质电缆的纯电学系统成本较低。这些长途纤维在终端之间可以有数百公里。较短距离的系统在终端之间通常仅有几十公里的光纤，而超短距(VSR)系统在终端之间仅有几十米的光纤。尽管用于地铁、接入和办公区域的电信和数据通信的光纤连接与长途连接相比较短，但有大量这类的应用。在这些类型应用中采用光纤需要的元件数量很大。在这些短距离系统中，光纤的“优势”对于E-O-E终端转化装置和支持电路，以及连接在终端之间的无源和有源光电装置和设备的成本十分敏感。因此，对于在短距离和VSR系统中具有“优势”的光电有源和无源系统、子系统和元件，其平均售价必须降低。平均售价的降低将帮助促进判断在高速制造技术上投资所必需的单位容量。有源和无源光纤元件和连接电缆两者成本的重要组成在于光纤连接器本身。插芯(Ferrule)和用于对准插芯的相关装置(例如用于单纤连接的分裂套管(split sleeve)，用于多纤连接的接地针(ground pin))决定了现有光纤连接器的成本。一般需要对准元件来将光纤与有源和无源装置对准，以及对准两根光纤，用来可拆卸地连结和用来衔接。需要两个抛光光纤端端部的精确对准，从而确保光纤链中的总体光损耗等于或小于对于系统的具体光连接器损耗预算。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。在平行光纤和单光纤链中，在多个G比特速率下工作的连接器都必须与以亚微米精度制造的次级元件组装。若以这种精度水平生产部件仍嫌不够，为了使所得的最终产品更加经济，其必须以全自动、高速工艺完成。目前的连接器已有超过20年基本设计未改变了。插芯、分裂套管和凹槽的基本设计上溯到19世纪70年代。传统的插芯为固体圆柱，圆柱的轴中心具有孔，直径通常为0.125mm的光纤插入并固定在其中。圆柱的外径通常为0.25mm，其长度通常为10mm。对于绝大部分，现在市场上的产品采用与此相同的设计，但从不同材料制造且通过不同的制造方法制造。对于单一的光纤对光纤应用，插芯通常由机械成型的金属片或氧化锆陶瓷制成。在多步骤工艺中，将氧化锆片塑模成近似尺寸，随后加些加工并研磨该片至期望的尺寸和公差。对于多纤应用，插芯通常由注入了石英球的热固塑料制成。石英球使得复合塑料-玻璃材料系统的热膨胀系数比纯塑料更接近于石英纤维。通常可以接受，目前的光纤连接器制造成本过大。若光纤成为短途和VSR应用的通讯介质的选择，制造光纤连接器的成本必须降低。压印工艺已应用于低成本大批量生产零件的制造工艺中。压印是在冲模套件之间压迫诸如金属带的工件至预定形状或图案的制造工艺。冲模套件可以在工件上执行各种压印操作，诸如切割、成形(例如，冲孔、拉伸、弯曲、形成凸缘和包边)、以及锻压(例如，压花)。通常，成形是指基本不改变工件厚度的压印操作，而锻压是指充分改变工件厚度的压印操作。与机械加工塑模的氧化锆片或塑模的充入石英的热固塑料的工艺相比，压印是相对较快的工艺。然而，压印工艺对于制造用于光电元件的具有可接受公差的零件没有效果。授予Balliet等人的美国专利No.4,458,985教导了一种光纤连接器。Balliet粗略介绍了一些可以通过压花或压印工艺(例如，col.3，20至21、55至57行)制造的连接器元件。然而，Balliet未提供这种压印工艺可用公开内容，仅提出了制造1000nm内零件的压印工艺的可用公开内容。在我们的名为“用于制造精密公差零件的压印系统”，提交于2003年7月15日的待审查美国专利申请中，其全文在此作为参考引入，我们介绍了压印公差在1000nm内的诸如光电系统、子系统和元件的零件。图1为示出用于压印公差低于1000nm的光电元件的系统10的示意图。部分地，压印系统10包括压印压板20、一个或一系列压印台25、以及界面系统35。每个压印台25可以包括器具，诸如用于在工件上执行具体压印操作的冲头或模具、用于在线度量和器具保护的传感器、以及诸如焊机的其它设备。压印台25包括一种新颖的结构，用于以精密的公差与模具基本对准地引导冲头。另外，压印台25设计为最小化在引导冲头至模具时包括在支撑结构中的活动元件的数量。压印压板20为一系列压印台25提供动力。界面系统35便于结合压板20与冲头的力，但结构上将压板20从冲头分开。界面系统35还允许每个压印台隔开，使得一个台处的操作不会影响另一台处的操作。这种精密压印工艺能够制造具有1000nm的“6∑”几何公差带的零件。统计上，这意味着每100万个零件中最多3.4个零件将不满足有1000nm公差带限定的尺寸要求。对于正态分布，为了实现6∑工艺，完整工艺的标准偏差必须小于或等于83nm，假设工艺手段保持稳定。实际上，公差必须适应工艺手段的偏差。对于适应±1.5*∑的工艺手段偏差情况，最大标准偏差减小至67nm。再一次的，假定正态分布，为在具有n精度级的多级工艺中实现这一点，n级的每一个必须具有∑/n^0.5。若在此示例中n＝4，则∑(每级)小于或等于33nm。因此期望有这样的精密光电系统、子系统和元件，其为了以能够在1000nm内公差生产的高速压印工艺的可制造性而设计。还期望有这样的精密光电系统、子系统和元件，其为了以在我们的待审查美国专利申请(序列号未获)中介绍的压印系统中的可制造性而设计。
技术实现思路
本专利技术教导了一种光电系统、子系统和元件，其具有新颖的设计，该设计使得其本身可以通过能够生产公差在1000nm以内的零件的高速压印工艺制造。本专利技术的光电系统、子系统和元件可以是，但不限于，光纤连接器，诸如精密插芯和套管。本专利技术的光电系统包括一对互补插芯、以及套管，插芯支撑一根或更多根光纤。插芯和套管具有亚微米公差，使得在插芯插入套管中时，套管精确地将由插芯支撑的光纤端部彼此对准，用于互连。在本专利技术的一个方面中，光电系统的元件设计用于通过锻压工艺制造。在一个实施例中，插芯包括两个互补的半插芯。每个半插芯包括具有限定于其上的一个或更多个凹槽的平坦表面。凹槽的尺寸和形状可以适于套住光纤端部或导向销。半插芯和凹槽的形状可以通过锻压工艺形成。互补半插芯可以组装在一起从而形成插芯。在将半插芯组装在一起时，凹槽限定出一个或更多个用于套住光纤或导向销的轴。在一些实施例中，半插芯具有半圆形端截面。在一些实施例中，半插芯具有部分半圆端截面。在本专利技术的另一方面中，光电系统的元件设计用于通过成形工艺制造。在一个实施例中，插芯具有两个或更多个通过成形工艺生产在单片工件上的点。在一些实施例中，插芯具有星形形状。在插入互补套管中时，该些点与分裂套管的内表面接触，便于彼此相对引导光纤。在另一实施例中，套管通过成形工艺在单片工件上生产。在本专利技术的又一方面中，光电系统的元件设计用于通过锻压和成形工艺制造。在一个实施例中，插芯包括两个具有环形构造的互补半插芯。每个半本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种插芯，用于支撑光纤，包括第一和第二半插芯，其一同限定出尺寸和形状适于容纳光纤的轴。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔K巴诺斯基，安东尼利维，弗里茨普林兹，亚历克斯塔拉休克，
申请(专利权)人：毫微精密产品股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]