基于球透鏡擴束的水密光纖連接器的設(shè)計

高文彬，李榮蘭，王飄飄，趙海波，王秀劍，劉 增

(山東龍立電子有限公司，山東臨沂，276017)

1 引言

水密光纖連接器一般用于水下光傳輸及傳感系統(tǒng)中，與光纜和水下設(shè)備之間進行連接，在海底觀測網(wǎng)、海洋油氣勘探開采和海洋牧場等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的水密光纖連接器，大都采用物理接觸型原理，在長期使用過程中，存在現(xiàn)場不易清潔、易損傷、不穩(wěn)定且難以修復(fù)等可靠性問題。本文介紹一種擴束型水密光纖連接器，其采用球透鏡擴束耦合技術(shù)，進行非接觸式光纖連接，具有耐臟污、易清潔、抗振動沖擊、可靠性高等特點,其更加適應(yīng)海洋惡劣環(huán)境應(yīng)用要求，簡化了維護保養(yǎng)工作，有效降低了因纖芯對接磨損而引起的光纖傳輸故障，大大提高了連接器的插拔次數(shù)和使用壽命。

2 設(shè)計原理及仿真分析

光纖擴束連接器，其原理是使從光纖出射的光經(jīng)過透鏡折射后，光束直徑得到放大并準(zhǔn)直成平行光出射，出射的平行光再進入另一端透鏡中，將放大的平行光束折射聚焦耦合進入接收光纖中，完成非接觸式光路的傳輸。光纖擴束連接器降低了灰塵等污染對光性能的影響，減少對接端面的摩擦，有效地降低了因纖芯對接磨損而引起的光纖傳輸故障，提高了光纖連接器的使用壽命。光纖擴束連接器常用的透鏡有自聚焦透鏡及球透鏡等。

自聚焦透鏡，又稱梯度折射率透鏡，是一種折射率分布沿徑向漸變的柱狀光學(xué)透鏡，具有聚焦、準(zhǔn)直和成像功能，國內(nèi)已實現(xiàn)量產(chǎn)，已應(yīng)用在多種光纖通信無源器件中，如準(zhǔn)直器、耦合器、光隔離器、光開關(guān)、波分復(fù)用器等?；谧跃劢雇哥R原理的光纖擴束連接器，一般為中性結(jié)構(gòu)，靠導(dǎo)向柱和相應(yīng)的導(dǎo)向孔，以及外殼的準(zhǔn)直器安裝孔位置度保證準(zhǔn)直器對準(zhǔn)，另外，利用前端的平板玻璃保證準(zhǔn)直器的角度，減少角度偏移。該產(chǎn)品一般體積較大。對連接器結(jié)構(gòu)件加工精度有極高要求，連接器互換性較差。

球透鏡是具有恒定的折射系數(shù)，由光學(xué)玻璃等材料制成的球狀光學(xué)透鏡，主要用于光纖之間、激光與光纖之間、光纖與探測器之間的耦合。球透鏡與自聚焦透鏡相比，具有較小的封裝尺寸、較低的價格等特點，隨著球透鏡鍍膜技術(shù)得到改進，球透鏡能在較小的封裝中，產(chǎn)生更高的耦合效率，使它成為大量生產(chǎn)時光學(xué)元件的最佳選擇。基于球透鏡原理的光纖擴束連接器，透鏡和光纖接觸件之間的耦合依賴產(chǎn)品基座的結(jié)構(gòu)保證，對基座的結(jié)構(gòu)精度要求高。一旦結(jié)構(gòu)確定，制作方便，形式靈活，連接器互換性較好。

基于球透鏡擴束的光纖連接器原理如圖1所示：光纖連接器設(shè)有兩個球透鏡及兩根光纖，光纖端面在球透鏡的焦點處，發(fā)射光纖發(fā)出的光先被球透鏡擴束并準(zhǔn)直。擴束光纖連接器的另一端有另一球透鏡，它將擴束、準(zhǔn)直后的光束耦合進入另一端的接收光纖，最終形成光路的連接。由于光路可逆原理可知，兩球透鏡可互為發(fā)射端與接收端。

圖1 基于球透鏡擴束的光纖連接器原理示意圖

圖1中，d1是發(fā)射光纖端面到球透鏡1中心點的距離，d2是接收光纖端面到球透鏡2中心點的距離，d3是球透鏡1和球透鏡2中心點的距離，F(xiàn)1和F2分別是球透鏡1和2的焦距，各參數(shù)有以下關(guān)系：

F1=F2=F

(1)

(2)

(3)

式(3)中，n為球透鏡的折射率，D為球透鏡的直徑。

本文研制的4芯水密光纖擴束連接器，采用直徑為9/125um單模光纖，發(fā)射和接收透鏡均采用折射率為2，直徑為φ2.5mm的球透鏡。由式(2)(3)可得，d1= d2=F=D/2=1.25mm，即光纖端面和透鏡之間無間隙，可降低對光纖端面鍍膜的要求，并可降低對準(zhǔn)精度的要求。

采用插入損耗指標(biāo)來評價基于球透鏡擴束的光纖水密連接器的傳輸性能。其插入損耗可以分為兩類，一類是固有損耗，它是由光學(xué)系統(tǒng)自身所用材料和表面處理特性決定，包括菲涅反射、球差等。另一類是連接損耗，它是由連接器各部分對準(zhǔn)誤差引起的，包括橫向偏移、角度偏移、徑向偏移等。其中連接損耗在插入損耗中占據(jù)主要成分。

采用Zemax軟件，設(shè)置光源參數(shù)，并模擬兩根光纖芯徑為φ9μm的單模光纖，將球透鏡參數(shù)帶入中，搭建光學(xué)理論模型主要對連接損耗影響因素進行分析。

考慮到實際裝調(diào)過程中可能產(chǎn)生的誤差影響，首先對球透鏡與光纖插芯間距對插入損耗的影響進行理論仿真。并基于理論仿真結(jié)果，搭建光學(xué)系統(tǒng)進行實測驗證，由下圖2可看出球透鏡與光纖插芯的間距對插入損耗的影響，實測數(shù)據(jù)與理論仿真數(shù)據(jù)變化趨勢一致，均在間距為34μm時插損值最小。

圖2 球透鏡與光纖插芯間距對插入損耗的影響

仿真分析橫向偏移對擴束連接器插入損耗的影響。引起橫向偏移的因素有兩種：第一種因素為入射光束偏移，即為入射光纖插芯位置不在球透鏡的光軸上，如圖3所示。當(dāng)入射光纖插芯位置與球透鏡的光軸相差1.5μm時，插入損耗在1dB左右，如圖4所示。第二種因素為入射球透鏡與出射球透鏡的光軸不重合，如圖5所示，根據(jù)理論分析該因素對插入損耗的影響相對較小，當(dāng)兩球透鏡的光軸相差20μm時，插入損耗在1dB左右，如圖6所示。

圖3 光纖插芯與球透鏡光軸橫向偏移示意圖

圖4 光纖插芯與球透鏡光軸橫向偏移對插入損耗的影響

圖5 兩球透鏡光軸橫向偏移示意圖

圖6 兩球透鏡光軸橫向偏移對插入損耗的影響

然后，仿真并分析角度偏移對擴束連接器插入損耗的影響。光纖插芯、透鏡光軸等角度的偏移會對插入損耗產(chǎn)生影響。主要仿真分析兩種因素引起的角度偏移對插入損耗的影響。一是發(fā)射端光軸相對于接收端光軸角度偏移對插入損耗的影響，如圖7所示，根據(jù)圖8所示的仿真數(shù)據(jù)可知，該因素對插入損耗的影響較大，當(dāng)發(fā)射端光軸相對于接收端光軸角度偏差0.01°時，引入插入損耗1dB左右。二是光纖插芯相對于球透鏡光軸角度偏移對插入損耗的影響，如圖9所示，根據(jù)圖10的仿真數(shù)據(jù)，1°角度偏移引入0.95dB的插損。

圖7 發(fā)射端光軸與接收端光軸角度偏移示意圖

圖8 發(fā)射端光軸與接收端光軸角度偏移對插入損耗的影響

圖9 光纖插芯相對于球透鏡光軸角度偏移示意圖

圖10 光纖插芯相對于球透鏡光軸角度偏移對插入損耗的影響

3 總體結(jié)構(gòu)及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于球透鏡擴束的水密光纖連接器總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示，球透鏡固定在基座的前端，研磨后的陶瓷插芯固定于基座孔中，陶瓷插芯前端面中心位于球透鏡的焦點位置處，以對光束進行擴束準(zhǔn)直；同時安裝板組件設(shè)有定位孔，在連接器對接使用時，可以起到精確定位作用。

圖11 基于球透鏡擴束的水密光纖連接器總體結(jié)構(gòu)示意圖

基于球透鏡擴束的水密光纖連接器產(chǎn)品設(shè)計充分考慮了工作深度，材料性能及安全系數(shù)等要求。通過理論計算，確定了殼體的結(jié)構(gòu)尺寸，并通過仿真驗證，產(chǎn)品殼體滿足水下6000米使用要求，如圖12所示，殼體在水壓下徑向載荷和軸向載荷均不大于材料的允許應(yīng)力。水密光纖連接器實物照片如圖13所示。

圖12 60MPa水壓下殼體的應(yīng)力分布圖

圖13 水密光纖擴束連接器插頭與插座插合端密封結(jié)構(gòu)示意圖

在基于球透鏡擴束的水密光纖連接器密封設(shè)計時，采用多重密封技術(shù)。連接器插頭與插座插合端密封采用雙O型圈徑向密封形式，如圖13所示，O型圈為階梯形式排列，提高了密封的可靠性。

在連接器與光纜的配接處，采用三層密封結(jié)構(gòu)，如圖14所示。最內(nèi)層的光纜與外殼間間隙處使用橡膠密封套填充密封；中間的外殼套筒與插頭內(nèi)殼體用螺紋膠進行密封；最外層在連接器外殼體上采用熱硫化密封工藝，形成整體的橡膠密封層，從而保證了水密要求。

圖14 水密光纖擴束連接器與光纜配接處的密封結(jié)構(gòu)示意圖

4 水密光纖擴束連接器的性能測試

對研制的4芯單模水密光纖擴束連接器插頭和插座在插合情況下的插入損耗性能進行測試，測試結(jié)果如表1所示，達到了設(shè)計參數(shù)要求。

表1 4芯單模水密光纖擴束連接器插入損耗測試結(jié)果

然后對4芯單模水密光纖擴束連接器插頭和插座在插合情況下的回波損耗性能進行測試，測試結(jié)果如表2所示，達到了設(shè)計參數(shù)要求。

表2 4芯單模水密光纖擴束連接器回波損耗測試結(jié)果

對4芯單模水密光纖擴束連接器進行60MPa耐水壓測試，保壓12小時后，無滲漏，耐壓測試后對其插損性能進行測試，插損無變化。

5 總結(jié)

本文研制了4芯單?；谇蛲哥R擴束的水密光纖連接器，通過優(yōu)化設(shè)計和精確工藝參數(shù)控制，達到了較好的插回損性能指標(biāo)，其水密性能良好，耐壓指標(biāo)滿足6000m水深的使用需求。該水密光纖連接器，具有耐臟污、易清潔、抗振動沖擊、可靠性高等特點,其更加適應(yīng)海洋惡劣環(huán)境應(yīng)用要求，在海底觀測網(wǎng)、海洋油氣勘探開采、海洋牧場等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。