擴(kuò)束式光纖連接器發(fā)展展望

馮 浩，青 春，楚淇博，高 陽

(沈陽興華航空電器有限責(zé)任公司，遼寧沈陽，110144)

1 前言

隨著科技的不斷發(fā)展，通信信息網(wǎng)絡(luò)的傳輸量不斷增加，傳輸速度要求越來越高，光纖通信已經(jīng)成為信息社會(huì)中必不可少的通信系統(tǒng)。由于光纖具有抗電磁干擾，不易引起串音及干擾等特點(diǎn)，使得光纖通信具有良好的保密性能，同時(shí)相對(duì)于電纜來說光纜還具有體積小、重量輕、頻帶寬、信息容量大、損耗小、傳輸距離長等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于航天、航空、野外通信等各個(gè)領(lǐng)域。

光纖連接器是光纖通信領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的光無源器件之一，光纖連接器品種繁多，從耦合方式上來分，可分為接觸式光纖連接器和擴(kuò)束式光纖連接器。接觸式光纖連接器是通過光纖端面與端面之間的緊密對(duì)接(物理接觸)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)?如下圖1所示)；擴(kuò)束式光纖連接器是通過透鏡將光束進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直(光斑變大)，再匯聚來實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)?。接觸式光纖連接器應(yīng)用廣泛，作為光通信系統(tǒng)中最基本也是最重要的光無源器件，它被應(yīng)用于各個(gè)光纖通信領(lǐng)域。在長期的使用過程中，尤其是在野外等極端環(huán)境使用過程中，暴露出了端面易污染、易損傷等問題，從而導(dǎo)致光性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象。接觸式光纖連接器的這些問題亟待解決，而擴(kuò)束式光纖連接器的出現(xiàn)在一定程度上解決了接觸式光纖連接器存在的問題。

圖1 物理接觸示意圖

2 工作原理及優(yōu)點(diǎn)

2.1 工作原理

擴(kuò)束式光纖連接器是一種非物理接觸式光纖連接器，其原理是將光纖與準(zhǔn)直透鏡耦合到一起，使從光纖出射的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后以平行光出射，出射的平行光再進(jìn)入另一端的準(zhǔn)直透鏡中，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡匯聚將光束耦合到接收光纖中。由光路可逆原理可知，兩準(zhǔn)直透鏡可互為發(fā)射端與輸出端。擴(kuò)束式光纖連接器工作原理示意圖如下圖2所示。

圖2 擴(kuò)束傳輸原理示意圖

2.2 產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)

2.2.1 抗污染

擴(kuò)束式光纖連接器整個(gè)光路系統(tǒng)中光纖發(fā)射出的光束在強(qiáng)度損失較小的情況下被有效地放大了幾倍或幾十倍，如圖3所示。

圖3 灰塵(30μm)與光纖芯徑及擴(kuò)束后光斑對(duì)比圖示

從圖3可以看出，若是有一個(gè)30um的粉塵直接落在光纖端面上，纖芯直徑為9um的光纖發(fā)射出的信號(hào)將被直接遮擋無法傳輸，纖芯直徑為50或62.5um光纖發(fā)射出的信號(hào)將被遮擋50%左右，嚴(yán)重影響信號(hào)的傳輸。但經(jīng)過自聚焦透鏡放大的光束由于光截面比較大，光信號(hào)對(duì)灰塵影響的敏感度并不是很大，所以可以有效的提升抗環(huán)境污染能力。

2.2.2 高壽命

擴(kuò)束式光纖連接器是一種非物理接觸式連接器，避免了光纖插針相互接觸所造成的磨損，故而提高了光纖連接器的使用壽命。

2.2.3 抗振動(dòng)沖擊

光束被擴(kuò)展后，光斑直徑成倍的增加，振動(dòng)和沖擊情況下，軸向方面，距離的變化不會(huì)對(duì)通光造成影響；徑向方面，兩光斑之間的重合面積不會(huì)因?yàn)殄e(cuò)位而大量減小。所以，振動(dòng)和沖擊對(duì)擴(kuò)束式光纖連接器的影響被極大程度的降低。

2.2.3 易于清潔

準(zhǔn)直透鏡的表面直徑遠(yuǎn)比光纖大，清潔工具更容易與透鏡接觸，而清潔時(shí)只需要對(duì)透鏡進(jìn)行清潔，所以擴(kuò)束式光纖連接器相對(duì)于對(duì)接式光纖連接器更易于清潔。

3 損耗分析

光纖連接器損耗主要包括固有損耗和連接損耗兩個(gè)部分。接觸式光纖連接器的固有損耗主要來自光纖；擴(kuò)束式光纖連接器的固有損耗除光纖外，還包括透鏡的固有損耗。隨著科技發(fā)展，材料性能及相關(guān)工藝的不斷提高，專業(yè)的生產(chǎn)廠商可以把透鏡的固有損耗降為不大于0.3dB。

由于連接器裝配過程中調(diào)制或者零件加工精度限制等其他因素導(dǎo)致發(fā)射端光纖(透鏡)和接收端光纖(透鏡)之間存在一定的偏差(包括橫向偏差，縱向偏差，角度偏差)，由此引起的耗損(錯(cuò)位損耗、間隙損耗、傾斜損耗)稱之為連接耗損。連接損耗主要包括錯(cuò)位損耗，間隙損耗和傾斜損耗。下面我們計(jì)算各種連接損耗，同時(shí)與傳統(tǒng)對(duì)接式光纖連接器的相應(yīng)損耗進(jìn)行對(duì)比。

3.1 錯(cuò)位損耗

錯(cuò)誤損耗是兩個(gè)光纖(透鏡)的光軸平行且有一定的間距Δx(即橫向偏差)而產(chǎn)生的損耗，圖4為錯(cuò)位損耗示意圖。

圖4 橫向偏差

錯(cuò)位損耗L(dB)表達(dá)式為：

(1)

我們選取常用的直徑為1.8mm的透鏡以及常用的9μm、50μm、62.5μm通信光纖的相關(guān)參數(shù)，代入上述公式得到結(jié)果如下圖5所示。

圖5 不同光纖與透鏡錯(cuò)位損耗對(duì)比圖

從圖5中可以看出，相對(duì)于接觸式光纖連接器，錯(cuò)位損耗對(duì)擴(kuò)束式光纖連接器的影響很小。

3.2 傾斜損耗

傾斜損耗是兩個(gè)光纖(透鏡)的光軸中心軸線上存在一角度偏差引起的，如圖6所示，計(jì)算方法如下：

(2)

圖6 傾斜損耗圖示

由圖7可知，相對(duì)于接觸式光纖連接器，傾斜損耗對(duì)擴(kuò)束式光纖連接器的影響比較大。

圖7 不同光纖與透鏡傾斜損耗對(duì)比圖

3.3 間隙損耗

間隙損耗是兩個(gè)光纖(透鏡)的光軸重疊，但由于兩個(gè)透鏡端面存在一定的間隙Δx(縱向偏差)而引起的損耗，如圖8所示。

圖8 間隙損耗圖示

間隙損耗計(jì)算方法如下：

(3)

分別將常用光纖及透鏡的參數(shù)帶入上式中，計(jì)算結(jié)果如下圖9所示。

圖9 不同光纖與透鏡間隙損耗對(duì)比圖

由上圖可知，相對(duì)于接觸式光纖連接器，間隙損耗對(duì)擴(kuò)束式光纖連接器幾乎沒有影響。這是因?yàn)閷?duì)接式光纖連接器是通過光纖端面之間面與面的物理接觸實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)?，?duì)接式光纖連接器必須緊密對(duì)接才能保證信號(hào)低耗損傳輸，而擴(kuò)束式光纖連接器發(fā)射出來的光束基乎是平行光束，所以在一定距離內(nèi)兩個(gè)透鏡之間的間隙對(duì)損耗影響并不大。與此同時(shí)，也正是因?yàn)殚g隙損耗對(duì)擴(kuò)束式光纖連接器幾乎沒有影響，才實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)非接觸傳輸?shù)耐瑫r(shí)，又保護(hù)了透鏡端面不受磨損，從而提升了擴(kuò)束式光纖連接器的機(jī)械壽命。

通過上述損耗分析可知，接觸式光纖連接器間隙損耗和錯(cuò)位損耗較大；擴(kuò)束式光纖的固有損耗和傾斜損耗相對(duì)較大。現(xiàn)階段，通過相關(guān)工藝的控制，擴(kuò)束式光纖連接器的耦合損耗值可以達(dá)到≤1dB的指標(biāo)，完全能夠滿足各類通信裝備的使用需求。

4 總結(jié)與展望

本文介紹了擴(kuò)束式光纖連接器的工作原理，并且對(duì)擴(kuò)束式光纖連接器與對(duì)接式光纖連接器的各種損耗進(jìn)行了對(duì)比分析，由于擴(kuò)束式光纖連接器增加了透鏡，并且透鏡存在一定的固有損耗，以及擴(kuò)束式光纖連接器系統(tǒng)中光學(xué)面的增加，導(dǎo)致擴(kuò)束式光纖連接器的插入損耗大于傳統(tǒng)的對(duì)接式光纖連接器損耗。以國外標(biāo)準(zhǔn)為例，ARINC-801標(biāo)準(zhǔn)要求，接觸式多模光纖連接器插入損耗應(yīng)≤0.3dB；MIL/29504標(biāo)準(zhǔn)中則規(guī)定，接觸式多模光纖連接器插入損耗應(yīng)≤0.75dB；而與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品要求則為：擴(kuò)束式光纖連接器插入損耗應(yīng)≤1.5dB。

不過，由于擴(kuò)束式光纖連接器采用了非物理接觸的傳輸形式，所以擴(kuò)束式光纖連接器具有較高的可靠性及機(jī)械壽命，具有較強(qiáng)的抗振動(dòng)沖擊能力、抗污染能力以及易于清洗等優(yōu)點(diǎn)。所以擴(kuò)束式光纖連接器更適用于航空、航天、野外通信等極端環(huán)境中的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，光學(xué)透鏡性能質(zhì)量的提高，透鏡的吸收和像差引起的耗損將會(huì)越來越小，即擴(kuò)束式光纖連接器的固有損耗將減小。并且隨著機(jī)械精加工能力的提升以及擴(kuò)束式光纖連接器的制作工藝不斷完善，相信擴(kuò)束式光纖連接器的插入損耗也將更小。未來，伴隨著擴(kuò)束式光纖連接器傳輸效率的提高，以及批量化生產(chǎn)后制作成本的降低，擴(kuò)束式光纖連接器必將得到廣泛的應(yīng)用。