基于球透鏡的擴束光纖接觸件設計

陳惠欽，李 虎，王 旭，馬永會，周啟明

(上海航天科工電器研究院有限公司，上海，200331)

1 引言

傳統(tǒng)的物理接觸式光纖連接器一直面臨灰塵敏感,插拔過程中端面易損壞、清潔困難等痛點。因此光纖傳輸,特別是使用環(huán)境惡劣的軍用光纖連接器,迫切需要解決上述問題。擴束光纖連接器是其中一種有效的解決方式。

擴束技術可大幅提高光纖端面的光斑直徑,提高光纖連接器耐受灰塵的能力。而且,擴束光纖連接器為“非接觸”式,可避免物理接觸式光纖端面的“傳染病”。原因是物理接觸式光纖連接器一旦掉落硬質塵埃,對接過程中光纖物理接觸擠壓會對光纖端面造成不可修復的損害。非接觸式可提高插拔壽命,降低光纖連接器外場維護要求。

目前,國內常用的擴束光纖連接器通常是基于自聚焦透鏡,用在線耦合的方式保證插損損耗達到最佳值,耦合效率成為擴束光纖連接器的生產瓶頸,耦合成本也是擴束光纖連接器的主要成本。本文提出基于球透鏡的設計方案,利用球透鏡、定焦墊片以及內外陶瓷插芯的結構精度實現(xiàn)機械耦合,該方法可大幅降低擴束連接器的生產難度,降低擴束連接器成本。

2 擴束光纖連接器原理分析

2.1 擴束光纖連接器原理

典型的擴束光纖連接器兩端設有兩個透鏡光纖。光纖端面在透鏡的焦點附近,光纖發(fā)出的光經透鏡折射,形成放大的平行光束。另一端的擴束光纖連接器設有另一個透鏡,將放大的平行光束耦合進入另一端的光纖,完成光路的連接。

圖1 擴束光纖連接器原理圖

2.2 結構設計

本文的光纖接觸件基于J599E8光纖連接器,插頭插座采用同一種接觸件。

接觸件總體結構如圖2所示。

圖2 擴束接觸件結構示意圖

接觸件的光學部分由球透鏡、定焦墊片、內插芯、外套管、保護窗口等部分組成。

3 仿真分析

3.1 球透鏡選型

球透鏡為該光纖接觸件的核心部件,由于選用1.25mm的內插芯,球透鏡也選用1.25mm外徑,采用常見的K9材料,其折射率為1.517。

以單模光纖為基礎進行仿真,分析球透鏡外徑公差要求。

從圖3可知,光纖相對于透鏡中心徑向偏移將極大影響耦合效率,徑向偏移2微米,耦合效率從91.15%下降到80%。由于內插芯和外套管采用陶瓷件,可保證光纖與套筒的同軸度為1微米,要保證球透鏡的徑向偏移小,球透鏡的外徑是關鍵。本產品要求球透鏡精度公差帶在1個微米范圍內。

圖3 球透鏡徑向錯位損耗

3.2 定焦墊片設計

如圖4所示,球透鏡的半徑為R,焦距為f,折射率為n。根據球透鏡焦距計算公式,

圖4 球透鏡焦距計算示意圖

圖5 焦距計算仿真

f=n*R/2*(n-1)

假設選用的球透鏡折射率為1.517,半徑為0.625mm,計算出焦距為f=0.917mm。

（1）沉樁過程中，開口樁樁端部分土不可避免的將涌入管樁內壁形成土塞，土塞的形成、閉塞程度與樁端土性（應力狀態(tài)和密實度）、樁基的幾何特征（如樁徑、壁厚、樁靴類型等）、成樁方法（打入樁或靜壓樁）、樁基入土深度及進入樁端持力層深度等諸多因素有關。土塞效應影響因素復雜，尚缺乏完善的理論與方法，建議從細觀力學機制出發(fā)，結合室內試驗、理論分析與數(shù)值模擬各方面因素，研究土塞效應力學機制，全面指導工程應用。

那么,理論上墊片厚度s=f-R=0.917-0.625=0.292mm。

通過仿真可見墊片厚度在0.298～0.302范圍內,耦合效率控制范圍較優(yōu)。

3.3 內插芯和外套管精度控制

擴束接觸件可看作一種特殊的準直器,光束擴束后,對角度差非常敏感。如圖6所示,0.2°的角度差可引起2dB的損耗。

圖6 擴束后準直器角度差曲線

圖7 基于球透鏡的擴束接觸件

表1 多模擴束接觸件實測值(@850nm)

本產品采用開口套筒來控制兩端接觸件的角度傾斜。由于內插芯和外部的開口套筒為通信標準件,精度可控制在1微米范圍內,設計中也需嚴格控制陶瓷外套管的內外徑公差。

4 實物性能測試

為驗證該方案的可行性,制作基于球透鏡的多模擴束接觸件。實物如圖所示。

5 結束語

為了降低擴束接觸件成本,設計了一種基于球透鏡的擴束光纖接觸件,通過仿真分析確定了球透鏡、定焦墊片、內插芯、外套管等核心零件的公差控制要求,利用機械尺寸保證耦合精度。實際制備了多模接觸件,證明該方案可滿足使用要求。該方案使擴束接觸件的生產不需要依靠耦合臺,可大幅提高生產效率。