單通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器內(nèi)部耦合損耗的分配優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

鄔華春，姚 志，任俊鵬，薛紅杰

(西安航空學(xué)院 理學(xué)院，西安 710077)

0 引言

1966年英籍華人高錕(Charles Kao)著文，提出用石英制作玻璃絲(光纖)，其損耗為20 dB/km，可實(shí)現(xiàn)大容量的光纖通信。隨著通信用半導(dǎo)體激光器的誕生，光纖通信得到了快速發(fā)展[1]。現(xiàn)如今，光纖通信已成為信息社會(huì)不可缺少的神經(jīng)系統(tǒng)。在使用光纖進(jìn)行通訊的過(guò)程中，一些場(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)部分之間的信號(hào)傳輸。為了解決這種需求，國(guó)外率先研制出了光纖旋轉(zhuǎn)連接器(Fiber Optic Rotary Joint，F(xiàn)ORJ)[2-3](也稱(chēng)光纖滑環(huán))。

在使用光纖旋轉(zhuǎn)連接器傳輸光信號(hào)的過(guò)程中，插入損耗(簡(jiǎn)稱(chēng)插損)是重點(diǎn)關(guān)注的性能指標(biāo)之一。為提高光纖旋轉(zhuǎn)連接器的傳輸光信號(hào)傳輸性能，在理論分析三種耦合耗損的基礎(chǔ)上，提出了一套三種耦合耗損占比的優(yōu)化分配方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了這一方案可以有效地提高光纖旋轉(zhuǎn)連接器的光信號(hào)傳輸性能。

1 光纖準(zhǔn)直器的三種耦合損耗[4-8]

光纖旋轉(zhuǎn)連接器的工作原理是基于高斯光束的空間高效率耦合。光場(chǎng)分布為Q1的高斯光束與Q2的高斯光束耦合效率為式(1)：

(1)

為了實(shí)現(xiàn)兩束光之間的耦合傳輸，首先想到的是采用光纖直接耦合，但光纖直接耦合的方式對(duì)機(jī)械精度要求太高，因此一般都采用光纖準(zhǔn)直器將光進(jìn)行擴(kuò)束以后再進(jìn)行耦合，以降低對(duì)機(jī)械精度的要求。光纖準(zhǔn)直器能夠?qū)⒐膺M(jìn)行擴(kuò)束是基于梯度折射率透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

一對(duì)光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行光的耦合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加損耗。而光纖準(zhǔn)直器由裝配引起的三種誤差，即離軸偏差、角度偏差和軸向偏差決定了附加損耗的大小。

1.1 離軸偏差損耗

離軸偏差是指兩個(gè)光纖準(zhǔn)直器的光軸平行且有一定的間距X0產(chǎn)生的偏差，圖1是光纖準(zhǔn)直器離軸偏差示意圖。

圖1 光纖準(zhǔn)直器離軸偏差示意圖

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)式(1)，得到離軸偏差為X0時(shí)引起的耦合損耗為：

(2)

式中，n為自聚焦透鏡的中心折射率，A是自聚焦透鏡折射率變化的聚焦常數(shù)，λ為入射光的波長(zhǎng)，ω0為單模光纖模場(chǎng)半徑。

1.2 角度偏差損耗

角度偏差是指裝配時(shí)兩個(gè)光纖準(zhǔn)直器的光軸之間有一定的角度θ，圖2所示為兩光纖準(zhǔn)直器的角度偏差。

圖2 兩準(zhǔn)直器的角度偏差

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)式(1)得到角度偏差為θ時(shí)引起的耦合損耗為：

(3)

1.3 軸向偏差損耗

軸向偏差是指兩個(gè)光纖準(zhǔn)直器的光軸重疊，但兩者有一定的間距Z產(chǎn)生的偏差，即裝配間距引起了軸向偏差，兩準(zhǔn)直器的軸向偏差如圖3所示。

圖3 兩準(zhǔn)直器的軸向偏差

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)式(1)，得出軸向偏差為Z時(shí)引起的損耗為：

(4)

2 分配優(yōu)化

2.1 規(guī)律分析

當(dāng)一對(duì)光纖準(zhǔn)直器隨機(jī)進(jìn)行耦合時(shí),會(huì)出現(xiàn)上述的三種偏差。在使用光纖旋轉(zhuǎn)連接器時(shí)，使用者希望其插損越小越好。目前國(guó)外市場(chǎng)上銷(xiāo)售的單通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器，插損指標(biāo)也各有不同。因?yàn)椴鍝p大小沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以參考指標(biāo)參數(shù)相對(duì)突出的普林光電公司的產(chǎn)品，將單通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器的插損目標(biāo)值設(shè)定在小于2 dB的范圍內(nèi)。為了得到較好的插損值，提高生產(chǎn)效率，需要對(duì)三種偏差的大小進(jìn)行分配優(yōu)化。優(yōu)化分配之前，先討論分析三種偏差對(duì)插損的具體影響。

圖4三種偏差與損耗對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

觀察圖4，可以得出以下結(jié)論：

(1)離軸偏差要遠(yuǎn)敏感于軸向偏差，在考慮這兩種偏差對(duì)插損的影響時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮離軸偏差；

(2)因角度偏差與離軸偏差和軸向偏差的量綱不一致，無(wú)法直接比較，需要進(jìn)一步分析。

為方便分析比較，分別選取三種損耗的部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)，列成表格，如表1～3所示。

表1 離軸偏差與離軸偏差損耗

表2 角度偏差與角度偏差損耗

表3 軸向偏差與軸向偏差損耗

(3)離軸偏差：通過(guò)表1和圖4 a可以看出，離軸偏差損耗隨著偏差的增大，會(huì)增加的越來(lái)越快。在不考慮其他因素時(shí)，要使插損小于2 dB，需將離軸偏差控制在0.14 mm內(nèi)。

(4)角度偏差：通過(guò)表2和圖4b可以看出，角度偏差損耗隨著角度偏差的增大，會(huì)增加的越來(lái)越快，尤其是角度偏差大于0.08°。在不考慮其他因素時(shí)，要使插損小于2 dB，需將角度偏差控制在0.095°以?xún)?nèi)。這個(gè)要求標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)很高，但僅僅滿足這一條件，無(wú)法保證目標(biāo)值，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

(5)軸向偏差：通過(guò)表3和圖4c分析可知，當(dāng)軸向偏差大于50 mm以后，偏差損耗增長(zhǎng)會(huì)加快。只考慮軸向偏差的影響，要使插損小于2 dB，需要控制軸向偏差小于80 mm。

比較離軸偏差與角度偏差，由于二者單位不一致，無(wú)法直接比較，作者提出的方法是將角度變化轉(zhuǎn)化為位置變化，統(tǒng)一單位后再進(jìn)行比較。

選取市面上常見(jiàn)的光纖準(zhǔn)直器(外形尺寸長(zhǎng)度為13 mm)作為分析的基礎(chǔ)：當(dāng)兩準(zhǔn)直器耦合時(shí)，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，假設(shè)固定一只準(zhǔn)直器，調(diào)整另一只準(zhǔn)直器，當(dāng)兩支準(zhǔn)直器的耦合角度偏差從0變到0.07°時(shí)，準(zhǔn)直器尾部的移動(dòng)距離為13×tan0.07 mm，約為0.016 mm，準(zhǔn)直器越短則移動(dòng)的距離越小。即當(dāng)準(zhǔn)直器尾部移動(dòng)了0.016 mm時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生約1 dB的耦合損耗，相比于離軸偏差的0.1 mm對(duì)應(yīng)約1 dB，則可得出角度偏差相對(duì)于離軸偏差更為敏感。

2.2 針對(duì)單通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器的內(nèi)部損耗分配優(yōu)化

插損對(duì)三種偏差的敏感程度不一，在控制插損時(shí)就可以按一定比例控制三種偏差損耗，即對(duì)三種耦合損耗進(jìn)行優(yōu)化分配。

光纖旋轉(zhuǎn)連接器的主要性能指標(biāo)為插入損耗和插損旋轉(zhuǎn)變化量，為了實(shí)現(xiàn)插損≤2 dB、插損變化量≤1 dB這個(gè)目標(biāo)，需要對(duì)三種損耗各自的大小進(jìn)行嚴(yán)格控制。根據(jù)前面的數(shù)據(jù)和圖表，首先可以得出一個(gè)大致的范圍：角度偏差<0.095°、離軸偏差<0.14 mm、軸向偏差小于80 mm。在實(shí)際制作光纖旋轉(zhuǎn)連接器時(shí)，如果按照這個(gè)技術(shù)指標(biāo)去設(shè)計(jì)各個(gè)零部件，無(wú)法保證插損小于2 dB和變化量小于1 dB，因此需要在分析各個(gè)損耗特性和考慮機(jī)械加工可行性的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)偏差損耗進(jìn)行分配優(yōu)化。根據(jù)上述了解到的各個(gè)損耗的特性，首先考慮準(zhǔn)直器的角度偏差，其次考慮離軸偏差。對(duì)于軸向偏差，當(dāng)兩準(zhǔn)直器之間的工作距離小于10 mm時(shí)，可以忽略。

選取市面上質(zhì)量較高的光纖準(zhǔn)直器(點(diǎn)精度為0.3°，外形尺寸長(zhǎng)度為13 mm，插損小于0.5 dB)搭配P4級(jí)精密軸承(P4級(jí)精度軸承的徑向跳動(dòng)小于0.0025 mm)，作為優(yōu)化的前提條件：

(1)準(zhǔn)直器的點(diǎn)精度(指準(zhǔn)直器出射光與準(zhǔn)直器軸線之間的夾角)為0.3°，設(shè)在光纖旋轉(zhuǎn)連接器內(nèi)部起定位作用的準(zhǔn)直器長(zhǎng)度為1 mm，則要校正準(zhǔn)直器點(diǎn)精度所需活動(dòng)距離為1×tan0.3=0.005 mm，那么兩光纖準(zhǔn)直器之間的離軸距離取兩邊的極限情況為2×0.005=0.01 mm。

(2)光纖旋轉(zhuǎn)連接器總的插損要小于2 dB，準(zhǔn)直器自身帶入的損耗記為0.5 dB，0.01 mm離軸距離對(duì)應(yīng)的離軸損耗為0.01 dB，則允許角度偏差引起的損耗為1.49 dB，對(duì)應(yīng)的角度偏差約為0.09°。

(3)光纖旋轉(zhuǎn)連接器的插損變化量要小于1 dB，考慮插損的變化量主要由兩準(zhǔn)直器之間的角度偏差變化引起，因此1 dB對(duì)應(yīng)的角度偏差約為0.07°。

為保證插損小于2 dB，兩準(zhǔn)直器之間的角度偏差需要小于0.095°，而1 dB的插損變化量要求角度偏差控制在0.07°，綜合得到兩準(zhǔn)直器之間的角度偏差應(yīng)優(yōu)化控制在0.07°以?xún)?nèi)。0.07°對(duì)機(jī)械加工的精度提出了很高的要求，使得加工的公差達(dá)到um級(jí)別。如果再進(jìn)一步縮小角度偏差，加工的精度要求會(huì)進(jìn)一步提升，超高的加工精度要求限制了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。經(jīng)過(guò)權(quán)衡比對(duì)，將角度偏差優(yōu)化控制在0.07°內(nèi)。

綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)插入損耗小于2 dB，插損變化量小于1 dB的目標(biāo)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析得到：角度偏差最為敏感，應(yīng)控制在0.07°以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定技術(shù)難度；離軸偏差控制在0.01 mm內(nèi)，這個(gè)對(duì)機(jī)械加工的精度要求也是不低的；兩準(zhǔn)直器之間的工作距離控制在10 mm內(nèi)，即軸向偏差控制在10 mm內(nèi)，這個(gè)精度實(shí)現(xiàn)起來(lái)無(wú)難度。

3 插入損耗和損耗變化量的測(cè)試

按照上述結(jié)論，選擇能夠滿足偏差要求的高精度加工機(jī)械設(shè)備，制成樣品，對(duì)樣品進(jìn)行插損和損耗變化量測(cè)試。插損測(cè)試示意圖如圖5所示：

圖5 插損測(cè)試示意圖

測(cè)試設(shè)備為插回?fù)p測(cè)試儀，型號(hào)為JW8301。具體測(cè)試步驟如下：第一步：打開(kāi)設(shè)備電源，在無(wú)光輸入的情況下，將光功率讀數(shù)清零；第二部：用酒精擦拭光纖旋轉(zhuǎn)連接器的接頭，一端接入光源，另一端接入光功率計(jì)，選擇光源的波長(zhǎng)為1310 nm，儀器顯示插損為1.53 dB，轉(zhuǎn)動(dòng)連接器360°，儀器插損值出現(xiàn)變化，最小值為1.42 dB，最大值為1.86 dB，則插損變化量為0.44 dB，試驗(yàn)結(jié)果滿足插損和插損變化量目標(biāo)值要求，證實(shí)優(yōu)化分配方案可行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從高斯光束耦合的效率出發(fā)，利用推導(dǎo)出的光纖準(zhǔn)直器的三種耦合損耗，將角度偏差轉(zhuǎn)為化為準(zhǔn)直器的移動(dòng)距離，在同一量綱下，比較了三種偏差對(duì)插損的影響效果。在此基礎(chǔ)上，為了制作插損小于2 dB、插損變化量小于1 dB的光纖旋轉(zhuǎn)連接器，對(duì)三種損耗的大小進(jìn)行了細(xì)化分配，得到：

(1)角度偏差應(yīng)控制在0.07°以?xún)?nèi)；

(2)離軸偏差控制在0.01 mm內(nèi)；

(3)兩準(zhǔn)直器之間的工作距離控制在10 mm內(nèi)。

這些技術(shù)要求限制了光纖旋轉(zhuǎn)連接器的生產(chǎn)效率。為了研制高性能的光纖旋轉(zhuǎn)連接器，提高生產(chǎn)效率，滿足控制耦合損耗的要求，努力研制點(diǎn)精度高的準(zhǔn)直器或者提高光纖的耦合效率、提高機(jī)械加工的精度，是研究人員應(yīng)該努力的方向。