擴束光纖連接器技術路徑淺析

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(上海航天科工電器研究院有限公司，上海，200331)

1 引言

相對于銅纜，光纖通信具有高帶寬、低損耗、抗電磁干擾、輕量化等優勢。因此，光傳輸在軍用領域應用的越來越廣泛。常用的光纖連接器主要有兩種類型：物理接觸件型和擴束連接型。

物理接觸型(PC型)光纖連接器的典型實現方式為陶瓷套筒、陶瓷插芯式，將光纖固定在足夠精密的陶瓷插芯內部，并通過研磨，使對接面具有一定的形狀，以保證兩端的光纖物理接觸，從而克服菲涅而反射等損耗。

插入損耗是光纖連接器最主要的性能指標。光纖連接器的插入損耗主要影響因素包括：纖芯不匹配、角度偏移、纖芯錯位、端面間隙，這些因素通過控制光纖插芯、套筒的精度，光纖連接器結構優化，性能已有很大提升。光纖端面污染、端面損傷也是光纖連接器的損耗主要來源。以單模光纖連接器為例，模場直徑僅9微米，微米級別的污染物都可能導致插入損耗增大甚至光路不通，并且物理接觸型端面容易造成端面損傷的“傳染”。因此光纖傳輸，特別是使用環境惡劣的軍用光纖連接器，迫切需要解決光纖端面灰塵敏感性問題。擴束光纖連接器是其中一種有效的解決方式。

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設有兩個透鏡光纖。光纖端面在透鏡的焦點附近，光纖發出的光經透鏡折射，形成平行光，并且，光束直徑得到放大。擴束光纖連接器的另一端有另一個透鏡，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。這里的透鏡可以是球透鏡、也可以是非球面透鏡。

圖1 擴束光纖連接器原理圖

擴束光纖連接器降低了灰塵等污染對光性能的影響。另外，由于擴束光纖連接器為非物理接觸，避免了光纖端面損失的“傳染”，也減少對接端面的摩擦，光纖連接器的使用壽命可提高。

圖2 灰塵對各種光纖連接器光束的影響對比

2.2 擴束光纖連接器性能影響因素

由于光纖束的擴大，擴束光纖連接器對光束對準程度要求大為降低。如圖3所示。

圖3 擴束和普通光纖連接器光束錯位對損耗的影響對比

擴束光纖連接器的損耗可分為兩類：一類是固定損耗，它是由系統自身決定，按照從小到大排列是菲涅而、球差、衍射、色散、吸收等。

另一類是可變損耗，他是由對準誤差引起的。包括軸向偏差、角度偏移、徑向偏移。

盡管擴束型光纖連接器的纖芯不是直接接觸，但是透鏡與光束的軸向偏移和角度偏移對連接器的損耗還是有極大影響。在很小的軸向偏移下，光束仍能夠被校準但是在接收端聚焦的位置卻被改變，圖4描述了當光纖和透鏡軸向偏移時連接器插入損耗的變化，2um的偏移就能引起1.0dB的損耗，可見擴束型光纖連接器需要非常精密的制造工藝。

入射的光束偏離透鏡的軸線、光纖尾纖端面不平坦或是在插合的端面處有污染物都會引起角度偏移。圖5描述了連接器在光纖傾斜情況下插入損耗的變化，即光束偏離透鏡軸線射入時對連接器插入損耗的影響。由圖可知僅僅0.08度的偏移能引起1.0db的損耗，可見光纖與透鏡角度偏移對連接器的插入損耗有很大影響。

圖4 光纖和透鏡軸向偏移時插入損耗變化曲線

圖5 角度偏移時的插入損耗變化曲線

2.2.1 擴束光纖連接器及物理接觸光纖連接器性能對比

a)插入損耗、回波損耗：

物理接觸型光纖連接器(PC型)無疑在該指標上存在優勢。

單路PC連接器典型值為插入損耗≤0.3dB，回波損耗≥40dB。

而擴束型的典型值為插入損耗≤1.5dB，回波損耗≥20dB。

在對光性能有較高要求的場合，PC型連接器是首選。

b)環境性能(振動、沖擊)

光纖連接器的耐機械環境性能，可以通過連接器的設計減少這些因素影響。因此，在耐機械環境性能上，PC連接器與擴束連接器沒有明顯的差別。

c)灰塵耐受力

如前面的討論，擴束光纖連接器由于其將光束擴大，對灰塵的耐受能力較PC連接器優越。

并且，大部分擴束光纖連接器更易于清潔。

d)濕氣的耐受力

PC連接器由于其對接時兩端光纖端面物理接觸，將濕氣排除在外，所以受濕氣影響較小。

而擴束光纖連接器之前為光束在空氣中傳播，空氣中的濕氣會對光束形成散射，從而影響光學性能。

e)密度

由于透鏡耦合的需要，擴束光纖連接器的密度通常較小。

但是，目前業內人士正在努力減少這方面的影響，國內外已經出現擴束16號接觸件甚至擴束MT插芯。

3 國內外擴束光纖連接器實現路徑 分析

3.1 準直器集成型

光纖準直器的作用是將光纖輸出的束腰半徑較小而發散角較大的近似高斯光束轉換為腰斑較大而發散角較小的光束，以增加對軸向間距的容差從而提高光纖與光纖之間的耦合效率，這樣可使兩個準直器之間保持較長的距離，可以插入光纖元件以實現器件性能。

從原理上看，擴束光纖連接器的原理和光纖準直器是一致的。最初的擴束光纖連接器就是利用兩個準直器對準，實現光纖連接器功能。

圖6 準直器集成型連接器原理圖

圖6中，件8為光纖準直器，用膠或其他方式固定于連接器外殼上。4為平板玻璃，起保護準直器透鏡及保持準直器垂直于對接面的作用。

該類產品一般為中性結構，靠導向柱和相應的導向孔，以及外殼的準直器安裝孔位置度保證準直器對準，另外，利用前端的平板玻璃保證準直器的角度，減少角度偏移。

該產品一般體積較大。對連接器結構件加工精度有極高要求，連接器互換性較差。

3.2 預置透鏡型

預置透鏡型是將透鏡固定于產品的基座前端。將對應的光纖接觸件研磨后，固定于基座相應的孔中，再將整體基座安裝在不同的產品外殼。典型的如泰科的MIL38999擴束連接器，11號外殼可集成4芯擴束接觸件。相當于20號接觸件的空間占用率。

圖7 預置型擴束型連接器

該類產品透鏡和光纖接觸件之間的耦合完全依賴產品基座的結構保證，對基座的結構精度要求相當高。一旦結構確定，制作方便，形式靈活。以泰科的擴束產品為例，MIL83526、MIL38999以及ARINC600等產品均使用同一個擴束基座。

3.3 插針插孔型

為了集成現有的軍用連接器，很多廠家將準直器做成各類接觸件的外形。

而這類產品的實現方式也各不相同。

圖8 sabritec 擴束接觸件原理圖

Sabritec公司采用球透鏡和帶光纖插芯集成，然后集成于傳統光纖接觸件前端，形成適用于38999的光纖接觸件。該公司最小的光纖接觸件為12號。有單獨的型譜(不兼容原有的MIL38999孔位型譜)。

圖9 sabritec 公司擴束連接器型譜

圖10 glenair公司擴束光纖接觸件

Glenair公司將陶瓷套筒加入插孔前端，利用陶瓷套筒的加工精度保證插針和插孔的對接精度。最小接觸件為16號接觸件。2015年，泰科發布16號光纖接觸件，結構與Glenair類似，采用球透鏡與陶瓷插芯對準，插針插孔之間對準也靠陶瓷套筒。

圖11 泰科公司擴束接觸件

圖12 Winchester electronics公司擴束光纖接觸件

Winchester electronics公司的擴束接觸件跟傳統的擴束接觸件不同，采用雙透鏡系統，擴束后再聚焦，使該產品的回損可達到60dB(一般的擴束連接器的回損大約在30dB左右)該公司的典型接觸件為16號。

3.4 擴束MT型

最近，泰科、molex公司等廠商相繼推出他們的擴束MT光纖連接器。

圖13 molex公司擴束MT光纖連接器(VersaBeam MT)

圖14 泰科公司的擴束MT(TELLMI)

該產品將透鏡陣列和MT插芯的核心部件集成為一體，略凹陷于對接面，避免光學端面的物理接觸。

泰科公司發布的資料宣稱該產品通過了42000次光學連接零清潔操作。

圖15 擴束MT與普通50/125光纖耦合

另外，該系列產品的透鏡發出的光不是平行光束，可與普通MT對接，圖20右邊，擴束鏡頭發出的光可耦合進入50/125普通光纖。確保與現有產品的兼容。

美國usconec公司近年推出了MXC連接器，總體結構類似MT，外形尺寸與MT一致，為2.5×6.4。取消MT的導向針外接結構，導向柱與插芯一體，每個插芯均帶導向針和導向孔即中性結構。

圖16 MXC連接器插芯內部結構圖

MXC端面上集成50微米的微透鏡(與插芯為一體結構，整個插芯為透明材料)，插芯有多種形式，典型的有每排12路，導向針間距4.6mm(與現有MT一致)；還有每排16路的，導向針間距5.2?，F有最高密度MXC插芯為4×16芯。

MXC插芯與普通MT插芯的區別在于，前端設有光纖停止面，經過精密切割的光纖推入插芯后，頂在該面上，該面為透鏡的焦距，則光纖經過透鏡傳輸后，可耦合進入另一端的光纖中。光纖用環氧膠固定于插芯中。

由此可知，MXC的制作核心技術在于插芯的透鏡集成精度(usconec公司核心技術)，以及光纖的端面處理技術(不經過研磨)。

3.4 擴芯光纖

通信用光纖連接器一般單模的模場直徑為9微米，多模的纖芯直徑為50或者62.5。顯而易見，單模連接器對灰塵更加敏感。因此，有一種技術方案是將單模光纖與漸變折射率多模光纖熔接，制作出擴芯光纖。將對接界面的光斑擴大到30～50微米，從而降低光纖連接器對灰塵的敏感性。

圖17 典型擴芯光纖連接器方案

該技術路徑與傳統的透鏡耦合性有較大差別。優缺點都非常明顯。

優點：損耗低。采用光纖熔接方式，損耗一般在0.5dB左右，透鏡耦合型光纖連接器一般廠家的宣傳資料損耗均在1.0dB以上。

缺點：光斑擴大倍數有限。目前見諸報道的擴芯產品光斑擴大范圍在30～50微米，僅與多模光纖連接器在同一量級。而采用透鏡方式，可將光斑擴大到幾百微米甚至毫米級。

4 小結

本文分析了PC型光纖連接器的損耗影響因素及灰塵敏感性。討論了擴束光纖連接器的原理，損耗影響因素。列舉了現有的擴束光纖連接器實現路徑。其中，預置透鏡型在國外生產廠家最多，插針插孔式靈活性較高，而擴束MT型的思路有可能成為下一代光纖連接器的代表。不管使用哪一種方式，均需對光學透鏡、耦合機理做深入了解，對零件的加工精度或耦合工藝提出一定的挑戰。