基于球透鏡擴(kuò)束的水密光纖連接器的設(shè)計(jì)

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(jìn)行連接，在海底觀測(cè)網(wǎng)、海洋油氣勘探開(kāi)采和海洋牧場(chǎng)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(zhǎng)期使用過(guò)程中，存在現(xiàn)場(chǎng)不易清潔、易損傷、不穩(wěn)定且難以修復(fù)等可靠性問(wèn)題。本文介紹一種擴(kuò)束型水密光纖連接器，其采用球透鏡擴(kuò)束耦合技術(shù)，進(jìn)行非接觸式光纖連接，具有耐臟污、易清潔、抗振動(dòng)沖擊、可靠性高等特點(diǎn),其更加適應(yīng)海洋惡劣環(huán)境應(yīng)用要求，簡(jiǎn)化了維護(hù)保養(yǎng)工作，有效降低了因纖芯對(duì)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(jì)原理及仿真分析

光纖擴(kuò)束連接器，其原理是使從光纖出射的光經(jīng)過(guò)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(jìn)入另一端透鏡中，將放大的平行光束折射聚焦耦合進(jìn)入接收光纖中，完成非接觸式光路的傳輸。光纖擴(kuò)束連接器降低了灰塵等污染對(duì)光性能的影響，減少對(duì)接端面的摩擦，有效地降低了因纖芯對(duì)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(kuò)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(chēng)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(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，已應(yīng)用在多種光纖通信無(wú)源器件中，如準(zhǔn)直器、耦合器、光隔離器、光開(kāi)關(guān)、波分復(fù)用器等。基于自聚焦透鏡原理的光纖擴(kuò)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(duì)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(duì)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(cè)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(jià)格等特點(diǎn)，隨著球透鏡鍍膜技術(shù)得到改進(jìn)，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(shí)光學(xué)元件的最佳選擇。基于球透鏡原理的光纖擴(kuò)束連接器，透鏡和光纖接觸件之間的耦合依賴(lài)產(chǎn)品基座的結(jié)構(gòu)保證，對(duì)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(kuò)束的光纖連接器原理如圖1所示：光纖連接器設(shè)有兩個(gè)球透鏡及兩根光纖，光纖端面在球透鏡的焦點(diǎn)處，發(fā)射光纖發(fā)出的光先被球透鏡擴(kuò)束并準(zhǔn)直。擴(kuò)束光纖連接器的另一端有另一球透鏡，它將擴(kuò)束、準(zhǔn)直后的光束耦合進(jìn)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(kuò)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(diǎn)的距離，d2是接收光纖端面到球透鏡2中心點(diǎn)的距離，d3是球透鏡1和球透鏡2中心點(diǎn)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(kuò)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(wú)間隙，可降低對(duì)光纖端面鍍膜的要求，并可降低對(duì)準(zhǔn)精度的要求。

采用插入損耗指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)基于球透鏡擴(kuò)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(lèi)，一類(lèi)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(lèi)是連接損耗，它是由連接器各部分對(duì)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(duì)連接損耗影響因素進(jìn)行分析。

考慮到實(shí)際裝調(diào)過(guò)程中可能產(chǎn)生的誤差影響，首先對(duì)球透鏡與光纖插芯間距對(duì)插入損耗的影響進(jìn)行理論仿真。并基于理論仿真結(jié)果，搭建光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，由下圖2可看出球透鏡與光纖插芯的間距對(duì)插入損耗的影響，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論仿真數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，均在間距為34μm時(shí)插損值最小。

圖2 球透鏡與光纖插芯間距對(duì)插入損耗的影響

仿真分析橫向偏移對(duì)擴(kuò)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(shí)，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(duì)插入損耗的影響相對(duì)較小，當(dāng)兩球透鏡的光軸相差20μm時(shí)，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(duì)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(duì)插入損耗的影響

然后，仿真并分析角度偏移對(duì)擴(kuò)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(huì)對(duì)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(duì)插入損耗的影響。一是發(fā)射端光軸相對(duì)于接收端光軸角度偏移對(duì)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(duì)插入損耗的影響較大，當(dāng)發(fā)射端光軸相對(duì)于接收端光軸角度偏差0.01°時(shí)，引入插入損耗1dB左右。二是光纖插芯相對(duì)于球透鏡光軸角度偏移對(duì)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(duì)插入損耗的影響

圖9 光纖插芯相對(duì)于球透鏡光軸角度偏移示意圖

圖10 光纖插芯相對(duì)于球透鏡光軸角度偏移對(duì)插入損耗的影響

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

基于球透鏡擴(kuò)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(diǎn)位置處，以對(duì)光束進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直；同時(shí)安裝板組件設(shè)有定位孔，在連接器對(duì)接使用時(shí)，可以起到精確定位作用。

圖11 基于球透鏡擴(kuò)束的水密光纖連接器總體結(jié)構(gòu)示意圖

基于球透鏡擴(kuò)束的水密光纖連接器產(chǎn)品設(shè)計(jì)充分考慮了工作深度，材料性能及安全系數(shù)等要求。通過(guò)理論計(jì)算，確定了殼體的結(jié)構(gòu)尺寸，并通過(guò)仿真驗(yàn)證，產(chǎn)品殼體滿(mǎn)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(shí)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(kuò)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(kuò)束的水密光纖連接器密封設(shè)計(jì)時(shí)，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(jìn)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(kuò)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(kuò)束連接器的性能測(cè)試

對(duì)研制的4芯單模水密光纖擴(kuò)束連接器插頭和插座在插合情況下的插入損耗性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示，達(dá)到了設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

表1 4芯單模水密光纖擴(kuò)束連接器插入損耗測(cè)試結(jié)果

然后對(duì)4芯單模水密光纖擴(kuò)束連接器插頭和插座在插合情況下的回波損耗性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示，達(dá)到了設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

表2 4芯單模水密光纖擴(kuò)束連接器回波損耗測(cè)試結(jié)果

對(duì)4芯單模水密光纖擴(kuò)束連接器進(jìn)行60MPa耐水壓測(cè)試，保壓12小時(shí)后，無(wú)滲漏，耐壓測(cè)試后對(duì)其插損性能進(jìn)行測(cè)試，插損無(wú)變化。

5 總結(jié)

本文研制了4芯單模基于球透鏡擴(kuò)束的水密光纖連接器，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和精確工藝參數(shù)控制，達(dá)到了較好的插回?fù)p性能指標(biāo)，其水密性能良好，耐壓指標(biāo)滿(mǎn)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(dòng)沖擊、可靠性高等特點(diǎn),其更加適應(yīng)海洋惡劣環(huán)境應(yīng)用要求，在海底觀測(cè)網(wǎng)、海洋油氣勘探開(kāi)采、海洋牧場(chǎng)等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。