擴束式光纖連接器發展展望

馮 浩，青 春，楚淇博，高 陽

(沈陽興華航空電器有限責任公司，遼寧沈陽，110144)

1 前言

隨著科技的不斷發展，通信信息網絡的傳輸量不斷增加，傳輸速度要求越來越高，光纖通信已經成為信息社會中必不可少的通信系統。由于光纖具有抗電磁干擾，不易引起串音及干擾等特點，使得光纖通信具有良好的保密性能，同時相對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，所以廣泛應用于航天、航空、野外通信等各個領域。

光纖連接器是光纖通信領域中應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接(物理接觸)來實現信號傳輸的(如下圖1所示)；擴束式光纖連接器是通過透鏡將光束進行擴束準直(光斑變大)，再匯聚來實現信號傳輸的。接觸式光纖連接器應用廣泛，作為光通信系統中最基本也是最重要的光無源器件，它被應用于各個光纖通信領域。在長期的使用過程中，尤其是在野外等極端環境使用過程中，暴露出了端面易污染、易損傷等問題，從而導致光性能不穩定的現象。接觸式光纖連接器的這些問題亟待解決，而擴束式光纖連接器的出現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 工作原理及優點

2.1 工作原理

擴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直透鏡耦合到一起，使從光纖出射的光經過準直透鏡后以平行光出射，出射的平行光再進入另一端的準直透鏡中，經準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，兩準直透鏡可互為發射端與輸出端。擴束式光纖連接器工作原理示意圖如下圖2所示。

圖2 擴束傳輸原理示意圖

2.2 產品優點

2.2.1 抗污染

擴束式光纖連接器整個光路系統中光纖發射出的光束在強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)與光纖芯徑及擴束后光斑對比圖示

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

2.2.2 高壽命

擴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 抗振動沖擊

光束被擴展后，光斑直徑成倍的增加，振動和沖擊情況下，軸向方面，距離的變化不會對通光造成影響；徑向方面，兩光斑之間的重合面積不會因為錯位而大量減小。所以，振動和沖擊對擴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

準直透鏡的表面直徑遠比光纖大，清潔工具更容易與透鏡接觸，而清潔時只需要對透鏡進行清潔，所以擴束式光纖連接器相對于對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部分。接觸式光纖連接器的固有損耗主要來自光纖；擴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。隨著科技發展，材料性能及相關工藝的不斷提高，專業的生產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制或者零件加工精度限制等其他因素導致發射端光纖(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位損耗，間隙損耗和傾斜損耗。下面我們計算各種連接損耗，同時與傳統對接式光纖連接器的相應損耗進行對比。

3.1 錯位損耗

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

圖4 橫向偏差

錯位損耗L(dB)表達式為：

(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通信光纖的相關參數，代入上述公式得到結果如下圖5所示。

圖5 不同光纖與透鏡錯位損耗對比圖

從圖5中可以看出，相對于接觸式光纖連接器，錯位損耗對擴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，計算方法如下：

(2)

圖6 傾斜損耗圖示

由圖7可知，相對于接觸式光纖連接器，傾斜損耗對擴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比圖

3.3 間隙損耗

間隙損耗是兩個光纖(透鏡)的光軸重疊，但由于兩個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

間隙損耗計算方法如下：

(3)

分別將常用光纖及透鏡的參數帶入上式中，計算結果如下圖9所示。

圖9 不同光纖與透鏡間隙損耗對比圖

由上圖可知，相對于接觸式光纖連接器，間隙損耗對擴束式光纖連接器幾乎沒有影響。這是因為對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現信號傳輸的，對接式光纖連接器必須緊密對接才能保證信號低耗損傳輸，而擴束式光纖連接器發射出來的光束基乎是平行光束，所以在一定距離內兩個透鏡之間的間隙對損耗影響并不大。與此同時，也正是因為間隙損耗對擴束式光纖連接器幾乎沒有影響，才實現了光信號非接觸傳輸的同時，又保護了透鏡端面不受磨損，從而提升了擴束式光纖連接器的機械壽命。

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

4 總結與展望

本文介紹了擴束式光纖連接器的工作原理，并且對擴束式光纖連接器與對接式光纖連接器的各種損耗進行了對比分析，由于擴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，以及擴束式光纖連接器系統中光學面的增加，導致擴束式光纖連接器的插入損耗大于傳統的對接式光纖連接器損耗。以國外標準為例，ARINC-801標準要求，接觸式多模光纖連接器插入損耗應≤0.3dB；MIL/29504標準中則規定，接觸式多模光纖連接器插入損耗應≤0.75dB；而與之對應的標準和產品要求則為：擴束式光纖連接器插入損耗應≤1.5dB。

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

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