低損耗LC型多芯光纖連接器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

［摘 要］ 空分復(fù)用的多芯光纖被廣泛應(yīng)用于光互連中，多芯光纖連接器的性能將直接影響多芯光纖的應(yīng)用。設(shè)計(jì)新型八芯LC型光纖連接器，運(yùn)用仿真分析了纖芯間距、溝槽寬度、波長等參數(shù)對八芯光纖傳輸性能的影響規(guī)律，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的八芯光纖的可行性。通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化制備工藝，使得制備的八芯光纖連接器達(dá)到了±0.1°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)精度，并實(shí)現(xiàn)平均插入損耗為0.13 dB，回波損耗為56.08 dB，在經(jīng)過多次重復(fù)性和互換性測試后，附加損耗小于0.2 dB，保持了光纖連接器性能的穩(wěn)定，且與傳統(tǒng)單模光纖連接器相比，具有較低的損耗以及更高的通信容量。

［關(guān)鍵詞］ 光纖通信； 空分復(fù)用； 多芯光纖； LC型光纖連接器

［中圖分類號］ TN929.1" ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A

傳統(tǒng)單模光纖傳輸系統(tǒng)容量已經(jīng)達(dá)到了100Tbit/s，已接近香農(nóng)定理所限定的物理極限，而以多芯光纖和少模光纖為基礎(chǔ)的空分復(fù)用技術(shù)（space division multiplexing，SDM）可以突破該限制，為增加通信容量提供了新的解決方案［1-2］。

多芯光纖是將多個單芯光纖整合到一根光纖中，它利用了空間多維度來增加纖芯數(shù)量， 其中每一個纖芯都可作為一個獨(dú)立的信號通道，進(jìn)而增加了光纖的傳輸容量［3-4］。隨著制備技術(shù)的發(fā)展，雙芯、四芯、七芯、十二芯、十九芯等MCF相繼見諸報(bào)道［5］，例如當(dāng)前19芯MCF傳輸實(shí)現(xiàn)了305 Tbit/s，12芯MCF傳輸實(shí)現(xiàn)了1.01Pbit/s［6］。當(dāng)今數(shù)據(jù)中心即將部署400-800 G甚至到1.6 T的光學(xué)設(shè)備。面對如此大的容量需求，作為光互連中的光纖需求量會急劇增加，同時，光纖連接器必然也有巨大的需求。而優(yōu)化光纖連接器主要從低成本、高密度連接、低損耗等三個方面綜合考慮［7］。

2013年Ryo Nagase等［8］通過優(yōu)化光纖對準(zhǔn)，得到了損耗小于0.5 dB的MU型七芯光纖連接器。2015年Etsuko Nomoto等［9］改變套圈法蘭結(jié)構(gòu)，制備了插損均值約為0.2dB的SC型七芯光纖連接器， 2016年Kengo Watanabe等［10］利用單模7芯光纖開發(fā)了MPO型多芯光纖連接器，實(shí)現(xiàn)低損耗光纖連接。多芯光纖連接器是實(shí)現(xiàn)SDM的關(guān)鍵設(shè)備之一。當(dāng)前國內(nèi)市場上廣泛使用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的LC連接器，由于連接器外殼與套圈之間的間隙，套圈在連接器中自由轉(zhuǎn)動，應(yīng)用于纖芯位于包層的非中心部分的MCF上時，會導(dǎo)致光纖難以進(jìn)行精確對準(zhǔn)耦合。

本文提出了一種新型多芯光纖連接器，通過仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的多芯光纖的可行性，并改進(jìn)光纖連接器對準(zhǔn)的方法，實(shí)現(xiàn)了低衰減和高回波損耗，為制造多芯光纖連接器提供了理論支撐。

1 多芯光纖連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 連接器結(jié)構(gòu)以及主要性能

本文設(shè)計(jì)的LC型多芯光纖連接器，采用直徑為1.25 mm的氧化鋯陶瓷插針和標(biāo)準(zhǔn)套筒，光纖連接器截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。本次連接器組件為定制，法蘭采用了MU型結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)LC型法蘭結(jié)構(gòu)［11］，它與連接器殼體更加貼合，更有利于光纖的旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)。

光纖連接器的主要性能參數(shù)有插入損耗、回波損耗、重復(fù)性、互換性。光纖連接器的性能決定了光纖對接時的耦合效率，因此優(yōu)化它的性能對提高整個光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸性能非常重要。插入損耗即連接損耗，是指因連接器接入鏈路中導(dǎo)致的有效光功率的損耗，其中單模光纖連接器標(biāo)準(zhǔn)插入損耗要求小于0.5 dB［12］；回波損耗是指連接器在接入光鏈路造成光反射回光源導(dǎo)致的功率損耗，其中PC型單模光纖連接器回波損耗要求40 dB以上［12］；重復(fù)性和互換性帶來的附加損耗是指因?yàn)楣饫w連接器在反復(fù)插拔以及互換對調(diào)使用中造成的附加損耗，該限值規(guī)定為0.2 dB［12］。

1.2 光纖彎曲損耗理論分析

在實(shí)際使用過程中，光纖不可避免會存在彎曲狀態(tài)，使得光纖中的能量產(chǎn)生損耗，這種損耗造成纖芯的模式發(fā)生改變，極大地影響了多芯光纖的正常傳輸。若想單模光纖能正常傳輸，則在工作波長為1550 nm時，損耗要控制在0.22 dB/m以內(nèi)。本文設(shè)計(jì)的多芯光纖要保證每個獨(dú)立纖芯都滿足單模光纖的彎曲損耗標(biāo)準(zhǔn)，才能用來制備光纖連接器。彎曲損耗的公式為［13］

BL=20ln102πλimag（neff）（1）

式中：BL為彎曲損耗，imag（neff）為模式有效折射率的虛部，λ是光纖工作波長。

本文的八芯光纖將合理的纖芯排布與溝槽輔助結(jié)構(gòu)相結(jié)合，有效減小了光纖彎曲造成的彎曲損耗，八芯光纖模型如圖2所示。纖芯整體結(jié)構(gòu)采用圓形對稱分布，各纖芯尺寸以及折射率彼此相同，圖2a中光纖包層直徑采用標(biāo)準(zhǔn)的125 μm，D為纖芯距離。

圖2b中d1、d2 、d3分別為纖芯、內(nèi)包層、溝道的直徑。Δ1、Δ2分別為纖芯包層折射率差、包層溝道折射率差，工程上相對折射率計(jì)算公式如式（2）所示，式中n1、n2分別為纖芯折射率、包層折射率。

Δ=［1-（n2n1）2］2（2）

在光纖處于弱波導(dǎo)時，即當(dāng)Δ≤0.01，公式（2）可化簡為：

Δ≈n1-n2n1（3）

根據(jù)上式可推出

Δ1≈n1-n2n1Δ2≈n2-n3n3（4）

式中，n3為溝道折射率。

1.3 光纖彎曲損耗模擬計(jì)算

由式（1）可知損耗與光纖有效折射率以及波長有關(guān)，根據(jù)前人研究可知有效折射率與光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)［14］。為了具體分析八芯光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對彎曲損耗的影響，本文采用COMSOL進(jìn)行了模式分析，得到模式有效折射率，從而求出彎曲損耗。

1.3.1 芯間距對光纖彎曲損耗的影響

在模擬計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)纖芯間距對光纖損耗有影響，芯間距增大的同時，包層更靠近邊緣，造成彎曲損耗發(fā)生改變。所以本文采用控制變量法計(jì)算了芯間距對彎曲損耗的影響，將纖芯距離從27 μm增加到37 μm，每次增加1 μm，得到芯間距與光纖彎曲損耗的關(guān)系如圖3所示。可看到隨著芯間距的增加，彎曲損耗逐漸上升。在纖芯距離為27 μm時，彎曲損耗最小值為0.000 4 dB/m，但此時纖芯過近，會導(dǎo)致串?dāng)_較大，應(yīng)適當(dāng)增大芯間距。在芯間距離大于30 μm時，損耗值急劇上升。綜合考慮，芯間距選擇為30 μm，既保持了較低的損耗，同時避免了因距離過近造成的串?dāng)_影響。

1.3.2 溝槽寬度與折射率差對光纖彎曲損耗的影響

通過模擬計(jì)算溝槽寬度，可得到其與彎曲損耗的關(guān)系如圖4所示，適當(dāng)增大溝槽寬度可以減小彎曲損耗，當(dāng)溝槽寬度5.1 μm時，彎曲損耗為0.0176 dB/m，繼續(xù)增大溝槽寬度時，損耗變化微弱。將包層溝道折射率差逐漸增大，可得到其與彎曲損耗的關(guān)系如圖5所示。隨著包層溝道折射率差的增大，彎曲損耗逐漸下降，當(dāng)差值為0.007時，彎曲損耗為0.0182 dB/m，而繼續(xù)增大折射率差值，損耗變化較弱。綜合考慮，本文選擇溝道寬度為5.1 μm，包層溝道折射率差為0.007。

1.3.3 波長對光纖彎曲損耗的影響

通過掃描波長，得到波長與彎曲損耗的關(guān)系如圖6所示。隨著波長增大，損耗逐漸上升，在1310 nm波段，損耗最小，為0.00022 dB/m，在1310～1550 nm波段，彎曲損耗都小于0.02 dB/m。最后得到光纖非常適合1310 nm和1550 nm兩個常用光纖通信波段傳輸，其參數(shù)（表1）能夠保證較低的彎曲損耗，保證該光纖能夠正常傳輸光信號，且適用于制備多芯光纖連接器。

2 多芯光纖連接器的實(shí)驗(yàn)制備

2.1 研磨工藝

研磨是制備光纖連接器重要步驟，本文采用PC端面研磨的方式，使插芯在研磨后表面形成輕微球面，纖芯位于球面中心頂點(diǎn)，可以有效減小光纖耦合中存在的空氣間隙，使兩個光纖端面達(dá)到完全物理接觸，實(shí)現(xiàn)兩個配對光纖芯之間的全面連接，從而能夠消除兩根光纖連接處的菲涅耳反射［15］。

通過型號為SFP-550C四角加壓式研磨機(jī)進(jìn)行研磨，具體分為去膠、粗磨、中磨、細(xì)磨、拋光五個步驟進(jìn)行，然后通過放大倍率400的端面檢測儀查看端面情況（如有黑點(diǎn)、劃痕等），并通過干涉儀測量光纖端面的面型參數(shù)，對不滿足要求的光纖端面進(jìn)行相應(yīng)的返修研磨處理，最后得到光纖端面干凈無瑕疵，面型參數(shù)符合相關(guān)的行業(yè)或國際標(biāo)準(zhǔn)要求，如曲率半徑一般要求在10～25 mm，頂點(diǎn)偏移在50" μm以內(nèi)，光纖高度的范圍是-100～50 nm。

2.2 光纖精確對準(zhǔn)

為了提高光纖性能，前人做了許多研究，如優(yōu)化光纖連接器的插芯和套筒等，讓連接器具有浮動機(jī)制，即使在不穩(wěn)定的環(huán)境或存在高振動的情況下，它也能為光纖連接提供穩(wěn)定性。然而對于多芯光纖，這種方法受到嚴(yán)重限制，因需要保持每個單獨(dú)的纖芯分別匹配和對齊。旋轉(zhuǎn)對齊成為了實(shí)現(xiàn)低損耗多芯光纖鏈路的一個主要挑戰(zhàn)［16］。

本次實(shí)驗(yàn)采用PM-ALIGNER保偏光纖調(diào)芯儀以及自研的8芯光纖專用對軸系統(tǒng)進(jìn)行對準(zhǔn)。該方法在插芯內(nèi)實(shí)現(xiàn)光纖對準(zhǔn)，對軸時采用了端面成像技術(shù)，光纖端面可以放大400倍，通過旋轉(zhuǎn)夾具可以快速順暢地對偏振軸360°調(diào)整，通過圖像處理進(jìn)行定位，使芯線中心軸一致。八芯光纖呈圓中心對稱分布的結(jié)構(gòu)，使得光纖端面物理接觸時能夠精確對準(zhǔn)。

通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)陶瓷插芯并輔以在線實(shí)時監(jiān)測，本專用對軸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)±0.1°的對軸精度。而傳統(tǒng)的保偏光纖連接器對軸方法是在膠水未固定前旋轉(zhuǎn)纖芯，經(jīng)過放大鏡來觀察對準(zhǔn)應(yīng)力棒，之后再固化，對準(zhǔn)精度僅能達(dá)到±5°以內(nèi)。相比之下，本次對軸有了很大的優(yōu)化。

3 多芯光纖連接器的性能測試

實(shí)驗(yàn)制備了一批LC-PC八芯光纖連接器。由于石英光纖在1310 nm和1550 nm兩個工作波長衰減系數(shù)非常小，分別為0.35 dB/km和0.2 dB/km，因此測試選取波長為1310 nm和1550 nm的光源，將它們的信號依次發(fā)射到每個纖芯中，利用JGR多通道插回?fù)p測試儀測試了插入損耗、回波損耗、重復(fù)性以及互換性。其中測試系統(tǒng)由JGR多通道插回?fù)p測試儀、8乘1扇入扇出模塊、八芯光纖連接器等組成。測量光路原理如圖7所示，該測試系統(tǒng)能夠快速測試出8個通道各自的插回?fù)p耗。

3.1 插回?fù)p耗測試

為了進(jìn)一步分析制備連接器性能，通過光功率計(jì)方法測試30根八芯光纖連接器各通道的插入損耗。采用了光時域反射法（OTDR）測試回波損耗。該測試方法和OCWR法相比，對于時域端面反射峰，它能夠及時分辨，在測試中可以消除瑞利散射帶來的誤差，使得測試結(jié)果更精確，且避免了纏繞測試［17］。光纖各通道插回?fù)p耗如圖8所示。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到：插入損耗最大值為0.35 dB，分布區(qū)間主要在0.2 dB以內(nèi)，回波損耗最小值是52.79 dB，大部分分布在55 dB到60 dB之間，而回波損耗完全滿足PC型光纖連接器大于40 dB的標(biāo)準(zhǔn)。最后可以看到實(shí)驗(yàn)所制備的多芯光纖連接器有著較低的插入損耗以及較高的回波損耗。

3.2 重復(fù)性和互換性測試

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了500次重復(fù)性測試，得到衰減變化分布如圖9所示。然后選取一根耐久性最好的多芯光纖連接器作為參考跳線，將其他待測連接器與其進(jìn)行互換性耦合測試，得到每個纖芯衰減變化如圖10所示。

通過圖9可以看到重復(fù)性測試后衰減損耗值的分布情況，連接器90%的附加損耗值都在0.2 dB以內(nèi)，對大于0.2 dB的部分，利用無塵紙對光纖連接器端面進(jìn)行清潔，最后該值均減小到0.2 dB以內(nèi)。對于互換性，測試得到衰減的附加損耗值也基本都處于0.2 dB以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過多次重復(fù)性及互換性測試，制備的多芯光纖連接器性能依舊良好。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制備了一種新型多芯光纖連接器，其具有低成本、小型化、高密度連接的特點(diǎn)。相比傳統(tǒng)單芯光纖連接器制備，改進(jìn)了研磨工藝，加入了專研的對軸系統(tǒng)，使得八芯光纖達(dá)到±0.1°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)精度。經(jīng)過測試得到制備的多芯光纖有著較低的插入損耗，均值為0.13 dB；有著較高的回波損耗，均值為56.08 dB；同時，有著較好的重復(fù)性和互換性。制備的八芯連接器與傳統(tǒng)的單芯光纖連接器相比，衰減損耗差別不大，八芯光纖傳輸容量是單芯的8倍，并且更加節(jié)省光纖耗材，在大規(guī)模的光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，八芯光纖比單芯占用空間小，傳輸容量大，衰減損耗較低且穩(wěn)定。該方法制備的PC型多芯光纖連接器具有良好的光學(xué)性能，以及較低的成本，非常適合應(yīng)用于多芯光纖系統(tǒng)傳輸中。

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Optimal Design of Low Loss Lc Multi-core Optical Fiber Connector

YU Yikai1，F(xiàn)U Xinhua2，LYU Qinghua1，ZHAI Zhongsheng2，MING Yue2，ZHOU Jiahui2

（1 School of Sciences， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068， China;

2 Yangtze Optical Fiber and Cable Joint Stock Limited company，Wuhan 430070， China）

Abstract： Multi-core fiber with space division multiplexing is widely used in optical interconnection， and the performance of multi-core fiber connector will directly affect the application of multi-core fiber. In this paper， a new eight-core LC optical fiber connector was designed， and simulation analysis was conducted to investigate the influence of parameters such as fiber core spacing， groove width， and wavelength on the transmission performance of eight-core optical fibers. The feasibility of the designed eight-core optical fiber was verified through simulation results. Subsequently， the experimental preparation process was optimized， leading to the prepared eight-core optical fiber connector achieving rotational alignment accuracy within the range of ±0.1°， with an average insertion loss of 0.13dB and a return loss of 56.08dB. After undergoing multiple repeatability and interchangeability tests the additional loss was less than 0.2dB， indicating stable performance of the optical fiber connector. Compared with traditional single mode fiber connectors， the eight-core optical fiber connector had lower loss and higher communication capacity.

Keywords： optical fiber communication; space division multiplexing; multi-core fiber; LC type optical fiber connector

［責(zé)任編校： 閆 品］

［收稿日期］ 2023-04-21

［基金項(xiàng)目］ 湖北省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022BAD062）

［第一作者］ 於意凱（1998-）， 男， 湖北黃岡人， 湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生， 研究方向?yàn)楣饫w器件。

［通信作者］ 呂清花（1980-）， 女， 湖北咸寧人， 湖北工業(yè)大學(xué)副教授， 研究方向?yàn)榧呻娐贰?新型光電器件檢測、 光電檢測等。

［文章編號］ 1003-4684（2024）05-0031-05