擴(kuò)束光纖連接器技術(shù)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(duì)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(yōu)勢(shì)。因此，光傳輸在軍用領(lǐng)域應(yīng)用的越來(lái)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(kuò)束連接型。

物理接觸型(PC型)光纖連接器的典型實(shí)現(xiàn)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(nèi)部，并通過(guò)研磨，使對(duì)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(biāo)。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(cuò)位、端面間隙，這些因素通過(guò)控制光纖插芯、套筒的精度，光纖連接器結(jié)構(gòu)優(yōu)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(lái)源。以單模光纖連接器為例，模場(chǎng)直徑僅9微米，微米級(jí)別的污染物都可能導(dǎo)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(huán)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(wèn)題。擴(kuò)束光纖連接器是其中一種有效的解決方式。

2 擴(kuò)束光纖連接器原理分析

2.1 擴(kuò)束光纖連接器原理

典型的擴(kuò)束光纖連接器設(shè)有兩個(gè)透鏡光纖。光纖端面在透鏡的焦點(diǎn)附近，光纖發(fā)出的光經(jīng)透鏡折射，形成平行光，并且，光束直徑得到放大。擴(kuò)束光纖連接器的另一端有另一個(gè)透鏡，將放大的平行光束耦合進(jìn)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(kuò)束光纖連接器原理圖

擴(kuò)束光纖連接器降低了灰塵等污染對(duì)光性能的影響。另外，由于擴(kuò)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(duì)接端面的摩擦，光纖連接器的使用壽命可提高。

圖2 灰塵對(duì)各種光纖連接器光束的影響對(duì)比

2.2 擴(kuò)束光纖連接器性能影響因素

由于光纖束的擴(kuò)大，擴(kuò)束光纖連接器對(duì)光束對(duì)準(zhǔn)程度要求大為降低。如圖3所示。

圖3 擴(kuò)束和普通光纖連接器光束錯(cuò)位對(duì)損耗的影響對(duì)比

擴(kuò)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(tǒng)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(duì)準(zhǔn)誤差引起的。包括軸向偏差、角度偏移、徑向偏移。

盡管擴(kuò)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(duì)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(zhǔn)但是在接收端聚焦的位置卻被改變，圖4描述了當(dāng)光纖和透鏡軸向偏移時(shí)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(jiàn)擴(kuò)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(huì)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(shí)對(duì)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(jiàn)光纖與透鏡角度偏移對(duì)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(shí)插入損耗變化曲線

圖5 角度偏移時(shí)的插入損耗變化曲線

2.2.1 擴(kuò)束光纖連接器及物理接觸光纖連接器性能對(duì)比

a)插入損耗、回波損耗：

物理接觸型光纖連接器(PC型)無(wú)疑在該指標(biāo)上存在優(yōu)勢(shì)。

單路PC連接器典型值為插入損耗≤0.3dB，回波損耗≥40dB。

而擴(kuò)束型的典型值為插入損耗≤1.5dB，回波損耗≥20dB。

在對(duì)光性能有較高要求的場(chǎng)合，PC型連接器是首選。

b)環(huán)境性能(振動(dòng)、沖擊)

光纖連接器的耐機(jī)械環(huán)境性能，可以通過(guò)連接器的設(shè)計(jì)減少這些因素影響。因此，在耐機(jī)械環(huán)境性能上，PC連接器與擴(kuò)束連接器沒(méi)有明顯的差別。

c)灰塵耐受力

如前面的討論，擴(kuò)束光纖連接器由于其將光束擴(kuò)大，對(duì)灰塵的耐受能力較PC連接器優(yōu)越。

并且，大部分?jǐn)U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(duì)接時(shí)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(kuò)束光纖連接器之前為光束在空氣中傳播，空氣中的濕氣會(huì)對(duì)光束形成散射，從而影響光學(xué)性能。

e)密度

由于透鏡耦合的需要，擴(kuò)束光纖連接器的密度通常較小。

但是，目前業(yè)內(nèi)人士正在努力減少這方面的影響，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)擴(kuò)束16號(hào)接觸件甚至擴(kuò)束MT插芯。

3 國(guó)內(nèi)外擴(kuò)束光纖連接器實(shí)現(xiàn)路徑 分析

3.1 準(zhǔn)直器集成型

光纖準(zhǔn)直器的作用是將光纖輸出的束腰半徑較小而發(fā)散角較大的近似高斯光束轉(zhuǎn)換為腰斑較大而發(fā)散角較小的光束，以增加對(duì)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(gè)準(zhǔn)直器之間保持較長(zhǎng)的距離，可以插入光纖元件以實(shí)現(xiàn)器件性能。

從原理上看，擴(kuò)束光纖連接器的原理和光纖準(zhǔn)直器是一致的。最初的擴(kuò)束光纖連接器就是利用兩個(gè)準(zhǔn)直器對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)光纖連接器功能。

圖6 準(zhǔn)直器集成型連接器原理圖

圖6中，件8為光纖準(zhǔn)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(hù)準(zhǔn)直器透鏡及保持準(zhǔn)直器垂直于對(duì)接面的作用。

該類產(chǎn)品一般為中性結(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。

3.2 預(yù)置透鏡型

預(yù)置透鏡型是將透鏡固定于產(chǎn)品的基座前端。將對(duì)應(yīng)的光纖接觸件研磨后，固定于基座相應(yīng)的孔中，再將整體基座安裝在不同的產(chǎn)品外殼。典型的如泰科的MIL38999擴(kuò)束連接器，11號(hào)外殼可集成4芯擴(kuò)束接觸件。相當(dāng)于20號(hào)接觸件的空間占用率。

圖7 預(yù)置型擴(kuò)束型連接器

該類產(chǎn)品透鏡和光纖接觸件之間的耦合完全依賴產(chǎn)品基座的結(jié)構(gòu)保證，對(duì)基座的結(jié)構(gòu)精度要求相當(dāng)高。一旦結(jié)構(gòu)確定，制作方便，形式靈活。以泰科的擴(kuò)束產(chǎn)品為例，MIL83526、MIL38999以及ARINC600等產(chǎn)品均使用同一個(gè)擴(kuò)束基座。

3.3 插針插孔型

為了集成現(xiàn)有的軍用連接器，很多廠家將準(zhǔn)直器做成各類接觸件的外形。

而這類產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)方式也各不相同。

圖8 sabritec 擴(kuò)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(tǒng)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(hào)。有單獨(dú)的型譜(不兼容原有的MIL38999孔位型譜)。

圖9 sabritec 公司擴(kuò)束連接器型譜

圖10 glenair公司擴(kuò)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(duì)接精度。最小接觸件為16號(hào)接觸件。2015年，泰科發(fā)布16號(hào)光纖接觸件，結(jié)構(gòu)與Glenair類似，采用球透鏡與陶瓷插芯對(duì)準(zhǔn)，插針插孔之間對(duì)準(zhǔn)也靠陶瓷套筒。

圖11 泰科公司擴(kuò)束接觸件

圖12 Winchester electronics公司擴(kuò)束光纖接觸件

Winchester electronics公司的擴(kuò)束接觸件跟傳統(tǒng)的擴(kuò)束接觸件不同，采用雙透鏡系統(tǒng)，擴(kuò)束后再聚焦，使該產(chǎn)品的回?fù)p可達(dá)到60dB(一般的擴(kuò)束連接器的回?fù)p大約在30dB左右)該公司的典型接觸件為16號(hào)。

3.4 擴(kuò)束MT型

最近，泰科、molex公司等廠商相繼推出他們的擴(kuò)束MT光纖連接器。

圖13 molex公司擴(kuò)束MT光纖連接器(VersaBeam MT)

圖14 泰科公司的擴(kuò)束MT(TELLMI)

該產(chǎn)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(duì)接面，避免光學(xué)端面的物理接觸。

泰科公司發(fā)布的資料宣稱該產(chǎn)品通過(guò)了42000次光學(xué)連接零清潔操作。

圖15 擴(kuò)束MT與普通50/125光纖耦合

另外，該系列產(chǎn)品的透鏡發(fā)出的光不是平行光束，可與普通MT對(duì)接，圖20右邊，擴(kuò)束鏡頭發(fā)出的光可耦合進(jìn)入50/125普通光纖。確保與現(xiàn)有產(chǎn)品的兼容。

美國(guó)usconec公司近年推出了MXC連接器，總體結(jié)構(gòu)類似MT，外形尺寸與MT一致，為2.5×6.4。取消MT的導(dǎo)向針外接結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向柱與插芯一體，每個(gè)插芯均帶導(dǎo)向針和導(dǎo)向孔即中性結(jié)構(gòu)。

圖16 MXC連接器插芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

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

MXC插芯與普通MT插芯的區(qū)別在于，前端設(shè)有光纖停止面，經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)透鏡傳輸后，可耦合進(jìn)入另一端的光纖中。光纖用環(huán)氧膠固定于插芯中。

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

3.4 擴(kuò)芯光纖

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

圖17 典型擴(kuò)芯光纖連接器方案

該技術(shù)路徑與傳統(tǒng)的透鏡耦合性有較大差別。優(yōu)缺點(diǎn)都非常明顯。

優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：光斑擴(kuò)大倍數(shù)有限。目前見(jiàn)諸報(bào)道的擴(kuò)芯產(chǎn)品光斑擴(kuò)大范圍在30～50微米，僅與多模光纖連接器在同一量級(jí)。而采用透鏡方式，可將光斑擴(kuò)大到幾百微米甚至毫米級(jí)。

4 小結(jié)

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(kuò)束光纖連接器的原理，損耗影響因素。列舉了現(xiàn)有的擴(kuò)束光纖連接器實(shí)現(xiàn)路徑。其中，預(yù)置透鏡型在國(guó)外生產(chǎn)廠家最多，插針插孔式靈活性較高，而擴(kuò)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(duì)光學(xué)透鏡、耦合機(jī)理做深入了解，對(duì)零件的加工精度或耦合工藝提出一定的挑戰(zhàn)。