準(zhǔn)直器型光纖旋轉(zhuǎn)連接器的耦合分析與研究

趙暉　王忠強(qiáng)　馬乙文　戴陽

[摘 ? ?要]本文以準(zhǔn)直器型光纖旋轉(zhuǎn)連接器作為研究對(duì)象，簡要介紹了單通道/多通道兩種光纖旋轉(zhuǎn)連接器的結(jié)構(gòu)特征與工作原理，針對(duì)角度偏差、離軸偏差和軸向偏差三種耦合損耗情況進(jìn)行詳細(xì)分析，并結(jié)合耦合損耗對(duì)插損的影響設(shè)計(jì)了三類偏差值的具體優(yōu)化分配方案。研究結(jié)果表明，需將準(zhǔn)直器型光纖旋轉(zhuǎn)連接器的角度偏差控制在0.07°范圍內(nèi)、離軸偏差限制在0.01 mm以內(nèi)、工作距離不超過10 mm，基于上述指標(biāo)生產(chǎn)出的樣品插損率低于2 dB、插損變化量不超過1 dB，能夠?yàn)楣饫w旋轉(zhuǎn)連接器性能優(yōu)化與產(chǎn)能提升提供參考價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]準(zhǔn)直器;光纖連接;耦合誤差

[中圖分類號(hào)]TN253;TJ03 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）05–00–03

Coupling Analysis and Research of Collimator Type Optical Fiber Rotary Connector

Zhao Hui， Wang Zhong-qiang， Ma Yi-wen， Dai Yang

[Abstract]This paper takes collimator type optical fiber rotary connector as the research object， briefly introduces the structural characteristics and working principle of single channel / multi-channel optical fiber rotary connector， analyzes the coupling loss of angle deviation， off-axis deviation and axial deviation in detail， and designs the specific optimal allocation scheme of three kinds of deviation values according to the influence of coupling loss on insertion loss 。 The results show that the angle deviation of the collimator type optical fiber rotary connector should be controlled within 0.07 ° range， the off-axis deviation should be limited to 0.01 mm， and the working distance should not exceed 10 mm.Based on the above indicators， the insertion loss rate of the sample is less than 2dB， and the change of insertion loss is not more than 1dB， which can provide reference value for the performance optimization and capacity improvement of optical fiber rotary connector.

[Keywords]collimator; optical fiber connection; coupling error

據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計(jì)，在過去5年內(nèi)我國光通信市場規(guī)模由782億元擴(kuò)大至1118億元，預(yù)計(jì)將于2020年突破1200億元。光纖通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)于光芯片、光器件的需求量及研發(fā)水平提出了更高要求，光纖旋轉(zhuǎn)連接器是一種在光纖通信過程中支持兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)間信號(hào)傳輸?shù)闹匾b置，插入損耗與損耗變化量是衡量光信號(hào)傳輸效果的性能指標(biāo)。光纖旋轉(zhuǎn)連接器的耦合方式包含直接耦合、單/雙透鏡及自聚焦透鏡擴(kuò)束耦合幾種主要類型，而準(zhǔn)直器型光纖旋轉(zhuǎn)連接器采用自聚焦透鏡進(jìn)行擴(kuò)束耦合，可保證具備良好的準(zhǔn)直度，但在裝置裝配環(huán)節(jié)諸如角度偏差、離軸偏差、軸向偏差三類耦合損耗均會(huì)影響到實(shí)際插損值，如何實(shí)現(xiàn)耦合損耗的合理分配、降低插損值及其變化量，成為本文所需解決的主要問題。

1 ?光纖旋轉(zhuǎn)連接器的類型與結(jié)構(gòu)特征

1.1 ?單通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器

該裝置體積較小、結(jié)構(gòu)簡單，基于波分復(fù)用技術(shù)可將信號(hào)傳輸量增至100 Gbit/s，采用直接耦合、單透鏡/雙透鏡擴(kuò)束耦合、光纖準(zhǔn)直器擴(kuò)束耦合等方式實(shí)現(xiàn)輸出端、輸入端的連接，但考慮到在光耦合過程中將出現(xiàn)一定的損耗，當(dāng)前普遍采用準(zhǔn)直器型光纖旋轉(zhuǎn)連接器進(jìn)行光纖耦合處理，同比其他耦合方式能夠?yàn)闄C(jī)械加工創(chuàng)設(shè)便捷條件。針對(duì)光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行分析，該裝置中設(shè)有具備聚焦、成像兩種功能的1/4節(jié)距自聚焦透鏡，其尾纖發(fā)射光為點(diǎn)光源，光從透鏡焦點(diǎn)處入射后的折射率分布沿徑向呈逐步減小趨勢，在1/4周期后可有效提高光束的準(zhǔn)直度、放大光斑，使得光束在通過透鏡后的運(yùn)行軌跡近似于正弦曲線，以此有效提升光纖間的耦合效率[1]。針對(duì)準(zhǔn)直器型光纖旋轉(zhuǎn)連接器的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，該裝置主要由固定端、旋轉(zhuǎn)端、準(zhǔn)直器與精密軸承四部分組成，當(dāng)輸入光纖產(chǎn)生的光束通過自聚焦透鏡后將轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄馐?，?jīng)由耦合處理后分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的自聚焦透鏡及光纖中，但使用自聚焦透鏡時(shí)易在裝配環(huán)節(jié)產(chǎn)生一定的耦合損耗，因裝配精度不足造成徑向、軸向與角度三種偏差情況。

1.2 ?多通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器

相較于單通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器，該裝置能夠進(jìn)一步增大傳輸信號(hào)量，其耦合方式包含以下五種類型：其一是利用雙通道Y型塑料光纖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的耦合。其二是由2個(gè)平凸透鏡、2個(gè)平凹透鏡與4個(gè)準(zhǔn)直器組成對(duì)稱光學(xué)結(jié)構(gòu)，用于耦合光信號(hào)。其三是由光纖、平面鏡、磁鐵和轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪組成反射鏡組合結(jié)構(gòu)，耦合光信號(hào)。其四是利用透鏡、菲涅爾透鏡與光纖組成菲涅爾透鏡耦合結(jié)構(gòu)。其五是由輸入端、定子、道威棱鏡、轉(zhuǎn)子和輸出端組成道威棱鏡耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍最廣，通過去除直角棱鏡的直角部分，改變?nèi)肷涿?、光軸與出射面的垂直度，維持兩光軸的方向不變，可實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的逆向傳輸[2]。但多通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更為復(fù)雜，在準(zhǔn)直器間增設(shè)光學(xué)元件，一定程度上增大裝配難度，并且在準(zhǔn)直器制作上也提出了更高要求，應(yīng)用范圍存在局限。

2 ?準(zhǔn)直器型光纖旋轉(zhuǎn)連接器的耦合損耗及其分配優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 ?工作原理分析

本文以單通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器作為研究對(duì)象，光纖旋轉(zhuǎn)連接器以高斯光束的高效耦合作為工作原理，圍繞光場分布分別為Q1和Q2的高斯光束建立耦合傳輸通道，預(yù)先利用光纖準(zhǔn)直器的梯度折射率透鏡實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束操作，以此保障機(jī)械精度達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)光纖的高效率耦合[3]。其耦合效率的計(jì)算公式為：

（1）

2.2 ?耦合損耗分析

在使用兩個(gè)光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行擴(kuò)束操作時(shí)，受準(zhǔn)直器裝配等因素的影響常出現(xiàn)一定的附加損耗，其影響因素體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

2.2.1 ?離軸偏差損耗

在選用一對(duì)準(zhǔn)直器進(jìn)行光的耦合操作時(shí)，兩準(zhǔn)直器的光軸需保持平行，但在徑向維度上無法保證其光軸位于同一水平線上，往往存在一定間距。將兩準(zhǔn)直器的光軸間距設(shè)為X0，設(shè)自聚焦透鏡的中心折射率n、聚焦常數(shù)為A，光纖模場半徑為ω0，入射光波長為λ，由此產(chǎn)生離軸偏差損耗的計(jì)算公式為：

（2）

2.2.2 ?軸向偏差損耗

當(dāng)所選一對(duì)準(zhǔn)直器的光軸處于重疊狀態(tài)下時(shí)，兩準(zhǔn)直器之間在裝配環(huán)節(jié)可能存在一定間距，由此構(gòu)成軸向偏差。將兩準(zhǔn)直器的軸向偏差設(shè)為Z，設(shè)自聚焦透鏡的中心折射率n、聚焦常數(shù)為A，光纖模場半徑為ω0，入射光波長為λ，則軸向偏差損耗的計(jì)算公式為：

（3）

2.2.3 ?角度偏差損耗

在裝配環(huán)節(jié)，當(dāng)兩準(zhǔn)直器的光軸間存在一定角度時(shí)，即形成角度偏差。將兩準(zhǔn)直器間的角度設(shè)為θ，設(shè)自聚焦透鏡的中心折射率n、聚焦常數(shù)為A，光纖模場半徑為ω0，入射光波長為λ，則角度偏差損耗的計(jì)算公式為：

（4）

2.3 ?分配優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.3.1 ?耦合損耗對(duì)插損的影響

由于準(zhǔn)直器裝配環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的三種偏差均會(huì)帶來一定的耦合損耗，在光學(xué)系統(tǒng)中利用插入損耗衡量一種光能量在透射插入器件后出射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的比值，通常插損數(shù)值越小說明光纖旋轉(zhuǎn)連接器的性能與生產(chǎn)效率越高，在此可將本文研究的準(zhǔn)直器型光纖旋轉(zhuǎn)連接器的插損目標(biāo)值設(shè)為<2 dB，針對(duì)離軸偏差、軸向偏差、角度偏差對(duì)于插損的影響進(jìn)行綜合分析。具體來說，將自聚焦透鏡的中心折射率設(shè)為1.468，聚焦常數(shù)，光纖模場半徑為5.05，入射光波長為1.55 μm，將離軸偏差范圍設(shè)為0～0.2 mm、軸向偏差范圍為0～200 mm、角度偏差范圍為0°～0.2°，并利用Matlab軟件進(jìn)行變量分析，分別生成三類偏差與插損的變化關(guān)系圖。

通過觀察偏差與插損數(shù)值的變化關(guān)系可知，當(dāng)離軸偏差取值為0.09 mm、0.1 mm、0.11 mm、0.12 mm和0.14 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的損耗值分別為0.84 dB、1.04 dB、1.26 dB、1.5 dB和2.04 dB，從中可以看出伴隨離軸偏差數(shù)值的增大，產(chǎn)生的損耗也將隨之增大，且增幅呈逐漸提高趨勢，為將插損控制在2 dB以內(nèi)，需保證離軸偏差<0.14 mm。當(dāng)軸向偏差取值為10 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的插損值分別為0.09 dB、0.21 dB、0.48 dB、1.09 dB和2.03 dB，從中可以看出插損與軸向偏差呈正相關(guān)關(guān)系，并且當(dāng)軸向偏差超過50 mm時(shí)插損增幅開始迅速增大，為保證插損符合目標(biāo)值設(shè)定要求，需確保軸向偏差值<80 mm。當(dāng)角度偏差取值為0.05°、0.06°、0.07°、0.08°和0.09°時(shí)，對(duì)應(yīng)的插損值分別為0.48 dB、0.69 dB、0.94 dB、1.23 dB和2.04 dB，從中可以看出插損值將隨角度偏差的增大而不斷增大，當(dāng)角度偏差超過0.08°時(shí)其增速顯著加快，因此需確保角度偏差<0.09°。

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，插損對(duì)于離軸偏差的敏感度要高于軸向偏差，而角度偏差與其余兩種偏差在量綱上無法進(jìn)行直接比較，對(duì)此需將三種偏差的衡量尺度進(jìn)行統(tǒng)一。選取兩長度均為13 mm的準(zhǔn)直器作為標(biāo)準(zhǔn)研究對(duì)象，將其中一個(gè)準(zhǔn)直器進(jìn)行固定，通過調(diào)節(jié)另一個(gè)耦合器將二者耦合角度偏差由0°調(diào)制0.07°，在準(zhǔn)直器尾部設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，此時(shí)該點(diǎn)移動(dòng)距離為0.016 mm，由此產(chǎn)生的耦合損耗接近1 dB，遠(yuǎn)小于離軸偏差在損耗值為1.04 dB時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)值0.1 m，因此可以推斷出插損對(duì)于角度偏差的敏感程度更高，其敏感度排序?yàn)椋航嵌绕?離軸偏差>軸向偏差。

2.3.2 ?優(yōu)化分配策略

結(jié)合三類偏差對(duì)于插損的影響程度進(jìn)行分析，需在裝配環(huán)節(jié)針對(duì)準(zhǔn)直器型光纖旋轉(zhuǎn)連接器產(chǎn)生的耦合損耗進(jìn)行精細(xì)化分配，將插入損耗<2 dB、插損變化量控制在1 dB以內(nèi)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的角度偏差理論值為0.09°、離軸偏差為0.14 mm、軸向偏差為80 mm。但在實(shí)際裝配制造環(huán)節(jié)，不同零部件的精度及機(jī)械加工性能均帶有一定的不可控性，因此還應(yīng)針對(duì)其損耗分配策略進(jìn)行差別化設(shè)計(jì)。

本文選取某一長度為13 mm的準(zhǔn)直器，該準(zhǔn)直器的點(diǎn)精度為0.3°，插損≤0.5 dB，搭配徑向跳動(dòng)2.5 μm的P4級(jí)軸承構(gòu)件。首先針對(duì)角度偏差進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為保證插損變化量低于1 dB，需將兩準(zhǔn)直器的角度偏差控制在0.07°以內(nèi);其次針對(duì)離軸偏差進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，已知其點(diǎn)精度為0.3°，將定位準(zhǔn)直器的長度設(shè)為1 mm，此時(shí)校正準(zhǔn)直器點(diǎn)精度需預(yù)留0.005 mm的活動(dòng)距離，在考慮極限值的情況下需將離軸偏差控制在0.01 mm以內(nèi);最后針對(duì)軸向偏差進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，已知該準(zhǔn)直器的最大插損為0.5 dB，此時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向偏差為10 mm。將上述設(shè)計(jì)方案進(jìn)行匯總，在光纖準(zhǔn)直器機(jī)械加工環(huán)節(jié)需確保角度偏差小于0.07°、離軸偏差小于0.01 mm、軸向偏差低于10 mm，由此可將插入損耗控制在2 dB、變化量控制在1 dB，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖旋轉(zhuǎn)連接器性能的有效優(yōu)化，更好地提高生產(chǎn)效率。

2.3.3 ?控制插損效果測試

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的插損優(yōu)化分配方案能否真正實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，需依照上述參數(shù)進(jìn)行樣品制備，并針對(duì)樣品進(jìn)行插入損耗數(shù)值及變化量的測試。選用JW8301插回?fù)p測試儀作為測試工具，啟動(dòng)電源使設(shè)備通電，在未輸入光束的情況下將讀數(shù)清零，做好準(zhǔn)直器型光纖旋轉(zhuǎn)連接器接頭的清潔處理，將其兩端分別與光源、光功率計(jì)進(jìn)行連接，在光源波長為1310 mm的情況下，讀出插損值為1.52 dB;隨后將連接器進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察插損值的變化情況，讀數(shù)顯示插損值的變化范圍始終保持在1.41～1.85 dB之間，由此計(jì)算出插損變化量為0.44 dB，兩數(shù)值均符合預(yù)設(shè)目標(biāo)值要求，證明本文設(shè)計(jì)的耦合損耗分配方案具備良好的可行性。

3 ?結(jié)語

總體來看，基于高斯光束的耦合原理進(jìn)行準(zhǔn)直器型光纖旋轉(zhuǎn)連接器耦合損耗與插入損耗關(guān)系的分析，選取角度偏差、離軸偏差與軸向偏差三種情況下的數(shù)值進(jìn)行量綱統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)對(duì)三類耦合損耗的比較分析。研究結(jié)果表明，在光纖準(zhǔn)直器角度偏差<0.07°、離軸偏差<0.01 mm、軸向偏差<10 mm的情況下，可使插損值最低降至1.41 dB，且插損變化量為0.44 dB，符合目標(biāo)值設(shè)定要求。在光纖旋轉(zhuǎn)連接器的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)，應(yīng)基于耦合損耗控制要求不斷提高機(jī)械加工精度，保證生產(chǎn)出高性能光纖旋轉(zhuǎn)連接器，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率與工業(yè)化生產(chǎn)水平。

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