擴束式光纖連接器發展探析

郎秀嘉

（中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引 言

隨著通信信息網絡傳輸量的不斷提升，對傳輸速度以及質量提出了更高的要求。光通信因成本低、衰減小、適合遠距離通信、抗干擾能力強以及保密性較好等原因得到了廣泛應用[1]。光纖連接器在光通信體系中占據重要位置，發揮著承上啟下的節點作用[2,3]。隨著光纖通信的發展及應用場合不斷擴展，接觸式光纖連接器暴露出了一些固有的缺點，不能適應某些特殊場合的需求，而擴束式光纖連接器因其本身特點則可以適應這些特殊應用場景。因此，研究擴束式光纖連接器的發展具有一定的現實意義。

1 擴束式光纖連接器

在光通信系統中，光纖連接器屬于使用極為廣泛的光無源器件，按不同的區分方式，其品種類型比較多，其中按照耦合方式進行區分，分為擴束式光纖連接器與接觸式光纖連接器。擴束式光纖連接器主要是利用光學透鏡對光束進行擴束準直，簡單來講，就是先讓光斑變大，再進行匯聚，從而實現光信號傳輸。對于接觸式光纖連接器而言，雖然是光通信系統中極為關鍵的光無源器件，但是在一些極端環境中使用時出現了容易損傷、端面容易污染等常見問題，導致光信號傳輸不穩定，而擴束式光纖連接器的應用可以解決這些問題[4]。

2 擴束式光纖連接器工作原理與優勢分析

2.1 工作原理

擴束式光纖連接器的工作原理是將光纖與光學透鏡進行耦合，光纖傳輸的光通過光學透鏡之后實現光斑擴大并平行射出，所射出的平行光會進入到接收端的光學透鏡，并在透鏡的作用下耦合到接收光纖中，其工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理

擴束型光纖連接器的基本結構如圖2所示。

圖2 基本結構

2.2 優 勢

2.2.1 抗污染性能較強

在擴束光路系統中，透鏡所射出的光束可以在強度損失比較小的情況下被有效放大幾倍，甚至是幾十倍。光斑擴大示意如圖3所示。

圖3 光斑擴大示意

直徑30 μm的粉塵落在光纖端面時，如果纖芯直徑為9 μm，那么此時光纖所射出的光信號則會被全部遮擋；如果纖芯直徑為50 μm，又或者是62.5 μm，那么此時信號會被遮擋50%左右。但如果采用擴束連接器，在光學透鏡的放大作用下，光束會變大，因為光截面變大了，所以灰塵對其的影響并不大，具有抗污染性能比較強的優勢。

2.2.2 壽命更長

傳統接觸式光纖連接器的每次插拔操作都會導致陶瓷插芯接觸件的磨損，500多次插拔操作后，陶瓷插芯經細致研磨的端面形狀就會被逐漸破壞，影響光信號在接觸面的傳播和反射等，進而導致光信號傳播損耗等。對于擴束式光纖連接器而言，作為非物理接觸式光纖連接器，能夠對光纖插芯接觸中的磨損進行有效避免，使用壽命相比傳統接觸式光纖連接器會更長。

2.2.3 抗振動沖擊能力強

擴束光纖連接器面對一定條件的振動沖擊時，對于軸向而言，距離雖然會出現變化，但是對光在軸向的平行傳播不會造成影響；隨著光束的擴展，光斑直徑會數倍增加，對于徑向而言，雖然會發生微小錯位，但相對擴束后的光斑直徑來講影響較小，因此擴束式光纖連接器的抗振動沖擊能力比較強。

2.2.4 便于清潔

隨著插拔次數的增多，接觸式光纖連接器內部進入的灰塵和接觸件磨損導致的微小顆粒都會對細小的光斑造成影響，因此需要定期清潔。但連接器中的陶瓷套管尺寸較小，一般需要用到專門的工具進行清潔，非常不方便，而且清潔不當還會導致接觸件端面損傷。而擴束式光纖連接器沒有直接的物理接觸，灰塵的影響又相對較小，因此需清潔的頻率不高，且光學透鏡表面直徑更大，便于進行清潔[5]。

2.3 耗 損

對于光纖連接器而言，其插入損耗主要有固有耗損和連接耗損。接觸式光纖連接器的固有耗損主要來自光纖，對于擴束式光纖連接器而言，導致固有耗損的不僅有光纖，還有透鏡引起的吸收、色散、衍射以及球差等。隨著相關技術的發展和工藝的提升，如鍍膜技術等，國內已經可以將透鏡的固有耗損降到0.3 dB以下。

從連接器裝配來看，整個過程涉及到零件加工精度限制、各零部件裝配等因素的影響，所以發射端以及接收端擴束光纖連接器會導致發射和接收端的兩個透鏡之間出現角度偏差、縱向偏差以及橫向偏差等情況。這些因素都會造成對準偏差，進而導致連接損耗的出現，主要包括錯位損耗、傾斜損耗以及間隙損耗，簡述如下。

2.3.1 錯位耗損分析

所謂錯位耗損具體指的是兩個透鏡的光軸平行，但有一定的距離而引起損耗，用Δx表示橫向偏差，如圖4所示。

圖4 錯位損耗示意

經理論計算及試驗驗證，當Δx=0.1 mm時，擴束光纖連接器引入的損耗在0.3 dB左右，而對于接觸式光纖連接器來說，0.1 mm的錯位偏差基本會導致光信號的中斷丟失。通過對比可以發現，擴束式光纖連接器的錯位耗損相比接觸式光纖連接器而言受影響程度較小，尤其是現在的機械加工精度和裝配精度都非常高，基本可以將錯位偏差控制在0.05 mm左右，所引起的錯位損耗可以控制在0.2 dB以內。

2.3.2 傾斜耗損分析

所謂傾斜耗損指的是兩個透鏡的光軸由于有角度偏差而導致的（如圖5所示）損耗，用θ表示光軸之間的夾角。

圖5 傾斜損耗示意

經理論計算及試驗驗證，當θ=0.5°時，引起的傾斜損耗高2 dB左右。由此可以看出，角度傾斜所引起的損耗對擴束式光纖連接器來講影響較大。因此，在生產時要注意控制透鏡光軸的水平，注意控制光纖與透鏡的同軸。現在大部分廠家的機械加工和裝配精度可以將傾斜角度控制在0.2°以內，所引起的傾斜損耗可以控制在0.5 dB左右。

2.3.3 間隙耗損分析

對于間隙耗損而言，指的是兩個透鏡的光軸重疊，當兩個透鏡之間的距離為Δx時，造成的耗損如圖6所示。

圖6 間隙損耗示意

經試驗驗證，當Δx≤1 cm時，間隙耗損對擴束式光纖連接器的影響幾乎沒有，這是因為由透鏡發射出來的光束幾乎是平行光束，在短距離的干燥空氣介質內幾乎可以無損到達接收端的透鏡，且由于光斑較大，透鏡之間的間隙對損耗影響非常小（可以忽略不計），進而實現了光信號非接觸傳輸。

通過各種損耗對比分析，擴束式光纖連接器的傾斜損耗比較大，而接觸式光纖連接器的錯位損耗以及間隙損耗比較大。目前，擴束式光纖連接器插入損耗已經達到了1.5 dB，能夠滿足現階段大部分通信設備的實際需求。

3 發展趨勢

3.1 高性能

光學透鏡存在的固有損耗以及光纖與透鏡耦合導致的損耗較大，導致擴束式光纖連接器的插入損耗遠大于接觸式光纖連接器（一般可以在0.3 dB以內），這在一定程度上影響了擴束式光纖連接器的應用。尤其是隨著通信技術的發展，對連接器的損耗要求越來越高。

在材料、鍍膜及其他相關技術的不斷發展與進步下，光學透鏡性能將會進一步提升。因透鏡吸收以及像差所導致的損耗將會變得更小，擴束式光纖連接器的固有損耗會有效降低。此外，我國機械精加工技術呈不斷上升的趨勢，連接器的裝配精度將會更高，因裝配偏差導致的連接損耗也將變得更小。因此，擴束式光纖連接器的插入損耗會進一步優化，1 dB甚至更低是未來的發展目標[6-10]。

3.2 小型化

接觸式光纖連接器的結構比較成熟、簡單，因此外形尺寸一般較小，整體體積也不大。而擴束式光纖連接器因結構復雜以及透鏡與光纖的耦合調試工藝限制，整體體積相對較大。為適應特殊場景的應用，進一步減小體積是擴束式光纖連接器的發展趨勢之一。

3.3 低成本

受制于較高的物料成本和高精度的耦合調試成本，擴束式光纖連接器的總體成本較高，如何降低擴束式光纖連接器的成本是必須要考慮的問題。首先要降低物料成本，如對透鏡規格進行標準化，像陶瓷插芯一樣做到精益化、標準化、批量化生產；其次優化透鏡和光纖的耦合工藝，縮短調試時間，降低裝配成本，是降低擴束式光纖連接器成本的另一個發展方向。

4 結 論

在大部分光通信系統應用場景中，傳統的接觸式光纖連接器仍然是光纖轉接節點的主流產品。但隨著透鏡加工技術的進步、裝配工藝的提升，擴束式光纖連接器的性能將會進一步提升，在特殊場景的應用會越來越廣泛。