准直器型光纤旋转连接器的耦合分析与研究

赵晖　王忠强　马乙文　戴阳

[摘    要]本文以准直器型光纤旋转连接器作为研究对象，简要介绍了单通道/多通道两种光纤旋转连接器的结构特征与工作原理，针对角度偏差、离轴偏差和轴向偏差三种耦合损耗情况进行详细分析，并结合耦合损耗对插损的影响设计了三类偏差值的具体优化分配方案。研究结果表明，需将准直器型光纤旋转连接器的角度偏差控制在0.07°范围内、离轴偏差限制在0.01 mm以内、工作距离不超过10 mm，基于上述指标生产出的样品插损率低于2 dB、插损变化量不超过1 dB，能够为光纤旋转连接器性能优化与产能提升提供参考价值。

[关键词]准直器;光纤连接;耦合误差

[中图分类号]TN253;TJ03 [文献标志码]A [文章编号]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

据中商产业研究院统计，在过去5年内我国光通信市场规模由782亿元扩大至1118亿元，预计将于2020年突破1200亿元。光纤通信技术的发展对于光芯片、光器件的需求量及研发水平提出了更高要求，光纤旋转连接器是一种在光纤通信过程中支持两个相对转动结构间信号传输的重要装置，插入损耗与损耗变化量是衡量光信号传输效果的性能指标。光纤旋转连接器的耦合方式包含直接耦合、单/双透镜及自聚焦透镜扩束耦合几种主要类型，而准直器型光纤旋转连接器采用自聚焦透镜进行扩束耦合，可保证具备良好的准直度，但在装置装配环节诸如角度偏差、离轴偏差、轴向偏差三类耦合损耗均会影响到实际插损值，如何实现耦合损耗的合理分配、降低插损值及其变化量，成为本文所需解决的主要问题。

1  光纤旋转连接器的类型与结构特征

1.1  单通道光纤旋转连接器

该装置体积较小、结构简单，基于波分复用技术可将信号传输量增至100 Gbit/s，采用直接耦合、單透镜/双透镜扩束耦合、光纤准直器扩束耦合等方式实现输出端、输入端的连接，但考虑到在光耦合过程中将出现一定的损耗，当前普遍采用准直器型光纤旋转连接器进行光纤耦合处理，同比其他耦合方式能够为机械加工创设便捷条件。针对光纤准直器进行分析，该装置中设有具备聚焦、成像两种功能的1/4节距自聚焦透镜，其尾纤发射光为点光源，光从透镜焦点处入射后的折射率分布沿径向呈逐步减小趋势，在1/4周期后可有效提高光束的准直度、放大光斑，使得光束在通过透镜后的运行轨迹近似于正弦曲线，以此有效提升光纤间的耦合效率[1]。针对准直器型光纤旋转连接器的结构特征进行分析，该装置主要由固定端、旋转端、准直器与精密轴承四部分组成，当输入光纤产生的光束通过自聚焦透镜后将转变为平行光束，经由耦合处理后分别进入对应的自聚焦透镜及光纤中，但使用自聚焦透镜时易在装配环节产生一定的耦合损耗，因装配精度不足造成径向、轴向与角度三种偏差情况。

1.2  多通道光纤旋转连接器

相较于单通道光纤旋转连接器，该装置能够进一步增大传输信号量，其耦合方式包含以下五种类型：其一是利用双通道Y型塑料光纤结构，实现光信号的耦合。其二是由2个平凸透镜、2个平凹透镜与4个准直器组成对称光学结构，用于耦合光信号。其三是由光纤、平面镜、磁铁和转动齿轮组成反射镜组合结构，耦合光信号。其四是利用透镜、菲涅尔透镜与光纤组成菲涅尔透镜耦合结构。其五是由输入端、定子、道威棱镜、转子和输出端组成道威棱镜耦合结构，该结构应用范围最广，通过去除直角棱镜的直角部分，改变入射面、光轴与出射面的垂直度，维持两光轴的方向不变，可实现光信号的逆向传输[2]。但多通道光纤旋转连接器在结构设计上更为复杂，在准直器间增设光学元件，一定程度上增大装配难度，并且在准直器制作上也提出了更高要求，应用范围存在局限。

2  准直器型光纤旋转连接器的耦合损耗及其分配优化设计

2.1  工作原理分析

本文以单通道光纤旋转连接器作为研究对象，光纤旋转连接器以高斯光束的高效耦合作为工作原理，围绕光场分布分别为Q1和Q2的高斯光束建立耦合传输通道，预先利用光纤准直器的梯度折射率透镜实现扩束操作，以此保障机械精度达标，实现光纤的高效率耦合[3]。其耦合效率的计算公式为：

（1）

2.2  耦合损耗分析

在使用两个光纤准直器进行扩束操作时，受准直器装配等因素的影响常出现一定的附加损耗，其影响因素体现在以下三个方面。

2.2.1  离轴偏差损耗

在选用一对准直器进行光的耦合操作时，两准直器的光轴需保持平行，但在径向维度上无法保证其光轴位于同一水平线上，往往存在一定间距。将两准直器的光轴间距设为X0，设自聚焦透镜的中心折射率n、聚焦常数为A，光纤模场半径为ω0，入射光波长为λ，由此产生离轴偏差损耗的计算公式为：

（2）

2.2.2  轴向偏差损耗

当所选一对准直器的光轴处于重叠状态下时，两准直器之间在装配环节可能存在一定间距，由此构成轴向偏差。将两准直器的轴向偏差设为Z，设自聚焦透镜的中心折射率n、聚焦常数为A，光纤模场半径为ω0，入射光波长为λ，则轴向偏差损耗的计算公式为：

（3）

2.2.3  角度偏差损耗

在装配环节，当两准直器的光轴间存在一定角度时，即形成角度偏差。将两准直器间的角度设为θ，设自聚焦透镜的中心折射率n、聚焦常数为A，光纤模场半径为ω0，入射光波长为λ，则角度偏差损耗的计算公式为：

（4）

2.3  分配优化设计

2.3.1  耦合损耗对插损的影响

由于准直器装配环节可能产生的三种偏差均会带来一定的耦合损耗，在光学系统中利用插入损耗衡量一种光能量在透射插入器件后出射光强与入射光强的比值，通常插损数值越小说明光纤旋转连接器的性能与生产效率越高，在此可将本文研究的准直器型光纤旋转连接器的插损目标值设为<2 dB，针对离轴偏差、轴向偏差、角度偏差对于插损的影响进行综合分析。具体来说，将自聚焦透镜的中心折射率设为1.468，聚焦常数，光纤模场半径为5.05，入射光波长为1.55 μm，将离轴偏差范围设为0～0.2 mm、轴向偏差范围为0～200 mm、角度偏差范围为0°～0.2°，并利用Matlab软件进行变量分析，分别生成三类偏差与插损的变化关系图。

通过观察偏差与插损数值的变化关系可知，当离轴偏差取值为0.09 mm、0.1 mm、0.11 mm、0.12 mm和0.14 mm时，对应的损耗值分别为0.84 dB、1.04 dB、1.26 dB、1.5 dB和2.04 dB，从中可以看出伴随离轴偏差数值的增大，产生的损耗也将随之增大，且增幅呈逐渐提高趋势，为将插损控制在2 dB以内，需保证离轴偏差<0.14 mm。当轴向偏差取值为10 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm时，对应的插损值分别为0.09 dB、0.21 dB、0.48 dB、1.09 dB和2.03 dB，从中可以看出插损与轴向偏差呈正相关关系，并且当轴向偏差超过50 mm时插损增幅开始迅速增大，为保证插损符合目标值设定要求，需确保轴向偏差值<80 mm。当角度偏差取值为0.05°、0.06°、0.07°、0.08°和0.09°时，对应的插损值分别为0.48 dB、0.69 dB、0.94 dB、1.23 dB和2.04 dB，从中可以看出插损值将随角度偏差的增大而不断增大，当角度偏差超过0.08°时其增速显著加快，因此需确保角度偏差<0.09°。

根据上述分析结果可知，插损对于离轴偏差的敏感度要高于轴向偏差，而角度偏差与其余两种偏差在量纲上无法进行直接比较，对此需将三种偏差的衡量尺度进行统一。选取两长度均为13 mm的准直器作为标准研究对象，将其中一个准直器进行固定，通过调节另一个耦合器将二者耦合角度偏差由0°调制0.07°，在准直器尾部设置一个基准点，此时该点移动距離为0.016 mm，由此产生的耦合损耗接近1 dB，远小于离轴偏差在损耗值为1.04 dB时对应的数值0.1 m，因此可以推断出插损对于角度偏差的敏感程度更高，其敏感度排序为：角度偏差>离轴偏差>轴向偏差。

2.3.2  优化分配策略

结合三类偏差对于插损的影响程度进行分析，需在装配环节针对准直器型光纤旋转连接器产生的耦合损耗进行精细化分配，将插入损耗<2 dB、插损变化量控制在1 dB以内，此时对应的角度偏差理论值为0.09°、离轴偏差为0.14 mm、轴向偏差为80 mm。但在实际装配制造环节，不同零部件的精度及机械加工性能均带有一定的不可控性，因此还应针对其损耗分配策略进行差别化设计。

本文选取某一长度为13 mm的准直器，该准直器的点精度为0.3°，插损≤0.5 dB，搭配径向跳动2.5 μm的P4级轴承构件。首先针对角度偏差进行优化设计，为保证插损变化量低于1 dB，需将两准直器的角度偏差控制在0.07°以内;其次针对离轴偏差进行优化设计，已知其点精度为0.3°，将定位准直器的长度设为1 mm，此时校正准直器点精度需预留0.005 mm的活动距离，在考虑极限值的情况下需将离轴偏差控制在0.01 mm以内;最后针对轴向偏差进行优化设计，已知该准直器的最大插损为0.5 dB，此时对应的轴向偏差为10 mm。将上述设计方案进行汇总，在光纤准直器机械加工环节需确保角度偏差小于0.07°、离轴偏差小于0.01 mm、轴向偏差低于10 mm，由此可将插入损耗控制在2 dB、变化量控制在1 dB，实现对光纤旋转连接器性能的有效优化，更好地提高生产效率。

2.3.3  控制插损效果测试

为验证本文设计的插损优化分配方案能否真正实现预期目标，需依照上述参数进行样品制备，并针对样品进行插入损耗数值及变化量的测试。选用JW8301插回损测试仪作为测试工具，启动电源使设备通电，在未输入光束的情况下将读数清零，做好准直器型光纤旋转连接器接头的清洁处理，将其两端分别与光源、光功率计进行连接，在光源波长为1310 mm的情况下，读出插损值为1.52 dB;随后将连接器进行转动，观察插损值的变化情况，读数显示插损值的变化范围始终保持在1.41～1.85 dB之间，由此计算出插损变化量为0.44 dB，两数值均符合预设目标值要求，证明本文设计的耦合损耗分配方案具备良好的可行性。

3  结语

总体来看，基于高斯光束的耦合原理进行准直器型光纤旋转连接器耦合损耗与插入损耗关系的分析，选取角度偏差、离轴偏差与轴向偏差三种情况下的数值进行量纲统一，实现对三类耦合损耗的比较分析。研究結果表明，在光纤准直器角度偏差<0.07°、离轴偏差<0.01 mm、轴向偏差<10 mm的情况下，可使插损值最低降至1.41 dB，且插损变化量为0.44 dB，符合目标值设定要求。在光纤旋转连接器的实际生产环节，应基于耦合损耗控制要求不断提高机械加工精度，保证生产出高性能光纤旋转连接器，进一步提高生产效率与工业化生产水平。

参考文献

[1] 邬华春.光纤旋转连接器结构概述[J].无线通信，2018（6）：7.

[2] 王芳，周雅娴，李晓黎，等.单模24芯光纤旋转连接器的研制[J].光纤与电缆及其应用技术，2018（5）：13-18.

[3] 范源，吴慎将，李党娟，等.用于远距离测速的光纤准直器研究[J].自动化仪表，2018（9）：1-4.

[4] 千应庆，王晓锋，蒋良荭，等.光纤旋转连接器耦合误差分析[J].兵工自动化，2012（10）：73-76.

[5] 祝勇.应用道威棱镜的光纤旋转连接器的理论与实验研究[D].天津：天津大学，2010.

[6] 王彦晓.离轴光纤旋转连接器的研究[D].合肥：合肥工业大学，2014.

[7] 丁杰，李毅，王锋，等.大内径离轴光纤旋转连接器的设计与实现[J].光电子.激光，2013（11）：26-31.

[8] 周丰，吴如恩，薛叙，等.一种多通道光纤旋转连接器结构与制造方法[J].光纤光缆传输技术，2015（1）：17.

[9] 王胜.用于光遗传的光纤旋转连接器的设计[D].武汉：华中科技大学，2015

[10] 殷樱，李毅，丁杰，等.离轴光纤旋转连接器的设计与实验[J].光学技术，2013，39（2）：188-192.