扩束式光纤连接器发展展望

冯 浩，青 春，楚淇博，高 阳

(沈阳兴华航空电器有限责任公司，辽宁沈阳，110144)

1 前言

随着科技的不断发展，通信信息网络的传输量不断增加，传输速度要求越来越高，光纤通信已经成为信息社会中必不可少的通信系统。由于光纤具有抗电磁干扰，不易引起串音及干扰等特点，使得光纤通信具有良好的保密性能，同时相对于电缆来说光缆还具有体积小、重量轻、频带宽、信息容量大、损耗小、传输距离长等特点，所以广泛应用于航天、航空、野外通信等各个领域。

光纤连接器是光纤通信领域中应用最为广泛的光无源器件之一，光纤连接器品种繁多，从耦合方式上来分，可分为接触式光纤连接器和扩束式光纤连接器。接触式光纤连接器是通过光纤端面与端面之间的紧密对接(物理接触)来实现信号传输的(如下图1所示)；扩束式光纤连接器是通过透镜将光束进行扩束准直(光斑变大)，再汇聚来实现信号传输的。接触式光纤连接器应用广泛，作为光通信系统中最基本也是最重要的光无源器件，它被应用于各个光纤通信领域。在长期的使用过程中，尤其是在野外等极端环境使用过程中，暴露出了端面易污染、易损伤等问题，从而导致光性能不稳定的现象。接触式光纤连接器的这些问题亟待解决，而扩束式光纤连接器的出现在一定程度上解决了接触式光纤连接器存在的问题。

图1 物理接触示意图

2 工作原理及优点

2.1 工作原理

扩束式光纤连接器是一种非物理接触式光纤连接器，其原理是将光纤与准直透镜耦合到一起，使从光纤出射的光经过准直透镜后以平行光出射，出射的平行光再进入另一端的准直透镜中，经准直透镜汇聚将光束耦合到接收光纤中。由光路可逆原理可知，两准直透镜可互为发射端与输出端。扩束式光纤连接器工作原理示意图如下图2所示。

图2 扩束传输原理示意图

2.2 产品优点

2.2.1 抗污染

扩束式光纤连接器整个光路系统中光纤发射出的光束在强度损失较小的情况下被有效地放大了几倍或几十倍，如图3所示。

图3 灰尘(30μm)与光纤芯径及扩束后光斑对比图示

从图3可以看出，若是有一个30um的粉尘直接落在光纤端面上，纤芯直径为9um的光纤发射出的信号将被直接遮挡无法传输，纤芯直径为50或62.5um光纤发射出的信号将被遮挡50%左右，严重影响信号的传输。但经过自聚焦透镜放大的光束由于光截面比较大，光信号对灰尘影响的敏感度并不是很大，所以可以有效的提升抗环境污染能力。

2.2.2 高寿命

扩束式光纤连接器是一种非物理接触式连接器，避免了光纤插针相互接触所造成的磨损，故而提高了光纤连接器的使用寿命。

2.2.3 抗振动冲击

光束被扩展后，光斑直径成倍的增加，振动和冲击情况下，轴向方面，距离的变化不会对通光造成影响；径向方面，两光斑之间的重合面积不会因为错位而大量减小。所以，振动和冲击对扩束式光纤连接器的影响被极大程度的降低。

2.2.3 易于清洁

准直透镜的表面直径远比光纤大，清洁工具更容易与透镜接触，而清洁时只需要对透镜进行清洁，所以扩束式光纤连接器相对于对接式光纤连接器更易于清洁。

3 损耗分析

光纤连接器损耗主要包括固有损耗和连接损耗两个部分。接触式光纤连接器的固有损耗主要来自光纤；扩束式光纤连接器的固有损耗除光纤外，还包括透镜的固有损耗。随着科技发展，材料性能及相关工艺的不断提高，专业的生产厂商可以把透镜的固有损耗降为不大于0.3dB。

由于连接器装配过程中调制或者零件加工精度限制等其他因素导致发射端光纤(透镜)和接收端光纤(透镜)之间存在一定的偏差(包括横向偏差，纵向偏差，角度偏差)，由此引起的耗损(错位损耗、间隙损耗、倾斜损耗)称之为连接耗损。连接损耗主要包括错位损耗，间隙损耗和倾斜损耗。下面我们计算各种连接损耗，同时与传统对接式光纤连接器的相应损耗进行对比。

3.1 错位损耗

错误损耗是两个光纤(透镜)的光轴平行且有一定的间距Δx(即横向偏差)而产生的损耗，图4为错位损耗示意图。

图4 横向偏差

错位损耗L(dB)表达式为：

(1)

我们选取常用的直径为1.8mm的透镜以及常用的9μm、50μm、62.5μm通信光纤的相关参数，代入上述公式得到结果如下图5所示。

图5 不同光纤与透镜错位损耗对比图

从图5中可以看出，相对于接触式光纤连接器，错位损耗对扩束式光纤连接器的影响很小。

3.2 倾斜损耗

倾斜损耗是两个光纤(透镜)的光轴中心轴线上存在一角度偏差引起的，如图6所示，计算方法如下：

(2)

图6 倾斜损耗图示

由图7可知，相对于接触式光纤连接器，倾斜损耗对扩束式光纤连接器的影响比较大。

图7 不同光纤与透镜倾斜损耗对比图

3.3 间隙损耗

间隙损耗是两个光纤(透镜)的光轴重叠，但由于两个透镜端面存在一定的间隙Δx(纵向偏差)而引起的损耗，如图8所示。

图8 间隙损耗图示

间隙损耗计算方法如下：

(3)

分别将常用光纤及透镜的参数带入上式中，计算结果如下图9所示。

图9 不同光纤与透镜间隙损耗对比图

由上图可知，相对于接触式光纤连接器，间隙损耗对扩束式光纤连接器几乎没有影响。这是因为对接式光纤连接器是通过光纤端面之间面与面的物理接触实现信号传输的，对接式光纤连接器必须紧密对接才能保证信号低耗损传输，而扩束式光纤连接器发射出来的光束基乎是平行光束，所以在一定距离内两个透镜之间的间隙对损耗影响并不大。与此同时，也正是因为间隙损耗对扩束式光纤连接器几乎没有影响，才实现了光信号非接触传输的同时，又保护了透镜端面不受磨损，从而提升了扩束式光纤连接器的机械寿命。

通过上述损耗分析可知，接触式光纤连接器间隙损耗和错位损耗较大；扩束式光纤的固有损耗和倾斜损耗相对较大。现阶段，通过相关工艺的控制，扩束式光纤连接器的耦合损耗值可以达到≤1dB的指标，完全能够满足各类通信装备的使用需求。

4 总结与展望

本文介绍了扩束式光纤连接器的工作原理，并且对扩束式光纤连接器与对接式光纤连接器的各种损耗进行了对比分析，由于扩束式光纤连接器增加了透镜，并且透镜存在一定的固有损耗，以及扩束式光纤连接器系统中光学面的增加，导致扩束式光纤连接器的插入损耗大于传统的对接式光纤连接器损耗。以国外标准为例，ARINC-801标准要求，接触式多模光纤连接器插入损耗应≤0.3dB；MIL/29504标准中则规定，接触式多模光纤连接器插入损耗应≤0.75dB；而与之对应的标准和产品要求则为：扩束式光纤连接器插入损耗应≤1.5dB。

不过，由于扩束式光纤连接器采用了非物理接触的传输形式，所以扩束式光纤连接器具有较高的可靠性及机械寿命，具有较强的抗振动冲击能力、抗污染能力以及易于清洗等优点。所以扩束式光纤连接器更适用于航空、航天、野外通信等极端环境中的光信号传输系统。

随着科学技术的不断进步，光学透镜性能质量的提高，透镜的吸收和像差引起的耗损将会越来越小，即扩束式光纤连接器的固有损耗将减小。并且随着机械精加工能力的提升以及扩束式光纤连接器的制作工艺不断完善，相信扩束式光纤连接器的插入损耗也将更小。未来，伴随着扩束式光纤连接器传输效率的提高，以及批量化生产后制作成本的降低，扩束式光纤连接器必将得到广泛的应用。