扩束式光纤连接器发展探析

郎秀嘉

（中航光电科技股份有限公司，河南 洛阳 471000）

0 引 言

随着通信信息网络传输量的不断提升，对传输速度以及质量提出了更高的要求。光通信因成本低、衰减小、适合远距离通信、抗干扰能力强以及保密性较好等原因得到了广泛应用[1]。光纤连接器在光通信体系中占据重要位置，发挥着承上启下的节点作用[2,3]。随着光纤通信的发展及应用场合不断扩展，接触式光纤连接器暴露出了一些固有的缺点，不能适应某些特殊场合的需求，而扩束式光纤连接器因其本身特点则可以适应这些特殊应用场景。因此，研究扩束式光纤连接器的发展具有一定的现实意义。

1 扩束式光纤连接器

在光通信系统中，光纤连接器属于使用极为广泛的光无源器件，按不同的区分方式，其品种类型比较多，其中按照耦合方式进行区分，分为扩束式光纤连接器与接触式光纤连接器。扩束式光纤连接器主要是利用光学透镜对光束进行扩束准直，简单来讲，就是先让光斑变大，再进行汇聚，从而实现光信号传输。对于接触式光纤连接器而言，虽然是光通信系统中极为关键的光无源器件，但是在一些极端环境中使用时出现了容易损伤、端面容易污染等常见问题，导致光信号传输不稳定，而扩束式光纤连接器的应用可以解决这些问题[4]。

2 扩束式光纤连接器工作原理与优势分析

2.1 工作原理

扩束式光纤连接器的工作原理是将光纤与光学透镜进行耦合，光纤传输的光通过光学透镜之后实现光斑扩大并平行射出，所射出的平行光会进入到接收端的光学透镜，并在透镜的作用下耦合到接收光纤中，其工作原理如图1所示。

图1 工作原理

扩束型光纤连接器的基本结构如图2所示。

图2 基本结构

2.2 优 势

2.2.1 抗污染性能较强

在扩束光路系统中，透镜所射出的光束可以在强度损失比较小的情况下被有效放大几倍，甚至是几十倍。光斑扩大示意如图3所示。

图3 光斑扩大示意

直径30 μm的粉尘落在光纤端面时，如果纤芯直径为9 μm，那么此时光纤所射出的光信号则会被全部遮挡；如果纤芯直径为50 μm，又或者是62.5 μm，那么此时信号会被遮挡50%左右。但如果采用扩束连接器，在光学透镜的放大作用下，光束会变大，因为光截面变大了，所以灰尘对其的影响并不大，具有抗污染性能比较强的优势。

2.2.2 寿命更长

传统接触式光纤连接器的每次插拔操作都会导致陶瓷插芯接触件的磨损，500多次插拔操作后，陶瓷插芯经细致研磨的端面形状就会被逐渐破坏，影响光信号在接触面的传播和反射等，进而导致光信号传播损耗等。对于扩束式光纤连接器而言，作为非物理接触式光纤连接器，能够对光纤插芯接触中的磨损进行有效避免，使用寿命相比传统接触式光纤连接器会更长。

2.2.3 抗振动冲击能力强

扩束光纤连接器面对一定条件的振动冲击时，对于轴向而言，距离虽然会出现变化，但是对光在轴向的平行传播不会造成影响；随着光束的扩展，光斑直径会数倍增加，对于径向而言，虽然会发生微小错位，但相对扩束后的光斑直径来讲影响较小，因此扩束式光纤连接器的抗振动冲击能力比较强。

2.2.4 便于清洁

随着插拔次数的增多，接触式光纤连接器内部进入的灰尘和接触件磨损导致的微小颗粒都会对细小的光斑造成影响，因此需要定期清洁。但连接器中的陶瓷套管尺寸较小，一般需要用到专门的工具进行清洁，非常不方便，而且清洁不当还会导致接触件端面损伤。而扩束式光纤连接器没有直接的物理接触，灰尘的影响又相对较小，因此需清洁的频率不高，且光学透镜表面直径更大，便于进行清洁[5]。

2.3 耗 损

对于光纤连接器而言，其插入损耗主要有固有耗损和连接耗损。接触式光纤连接器的固有耗损主要来自光纤，对于扩束式光纤连接器而言，导致固有耗损的不仅有光纤，还有透镜引起的吸收、色散、衍射以及球差等。随着相关技术的发展和工艺的提升，如镀膜技术等，国内已经可以将透镜的固有耗损降到0.3 dB以下。

从连接器装配来看，整个过程涉及到零件加工精度限制、各零部件装配等因素的影响，所以发射端以及接收端扩束光纤连接器会导致发射和接收端的两个透镜之间出现角度偏差、纵向偏差以及横向偏差等情况。这些因素都会造成对准偏差，进而导致连接损耗的出现，主要包括错位损耗、倾斜损耗以及间隙损耗，简述如下。

2.3.1 错位耗损分析

所谓错位耗损具体指的是两个透镜的光轴平行，但有一定的距离而引起损耗，用Δx表示横向偏差，如图4所示。

图4 错位损耗示意

经理论计算及试验验证，当Δx=0.1 mm时，扩束光纤连接器引入的损耗在0.3 dB左右，而对于接触式光纤连接器来说，0.1 mm的错位偏差基本会导致光信号的中断丢失。通过对比可以发现，扩束式光纤连接器的错位耗损相比接触式光纤连接器而言受影响程度较小，尤其是现在的机械加工精度和装配精度都非常高，基本可以将错位偏差控制在0.05 mm左右，所引起的错位损耗可以控制在0.2 dB以内。

2.3.2 倾斜耗损分析

所谓倾斜耗损指的是两个透镜的光轴由于有角度偏差而导致的（如图5所示）损耗，用θ表示光轴之间的夹角。

图5 倾斜损耗示意

经理论计算及试验验证，当θ=0.5°时，引起的倾斜损耗高2 dB左右。由此可以看出，角度倾斜所引起的损耗对扩束式光纤连接器来讲影响较大。因此，在生产时要注意控制透镜光轴的水平，注意控制光纤与透镜的同轴。现在大部分厂家的机械加工和装配精度可以将倾斜角度控制在0.2°以内，所引起的倾斜损耗可以控制在0.5 dB左右。

2.3.3 间隙耗损分析

对于间隙耗损而言，指的是两个透镜的光轴重叠，当两个透镜之间的距离为Δx时，造成的耗损如图6所示。

图6 间隙损耗示意

经试验验证，当Δx≤1 cm时，间隙耗损对扩束式光纤连接器的影响几乎没有，这是因为由透镜发射出来的光束几乎是平行光束，在短距离的干燥空气介质内几乎可以无损到达接收端的透镜，且由于光斑较大，透镜之间的间隙对损耗影响非常小（可以忽略不计），进而实现了光信号非接触传输。

通过各种损耗对比分析，扩束式光纤连接器的倾斜损耗比较大，而接触式光纤连接器的错位损耗以及间隙损耗比较大。目前，扩束式光纤连接器插入损耗已经达到了1.5 dB，能够满足现阶段大部分通信设备的实际需求。

3 发展趋势

3.1 高性能

光学透镜存在的固有损耗以及光纤与透镜耦合导致的损耗较大，导致扩束式光纤连接器的插入损耗远大于接触式光纤连接器（一般可以在0.3 dB以内），这在一定程度上影响了扩束式光纤连接器的应用。尤其是随着通信技术的发展，对连接器的损耗要求越来越高。

在材料、镀膜及其他相关技术的不断发展与进步下，光学透镜性能将会进一步提升。因透镜吸收以及像差所导致的损耗将会变得更小，扩束式光纤连接器的固有损耗会有效降低。此外，我国机械精加工技术呈不断上升的趋势，连接器的装配精度将会更高，因装配偏差导致的连接损耗也将变得更小。因此，扩束式光纤连接器的插入损耗会进一步优化，1 dB甚至更低是未来的发展目标[6-10]。

3.2 小型化

接触式光纤连接器的结构比较成熟、简单，因此外形尺寸一般较小，整体体积也不大。而扩束式光纤连接器因结构复杂以及透镜与光纤的耦合调试工艺限制，整体体积相对较大。为适应特殊场景的应用，进一步减小体积是扩束式光纤连接器的发展趋势之一。

3.3 低成本

受制于较高的物料成本和高精度的耦合调试成本，扩束式光纤连接器的总体成本较高，如何降低扩束式光纤连接器的成本是必须要考虑的问题。首先要降低物料成本，如对透镜规格进行标准化，像陶瓷插芯一样做到精益化、标准化、批量化生产；其次优化透镜和光纤的耦合工艺，缩短调试时间，降低装配成本，是降低扩束式光纤连接器成本的另一个发展方向。

4 结 论

在大部分光通信系统应用场景中，传统的接触式光纤连接器仍然是光纤转接节点的主流产品。但随着透镜加工技术的进步、装配工艺的提升，扩束式光纤连接器的性能将会进一步提升，在特殊场景的应用会越来越广泛。