基于球透镜扩束的水密光纤连接器的设计

高文彬，李荣兰，王飘飘，赵海波，王秀剑，刘 增

(山东龙立电子有限公司，山东临沂，276017)

1 引言

水密光纤连接器一般用于水下光传输及传感系统中，与光缆和水下设备之间进行连接，在海底观测网、海洋油气勘探开采和海洋牧场等领域具有广阔的应用前景。传统的水密光纤连接器，大都采用物理接触型原理，在长期使用过程中，存在现场不易清洁、易损伤、不稳定且难以修复等可靠性问题。本文介绍一种扩束型水密光纤连接器，其采用球透镜扩束耦合技术，进行非接触式光纤连接，具有耐脏污、易清洁、抗振动冲击、可靠性高等特点,其更加适应海洋恶劣环境应用要求，简化了维护保养工作，有效降低了因纤芯对接磨损而引起的光纤传输故障，大大提高了连接器的插拔次数和使用寿命。

2 设计原理及仿真分析

光纤扩束连接器，其原理是使从光纤出射的光经过透镜折射后，光束直径得到放大并准直成平行光出射，出射的平行光再进入另一端透镜中，将放大的平行光束折射聚焦耦合进入接收光纤中，完成非接触式光路的传输。光纤扩束连接器降低了灰尘等污染对光性能的影响，减少对接端面的摩擦，有效地降低了因纤芯对接磨损而引起的光纤传输故障，提高了光纤连接器的使用寿命。光纤扩束连接器常用的透镜有自聚焦透镜及球透镜等。

自聚焦透镜，又称梯度折射率透镜，是一种折射率分布沿径向渐变的柱状光学透镜，具有聚焦、准直和成像功能，国内已实现量产，已应用在多种光纤通信无源器件中，如准直器、耦合器、光隔离器、光开关、波分复用器等。基于自聚焦透镜原理的光纤扩束连接器，一般为中性结构，靠导向柱和相应的导向孔，以及外壳的准直器安装孔位置度保证准直器对准，另外，利用前端的平板玻璃保证准直器的角度，减少角度偏移。该产品一般体积较大。对连接器结构件加工精度有极高要求，连接器互换性较差。

球透镜是具有恒定的折射系数，由光学玻璃等材料制成的球状光学透镜，主要用于光纤之间、激光与光纤之间、光纤与探测器之间的耦合。球透镜与自聚焦透镜相比，具有较小的封装尺寸、较低的价格等特点，随着球透镜镀膜技术得到改进，球透镜能在较小的封装中，产生更高的耦合效率，使它成为大量生产时光学元件的最佳选择。基于球透镜原理的光纤扩束连接器，透镜和光纤接触件之间的耦合依赖产品基座的结构保证，对基座的结构精度要求高。一旦结构确定，制作方便，形式灵活，连接器互换性较好。

基于球透镜扩束的光纤连接器原理如图1所示：光纤连接器设有两个球透镜及两根光纤，光纤端面在球透镜的焦点处，发射光纤发出的光先被球透镜扩束并准直。扩束光纤连接器的另一端有另一球透镜，它将扩束、准直后的光束耦合进入另一端的接收光纤，最终形成光路的连接。由于光路可逆原理可知，两球透镜可互为发射端与接收端。

图1 基于球透镜扩束的光纤连接器原理示意图

图1中，d1是发射光纤端面到球透镜1中心点的距离，d2是接收光纤端面到球透镜2中心点的距离，d3是球透镜1和球透镜2中心点的距离，F1和F2分别是球透镜1和2的焦距，各参数有以下关系：

F1=F2=F

(1)

(2)

(3)

式(3)中，n为球透镜的折射率，D为球透镜的直径。

本文研制的4芯水密光纤扩束连接器，采用直径为9/125um单模光纤，发射和接收透镜均采用折射率为2，直径为φ2.5mm的球透镜。由式(2)(3)可得，d1= d2=F=D/2=1.25mm，即光纤端面和透镜之间无间隙，可降低对光纤端面镀膜的要求，并可降低对准精度的要求。

采用插入损耗指标来评价基于球透镜扩束的光纤水密连接器的传输性能。其插入损耗可以分为两类，一类是固有损耗，它是由光学系统自身所用材料和表面处理特性决定，包括菲涅反射、球差等。另一类是连接损耗，它是由连接器各部分对准误差引起的，包括横向偏移、角度偏移、径向偏移等。其中连接损耗在插入损耗中占据主要成分。

采用Zemax软件，设置光源参数，并模拟两根光纤芯径为φ9μm的单模光纤，将球透镜参数带入中，搭建光学理论模型主要对连接损耗影响因素进行分析。

考虑到实际装调过程中可能产生的误差影响，首先对球透镜与光纤插芯间距对插入损耗的影响进行理论仿真。并基于理论仿真结果，搭建光学系统进行实测验证，由下图2可看出球透镜与光纤插芯的间距对插入损耗的影响，实测数据与理论仿真数据变化趋势一致，均在间距为34μm时插损值最小。

图2 球透镜与光纤插芯间距对插入损耗的影响

仿真分析横向偏移对扩束连接器插入损耗的影响。引起横向偏移的因素有两种：第一种因素为入射光束偏移，即为入射光纤插芯位置不在球透镜的光轴上，如图3所示。当入射光纤插芯位置与球透镜的光轴相差1.5μm时，插入损耗在1dB左右，如图4所示。第二种因素为入射球透镜与出射球透镜的光轴不重合，如图5所示，根据理论分析该因素对插入损耗的影响相对较小，当两球透镜的光轴相差20μm时，插入损耗在1dB左右，如图6所示。

图3 光纤插芯与球透镜光轴横向偏移示意图

图4 光纤插芯与球透镜光轴横向偏移对插入损耗的影响

图5 两球透镜光轴横向偏移示意图

图6 两球透镜光轴横向偏移对插入损耗的影响

然后，仿真并分析角度偏移对扩束连接器插入损耗的影响。光纤插芯、透镜光轴等角度的偏移会对插入损耗产生影响。主要仿真分析两种因素引起的角度偏移对插入损耗的影响。一是发射端光轴相对于接收端光轴角度偏移对插入损耗的影响，如图7所示，根据图8所示的仿真数据可知，该因素对插入损耗的影响较大，当发射端光轴相对于接收端光轴角度偏差0.01°时，引入插入损耗1dB左右。二是光纤插芯相对于球透镜光轴角度偏移对插入损耗的影响，如图9所示，根据图10的仿真数据，1°角度偏移引入0.95dB的插损。

图7 发射端光轴与接收端光轴角度偏移示意图

图8 发射端光轴与接收端光轴角度偏移对插入损耗的影响

图9 光纤插芯相对于球透镜光轴角度偏移示意图

图10 光纤插芯相对于球透镜光轴角度偏移对插入损耗的影响

3 总体结构及密封结构设计

基于球透镜扩束的水密光纤连接器总体结构示意图如图11所示，球透镜固定在基座的前端，研磨后的陶瓷插芯固定于基座孔中，陶瓷插芯前端面中心位于球透镜的焦点位置处，以对光束进行扩束准直；同时安装板组件设有定位孔，在连接器对接使用时，可以起到精确定位作用。

图11 基于球透镜扩束的水密光纤连接器总体结构示意图

基于球透镜扩束的水密光纤连接器产品设计充分考虑了工作深度，材料性能及安全系数等要求。通过理论计算，确定了壳体的结构尺寸，并通过仿真验证，产品壳体满足水下6000米使用要求，如图12所示，壳体在水压下径向载荷和轴向载荷均不大于材料的允许应力。水密光纤连接器实物照片如图13所示。

图12 60MPa水压下壳体的应力分布图

图13 水密光纤扩束连接器插头与插座插合端密封结构示意图

在基于球透镜扩束的水密光纤连接器密封设计时，采用多重密封技术。连接器插头与插座插合端密封采用双O型圈径向密封形式，如图13所示，O型圈为阶梯形式排列，提高了密封的可靠性。

在连接器与光缆的配接处，采用三层密封结构，如图14所示。最内层的光缆与外壳间间隙处使用橡胶密封套填充密封；中间的外壳套筒与插头内壳体用螺纹胶进行密封；最外层在连接器外壳体上采用热硫化密封工艺，形成整体的橡胶密封层，从而保证了水密要求。

图14 水密光纤扩束连接器与光缆配接处的密封结构示意图

4 水密光纤扩束连接器的性能测试

对研制的4芯单模水密光纤扩束连接器插头和插座在插合情况下的插入损耗性能进行测试，测试结果如表1所示，达到了设计参数要求。

表1 4芯单模水密光纤扩束连接器插入损耗测试结果

然后对4芯单模水密光纤扩束连接器插头和插座在插合情况下的回波损耗性能进行测试，测试结果如表2所示，达到了设计参数要求。

表2 4芯单模水密光纤扩束连接器回波损耗测试结果

对4芯单模水密光纤扩束连接器进行60MPa耐水压测试，保压12小时后，无渗漏，耐压测试后对其插损性能进行测试，插损无变化。

5 总结

本文研制了4芯单模基于球透镜扩束的水密光纤连接器，通过优化设计和精确工艺参数控制，达到了较好的插回损性能指标，其水密性能良好，耐压指标满足6000m水深的使用需求。该水密光纤连接器，具有耐脏污、易清洁、抗振动冲击、可靠性高等特点,其更加适应海洋恶劣环境应用要求，在海底观测网、海洋油气勘探开采、海洋牧场等领域，具有广阔的应用前景。