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光纤连接器实现光纤精密连接的工作原理和过程

2020年07月29日 15:56 次阅读

当两根光纤接续时,由于两光纤位置、形状、结构等的差异,造成能量并不能100%的从一根光纤进入另一根光纤,即会出现连接损耗。为了尽量地减小连接损耗,两根光纤之间必须精密对准。光纤连接器的主要作用是快速连接两根光纤,使光信号可以连续而形成光通路。而光纤连接器是如何来实现光纤的精准连接?

光纤连接器种类非常繁多,然而光纤之间的精确对准取决于两个因素,其一是具有精密内径、外径和同心度的陶瓷插芯,其二是带开缝的陶瓷套筒,这个陶瓷套筒是一个非常聪明的设计。从图1中可以看到两根光纤如何通过一个陶瓷套筒实现精密对准,陶瓷套筒的内径比插芯的外径稍小,因为套筒上有开缝,插芯才能插入。被扩张的套筒箍紧两个插芯,实现精密对准。

光纤连接器实现光纤精密连接的工作原理和过程

单模光纤SMF的芯径只有8~10μm左右,为了保证低连接损耗,两根光纤之间必须精密对准。从图2中可以看到连接损耗与两根光纤横向错位量之间的关系,该曲线是指数关系的,小至2.4μm的横向错位就会产生1dB的损耗。因此对单模光纤连接器,两根光纤之间的横向错位应小于0.5μm。

光纤连接器实现光纤精密连接的工作原理和过程

光纤端面的物理接触

然而,仅仅是精密对准,对光纤连接来说是远远不够的。我们知道,光在两种不同介质的分界面上会发生反射回波。石英光纤在1.55μm处的折射率约为1.455,因此光纤端面的反射回波BR为3.4%。后向反射光会影响通信系统的稳定性,同时每个石英玻璃-空气界面还会引入大约0.15dB的插入损耗。因此每个光纤接头会增加0.3dB的损耗。

人们通常在端面上镀增透膜来减少反射回波,然而在光纤连接器中不考虑镀膜问题。首先,镀增透膜会增加连接器的成本;其次,光纤连接并不是固定的,重复插拔会破坏增透膜。那么可不可以在光纤端面镀增透膜,并保持光纤端面不接触呢?从图3中可以看到光纤对接损耗与两根光纤纵向间距之间关系,小至50μm的间隙就会引入将近1dB的损耗,这在光纤通信系统中是不能容忍的。

因此我们得到共识,两根光纤之间必须接触且光纤端面不能镀膜。反射回波发生在两种不同介质的分界面上,光纤端面之间的空气必须排出,这样两个光纤端面达到物理接触(PC),如同融为一体的介质。由于光纤被固定在陶瓷插芯的中间,陶瓷表面的任何粗糙不平,都会影响光纤之间的物理接触。为了保证光纤之间的物理接触,插芯表面通常被研磨成球面,光纤端面位于球面的顶点处,这是光纤连接器中的第二个聪明设计。如图1中所示,插芯被插入套筒,在压力作用下,插芯端面发生变形,端面变形可保证光纤之间的物理接触。由于物理接触取决于端面变形,而陶瓷既耐磨又有一定的弹性,这是它而非玻璃被选作插芯材料的原因。

光纤连接器实现光纤精密连接的工作原理和过程

进一步减少反射回波

光纤之间的物理接触可保证光纤接续点的低损耗,然而回波损耗RL仅能达到55dB。对于一些要求更高RL的应用领域,光纤连接器的端面被研磨成一定角度,称为斜面物理接触APC。图4曲线表示增加的RL与光纤端面角度之间的关系,光纤端面通常研磨成8°斜面,RL可额外增加36dB,因此APC连接器的总RL通常大于65dB。

光纤连接器实现光纤精密连接的工作原理和过程

光纤连接器是光纤通信系统中最基础的光无源器件,系统对光纤连接器最基本的技术要求包括插入损耗IL低、回波损耗RL高,即尽量低的反射回波BR。然而,作为应用最多的光无源器件,其成本和连接便利性与技术指标同等重要。

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