扩束光纤连接器技术路径浅析

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(上海航天科工电器研究院有限公司，上海，200331)

1 引言

相对于铜缆，光纤通信具有高带宽、低损耗、抗电磁干扰、轻量化等优势。因此，光传输在军用领域应用的越来越广泛。常用的光纤连接器主要有两种类型：物理接触件型和扩束连接型。

物理接触型(PC型)光纤连接器的典型实现方式为陶瓷套筒、陶瓷插芯式，将光纤固定在足够精密的陶瓷插芯内部，并通过研磨，使对接面具有一定的形状，以保证两端的光纤物理接触，从而克服菲涅而反射等损耗。

插入损耗是光纤连接器最主要的性能指标。光纤连接器的插入损耗主要影响因素包括：纤芯不匹配、角度偏移、纤芯错位、端面间隙，这些因素通过控制光纤插芯、套筒的精度，光纤连接器结构优化，性能已有很大提升。光纤端面污染、端面损伤也是光纤连接器的损耗主要来源。以单模光纤连接器为例，模场直径仅9微米，微米级别的污染物都可能导致插入损耗增大甚至光路不通，并且物理接触型端面容易造成端面损伤的“传染”。因此光纤传输，特别是使用环境恶劣的军用光纤连接器，迫切需要解决光纤端面灰尘敏感性问题。扩束光纤连接器是其中一种有效的解决方式。

2 扩束光纤连接器原理分析

2.1 扩束光纤连接器原理

典型的扩束光纤连接器设有两个透镜光纤。光纤端面在透镜的焦点附近，光纤发出的光经透镜折射，形成平行光，并且，光束直径得到放大。扩束光纤连接器的另一端有另一个透镜，将放大的平行光束耦合进入另一端的光纤，完成光路的连接。这里的透镜可以是球透镜、也可以是非球面透镜。

图1 扩束光纤连接器原理图

扩束光纤连接器降低了灰尘等污染对光性能的影响。另外，由于扩束光纤连接器为非物理接触，避免了光纤端面损失的“传染”，也减少对接端面的摩擦，光纤连接器的使用寿命可提高。

图2 灰尘对各种光纤连接器光束的影响对比

2.2 扩束光纤连接器性能影响因素

由于光纤束的扩大，扩束光纤连接器对光束对准程度要求大为降低。如图3所示。

图3 扩束和普通光纤连接器光束错位对损耗的影响对比

扩束光纤连接器的损耗可分为两类：一类是固定损耗，它是由系统自身决定，按照从小到大排列是菲涅而、球差、衍射、色散、吸收等。

另一类是可变损耗，他是由对准误差引起的。包括轴向偏差、角度偏移、径向偏移。

尽管扩束型光纤连接器的纤芯不是直接接触，但是透镜与光束的轴向偏移和角度偏移对连接器的损耗还是有极大影响。在很小的轴向偏移下，光束仍能够被校准但是在接收端聚焦的位置却被改变，图4描述了当光纤和透镜轴向偏移时连接器插入损耗的变化，2um的偏移就能引起1.0dB的损耗，可见扩束型光纤连接器需要非常精密的制造工艺。

入射的光束偏离透镜的轴线、光纤尾纤端面不平坦或是在插合的端面处有污染物都会引起角度偏移。图5描述了连接器在光纤倾斜情况下插入损耗的变化，即光束偏离透镜轴线射入时对连接器插入损耗的影响。由图可知仅仅0.08度的偏移能引起1.0db的损耗，可见光纤与透镜角度偏移对连接器的插入损耗有很大影响。

图4 光纤和透镜轴向偏移时插入损耗变化曲线

图5 角度偏移时的插入损耗变化曲线

2.2.1 扩束光纤连接器及物理接触光纤连接器性能对比

a)插入损耗、回波损耗：

物理接触型光纤连接器(PC型)无疑在该指标上存在优势。

单路PC连接器典型值为插入损耗≤0.3dB，回波损耗≥40dB。

而扩束型的典型值为插入损耗≤1.5dB，回波损耗≥20dB。

在对光性能有较高要求的场合，PC型连接器是首选。

b)环境性能(振动、冲击)

光纤连接器的耐机械环境性能，可以通过连接器的设计减少这些因素影响。因此，在耐机械环境性能上，PC连接器与扩束连接器没有明显的差别。

c)灰尘耐受力

如前面的讨论，扩束光纤连接器由于其将光束扩大，对灰尘的耐受能力较PC连接器优越。

并且，大部分扩束光纤连接器更易于清洁。

d)湿气的耐受力

PC连接器由于其对接时两端光纤端面物理接触，将湿气排除在外，所以受湿气影响较小。

而扩束光纤连接器之前为光束在空气中传播，空气中的湿气会对光束形成散射，从而影响光学性能。

e)密度

由于透镜耦合的需要，扩束光纤连接器的密度通常较小。

但是，目前业内人士正在努力减少这方面的影响，国内外已经出现扩束16号接触件甚至扩束MT插芯。

3 国内外扩束光纤连接器实现路径 分析

3.1 准直器集成型

光纤准直器的作用是将光纤输出的束腰半径较小而发散角较大的近似高斯光束转换为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加对轴向间距的容差从而提高光纤与光纤之间的耦合效率，这样可使两个准直器之间保持较长的距离，可以插入光纤元件以实现器件性能。

从原理上看，扩束光纤连接器的原理和光纤准直器是一致的。最初的扩束光纤连接器就是利用两个准直器对准，实现光纤连接器功能。

图6 准直器集成型连接器原理图

图6中，件8为光纤准直器，用胶或其他方式固定于连接器外壳上。4为平板玻璃，起保护准直器透镜及保持准直器垂直于对接面的作用。

该类产品一般为中性结构，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。

3.2 预置透镜型

预置透镜型是将透镜固定于产品的基座前端。将对应的光纤接触件研磨后，固定于基座相应的孔中，再将整体基座安装在不同的产品外壳。典型的如泰科的MIL38999扩束连接器，11号外壳可集成4芯扩束接触件。相当于20号接触件的空间占用率。

图7 预置型扩束型连接器

该类产品透镜和光纤接触件之间的耦合完全依赖产品基座的结构保证，对基座的结构精度要求相当高。一旦结构确定，制作方便，形式灵活。以泰科的扩束产品为例，MIL83526、MIL38999以及ARINC600等产品均使用同一个扩束基座。

3.3 插针插孔型

为了集成现有的军用连接器，很多厂家将准直器做成各类接触件的外形。

而这类产品的实现方式也各不相同。

图8 sabritec 扩束接触件原理图

Sabritec公司采用球透镜和带光纤插芯集成，然后集成于传统光纤接触件前端，形成适用于38999的光纤接触件。该公司最小的光纤接触件为12号。有单独的型谱(不兼容原有的MIL38999孔位型谱)。

图9 sabritec 公司扩束连接器型谱

图10 glenair公司扩束光纤接触件

Glenair公司将陶瓷套筒加入插孔前端，利用陶瓷套筒的加工精度保证插针和插孔的对接精度。最小接触件为16号接触件。2015年，泰科发布16号光纤接触件，结构与Glenair类似，采用球透镜与陶瓷插芯对准，插针插孔之间对准也靠陶瓷套筒。

图11 泰科公司扩束接触件

图12 Winchester electronics公司扩束光纤接触件

Winchester electronics公司的扩束接触件跟传统的扩束接触件不同，采用双透镜系统，扩束后再聚焦，使该产品的回损可达到60dB(一般的扩束连接器的回损大约在30dB左右)该公司的典型接触件为16号。

3.4 扩束MT型

最近，泰科、molex公司等厂商相继推出他们的扩束MT光纤连接器。

图13 molex公司扩束MT光纤连接器(VersaBeam MT)

图14 泰科公司的扩束MT(TELLMI)

该产品将透镜阵列和MT插芯的核心部件集成为一体，略凹陷于对接面，避免光学端面的物理接触。

泰科公司发布的资料宣称该产品通过了42000次光学连接零清洁操作。

图15 扩束MT与普通50/125光纤耦合

另外，该系列产品的透镜发出的光不是平行光束，可与普通MT对接，图20右边，扩束镜头发出的光可耦合进入50/125普通光纤。确保与现有产品的兼容。

美国usconec公司近年推出了MXC连接器，总体结构类似MT，外形尺寸与MT一致，为2.5×6.4。取消MT的导向针外接结构，导向柱与插芯一体，每个插芯均带导向针和导向孔即中性结构。

图16 MXC连接器插芯内部结构图

MXC端面上集成50微米的微透镜(与插芯为一体结构，整个插芯为透明材料)，插芯有多种形式，典型的有每排12路，导向针间距4.6mm(与现有MT一致)；还有每排16路的，导向针间距5.2。现有最高密度MXC插芯为4×16芯。

MXC插芯与普通MT插芯的区别在于，前端设有光纤停止面，经过精密切割的光纤推入插芯后，顶在该面上，该面为透镜的焦距，则光纤经过透镜传输后，可耦合进入另一端的光纤中。光纤用环氧胶固定于插芯中。

由此可知，MXC的制作核心技术在于插芯的透镜集成精度(usconec公司核心技术)，以及光纤的端面处理技术(不经过研磨)。

3.4 扩芯光纤

通信用光纤连接器一般单模的模场直径为9微米，多模的纤芯直径为50或者62.5。显而易见，单模连接器对灰尘更加敏感。因此，有一种技术方案是将单模光纤与渐变折射率多模光纤熔接，制作出扩芯光纤。将对接界面的光斑扩大到30～50微米，从而降低光纤连接器对灰尘的敏感性。

图17 典型扩芯光纤连接器方案

该技术路径与传统的透镜耦合性有较大差别。优缺点都非常明显。

优点：损耗低。采用光纤熔接方式，损耗一般在0.5dB左右，透镜耦合型光纤连接器一般厂家的宣传资料损耗均在1.0dB以上。

缺点：光斑扩大倍数有限。目前见诸报道的扩芯产品光斑扩大范围在30～50微米，仅与多模光纤连接器在同一量级。而采用透镜方式，可将光斑扩大到几百微米甚至毫米级。

4 小结

本文分析了PC型光纤连接器的损耗影响因素及灰尘敏感性。讨论了扩束光纤连接器的原理，损耗影响因素。列举了现有的扩束光纤连接器实现路径。其中，预置透镜型在国外生产厂家最多，插针插孔式灵活性较高，而扩束MT型的思路有可能成为下一代光纤连接器的代表。不管使用哪一种方式，均需对光学透镜、耦合机理做深入了解，对零件的加工精度或耦合工艺提出一定的挑战。