光纖連接器降低橫向錯位與插入損耗的方法簡(jiǎn)介

  ICCSZ訊  （愛(ài)普迪光通訊科技有限公司 2019.08）光纖連接器是光纖傳輸和光互聯(lián)系統中必不可少的部件，也是應用最廣泛的光無(wú)源器件，目前市場(chǎng)上主流應用的光纖連接器已經(jīng)超過(guò)25種。自上世紀70年代出現開(kāi)始至今，光纖連接器經(jīng)過(guò)了三四十年的發(fā)展，已經(jīng)處于產(chǎn)業(yè)成熟期階段。然而，隨著(zhù)高速率、高密度和各種環(huán)境下的應用需求不斷增大和變化，降低連接損耗一直是光纖連接器研究的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。

  1. 橫向錯位與插入損耗

  造成光纖連接器插入損耗的主要因素有橫向錯位、端面間隙、直徑失配和傾斜連接等，國內外公司和研究單位均對此展開(kāi)過(guò)詳細的實(shí)驗和工程定量研究。例如，美國AT&T貝爾研究所、日本NTT公司光電實(shí)驗室/網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗室、加拿大Alef Photonics研究中心、東南大學(xué)、中南大學(xué)的研究人員使用有限元分析、光線(xiàn)追跡、光束傳播模擬、干涉測量等多種模擬和實(shí)驗方法，研究了端面幾何參數、材料、應力等對連接損耗的影響。如今，光纖連接器的光學(xué)性能和重復性也得到了明顯改善，從初期0.5-1 dB的插入損耗下降到如今0.2dB的水平;插拔500次后，插入損耗變化量可控制在0.1 dB以?xún)取?

  在光纖對接工程應用過(guò)程中，由于纖芯橫向錯位引起的損耗叫錯位損耗，它是光纖連接中插入損耗的主要來(lái)源，特別是對于單模光纖。 不考慮其他因素下，光纖橫向錯位導致的連接損耗可近似計算如下：

  其中d表示兩對接光纖錯位距離，ω表示光斑分布函數。圖1描述了典型單模光纖(光斑能量分布近似為高斯分布)纖芯橫向錯位與插入損耗之間的關(guān)系曲線(xiàn)：

  圖 1. 單模光纖纖芯橫向錯位距離與插入損耗的關(guān)系曲線(xiàn)

  (圖片來(lái)源：參考文獻1)

  光纖連接器纖芯的橫向錯位由多個(gè)因素決定，如陶瓷插芯的內孔與外徑同心度，纖芯固化位置與插芯孔的同心度，多芯排列中的位置偏差等。目前加工工藝較好的插芯內孔同心度可達到0.3 um以?xún)?，而由于陶瓷插芯的內孔略大于光纖直徑，所以在利用固化膠將光纖與陶瓷插芯固定時(shí)，光纖幾乎不可能剛好位于正中心位置，也會(huì )帶來(lái)一定的偏心量。插芯內孔直徑一般比光纖直徑大0.5 um以上，因此總體可產(chǎn)生1-1.3 um的同心度變化范圍，即橫向錯位。從圖1看出，對應大約0.2 dB的插入損耗，也即目前工業(yè)界中主流插損范圍。若想使損入損耗小于0.1dB，需將橫向錯位控制在0.7 um以?xún)取?

  想要降低光纖連接損耗，首先要降低它的橫向錯位，工業(yè)上主要有兩種方式：

  1、通過(guò)調點(diǎn)工藝，將所有纖芯偏心位置都調整到連接器固定區域。

  2、改善加工/組裝工藝，提高纖芯同心度。

  2. 調點(diǎn)工藝降低插入損耗

  調點(diǎn)工藝，是針對預組裝的光纖連接頭，通過(guò)把不同纖芯偏心位置都調整到一個(gè)區域內，實(shí)現偏心位置相互補償，達到減小總體橫向錯位效果的方法。典型預組裝陶瓷芯由陶瓷管和尾座組成(圖2)，尾座與套管之間存在凸凹插槽用于固定插芯。根據美國電子工業(yè)聯(lián)盟TIA/EIA標準的建議，尾座上的四個(gè)插槽均勻分布在圓周上，通過(guò)旋轉插芯可以使偏心量與指定位置(Key鍵，也稱(chēng)定位鍵，見(jiàn)圖2、圖3示意點(diǎn))之間的夾角控制在±22.5°以?xún)?，即兩個(gè)連接頭相連時(shí)，偏心量夾角在±45°以?xún)取?

  圖 2. 典型插芯及Key鍵(綠色點(diǎn)對應位置)示意圖

  (圖片來(lái)源：參考文獻6)

  圖 3. 偏心量調整后分布區域(上)及主要參數(下)

  (圖片來(lái)源：參考文獻6)

  圖3示意了調點(diǎn)工藝處理后的插芯偏心位置區域，調點(diǎn)效果主要由區域夾角H，最大區域半徑F，及中心區域半徑G描述，表4列舉了IEC 61755 (2005)分類(lèi)下不同等級插芯對應的參數值。顯然，偏心區域越集中(H、F、G值越小)，插芯等級越高，代表纖芯同心度越好，連接時(shí)產(chǎn)生的橫向錯位越少，對應的插入損耗也越小。

  表 1. 插芯等級與偏心區域參數關(guān)系(IEC 61755 (2005)標準)

  調點(diǎn)工藝可由自動(dòng)化同心度測試儀器完成，例如Norland公司Centroc，Data-Pixel公司Koncentrik，維度科技Core Turner系列產(chǎn)品。調點(diǎn)前后，插損可以明顯改善并控制在一定的范圍內(圖4)：

  圖 4. 調點(diǎn)前后插入損耗典型變化示意圖(圖片來(lái)源：參考文獻7)

  3. 提高預組裝插芯纖芯同心度

  物理尺寸上提高預組裝插芯纖芯同心度是降低橫向錯位的最根本的方法，但是由于受材料加工工藝、插芯制造工藝、穿纖定位控制工藝等的影響，想要通過(guò)此方法獲得超越行業(yè)水平的產(chǎn)品，需利用超精密控制機械設備，費用成本較高，只有具備一定規模的企業(yè)會(huì )予以考慮。

  3.1 陶瓷插芯制造工藝

  目前陶瓷插芯制造工藝多樣，典型方法為先使用氧化鋯材料制作插芯毛胚，用注塑成型的方法形成120 um左右直徑的內孔，然后進(jìn)行內孔、外徑精密加工。精密加工過(guò)程中，將插芯毛胚穿在一條粗細不一的特制鋼絲上，通過(guò)旋轉和移動(dòng)插芯將內孔磨大，直至達到125 um或其他要求的數值。外徑則通過(guò)旋轉裝置和砂輪反復磨削以提高同心度。目前，此工藝可以獲得同心度在1 um以下的陶瓷插芯。

  要提高插芯內孔、外徑同心度，可以從兩個(gè)方面入手。一是提高插芯毛胚制作精度，如利用內孔不直的偏移量反饋來(lái)修整模具結構，修正料道結構，使毛胚插芯內孔偏移量達到最小。有公司研究人員測試過(guò)修整模具后制作的毛胚插芯Z方向的孔徑偏移量可控制在20 um以?xún)?。二是提高外徑加工精度，如改進(jìn)磨削設備中導輪機構，優(yōu)化排屑槽，降低磨削熱量和磨削溫度對產(chǎn)品的影響。經(jīng)過(guò)改良后的磨削設備可以控制插芯內孔外徑整體同軸度在0.6 um以?xún)取?

  3.2 纖芯裝配工藝

  該方法近幾年才開(kāi)始試驗和應用，利用光學(xué)觀(guān)測(放大成像、機器視覺(jué)等)的方法，在光纖與插芯組裝固化過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測二者的同心度，并實(shí)時(shí)調整纖芯位置以達到盡可能高的同心度。例如，中國計量學(xué)院的研究人員提出了一種緊湊型的機器視覺(jué)系統(圖5)，配合特定的LED照明方案和邊緣檢測算法，可以快速檢測插芯同心度，與標稱(chēng)參數偏差約0.01um水平。

  圖 5. 光纖插芯同心度檢測機器視覺(jué)系統(圖片來(lái)源：參考文獻4)

  雖然未規模應用，但該方法因照明和成像過(guò)程不需要接觸物件端面功能區域，也不影響光纖組裝過(guò)程，而且結果反饋速率快，可潛在應用于插芯與光纖裝配過(guò)程中實(shí)時(shí)監測，并依次調整纖芯在插芯中的位置，優(yōu)化預組裝光纖插芯產(chǎn)品同心度。此方法可用于制造超高同心度的光纖連接產(chǎn)品，比如，0.3 um及以下，逼近工業(yè)極限水平。

  文章來(lái)源：(愛(ài)普迪光通訊科技有限公司 2019.08)

  圖片來(lái)源及參考文獻：

  1， 范美林，光纖連接器損耗與面型及端接力關(guān)系研究，碩士論文，大連理工大學(xué)，2015

  2，楊博凱，單模光纖連接器損耗與影響因素的研究，碩士論文，大連理工大學(xué)，2016

  3， 王偉，光纖連接器損耗機理及研磨拋光工藝研究，碩士論文，大連理工大學(xué)，2017

  4， 張凱，基于機器視覺(jué)的光纖插芯同心度檢測研究，碩士論文，中國計量學(xué)院，2016

  5， 闞榮，提高陶瓷插芯同軸度的兩種方法，工藝與檢測，第五期，2006

  6，Core Tuner 光纖連接器調心儀操作手冊，維度科技，2015

  7， Tunning Technology, TheFibers Inc. Technical report TD40102, 2005