光纖連接器降低橫向錯(cuò)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(tǒng)中必不可少的部件，也是應(yīng)用最廣泛的光無(wú)源器件，目前市場(chǎng)上主流應(yīng)用的光纖連接器已經(jīng)超過(guò)25種。自上世紀(jì)70年代出現(xiàn)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，隨著高速率、高密度和各種環(huán)境下的應(yīng)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(cuò)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(cuò)位、端面間隙、直徑失配和傾斜連接等，國(guó)內(nèi)外公司和研究單位均對(duì)此展開(kāi)過(guò)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和工程定量研究。例如，美國(guó)AT&T貝爾研究所、日本NTT公司光電實(shí)驗(yàn)室/網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)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、光線追跡、光束傳播模擬、干涉測(cè)量等多種模擬和實(shí)驗(yàn)方法，研究了端面幾何參數(shù)、材料、應(yīng)力等對(duì)連接損耗的影響。如今，光纖連接器的光學(xué)性能和重復(fù)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以內(nèi)。

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

  其中d表示兩對(duì)接光纖錯(cuò)位距離，ω表示光斑分布函數(shù)。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(cuò)位與插入損耗之間的關(guān)系曲線：

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

  (圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1)

  光纖連接器纖芯的橫向錯(cuò)位由多個(gè)因素決定，如陶瓷插芯的內(nèi)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(nèi)孔同心度可達(dá)到0.3 um以內(nèi)，而由于陶瓷插芯的內(nèi)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(nèi)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(cuò)位。從圖1看出，對(duì)應(yīng)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(cuò)位控制在0.7 um以內(nèi)。

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

  1、通過(guò)調(diào)點(diǎn)工藝，將所有纖芯偏心位置都調(diào)整到連接器固定區(qū)域。

  2、改善加工/組裝工藝，提高纖芯同心度。

  2. 調(diào)點(diǎn)工藝降低插入損耗

  調(diào)點(diǎn)工藝，是針對(duì)預(yù)組裝的光纖連接頭，通過(guò)把不同纖芯偏心位置都調(diào)整到一個(gè)區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)偏心位置相互補(bǔ)償，達(dá)到減小總體橫向錯(cuò)位效果的方法。典型預(yù)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(jù)美國(guó)電子工業(yè)聯(lián)盟TIA/EIA標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)插芯可以使偏心量與指定位置(Key鍵，也稱定位鍵，見(jiàn)圖2、圖3示意點(diǎn))之間的夾角控制在±22.5°以內(nèi)，即兩個(gè)連接頭相連時(shí)，偏心量夾角在±45°以內(nèi)。

  圖 2. 典型插芯及Key鍵(綠色點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置)示意圖

  (圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)6)

  圖 3. 偏心量調(diào)整后分布區(qū)域(上)及主要參數(shù)(下)

  (圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)6)

  圖3示意了調(diào)點(diǎn)工藝處理后的插芯偏心位置區(qū)域，調(diào)點(diǎn)效果主要由區(qū)域夾角H，最大區(qū)域半徑F，及中心區(qū)域半徑G描述，表4列舉了IEC 61755 (2005)分類下不同等級(jí)插芯對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。顯然，偏心區(qū)域越集中(H、F、G值越小)，插芯等級(jí)越高，代表纖芯同心度越好，連接時(shí)產(chǎn)生的橫向錯(cuò)位越少，對(duì)應(yīng)的插入損耗也越小。

  表 1. 插芯等級(jí)與偏心區(qū)域參數(shù)關(guān)系(IEC 61755 (2005)標(biāo)準(zhǔn))

  調(diào)點(diǎn)工藝可由自動(dòng)化同心度測(cè)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(diào)點(diǎn)前后，插損可以明顯改善并控制在一定的范圍內(nèi)(圖4)：

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

  3. 提高預(yù)組裝插芯纖芯同心度

  物理尺寸上提高預(yù)組裝插芯纖芯同心度是降低橫向錯(cuò)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(jī)械設(shè)備，費(fèi)用成本較高，只有具備一定規(guī)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(nèi)孔，然后進(jìn)行內(nèi)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(xì)不一的特制鋼絲上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)插芯將內(nèi)孔磨大，直至達(dá)到125 um或其他要求的數(shù)值。外徑則通過(guò)旋轉(zhuǎn)裝置和砂輪反復(fù)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(nèi)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(nèi)孔不直的偏移量反饋來(lái)修整模具結(jié)構(gòu)，修正料道結(jié)構(gòu)，使毛胚插芯內(nèi)孔偏移量達(dá)到最小。有公司研究人員測(cè)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以內(nèi)。二是提高外徑加工精度，如改進(jìn)磨削設(shè)備中導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)，優(yōu)化排屑槽，降低磨削熱量和磨削溫度對(duì)產(chǎn)品的影響。經(jīng)過(guò)改良后的磨削設(shè)備可以控制插芯內(nèi)孔外徑整體同軸度在0.6 um以內(nèi)。

  3.2 纖芯裝配工藝

  該方法近幾年才開(kāi)始試驗(yàn)和應(yīng)用，利用光學(xué)觀測(cè)(放大成像、機(jī)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(cè)二者的同心度，并實(shí)時(shí)調(diào)整纖芯位置以達(dá)到盡可能高的同心度。例如，中國(guó)計(jì)量學(xué)院的研究人員提出了一種緊湊型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)(圖5)，配合特定的LED照明方案和邊緣檢測(cè)算法，可以快速檢測(cè)插芯同心度，與標(biāo)稱參數(shù)偏差約0.01um水平。

  圖 5. 光纖插芯同心度檢測(cè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)(圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)4)

  雖然未規(guī)模應(yīng)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(qū)域，也不影響光纖組裝過(guò)程，而且結(jié)果反饋速率快，可潛在應(yīng)用于插芯與光纖裝配過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并依次調(diào)整纖芯在插芯中的位置，優(yōu)化預(yù)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。

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  圖片來(lái)源及參考文獻(xiàn)：

  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(jī)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(jī)器視覺(jué)的光纖插芯同心度檢測(cè)研究，碩士論文，中國(guó)計(jì)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(cè)，第五期，2006

  6，Core Tuner 光纖連接器調(diào)心儀操作手冊(cè)，維度科技，2015

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