光纖連接器原理和分類

在光纖通信（傳輸）鏈路中，為了實現(xiàn)不同模塊、設(shè)備和系統(tǒng)之間靈活連接的需要，必須有一種能在光纖與光纖之間進(jìn)行可拆卸（活動）連接的器件，使光路能按所需的通道進(jìn)行傳輸，以實現(xiàn)和完成預(yù)定或期望的目的和要求，能實現(xiàn)這種功能的器件就叫連接器。光纖連接器就是把光纖的兩個端面精密對接起來，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去，并使由于其介入光鏈路而對系統(tǒng)造成的影響減到最小，這是光纖連接器的基本要求。在一定程度上，光纖連接器也影響了光傳輸系統(tǒng)的可靠性和各項性能。
    
     　　光纖連接器是光系統(tǒng)中使用量最大的光無源器件。對連接器的要求主要是插入損耗小，反射損耗高，重復(fù)插拔性好，環(huán)境穩(wěn)定和機(jī)械性能好等。由于光纖連接器也是一種損耗性產(chǎn)品，所以還要求其價格低廉。其典型應(yīng)用包括通信、局域網(wǎng)（LAN）、光纖到戶（FTTH）、高質(zhì)量視頻傳輸、光纖傳感、測試儀器儀表、CATV等。
    
     　　這里所講的光纖連接器確切地講是光纖活動連接器，是按光纖接頭可拆卸與否來分類時的一類，所以相應(yīng)地還有一種不可拆卸的連接器，稱為固定連接器，在這里就不多提。光纖連接器按傳輸媒介的不同可分為常見的硅基光纖的單模、多模連接器，還有其它媒介如塑膠等為傳輸媒介的光纖連接器；按連接頭結(jié)構(gòu)型式可分為：FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT等等各種型式；按光纖端面形狀分有FC、PC（包括SPC或UPC）和APC型；按光纖芯數(shù)分還有單芯、多芯（如MT-RJ）型光纖連接器之分。
    
     　　光纖連接器應(yīng)用極廣，品種繁多。下面我們以最常見的FC型（即圓柱套筒型）連接器為例講一下連接器的基本結(jié)構(gòu)。
    
     　　FC型連接器，采用套筒（sleeve）對中和微孔插針（ferrule）配合的結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)（如圖1）
    
    
    
     　　由1只套筒和兩只帶光纖的插針組成。插針是一只套管，其外徑為ф2.499（±0.0005）mm,內(nèi)徑為ф0.125（±0.001）mm..把直徑為ф1.125（-0）mm的光纖固定(用EPOXY膠)在插針內(nèi)孔.套管(sleeve)的內(nèi)徑ф=2.48～2.49mm,與兩只帶光纖的插針精密配合,完成兩根光纖的對中.兩個插針的端面則通過兩側(cè)的保持彈簧來保證其端面緊密接觸.
    
     　　減小插入損耗(Insertion Loss)是連接器設(shè)計的基礎(chǔ).所謂插入損失是指由于連接器的引入而導(dǎo)致的鏈路功率損耗,定義為連接器的輸出功率與輸入功率比的分貝數(shù).如圖2,設(shè)輸入功率為PI, 輸出功率為PO,.則此連接器的插入損耗為:
    
    
    
     　　產(chǎn)生插入損耗的機(jī)理有兩方面:
    
     　　1、 光纖公差引起的固有損耗.主要由光纖制造公差,即纖芯尺寸、數(shù)值孔徑、纖芯/包層同心度和折射率分布失配等因素產(chǎn)生。
    
     　　2、 連接器加工裝配引起的固有損耗.這是由連接器加工裝配公差，即端面間隙、軸線傾角、橫向偏移和菲涅爾反射及端面加工精度等因素產(chǎn)生的。 通過幾何關(guān)系的計算，可以得到各種機(jī)理產(chǎn)生的連接損耗公式，式中符號的腳標(biāo)S和r分別對應(yīng)于發(fā)射光纖和接收光纖，單位為dB。
    
     　　1． 纖芯（或模場）尺寸失配
    
     如圖3，對于多模光纖，設(shè)模式均勻分布在整個纖芯，發(fā)射光纖和接收光纖的纖芯直徑分別為DS和Dr,計算得到的插入損失公式為：
    
    
    
     單模光纖相應(yīng)的參數(shù)是模場半徑，則I L的公式為：
    
    
    
     模場半徑w是纖芯半徑a，工作波長λ和截止波長λc的函數(shù)，其關(guān)系為：
    
    
    
     　　2． 數(shù)值孔徑失配
    
     數(shù)值孔徑失配產(chǎn)生的插入損耗如圖4所示，
    
    
    
     其值為:
    
    
    
     　　3． 折射率分布失配
    
     折射率分布失配產(chǎn)生的插入損耗如圖5所示。
    
     設(shè)功率傳遞是多模光纖耦合模數(shù)目的函數(shù)，g為折射率分布指數(shù)，其插入損失公式為：

    
     　　　
    
     　　　　4． 端面間隙
    
     多模光纖端面間隙產(chǎn)生的損失是間隙距離d，纖芯直徑Df, 光纖數(shù)值孔徑NA和間隙內(nèi)介質(zhì)折射率n0的函數(shù)，如圖6所示：
    
     插入損耗公式為:
    
    
    
     單模光纖端面間隙產(chǎn)生的損耗是間隙距離d，模場半徑w和光纖折射率nf的函數(shù)，插入損耗公式為：
    
    
    
     式中Z=dλ/(2πnfw2), λ為工作波長。
    
     　　5． 軸線傾角
    
     多模光纖軸線傾角產(chǎn)生的損耗是光纖數(shù)值孔徑NA，折射率nf和軸線傾角θ的函數(shù)，如圖7所示。插入損耗公式為：
    
    
    
     單模光纖軸線傾角產(chǎn)生的損耗是光纖模場半徑w，折射率nf, 波長λ和軸線傾角θ的函數(shù)，插入損耗公式為：
    
    
    
     　　6．橫向偏移或同心度
    
     多模光纖橫向偏移產(chǎn)生的插入損耗是偏心量x和纖芯直徑Df的函數(shù),如圖8所示,插入損耗公式為:
    
    
    
     單模光纖橫向偏移產(chǎn)生的插入損耗是偏移量x和平均模場半徑w0的函數(shù),插入損耗公式為:
    
    
    
     圖8中,多模光纖的纖芯直徑為50μm,單模光纖的模場半徑為5μm,相對折射率差Δ=0.3%.
    
     　　7.菲涅爾反射
    
     菲涅爾反射是光在光纖與空氣交界面產(chǎn)生反射的一種物理現(xiàn)象,如圖9所示,兩個交界面產(chǎn)生的損耗公式為:
    
    
    
     式中nf為光纖纖芯折射率, n0為空氣的折射率.
    
     　　如果兩個光纖端面事實上完全接觸,則此項損耗不存在.但是兩個光纖端面完全接觸會相互擦傷甚至擠碎,因而不可取.現(xiàn)實中,通過對端面進(jìn)行合理設(shè)計,在加工中采取恰當(dāng)?shù)氖侄慰梢员ＷC合理的光纖端面與插針體（Ferrule）端面的相對位置.一般要求光纖端面的凹凸量U=0±0.05μm,另外Ferrule端面的曲率半徑R在10～25㎜間為佳.
    
     　　實際光纖連接時,這些因素的影響可能同時存在,因而總損耗應(yīng)是各損耗的迭加.為減少插入損耗,在光纖連接器設(shè)計與制造中,應(yīng)盡量避免上述各種因素的影響.
    
     　　連接器的規(guī)格型號較多,表1給出了部分單模光纖連接器的主要特性.各種型號的連接器都有自己的特點和用途.一般長距離通信,大多使用FC型或SC型連接器,其優(yōu)點是插入損失小,安裝容易穩(wěn)定性高.短距離(≤20km)信號傳輸,則較多用ST、SMA、FDDI等,且多用于多模系統(tǒng),因為其精度要求不高,所以成本較低.SC、ST和D4等則適用于用戶網(wǎng)和局域網(wǎng)。另外，帶狀陣列式光纜連接器由于現(xiàn)場連接速度快，性能良好成本低，常用于各種局域網(wǎng)，其它如塑膠類光纖連接器則多用于更短距離通信，自動控制和音響訊號傳輸?shù)取Ｎ磥砉饫w連接器的研發(fā)趨勢應(yīng)為低成本、高密度、高可靠度、功能及安裝簡化等方面發(fā)展。