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光纤连接器原理和分类
双击自动滚屏 发布者:admin 发布时间:2014-07-23 16:44:14 阅读:317次 【字体:

在光纤通信(传输)链路中,为了实现不同模块、设备和系统之间灵活连接的需要,必须有一种能在光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件,使光路能按所需的通道进行传输,以实现和完成预定或期望的目的和要求,能实现这种功能的器件就叫连接器。光纤连接器就是把光纤的两个端面精密对接起来,以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去,并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小,这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上,光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。
   
      光纤连接器是光系统中使用量最大的光无源器件。对连接器的要求主要是插入损耗小,反射损耗高,重复插拔性好,环境稳定和机械性能好等。由于光纤连接器也是一种损耗性产品,所以还要求其价格低廉。其典型应用包括通信、局域网(LAN)、光纤到户(FTTH)、高质量视频传输、光纤传感、测试仪器仪表、CATV等。
   
      这里所讲的光纤连接器确切地讲是光纤活动连接器,是按光纤接头可拆卸与否来分类时的一类,所以相应地还有一种不可拆卸的连接器,称为固定连接器,在这里就不多提。光纤连接器按传输媒介的不同可分为常见的硅基光纤的单模、多模连接器,还有其它媒介如塑胶等为传输媒介的光纤连接器;按连接头结构型式可分为:FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT等等各种型式;按光纤端面形状分有FC、PC(包括SPC或UPC)和APC型;按光纤芯数分还有单芯、多芯(如MT-RJ)型光纤连接器之分。
   
      光纤连接器应用极广,品种繁多。下面我们以最常见的FC型(即圆柱套筒型)连接器为例讲一下连接器的基本结构。
   
      FC型连接器,采用套筒(sleeve)对中和微孔插针(ferrule)配合的结构。 这种结构(如图1)
   
    
   
      由1只套筒和两只带光纤的插针组成。插针是一只套管,其外径为ф2.499(±0.0005)mm,内径为ф0.125(±0.001)mm..把直径为ф1.125(-0)mm的光纤固定(用EPOXY胶)在插针内孔.套管(sleeve)的内径ф=2.48~2.49mm,与两只带光纤的插针精密配合,完成两根光纤的对中.两个插针的端面则通过两侧的保持弹簧来保证其端面紧密接触.
   
      减小插入损耗(Insertion Loss)是连接器设计的基础.所谓插入损失是指由于连接器的引入而导致的链路功率损耗,定义为连接器的输出功率与输入功率比的分贝数.如图2,设输入功率为PI, 输出功率为PO,.则此连接器的插入损耗为:
   
    
   
      产生插入损耗的机理有两方面:
   
      1、 光纤公差引起的固有损耗.主要由光纤制造公差,即纤芯尺寸、数值孔径、纤芯/包层同心度和折射率分布失配等因素产生。
   
      2、 连接器加工装配引起的固有损耗.这是由连接器加工装配公差,即端面间隙、轴线倾角、横向偏移和菲涅尔反射及端面加工精度等因素产生的。 通过几何关系的计算,可以得到各种机理产生的连接损耗公式,式中符号的脚标S和r分别对应于发射光纤和接收光纤,单位为dB。
   
      1. 纤芯(或模场)尺寸失配
   
    如图3,对于多模光纤,设模式均匀分布在整个纤芯,发射光纤和接收光纤的纤芯直径分别为DS和Dr,计算得到的插入损失公式为:
   
    
   
    单模光纤相应的参数是模场半径,则I L的公式为:
   
    
   
    模场半径w是纤芯半径a,工作波长λ和截止波长λc的函数,其关系为:
   
    
   
      2. 数值孔径失配
   
    数值孔径失配产生的插入损耗如图4所示,
   
    
   
    其值为:
   
    
   
      3. 折射率分布失配
   
    折射率分布失配产生的插入损耗如图5所示。
   
    设功率传递是多模光纤耦合模数目的函数,g为折射率分布指数,其插入损失公式为:
   
    
   
        
   
        4. 端面间隙
   
    多模光纤端面间隙产生的损失是间隙距离d,纤芯直径Df, 光纤数值孔径NA和间隙内介质折射率n0的函数,如图6所示:
   
    插入损耗公式为:
   
    
   
    单模光纤端面间隙产生的损耗是间隙距离d,模场半径w和光纤折射率nf的函数,插入损耗公式为:
   
    
   
    式中Z=dλ/(2πnfw2), λ为工作波长。
   
      5. 轴线倾角
   
    多模光纤轴线倾角产生的损耗是光纤数值孔径NA,折射率nf和轴线倾角θ的函数,如图7所示。插入损耗公式为:
   
    
   
    单模光纤轴线倾角产生的损耗是光纤模场半径w,折射率nf, 波长λ和轴线倾角θ的函数,插入损耗公式为:
   
    
   
      6.横向偏移或同心度
   
    多模光纤横向偏移产生的插入损耗是偏心量x和纤芯直径Df的函数,如图8所示,插入损耗公式为:
   
    
   
    单模光纤横向偏移产生的插入损耗是偏移量x和平均模场半径w0的函数,插入损耗公式为:
   
    
   
    图8中,多模光纤的纤芯直径为50μm,单模光纤的模场半径为5μm,相对折射率差Δ=0.3%.
   
      7.菲涅尔反射
   
    菲涅尔反射是光在光纤与空气交界面产生反射的一种物理现象,如图9所示,两个交界面产生的损耗公式为:
   
    
   
    式中nf为光纤纤芯折射率, n0为空气的折射率.
   
      如果两个光纤端面事实上完全接触,则此项损耗不存在.但是两个光纤端面完全接触会相互擦伤甚至挤碎,因而不可取.现实中,通过对端面进行合理设计,在加工中采取恰当的手段可以保证合理的光纤端面与插针体(Ferrule)端面的相对位置.一般要求光纤端面的凹凸量U=0±0.05μm,另外Ferrule端面的曲率半径R在10~25
 
 

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