高回波损耗光纤连接器研究现状与展望_刘德福

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&’" 光纤连接器在遇到折 射率不同的界面时会出现菲涅尔反射 ! 因此 " 如果两 光纤对 接处 存 在 端 面 间 隙 4:6" 或 者 光 纤 端 面 存 在 高 折 射 率 的 变 质 层 4#6" 或 者 光 纤 端 面 存 在 划 痕 # 凹 坑 # 污 物 4’6" 都会引起光线在对接处产生非涅尔反射 " 从而造 成了光纤连接器的回波损耗 ! 日本 &%% 网络系统实验室的 ;/<=-=4>6 针对垂直端 面 型 物 理 接 触 $?<@+/A=B C0*.=A. " 简 称 ?C %# 垂 直 端 面 型折射率匹配材料填充 # 倾斜端面型物理接触以及倾 斜端面折射率匹配材料填充等四种类型光纤连接器 "
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中图分类号 %&!"’ 文献标示码 (
" 引言
光纤连接器是实现光纤之间活动连接的无源光 器件 ! 目前 "光纤技术正在向高带宽 # 高数据速率的方 向发展 " 对光纤连接器的技术性能和可靠性提出了更 高的要求 ! 评价光纤连接器的性能指标主要有插入损耗 $)*!
& 光纤连接器回波损耗研究现状
光纤连接器回波损耗研究的重点主要集中在回 波损耗的产生机理 # 提高回波损耗的途径及光纤连接 器制造等几个方面 !
DOI:10.13921/ki.issn1002-5561.2004.11.013
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中国科技核心期刊
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刘德福 段吉安 ! 中南大学 机电工程学院 长沙 !"##$%"
摘要 !"#$%&’()*+,-./0 123(
错位 # 角度倾斜产生的损耗亦可忽略不计 4!6! 因此 " 目 前造 成 光 纤 连 接 器 插 入 损 耗 的 主 要 因 素 就 是 光 纤 端 面间隙 # 端面形状 # 端面光洁度 " 这也是造成光纤回波 损耗的主要原因 ! 故本文仅讨论光纤连接器的回波损 耗问题 " 回波 损 耗 问 题 解 决 了 " 插 入 损 耗 问 题 也 就 解 决了 ! 在输入光功率一致的条件下 " 后向反射光功率 越小 " 回波损耗值越大 456! 随着 789+ 级的高速率的光纤 传输系统 # 相干检测系统 # 调频调幅模拟系统的发展 " 光纤 连 接 器 端 面 引 起 的 反 射 已 成 为 研 究 人 员 日 益 关 注的问题 ! 由于反射光可以沿着光纤反馈到系统的激 光器光源中 " 引 起 系 统 的 不 稳 定 和 噪 声 " 使 得 光 纤 系 统的传输 信息不 可 靠 " 系 统 传 输 的 速 率 越 高 " 反 射 光 对系统的影响越大 ! 因此 " 为这些系统开发高回波损 耗的光纤连接器势在必行 " 国内外许多研究人员对此 进行了广泛深入的研究 ! 本文基于大量文献检索 " 详 细阐 述 了 国 内 外 对 高 回 波 损 耗 光 纤 连 接 器 的 研 究 现 状 "并对其未来的发展方向作了展望 !
光纤纤芯相同的物质填满 ! 即采取折射率匹配法 %7’& 二 是将光纤端面抛光成倾斜面使反射光不能进入光纤 纤 芯而 进 入 包 层 并 最 终 泄 漏 出 去 %9’& 三 是 想 办 法 使 两 光纤端面直接保持紧密的物理接触
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@+=@!简称 56 $%
采用折射率匹配的方法对提高光纤连接器的回波 损耗有一定作用 #可提高到 #83A $% 但对于需频繁插拔 的连接器来说也是不适合的 ! 因为折射率匹配物质会 使插针磨损粒屑发生迁徙和聚集 % 其次 ! 由于折射率 匹配材料的折射率与温度有关 ! 因此光纤端面填充了 折射率匹配材料的光纤连接器的回波损耗受环境温 度的影响比较明显 !使得连接器的可靠性下降 %7’% 另外 折射率匹配材料的长期稳定性也存在问题 % 因此 ! 目前提高光纤连接器的回波损耗主要采用 后两种方法 ! 这两种方法都与光纤连接器插针体端面 形状 密切 相 关 ! 一 般 有 # 种 形 式 ! 即 垂 直 平 面 端 面 型
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文献 %8’ 定量研 究 了 光 纤 端 面 因 抛 光 造 成 的 划 痕 对 光 纤连接器 回波 损 耗 的 影 响 ! 引 入 了 划 痕 大 小 ( 位 置 及 其相对折射率造成回波损耗的数学模型 ! 通过计算发 现那些通过光纤纤芯的划痕使得连接器的回波损耗 值下降较大 ! 为检查光纤端面的抛光质量提供了理论 依据 % 因此 ! 对目前应用最为广泛的光纤物理接触 #56 $ 型光 纤连接器而 言 ! 光 纤 端 面 的 变 质 层 ( 粗 糙 度 等 由 研抛加工控制的因素成为提高其回波损耗的关键 %
!"! 提高光纤连接器回波损耗的途径
要提高以上两种插针体端面形式的光纤连接器 的回波损耗值 ! 就应 将两光纤之间的间 隙消除 ! 以减少菲涅 尔反射 % 通常有 . 种 方法 ! 一是光纤之间 的间隙用折射率与
图 # 折射率匹配材料填充垂直端面光纤对接模型
#43A ! 但 其 插 入
损耗也往往增大 到高速光纤系统 所 容 许 的 4-83A 以上 %
要有良好的光学性能之外 ! 还要测量连接器插针体端 面 在研抛后的 形状 参 数 ! 包 括 曲 率 半 径 & 顶 点 偏 移 量 及光纤凹陷 量 等 三 个 重 要 参 数 9;:! 通 过 实 验 和 有 限 元 分析要求插针体端面的曲率半径为 8"$!566& 顶点偏 移 小 于 5"!6 & 光 纤 凹 陷 量 小 于 "="5!6 ! 才 能 保 证 光 纤保持良好的物理接触 % 另外 ! 要尽量去除光纤端面 的变质层 ! 并检测光纤端面是否有划痕或其它污损 95:% 因此 ! 光纤连接器的研磨与抛光过程对提高其回波损 耗性能 非常关键 ! 目 前 ! 这 一 方 面 的 先 进 技 术 大 多 为 日本所发明和掌握 !我国相对落后 % 文献 9#: 研究了研抛 %- 型光纤连接器插针体端面 的最后一道工序 ’ ’’ 精密抛光对回波损耗的影响 % 分 别选用金刚 石磨粒砂纸 及 @)A! 磨粒砂纸 抛光 插 针 体 端面 ( 文中未指明磨粒大小 #! 前者使得连接器的回波 损耗仅为 ;"4< ! 而后者使得连接器的回波损耗提高到 了 #>4< % 作者认为抛光使光纤端面产生了折射率较光 纤纤芯高的变质层 ! 通过测量光纤端面的反射率计算 出了金 刚 石 砂 纸 抛 光 在 光 纤 端 面 产 生 的 变 质 层 的 折 射率为 8=5# ( 厚度为 "="5!6#!@)A! 砂纸抛光在光纤端 面产生的变质层的折射率为 8=#> (厚度为 "="B!6 #% 后 者的变质层折射率更加接近光纤纤芯的折射率 (8=#5! #! 产生的菲涅 尔反射相 应减少 ! 故光 纤连 接 器 的回波损耗得到了提高 % 日本的松井伸介 9B: 对光纤端面变质层进行了更深 入的实验研究 % 在抛光光纤端面之前 ! 分别使用磨粒 大 小 为 ;&8&"=5!6 的 金 刚 石 砂 纸 进 行 研 磨 ! 利 用
+,-./0* 10++% 和 回 波 损 耗 $2,.3-* 10++ %! 对 于 用 户 来
说 " 插入损耗值越小越好 " 光纤连接器对接时 " 光纤纤 芯直径 # 数值孔 径 # 折 射 率 分 布 的 差 异 以 及 光 纤 之 间 的横向错位 # 角度倾斜 # 端面间隙 # 端面形状及端面光 洁度等因素都是造成插入损耗的主要原因 ! 由连接
图 ! 光纤连接器插针体端面形状
!!! !""# 年第 $$ 期 光通信技术
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高回波损耗光纤连接器研究现状与展望
因此 ! 目前的主流技术采用使连接器中的光纤实 现紧密接触的物理接触技术 "%&’()*+, -./0+*0 ! 简称
%- 或 1%- 型光纤连接器插针体端面的研磨与抛光 % 评判 %- 型或 1%- 型光纤连接器是否合格 ! 除了
器两端 光 纤 参 数 不 一 致 而 产 生 的 损 耗 可 通 过 选 择 参 数完全匹配 的光纤 $ 如 & 同 一 根 光 纤 % 来 消 除 ’ 随 着 光 纤连接器结构的改进及制造水平的提高 " 光纤连接器 的对中定位机构的精度可达到亚微米级 " 由光纤横向
收稿日期 &!D"#ED:ED# 作 者 简 介 & 刘 德 福 男 "$FG5 年 生 " 讲 师 " 博 士 研 究 生 " 主 要 从 事 光 纤 器 件精密制造研究 ! 项目资助 & 国家自然科学基金重点项目 H&0I ’"!:’"#""J
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( 倾斜平面端面 型 %$4’( 球面端面 型 #56 型 $ %:’ 和斜 球面 图 ! #+$ 所示为垂直平面型端面的光纤连接器 ! 它