高回波损耗光纤连接器的研究进展

高回波损耗光纤连接器的研究进展

1光纤连接器性能评估光纤检测器是实现光纤和光缆之间的生物源光的设备。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(InsertionLoss)和回波损耗(ReturnLoss)。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2关于光纤介质回波损失的研究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。2.1光纤端面回波损耗实验光纤连接器存在回波损耗是由于光线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日本NTT网络系统实验室的Kihara文献[5]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(PC)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。2.2光纤连接器插入损耗的一般理论分析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3种方法,一是光纤之间的间隙用折射率与光纤纤芯相同的物质填满,即采取折射率匹配法[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45dB)。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4种形式,即垂直平面端面型图2(a)所示为垂直平面型端面的光纤连接器,它的连接端面为垂直于光纤的芯轴、无弯曲或凹凸不平的抛光平面,这样两连接器插针体中光纤在理论上可实现紧密的物理接触。但实际上两光纤的紧密接触很难实现,两光纤之间存在间隙,从而使得连接器的插入损耗增大,回波损耗值降低。主要原因有:不可能将插针体的端面抛光成垂直于光纤芯轴的绝对平面;由于目前使用较多的插针体是氧化锆陶瓷,其硬度高于石英光纤材料,在研抛时由于磨削量的不一致,导致光纤下凹;由于插针体、光纤以及粘结用的环氧树脂的热膨胀系数不一致,温度变化会使光纤相对与插针体下凹。该类型的光纤连接器的回波损耗值一般低于30dB。图2(b)所示为倾斜平面型端面的光纤连接器,它的连接端面与光纤芯轴不成直角,在光纤连接时,与平面型端面的光纤连接器一样,两光纤之间存在间隙,但由于反射光的入射角大于光纤的数值孔径,从而使反射光不能进入光纤纤芯而进入包层并最终泄漏出去,以减少对激光光源及系统的影响因此,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(PhysicalContact,简称PC)及PC与倾斜研磨复合的倾斜物理接触技术(AngledPhysicalContact,简称APC)。要使连接器的两光纤达到物理接触(PC),一般是将连接器插针体端面研抛成球面,如图2(c)所示。这样将两插针体进行对接时,可将接触面积有效减至紧密环绕光纤端面的周围区域,其接触区域的直径约为250μm,有效接触面积仅为图2(a)所示的垂直平面端面型连接器的接触面积的1/100,这样,球面形插针体端面在弹簧所加载轴向力的作用下产生弹性变形,即使光纤相对于插针体存在轻微凹陷,也可使光纤纤芯仍保持紧密的物理接触为进一步抑制反射光对激光光源及系统的影响,提高高速光纤传输系统的可靠性,可不仅将光纤端面抛光成球面,而且端面法线与纤芯轴线成一定的角度,成斜球面状,如图2(d)。这样反射光难以回到输入光纤,从而不能返回光源。当倾斜角增大时,回波损耗值得到了提高,但插入损耗亦将增大,因而必须选择合适的倾斜角度,一般为6～10°。经过精密抛光的倾角为8°的APC型光纤连接器的回波损耗可达60dB以上,但其插入损耗亦增大到0.2dB以上。APC型与PC型光纤连接器相比,确能提高其回波损耗值,但产生的插入损耗亦较高,它的制造和使用都比PC型更困难。因此,目前工程上广泛使用的连接器多为PC型。2.3光纤连接器回波损耗实验由于平面、斜面端面型光纤连接器对接时,在不使用折射率匹配材料的情况下,难以消除两光纤端面之间的间隙,不能产生紧密的物理接触,其回波损耗性能难以满足高速光纤传输的要求。目前,现场使用的光纤连接器绝大部分为将插针体端面研抛成球面的PC或APC型连接器,因此本文仅讨论PC或APC型光纤连接器插针体端面的研磨与抛光。评判PC型或APC型光纤连接器是否合格,除了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文献[4]研究了研抛PC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SiO日本的松井伸介文献[13]针对PC型光纤连接器精心设计了一系列实验,研究研磨时间、研磨压力等参数对PC型光纤连接器的回波损耗以及插针体球端面的曲率半径、顶点偏移、光纤凹陷量等性能特征参数的影响。光纤连接器在最后的研抛阶段包括去胶包、开球、粗研磨、半精研磨、精研磨等5个步骤,除去胶包采用15μm的SiC材料研磨砂纸之外,其余4个步骤分别采用6、3、1、0.15μm的金刚石磨料研磨砂纸,根据不同研磨时间及研磨压力的组合,共进行了9组实验,每组同时研磨12颗插针体,研磨时间分别为60、90、120s,研磨压力分别为40、49、58N。实验结果表明:施加的研磨压力越大、研磨时间越短,则插针体端面的顶点偏移量越小;研磨压力及研磨时间对插针体端面曲率半径的影响不明显,曲率半径在8～15mm之间,一部分不合格;所有连接器的光纤凹陷量都达到了120nm以上,研磨压力越大、研磨时间越长,光纤凹陷越深。另外,文献[10]还就金刚石颗粒大小对光纤凹陷的影响作了研究,用颗粒尺寸大于1μm的金刚石砂纸研磨,基本上不会产生光纤凹陷,光纤凹陷完全是由于用0.15μm颗粒大小的金刚石砂纸精研磨造成的;如果不用这种砂纸精研磨,则连接器的回波损耗不超过40dB,而精研磨后虽然光纤凹陷量增大,光纤连接器的回波损耗却提高到了50dB以上。因此,该研磨工艺仍需改进。为满足高速光纤传输系统的发展要求,需生产出低插入损耗、高回波损耗的光纤连接器。目前国内外正在不断改进研抛设备和工艺,主要焦点集中在如何去除光纤端面变质层、降低光纤端面粗糙度、避免光纤凹陷及保证插针体端面形状参数合格等几个方面。3国内光纤连接器研制的未来研究方向光纤活动连接可以说使与光纤光缆传输技术一起同步发展的老问题,随着光纤传输系统的网络化、远程化、智能化水平的不断提高和深入,对光纤连接器的回波损耗也相应提出了新要求以适应新技术的发展。由于光纤连接器的结构设计比较简单,造成其回波损耗的机理也非常清楚,要提高光纤连接器质量(降低插入损耗、提高回波损耗),作者认为重点应围绕其制造过程中的科学问题,认识光纤连接器的制造界面行为规律,掌握其亚微米精度生成机制,进行技术源头创新,形成具有自主知识产权的光纤连接器制造技术,探索光纤端面无划痕、无变质层的研抛方法,制造出回波损耗值大于70dB的光纤连接器,以适应高速率光纤传输系统的发展。未来的研究重点和方向可分为以下几个方面:⑴探求利用波动理论分析二次曲面型端面光纤连接器的反射特性,研制椭球面、抛物面和双曲面