光纤在现代通信技术以及遥感和电力传输中发挥着不可或缺的作用。随着光纤通信的应用领域扩展到用户和客户驻地，新的光纤技术的重点已经从性能改进转向小型化和降低成本。光连接器是光纤网络的重要组成部分，在需要连接/断开功能的地方连接光纤。千叶工业大学 Ryo Nagase 教授正在引领下一代光连接器的开发，这将为未来光通信能力的设计铺平道路。

光纤是目前一些可用的最先进、最高效的通信和信息技术的基础。光纤是一种柔韧的玻璃纤维，其直径仅比人的头发稍粗。光纤可用于以比标准电缆更高的数据传输速率(或“带宽”)进行光的长距离传输。与金属线相比，光纤还表现出低得多的信号损耗，并且不受电磁干扰的影响，电磁干扰会干扰金属电路中的电传导，并导致电视或无线电信号的恶化。它们也可以捆绑成电缆，这对于电信和计算机网络尤其重要。

光纤

光纤通常由驱动光传播的纤芯材料和具有较低折射率的纤芯外部的包层材料构成，以确保光在纤芯-包层界面反射并保持在纤芯内部。光纤纤芯利用了一种称为全内反射的现象，这种现象是水面能够反射水下向水面传播的光而不会损失亮度的原因。因此，无论光纤的几何形状和曲率如何，光纤芯都可以充当用于在光纤端部之间传播光的波导。

传输速度

在过去的几十年中，光通信流量一直在稳步增长，推动了提高光纤性能的努力。Nagase 解释说，“然而传统或单模光纤的传输容量现在已达到其最大理论值，约为每秒100 Tbit，相当于每秒传输大约110万亿个二进制数字。”因此，需要新的技术和光纤设计概念来进一步增加未来光纤的带宽。

光纤利用光反射以高效率、高速度和最小损耗长距离传输信号。

多芯光纤

为了扩大通过单根光纤传播的光信号的带宽，所谓的时分复用、波分复用和数字相干(相位和偏振态复用)的技术已经被开发并投入实际应用。突破每秒100Tbit的限制，需要新的区域复用，称为空分复用。一个有前途的途径是利用所谓的多芯光纤，它不仅可以增加传输容量(乘以芯数)，而且可以减少光纤放大器(对于构建光网络是必不可少的系统)的功耗。

图：光纤通常由驱动光传播的纤芯材料和具有较低折射率的纤芯外部的包层材料制成，以确保光在纤芯-包层界面反射并保持在纤芯内部。

图：光纤在通信技术中起着至关重要的作用。

光连接器

光纤连接器端接光纤的末端，并能够连接或断开到不同的光纤末端。它们通过对齐两根光纤的纤芯来机械地起作用，以允许光通过连接处。互连技术不断发展，以满足大功率传输、高密度车载布线和多芯光纤互连的新要求。

35年来，Nagase一直致力于该领域的研究，探索并实现创新的互连方法，以构建快速、可靠和高效的光纤网络。尽管有这些改进，光连接器的基本原理和设计多年来几乎没有改变。单纤耦合通常使用氧化锆插芯和剖分套管等连接器，多纤耦合通常使用 MT 插芯。

这些连接器具有“浮动机制”，即使在不稳定的环境或存在高振动的情况下，它也能为光纤连接提供稳定性。两类连接器均基于物理接触技术，其设计原理已获得电气和电子工程师协会 (IEEE) 的认可，并于2021年3月通过了IEEE里程碑“用于光纤连接器的物理接触推挽技术，1986”认证。IEEE里程碑表彰在电气和电子工程所有领域具有全球意义的重要和变革性技术成就。

连接器设计和优化

Nagase教授自1985年以来在光连接器的基础方面和应用方面开展了开创性的研究工作，并提出了多项先进的连接器技术。他目前在千叶工业大学的主要兴趣是开发下一代光连接器，特别是多芯光纤连接器。光连接器在所有光网络中都是必不可少的，目前市场上有大约 30 种不同类型的连接器。

图：光连接器在所有光网络中都是必不可少的。

连接器最重要的特性是其机械稳定性，这对于保持光纤之间可靠的光传输至关重要。环境因素，例如温度变化，会损害光纤之间接触的稳定性并导致出现光传输性能的损失。Nagase已经证明，可以通过对连接器套圈施加压力来消除这种不稳定性，这会使套圈末端变形。这种方法的效率在很大程度上取决于插芯的形状和材料，并且在光纤传输系统中广泛使用的具有球形凸面抛光端的光纤连接器中，氧化锆陶瓷已被证明是一种极好的以及用于大规模光学连接的经济实惠的套圈材料。

浮动机构

光连接器通常用手操作，因此它们会受到数十牛顿数量级力的影响。它们通常允许组件发生数十微米量级的变形，并且要求光纤芯对准精度为1微米或更小，以避免影响光传输。电信中使用的光连接器可以受益于“浮动机制”，以消除变形对连接稳定性的影响。浮动机构的设计使得即使力作用在电缆上，也可以通过连接器的浮动运动精确匹配连接光纤的端部，连接器的浮动运动使用弹簧进行机械控制。在这种情况下，连接器的浮动运动有效地吸收了可能导致光纤未对准的环境扰动。

图：Nagase教授的研究探索了用于构建快速、可靠和高效光纤网络的创新互连方法。

连接多芯光纤

尽管在单芯光纤连接的情况下可以有效地使用浮动机制，但对于多芯光纤，这种方法受到严重限制，因为需要保持每个单独的光纤芯分别匹配和对齐。由于这个关键问题，迄今为止业界还没有提出设计多芯光纤连接器的实用通用策略。

Nagase最近解决了这个问题。他开发了一种确保多芯光纤稳定连接的新机制。他的方法基于浮动机制原理，但该原理经过扩展，可以更精确地对齐连接器套圈和插头外壳的旋转角度。他的技术建立在使用机械耦合装置的基础上，该装置利用一种称为奥尔德姆机制的技术，在这两个轴略微未对准时在轴之间传递扭矩。实际上，允许套圈漂浮在插头外壳上，但不能绕其轴线旋转。这种方法已经通过7芯光纤连接器的开发及其光传输性能和稳定性的定量表征进行了测试和验证。这一成功代表了实现稳健可靠的多芯光纤连接器满足未来高性能光通信网络要求的重要第一步。