摘要：随着军事装备及野外作业需求的升级，光纤连接器以其传输速率快、保密性强、重量轻等特点已经开始广泛应用于航空、航天、野外通讯、探测等一些极端环境中。在极端环境使用过程中，传统的光纤连接器曝露出了端面易污染、易损伤、信号传输性能不稳定等问题。新型的扩束光纤连接器的出现，在一定程度上解决了这些问题。本文将对新型扩束光纤连接器进行介绍，并对传统接触式光纤连接器与新型扩束光纤连接器进行对比分析。

关键词：光纤；扩束；损耗；连接器。

１ 引言

光纤具有抗电磁干扰，不易引起串音及干扰等特点，使得光纤通信具有良好的保密性能，同时相对于电缆来说光缆还具有体积小、重量轻、频带宽、信息容量大、损耗小、传输距离长等特点，目前已经广泛应用于航天、航空、野外通信等各个领域。

光纤连接器是光纤通信领域中应用最为广泛的光无源器件之一，用以实现光纤与光纤之间的活动连接。光纤连接器品种繁多，从耦合方式上来分，可分为接触式光纤连接器和扩束式光纤连接器。接触式光纤连接器是通过光纤端面与端面之间的紧密对接（物理接触）来实现信号传输的；扩束式光纤连接器是通过透镜将光束进行扩束准直再汇聚来实现信号传输的。接触式光纤连接器目前应用广泛，作为光通信系统中最基本也是最重要的光无源器件，它被应用于各个光纤通信领域。在长期的使用过程中，尤其是在包括沙漠、雨林、高原和极寒等各种极端条件环境使用过程中，暴露出了端面易污染、易损伤等问题，从而导致光性能不稳定的现象。接触式光纤连接器的这些问题亟待解决，而扩束式光纤连接器的出现在一定程度上解决了接触式光纤连接器存在的问题。

图1  接触式光纤连接器传输原理图示

２ 扩束光纤连接器工作原理

扩束光纤连接器是一种非物理接触式光纤连接器，其原理是将光纤与透镜耦合到一起，使从光纤出射的光经过透镜后以平行光出射，出射的平行光再进入另一端的透镜中，经准直透镜汇聚将光束耦合到接收光纤中。由光路可逆原理可知，两准直透镜可互为发射端与输出端。典型的扩束光纤连接器设有成对的透镜。光纤端面在透镜的焦点附近，光纤发出的光经透镜折射，形成平行光，并且，光束直径得到放大。扩束光纤连接器的另一端有另一个透镜，将放大的平行光束耦合进入另一端的光纤，完成光路的连接。光纤接触件的透镜可以是球透镜、也可以是非球面透镜。扩束式光纤连接器工作原理示意图如下图所示。

图2 a） 非球面透镜传输原理图示

图2 b） 球透镜传输原理图示

图3 扩束光纤连接器图示

3 扩束光纤连接器优点

3.1 抗污染

扩束光纤连接器整个光路系统中光纤发射出的光束在强度损失较小的情况下被有效地放大了几倍或几十倍，如下图所示。

图4   30微米脏污与光纤芯径及扩束后光斑的对比

从上图可以看出，若是有一个30ｕm的粉尘直接落在光纤端面上，纤芯直径为９ｕm的光纤发射出的信号将被直接遮挡无法传输，纤芯直径为50或62.5ｕm光纤发射出的信号将被遮挡50%左右，严重影响信号的传输。但光纤接触件经过透镜放大的光束由于光截面比较大，光信号对灰尘影响的敏感度并不是很大，所以扩束光纤连接器降低了灰尘等污染对光性能的影响,可以有效地提升抗环境污染能力。

3.２ 高寿命

扩束式光纤连接器是一种非物理接触式连接器，避免了光纤端面不良状态的“传染”，也减少了光纤插针相互接触所造成的磨损，故而提高了光纤连接器的使用寿命。

3.3 抗振动冲击

载波光束被扩展后，光斑直径成倍的增加，在振动和冲击情况下，轴向方面，距离的变化不会对通光造成影响；径向方面，两光斑之间的重合面积不会因为错位而大量减小。所以，振动和冲击对扩束光纤连接器的影响被有效地降低。

3.4 易于清洁

透镜的表面直径远比光纤大，清洁工具更容易与透镜接触，而清洁时只需要对透镜进行清洁，所以扩束光纤连接器相对于传统接触式光纤连接器更易于清洁和维护。

4.性能对比分析

光纤连接器损耗主要包括固有损耗和连接损耗两个部分。接触式光纤连接器的固有损耗主要来自光纤；扩束式光纤连接器的固有损耗除光纤外，还包括透镜的固有损耗。随着科技发展，材料性能及相关工艺的不断提高，专业的生产厂商可以把透镜的固有损耗降为不大于0.3dB。

由于连接器装配过程中调制或者零件加工精度限制等其他因素导致发射端光纤（透镜）和接收端光纤（透镜）之间存在一定的偏差（包括横向偏差，纵向偏差，角度偏差），由此引起的耗损（错位损耗、间隙损耗、倾斜损耗）称之为连接耗损。连接损耗主要包括错位损耗，间隙损耗和倾斜损耗。接触式光纤连接器间隙损耗和错位损耗较大；扩束式光纤的固有损耗和倾斜损耗相对较大。

光纤插入损耗指光信号在光纤链路中因器件介入导致的光功率衰减，单位为dB，数值越小性能越好。接触式光纤连接器在插入损耗指标上存在优势，单路插入损耗典型值为IL≤0.3dB；而扩束光纤连接器的典型值为IL≤1.5dB。以国外标准为例，ARINC－801标准要求，接触式多模光纤连接器插入损耗IL≤0.3dB；

MIL／29504标准中则规定，接触式多模光纤连接器插入损耗应≤0.75dB；而与之对应的标准和产品要求则为：扩束式光纤连接器插入损耗应≤1.5dB。不过通过相关工艺的控制，现阶段扩束式光纤连接器的插入损耗值可以达到IL≤1dB的指标，完全能够满足各类通信装备的使用需求。

5 扩束连接器实现路径

5.1预置透镜型

预置透镜型是将透镜固定于产品的定位模块前端。将对应的光纤接触件研磨后，固定于定位模块相应的孔中，再将整体定位模块中安装在不同的产品外壳。典型的产品如泰科的 MIL38999 扩束连接器。

该类产品透镜和光纤接触件之间的耦合完全依赖产品定位模块的结构保证，对定位模块的结构精度要求相当高。 一旦结构确定，制作方便，形式灵活。 以泰科的扩束光纤接触件为例，MIL83526、MIL38999 以及ARINC600 等产品均使用同一个扩束定位模块。

5.2准直器集成型

光纤准直器的作用是将光纤输出的束腰半径较小而发散角较大的近似高斯光束转换为束腰光斑较大而发散角较小的光束，以增加对轴向间距的容差从而提高光纤与光纤之间的耦合效率，这样可使两个准直器之间保持较长的距离，可以插入光纤元件以实现器件性能。该类产品一般为中性结构，靠导向柱和相应的导向孔，以及外壳的准直器安装孔位置度保证准直器对准，另外，利用前端的平板玻璃保证准直器的角度，减少角度偏移。该类光纤接触件一般体积较大，对连接器结构件加工精度有极高要求，连接器互换性相对较差。

5.3 接触件型

为了适配现有的军用连接器，很多厂家将准直器做成各种类型光纤接触件的外形。

而这类光纤接触件的实现方式也各不相同.Sabritec 公司采用球透镜和带光纤插芯集成，然后集成于传统光纤接触件前端，形成适用于 38999 的光纤接触件。该公司最小的光纤接触件为 12号。

Glenair公司将陶瓷套筒加入插孔前端，利用陶瓷套筒的加工精度保证插针和插孔的对接精度。最小接触件为16号光纤接触件。 2015年，泰科发布了16号光纤接触件，结构与 Glenair类似，采用球透镜与陶瓷插芯对准，插针插孔之间对准也靠陶瓷套筒。

图5 扩束光纤接触件图示

6 结语

本文讨论了扩束式光纤连接器的工作原理，并且对扩束式光纤连接器与对接式光纤连接器的各种性能进行了对比分析，由于扩束式光纤连接器增加了透镜，并且透镜存在一定的固有损耗，以及扩束光纤连接器系统中光学面的增加，导致了扩束式光纤连接器的插入损耗大于传统的接触式光纤连接器的损耗。不过，由于扩束式光纤连接器采用了非物理接触的传输形式，所以扩束式光纤连接器具有较高的可靠性及机械寿命，具有较强的抗振动冲击能力、抗污染能力以及易于清洗等优点。所以扩束式光纤连接器更适用于航空、航天、野外通信等极端环境中的光信号传输系统。

随着科学技术的不断进步，光学透镜性能质量的提高，透镜的吸收和像差引起的耗损将会越来越小，即扩束光纤连接器的固有损耗将减小。并且随着机械精加工能力的提升以及扩束式光纤连接器的制作工艺不断完善，相信扩束光纤连接器的插入损耗也将更小。未来，伴随着扩束光纤连接器传输效率的提高，以及批量化生产后制作成本的降低，扩束光纤连接器必将得到更加广泛的应用。

参考文献：

［1］ 军用光纤连接器发展研讨．机电元件，2018－04.

［2］林学煌，光无源器件， 1998，人民邮电出版社.

［3］ 李华强，军用光纤连接器技术近期发展动向，光器件，2015年第3期.

［4］Gerd Keiser ．光纤通信第五版．北京：电子工业出版社，2016．

［5］陈惠钦等，扩束光纤连接器技术路径浅析，机电元件，2018－06.