光纤连接器降低横向错位与插⼊损耗的⽅法简介

光纤连接器是光纤传输和光互联系统中必不可少的部件，也是应⽤
最⼴泛的光⽆源器件，⽬前市场上主流应⽤的光纤连接器已经超过25
种。⾃上世纪70年代出现开始⾄今，光纤连接器经过了三四⼗年的发
展，已经处于产业成熟期阶段。然⽽，随着⾼速率、⾼密度和各种环境
下的应⽤需求不断增⼤和变化，降低连接损耗⼀直是光纤连接器研究的
焦点问题之⼀。

1. 横向错位与插⼊损耗  

造成光纤连接器插⼊损耗的主要因素有横向错位、端⾯间隙、直径失配和倾
斜连接等，国内外公司和研究单位均对此展开过详细的实验和⼯程定量研究。例
如，美国AT&T⻉尔研究所、⽇本NTT公司光电实验室/⽹络实验室、加拿⼤Alef
Photonics研究中⼼、东南⼤学、中南⼤学的研究⼈员使⽤有限元分析、光线追
迹、光束传播模拟、⼲涉测量等多种模拟和实验⽅法，研究了端⾯⼏何参数、材
料、应⼒等对连接损耗的影响。如今，光纤连接器的光学性能和重复性也得到了
明显改善，从初期0.5-1 dB的插⼊损耗下降到如今0.2dB的⽔平;插拔500次后，插
⼊损耗变化量可控制在0.1 dB以内。
  

在光纤对接⼯程应⽤过程中，由于纤芯横向错位引起的损耗叫错位损耗，它
是光纤连接中插⼊损耗的主要来源，特别是对于单模光纤。 不考虑其他因素下，
光纤横向错位导致的连接损耗可近似计算如下：

其中d表示两对接光纤错位距离，ω表示光斑分布函数。图1描述了典型单模光
纤(光斑能量分布近似为⾼斯分布)纤芯横向错位与插⼊损耗之间的关系曲线：

光纤连接器纤芯的横向错位由多个因素决定，如陶瓷插芯的内孔与外径同⼼
度，纤芯固化位置与插芯孔的同⼼度，多芯排列中的位置偏差等。⽬前加⼯⼯艺
较好的插芯内孔同⼼度可达到0.3 um以内，⽽由于陶瓷插芯的内孔略⼤于光纤直
径，所以在利⽤固化胶将光纤与陶瓷插芯固定时，光纤⼏乎不可能刚好位于正中
⼼位置，也会带来⼀定的偏⼼量。插芯内孔直径⼀般⽐光纤直径⼤0.5 um以上，
因此总体可产⽣1-1.3 um的同⼼度变化范围，即横向错位。从图1看出，对应⼤约
0.2 dB的插⼊损耗，也即⽬前⼯业界中主流插损范围。若想使损⼊损耗⼩于
0.1dB，需将横向错位控制在0.7 um以内。

  想要降低光纤连接损耗，⾸先要降低它的横向错位，⼯业上主要有两种⽅式：
  

①通过调点⼯艺，将所有纤芯偏⼼位置都调整到连接器固定区域。
  

②改善加⼯/组装⼯艺，提⾼纤芯同⼼度。

  
2. 调点⼯艺降低插⼊损耗
  

调点⼯艺，是针对预组装的光纤连接头，通过把不同纤芯偏⼼位置都调整到
⼀个区域内，实现偏⼼位置相互补偿，达到减⼩总体横向错位效果的⽅法。典型
预组装陶瓷芯由陶瓷管和尾座组成(图2)，尾座与套管之间存在凸凹插槽⽤于固定
插芯。根据美国电⼦⼯业联盟TIA/EIA标准的建议，尾座上的四个插槽均匀分布在
圆周上，通过旋转插芯可以使偏⼼量与指定位置(Key键，也称定位键，⻅图2、图
3示意点)之间的夹⻆控制在±22.5°以内，即两个连接头相连时，偏⼼量夹⻆在±45°
以内。

图3示意了调点⼯艺处理后的插芯偏⼼位置区域，调点效果主要由区域夹⻆H，最
⼤区域半径F，及中⼼区域半径G描述，表4列举了IEC 61755 (2005)分类下不同等
级插芯对应的参数值。显然，偏⼼区域越集中(H、F、G值越⼩)，插芯等级越⾼，
代表纤芯同⼼度越好，连接时产⽣的横向错位越少，对应的插⼊损耗也越⼩。

调点⼯艺可由⾃动化同⼼度测试仪器完成，例如，Data-Pixel公司Koncentrik系列
产品。调点前后，插损可以明显改善并控制在⼀定的范围内(图4)：

 3. 提⾼预组装插芯纤芯同⼼度  

物理尺⼨上提⾼预组装插芯纤芯同⼼度是降低横向错位的最根本的⽅法，但
是由于受材料加⼯⼯艺、插芯制造⼯艺、穿纤定位控制⼯艺等的影响，想要通过
此⽅法获得超越⾏业⽔平的产品，需利⽤超精密控制机械设备，费⽤成本较⾼，
只有具备⼀定规模的企业会予以考虑。 

3.1 陶瓷插芯制造⼯艺
  

⽬前陶瓷插芯制造⼯艺多样，典型⽅法为先使⽤氧化锆材料制作插芯⽑胚，
⽤注塑成型的⽅法形成120 um左右直径的内孔，然后进⾏内孔、外径精密加⼯。
精密加⼯过程中，将插芯⽑胚穿在⼀条粗细不⼀的特制钢丝上，通过旋转和移动
插芯将内孔磨⼤，直⾄达到125 um或其他要求的数值。外径则通过旋转装置和砂
轮反复磨削以提⾼同⼼度。⽬前，此⼯艺可以获得同⼼度在1 um以下的陶瓷插
芯。
 

要提⾼插芯内孔、外径同⼼度，可以从两个⽅⾯⼊⼿。

①是提⾼插芯⽑胚制
作精度，如利⽤内孔不直的偏移量反馈来修整模具结构，修正料道结构，使⽑胚
插芯内孔偏移量达到最⼩。有公司研究⼈员测试过修整模具后制作的⽑胚插芯Z⽅
向的孔径偏移量可控制在20 um以内。

②是提⾼外径加⼯精度，如改进磨削设备中
导轮机构，优化排屑槽，降低磨削热量和磨削温度对产品的影响。经过改良后的
磨削设备可以控制插芯内孔外径整体同轴度在0.6 um以内。

当前⾼精度插芯同⼼度测量可以通过Micro Cut的MicroTest HS-P全⾃动接触式插
芯同⼼度测试仪进⾏测量。 尽管⼀次性投⼊⽐较⾼， 不过，经过检测的插芯只要
同⼼度⼩于0.6um，就⽆需调芯⽽可以直接采⽤。

3.2 纤芯装配⼯艺
  

该⽅法近⼏年才开始试验和应⽤，利⽤光学观测(放⼤成像、机器视觉等)的⽅
法，在光纤与插芯组装固化过程中实时检测⼆者的同⼼度，并实时调整纤芯位置
以达到尽可能⾼的同⼼度。例如，中国计量学院的研究⼈员提出了⼀种紧凑型的
机器视觉系统(图5)，配合特定的LED照明⽅案和边缘检测算法，可以快速检测插
芯同⼼度，与标称参数偏差约0.01um⽔平。

虽然未规模应⽤，但该⽅法因照明和成像过程不需要接触物件端⾯功能区
域，也不影响光纤组装过程，⽽且结果反馈速率快，可潜在应⽤于插芯与光纤装
配过程中实时监测，并依次调整纤芯在插芯中的位置，优化预组装光纤插芯产品
同⼼度。此⽅法可⽤于制造超⾼同⼼度的光纤连接产品，⽐如，0.3 um及以下，
逼近⼯业极限⽔平。

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