光纤连接器的光纤端面如何精密对准？

光纤连接器是光纤通信系统中最基础的光无源器件，系统对光纤连接器最基本的技术要求包括插入损耗IL低、回波损耗RL高，即尽量低的反射回波BR。然而，作为应用最多的光无源器件，其成本和连接便利性与技术指标同等重要。

1. 光纤的精密对准

单模光纤SMF的芯径只有8~10μm左右，为了保证低连接损耗，两根光纤之间必须精密对准。从图1.1中可以看到连接损耗与两根光纤横向错位量之间的关系，该曲线是指数关系的，小至2.4μm的横向错位就会产生1dB的损耗。因此对单模光纤连接器，两根光纤之间的横向错位应小于0.5μm。

图1.1 连接损耗与光纤横向错位之间的关系

光纤连接器种类非常繁多，然而光纤之间的精确对准取决于两个因素，其一是具有精密内径、外径和同心度的陶瓷插芯，其二是带开缝的陶瓷套筒，这个陶瓷套筒是一个非常聪明的设计。从图1.2中可以看到两根光纤如何通过一个陶瓷套筒实现精密对准，陶瓷套筒的内径比插芯的外径稍小，因为套筒上有开缝，插芯才能插入。被扩张的套筒箍紧两个插芯，实现精密对准。

图 1.2 两根光纤之间的精密对准

光纤端面的物理接触

然而，仅仅是精密对准，对光纤连接来说是远远不够的。我们知道，光在两种不同介质的分界面上会发生反射回波。石英光纤在1.55μm处的折射率约为1.455，因此光纤端面的反射回波BR为3.4%。后向反射光会影响通信系统的稳定性，同时每个石英玻璃-空气界面还会引入大约0.15dB的插入损耗。因此每个光纤接头会增加0.3dB的损耗。

人们通常在端面上镀增透膜来减少反射回波，然而在光纤连接器中不考虑镀膜问题。首先，镀增透膜会增加连接器的成本；其次，光纤连接并不是固定的，重复插拔会破坏增透膜。那么可不可以在光纤端面镀增透膜，并保持光纤端面不接触呢？从图1.3中可以看到光纤对接损耗与两根光纤纵向间距之间关系，小至50μm的间隙就会引入将近1dB的损耗，这在光纤通信系统中是不能容忍的。

因此我们得到共识，两根光纤之间必须接触且光纤端面不能镀膜。反射回波发生在两种不同介质的分界面上，光纤端面之间的空气必须排出，这样两个光纤端面达到物理接触（PC），如同融为一体的介质。由于光纤被固定在陶瓷插芯的中间，陶瓷表面的任何粗糙不平，都会影响光纤之间的物理接触。为了保证光纤之间的物理接触，插芯表面通常被研磨成球面，光纤端面位于球面的顶点处，这是光纤连接器中的第二个聪明设计。如图1.2中所示，插芯被插入套筒，在压力作用下，插芯端面发生变形，端面变形可保证光纤之间的物理接触。由于物理接触取决于端面变形，而陶瓷既耐磨又有一定的弹性，这是它而非玻璃被选作插芯材料的原因。

图1.3 插入损耗与光纤间距之间的关系

进一步减少反射回波

光纤之间的物理接触可保证光纤接续点的低损耗，然而回波损耗RL仅能达到55dB。对于一些要求更高RL的应用领域，光纤连接器的端面被研磨成一定角度，称为斜面物理接触APC。图1.4曲线表示增加的RL与光纤端面角度之间的关系，光纤端面通常研磨成8°斜面，RL可额外增加36dB，因此APC连接器的总RL通常大于65dB。

图1.4 回波损耗RL与光纤端面角度之间的关系

2. 确保物理接触的技术标准

我们知道，物理接触对保证光纤连接点的低插入损耗和高回波损耗至关重要，光纤端面形状的演化，经历了PC、UPC和APC三种类型，如图1.5所示。所有端面都研磨成球面，其中UPC连接器的端面曲率半径小于PC连接器，而APC连接器的端面通常研磨成8°斜面。PC、UPC和APC三类连接器能够保证的回波损耗分别为40dB、55dB和65dB。

图1.5 光纤连接器端面的研磨类型

在实际应用中，光纤连接器必须有一定的鲁棒性，也就是说，必须能够在各种严酷的应用条件下保证两根光纤之间的精密对准和物理接触，器件的鲁棒性必须靠一系列技术标准来保障。光纤之间的精密对准凭精密制造的陶瓷插芯和“聪明设计”的陶瓷套筒来保证，本文下面的内容将聚焦于保障光纤端面物理接触的技术标准，包括端面几何形状（即通常所说三项值）和弹簧所加载的压力。

端面三项值标准

光纤跳线的端面要求研磨成球面，然而经实际生产工艺制造出来的产品不可能是完美的。因此在技术标准中对端面形状进行了规范，包括曲率半径ROC、顶点偏移和光纤高度，如图1.6所示。表1中总结了IEC组织给出的相关技术标准，其中ROC应取适当大小的值（对PC型连接器为10~25mm，对APC型连接器为5~15mm），ROC太大则不能在压力下产生足够的形变以保证光纤之间的物理接触，ROC太小则在重复插拔之后易压碎光纤。顶点偏移指的是曲面顶点与光纤轴线之间的偏移量，图1.7展示了顶点偏移对光纤之间物理接触的影响。如果顶点偏移太大，端面的形变足以让光纤之间发生物理接触，因此技术标准中要求光纤跳线的顶点偏移≤50μm。光纤高度值得是光纤端面相对于插芯端面的高度，光纤端面可能是凸出于插芯端面之上的，也可能是凹陷于插芯端面之下的。稍小的光纤凹陷不会影响光纤之间的物理接触，因为插芯会在压力下产生一定的形变；稍小的光纤凸出量也不会影响光纤之间的物理接触，因为光纤本身有一定的弹性。因此技术标准中规定光纤高度的范围是-250~+250nm。

图1.6 光纤条线端面形状（三项值示意图）

表1. IEC组织制定的关于插芯端面形状的技术标准

图1.7 插芯端面的顶点偏移对光纤之间物理接触的影响

我们知道，光纤端面之间的物理接触取决于球形端面的压力下的形变，无论光纤连接器的型号是那种，压力总是通过一定的机械结构来施加，多数连接器的适配压力是通过弹簧来施加的。IEC组织还规定了各种光纤连接器中机械结构所施加的压力范围。

APC类光纤连接器

在表1的技术标准中，我们注意到APC类光纤连接器的曲率半径要小于PC类连接器。APC类连接器通过一定角度的研磨盘制备，图1.8（a）描述了陶瓷插芯在研磨盘中中的倾斜排列情况。然而，当插芯被插入适配器的陶瓷套筒中时，它的排列方向是竖直的，如图1.8（b）所示，曲面顶点将会偏离纤芯。图1.9描述了两个APC类连接器之间的连接适配情况，由于两个端面的顶点不能对准，要求插芯端面产生更大的形变，才能保证光纤端面之间的物理接触。因此对APC类光纤连接器的端面曲率半径，要求取值更小。

图1.8 陶瓷插芯的排列方向（a）在研磨盘中的情况（b）在适配器的陶瓷套筒中的情况

图1.9 两个APC光纤连接器之间的匹配情况

如图1.9所示，在APC类光纤连接器上，无论连接器的具体型号是什么，总有一个指示斜面方向的定向插销，定向插销的指示精度将会影响APC连接器的顶点偏移量。另外，端面研磨角度的误差也会影响顶点偏移量。图1.10描述了各种因素所产生的顶点偏移情况，其中R为端面曲率半径，O点为端面的曲率中心。连接器端面的普通顶点偏移情况，如图1.10（b）所示，它通常是在研磨工艺中产生的。如图1.10（c）所示，如果端面研磨角度存在误差Δ，当插芯被插入干涉测量仪的8°夹具中时，将会测得偏心量d1=R·Δ。注意干涉测量仪的测量条件与光纤连接器的实际应用情况是一致的。图1.10（d）中，连接器的插销存在方位角误差δ，它可能是由机械部件或者装配工艺引入的。当这种存在方位角误差的连接器插入适配器中时，陶瓷插芯发生偏转，端面曲率中心由O点偏转至O'点，同时端面的顶点由A点偏转至A'点，如图1.10（e）所示。从图1.10（d）中可知线段长度OE= R·sin8°，继而从图1.10（e）中得到因插销方位角误差引起的顶点偏移量为d2=R·sin8°·sinδ。

此处举一个例子，假定连接器端面曲率半径为R=10mm，研磨角度误差为Δ=0.1°，插销方位角误差为δ=1°，由此得到各种因素引起的顶点偏移量分别为d1=17.5μm和d2=24.3μm。注意IEC标准中规定顶点偏移的上限是50μm。

图1.10 各种因素对光纤连接器端面上顶点偏移的影响情况

物理接触问题总结

由于技术和成本原因，光纤活动连接器排除在端面镀增透膜的可能，因此光纤端面之间的物理接触是低损耗和高回损得以实现的核心概念。球形端面有助于实现物理接触，关于光纤端面形状的技术标准，旨在让光纤连接器在各种严酷的环境下保证物理接触条件。球形端面通过一个“软”垫子，在一定的压力下研磨而成，垫子的硬度和压力大小都会影响端面的几何形状，此外研磨片的粗糙度也需要纳入考虑。最佳研磨参数可通过对多因子的正交实验设计获得。

对于APC类连接器，需要考虑更多因素，研磨角度的误差和定位插销的方位角误差都会显著影响连接器的顶点偏移。因此研磨盘需精密加工，以保证斜角的精度。除陶瓷插芯之外的其他零部件，其机械精度亦需得到保证。此外，连接器上的插销，与适配器中对应的卡槽，需要相对紧密的配合。