新型锥形光纤连接器及其错误率和耦合特性的测试

抽象的

由于光纤芯非常小，通信光纤连接器要求精度高。本文分析了横向偏差对光纤连接器耦合效率的影响。然后，考虑到光纤通常是成对使用的，一种用于传输数据，另一种用于接收数据，设计了一种新型的定向锥形通信光纤连接器。在新连接器中，光纤头的结构根据信号传输方向逐渐变细。为了研究这种新型连接器的性能，在CDSEI公司的实验室里制作了一些样品，并进行了两次测试实验。实验结果表明，与传统连接器相比，对于相同的横向偏差，锥形连接器的耦合效率较高，误差率较低。

1.介绍

光纤连接器用于实现两个光纤之间的互连。如我们所知，多模光纤的直径约为50-62.5 μ.m。单模光纤的直径约为8-10 μ.m。为了实现有效的耦合，由于光纤的小直径，连接器需要高精度。对于单模1，这甚至是真的。随着通信技术和制造过程的快速发展，由纵向和角度偏差引起的损失大大降低。但是由横向偏差引起的损失仍然非常严重。特别是在一些振动环境中，它可能导致通信中断。

为了提高耦合效率，许多学者对光传输理论，制造技术，材料等进行了广泛的研究[1-4.]。例如，2011年，Lambrache和他的团队[1]，在加拿大渥太华的Alef Photonics Center，已经使用了有限差分光束传播方法（FD BPM）来研究光纤连接器中的折射率不连续。2012年，在中国中部南方，段和刘[2研究了运动变量对光纤连接器抛光过程中的顶点偏移的影响，并建立了抛光运动中出现的轨迹端的数学模型。2013年，在日本，Kihara和他的团队的NTT网络实验室[3.那4.已经进行了对光纤连接的光学性能的调查，不完美的物理接触，提出了光学损耗机构的模型。

总的来说，这些学者为光纤连接器的应用做出了很大的贡献。然而，这些研究大多集中在圆柱形光纤头之间的连接上。其实依靠圆柱头实现联轴器本身就存在缺陷。它们共同的缺点是要求精度高。另一方面，关于锥形封头的文献却很少。

如我们所知，光纤通常成对使用，一个用于传输，另一个用于接收。本文根据该特性，提出了新颖的方向锥形光纤连接器。新连接器根据信号透射方向采用锥形结构。这种特殊结构可以降低横向偏差引起的损失。同时，它还可以降低由纵向和角度偏差引起的损失。

2.横向偏差对耦合效率的影响

耦合效率是测量光纤连接器特性的重要参数。通常，3个因素可能导致连接器的损失，这是纵向偏差，角度偏差和横向偏差。如前所述，只有由横向偏差引起的损失仍然非常严重。因此，有必要对其进行深度分析。

数字1显示透射光纤和接收光纤之间的横向偏差;它们之间的横向偏差是．

作为图1已经显示出激光器沿着- 在光纤中，可以通过高斯光束描述光强度分布特性[4.]。

在上述公式中，是光束点之间的距离和-轴，是光束的幅度，和是光束点半径;它可以由以下公式确定[5.]：

在上述公式中，是纤维端面的位置，是输出灯和光纤端面之间的距离，是梁腰部半径，和是发散角度。

之外，如图所示1已显示，接收光功率当时由下一个公式[6.]。 在上述公式中，是纤维芯的横截面;它由公式决定，其中纤维芯的直径是多少是耦合损失。

为了使计算促进，可以简化为一个维度的无限微积分。

当透射光纤面和接收光纤面之间的距离被忽略时，即，在这种情况下，根据价值，由公式决定，接收功率可以在两种情况下计算。

第一次案例，如果，请看图1（a）． 上式中，假设,如果那;如果那．

第二案，如果，请看图1（b）． 在上述公式中，;如果那．否则,．

另一方面，传输光纤的总功率可以计算出来。 在上述公式中，是发射光纤端面处的梁腰半径。

然后，耦合效率可以计算出来。

假设耦合损失为0.95，光纤是单模光纤，其直径为10.0 m。然后，根据不同的光束点半径，耦合效率的结果可以计算出来，如图所示2．

如图所示2，耦合效率随侧向偏差的增大而减小．什么时候> 2 m，耦合效率开始迅速下降。

事实上,是横向偏差。目前的损失主要是由它造成的。因此，如何减少其损失是一个关键问题。为了达到这一目的，提出以下方法进行讨论。

3.新型锥形光纤连接器及其完全反射分析

3．1．新的锥形光纤连接器

根据上述分析，我们可以扩大光接收区域以提高效率。新连接器如图所示3.，其中有2个部分。一个部分显示如何连接两个光纤。另一个显示了一种纤维的不同头。在新连接器中，锥形底部接收光信号。这是最重要的特征。

3.2。综合分析

如图所示4.，是新型光纤连接器的锥形结构。光纤芯的折射率为．纤维包层的折射率是．周围介质的折射率是．锥形底部的直径是．锥形头的倾斜平面与光纤的法线之间的角度是．由于锥形锥形部分的材料与纤维芯的材料相同，因此，锥形锥形部分的折射率是也。

我们知道，光束在光纤中传输时，在全反射的情况下，能量损失最小[6.]。锥形连接器是相同的。

为了使计算简单，我们假设光束在水平方向上进入锥形连接器。在光束进入锥形连接器之后，当光束反射在界面处时，入射角是．根据几何关系，

假设总反射的临界角度是然后，我们可以获得这个公式．更顺利地，我们可以获得以下公式：

为了假设锥形连接器的半锥角是然后，它应该满足以下公式：

上述公式的物理含义是它限制了最大值．如果它大于该值，则不会出现全内部反射。

4.理论分析和实验测试

4.1。样品制造过程

为了研究新连接器的性能，提交人与成都SEI光纤公司（CDSEI）的技术人员进行了讨论。更重要的是，在Cdsei的实验室中进行了几种样品。同时，进行测试实验。

由于直接生产新接头的困难，将普通光纤用熔融双锥锥(FBT)进行改造以获得新的锥形接头。作为一种很发达的制造方法，有很多文章讨论了它的特点和耦合机理[7.那8.]。在该实验中，我们使用SCS-4000熔融锥形系统来制作样品。在熔断过程中，一个单模光纤和一个其他多模光纤被融合以彼此连接。氢火焰被用作熔化的火焰。定影火焰的范围设定为约7毫米。纳米级石英粉被用作COBIDER。

在两个纤维融合在一起之后，锥形结构出现在接合处。我们使用纤维切割刀切割交界处，获得具有新锥形头的特殊纤维。然后，采用车轮式光纤抛光机抛光头部。对于抛光机，其磨削精度优于1 m [9.-11]。最后，制作了三个样本。所有样品的锥形底部直径为15 μ.m。他们的半锥角是那,， 分别。

对于新的锥形连接器，根据先前的分析，最大半锥角应该受到以下公式限制：

在该实验中，新连接器的半锥角是那,， 分别;他们满足了需求。

4.2。新型光纤连接器耦合效率的理论分析

如上所述，对于新的锥形连接器，锥形底部的直径约为15.0 μ.m。根据第二部分的理论分析，对于这个新的连接器，等于7.5 μ.m。我们假设耦合损失也是0.95。然后，效率可以计算出来，如图所示5.．

从图中可以看出5.与图中普通连接器的耦合效率相比2，新连接器的效率更高。例如，何时为5 um，新连接器的耦合效率高于40％，而普通连接器的耦合效率低于10％。

4.3。耦合效率测量实验

为了将新样本的性能与传统连接器的性能进行比较，完成了耦合效率测量实验。

如图所示6(一)，这是实验原则。固定装置用于固定光纤。可以调整这些固定装置的位置。相机系统可以监控光纤的对准状态。数字6 (b)是实验场景。

光源是DFB激光器。其阈值电流为12 mA，工作电流为25 mA，最大输出功率约为5 MW [9.]。在实验中，输出功率设定为2 MW。

在实验中，波长为850nm。是1.49是1.46;影响的影响被忽略了。纤维的直径为10 μ.m。

首先，公共连接器安装在位置A.并且其位置调整好几次，因此我们可以获得不同的横向偏差。对于每个调整，在位置B处测量功率三次。然后，拍摄平均值。如果测量的光功率是mW，耦合效率为．

在测量公共连接器的耦合效率之后，公共连接器由三个新的锥形连接器替换为顺序。每个新连接器的耦合效率以相同的方式测量。我们查看四个连接器，包括一个公共连接器和具有半锥角的三个锥形连接器作为CON1，CON2，CON3和CON4。然后，测量结果如表所示1．

如表所示1，对于公共连接器，当横向偏差时是1 μ.M，2 μ.M，3 μ.m，4 μ.M时，耦合效率分别为70%、50%、41%和25%。

然而，对于新的锥形接头CON2、CON3、CON4，当水平偏时是1 μ.M，偶联效率为91％，90％和88％。当横向偏差时是2 μ.m，偶联效率为88％，87％和85％。当横向偏差时是3. μ.m，偶联效率为75％，73％和72％。当横向偏差时是4. μ.M，偶联效率为65％，63％和60％。结果表明，所有锥形连接器的耦合效率高于公共连接器的耦合效率。

对于不同的锥形连接器，CON2的耦合效率略高于CON3, CON3的耦合效率略高于CON4。这是指半锥角为的锥形连接器的耦合效率是最高的。

4.4。错误率测量实验

为了研究锥形连接器对数据传输质量的影响，还进行了误码率测试的实验。其基本原理是传输数据，然后接收它以获得错误率。错误测试技术一直非常成熟。有许多测试仪器供选择。在实验中，我们选择CMR-2048V位误差比测试仪（BERT）进行实验，这是北京王源通信有限公司的产品。它具有激光发射器，波长可调。其输入灵敏度为0 dB至-43 dB。数字信号的比特率为2048 kb / s。编码模式是HDB3。测试数据帧具有两种类型，这是非帧和帧。 For the frame modes, there are PCM30, PCM30CRC, PCM31, and PCM31CRC for choice [10那11]。

如图所示7.，这是误码率测试实验的原理。实验平台与图中的相同6.．不同之处在于激光源被CMR-2048V误差测试仪取代。CMR-2048V的发送端口和接收端口连接光纤的两端。

首先，公共连接器安装在固定装置中的位置A处。调整夹具，使得光纤连接器可以实现最佳的对准状态。

传输激光的波长设定为850nm。数据流设置为100 MB / s。然后测试开始。测试时间持续2分钟。测试数据是关于 bit. After the result is obtained, the fixtures are adjusted so that the lateral deviation is 2 μ.M，4 μ.M，6 μ.M，8 μ.M，10 μ.M，12 μ.M，14 μ.M和16 μ.最低订购。每次调整夹具时，测量实验都以相同的方式完成。测量完成后，绘制误差率和横向偏差之间的拟合曲线。之后，将发射激光的波长设定为1550nm，再次重复测量实验。

在整个连接器的测量实验完成之后，将其逐个替换为锥形连接器CON2，CON3和CON4。每次更换连接器时，每次更换测量实验都会再次完成。最终的实验结果如图所示8.和9.．

两个数字都是数字8.和9.表明，当横向偏差增加时，公共连接器的误差率最快地增加。例如，当横向偏差增加到8时 μ.m，公共连接器的错误率增加到大约，但所有锥形连接器的错误率都不超过．

从数据8.和9.，我们可以看到，对于普通连接器，激光器的波长与错误率与横向偏差的关系不大。

对于三个新连接器，当波长为850nm时，Con2的错误率升高最快，然后是Con4;Con3的错误率最缓慢增加。当波长为1550nm时，CON4的错误率升高最快，然后是CON2;Con3的错误率最缓慢增加。它表示锥形连接器具有半锥角的性能是最好的。

另一方面，在先前的实验中，锥形连接器的耦合效率具有半锥角的略高于其他两个。它表明，不同的半锥角具有不同的特征。然后，它需要进一步研究如何在各种情况下选择不同的锥形连接器。

结论

光纤通常成对使用;其中一个光纤用于发送，另一个用于接收。根据该特性，设计了新颖的方向锥形通信光纤连接器。新连接器根据信号透射方向采用锥形结构。这种特殊结构可以降低横向偏差引起的损失。与此同时，它可以降低由纵向和角度偏差引起的损失。为了研究新连接器的性能，在Cdsei Corporation的实验室进行了几种样品，并完成了两种测试实验。实验结果表明，与传统连接器相比，对于相同的横向偏差，锥形连接器的耦合效率较高，误差率较低。该工作为设计新锥形连接器的设计提供了理论参考，可以应用于多模和单模光纤通信。

披露

项目已被中国专利授权;该专利的名称是“具有锥形插头的定向多模光纤”;专利申请号为CN201620005088.0;公共/通知号码是CN205301623U。

利益冲突

作者胡庆贵和李成中宣称有关本文的出版物没有利益冲突。

致谢

首先，作者庆桂虎愿对他的同事博士，一个受人尊敬的和资格的学者表示感谢，他为他提供了本文撰写本文的关键阶段的指导。如果没有他的启发教学，提交人无法完成他的论文。其次，提交人应该向他的妻子陈辉博士延伸他的善意和帮助。最后，提交人还要感谢他所有其他同事的帮助。项目得到了国家自然科学基金的支持（Grant No.61275080）和国家科技创新基金（授予第13亿号。13C26212201166）。

参考

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