光纤连接器损耗与面型及端接力关系研究

作     者：范美林 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于清旭

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：光纤连接器 连接损耗 端面间隙 端接力 有限元仿真 

摘      要：随着大宽带、超高速光纤通信技术的迅猛发展,对未来通信传输质量的要求越来越严格。光纤通信系统中被广泛用来实现两根光纤活动连接的光无源器件之一的光纤连接器也正面临着更严格的技术指标考验。而连接处的裸光纤在整个光网络系统中最易受到环境及外界因素的影响,因此,光纤连接器的光学传输质量的好坏主要取决于连接处插针体端面的连接状态。本文针对实际光网络通信系统中因光纤连接器的介入而产生的额外连接损耗,了解引起连接损耗的各关键性因素并通过理论分析、有限元仿真模拟及实验验证方法研究各因素对连接损耗的作用机理和影响规律。首先,基于光学基本原理,通过详细的理论分析和推导,对引起连接器连接损耗的各因素进行了理论上的优化。研究表明,单模光纤横向错位不超过0.7μm时,引起的插入损耗在0～0.1dB范围内;不考虑光纤端面研磨质量的影响,仅连接过程中出现的端面空气间隙在不超过0.1μm时,引起的插入损耗值在0.13dB以下;同时,插针体端面几何面型参数(包括端面曲率半径、顶点偏移等)也需要满足一定要求才能保证连接器不产生额外连接损耗：经计算发现,插针体端面曲率半径需控制在17mm-20mm范围内、插针体端面顶点偏移量不超过50μm时,引起的插入损耗值在0.13dB以内;不考虑连接器的端面空气间隙及横向错位等机械因素影响时,研磨过程中出现的光纤端面研磨变质层(高折射率损坏层)是影响连接器回波损耗的主要因素。经计算和仿真分析,变质层折射率相对纤芯折射率的变化量越小越能够获得较高的回波损耗,纤芯折射率为1.463的光纤在研磨时产生的高折射率变质层厚度和折射率分别为0.01μm和1.475时能够使回波损耗达到60dB。其次,通过ABAQUS有限元仿真软件研究了轴向端接力对光纤端面空气间隙的补偿修正作用,并通过插针体端面几何面型与端面空气间隙的几何关系间接得到端接力与面型和损耗的关系。仿真结果表明,为了使施加的轴向端接力能够尽可能降低插入损耗而又不引起光弹效应,施加的轴向端接力应控制在0.92N～1.4N范围内。最后,搭建了用于研究端面空气间隙与端接力对连接器插入/回波损耗影响的测量系统。通过实验测量基本能够验证基于ABAQUS有限元仿真模拟以及理论分析与推导的准确性,为今后光纤接插件的设计及工艺的优化提供了一定的理论参考作用。