光无源器件技术综述(二)
光无源器件技术综述（二）二. 光纤连接器
作为最基本的光无源器件，光纤连接器的应用广泛，其种类也非常繁多，有FC、SC、ST、LC、MU、E2000，等等，本文抛开这些种类分别，对广受关注的端面三项值和重复性问题作一些探讨。
光纤连接器的基本原理是利用某种机械结构，使两个抛光的光纤端面精确对准并紧密接触。从图2（b）可知，两根光纤之间的对接耦合，对径向错位非常敏感，因此要求固定光纤的陶瓷插芯外径具有非常高的圆度，内孔具有非常高的同心度，内孔径尺寸非常精确。为了保证两根光纤的紧密接触，要求陶瓷插芯端面研磨成球面而非平面，这样有助于其中心的光纤相互接触，另外光纤连接器对接时，借助弹簧施加一定压力，使陶瓷插芯的球端面发生轻微变形以保证两光纤端面的紧密接触，如图15所示。需要说明的是，光纤连接器就是靠这种紧密接触来避免菲涅尔反射，而不在端面镀增透膜。试想如果在端面镀增透膜，经多次插拔之后，膜层必然破坏脱落。
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图15. 两光纤连接器之间的对接耦合情况
光纤连接器依端面形状分为PC（Physical Contact）和APC（Angled Physical Contact）两种，其中APC连接器的端面一般研磨成8°倾角。对于PC型连接器，其端面三项值为端面曲率半径（10~25mm）、球面顶点偏心（）、光纤内缩/突出量（+/-50nm）；对APC型连接器，除PC型连接器的三项值外（端面曲率半径要求为5~15mm），对端面角度亦提出要求（+/-0.3°），制定这些要求的目的都是为了保证光纤的精确对接和紧密接触，并考虑长期可靠性。增加研磨压力和使用较软的研磨垫，会得到较小的球面曲率半径；提高研磨机的稳定性和使用较软的研磨垫，可以减小球面顶点偏心；降低研磨机转速和使用较小研磨颗粒，可以减小光纤内缩/突出量，这些都为从事光纤连接器研磨工艺的人员所熟知，此不赘述。PC型连接器的端面三项值比较容易达到，本文重点讨论APC型连接器的端面三项值和角度问题，以及连接器的互换性问题。
1. APC型光纤连接器的端面特性
APC光纤连接器的光纤内缩/突出量与PC连接器并无差异，并且容易达到要求，我们将重点讨论球面曲率半径、顶点偏心、倾斜角度之间的关系，以及它们与研磨设备和工艺之间的关系，指出问题的解决方向。
APC型光纤连接器的球面顶点偏心存在三种模式，如图16所示。其中（a）为一个标准的8°角APC连接头，在用干涉仪测试时，通过夹具将陶瓷插芯倾斜8°角，球面上相对于干涉仪参考平板的点位于端面中心。（b）为一种普通的偏心模式，球面上相对于参考平板的点偏离端面中心，这种偏心模式由研磨机不稳定和研磨参数等各种因素引起，可通过改进研磨机和研磨参数来减小。（c）为由研磨角度误差引起的偏心，图示为一个大于8°角的APC连接头，测试时也是将插芯倾斜8°角，虽然球面，但因倾斜而使点偏离端面中心。（d）为由于定位插销方位误差引起的偏心，每种光纤连接器都有一种定位方式来指示端面斜角的方向，此处抽象为一个定位插销，用干涉仪测试时定位插销插入夹具的卡槽中，如果定位插销存在方位误差，则会因此引起偏心。对第三种偏心模式用（e）中的立体图来描述，其中原点取为（a）中的E点，当定位插销插入夹具的卡槽中时，球心从O点旋转至O’点，球面点也因此从A点旋转至A’点。
需要说明的是，在描述以上三种偏心模式时均以干涉仪测试方法作参考，并不是说我们的分析是以测试为导向的，而是以应用为导向，因为干涉仪测试方法与实际应用相符合。
建立偏心模式的模型之后，稍作处理就可得到后两种偏心模式的量化公式，而种偏心模式为随机量，可通过改善影响因素来降低，前面已经述及。
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其中R为端面曲率半径，Δ为端面角度误差，δ为定位插销方位误差角。
我们作一些计算来看看偏心值有多大，取R=10mm，Δ＝0.1°，δ＝1°，得到。
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图16. APC跳线的球面顶点偏心情况
我们已经看到研磨角度误差和定位插销方位误差对偏心值影响非常之大，而且考虑各种因素的叠加，我们并不能为前者预算0.3°而为后者预算2°。对前者，改进方向是提高夹具的角度精度和通过工艺试验确定所需角度，因为我们知道并不是8°角夹具研磨出来的APC跳线就是8°角。对于后者，改进方向是提高定位插销和研磨夹具卡槽的方位精度，注意此种偏心模式并不仅发生在部件设计和装配中，也会发生在研磨过程中。所有这些改进都对机械设计和加工提出很高要求，另外，在规格允许范围内减小球面曲率半径也会有一定帮助。
2. 光纤连接器的互换性
作为而的光无源器件，光纤连接器存在一个的缺点就是互换性差，随机抽取两个连接器配对测试，得到的插入损耗差异很大，其原因是两根光纤的对接对径向错位太敏感，而插芯孔或多或少存在一定偏心且偏心方向又是随机的。质量较好的插芯，外圆度、内孔与外圆的同心度和平行度均较好，可改善互换性。另一种做法是，将所有光纤连接器的偏心方向均调至同一个方向，比如定位插销的方向，如图17所示，这样做的缺点是须相应设备和夹具，且影响效率。
关于光纤连接器的测试，一般用一根标准测试线作为母线，母线的光纤偏心量和端面三项值均严格控制，这样测试可以反映被测跳线的真实水平，但不能反映实际应用情况，实际应用是随机配对的。一般做法是用母线测试每根待测线，并按比例抽取一定数量待测线随机配对测试，统计插入损耗分布，作调芯处理之后的跳线，对母线测试值不会有改进，而随机配对测试值会有很大改进，即改善了互换性。
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图17. 光纤连接器的调芯
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