光无源器件发展新方向:光纤悬浮技术

作者：张晓东

引言：
    在光纤出现的30多年时间里光纤在应用中是悬浮的，但并没有人提出光纤悬浮技术。直到近年以PLC和快接为代表的新型ODN网络器件出现后，随之出现了可以精确定位精确对接的光纤压接技术，例如光纤阵列、光纤冷接连接器、现场组装光纤连接器。与这些新技术比较，我们在此提出新型光无源器件的光纤悬浮技术，它既是传统技术又是工艺上的创新，我们将以此为契机，探索光无源器件发展的新方向。

一、光纤悬浮技术
    随着光纤技术向高密度、光电集成、冷接方向发展，对于多光纤在器件中的相对位置精度要求越来越高。目前光纤的对接技术主要是压接技术，通过上盖板将两根光纤压在V型槽中，实现光纤的对接。

    根据格里菲斯的微裂纹理论，在纤维表面上总是会存在着微裂纹，在大气环境中发生慢裂纹生长，使裂纹不断地扩大，使光纤的机械强度逐渐退化。当光纤表面有微裂纹（或缺陷）时，在受到外来应力的作用，并不会立即断裂，只有施加应力达到裂纹的临界值时，纤维才会断裂。而石英纤维承受到一个小于临界值的恒定应力时，表面裂纹会发生缓慢的扩大，使裂纹的深度达到断裂的临界值而突然断裂。
    在压接技术中由于需要对光纤施加压力因此光纤会产生一个应变，这个应变随施加在光纤上的力不同而不同。遗憾的是尽管轴向拉力对光纤微裂纹生长的影响已经被业内研究的非常透彻了，但目前还没有推算径向压力对光纤微裂纹生长影响的模型。
    在此情况下，为了预防和消除光纤在接续中的应变对光纤的影响我们提出了光纤悬浮技术。
    光纤悬浮技术是指光纤悬浮在介质中（如油膏、胶水等），侧面不受压力，通过油膏等非极性物质与水等极性分子隔离，并用耐压、抗拉的保护性外壳包裹，如光缆、光纤连接器、MPO、熔融拉锥的耦合器、DWDM等。可以说在光纤阵列和冷接器件出现之前全部光纤网络中的无源部分是悬浮的。
    悬浮光纤解决了三个影响可靠性的重要问题，第一、光纤表面不会与水分子中氢氧基接触，保证了光纤表面不会出现因化学腐蚀产生的微裂纹。第二、光纤侧面不会受到压力。第三、轴向拉力主要作用在加强件上，光纤本身不会受到拉力。

二、影响光纤连接损耗的主要因素
    1、在光纤对接过程中，影响光纤连接损耗是主要有光纤之间横向错位、端面间隙。
    由于纤芯横向错位引起的损耗叫错位损耗，它是光纤接续损耗的重要原因。

    单模光纤的传输模为高斯分布，其错位损耗由下式表式：

    其中d 表示为两对接光纤错位的距离, 图1.1表示错位与损耗之间的关系曲线,图1.2为纤芯错位。

                                           图2.1 错位损耗关系曲线

                                            图2.2 纤芯之间横向错位
    通过计算要想使损入损耗小于0.1dB,并假定2a=10μm，横向错位d=0.72μm.
    2、光纤端面间隙损耗
    在光纤端面连接处，由于端面存在间隙而引起的损耗叫端面间隙损耗。

                                           图2.3 间隙损耗关系图

                                         图2.4 两光纤之间的间隙
    经计算光纤之间的间隙22.6微米时，间隙损耗为0.1dB。
    由上面计算可知，将光纤压在V型槽阵列中，由于可以使得光纤变形，达到负公差。目前光纤外径的标准差（平均值125μm±0.3 μm）和纤芯/包层同心度误差（平均值为±0.1 μm），极限累加偏差为0.8 μm。因此不考虑光纤间隙损耗，压接法基本可以达到0.15dB的对接损耗。
    由上可见光纤对接有两种方式，一种是实现一个低于0.5μm正公差的精确导向，光纤在其中以悬浮方式对接，另一种是通过压接方式使得光纤变形，达到负公差对接。而悬浮式对接需要对导向进行精确加工，因此实现起来更困难。

三、光纤悬浮技术的优势和应用
    为提高光纤阵列和现场组装光纤连接器的可靠性，使得光纤侧面不受压力，我们提出在上述两种产品中实施悬浮技术。并制作了基于悬浮技术的现场组装光纤连接器。

                     图3.1基于光纤悬浮技术的现场组装光纤连接器
    在此产品中，光纤悬浮在导向中侧面不受压力，裸光纤部分全部被阻水的匹配液保护。这样做有两个好处，第一、光纤的侧面不再受到压力，光纤不会产生应变；第二、组装更加方便快捷；第三、保证轴向拉力只作用在光缆上，接续点不受拉力。第四、裸光纤部分不受水分子侵。

                         图3.2、100个现场组装光纤连接器插入损耗数值（dB）
    经测试可以符合目前市场上插入损耗0.5dB的要求。
    光纤悬浮技术未来的另一个重要应用是在光纤阵列中，应用这种技术光纤在光纤阵列中的状态与光纤在陶瓷插芯和MPO插芯的状态相同。希望可以帮助解决困扰行业的光纤阵列成品率低的问题并提高PLC的使用寿命。目前此项技术已经申请专利并在进行研发。
    在目前无源器件各种产品已经完全成熟并竞争激烈的大环境下，需要有一些新的技术出现成为拉动产业进步的新动力。我们提出光纤悬浮技术希望能够成为行业的一个新方向。

作者简介：
张晓东
   西比（湖州）通信科技有限公司副总经理，有16年光纤行业研发和制造经验，12项光纤技术和光无源器件技术发明人。目前任西比（湖州）通信科技有限公司入户光缆接续和布线产品负责人。