3.1　光连接器

光连接器（Connectors）是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸（活动）连接的器件。对这种器件的基本要求是：使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤。光连接器是光纤通信中应用最广泛、最基本的光无源器件。光连接器“尾纤”用于和光源或光探测器耦合，构成光发送机/光接收机的输出/输入接口线路，及各种光无源器件两端的接口。光连接器跳线用于终端设备、光缆线路及各种光无源器件之间的连接，以构成光纤传输系统。

对光连接器的要求是：连接损耗（插入损耗）小、回波损耗大、多次插拔重复性好、互换性好、环境温度变化性能保持稳定，并有足够的机械强度。因此，光连接器需要精密的机械、光学设计和加工装配，以保证两个光纤端面和角度达到高精度匹配，并保持适当的间隙。

3.1.1　连接损耗

尽量减小连接损耗是光连接器设计的基本要求。连接损耗（见图3.1.1）包括以下两方面。

首先，由光纤公差引起的固有损耗，这是由光纤制造公差，即纤芯尺寸失配、数值孔径失配、纤芯/包层不同心和折射率分布失配等因素产生的。

其次，由光连接器加工装配引起的外部损耗，这是由光连接器加工装配公差，即端面间隙、轴向倾角、横向偏移和菲涅耳（Fresnel）反射及端面粗糙等因素产生的。

3.1.2　光连接器的结构和特性

光连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中3部分。常用的光连接器如图3.1.2所示。光纤插针的端面有平面、凸球面（PC）或斜面（Angled Physical Contact，APC），如图3.1.2（a）所示。光纤插针可以采用微孔结构、三棒结构或多层结构，因此光连接器的结构也是多种多样的。对中可以采用套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜耦合结构。光连接器采用套管结构对中和微孔结构光纤插针固定的效果最好，且适合大批量生产，因此这种结构得到了广泛的应用，光纤插针与套筒的连接如图3.1.2（b）所示。两插头与转接器的连接有FC型、SC型和ST型。FC表示用螺纹连接，SC（Square/Subscriber Connector）表示轴向插拔矩形外壳结构，ST（Spring Tension）表示弹簧带键卡口结构。

通常我们采用的光纤活动光连接器有FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和ST/PC型。各种单模光纤活动光连接器的结构特点和性能指标如表3.1.1所示。

目前，许多光纤通信系统使用的FC型光连接器，采用的是套管结构对中和微孔结构光纤插针配合的凸球面接触结构，如图3.1.2（b）所示。这种结构由一只套筒和两只光纤插针组成，光纤插针是一只套管，其直径为ϕ=（2.499±0.000 5）mm，其内孔直径为ϕ=（0.125+0.001）mm。可以把直径为ϕ=0.125mm的光纤固定在光纤插针内孔。套筒内直径为ϕ=2.48～2.49mm，与两只光纤插针精密配合，完成两根光纤的对中。

当两根光纤采用平面接触的光连接器连接时，由于两根光纤端面间有微小的空气间隙，存在菲涅耳反射，反射光回到激光器就会引起额外的噪声和波形失真，因此平面接触的光连接器目前已很少被采用。端面设计的目的是缩短光纤端面间隙，减小菲涅耳反射，降低插入损耗，并使部分反射光旁路，以增大回波损耗。实际上，当光纤端面的间隙小于λ/4（约为300nm，λ=1 300nm）时，由于干涉效应，菲涅耳反射基本消除，插入损耗可减少0.3dB，回波损耗相应增大。PC型光连接器采用凸球面接触结构，效果较好，加工技术也较成熟。斜面接触结构的APC型光连接器虽可增大回波损耗，但加工比较困难。在端面镀增透膜，也是减小光连接器插入损耗、增大回波损耗的办法。目前，一般光连接器插入损耗为0.3dB，反射损耗为-40～-30dB，优质产品的反射损耗可达-60～-50dB。

光纤插针和套筒的材料可采用铜材、不锈钢或硬合金，但光纤插针用的套管采用ZrO2陶瓷最为理想。ZrO2陶瓷的线膨胀系数（α=8×10-7/℃）和玻璃的线膨胀系数（α=5.8×10-7/℃）相近，因此光连接器的温度特性很好。在-40～80℃范围，光连接器插入损耗变化为0.1dB。ZrO2陶瓷硬度很大，耐磨性很好，可插拔10000次（普通材料仅1 000次），插入损耗的变化范围为-0.1～0.1dB。

一种塑料多纤光连接器可以在现场快速连接，性能良好且成本较低，非常适合于用户网和局域网（LAN）的使用。这种光连接器有单纤和多纤SC型光连接器，采用轴向插拔结构，以及采用压模塑料形成高精度插头和矩形外壳，并采用精密ZrO2陶瓷套管、凸球面（PC型）或精细抛光斜面（APC型）接触结构。这种光连接器平均插入损耗为0.3dB（随机连接）到0.1dB（定位连接），回波损耗为40dB（PC）或60dB（APC）。

另一种多纤光连接器是硅制V形槽多纤光连接器，这种光连接器适用于高密度带状光缆的连接。将光纤平行放入刻蚀在硅片上的精密V形槽内，把这种扁平硅片叠加起来形成多层结构，并插入适配器形成光连接器。这种光连接器的特点是体积小、质量小、连接方便。多模光纤平均插入损耗为0.2dB，单模光纤平均插入损耗为0.4dB。

光连接器的规格型号繁多，各种型号的光连接器都有自己的特点和用途。例如，FC/PC型光连接器的插入损耗小，适用于长途干线网；APC型光连接器的回波损耗大，可用于高传输速率数字系统或模拟视频系统。SC、ST和D4型光连接器适用于用户网或局域网。扩束光连接器虽然插入损耗大，但对机械加工的精度要求不高，连接非常容易，并在短距离野战通信中仍然得到应用。热塑光连接器价格最低，适用于短距离系统。微型光连接器（陶瓷插芯ϕ=1.25mm）可大大提高安装密度，特别适用于用户线路终端。

【例3.1.1】APC光连接器端面的倾斜角为何是8°

解：因为普通单模光纤的数值孔径典型值是0.13，由NA=sinθA，得到接收角θA=7.5°，当倾斜角为8°时大于接收角，因此不会将反射光反射回去。

3.1.3　光接头

光接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性（固定）连接。光接头用于相邻两根光缆（纤）之间的连接，以形成长距离光缆线路。永久性连接一般在现场实施，这种连接是铺设光缆线路的重要技术。

对光接头的要求主要是连接（光接头）损耗小、有足够的机械强度、长期的可靠性和稳定性、价格便宜等。

光接头损耗的机理和光连接器插入损耗相似，但不存在端面间隙和由菲涅耳反射引起的损耗，横向偏移和轴线倾角成为外部损耗的主要原因。和光连接器相比，光接头的光纤公差产生的固有损耗会占更大的比例。

1. 热熔连接

热熔连接方法是：把端面切割良好的两根光纤放在如图3.1.3所示的V形槽内，用微调器使纤芯精确对中，通过高压电弧加热使两个光纤端面熔合在一起，用热缩套管和钢丝对其加固形成光接头，如图3.1.4所示。光接头的质量不仅受光纤公差的影响，而且受电弧电流和加热时间的影响。热熔连接方法在世界范围得到广泛应用。市场上有多种规格的自动控制熔接机用于热熔连接，其使用是很方便的。

2. 机械连接

用V形槽、准直棒或弹性夹头等机械夹具，将两根端面良好的光纤保持外表面对准，通过热固化或紫外固化及光学兼容环氧树脂粘接加固。这种连接方法的光接头损耗高，因为纤芯对中的程度完全取决于光纤外径公差和机械夹具对光纤的控制能力。

3. 毛细管连接

首先把光纤插入精制的玻璃毛细管中，用紫外固化黏结剂固定，对其端面进行抛光；然后在支架上用压缩弹簧把毛细管挤压在一起；最后调节光纤位置，使其输出光功率达到最大，从而实现对中，用光学兼容环氧树脂粘接形成光接头。这种连接方法的光接头损耗很低。

3.1.4　连接方法的比较

1. 光接头损耗

光接头损耗是一个统计量，采用毛细管连接的单模光接头平均损耗为0.03～0.04dB，标准偏差为0.03dB；采用热熔连接的单模或多模光接头平均损耗为0.05～0.07dB，标准偏差分别为0.03～0.04dB和0.09dB；采用机械连接的单模或多模光接头平均损耗为0.11～0.13dB，标准偏差为0.04～0.1dB。在实际应用中，要考虑光纤公差的影响，光接头平均损耗约为上述数据的2倍。

光接头不同的连接方法适合于不同的应用场合。短波长、多模光纤或大芯径光纤系统对光接头损耗的要求不严格，光接头采用机械连接方法或一般热熔连接方法就足够了。低损耗单模光纤系统的光接头损耗在线路损耗中占很大的比例，光接头采用自动控制热熔连接方法比较合适。在极低损耗特别是工作在1.55μm波长的光纤通信系统，要求光接头采用光接头损耗最低的毛细管连接方法。

2. 可靠性和稳定性

一般认为热熔连接方法是最可靠的，因为光纤端面实现了永久性熔合。由于固化的控制和材料热膨胀系数的差别，光接头采用环氧树脂粘接方法是否可靠是被怀疑的。但实际上，由于操作不当，光纤表面可能受损伤，热熔连接方法也可能出现故障。至今还没有足够的数据可以说明其中一种方法比另一种方法更可靠。

如果光接头设计、材料选择和制作技术适当，那么光接头损耗是稳定的，不会随温度而变化。在光接头进行加固保护和放置在密封盒内时，常会出现温度对光接头损耗的影响。如果剩余光纤扭绞或保护套管受压，温度变化时光纤产生微弯引起的损耗变化很大。