光纖的兩個端面必須精密對接起來，以使發射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去。光纖線路的成功連接取決于光纖物理連接的質量，兩個光纖端面需要達到充分的物理接觸，如同融為一體的介質。物理接觸對保證光纖連接點的低插入損耗和高回波損耗至關重要，光纖端面形狀的演化，經歷了PC、UPC和APC三種類型，如圖1所示。PC 是Physical Contact，物理接觸。UPC (Ultra Physical Contact)，超物理端面。APC (Angled Physical Contact) 稱為斜面物理接觸，光纖端面通常研磨成8°斜面。
圖1 光纖連接器端面的研磨類型 所有端面都研磨成球面，其中UPC連接器的端面曲率半徑小于PC連接器，而APC連接器的端面通常研磨成8° 斜面。PC、UPC和APC三類連接器能夠保證的回波損耗分別為40dB、55dB和65dB。 光纖跳線的端面要求研磨成球面，然而經實際生產工藝制造出來的產品不可能是完美的。因此在技術標準中對端面形狀進行了規范，包括曲率半徑ROC、頂點偏移和光纖高度，如圖2所示。 曲率（Radius of Curvature）：端面研磨圓弧狀的曲率半徑。表1中總結了IEC組織給出的相關技術標準，其中ROC應取適當大小的值（對PC型連接器為10~25mm，對APC型連接器為5~15mm），ROC太大則不能在壓力下產生足夠的形變以保證光纖之間的物理接觸，ROC太小則在重復插拔之后易壓碎光纖。 頂點偏移（Apex Offset）指的是曲面頂點與光纖軸線之間的偏移量，圖3展示了頂點偏移對光纖之間物理接觸的影響。如果頂點偏移太大，端面的形變足以讓光纖之間發生物理接觸，因此技術標準中要求光纖跳線的頂點偏移≤50μm。 光纖高度（Fiber Height）值得是光纖端面相對于插芯端面的高度，光纖端面可能是凸出于插芯端面之上的，也可能是凹陷于插芯端面之下的。稍小的光纖凹陷不會影響光纖之間的物理接觸，因為插芯會在壓力下產生一定的形變；稍小的光纖凸出量也不會影響光纖之間的物理接觸，因為光纖本身有一定的彈性。因此技術標準中規定光纖高度的范圍是-250~+250nm。
圖2 光纖條線端面形狀（三項值示意圖）
表1. IEC組織制定的關于插芯端面形狀的技術標準
圖3 插芯端面的頂點偏移對光纖之間物理接觸的影響 在表1的技術標準中，我們注意到APC類光纖連接器的曲率半徑要小于PC類連接器。APC類連接器通過一定角度的研磨盤制備，圖4（a）描述了陶瓷插芯在研磨盤中中的傾斜排列情況。然而，當插芯被插入適配器的陶瓷套筒中時，它的排列方向是豎直的，如圖4（b）所示，曲面頂點將會偏離纖芯。圖5描述了兩個APC類連接器之間的連接適配情況，由于兩個端面的頂點不能對準，要求插芯端面產生更大的形變，才能保證光纖端面之間的物理接觸。因此對APC類光纖連接器的端面曲率半徑，要求取值更小。
圖4 陶瓷插芯的排列方向，（a）在研磨盤中的情況，（b）在適配器的陶瓷套筒中的情況
圖5 兩個APC光纖連接器之間的匹配情況 如圖5所示，在APC類光纖連接器上，無論連接器的具體型號是什么，總有一個指示斜面方向的定向插銷，定向插銷的指示精度將會影響APC連接器的頂點偏移量。另外，端面研磨角度的誤差也會影響頂點偏移量。圖6描述了各種因素所產生的頂點偏移情況，其中R為端面曲率半徑，O點為端面的曲率中心。連接器端面的普通頂點偏移情況，如圖6（b）所示，它通常是在研磨工藝中產生的。如圖6（c）所示，如果端面研磨角度存在誤差Δ，當插芯被插入干涉測量儀的8° 夾具中時，將會測得偏心量d1=R·Δ。注意干涉測量儀的測量條件與光纖連接器的實際應用情況是一致的。圖6（d）中，連接器的插銷存在方位角誤差δ，它可能是由機械部件或者裝配工藝引入的。當這種存在方位角誤差的連接器插入適配器中時，陶瓷插芯發生偏轉，端面曲率中心由O點偏轉至O'點，同時端面的頂點由A點偏轉至A'點，如圖6（e）所示。從圖6（d）中可知線段長度OE= R·sin8°，繼而從圖6（e）中得到因插銷方位角誤差引起的頂點偏移量為d2=R·sin8°·sinδ。 此處舉一個例子，假定連接器端面曲率半徑為R=10mm，研磨角度誤差為Δ=0.1°，插銷方位角誤差為δ=1°，由此得到各種因素引起的頂點偏移量分別為d1=17.5μm和d2=24.3μm。注意IEC標準中規定頂點偏移的上限是50μm。
圖6 各種因素對光纖連接器端面上頂點偏移的影響情況 由于技術和成本原因，光纖活動連接器排除在端面鍍增透膜的可能，因此光纖端面之間的物理接觸是低損耗和高回損得以實現的核心概念。球形端面有助于實現物理接觸，關于光纖端面形狀的技術標準，旨在讓光纖連接器在各種嚴酷的環境下保證物理接觸條件。球形端面通過一個“軟”墊子，在一定的壓力下研磨而成，墊子的硬度和壓力大小都會影響端面的幾何形狀，此外研磨片的粗糙度也需要納入考慮。最佳研磨參數可通過對多因子的正交實驗設計獲得。 對于APC類連接器，需要考慮更多因素，研磨角度的誤差和定位插銷的方位角誤差都會顯著影響連接器的頂點偏移。因此研磨盤需精密加工，以保證斜角的精度。除陶瓷插芯之外的其他零部件，其機械精度亦需得到保證。此外，連接器上的插銷，與適配器中對應的卡槽，需要相對緊密的配合。 關于億源通（HYC） 億源通（英文簡稱HYC）創立于2000年，是全球行業內領先的無源光器件OEM/ODM及解決方案提供商，專注于光通信無源基礎器件研發、制造、銷售與服務。公司主營產品為：光纖連接器（數據中心高密度光連接器），WDM波分復用器，PLC光分路器，MEMS光開關等四大核心光無源基礎器件，廣泛應用于光纖到戶、4G/5G移動通信、互聯網數據中心、電信等。 |
