水下湿插拔接触式光纤耦合设计与性能分析

谈 琪， 孟浩然， 殷建平， 杨 鹏， 郝寅雷， 赵纯玉

（1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院 南海海洋研究所，广东 广州 510301；4.浙江大学 信息与电子工程学院，浙江 杭州 310027；5.吉林江机特种工业有限公司，吉林 长春 132021）

1 引 言

近年来，随着陆地资源开发的日益饱和，各国的目光逐渐转向海洋领域。对于探索和研究海洋的水下技术装备而言，整体式布放的难度高、成本大，所以水下连接器作为水下观测网[1-2］、海洋资源开发[3］以及深海科研平台[4］等大型海洋工程[5］的“关节”，成为不可替代的关键零部件[6］。

在第二次世界大战之前，水下系统的连接还不需要专用的水下连接器，直到20世纪50年代，在军事和海上石油勘探等技术的推动下，陆地干插拔的电连接器成功运用于水下系统的连接单元。20世纪60年代油液平衡结构被提出[7］，在原有基础上研制出可靠性高、深海可插拔的充油式电连接器，通过填充绝缘油确保插拔过程中海水的绝对隔绝。随着湿插拔连接器技术的蓬勃发展，为满足传输带宽、效率以及安全性等方面不断提高的需求，在20世纪80年代人们利用光纤技术研制出湿插拔光纤连接器。20世纪90年代，ODI，SEACON等公司结合光电技术开发出光电混合湿插拔连接器[8］。目前，水下连接器主要以Rolling-Seal，Hydralight和I-CONN等高性能产品为主，国外公司不仅占据了90%以上的国际市场，而且在该领域建立了完善的知识产权体系。由于湿插拔连接器研制涉及多学科交叉，难度大、成本高，再加上国内研发起步晚，时间短，中航光电、中科院沈阳自动化研究所、中天科技[9］等单位的产品性能与国外仍存在较大差距[10-11］。差距主要体现在湿插拔连接器的结构设计和密封方式等方面[12］，但核心理念都是将连接单元用填充油包裹，使触点在湿插拔过程中与外界环境隔绝（油液密封），从而实现水下湿插拔的高性能连接。现阶段油液密封大多采用硅油进行填充。硅油填充不仅能够在水导体环境中保证电传输的绝缘稳定，而且具有优良介质波导特性。光传输中水体对1 300~1 600 nm波段的光吸收系数极高，为了降低损耗，利用其高折射率、高透过率实现低损耗连接。但从实际情况出发，水下设备结构空间非常有限，额外填充硅油的光连接方式增加了机械结构的复杂性和设备的研制难度。

通过分析水下观测网通常使用的单模光纤，要想实现单模光纤之间的低损耗连接，其端面间隙必须控制在μm量级。由水体的光吸收曲线发现，其吸收系数是基于m级厚度测定，经朗伯-比尔定律分析，光对于水膜厚度在μm级的吸收是m级的10-6倍；由水的表面张力理论分析可得，在光纤端面能够以较小的插拔力形成厚度在μm量级的水层且无需考虑水膜表面层作用力的影响。

考虑到陆基光纤通信均在空气中实现光纤网络的构建，在空气中即可实现低损耗连接，而水体作为水下连接器的插拔环境，其折射率较空气更大，能够减少因菲涅尔反射造成的损耗。因此，在确保连接腔内水清洁的情况下，光连接用于水下观测网，有望将水直接作为填充介质实现低损耗连接，从而不必使用硅油。本文提出一种接触式光纤原位湿插拔方案，将水代替硅油直接作为连接介质。首先从朗伯-比尔定律、水的表面张力等方面进行理论分析，然后利用空气、水、硅油这3种传输介质进行原位湿插拔测量验证，测量结果与理论相符，最后使用设计的光插针进行原位湿插拔性能测试，测试数据满足水下湿插拔的低损耗要求，为水下连接器的研制提供一个新方法。

2 原 理

2.1 接触式光纤耦合效率模型

水下光纤连接器主要分为接触式耦合和扩展光束耦合两种实现方式[13］。其中，扩展光束耦合[14］指的是通过透镜将光纤输出光进行扩束然后重新聚焦到接收光纤的方法，如图1所示。虽然扩束型耦合能够保护光纤端面因频繁插拔造成的端面污染，但透镜像差[15］导致其功率损耗高于接触式耦合，因此目前主要采用接触式光纤连接器。

图1 扩展光束型光纤连接器原理Fig.1 Schematic diagram of beam-expanded optical fiber connector

影响单模光纤之间接触式连接耦合效率的首要问题是光纤之间因横向错位x0、轴向错位z、角向错位θ等因素造成的耦合损耗。整体耦合损耗可表示为[16］：

式中：ω0，ω1分别为传输光纤和接收光纤的模场半径，λ代表传输波长。

2.2 介质在不考虑吸收情况的耦合损耗

利用2.1节的光纤耦合效率模型，以λ=1 550 nm，2ω0=2ω1=10 μm为例，在不考虑介质吸收的情况下，对空气（n=1）、水（n=1.33）和硅油（n=1.4）3种介质进行横向、轴向及角向的单一对准误差分析，即考虑一种误差时，其余两种误差为零。分析结果如图2所示，由图2（a）可知，相同错位误差下，水和硅油介质的损耗低于空气。相比以空气为介质的连接形式，水和硅油折射率更高，增大了光纤的数值孔径，提升了光纤捕捉光线的能力。故在不考虑吸收的情况下，3种介质的耦合效率关系为：η硅油>η水>η空气。因此，直接用水作为传输介质的效率高于空气，且水介质与硅油的折射率相近，在不考虑其他因素的情况下，耦合效率差异较小。

图2 不同方向对准误差损耗曲线Fig.2 Loss curves caused by alignment errors in different directions

图2（b）和图2（c）结合高斯光束能量分布特点进行分析，当错位误差较小时，损耗相对平缓；当错位误差超过某个范围时，其损耗程度迅速增大，横向和角向错位的损耗影响较轴向错位更大，因此在实际加工时应当优先控制横向和角向错位带来的误差。目前，ODI，SEACON等公司的产品中光连接以插入损耗<0.5 dB[17］作为评价标准，角向误差需控制在0.5°以内，横向错位误差需控制在0.8 μm以内，径向误差需控制在20 μm以内。

由于光连接器在水下对接过程中十分受限，很难完成μm量级精度的对准，故在设计连接结构的时候需要多级定位结构来辅助对准。虽然轴向误差容限相对较大，但两端面之间会形成一层异于纤芯介质折射率的间隙，所以在满足对准条件下，需进一步考虑介质本身对耦合效率的影响。

2.3 接触式光纤耦合介质对光束传输的影响

2.3.1 水下湿插拔介质对光传输的吸收影响

由于加工误差的存在，两端面间会形成一层异于纤芯介质折射率的间隙。要想实现水下原位的低损耗传输，除了间隙厚度需控制在μm量级，还需额外考虑水体对光传输的吸收影响[18］。由水体的吸收光谱曲线可知[19］，水体对于1 310 nm和1 550 nm波段的吸收系数极大，想要实现水下湿插拔的低损耗传输，必须考虑水体的吸收特性。由朗伯-比尔定律可知，水体的吸收率与水体吸收系数和水体厚度有关，表达式如下：

式中：I0表示入射光强，L表示光束垂直通过介质层的厚度，α为介质对传输波长的吸收系数，吸收系数与水体环境和传输波段均有关。湿插拔光连接器工作的深海环境，其水体主要由无机盐和部分沉积物颗粒组成。其中，颗粒物极易引起耦合端面损伤，进而影响光连接器的传输效率和使用寿命，故必须通过密封和端面清洁等辅助结构过滤颗粒物，以减少对光纤耦合传输的影响。水和无机盐对光的吸收情况[20］由表1所示。

北京密云铁矿将每年排放的200多万t围岩和100万t尾矿制备成建筑骨料、建筑用砂、建筑砖和砌块等建材产品，产值高达5 000多万元；同时还消耗了尾矿库库存近2 000万t，做到了尾矿的零排放，产生了巨大的社会和经济效益[21]。

表1 海水中主要盐类对光的吸收特性Tab.1 Light absorption characteristics of major salts in seawater

由表1可知，海水中主要盐类在短波区域的吸收特性的活跃度较低，而且矿物盐及其离子形成的吸收带远低于水本身的吸收带强度，整体吸收也仅占总吸收的3%，因此，在短波红外区域其盐度对光本身的传输影响可以忽略不计。对现有数据进行对比[19，21］，在该区域纯海水的光衰减与纯水的极为相似，对比结果如图3所示。

由图3和式（4）可知，不同水体对不同波段的光的吸收程度不一样[22-23］，且随着透射厚度的增加其差异性也愈加明显。以λ=1 550 nm在纯水（α=1 113.192 4 m-1）中传输为例，经计算20 μm厚度时额外吸收损耗大约为0.2 dB，对总体损耗影响偏大，因此需进一步减弱水体吸收的影响。若能将水层厚度控制在5 μm以内，则吸收率可以控制在1%以内，可近似认为水体的吸收忽略不计。

图3 纯水和纯海水的光吸收系数曲线Fig.3 Light absorption coefficients of pure water and sea⁃water

虽然光纤长时间与水体接触会产生“氢损”效应[24］，但随着光纤技术的不断发展，可利用纯硅芯等特种光纤来降低水体带来的氢气损耗。目前，以美国康宁、日本住友电气为首的制造商均已实现深海低氢损纯硅芯光纤产品的商业化[25］。

2.3.2 光纤端面间厚度的表面张力

因水的表面张力比较大，要想在端面形成厚度在5 μm以内的水层（多余的水会从套管排出），就必须考虑在插拔过程中克服张力所需的外界插拔力。由于水的分子层厚度在10-9~10-10m，故形成厚度在μm量级的水层时可忽略分子间作用力带来的额外影响。由拉普拉斯公式：

以5 μm厚度为例，经计算形成厚度为5 μm的水层需克服附加的压强约为2.88×104N·m-2（水的表面张力系数取σ=0.072 N·m-1），单模光纤的端面直径为125 μm，所需外界力约为3.54×10-4N。由于光纤端面接触面积较小、5 μm的厚度不涉及分子间作用力，在插拔过程中能形成厚度在5 μm以内的水层，故利用弹簧施加一个合适的预紧力，既可以避免光纤端面发生弹光效应，又可以使接触式耦合达到理论上的紧密贴合[26］。

3 实验与结果

3.1 实验装置与方案

为验证上述理论分析结果，实验分别选择空气、水和硅油进行光纤原位湿插拔的传输损耗测量。根据实验原理搭建的测量系统如图4所示。其中，输入为1 550 nm光纤光源（型号：JW3109），光纤采用电信级FC-PC单模光纤，即光纤端面仅经过出厂研磨，无镀膜、拉锥、加透镜等其他特殊处理；连接器是FC-FC光纤连接器，连接器设有套管可将多余填充液排出，接收端是高精度光功率计（型号：PM100A）。

图4 接触式光纤耦合测量装置原理Fig.4 Schematic of measurement setup for contact fibercoupled measurement

3.2 实验结果与分析

利用测量的实验数据计算光纤原位湿插拔的相对损耗，得到：

其中pout为功率计测量值。所有数据经过变换，结果如图5所示。图5为3组20次测量结果的平均值，然后通过平均值和对应的标准差（Stan⁃dard Deviation， SD）来评估测量结果。相关参数如表2所示。

图5 不同介质下的功率损耗Fig.5 Power loss in different media

经计算，测量数据整体服从正态分布。由表2可知，由于光纤盘绕方式以及人为操作等因素会造成测量数据产生一定程度的波动，但数据整体服从，水体的功率损耗介于空气与硅油之间，相对平均损耗为0.17 dB，测试结果符合第2节结论，证明水体能直接作为填充介质实现原位湿插拔，不必额外填充硅油。

表2 不同介质下光纤测量数据Tab.2 Measured data in different media using different fi⁃bers

3.3 光插针设计与测试

深水原位湿插拔方案虽然合理可行，但考虑到本方案在深海应用的实用性和可靠性，仍需解决光纤氢损效应和泥沙颗粒物给本方案带来的影响。虽然氢损效应可以采用光纤去掺杂、氘处理等现有手段进行优化，但泥沙颗粒物则必须去除，以确保腔内水体的清洁。因此，原位光耦合的结构大致可分为密封结构、端面清洁结构和低损耗对准结构。密封结构如图6所示，连接器未连接时，其外壳上固定的刚体孔与移动滑块上光插针通道孔错位，实现分离时的独立密封。当插入对接时，通过制动杆的斜面设计推动滑块向上移动，配合弹簧将刚体孔与滑块孔组成传输通道。该结构能够实现插拔过程中动态密封，给光连接单元提供一个清洁、稳定的对接环境。

图6 密封结构Fig.6 Seal structure

虽然密封结构能提供一个清洁的耦合环境，但实际应用中仍存在少数颗粒物进入结构内部。如图7所示，在公头和母头插针前端设有十字开口的氟橡胶膜，并在开口处设有向中心的挤压力。在插拔过程中公头橡胶膜和母头橡胶膜接触并挤压，通过橡胶的柔性挤压防止剩余颗粒物对耦合端面的污染。

图7 端面清洁结构Fig.7 Structure of face clean

因此在确保水清洁的情况下，最重要的就是光插针的低损耗对准结构。插针主体结构如图8所示，光插针主体由公头插针和母头插针组成。研磨后的跳线端面与陶瓷插芯尾部凹槽组合成光纤，分别将其黏合在两头钢座内；公头插针外部和母头插座内部成倒角设计，使水下湿插拔时公头插针进入母头插座时插入角更大，公头和母头外壳形成一级对准。然后，公头和母头在陶瓷套管里紧密结合实现二级对准。插拔过程中，弹簧压缩产生弹力使陶瓷插芯紧密贴合，进而实现内部光纤的低损耗对接。

图8 光插针的原理与实物Fig.8 Schematic diagram and physical picture of optical channel

最后，对设计的光插针进行性能测试，测试数据如图9所示。

图9 不同介质下光插针的功率损耗Fig. 9 Power loss of optical channel in different media

测试数据与图5的实验结论相符。测量数据如表3所示。

表3 不同介质下光插针测量数据Tab.3 Measured data in different media by using optical channel

如图9和表3所示，将光插针的测试数据与3.2节实验结果进行对比，发现光插针测试数据在误差范围内的离散程度较大，在缺少其他部件固定的条件下，插拔姿势、插拔力等人为因素会引起对准误差以及介质间隙厚度的细微变化。通过图10的平均损耗对比图分析，其整体数据趋势与第2节理论分析相符，测量数据满足小于0.5 dB的评价指标。

图10 不同介质下各组平均功率损耗Fig.10 Power loss of each group under different media

综上所述，水可以直接作为填充介质，在确保插针腔内水体清洁的情况下实现水下原位湿插拔，无需额外填充硅油。

4 结 论

本文通过朗伯-比尔定律、水的表面张力、传输损耗以及光纤氢损效应等理论分析，在光纤端面形成了厚度在5 μm以内的水层，经计算该厚度水体的额外吸收影响在1%以内，带来的额外总损耗可保持在容差范围内，由此提出在确保水体清洁的情况下将光连接进行水下原位湿插拔的设计方案。实验数据表明，光纤原位湿插拔耦合损耗在0.17 dB，光插针原位湿插拔耦合损耗为0.23 dB，与理论分析和实验结果相吻合。

该方案有望打破国外油液密封方式的技术垄断，针对结构设计高效、紧凑的水下设备，以可接受的传输损耗换取研制难度的降低，为水下连接器的设计提供了新思路。未来，需进一步验证实际工作中的“氢损”程度以及复杂水体环境下清洁能力等问题。