談 琪， 孟浩然， 殷建平， 楊 鵬， 郝寅雷， 趙純玉

（1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院 南海海洋研究所，廣東 廣州 510301；4.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；5.吉林江機(jī)特種工業(yè)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 132021）

1 引 言

近年來(lái)，隨著陸地資源開(kāi)發(fā)的日益飽和，各國(guó)的目光逐漸轉(zhuǎn)向海洋領(lǐng)域。對(duì)于探索和研究海洋的水下技術(shù)裝備而言，整體式布放的難度高、成本大，所以水下連接器作為水下觀測(cè)網(wǎng)[1-2］、海洋資源開(kāi)發(fā)[3］以及深?？蒲衅脚_(tái)[4］等大型海洋工程[5］的“關(guān)節(jié)”，成為不可替代的關(guān)鍵零部件[6］。

在第二次世界大戰(zhàn)之前，水下系統(tǒng)的連接還不需要專(zhuān)用的水下連接器，直到20世紀(jì)50年代，在軍事和海上石油勘探等技術(shù)的推動(dòng)下，陸地干插拔的電連接器成功運(yùn)用于水下系統(tǒng)的連接單元。20世紀(jì)60年代油液平衡結(jié)構(gòu)被提出[7］，在原有基礎(chǔ)上研制出可靠性高、深?？刹灏蔚某溆褪诫娺B接器，通過(guò)填充絕緣油確保插拔過(guò)程中海水的絕對(duì)隔絕。隨著濕插拔連接器技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為滿足傳輸帶寬、效率以及安全性等方面不斷提高的需求，在20世紀(jì)80年代人們利用光纖技術(shù)研制出濕插拔光纖連接器。20世紀(jì)90年代，ODI，SEACON等公司結(jié)合光電技術(shù)開(kāi)發(fā)出光電混合濕插拔連接器[8］。目前，水下連接器主要以Rolling-Seal，Hydralight和I-CONN等高性能產(chǎn)品為主，國(guó)外公司不僅占據(jù)了90%以上的國(guó)際市場(chǎng)，而且在該領(lǐng)域建立了完善的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。由于濕插拔連接器研制涉及多學(xué)科交叉，難度大、成本高，再加上國(guó)內(nèi)研發(fā)起步晚，時(shí)間短，中航光電、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中天科技[9］等單位的產(chǎn)品性能與國(guó)外仍存在較大差距[10-11］。差距主要體現(xiàn)在濕插拔連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和密封方式等方面[12］，但核心理念都是將連接單元用填充油包裹，使觸點(diǎn)在濕插拔過(guò)程中與外界環(huán)境隔絕（油液密封），從而實(shí)現(xiàn)水下濕插拔的高性能連接。現(xiàn)階段油液密封大多采用硅油進(jìn)行填充。硅油填充不僅能夠在水導(dǎo)體環(huán)境中保證電傳輸?shù)慕^緣穩(wěn)定，而且具有優(yōu)良介質(zhì)波導(dǎo)特性。光傳輸中水體對(duì)1 300~1 600 nm波段的光吸收系數(shù)極高，為了降低損耗，利用其高折射率、高透過(guò)率實(shí)現(xiàn)低損耗連接。但從實(shí)際情況出發(fā)，水下設(shè)備結(jié)構(gòu)空間非常有限，額外填充硅油的光連接方式增加了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和設(shè)備的研制難度。

通過(guò)分析水下觀測(cè)網(wǎng)通常使用的單模光纖，要想實(shí)現(xiàn)單模光纖之間的低損耗連接，其端面間隙必須控制在μm量級(jí)。由水體的光吸收曲線發(fā)現(xiàn)，其吸收系數(shù)是基于m級(jí)厚度測(cè)定，經(jīng)朗伯-比爾定律分析，光對(duì)于水膜厚度在μm級(jí)的吸收是m級(jí)的10-6倍；由水的表面張力理論分析可得，在光纖端面能夠以較小的插拔力形成厚度在μm量級(jí)的水層且無(wú)需考慮水膜表面層作用力的影響。

考慮到陸基光纖通信均在空氣中實(shí)現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，在空氣中即可實(shí)現(xiàn)低損耗連接，而水體作為水下連接器的插拔環(huán)境，其折射率較空氣更大，能夠減少因菲涅爾反射造成的損耗。因此，在確保連接腔內(nèi)水清潔的情況下，光連接用于水下觀測(cè)網(wǎng)，有望將水直接作為填充介質(zhì)實(shí)現(xiàn)低損耗連接，從而不必使用硅油。本文提出一種接觸式光纖原位濕插拔方案，將水代替硅油直接作為連接介質(zhì)。首先從朗伯-比爾定律、水的表面張力等方面進(jìn)行理論分析，然后利用空氣、水、硅油這3種傳輸介質(zhì)進(jìn)行原位濕插拔測(cè)量驗(yàn)證，測(cè)量結(jié)果與理論相符，最后使用設(shè)計(jì)的光插針進(jìn)行原位濕插拔性能測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)滿足水下濕插拔的低損耗要求，為水下連接器的研制提供一個(gè)新方法。

2 原 理

2.1 接觸式光纖耦合效率模型

水下光纖連接器主要分為接觸式耦合和擴(kuò)展光束耦合兩種實(shí)現(xiàn)方式[13］。其中，擴(kuò)展光束耦合[14］指的是通過(guò)透鏡將光纖輸出光進(jìn)行擴(kuò)束然后重新聚焦到接收光纖的方法，如圖1所示。雖然擴(kuò)束型耦合能夠保護(hù)光纖端面因頻繁插拔造成的端面污染，但透鏡像差[15］導(dǎo)致其功率損耗高于接觸式耦合，因此目前主要采用接觸式光纖連接器。

圖1 擴(kuò)展光束型光纖連接器原理Fig.1 Schematic diagram of beam-expanded optical fiber connector

影響單模光纖之間接觸式連接耦合效率的首要問(wèn)題是光纖之間因橫向錯(cuò)位x0、軸向錯(cuò)位z、角向錯(cuò)位θ等因素造成的耦合損耗。整體耦合損耗可表示為[16］：

式中：ω0，ω1分別為傳輸光纖和接收光纖的模場(chǎng)半徑，λ代表傳輸波長(zhǎng)。

2.2 介質(zhì)在不考慮吸收情況的耦合損耗

利用2.1節(jié)的光纖耦合效率模型，以λ=1 550 nm，2ω0=2ω1=10 μm為例，在不考慮介質(zhì)吸收的情況下，對(duì)空氣（n=1）、水（n=1.33）和硅油（n=1.4）3種介質(zhì)進(jìn)行橫向、軸向及角向的單一對(duì)準(zhǔn)誤差分析，即考慮一種誤差時(shí)，其余兩種誤差為零。分析結(jié)果如圖2所示，由圖2（a）可知，相同錯(cuò)位誤差下，水和硅油介質(zhì)的損耗低于空氣。相比以空氣為介質(zhì)的連接形式，水和硅油折射率更高，增大了光纖的數(shù)值孔徑，提升了光纖捕捉光線的能力。故在不考慮吸收的情況下，3種介質(zhì)的耦合效率關(guān)系為：η硅油>η水>η空氣。因此，直接用水作為傳輸介質(zhì)的效率高于空氣，且水介質(zhì)與硅油的折射率相近，在不考慮其他因素的情況下，耦合效率差異較小。

圖2 不同方向?qū)?zhǔn)誤差損耗曲線Fig.2 Loss curves caused by alignment errors in different directions

圖2（b）和圖2（c）結(jié)合高斯光束能量分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，當(dāng)錯(cuò)位誤差較小時(shí)，損耗相對(duì)平緩；當(dāng)錯(cuò)位誤差超過(guò)某個(gè)范圍時(shí)，其損耗程度迅速增大，橫向和角向錯(cuò)位的損耗影響較軸向錯(cuò)位更大，因此在實(shí)際加工時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先控制橫向和角向錯(cuò)位帶來(lái)的誤差。目前，ODI，SEACON等公司的產(chǎn)品中光連接以插入損耗<0.5 dB[17］作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，角向誤差需控制在0.5°以內(nèi)，橫向錯(cuò)位誤差需控制在0.8 μm以內(nèi)，徑向誤差需控制在20 μm以內(nèi)。

由于光連接器在水下對(duì)接過(guò)程中十分受限，很難完成μm量級(jí)精度的對(duì)準(zhǔn)，故在設(shè)計(jì)連接結(jié)構(gòu)的時(shí)候需要多級(jí)定位結(jié)構(gòu)來(lái)輔助對(duì)準(zhǔn)。雖然軸向誤差容限相對(duì)較大，但兩端面之間會(huì)形成一層異于纖芯介質(zhì)折射率的間隙，所以在滿足對(duì)準(zhǔn)條件下，需進(jìn)一步考慮介質(zhì)本身對(duì)耦合效率的影響。

2.3 接觸式光纖耦合介質(zhì)對(duì)光束傳輸?shù)挠绊?/h3>

2.3.1 水下濕插拔介質(zhì)對(duì)光傳輸?shù)奈沼绊?/p>

由于加工誤差的存在，兩端面間會(huì)形成一層異于纖芯介質(zhì)折射率的間隙。要想實(shí)現(xiàn)水下原位的低損耗傳輸，除了間隙厚度需控制在μm量級(jí)，還需額外考慮水體對(duì)光傳輸?shù)奈沼绊慬18］。由水體的吸收光譜曲線可知[19］，水體對(duì)于1 310 nm和1 550 nm波段的吸收系數(shù)極大，想要實(shí)現(xiàn)水下濕插拔的低損耗傳輸，必須考慮水體的吸收特性。由朗伯-比爾定律可知，水體的吸收率與水體吸收系數(shù)和水體厚度有關(guān)，表達(dá)式如下：

式中：I0表示入射光強(qiáng)，L表示光束垂直通過(guò)介質(zhì)層的厚度，α為介質(zhì)對(duì)傳輸波長(zhǎng)的吸收系數(shù)，吸收系數(shù)與水體環(huán)境和傳輸波段均有關(guān)。濕插拔光連接器工作的深海環(huán)境，其水體主要由無(wú)機(jī)鹽和部分沉積物顆粒組成。其中，顆粒物極易引起耦合端面損傷，進(jìn)而影響光連接器的傳輸效率和使用壽命，故必須通過(guò)密封和端面清潔等輔助結(jié)構(gòu)過(guò)濾顆粒物，以減少對(duì)光纖耦合傳輸?shù)挠绊?。水和無(wú)機(jī)鹽對(duì)光的吸收情況[20］由表1所示。

北京密云鐵礦將每年排放的200多萬(wàn)t圍巖和100萬(wàn)t尾礦制備成建筑骨料、建筑用砂、建筑磚和砌塊等建材產(chǎn)品，產(chǎn)值高達(dá)5 000多萬(wàn)元；同時(shí)還消耗了尾礦庫(kù)庫(kù)存近2 000萬(wàn)t，做到了尾礦的零排放，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[21]。

表1 海水中主要鹽類(lèi)對(duì)光的吸收特性Tab.1 Light absorption characteristics of major salts in seawater

由表1可知，海水中主要鹽類(lèi)在短波區(qū)域的吸收特性的活躍度較低，而且礦物鹽及其離子形成的吸收帶遠(yuǎn)低于水本身的吸收帶強(qiáng)度，整體吸收也僅占總吸收的3%，因此，在短波紅外區(qū)域其鹽度對(duì)光本身的傳輸影響可以忽略不計(jì)。對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[19，21］，在該區(qū)域純海水的光衰減與純水的極為相似，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

由圖3和式（4）可知，不同水體對(duì)不同波段的光的吸收程度不一樣[22-23］，且隨著透射厚度的增加其差異性也愈加明顯。以λ=1 550 nm在純水（α=1 113.192 4 m-1）中傳輸為例，經(jīng)計(jì)算20 μm厚度時(shí)額外吸收損耗大約為0.2 dB，對(duì)總體損耗影響偏大，因此需進(jìn)一步減弱水體吸收的影響。若能將水層厚度控制在5 μm以內(nèi)，則吸收率可以控制在1%以內(nèi)，可近似認(rèn)為水體的吸收忽略不計(jì)。

圖3 純水和純海水的光吸收系數(shù)曲線Fig.3 Light absorption coefficients of pure water and sea?water

雖然光纖長(zhǎng)時(shí)間與水體接觸會(huì)產(chǎn)生“氫損”效應(yīng)[24］，但隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，可利用純硅芯等特種光纖來(lái)降低水體帶來(lái)的氫氣損耗。目前，以美國(guó)康寧、日本住友電氣為首的制造商均已實(shí)現(xiàn)深海低氫損純硅芯光纖產(chǎn)品的商業(yè)化[25］。

2.3.2 光纖端面間厚度的表面張力

因水的表面張力比較大，要想在端面形成厚度在5 μm以內(nèi)的水層（多余的水會(huì)從套管排出），就必須考慮在插拔過(guò)程中克服張力所需的外界插拔力。由于水的分子層厚度在10-9~10-10m，故形成厚度在μm量級(jí)的水層時(shí)可忽略分子間作用力帶來(lái)的額外影響。由拉普拉斯公式：

以5 μm厚度為例，經(jīng)計(jì)算形成厚度為5 μm的水層需克服附加的壓強(qiáng)約為2.88×104N·m-2（水的表面張力系數(shù)取σ=0.072 N·m-1），單模光纖的端面直徑為125 μm，所需外界力約為3.54×10-4N。由于光纖端面接觸面積較小、5 μm的厚度不涉及分子間作用力，在插拔過(guò)程中能形成厚度在5 μm以內(nèi)的水層，故利用彈簧施加一個(gè)合適的預(yù)緊力，既可以避免光纖端面發(fā)生彈光效應(yīng)，又可以使接觸式耦合達(dá)到理論上的緊密貼合[26］。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置與方案

為驗(yàn)證上述理論分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)分別選擇空氣、水和硅油進(jìn)行光纖原位濕插拔的傳輸損耗測(cè)量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理搭建的測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示。其中，輸入為1 550 nm光纖光源（型號(hào)：JW3109），光纖采用電信級(jí)FC-PC單模光纖，即光纖端面僅經(jīng)過(guò)出廠研磨，無(wú)鍍膜、拉錐、加透鏡等其他特殊處理；連接器是FC-FC光纖連接器，連接器設(shè)有套管可將多余填充液排出，接收端是高精度光功率計(jì)（型號(hào)：PM100A）。

圖4 接觸式光纖耦合測(cè)量裝置原理Fig.4 Schematic of measurement setup for contact fibercoupled measurement

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算光纖原位濕插拔的相對(duì)損耗，得到：

其中pout為功率計(jì)測(cè)量值。所有數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)變換，結(jié)果如圖5所示。圖5為3組20次測(cè)量結(jié)果的平均值，然后通過(guò)平均值和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差（Stan?dard Deviation， SD）來(lái)評(píng)估測(cè)量結(jié)果。相關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖5 不同介質(zhì)下的功率損耗Fig.5 Power loss in different media

經(jīng)計(jì)算，測(cè)量數(shù)據(jù)整體服從正態(tài)分布。由表2可知，由于光纖盤(pán)繞方式以及人為操作等因素會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定程度的波動(dòng)，但數(shù)據(jù)整體服從，水體的功率損耗介于空氣與硅油之間，相對(duì)平均損耗為0.17 dB，測(cè)試結(jié)果符合第2節(jié)結(jié)論，證明水體能直接作為填充介質(zhì)實(shí)現(xiàn)原位濕插拔，不必額外填充硅油。

表2 不同介質(zhì)下光纖測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Measured data in different media using different fi?bers

3.3 光插針設(shè)計(jì)與測(cè)試

深水原位濕插拔方案雖然合理可行，但考慮到本方案在深海應(yīng)用的實(shí)用性和可靠性，仍需解決光纖氫損效應(yīng)和泥沙顆粒物給本方案帶來(lái)的影響。雖然氫損效應(yīng)可以采用光纖去摻雜、氘處理等現(xiàn)有手段進(jìn)行優(yōu)化，但泥沙顆粒物則必須去除，以確保腔內(nèi)水體的清潔。因此，原位光耦合的結(jié)構(gòu)大致可分為密封結(jié)構(gòu)、端面清潔結(jié)構(gòu)和低損耗對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。密封結(jié)構(gòu)如圖6所示，連接器未連接時(shí)，其外殼上固定的剛體孔與移動(dòng)滑塊上光插針通道孔錯(cuò)位，實(shí)現(xiàn)分離時(shí)的獨(dú)立密封。當(dāng)插入對(duì)接時(shí)，通過(guò)制動(dòng)桿的斜面設(shè)計(jì)推動(dòng)滑塊向上移動(dòng)，配合彈簧將剛體孔與滑塊孔組成傳輸通道。該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)插拔過(guò)程中動(dòng)態(tài)密封，給光連接單元提供一個(gè)清潔、穩(wěn)定的對(duì)接環(huán)境。

圖6 密封結(jié)構(gòu)Fig.6 Seal structure

雖然密封結(jié)構(gòu)能提供一個(gè)清潔的耦合環(huán)境，但實(shí)際應(yīng)用中仍存在少數(shù)顆粒物進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。如圖7所示，在公頭和母頭插針前端設(shè)有十字開(kāi)口的氟橡膠膜，并在開(kāi)口處設(shè)有向中心的擠壓力。在插拔過(guò)程中公頭橡膠膜和母頭橡膠膜接觸并擠壓，通過(guò)橡膠的柔性擠壓防止剩余顆粒物對(duì)耦合端面的污染。

圖7 端面清潔結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of face clean

因此在確保水清潔的情況下，最重要的就是光插針的低損耗對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。插針主體結(jié)構(gòu)如圖8所示，光插針主體由公頭插針和母頭插針組成。研磨后的跳線端面與陶瓷插芯尾部凹槽組合成光纖，分別將其黏合在兩頭鋼座內(nèi)；公頭插針外部和母頭插座內(nèi)部成倒角設(shè)計(jì)，使水下濕插拔時(shí)公頭插針進(jìn)入母頭插座時(shí)插入角更大，公頭和母頭外殼形成一級(jí)對(duì)準(zhǔn)。然后，公頭和母頭在陶瓷套管里緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)二級(jí)對(duì)準(zhǔn)。插拔過(guò)程中，彈簧壓縮產(chǎn)生彈力使陶瓷插芯緊密貼合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部光纖的低損耗對(duì)接。

圖8 光插針的原理與實(shí)物Fig.8 Schematic diagram and physical picture of optical channel

最后，對(duì)設(shè)計(jì)的光插針進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 不同介質(zhì)下光插針的功率損耗Fig. 9 Power loss of optical channel in different media

測(cè)試數(shù)據(jù)與圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符。測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同介質(zhì)下光插針測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.3 Measured data in different media by using optical channel

如圖9和表3所示，將光插針的測(cè)試數(shù)據(jù)與3.2節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)光插針測(cè)試數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)的離散程度較大，在缺少其他部件固定的條件下，插拔姿勢(shì)、插拔力等人為因素會(huì)引起對(duì)準(zhǔn)誤差以及介質(zhì)間隙厚度的細(xì)微變化。通過(guò)圖10的平均損耗對(duì)比圖分析，其整體數(shù)據(jù)趨勢(shì)與第2節(jié)理論分析相符，測(cè)量數(shù)據(jù)滿足小于0.5 dB的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖10 不同介質(zhì)下各組平均功率損耗Fig.10 Power loss of each group under different media

綜上所述，水可以直接作為填充介質(zhì)，在確保插針腔內(nèi)水體清潔的情況下實(shí)現(xiàn)水下原位濕插拔，無(wú)需額外填充硅油。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)朗伯-比爾定律、水的表面張力、傳輸損耗以及光纖氫損效應(yīng)等理論分析，在光纖端面形成了厚度在5 μm以內(nèi)的水層，經(jīng)計(jì)算該厚度水體的額外吸收影響在1%以內(nèi)，帶來(lái)的額外總損耗可保持在容差范圍內(nèi)，由此提出在確保水體清潔的情況下將光連接進(jìn)行水下原位濕插拔的設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，光纖原位濕插拔耦合損耗在0.17 dB，光插針原位濕插拔耦合損耗為0.23 dB，與理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

該方案有望打破國(guó)外油液密封方式的技術(shù)壟斷，針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高效、緊湊的水下設(shè)備，以可接受的傳輸損耗換取研制難度的降低，為水下連接器的設(shè)計(jì)提供了新思路。未來(lái)，需進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)際工作中的“氫損”程度以及復(fù)雜水體環(huán)境下清潔能力等問(wèn)題。