光无源器件中光纤端面8度角之谜

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通信机房深处，信号忽强忽弱，如幽灵般飘忽不定。工程师们如一群技术侦探，围在一台设备前，眉头紧锁，心头被疑云笼罩，故障点究竟在哪？端面反射，当光在光纤与空气界面上反射，如同光的回声，会干扰原始信号，制造混乱。

怎么样才能让这些反射光偏离甚至消失呢？将光纤端面打磨成斜面，反射光不再按原路返回，而是偏折出去，最终被光纤的包层吸收、消散掉。

究竟光纤端面打磨成多大角度，才能达到最佳光传输效果呢？众所周知，目前无源器件光纤端面基本上都是打磨成8度角。为什么使用8度角，而不是5度角，10度角等等？下面我们就一起来了简单解析这个谜团。

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01 谜团解析

非偏振光从光纤纤芯传输到空气中，在光纤n1和空气n2界面上产生反射和折射。根据菲涅尔折射定律，入射光线（入射角θi）和折射光线（折射角θt）分居在法线的两侧，且满足：

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从而可得出折射角为：

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2.1 垂直端面回波损耗分析

当光纤端面角度为0度时，小部分光在光纤与空气界面处以一定角度反射回到纤芯中，反射光可能干扰原始信号，导致信号质量下降，严重情况下还会损坏激光光源。由菲涅尔反射定律得出反射率为：

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以常规SMF-28e光纤为例(下同),纤芯折射率n1为1.468@1550nm，空气折射率n2为1.0。计算得出反射率约3.59%，即回波损耗为：

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图2  垂直端面菲涅尔反射原理图

2.2 倾斜端面回波损耗分析

当光纤端面为角度θ时，小部分光在光纤与空气界面处反射，反射光被引导到光纤包层中，从而防止反射光回到光纤纤芯中，有利于提升回波损耗。

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图3  倾斜端面菲涅尔反射原理图

(1) 菲涅尔反射率计算

根据菲涅尔反射定律，光在两种不同介质界面处反射和折射时，振幅（或光强）随入射角变化的规律。菲涅尔公式将入射光分解为两种独立的偏振分量，分别为S偏振光和P偏振光。

▶ S偏振光（垂直偏振）反射率为：

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▶ P偏振光（平行偏振）反射率为：

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▶ 故界面反射率为：

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(2) 反向耦合效率计算

在光纤和空气倾斜界面上产生菲涅尔反射，当光纤端面角度为θ时，反射光实际以2θ角度进行反向耦合，反向耦合效率为：

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故得出反射耦合损耗（即回波损耗）为：

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注释：

α：反向耦合系数；

w：模场半径（SMF-28e光纤@1550nm的模场半径）；

θ：端面角度（使用弧度计算）；

(3) 端面角度对回波损耗影响

端面角度从0度到10度之间取值，然后把各参数代入上述推导公式中，分别计算出界面反射率和反向耦合效率，从而得出回波损耗如下表所示。

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表1 回波损耗与端面角度关系表

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图4 回波损耗与端面角度关系曲线

从以上推算结果看，端面角度越大回波损耗越大，相当于有更多反射光不再按原路返回，而是偏折出去，最终被光纤的包层吸收、消散掉，对原信号干扰越小。

2.3 插入损耗分析

(1) 光束横向偏移损耗

光纤端面倾斜时，入射光束对接光纤的纤芯上产生横向偏移Offset。

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d：两束光束端面间隙（典型值≈0.001mm）；

θ：端面角度；

光束横向偏移损耗为：

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(2)菲涅尔透射率计算 

根据菲涅尔反射定律，光在两种不同介质界面处反射和折射时，振幅（或光强）随入射角变化的规律。菲涅尔公式将入射光分解为两种独立的偏振分量，分别为S偏振光和P偏振光。

▶ S偏振光（垂直偏振）透射率为：

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▶ P偏振光（平行偏振）透射率为：

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▶ 故界面反射率为：

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(3) 端面角度对插入损耗影响

取不同端面角度，把各参数代入光束横向偏移损耗即菲涅尔透耦合损耗公式，计算处插入损耗值，如下表所示。

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表2 插入损耗与端面角度关系表

从以上推算结果看，端面角度越大插入损耗越大，插入损耗越大功耗越大，会严重影响传输系统的传输质量。

02 分析总结

经以上分析，在正常端面角度范围内，端面角度越大，回波损耗越大（越好），单插入损耗越大（越差）。回波损耗增大主要是干扰原始信号，制造混乱，插入损耗增大会导致系统功耗过大，而且端面角度越大打磨工艺难度也会增加。综合三方面因素考虑，在满足回波损耗条件下尽量减小透射插入损耗，故工程师们折中选取光纤端面角度为8度。

现在很多光无源器件光纤端面都打磨8度角，这是工程智慧在这般精微处闪光，是四两拨千斤的巧妙计算与折中。当我们为通信洪流铺就清澈通道时，这不起眼的斜面设计，正是让光之信息挣脱反射牢笼、奔向无碍远方的关键。

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飛宇集團，光通信无源器件及有源设备研发制造高新科技企业。