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

doi:10.37188/OPE.20233103.0313

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

水下湿插拔接触式光纤耦合设计与性能分析

现代应用光学 | 更新时间：2023-02-15

- 水下湿插拔接触式光纤耦合设计与性能分析
- Design and performance analysis of contact fiber-coupled of underwater wet-mateable connector
- 光学精密工程 2023年31卷第3期页码：313-321
- 作者机构：
  
  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
- 作者简介：
  
  [ "谈琪（1995-），男，湖北孝感人，硕士研究生，2019年于湖北文理学院获得学士学位，主要从事光纤耦合方面的研究。E-mail： tanqi9504@163.com" ]
  [ "孟浩然（1980-），男，吉林长春人，副研究员，硕士生导师，2002年于吉林大学获得学士学位，2007年于中科院长春光学精密机械与物理研究所获得硕士学位，主要从事海洋光学探测、激光应用、光学显微成像等领域的研究。E-mail： ranokok@gmail.com" ]
- 基金信息：
  
  中国科学院科研仪器设备研制项目(YJKYYQ20190053);中科院重点部署项目(E0105YZQ1;E11572BZQ0)
- DOI：10.37188/OPE.20233103.0313
  中图分类号： TN929.11;TN253
- 收稿日期：2021-12-06，
  
  修回日期：2022-02-01，
  
  纸质出版日期：2023-02-10
- 稿件说明：
移动端阅览
谈琪,孟浩然,殷建平等.水下湿插拔接触式光纤耦合设计与性能分析[J].光学精密工程,2023,31(03):313-321.

TAN Qi,MENG Haoran,YIN Jianping,et al.Design and performance analysis of contact fiber-coupled of underwater wet-mateable connector[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(03):313-321.
谈琪,孟浩然,殷建平等.水下湿插拔接触式光纤耦合设计与性能分析[J].光学精密工程,2023,31(03):313-321. DOI： 10.37188/OPE.20233103.0313.

TAN Qi,MENG Haoran,YIN Jianping,et al.Design and performance analysis of contact fiber-coupled of underwater wet-mateable connector[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(03):313-321. DOI： 10.37188/OPE.20233103.0313.

摘要

水下连接器是水下观测网的关键零部件，采用油液密封方式实现低损耗连接，但该方式会导致光连接结构复杂、工程研制难度大。为解决此问题，对比陆基光纤网络的连接方式，提出接触式光纤连接器水下原位湿插拔的方案。基于水体吸收特性、朗伯-比尔定律以及液体的表面张力等理论进行原理分析，在光纤端面形成厚度在5 μm以内的水膜且该厚度水膜对1 310，1 550 nm波段的吸收损耗可忽略不计；然后，以1 550 nm波段为例，对光纤在空气、水、硅油的耦合损耗情况进行实验分析，并利用设计的光插针结构进行性能验证。实验数据显示，光纤水下原位湿插拔的平均损耗为0.17 dB，光插针的原位湿插拔平均损耗为0.23 dB。由此表明，接触式光纤耦合设计能够满足水下湿插拔的低损耗连接要求。本文为水下光纤湿插拔连接器领域提供了新思路，提出在确保水体清洁的情况下可直接进行水下原位湿插拔的设计方案，有望打破国外以油液密封方式建立的技术垄断。

Abstract

Underwater connector is an important part of the seafloor observation. Currently， the oil-filled sealing structure is complicated and it’s hard to design in project. To solve this problem， contrast the connection mode of the land-based fiber network，we presented a novel design for the contact fiber-coupled based on underwater wet-mateable the fiber connector. First， based on the analysis of Beer-Lambert law， water absorption properties and surface tension of liquid theory， we identified the ability to form the water film thickness within 5 μm at the optical fiber end faces. This thin layer water exhibit negligible absorption of the 1 310/1 550 nm because of the absorption loss can be kept within the predefined target range. The study was conducted that the loss analyses is summarized by using optic fiber in air， water， and oil based on 1 550 nm. Finally， we designed the novel optical structure based on this idea and analyzed their transmission performance. The results showed that the summary of the transmission loss is 0.17 dB and the loss measurement in the new fiber connector is 0.23 dB. The findings show that the design of the contact fiber-coupled of underwater wet-mateable is meeting the low loss requirements. Therefor， we can directly implement in-situ wet-mate interconnects in the water rather than the silicone oil based on the surface cleaning. This paper provides a new design for the optical lines in underwater wet-mate connector. This idea is expected to break the Intellectual property that built upon the work of the sealing technique of the oil-filled.

关键词

Keywords

references

李德威，丁忠军，景春雷，等 . 国际海底观测网络的发展及现状［J］. 海洋开发与管理， 2020 ， 37 （ 11 ）： 13 - 18 . doi: 10.3969/j.issn.1005-9857.2020.11.003 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1005-9857.2020.11.003

LI D W ， DING ZH J ， JING CH L ， et al . Present status and development of international seafloor observatory network ［J］. Ocean Development and Management ， 2020 ， 37 （ 11 ）： 13 - 18 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1005-9857.2020.11.003 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1005-9857.2020.11.003

李风华，路艳国，王海斌，等 . 海底观测网的研究进展与发展趋势［J］. 中国科学院院刊， 2019 ， 34 （ 3 ）： 321 - 330 .

LI F H ， LU Y G ， WANG H B ， et al . Research progress and development trend of seafloor observation network ［J］. Bulletin of Chinese Academy of Sciences ， 2019 ， 34 （ 3 ）： 321 - 330 . （in Chinese）

张康，洪毅，段梦兰，等 . 深水水下连接器国产化设计关键技术［J］. 石油科学通报， 2017 ， 2 （ 1 ）： 123 - 132 .

ZHANG K ， HONG Y ， DUAN M L ， et al . Key design technologies for developing China’s own subsea connectors ［J］. Petroleum Science Bulletin ， 2017 ， 2 （ 1 ）： 123 - 132 . （in Chinese）

LAMARE P ， VERNIN P . Underwater mateable electro-optical connectors： the feedback from ANTARES ［J］. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A： Accelerators， Spectrometers， Detectors and Associated Equipment ， 2009 ， 602 （ 1 ）： 252 - 254 . doi: 10.1016/j.nima.2008.12.041 http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2008.12.041

BAGGEROER A B ， HOWE B M ， MIKHALEVSKY P N ， et al . Ocean observatories： An engineering challenge ［J］. The Bridge ， 2018 ， 48 （ 3 ）： 17 - 34 .

FISCHER P ， BRIX H ， BASCHEK B ， et al . Operating cabled underwater observatories in rough shelf-sea environments： a technological challenge ［J］. Frontiers in Marine Science ， 2020 ， 7 ： 551 . doi: 10.3389/fmars.2020.00551 http://dx.doi.org/10.3389/fmars.2020.00551

HAN Q ， CHEN H Y ， YANG W C ， et al . Analysis of reciprocating O-ring seal in the pressure-balanced oil-filled wet-mate electrical connectors for underwater applications ［J］. Lubrication Science ， 2019 ， 31 （ 7 ）： 335 - 345 . doi: 10.1002/ls.1475 http://dx.doi.org/10.1002/ls.1475

CAIRNS J . Hybrid wet-mate connectors： ‘writing the next chapter ［J］. Sea Technology ， 1997 ， 38 ： 17 - 22 .

《科技日报》 . 国产2000 m级水下插拔电连接器问世［J］. 机械制造， 2020 ， 58 （ 1 ）： 8 .

《Science and Technology Daily》 . Domestic 2000 m underwater plug-in electrical connector comes out ［J］. Machinery ， 2020 ， 58 （ 1 ）： 8 . （in Chinese）

杨文聪 . 深海湿插拔连接器的关键技术研究［D］. 南京：东南大学， 2020 .

YANG W C . Research on the Key Technologies of Deep-sea Wet-mateable Connector ［D］. Nanjing ： Southeast University ， 2020 . （in Chinese）

陈海洋 . 深海插拔电连接器的设计与制造［D］. 南京：东南大学， 2019 .

CHEN H Y . Design and Manufacture of Underwater Mateable Electrical Connector ［D］. Nanjing ： Southeast University ， 2019 . （in Chinese）

SONG W T ， CUI W C . An overview of underwater connectors ［J］. Journal of Marine Science and Engineering ， 2021 ， 9 （ 8 ）： 813 . doi: 10.3390/jmse9080813 http://dx.doi.org/10.3390/jmse9080813

SIMONINI E ， DOUTHIT J . Expanded beam & physical contact fiber optic connectors ［J］. White Paper ， Amphenol Fiber， S .

董雪岩，李平雪，章曦，等 . 基于ZEMAX的扩束型光纤连接器对准误差分析［J］. 激光与光电子学进展， 2020 ， 57 （ 15 ）： 176 - 185 . doi: 10.3788/lop57.152201 http://dx.doi.org/10.3788/lop57.152201

DONG X Y ， LI P X ， ZHANG X ， et al . Analysis of alignment errors of beam-expanded optical fiber connector based on ZEMAX ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2020 ， 57 （ 15 ）： 176 - 185 . （in Chinese） . doi: 10.3788/lop57.152201 http://dx.doi.org/10.3788/lop57.152201

郝寅雷，金龙文，赵文兴 . 低色差GRIN棒透镜的设计原则［J］. 光学精密工程， 2002 ， 10 （ 4 ）： 324 - 328 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2002.04.001 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2002.04.001

HAO Y L ， JIN L W ， ZHAO W X . Designing principles for a low chromatic aberration GRIN rod lens ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2002 ， 10 （ 4 ）： 324 - 328 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2002.04.001 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2002.04.001

FISCHER-HIRCHERT U H . Photonic Packaging Sourcebook ［M］. Springer ， 2015 . doi: 10.1007/978-3-642-25376-8 http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-25376-8

BROWN G . Development， testing and track record of fiber-optic， wet-mate， connectors ［C］. 2003 International Conference Physics and Control. Proceedings （Cat. No.03EX708）. 2527，2003 ， Tokyo， Japan. IEEE ， 2003 ： 83 - 88 . doi: 10.1109/ssc.2003.1224116 http://dx.doi.org/10.1109/ssc.2003.1224116

汪舰，魏建平，杨波，等 . 高透明液体透射率的测定［J］. 光学精密工程， 2013 ， 21 （ 3 ）： 624 - 630 . doi: 10.3788/ope.20132103.0624 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20132103.0624

WANG J ， WEI J P ， YANG B ， et al . Measurement of transmittance for highly transparent liquid ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2013 ， 21 （ 3 ）： 624 - 630 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20132103.0624 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20132103.0624

邓孺孺，何颖清，秦雁，等 . 近红外波段（900~2500 nm）水吸收系数测量［J］. 遥感学报， 2012 ， 16 （ 1 ）： 192 - 206 .

DENG R R ， HE Y Q ， QIN Y ， et al . Measuring pure water absorption coefficient in the near-infrared spectrum（900-2500 nm）［J］. Journal of Remote Sensing ， 2012 ， 16 （ 1 ）： 192 - 206 . （in Chinese）

WOZNIAK B ， DERA J . Light Absorption by Suspended Particulate Matter （ SPM ） in Sea Water ［M］. Light Absorption in Sea Water . New York， NY ： Springer New York ， 2007 ： 167 - 294 .

韩雪云 . 海水中不同盐分对水下光传输影响的研究［D］. 新乡：河南师范大学， 2016 .

HAN X Y . Research on the Effect of Different Sea Salts on the Underwater Optical Transmission ［D］. Xinxiang ： Henan Normal University ， 2016 . （in Chinese）

穆壮壮，赵强，李晋，等 . 海水吸光度测量系统的搭建及误差来源分析［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 8 ）： 1751 - 1758 . doi: 10.37188/OPE.20212908.1751 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212908.1751

MU ZH ZH ， ZHAO Q ， LI J ， et al . Construction and error source analysis of seawater absorbance measurement system ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2021 ， 29 （ 8 ）： 1751 - 1758 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212908.1751 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212908.1751

赵鲁梅，何仲，黄槐仁，等 . 海水折射率与温度、盐度关系的实验研究［J］. 中国现代教育装备， 2019 （ 17 ）： 49 - 51 .

ZHAO L M ， HE ZH ， HUANG H R ， et al . Relationship between the refractive index of seawater and salinity， temperature ［J］. China Modern Educational Equipment ， 2019 （ 17 ）： 49 - 51 . （in Chinese）

MASLO A ， HODZIC M ， SKALJO E ， et al . Aging and degradation of optical fiber parameters in a 16-year-long period of usage ［J］. Fiber and Integrated Optics ， 2020 ， 39 （ 1 ）： 39 - 52 . doi: 10.1080/01468030.2020.1725185 http://dx.doi.org/10.1080/01468030.2020.1725185

KANAMORI H . Fifty year history of optical fibers ［J］. Sei Technical Review ， 2020 （ 91 ）： 15 .

GONG Z F ， CHEN K ， WANG W ， et al . A pressure-sensitive fiber optic connector for loss analysis of physical contact ［J］. Optical Fiber Technology ， 2017 ， 36 ： 134 - 138 . doi: 10.1016/j.yofte.2017.03.008 http://dx.doi.org/10.1016/j.yofte.2017.03.008

浏览量

1434

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

过约束平面并联三维力/力矩传感器的研制