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浅谈光纤连接器的现状及发展

日期:2012-08-22 | 来源:本站 | 浏览:

光纤连接器的一般特征

 

——由于光纤连接器在光纤通信系统中具有如此重要的作用,因此各国的厂家对此投入了大量的人力、物力,进行了积极和深入的研究,研制开发出了多种光纤连接器,现已广泛地应用于各类光纤通信系统中。

 

——(1)光纤连接器的基本构成

 

——目前,大多数的光纤连接器是由三个部分组成的:两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端;耦合管起对准套管的作用。另外,耦合管多配有金属或非金属法兰,以便于连接器的安装固定。

 

——(2)光纤连接器的对准方式

 

——光纤连接器的对准方式有两种:用精密组件对准和主动对准。

 

——高精密组件对准方式是最常用的方式,这种方法是将光纤穿入并固定在插头的支撑套管中,将对接端口进行打磨或抛光处理后,在套筒耦合管中实现对准。插头的支撑套管采用不锈钢、镶嵌玻璃或陶瓷的不锈钢、陶瓷套管、铸模玻璃纤维塑料等材料制作。插头的对接端进行研磨处理,另一端通常采用弯曲限制构件来支撑光纤或光纤软线以释放应力。耦合对准用的套筒一般是由陶瓷、玻璃纤维增强塑料(FRP)或金属等材料制成的两半合成的、紧固的圆筒形构件做成的。为使光纤对得准,这种类型的连接器对插头和套筒耦合组件的加工精度要求很高,需采用超高精密铸模或机械加工工艺制作。这一类光纤连接器的介入损耗在(0.18~3.0)dB范围内。

 

——主动对准连接器对组件的精度要求较低,可按低成本的普通工艺制造。但在装配时需采用光学仪表(显微镜、可见光源等)辅助调节,以对准纤芯。为获得较低的插入损耗和较高的回波损耗,还需使用折射率匹配材料。

 

——(3)光纤连接器的分类

 

——根据ITU的建议,光纤连接器的分类是按光纤数量、光耦合系统、机械耦合系统、套管结构和紧固方式进行的,如表1所示。

3  光纤连接器的性能

 

——光纤连接器的性能,从根本上讲首先是光纤连接器的光学性能;另外为保证光纤连接器的正常使用,还要考虑光纤连接器的互换(同型号间)性能、机械性能、环境性能和寿命(即最大可拔插次数)。

 

——(1)光学性能

 

——对于连接器光学特性的确定,ITU建议按表2要求加以考虑。

 表二

——目前,对于单纤连接器光性能方面的要求,用户所关心的和厂家宣传的重点还是放在介入损耗和回波损耗这两个最基本的性能参数上。

 

——其中,介入损耗(或称插入损耗)是指因连接器的介入而引起传输线路有效功率减小的量值,对于用户来说,该值越小越好。对于该项性能,ITU建议应根据20个样品的测试,确定出平均损耗、标准偏差和样品最大损耗。基保平均损耗值应不大于0.5dB。

 

——回波损耗(或称反射衰减、回损、回程损耗)是衡量从连接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一个量度,其典型值应不小于25dB。对于光纤通信系统来说,随着系统传输速率的不断提高,反射对系统的影响也越来越大,来自连接器的巨大反射将影响高速率激光器(开关速率为Gbit/s级)的稳定度,并导致分布噪声的增大和激光器抖动。因此对回波损耗的要求也越来越高,仅满足典型值的要求已无法符合实际要求,还需要进一步提高回波损耗。研究表明,通过对连接器对接端的端部进行专门的抛光或研磨处理,可以使回波损耗更大。ITU建议此类经专门处理过的连接器,其回波损耗值不应小于38dB。

 

——需要指出的是,对于上述两项的有关数值要求,ITU认为当系统受到光功率分配方面的限制时,这些取值是合适的;对于分配网等对功率分配要求不高的场合,较低的性能也是可以接受的。

 

——光纤连接器光学性能的试验方法,ITU建议按IEC874-1最新修订版中规定的方法进行。但应注意这些方法是为生产测试规定的,不完全适用于野外环境。其中介入损耗和反射可采用OTDR进行测试。为保证测试精度,使用OTDR进行介入损耗的测试时必须从两个方向进行。

 

——(2)互换性能

 

——对于光纤连接器的互换(同型号间)性能的确定,在ITU的有关建议中未见表述。但在实际应用中,由于光纤连接器是一种通用的光接口元件,因此对于同一种型号的光纤连接器,如无特殊要求,任意组合而成的连接器组合与已匹配好的连接器组合相比较,传输功率的附加损耗应可忽略不计。而目前由于连接方式、加工精度以及光纤的本征特征(模场直径、模场心度误差等)的限制,该附加损耗尚不能完全忽略。用户与厂家一般将此附加损耗限制在小于0.2dB的范围内。

 

——(3)机械性能

 

——对于光纤连接器的机械性能的确定,ITU建议按表3要求加以考虑。

表三 

——对于光纤连接器机械性能的试验方法,ITU建议按IEC874-1总规范最新修订版所规定的方法进行。抽样数量,除特殊要求外,IEC规定一般不少于5个连接器/光缆组合件。对于部分试验项目,IEC规定的试验方法中还明确了试验条件以及评价标准。

 

——对于配对连接器的轴向抗张强度和至少包含5个连接器的光缆组合件的强度保持力,IEC确定其最小起来 90N。

 

——对于弯曲性能,IEC规定至少应测试5个连接器/光缆组合件样品。应在距连接器1m处对光缆施加15.0N的力。在1.25cm半径的圆轴上弯曲300个循环。试验结束后,附加损耗应不超过0.2dB。

 

——对于耐机械性能(即重复插拔性能),IEC规定应从5个连接器/光缆组合件样品中取出1个,用人工方式接入和断开至少200次,连接器应加以清洗,每重复接入25次就要测量一次介入损耗。完成测试后,与初始值相比,其最大附加损耗不应超过0.2dB,并仍能工作。

 

——对于下垂性能,IEC规定应至少试验5个安装了连接器的光缆组合件。试验后的最大附加损耗不应超过0.2dB。

 

——对于振动性能,IEC规定振动频率范围为(10~55)Hz,稳定振幅为0.75mm。试验后的最大附加损耗不应超过0.2dB。

 

——(4)环境性能

 

——对于光纤连接器环境性能的确定,ITU建议按表4加以考虑。

表四 

——对于光纤连接器环境性能的试验方法,ITU建议按安装条件来加以考虑。所抽样品及数量,除特殊要求外,ITU建议一般选用装配了连接器的光缆,其数量不少于10根。对于部分试验项目,ITU还明确了试验条件以及评价标准。

 

——对于温度循环性能的试验,ITU建议低温应为-40℃,高温应为+70℃。循环次数为40个温度周期。试验后,与初始值相比较,附加损耗不应超过0.5dB。

 

——对于高湿度(稳态湿热)性能,ITU建议试验环境为:(60±2)℃,相对湿度90%~95%,持续时间为504h。试验后,与初始值相比较,附加损耗不应超过0.5dB。

 

——高低温(冷/干热)性能,主要是用以评估贮存温度对装配了连接器的光缆组合件的影响。对于此项目的试验,ITU建议在最高干热温度+8O℃和最低温度-55℃下各持续保温360h。然后把带连接器的光缆稳定在(21±2)℃、相对湿度为约为50%的环境下,持续24h。试验后,与初始值相比较,附加损耗不应超过0.05dB。

 

——(5)光纤连接器的寿命

 

——由于维护中转接跳线和正常测试等需要,光纤连接器经常要进行插拔,由此引出了插拔寿命即最大可插拔次数的问题。这个问题的提出应基于这样的前提:光纤连接器在正常使用条件下,经规定次数的插拔,各元件无机械损伤,附加损耗不超过限值(通常该限值规定为0.2dB)。光纤连接器的插拔寿命一般由元件的机械磨损情况决定的。当前,光纤连接器的插拔寿命一般可以达到大于l000次,附加损耗不超过0.2dB。对采用开槽陶瓷耦合套筒的光纤连接器来说,由于陶瓷材料存在裂纹生长,因此静态疲劳将导致套筒破裂。根据有关资料介绍,未经筛选的此类套筒20年的破裂概率为10-4。若以比工作应力大2.6倍的筛选力进行筛选试验,那么在20年内将不会发生破裂。

 

4  部分常见光纤连接器

 

——以下介绍的是部分常见的光纤连接器,其性能指标皆为配合单模光纤在131Onm波长下使用时的情况。

 

——(1)FC/FC型光纤连接器

 

——这种连接器最早是由日本NIT研制。前一个FC是Ferrule Connector的缩写,表明其外部加强件是采用金属套,紧固方式为螺丝扣;后一个FC表明接头的对接方式为平面对接。此类连接器结构简单,操作方便,制作容易,但光纤端面对微尘较为敏感,且容易产生菲涅尔反射,提高回波损耗较为困难。以NTT的FC/FC型光纤连接器为例,其部分参数分别为:介入损耗:最大为1.0dB,平均为0.5dB;重复性偏差(即机械耐力):最大为0.3dB,平均为0.06dB;互换偏差:最大为0.5dB,平均为0.2dB。

 

——(2)FC/PC型光纤连接器

 

——这种连接器是FC/FC型连接器的改进型。其中FC的意义与前者相同;PC是Physical Connection的缩写,表明其对接端面是物理接触,即端面呈凸面拱型结构。与前者相比,这种连接器外部结构没有改变,只是对接端面的结构由平面变为拱型凸面。此类连接器的介入损耗和回波损耗性能与前者比较有了较大幅度的提高。以北京住力电通光电技术公司采用日本住友电工的技术和标准生产的FC/PC型光纤连接器为例,根据该公司的介绍,其100个介入损耗规格值为0.5dB的连接器的最大介入损耗为0.35dB,平均值为0.18dB。回波损耗皆大于40dB,平均值可达到44.12dB。

 

——以上两种连接器,在有些资料中被统称为FC(F01)型连接器,较为详细的资料一般都注明其端面为平面抛光型还是球面(或PC)研磨型。也有些资料将FC/FC型连接器称为FC型连接器,将FC/PC型连接器称为PC型连接器。由于经这两种端面处理过的连接器,其光学性能相差较大,因此用户在选用时一定要弄清楚对方介绍的究竟是哪一种连接器。

 

——(3)SC(F04)型光纤连接器

 

——这是一种由日本NTT公司开发的模塑插拔耦合式单模光纤连接器。其外壳采用模塑工艺,用铸模玻璃纤维塑料制成,呈矩型;插头套管(也称插针)由精密陶瓷制成,耦合套筒为金属开缝套管结构,其结构尺寸与FC型相同,端面处理采用PC或APC型研磨方式;紧固方式是采用插拔销闩式,不需旋转。此类连接器价格低廉,插拔操作方便,介入损耗波动小,抗压强度较高,安装密度高。据有关资料介绍,单体型的SC连接器,其平均介入损耗值为0.06dB,标准偏差为0.07dB;回波损耗:采用PC技术时,平均值为28.4dB,标准偏差为0.6dB;采用APC技术时,平均值为46.1dB,标准偏差为2.7dB。另外NTT已将这种连接器开发成一个系列型产品,包括四种型号的SC连接器(单体型、双体F(扁平)型和H(高密度)型、高密度四孔型)、适用于书架式单元中印刷电路板与底座之间多路光连接的底座光连接器、固定衰减器、SC型插座、测量插座和光纤连接器清洗器等。

 

——(4)DIN47256型光纤连接器

 

——这是一种由德国开发的连接器,DIN是德国工业标准的表示,其后面的数字为标准号。这种连接器采用的插针和耦合套筒的结构尺寸与FC型相同,端面处理采用PC研磨方式。与FC型连接器相比,其结构要复杂一些,内部金属结构中有控制压力的弹簧,可以避免因插接压力过大而损伤端面。另外,这种连接器的机械精度较高,因而介入损耗值较小。据有关资料提供的数据,介入损耗标称值为0.55dB的连接器,其实测最大值为0.14dB,平均值为0.088dB。

 

——(5)双锥型连接器(Biconical Connector)

 

——这类光纤连接器中最有代表性的产品是由美国贝尔实验室开发研制,由两个经精密模压成形的端头呈截头圆锥形的圆筒插头和一个内部装有双锥形塑料套筒的耦合组件组成。据有关资料介绍其最大介入损耗值为0.7dB,平均为0.28dB。已见报导的商用型号为2016。

 

5  国内情况及建议

 

——当前,随着国内通信事业的不断发展,光纤通信已步入实用化阶段,且应用的范围越来越广。我国目前对于光通信系统中所用的光纤连接器,或是使用进口连接器,或是以进口的陶瓷套管和外围金属件等所谓“散件”在国内进行组装,或是根据所引进国外技术和关键设备进行生产,主要是FC型光纤连接器。鉴于此种情况,笔者建议如下。

 

——(1)标准化问题

 

——国际上光纤连接器产品的型号和标准都比较多,引进和使用时如不加以限制,势必会产生混乱,为维护和管理工作带来不便。据介绍,在这方面美、日、德、法等国已有了国家标准,并为IEC所认可;我国在这方面也有类似的规定。建议将此类规定作为技术规范或入网要求等技术文件中的一项内容以国家标准的方式加以公布。

 

——(2)兼容性问题

 

——由于通信是一项系统工程,因此建议用户在订货时,应考虑光传输设备、光附属设备、光测试仪表等项所用光纤连接器的兼容性。在不影响系统性能的基础上,应尽可能使将订购的仪表设备与已有设备仪表的光纤连接器的型号一致。如不能满足,则应考虑使用时可能出现的问题,并订购或准备相应的转接法兰或转接线。

 

——(3)生产与使用问题

 

——就生产而言,建议国家指导有关光纤连接器的生产厂家根据有关规定并结合国内现有及使用情况,统一以一种核心元件为基础(如Φ2.5mm的插针及相应的套筒)开发研制符合国情、适应需要的产品。

 

——就使用而言,建议用户应根据自己的实际情况,选择适用的光纤连接器。在满足系统要求的前提下,充分考虑性能、价格和发展等方面的关系,努力降低成本,扩大使用范围。在未来光纤用户网和高速局域网中,价格和硬件升级等问题可能会更加突出,用户更需就性能、价格和发展等方面进行综合考虑。

 

6  发展与展望

 

——由于光纤通信技术应用领域不断扩大,高速局域网和本地用户网等网络得到了很大发展,出于维护上测量、转接、调度等方面的需要,对光纤连接器提出的要求也越来越多,这些都促进了光纤连接器的发展。

 

——就光纤连接器的关键元件——插头支撑套管和耦合套筒而言,Φ2.5mm的插针及配套的耦合套筒将得到较大发展,以此为基础已开发出FC、ST、SC、DIN47255/6、MiniBNC、GFS-11/13、530等多种型号的光纤连接器,而且其技术也在不断进行改进,改进的目的是努力降低介入损耗,尽可能提高回波损耗,并改善连接器的机械耐力(重复插拔性能)和温度性能。目前改进工作主要是从两个方面着手的。

 

——其一为制作材料。由于陶瓷材料与石英玻璃材料的热匹配性好,理化性能稳定,加工精度高,机械耐力好,因此越来越受到重视。估计短期内,以精密陶瓷制作的插针套管和耦合套筒将继续占主导地位。

 

——目前使用较多的陶瓷材料是氧化铝和3mol氧化钇不完全稳定的氧化锆(PSZ)。其中氧化铝的硬度较高,研磨精度也比较高,但对研磨设备的要求也较高,且弯曲强度低、粒度大,碰到坚硬表面时易碎裂。而氧化锆(PSZ)的弯曲强度和断裂强度较氧化铝要高得多,且其硬度小、颗粒小,易于进行研磨抛光,但由于其场式模量较小,因而在进行研磨时需要先进的加工工艺。总的来说,使用氧化锆(PSZ)较氧化铝要可靠得多。另有资料介绍说,由于需要不断进行插拔,因此耦合套筒必须具有良好的耐磨性和一定的弹性,所以,理想的组合是用氧化铝制作插针套管,用氧化铬制作耦合套筒。

 

——其二是改进插针体(套管)对接端端面的对接方式和端面的加工工艺。目前随着系统速率的不断提高,PC(物理接触)型正在逐步取代FC(平面接触)型;对于PC型研磨的工艺也在不断进行改进,人工研磨正逐渐为机器研磨所取代;出现了APC(Advance Physical Contant)技术,即在传统PC研磨的基础上,再用二氧化硅磨片或微粉进行超精细研磨,以减小因光纤连接器对接端面处折射率不匹配对介入损耗和回波损耗性能的影响。这种不匹配是由研磨受力所产生的损伤层造成的。一般经PC研磨后,损伤层的折射率约为1.54,高于光纤纤芯的折射率(1.46),而经过APC研磨处理的端面,其折射率约为1.46,接近或达到纤芯的折射率。

 

——表5数据表明了采用不同材料。对接方式和加工工艺制作的插针套管对光纤连接器介入损耗和回波损耗性能的影响。

表五 

——另外,根据研究,在现在的Φ.5mm型插针套管的基础上,采用斜面连接是提高单模光纤连接器回波损耗性能的一个有效途径。理论推算表明,当斜面的倾角为8°时,连接器的回波损耗可达到118dB。但此种连接方式会对介入损耗产生较大影响,此种影响可通过在端面形成一定曲率(R=(20~50)mm)的球面得到改善。住友电气工业株式会社最新推出的斜8°角光纤连接器,其回波损耗平均可达66dB,相应的介入损耗平均为0.18dB;国内邮电部固体器件研究所研制的一种斜8°角连接器,其回波损耗大于56dB,相应的介入损耗小于0.6dB。

 

——就光纤连接器的外围(部)元件而言,由于光纤通信的不断发展,特别是光纤用户网的发展,对光纤连接器提出的要求是高性能、低成本、小型化、多纤化、安装密度高、安装简便等,这其中有很多可以通过对光纤连接器外围元件的材料、外形、加工工艺、紧固方式等方面加以改进得以实现。另外,系列化也是降低产品成本的一个有效途径。NTT开发的SC型连接器即为一例;由铸模玻璃纤维塑料制成的矩型外壳成本低廉,抗压强度高;插拔操作方便,适合高密度安装。以这种连接器为基础的SC系列光纤连接器还包括多套管连接器(HSC系列)、底座型光纤连接器以及固定衰耗器等。

 

——另外,随着光纤连接器应用范围的扩大,其需求数量也越来越多,单靠在工厂中装配研磨生产已无法满足需要,且其成本对于某些应用来说也太高,因此连接器的装配正从工厂走向安装工程现场,对快速简易的现场装配型光纤连接器的需求也越来越多。采用现场装配型也是降低成本的一个有效措施。

 

——适用于现场安装的连接器要求必须省时、省力、操作方便。很多厂家对此进行了研究,开发出了许多新的工艺方法,如采用紫外固化粘结胶。采用利于抛磨的方法、设计出不需粘结的连接器和既不需要粘结也不需要抛光的连接器等等,在现场只需要几分钟即可装配出一个可靠的光纤连接器。

 

——正如由于电缆通信系统离不开各种插塞、同轴头等电连接器而促进了电缆连接器及其产业的发展一样,相信光纤连接器将会随着光纤通信的不断发展而得到进一步的发展。

( 编辑:admin )
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