光纤活动链接器简介

光纤活动链接器简介 一、概述 在电缆通信线路中，各种电缆连接器可以在保证阻抗匹配的前提下使两段电缆达到最好的物理连接。如果没有连接器，在一般的施工中，电缆与电缆的连接可以在物理上直接将两端的电缆铰接在一起，也可使电磁波信号的顺利通过，保证链路的畅通。 而在光纤通信(传输)链路中，要适应不同模块、设备和系统之间灵活连接的需要，由光信号传输与电信号传输的不同，绝不可能直接把两根光纤的头子绞缠在一起(除非进行熔接，而熔接又不可能做到连接的灵活性)，必须有一种能在光纤与光纤之间进行可装卸(活动)连接的器件，使光信号能按所需的通道进行传输，以保证光纤链路的畅通，实现预期的目的和要求。能实现这种功能的器件就是光纤活动连接器，以下简称光纤连接器，它是光系统中使用量最大的光无源器件。 二、结构原理 光纤连接器就是把光纤的两个端面精密对接起来，最重要的就是要使两根光纤的轴心对准，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小。 各种类型的光纤连接器的基本结构是一致的，绝大多数的光纤连接器的一般采用高精密组件(两个插针和一个耦合管共三个部分)实现光纤的对准连接。这种对准方式称作精密组件对准方式，是最常用的方式。 这种方法是将光纤穿入并固定在插针中，并将插针表面进行抛光处理后，在耦合管中实现对准。插针的外组件采用金属或非金属的材料制作。插针的对接端必须进行研磨处理，另一端通常采用弯曲限制构件来支撑光纤或光纤软缆以释放压力。耦合管一般是由陶瓷、或青铜等材料制成的两半合成的、紧固的圆筒形构件做成，一般配有金属或塑料的法兰盘，以便于连接器的安装固定。为尽量精确地对准光纤，对插针和耦合管的加工精度要求很高。 还有一种对准方式是主动对准。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，还需要使用折射率匹配的材料。 三、性能 光纤连接器的性能，首先是光学性能，此外还要考虑光纤连接器的互换性、重复性、抗拉强度、温度和插拔次数等。由于光纤连接器也是一种损耗性产品，所以还要求其价格低廉。在一定程度上，光纤连接器的性能影响了整个光传输系统的可靠性和各项性能。 (1)光学性能:对于光纤连接器的光学性能方面的要求，主要是插入损耗和回波损耗这两个最基本的参数。 插入损耗(Insertion Loss)即连接损耗，是指因连接器的导入而引起的链路有效光功率的损耗。产生插入损耗的原因有两方面: 1、 光纤公差引起的固有损耗。主要由光纤制造公差,即纤芯尺寸、数值孔径、纤芯/包层同心度和折射率分布失配等因素产生。 2、 连接器加工装配引起的固有损耗。这是由连接器加工装配公差，即端面间隙、轴线倾角、横向偏移和菲涅尔反射及端面加工精度等因素产生的。 插入损耗越小越好，一般要求应不大于0、5dB。 在通常的有线电视工程计算中，将插入损耗的值记为0、5dB。 回波损耗(Return Loss, Reflection Loss)是指连接器对链路光功率反射的抑制能力，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，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。尤其在CATV系统中，对回波损耗性能的要求更高。研究表明，通过对连接器对接端的端部进行球面抛光或研磨处理，可以使回波损耗更大。实际应用的连接器，插针表面经过了专门的抛光处理，可以使回波损耗一般不低于45dB。 (2)互换性、重复性 光纤连接器是通用的无源器件，对于同一类型的光纤连接器，一般都可以任意组合使用、并可以重复多次使用，由此而导入的附加损耗一般都应在小于0、2dB的范围内。 (3)机械特性 抗拉强度 对于做好的光纤连接器，一般要求其抗拉强度应不低于90N。 弯曲性能 至少应测试5个连接器,光缆组合件样品。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。 振动性能在振动频率范围为(10,55)Hz，稳定振幅为0、75mm条件下试验。最大附加损耗不应超过0、2dB。 (4)温度特性 一般要求，光纤连接器必须在-40oC ~ +70oC的温度下能够正常使用。 (5)插拔次数 目前使用的光纤连接器一般都可以插拔l000次以上，附加损耗不超过0、2dB。 四、分类 根据不同的分类，可以把光纤连接器分成不同的种类。 1、按传输媒介的不同可分为常见的硅基光纤的单模、多模连接器，还有其它媒介如塑胶等为传输媒介的光纤连接器。 2、按连接头结构型式可分为:FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT等等各种型式。 3、按插针端面形状分有FC、PC、UPC和APC型。 FC 端面为平面，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，提高回波损耗性能较为困难。 PC(即Physical Connection)端面为球面，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。当曲率半径为20mm时，回波损耗可达40dB。 UPC 端面仍为球面，它与PC的不同在于球面半径更小，为13mm,由于端面曲率半径越小，回波损耗越大，所以它的回波损耗比PC型的大，可达50dB。 并作APC(即AnglePC)端面仍为球面，但端面的法线与光纤的轴心夹角为8度,球面研磨抛光处理，它的回波损耗可达60dB。 4、按光纤芯数分还有单芯、多芯(如MT-RJ)型光纤连接器之分。 五、常见类型 1、FC型(即螺纹连接式) 这种连接器最早是由日本NTT研制。FC是Ferrule Connector的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣，插针体采用外径2、5mm的精密陶瓷插针。最早，FC类型的连接器，采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式(FC)。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，提高回波损耗性能较为困难。后来，对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球面的插针(PC)，而外部结构没有改变，使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。现在，根据其插针端面形状的不同，它分为球面接触的FC/PC和斜球面接触的FC/APC两种结构。FC型连接器是目前世界上使用量最大的品种，也是我国采用的主要品种。FC连接器大量用于光缆干线系统，其中FC/APC连接器用在要求高回波损耗的场合，如CATV网等。我国已制订了FC型连接器的国家标准。 2、SC型(即矩型插拔式) 这是一种由日本NTT公司开发的光纤连接器。其外壳呈矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其中插针的端面多采用球面接触的PC或斜球面接触的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。SC型连接器广泛用于光纤用户网中。我国已制订了SC型连接器的国家标准。 3、ST型(即圆形卡口式) ST型连接器是由AT,T公司设计开发的，采用带键的卡口式锁紧结构，插针体为外径2、5mm的精密陶瓷插针，插针的端面形状通常为PC面。它的特点主要是使用非常方便，大量用于光纤用户网中。我国已制订了ST/PC型连接器的国家标准 4、LC型 LC型连接器是著名Bell研究所研究开发出来的，采用操作方便的模块化插孔(RJ)闩锁机理制成，外壳为矩形，用工程塑料制成，带有按压键。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1、25mm。这样可以提高光配线架中光纤连接器的密度。通常情况下，LC连接器是以双芯连接器的形式使用，但需要时也可分开为两个单芯连接器。目前，在单模SFF方面，LC类型的连接器实际已经占据了主导地位，在多模方面的应用也增长迅速。 5、双锥型连接器(Biconic Connector) 这类光纤连接器中最有代表性的产品由美国贝尔实验室开发研制，它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。其最大介入损耗值为0、7dB，平均为0、28dB。其回波损耗对于单模光纤大于25dB,对于多模光纤大于15dB。 6、DIN47256型光纤连接器 这是一种由德国开发的连接器。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。 7、 MT-RJ型连接器 MT-RJ起步于NTT开发的MT连接器，带有与RJ-45型LAN电连接器相同的闩锁机构，通过安装于小型套管两侧的导向销对准光纤，为便于与光收发信机相连，连接器端面光纤为双芯(间隔0、75mm)排列设计，是主要用于数据传输的下一代高密度光连接器。 8、MU型连接器 MU(Miniature unit Coupling)连接器是以目前使用最多的SC型连接器为基础，由日本NTT研制开发出来的世界上最小的单芯光纤连接器，该连接器采用如SC型连接器那样的插入锁紧结构，外壳与SC型连接器相似，它特别采用1、25mm直径的套管和自保持机构，其优势在于能实现高密度安装。利用MU的l、25mm直径的套管，NTT已经开发了MU连接器的系列。它们有用于光缆连接的插座型光连接器(MU,A系列)，具有自保持机构的底板连接器(MU,B系列)以及用于连接LD,PD模块与插头的简化插座(MU-SR系列)等。随着光纤网络向更大带宽更大容量方向的迅速发展和DWDM技术的广泛应用，对MU型连接器的需求也将迅速增长。 总之，各种型号的连接器都有自己的特点和用途。一般长距离通信,大多使用FC型或SC型连接器,其优点是插入损失小,安装容易稳定性高。短距离(?20km)信号传输,则较多用ST、SMA、FDDI等,且多用于多模系统,因为其精度要求不高,所以成本较低。SC、ST和D4(FC的改进型)等则适用于用户网和局域网。另外，带状阵列式光缆连接器由于现场连接速度快，性能良好成本低，常用于各种局域网，其它如塑胶类光纤连接器则多用于更短距离通信，自动控制和音响讯号传输等。用得最多的是FC、SC系列的连接器。有线电视通用为FC/APC。 六、技术发展与展望 由于光纤技术应用领域不断扩大，光纤电视网、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接术的不断发展。 先说光纤连接器的关键元件——插头支撑套管和耦合套筒。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。 首先是制作材料。因陶瓷材料与石英玻璃材料的热匹配性好，物理化学性能稳定，加工精度高，机械耐力好，因此越来越受到重视。以精密陶瓷制作的插针套管和耦合套筒已经占据主导地位。目前使用较多的陶瓷材料是氧化铝和氧化锆(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。由于需要不断进行插拔，为保证耦合套筒具有良好的耐磨性和一定的弹性，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。 其次是改进插针体(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型已经逐步取代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。根据研究，在现在的Φ2、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。住友电气株式会社推出的斜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。