1 引言

在现代通信设备中，对于单模和单光纤连接来说，ST、SC和FC连接器目前是最为流行的。它们一般都是在光纤套管抛光之前采用2.5mm陶瓷校准套将光纤连接起来。这一共同特性以及其相应的校准套所具有的共性为这些不同连接器之间的对接提供了非常便利的条件，参见图1所示。

图1 FC、SC和ST连接器

目前，许多连接器厂家己经开发出各种混装适配器。本文将主要阐述可以非常灵活地组装成这种模块适配器的各个组件的开发。其关键属性是只有光纤接口一侧留有入口，这样，在适配器加装衰减器的情况下，就可以轻易改变作为衡量衰减程度的适配器那一端所用连接器的类型。

开发模块的一种方法是将一个适配器分成两个部分，即一个永久地安装在面板上、用作接口端连接器出口的“模块”和一个包括校准套、用作其它连接器出口的“外插件”。当外插件通过机械锁扣装入一个模块时，一个模块适配器便形成了。而且，通过校准套安装的衰减器元件可以形成外插件——衰减器组件。这一组件可以很容易进行安装和拆卸。

这种模块的一个重要应用场所是在发射/接收器电路组件的面板上。制造厂家可以在面板上安装一个合适的模块，这样就可以将一个单体连接器安装在一个电路组件中。不过，用户也可以选择将连接器安装在外部。这一标准化配置不仅对制造厂家非常有利，而且用户也不必再使用任何混合跨接线。

模块的另一个应用场所是在预先端接的校准套中，线缆相对较短部分的所有光纤都连接在一端，而连接器则插入面板安装的盒状基座的适配器中，然后再将出厂前就预先安装好的组件送往装配线，并在那里完成剥线和跨接线与适配器的互连工序，最后再将模块安装在面板上，这样就可以让最终用户连接线缆，而无须限制用户选择跨接线。

迄今为止，上述模块适配器已经推出了好几年，其开发研制的时间早于SC连接器。这组元件限定在ST模块及ST和FC外插件中。这些元件取决于ST和FC连接器以及适配器是否具有柱面性。目前，SC连接器普遍所具有的矩形和其它几何形状使得SC外插件的设计难以满足模块适配器的要求。因此，本文将重点阐述可适用于SC连接器要求的第二代模块适配器的开发，并简要阐述FC、SC和ST连接器中一切可能互连过程中的一些不足之处。

2 产品开发

为了满足传输设备达到最大的灵活性要求，我们应寻找一种与FC、SC和ST外插件配合的ST模块。由于SC连接器的应用越来越广泛，SC模块也随之应运而生。只是在产品开发之初，其市场前景尚不明确。为了达到完整性，厂家正在积极开发FC模块，但目前尚在研制之中，这主要是由于其几何形状存在匹配性问题。

图2 模块适配器

2.1 设计目标

在模块适配器设计过程中，其最为关键的几何形状要求实际上是要求符合FC、SC和ST适配器和SC模块的尺寸标准，并应满足某些传输面板和其它面板的适配器安装的具体要求。这意味着模块必须具有螺纹连接方式，这样通过模块上螺母和法兰之间的面板即可将模块牢牢夹持住。面板孔采用双D形状，其厚度为3mm。其次，在某些潜在的面板应用场所，连接器的中心间距必须符合13mm的几何外形要求。

模块适配器设计的性能目标是要求模块适配器的性能应与一体化的适配器性能基本相当，即至少要达到Bellcore性能标准。我们认为，只要采用标准的陶瓷校准套(一般采用3只连接器)，那么基本上就可以满足这一要求。这一结果也有利于实现降低成本的重要目标。

此外，还有一个重要特性就是模块适配器应适合校准套安装的衰减器元件，这种衰减器已经安装在其它几个场所。最后，外插件安装到模块上或从模块上拆卸下来必须易于做到，而无须借用专用工具。

2.2 设计成果

设计工序的成果是图2所示的SC和ST模块和ST外插件。除了螺母外，图中所见的每个元件都是由注塑件组成，其材料采用特种聚砜和20%的玻璃纤维填充物。SC模块的映罩表面为13mm×16mm ，它可以通过一次性整体注塑的锁扣固定在一块面板上，从图2中模块左侧可以看到这种锁扣。这就要求面板的切口尺寸公差非常严格、精确。ST模块的映罩表面为13mm×14mm，它通过图2中所示的螺母固定到面板上。螺母采用专门设计，而且很细，这样可以满足各种几何形状的要求，又不会过多地影响到模块中几个元件的结构一体化。

所有外插件在其模块中安装好之后，包括有校准套的圆柱部分(可以从图2的任何一个外插件后端看到)使插入该模块相应的圆孔中。圆孔后面是模块端连接器的套管，因此，当外插件安装到位后，校准套就与套管配合好了。在SC连接器中，套管几乎被连接器机壳所包围着，由此形成的环状间隙就成为与那个连接器及其标准适配器相关的内装圆柱校准结构的一部分。所以，外插件校准套架的最大外径要根据外插件与SC模块及其相关的SC连接器配合的具体要求而定。这就是校准套架设计的限制因素，因为在采用ST模块(和连接器)情况下，校准套支架插入外插件校准套架时，套管不受限制，无须考虑校准套支架元件的具体要求。

上述内装式圆柱形校准结构在标准的FC连接器/适配器中配有一个阴模。不过，其尺寸不同。这可能是由于在FC早期设计中，采用了一个机加工金属适配器，而其SC适配器的相关元件却采用注塑模件。这些模块在尺寸上差异加上塑料件需要紧密配合，而且壁厚必须合适，这就不利于FC模块的开发。这样，模块就无法实现FC-FC连接。

这一设计的重要特性就是模块中外插件的固位方式。在外插件相应的孔腔中插入模块平行壁上的止动栓即可达到这一目的。所以，一旦最终完成对接之后，止动栓可防止外插件与模块发生相对轴向运动。在图2中，我们可以看到每个模块上的止动栓，在每个外插件上，可以从安装外插件顶部的悬臂梁末端的下部和后部看到两个配合型腔。

图3 安装与拆卸机械原理图

将外插件安装到模块上可以分两个步骤来完成:首先，当外插件定向于最终位置反时针方向150°位置时，在向前与模块快速接触；其次，将外插件旋转到最终位置，并通过一个锁紧杆来保持其方位。锁紧杆可以从图2中各个外插件的上端看得到。按着锁紧杆，将上述步骤反顺序操作就可以将它拆卸下来，图3表示安装与拆卸机械原理。

2.3 制造

采用注塑元件和组装工序既不需要粘接也不需要采用超声波焊接，所以可以达到降低成本的目的。所有塑料元件的结合都是通过一次性整体注塑的机械锁扣来完成的。从图4可以看出，ST外插件衰减器的组装非常容易。衰减器元件装入一个校准套后，校准套就放入一件式基座中，然后将校准套支架就被锁紧到位。FC外插件的组装与此相同。

图4 ST外插件的组装

SC外插件为一件式，它要比其它外插件复杂一些。由于它配有夹持SC连接器的内部锁杆，所以必须将它注塑成两个元件，即一个校准套支架和一个基座，如图5所示。注意，这两个元件在组装工序中简单地装在一起，这与校准套支座与SC外插件基座安装方式基本相似。

图5 SC外插件的组装

2.4 衰减器

从上述图4和图5可以看出，外插件衰减器与只是作为一半模块适配器的外插件之间的差距非常小。衰减器元件是一块塑料盘，它可以在校准套中进行纵向移动。因为每个塑料盘都安装了一个托架，可以沿校准套中的凹槽滑动。每个衰减器元件为塑料件，对接连接器末端之间形成一个间隙。

在衰减损耗不超过10dB时，只要间隙存在就会出现衰减。超过10dB，则另需利用圆盘上分布的碳微粒的散射和吸收作用来实现，其反射能力取决于衰减材料的折射率。与目前广泛采用的在精密陶瓷套管中内置一种特殊光纤的技术相比，衰减的这一塑料间隙形成方法成本极低。

3 性能测试

在Bellcore标准文件中，所谓性能标准是指必须适合光连接，即两个连接器和一个适配器之间的连接。对于大多数元件来说，如果不看连接器固位外壳上的标识，模块适配器与一体化适配器如果配合在相同质量的连接器中其区别是很难明确划分的。这也不足为奇，因为其关键元件都是普通的陶瓷校准套。不过，外插件适配器是由两个塑料组件只是松散地结合在一起，这也就促使人们去关注其环境特性以及其机械强度。

3.1 热环境

在进行Bellcore TR-NWT-OOO326等级测试时，我们没有发现任何环境问题。但要评估其机械强度，则必须进行更多的热循环试验。采用反射率作为其中一个性能指标，我们可以发现在最高温度达到100℃之前，它与良好的光纤接触性能没有什么明显的差异。这与标准连接状态下所测试的结果完全一致，反射能力的变化一般归结于纤维与套管之间热激化所引起的相对运动。由此我们得出结论， 塑料模块适配器无须添加任何耐环境特性的元件。

3.2 线缆拉力

在跨接线上施加某种拉力会使信号在通过连接端时发生衰减甚至会导致某些连接元件的永久损坏。Bellcore试验涉及的首要问题是在轴向（横向）施加负荷的所谓“正向直拉力”(侧向拉力)。不过，我们可以对其插入损耗和反射率进行控制，同时还可以施加几种不同等级的负荷。在此，适配器的刚度非常重要，线缆与连接器连接的方式同样也非常重要。进一步试验表明，当与标准适配器配合之后，连接器符合Bellcore标准要求时，那么， 这些连接器与模块适配器配合时自然也就符合Bellcore标准要求。

3.3 轴向抗拉力要求

Bellcore试验把可能导致电连接永久损坏称为“抗拉力试验”。对于轴向施加负荷， TR-NWT- OOO326标准要求达到10磅，其“目标值”是15磅。通过对产品开发和质量检验过程中所收集的大量数据分析，我们确认FC和ST外插件可以很容易承受15磅的负荷。

不过，在SC元件设计过程中的早期实验显示，轴向施加负荷对适配器和连接器的每个设计细节都较为敏感， 而且其负荷可能大大低于10磅。由图6可以看出，模块适配器SC元件的设计是完全可行的。图中显示，40只组件(ST模块中)在轴向去藕负荷测试中，只有一件样品的顶端负荷低于15磅。

图6 SC外插件组件轴向负载 负荷（磅）

3.4 横向负荷至失效

对于横向施加负荷来说，Bellcore抗拉力试验标准“基本要求”是达到7.5磅，其“目标”负荷是10磅。满足或接近这些标准是产品开发过程中的重大挑战。不过，外插件的几何外形使得它在横向负荷情况于比其它情况下要承受更大的负荷，每个外插件键槽在结构上也起着非常重要的作用。所以，应将一组拉力向上施加，即沿着槽的开口方向。负荷施加方向设定于12:00，参见图7。图中显示，线缆拉力处于9:00方向。各个外插件的测试样品应达到30件，直到出现机械失效为止，即6:00、9:00和12:00每个方位各采用10件样品进行测试，每个外插件都安装在ST模块。

图7 线缆拉力：横向负载(9:00)

对于SC外插件来说，其负载能力的方向性十分明显，参见图8。螺纹件的折弯刚度在9 :00处负荷较大。我们发现，它的最大失效负荷轻而易举地超过了Bellcore标准要求，而在6:00或12:00处施加负荷时，其螺纹件的折弯刚度较小。

我们还发现，在12:00处它的失效负荷都超过了7.5磅的规定要求，但在6:00处，其失效负荷却没有超过这一标准。这两种情况的差距可能是在6:00负荷处，螺纹根部受到了来自键槽张力的影响。也许是双倍应力集中于此，这样，基座处就可能会最早出现裂纹。

图8 FC外插件顶端横向负载   负荷（磅）

对于SC外插件，我们发现当负荷处于9:00方位时，其强度达到最大，参见图9所示。这可能是由于这一方向上的锁紧模块-模块之间的距离较大，所以，其相应的力矩就更大。而6:00和12:00负荷都达不到Bellcore规定要求。不过，其失效负荷也没有低于5磅，只有一件样品低于6磅。

图9 SC外插件顶端横向负载 负荷（磅）

对于ST外插件，所有的试验都显示，其失效负荷超过了9磅，如图10所示。负荷在12:00方位的失效负荷较高可能是由于基座的相对脆硬特性，因为与键槽相对的ST连接器盖挤压外插件。

在外插件横向施加负荷直至失效测试中应注意两点:其一，在每种情况下，发现基座损坏之前，都发现了校准套断裂现象:其二，即使在负荷下，肉眼可以看见的损伤仅限于外插件，而模块的功能却没有受到任何影响。因此，这一失效可能只需要在现场插入一个新的外插件即可完成修理。

图10 ST外插件顶端横向负载    负荷（磅）

4 主要应用

模块适配器在通信传输设备中的应用参见图11。面板一侧是与面板安装型模块端接在一起的ST连接器。外面为一组FC外插件和连接器，此外还有一组SC外插件和连接器。当然，两个外部连接器的正向排列是相同的，其关键是它们既可以是SC外插件和连接器也可以是ST、FC外插件和连接器，而且在电路组件制造之后就可以确定。

值得注意的是，虽然在面板衰减器在发生快速变化，但其所占的空间大小并没有超过普通适配器所占的空间。当采用密封安装门或其它密封盖时，这一点尤为重要。

图11 传输设备面板

图12 面板安装模块

为了便于说明，我们在图12中示出了板上安装的ST和SC模块。模块将安装在预先端接的校准套中，用户可以在采购时选择是否为校准套配备外插件。拆下外插件之后，可以很容易地进入模块一侧连接器套管的尾端，因此也便于进行清洁。

5 结语

目前，人们己经开发出适用于混装连接器的光纤模块适配器。其衰减程度可以采用固定不变，也可以在适配器中加一个适当的衰减器来调节其衰减量。由于其非标准元件为注塑模件，故其制造成本较低，对环境的稳定性很好，其机械强度也较为适宜。

参考文献:

[1] J.H.Lau, “Thermal stress analysis of SMT PQFP package and interconnections,” ASME J. Electron. Package, vol.111, pp.2-8, Mar.

[2] W.Bolton, Engineering Materials Handbook. Boca Raton, FL: CRC, 1989.