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耐环境光纤连接器应用场景及关键技术

2023-11-24 10:29:46 来源:《国际线缆与连接》投稿人 冯浩 点击:3583
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摘要:在光纤通信链路中,为了实现不同模块、设备和系统之间灵活连接的需要,必然会产生各种各样的连接,光纤连接器就是为了保证光纤与光纤间的可靠连接应运而生的。随着光纤通信技术的推广应用,以及航空、航天、舰船等通信设备传输和处理的数据量日益增大,耐环境光纤连接器的应用需求越来越多,做为通信网络的关键节点,它的性能对整个网络起着至关重要的作用。本文将对耐环境光纤连接器的应用场景和关键技术进行简要阐述。

关键词:耐环境;光纤;连接器

1 绪论

20世纪70年代,光纤作为一种优良的光传输介质使光传输技术开始真正得到应用。光纤通信传输技术由于其频带宽、通信容量大、损耗低、传输距离长、抗电磁干扰能力强、保密性好、原材料资源丰富等特点而被广泛关注。

光导纤维(光纤)作为传输介质,在抵达终端时,必然需要各种各样的连接,光纤连接器的研究、开发和应用正是保证光纤与光纤间的可靠连接应运而生的。

由光纤通信的特点可知,光纤连接器与传统的电连接器不同,它以光波为载波传输光信号,具有良好的保密性及抗电磁干扰能力,同时具备大带宽、质量轻等优点,是通信、数据传输等领域的研发、应用热点,也是信息传输技术未来的发展方向。

光纤连接可以分为固定连接和活动连接。固定连接(如熔接),顾名思义连接后无法实现拆卸,安装、维护十分不便。活动连接,即采用活动型连接器的方式,可以实现快速分离和锁紧,更适合安装和维护,在实际应用中得到了广泛应用。活动型光纤连接器按照使用环境,可以分为常规光纤连接器和耐环境光纤连接器;按照信号的集成方式,可以分为光纤连接器、混合型连接器(如光电混合连接器)等。

常规光纤连接器

图1 常规光纤连接器

2 耐环境光纤连接器的应用场景

耐环境光纤连接器是根据普通光纤连接器的工作原理,结合光纤连接的实际使用环境需要,采用可靠性加强设计方法,解决光纤连接器的耐环境、防水密封等问题。

耐环境光纤连接器图示

耐环境光纤连接器图示

图2 耐环境光纤连接器图示

耐环境光纤连接器广泛应用于军工、通信、石油勘探、风力发电等民用领域的各行各业。以下仅列举几种光纤通信的典型应用。

2.1 野战通信应用

光纤通信较早的应用于野外作战通信领域,由于野战和复杂环境下需快速布线或反复收放使用,所以野战通信用连接器及线缆组件需具有重量轻、方便携带;抗张力、抗压力、强重比高;柔软性好,易弯曲;耐油、耐磨、阻燃;适用温度范围广等特点。

耐环境光纤连接器野战应用图示

耐环境光纤连接器野战应用图示

图3 耐环境光纤连接器野战应用图示

2.2 机载光纤FC总线应用

由耐环境光纤连接器及光纤光缆组成的FC总线,具有实时性、高可靠、可确定性带宽和可确定性延迟等特点。该总线已经应用于航空电子领域,并且由美国国家信息委员会组织制定了部分协议规范。

机载光纤FC总线应用图示

机载光纤FC总线应用图示

图4 机载光纤FC总线应用图示

2.3其它光纤通信系统应用

除以上所述外,耐环境光纤连接器在风力发电、船舶舰载、光纤制导、无人机地面控制系统等领域均有较大应用。相信,随着光纤通信技术的发展,越来越多的领域都将使用耐环境光纤连接器。

地面基站光纤通信图示

图5 地面基站光纤通信图示

 

风力发电光纤通信图示

图6 风力发电光纤通信图示

3 耐环境光纤连接器的关键技术

耐环境光纤连接器对加工及装配有严格的要求,尤其是多芯数的耐环境光纤连接器,对尺寸及尺寸公差要求均较为严格,所以,只有掌握了相关关键技术,才能保证产品良好的传输性能,达到理想的通信目的。

3.1光纤接触件精度控制技术

光纤接触件是光纤连接器的关键零部件,其尺寸精度直接影响了光纤连接器的传输性能。光纤接触体对精度要求比较高,常规多模光纤的纤芯直径一般为62.5μm,而常规单模光纤的纤芯直径只有9μm。对接时,几个微米的偏差都会造成很大的插入损耗。一般情况下,光纤接触件接触端采用陶瓷插针和陶瓷套管。毛坯成型和烧结技术是陶瓷插针和陶瓷套管生产的关键技术,陶瓷插针和套管的精度需达到微米级,才能保证光纤物理对中,实现光信号的有效传输。

陶瓷插芯及陶瓷套管图示

陶瓷插芯及陶瓷套管图示

图7 陶瓷插芯及陶瓷套管图示

 

光纤接触体对接示意图

图8 光纤接触体对接示意图

3.2 光纤端面质量控制技术

光纤接触体是专门为传送光信号而设计的,与电接触体不同,光纤接触体与光纤导线的端接多采用双组份环氧胶(如353ND)粘接固化的方式。光导纤维和光纤接触体端接好以后,需对光纤接触体端面进行研磨抛光。对光纤端面进行精密研磨及抛光可以获得较高的端面质量,同时,可以使得其接触面形成PC、APC、UPC型接触,一方面可大大增加接触精度另一方面降低了接触时的菲涅尔反射,从而获得良好稳定的光学性能。

光纤研磨图示

图9 光纤研磨图示

光纤接触件研磨好以后,需要对其端面进行检查。一般情况下,使用200倍或400倍放大镜进行检查。IEC相关标准,对其端面质量做了相关要求,可供参考。

光纤端面检查图示

图10 光纤端面检查图示

多模光纤接触件的端面要求一般如下表所示:

表1 多模光纤端面质量要求

多模光纤端面质量要求

单模光纤端面质量要求一般如下表2所示:

表2 单模光纤端面质量要求

单模光纤端面质量要求

当用户有特殊要求时,还可对其端面进行3D指标检测,即对光纤接触体端面进行曲率半径、光纤凹陷和顶点偏移等三个指标的检测。不同规格的光纤接触体对应着不同的指标,可查阅相关标准中的要求进行判定。

光纤端面3D检测图示

图11 光纤端面3D检测图示

同时需要注意的是,光纤接触体柱面的清洁也非常重要,如果柱面带有污渍,将会对连接器的耦合效率造成很大的影响,因为它直接影响到陶瓷套筒的清洁,从而可能造成连接过程中出现的缺陷,如倾斜、间隙、错位等。这些缺陷将直接导致光纤连接器对接后,光学指标不满足使用要求。

3.3 光纤接触件的设计及装配

无论哪种光纤连接器,光纤接触件都是光纤连接器的核心零部件。如前所述,与大多数电接触件圆周接触式传导不同,光纤接触件利用陶瓷套管将光纤的两个端面精密对接起来,实现光纤端面物理接触,并通过对端面抛光研磨实现最优的光学性能,使光信号沿光纤从端接件一端进入另一端。

光纤接触件设计及装配的难点在于需要同时保证零件的外观、尺寸、收口强度和光纤对中弹性连接等条件。其中,光纤接触件结构中的关键零部件配合的同轴度、圆度、位置度等形位公差和外圆、内孔、插针长度等尺寸公差,都需要经过严格计算和调整,只有保证尺寸精度,才能进一步的保证光纤连接器的性能可靠。

耐环境光纤接触件示例

图12 耐环境光纤接触件示例

需要说明的是,耐环境光纤连接器往往是将多个光纤接触件集成在一个连接器中,对精度的要求往往更加严格。所以在设计耐环境光纤连接器时,应对各个配合尺寸进行严格的计算,包括但不限于零件精度、孔位精度、孔腔同轴度、接触长度等。径向尺寸精度过低(如孔位精度和孔腔同轴度)会引起光纤错位损耗和倾斜损耗,而零件轴向尺寸精度要求过低,则会导致接触长度不足(间隙损耗)或过量接触(导致连接器缩针现象)。

3.4机械性能及耐环境适应性技术

由于耐环境光纤连接器使用的场所不同,其机械性能及耐环境适应性是影响光纤通信的关键技术。例如耐振动、冲击性能:光纤振动引起的附加衰减;耐温度:连接器中陶瓷、光纤、外壳、胶粘剂之间的温度性能不匹配导致的呼吸效应,会导致连接损耗增大。其余诸如:耐盐雾、耐水密、耐辐照等都是耐环境光纤连接器在设计时需要考虑的因素。

4 结语

在未来的一段时间里,如何提高光纤连接器可靠性和耐极端环境性能,仍然是决定光纤连接器广泛应用的关键,也是光纤连接器未来发展的重中之重。光纤通信技术与信息技术的发展相辅相成,光纤连接器与之密不可分,随着光纤通信在军用和民用领域的迅速发展,相信在未来,耐环境光纤连接器的应用领域及产业规模将不断扩大。

 

参考文献:

Joseph,C.,Palais,光纤通信(第五版)电子工业出版社,2015-6.

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