第七講 光纖連接器

1、第一章第一章 光纖活動連接器光纖活動連接器 光纖活動連接器是實現(xiàn)光纖之間活動連接的無源光器件，它具有將光纖與有源器件、光纖與其他無源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進行活動連接的功能。1.2.1 插針1.2.2 套筒1.2 光纖連接器的核心部件3.1.1 光纖活動連接器 套管結(jié)構(gòu)的核心是插針與套筒。套管結(jié)構(gòu)的核心是插針與套筒。 插針是一個帶有微孔的精密圓柱體，其結(jié)構(gòu)和主插針是一個帶有微孔的精密圓柱體，其結(jié)構(gòu)和主要尺寸如圖要尺寸如圖3.6所示。所示。 圖圖3.6 3.6 插針的結(jié)構(gòu)與主要尺寸插針的結(jié)構(gòu)與主要尺寸3.1.1 光纖活動連接器 插針的精度要求是：外徑不圓度小于插針的精度要求是：外徑不圓度小于0.

2、0005 mm；外圓柱面光潔度為外圓柱面光潔度為 ；微孔偏心量?。晃⒖灼牧啃∮谟?；插針端面為球面，其曲率半徑為；插針端面為球面，其曲率半徑為20 60 mm。141 ml 插針的材料由不銹鋼、不銹鋼鑲陶瓷、全陶瓷、玻璃和塑料。l 現(xiàn)在用得最多的是全陶瓷。陶瓷材料具有極好的溫度穩(wěn)定性、耐磨性和抗腐蝕能力。選用這種陶瓷材料插針是很合適的。這種陶瓷在光通信、光傳感方面應(yīng)用日益廣泛。l 特別是在干線系統(tǒng)中，基本上是陶瓷插針的一統(tǒng)天下了。1.2.2 套筒套筒是與插針同樣重要的零件，它有兩種結(jié)構(gòu)。1.開口套筒 開口套筒在連接器中使用最為普遍，其注要尺寸為： 外徑： 內(nèi)徑： 內(nèi)孔光潔度： 彈性變形：小于

3、0.005mm 插針插入或拔出套筒的力：3.925.88N00.023.2mm0.0020.0072.5mm14開口套筒要用彈性好的材料如磷青銅、鈹青銅和氧化鎬陶瓷制作。當插針插入套筒之后，套筒對插針的夾持力應(yīng)保持恒定。我國使用的鈹青銅制作的套筒居多。 2.不開口套筒 這種套筒在連接器中應(yīng)用的較少，在光纖和有源器件的連接中應(yīng)用較多。他的外形和尺寸和開口套筒基本上一致。不同之處在于它的內(nèi)孔徑為 ，即此插針的外徑 ，即讓插針能夠順利插入，同時間隙也不能過大，保證光纖與發(fā)光管、探測器連接時，重復(fù)性、互換性能達到要求的指標。 2.50.005mm1.2.2 套筒1.3.1連接器接頭1.3.2跳線1.3

4、.3轉(zhuǎn)換器1.3.4變換器1.3.5裸光纖轉(zhuǎn)換器1.3 光纖活動連接器的組成部分1.3.1連接器接頭l由插針體（即裝配好光纖的插針）和若干外部零件組成。使光纖（纜）在轉(zhuǎn)換器和變換器中完成功能的部件稱為插頭。兩個插頭在插入轉(zhuǎn)換器或變換器后可以實現(xiàn)光纖（纜）之間的對接，見圖1.21。l插頭的機械結(jié)構(gòu)必須對光纖進行有效的保護，使光纖不會受到外界損害。1.3.2跳線l將一根光纖（纜）的兩頭都裝上插頭，稱為跳線。連接器插頭時期特殊情況，即只在光纖（纜）的一頭裝有插頭。l在工程上及儀表中，大量使用著各種型號、規(guī)格的跳線。跳線中光纖（纜）兩頓的插頭可以是同一型號，也可以是不同型號。跳線可以是單芯的，也可以是

5、多的。1.3.3轉(zhuǎn)換器l把光纖（纜）插頭連接在一起，從而使光纖接通的期間稱為轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器俗稱插座或法蘭盤，見圖1.22。l轉(zhuǎn)換器可以連接同型號的插頭，也可以連接不同型號的插頭；可以連接一對插頭，也可以連接幾對插頭或多芯插頭。1.3.4變換器將某一型號的插頭變換成另一型號的插頭的器件叫做變換器n 該連接器由兩部分組成，其中一半為某一型號的轉(zhuǎn)換器，另一半為其它型號的插頭。n 使用時將某一型號的插頭插入同型號的轉(zhuǎn)換器中，就變成其他型號的插頭了。1.3.5裸光纖轉(zhuǎn)換器l 將裸光纖與光源、探測器以及各類光儀表進行連接的器件，稱為裸光纖連接器。l 裸光纖和裸光纖連接器彼此是可以結(jié)合和分離的，使用時將裸光

6、纖穿于連接器中，處理好光纖端面，就可以與有源器件或儀表連接了，用完后，也可以將裸光纖抽出，再作它用，見下圖。l 這種連接器在光纖測試，光儀表以及光纖之間的臨時連接中，具有廣泛的用途。1.1.2 連接器的重要指標評價一個連接器的指標很多，但重要的指標有4個，即插入損耗回波損耗重復(fù)性互換性1.插入損耗是指光纖中的光信號通過活動連接器之后，其輸出光功率相對于輸入光功率的比率分貝數(shù)，表達式為： 其中 P0輸入光的功率 P1輸出光的功率插入損耗愈小愈好。)(log1001dBPPIL1.1.2 連接器的重要指標 2. 回波損耗（后向反射損耗）是指在光纖連接處，后向反射光相對于輸入光的比率的分貝數(shù)，表的式

7、為 P0輸入光的功率 P1輸出光的功率 3.重復(fù)性是指光纖（纜）活動連接起多次插拔后插入損 耗的變化，用dB表示。 4.互換性是指連接器個部件互換時插入損耗的變化，也用dB表示，也是表明連接器實用化的重要標志。連接器的部件一般分為跳線和轉(zhuǎn)換器兩部分（下述）?；Q性是指著兩種部件的任意互換或有條件互換。)(log100dBPPRrL1.1.2 連接器的重要指標1.1.3 影響插入損耗的各種因素1. 纖芯錯位損耗纖芯錯位損耗纖芯錯位突右圖所示：由于纖芯橫向錯位引起的損耗叫錯位損耗。它是產(chǎn)生連接損耗的重要原因。漸變形折射率多模光纖是穩(wěn)態(tài)分布時，其錯位損耗用下式表示：)/(35. 21lg102adI

8、ld單模光纖的，其錯位損耗由下式表示：2)/(log10wdldeI1.1.3 影響插入損耗的各種因素纖芯折射率傳輸光波長相對折射率1162/3/22)879. 2619. 165. 0(nanVaVV右圖表示錯位與損耗之間的關(guān)系曲線：2)/(log10wdldeI1.1.3 影響插入損耗的各種因素右圖表示錯位與損耗之間的關(guān)系曲線：1.1.3 影響插入損耗的各種因素2.光纖傾斜損耗光纖傾斜損耗在光纖連接處，由于兩光纖軸線的角度傾斜而引起的光功率的損耗稱為傾斜損耗，如圖所示：多模漸變性折射率光纖，在模式穩(wěn)態(tài)分布時，傾斜損耗為：)68. 11log(10LI單模光纖的傾斜損耗為：22)/(log1

9、0nLeI包層折射率波長相同與式231.1n1.1.3 影響插入損耗的各種因素傾斜損耗曲線如圖所示。由可知，如要求傾斜損耗小于0.1dB，則多模漸變性折射率光纖的傾斜角度應(yīng)小于0.7o，單模光纖的傾斜角度應(yīng)小于0.3o。1.1.3 影響插入損耗的各種因素3. 光纖端面間隙損耗光纖端面間隙損耗 在光纖端面連接處，由于端面存在間隙而引起的損耗叫端面間隙損耗。 多模階躍光纖在模是均勻分布時，其間隙損耗為：)41log(10KaZILz1.1.3 影響插入損耗的各種因素單模光纖的端面間隙為：22222/()(1 1log10nZILZ當Z=1微米時:多模階躍光纖在模式均勻分布的情況下，端面間隙損耗為：

10、dBKaZILZ006. 0)41log(102501. 046. 1ak單模光纖的端面間隙損耗為：dBnZILZ089. 0)2/()(1 1log102222455. 131. 12n結(jié)論結(jié)論：只要端面間隙控制在1微米以內(nèi)，這種損耗就可以忽略不計（如今的加工工藝已經(jīng)可以做到這一點）1.1.3 影響插入損耗的各種因素4. 光纖端面多次反射引起的損耗光纖端面多次反射引起的損耗在兩光纖端面之間，由于存在著不同的介質(zhì)（如空氣），則在這種介質(zhì)之間會產(chǎn)生光的多次反射，從而產(chǎn)生損耗。這種損耗可由下式表示：42)1 (16log10KKILf空氣折射率光纖纖芯折射率0101/nnnnK取 ，通過計算可得4

11、6. 1, 110nndBILf32. 01.1.3 影響插入損耗的各種因素5. 纖芯直徑不同的管線連接時產(chǎn)生的連接損耗纖芯直徑不同的管線連接時產(chǎn)生的連接損耗 對多模光纖而言，設(shè)輸入光纖纖芯半徑為a1，輸出光纖纖芯半徑為a2，則這種因素產(chǎn)生的損耗為：0)/log(10212aaILa2121aaaa顯然，只有當a1 不小于 a2 時，才會產(chǎn)生這種損耗。損耗情況如圖所示。結(jié)論：連接損耗和纖芯直徑失配的關(guān)系有一個最佳點。當 時，損耗為零；當 尤其是在 的情況下會產(chǎn)生損耗。12aa12aa12aa1.1.3 影響插入損耗的各種因素6.數(shù)值孔徑不同引起的損耗數(shù)值孔徑不同引起的損耗 設(shè)輸入多模光纖的數(shù)值

12、孔徑為NA1,輸出多模光纖數(shù)值孔徑為NA2,則連接處由于數(shù)值孔徑不同而產(chǎn)生的損耗為12212log10)log(100NANAILNA式）（當式）當2121(NANANANA當NA1 不小于NA2 時，才會產(chǎn)生這種損耗。當 NA1 小于NA2 時，這種損耗就不存在了。損耗情況見圖1.1.3 影響插入損耗的各種因素6.其它因素引起的損耗其它因素引起的損耗1.1.4 改進回波損耗的方法 在高速系統(tǒng)、CATV和光纖放大等領(lǐng)域，為了減少回波信號對光源的影響，要求回波損耗達到40dB、50dB甚至60dB以上，將光纖端面加工成球面或斜球面是滿足這一要求的有效途徑。1.球面接觸球面接觸 將裝有光纖的插針體

13、端面加工成球面，球面曲率半徑一般為25mm60mm。當兩個插針體接觸時，其回波損耗可以達到50dB以上。由于球面接觸使纖芯之間的間隙接近于0，達到“物理接觸”. 端面間隙和多次反射所引起的插入損耗將得以消除，從而使后向反射光大為減少。2.斜球面接觸斜球面接觸 先將插針體端面加工成80左右的傾角，再按球面加工的方法拋磨成斜球面。在連接時，嚴格按預(yù)定的方針使插針體對準。這種方案除了實現(xiàn)光纖端面的物理接觸之外，還可以將微弱的后向反射光加以旁路，使其難以進入原來的纖芯。斜球面接觸可以使回波損耗達到60dB以上，特別好的情況可以達到70dB以上。斜球面接觸圖。 除了上述兩種方案之外，還有其它方法也可以提

14、高回波損耗。如將端面加工成特殊形狀，將端面鍍上增透膜等等。1.1.4 改進回波損耗的方法1.1.5 光纖(纜)活動連接器的基本結(jié)構(gòu) 連接器基本上是采用某種機械和光學(xué)結(jié)構(gòu)，使兩根光纖的纖芯對準保證90%以上的光能夠通過。目前有代表性并且正在使的有以下幾種： 1.套管結(jié)構(gòu)套管結(jié)構(gòu) 這種連接器由插針和套筒組成插針為一精密套管，光纖固定在插針里面。套筒也是一個加工精密的套管(有開口和不開口兩種)，兩個插針在套筒中對接并保證兩根光纖的對準 原理：以插針的外圓柱面為基準面，插針與套筒之司為緊配合。當光纖纖芯對外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面以及套筒的內(nèi)孔加工得非常精密時，兩根插針在套筒中對接，就實現(xiàn)

15、了兩根光纖的對睢。2雙錐結(jié)構(gòu)雙錐結(jié)構(gòu) 這種連接器的特點是利用錐面定位。插針的外端面加工成圓錐面基座的內(nèi)孔也加工成雙圓錐面兩個插針插入基座的內(nèi)孔實現(xiàn)纖芯的對接。插針和基座的加工精度極高，錐面與錐面的結(jié)合既要保證纖芯的對中，還要保證光纖端面間的間距恰好符合要求。它的插針和基座來用聚臺物模壓成型精度和一致性都很好。3. V形槽結(jié)構(gòu) 它的對中原理是將兩個插針放入V形槽基座中，再用蓋板講插針壓緊，使纖芯對準。這種結(jié)構(gòu)可以達到較高的精度。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件數(shù)量偏多。4. 透鏡耦合結(jié)構(gòu)透鏡耦合又稱遠場耦合，它分為球透鏡耦合和自聚焦透鏡耦合兩種。其結(jié)構(gòu)分別見下圖。 這種結(jié)構(gòu)通過透鏡來實現(xiàn)光纖的對中。用透鏡

16、將一根光纖的出射光變成平行光，再有另一透鏡將平行光聚焦并導(dǎo)入另一光纖中。 優(yōu)點是降低了對機械加工的精度要求使耦合更容易實現(xiàn)。 缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整元件多、接續(xù)損耗大。在某些特殊的場合，如在野戰(zhàn)通信中這種結(jié)構(gòu)仍有應(yīng)用。因為野戰(zhàn)通訊距離較短，環(huán)境塵土較大，可以容許損耗大一些但要求快速接通透鏡能將光斑變大，接通更容易，正好滿足了這種需要 透鏡在各種耦臺中的作用更不能忽視它是光纖與其它無源器件和光電器件進行耦臺的橋梁。 綜合分析綜合分析：以上五種對中結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點但從結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、批量加工的可行性及實用效果來看，精密套管結(jié)構(gòu)占有明顯的優(yōu)勢，目前采用得最為廣泛，是連接器發(fā)展的主流。我國多采用

17、這種結(jié)構(gòu)制成連接器。 1.5.1 插入損耗1.5.2 重復(fù)性1.5.3 互換性1.5.4 回波損耗1.5.5 連接器的、回波損耗的表達方式1.5 光纖活動連接器的測試方法1.5.1 插入損耗 插入損耗的計算公式是： 要測量插入損耗IL,只要分別測量出輸入光功率P0和輸出光功率P1。其測量方法有下列三種. 1.基準法基準法 基準法又稱為截斷法，是其他測量方法的基礎(chǔ)。測量步驟如下： （1）按圖所示測量并記錄P1。1010log()LPIdBP （2）在P1穩(wěn)定后，將臨時接點Tj與插頭CA之間的光纖截斷，截斷點J與臨時接點TJ的距離應(yīng)不少于30cm，見圖。（3）待系統(tǒng)穩(wěn)定后，按下圖測量并記錄P0,見

18、圖。（4）按公式計算出插入損耗IL.1.5.1 插入損耗（1）如上圖，選一標準跳線和一標準轉(zhuǎn)換器。插頭1接光源，插頭2通過標準轉(zhuǎn)換器與插頭三相連，插頭四與光功率計相連，測量并紀錄P1; （2）將插頭2拔出并插入光功率計，測量并紀錄P0； （3）用公式算出插頭3對標準插頭2的插入損耗值；使用這種方法的先決條件是要有標準跳線和標準轉(zhuǎn)換器。插入損耗是相對于他們而言的。1.5.1 插入損耗 2. 跳線插入損耗測試跳線插入損耗測試 在大批量的生產(chǎn)過程中，跳線的插入損耗的測試必須快速、準確、無破壞性。因此上述方法不能滿足這一要求。常用的方法是采用標準跳線對比法，其步驟如下：1.5.2 重復(fù)性n 重復(fù)性是指同一對插頭，在同一只轉(zhuǎn)換器中多次插拔之后，其插入損耗的變化范圍，單位用dB表示。插拔次數(shù)一般取5次，先求出5個數(shù)據(jù)的平均值，在求出平均值的變化范圍。性能穩(wěn)定的連接器的重復(fù)性應(yīng)小于 。n 重復(fù)性和使用壽命（即允許插拔的次數(shù)）是有區(qū)別的。前者是指在有限的插拔次數(shù)內(nèi)，插