摘要：在光纖通信鏈路中，為了實(shí)現(xiàn)不同模塊、設(shè)備和系統(tǒng)之間靈活連接的需要，必然會產(chǎn)生各種各樣的連接，光纖連接器就是為了保證光纖與光纖間的可靠連接應(yīng)運(yùn)而生的。隨著光纖通信技術(shù)的推廣應(yīng)用，以及航空、航天、艦船等通信設(shè)備傳輸和處理的數(shù)據(jù)量日益增大，耐環(huán)境光纖連接器的應(yīng)用需求越來越多，做為通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，它的性能對整個網(wǎng)絡(luò)起著至關(guān)重要的作用。本文將對耐環(huán)境光纖連接器的應(yīng)用場景和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡要闡述。
關(guān)鍵詞：耐環(huán)境;光纖;連接器
1 緒論
20世紀(jì)70年代，光纖作為一種優(yōu)良的光傳輸介質(zhì)使光傳輸技術(shù)開始真正得到應(yīng)用。光纖通信傳輸技術(shù)由于其頻帶寬、通信容量大、損耗低、傳輸距離長、抗電磁干擾能力強(qiáng)、保密性好、原材料資源豐富等特點(diǎn)而被廣泛關(guān)注。
光導(dǎo)纖維(光纖)作為傳輸介質(zhì)，在抵達(dá)終端時，必然需要各種各樣的連接，光纖連接器的研究、開發(fā)和應(yīng)用正是保證光纖與光纖間的可靠連接應(yīng)運(yùn)而生的。
由光纖通信的特點(diǎn)可知，光纖連接器與傳統(tǒng)的電連接器不同，它以光波為載波傳輸光信號，具有良好的保密性及抗電磁干擾能力，同時具備大帶寬、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，是通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域的研發(fā)、應(yīng)用熱點(diǎn)，也是信息傳輸技術(shù)未來的發(fā)展方向。
光纖連接可以分為固定連接和活動連接。固定連接(如熔接)，顧名思義連接后無法實(shí)現(xiàn)拆卸，安裝、維護(hù)十分不便�；顒舆B接，即采用活動型連接器的方式，可以實(shí)現(xiàn)快速分離和鎖緊，更適合安裝和維護(hù)，在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用�；顒有凸饫w連接器按照使用環(huán)境，可以分為常規(guī)光纖連接器和耐環(huán)境光纖連接器;按照信號的集成方式，可以分為光纖連接器、混合型連接器(如光電混合連接器)等。
圖1 常規(guī)光纖連接器
2 耐環(huán)境光纖連接器的應(yīng)用場景
耐環(huán)境光纖連接器是根據(jù)普通光纖連接器的工作原理，結(jié)合光纖連接的實(shí)際使用環(huán)境需要，采用可靠性加強(qiáng)設(shè)計(jì)方法，解決光纖連接器的耐環(huán)境、防水密封等問題。
圖2 耐環(huán)境光纖連接器圖示
耐環(huán)境光纖連接器廣泛應(yīng)用于軍工、通信、石油勘探、風(fēng)力發(fā)電等民用領(lǐng)域的各行各業(yè)。以下僅列舉幾種光纖通信的典型應(yīng)用。
2.1 野戰(zhàn)通信應(yīng)用
光纖通信較早的應(yīng)用于野外作戰(zhàn)通信領(lǐng)域，由于野戰(zhàn)和復(fù)雜環(huán)境下需快速布線或反復(fù)收放使用，所以野戰(zhàn)通信用連接器及線纜組件需具有重量輕、方便攜帶;抗張力、抗壓力、強(qiáng)重比高;柔軟性好，易彎曲;耐油、耐磨、阻燃;適用溫度范圍廣等特點(diǎn)。
圖3 耐環(huán)境光纖連接器野戰(zhàn)應(yīng)用圖示
2.2 機(jī)載光纖FC總線應(yīng)用
由耐環(huán)境光纖連接器及光纖光纜組成的FC總線，具有實(shí)時性、高可靠、可確定性帶寬和可確定性延遲等特點(diǎn)。該總線已經(jīng)應(yīng)用于航空電子領(lǐng)域，并且由美國國家信息委員會組織制定了部分協(xié)議規(guī)范。
圖4 機(jī)載光纖FC總線應(yīng)用圖示
2.3其它光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用
除以上所述外，耐環(huán)境光纖連接器在風(fēng)力發(fā)電、船舶艦載、光纖制導(dǎo)、無人機(jī)地面控制系統(tǒng)等領(lǐng)域均有較大應(yīng)用。相信，隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域都將使用耐環(huán)境光纖連接器。
圖5 地面基站光纖通信圖示
圖6 風(fēng)力發(fā)電光纖通信圖示
3 耐環(huán)境光纖連接器的關(guān)鍵技術(shù)
耐環(huán)境光纖連接器對加工及裝配有嚴(yán)格的要求，尤其是多芯數(shù)的耐環(huán)境光纖連接器，對尺寸及尺寸公差要求均較為嚴(yán)格，所以，只有掌握了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，才能保證產(chǎn)品良好的傳輸性能，達(dá)到理想的通信目的。
3.1光纖接觸件精度控制技術(shù)
光纖接觸件是光纖連接器的關(guān)鍵零部件，其尺寸精度直接影響了光纖連接器的傳輸性能。光纖接觸體對精度要求比較高，常規(guī)多模光纖的纖芯直徑一般為62.5μm，而常規(guī)單模光纖的纖芯直徑只有9μm。對接時，幾個微米的偏差都會造成很大的插入損耗。一般情況下，光纖接觸件接觸端采用陶瓷插針和陶瓷套管。毛坯成型和燒結(jié)技術(shù)是陶瓷插針和陶瓷套管生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，陶瓷插針和套管的精度需達(dá)到微米級，才能保證光纖物理對中，實(shí)現(xiàn)光信號的有效傳輸。
圖7 陶瓷插芯及陶瓷套管圖示
圖8 光纖接觸體對接示意圖
3.2 光纖端面質(zhì)量控制技術(shù)
光纖接觸體是專門為傳送光信號而設(shè)計(jì)的，與電接觸體不同，光纖接觸體與光纖導(dǎo)線的端接多采用雙組份環(huán)氧膠(如353ND)粘接固化的方式。光導(dǎo)纖維和光纖接觸體端接好以后，需對光纖接觸體端面進(jìn)行研磨拋光。對光纖端面進(jìn)行精密研磨及拋光可以獲得較高的端面質(zhì)量，同時，可以使得其接觸面形成PC、APC、UPC型接觸，一方面可大大增加接觸精度另一方面降低了接觸時的菲涅爾反射，從而獲得良好穩(wěn)定的光學(xué)性能。
圖9 光纖研磨圖示
光纖接觸件研磨好以后，需要對其端面進(jìn)行檢查。一般情況下，使用200倍或400倍放大鏡進(jìn)行檢查。IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對其端面質(zhì)量做了相關(guān)要求，可供參考。
圖10 光纖端面檢查圖示
多模光纖接觸件的端面要求一般如下表所示：
表1 多模光纖端面質(zhì)量要求
單模光纖端面質(zhì)量要求一般如下表2所示：
表2 單模光纖端面質(zhì)量要求
當(dāng)用戶有特殊要求時，還可對其端面進(jìn)行3D指標(biāo)檢測，即對光纖接觸體端面進(jìn)行曲率半徑、光纖凹陷和頂點(diǎn)偏移等三個指標(biāo)的檢測。不同規(guī)格的光纖接觸體對應(yīng)著不同的指標(biāo)，可查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的要求進(jìn)行判定。
圖11 光纖端面3D檢測圖示
同時需要注意的是，光纖接觸體柱面的清潔也非常重要，如果柱面帶有污漬，將會對連接器的耦合效率造成很大的影響，因?yàn)樗苯佑绊懙教沾商淄驳那鍧�，從而可能造成連接過程中出現(xiàn)的缺陷，如傾斜、間隙、錯位等。這些缺陷將直接導(dǎo)致光纖連接器對接后，光學(xué)指標(biāo)不滿足使用要求。
3.3 光纖接觸件的設(shè)計(jì)及裝配
無論哪種光纖連接器，光纖接觸件都是光纖連接器的核心零部件。如前所述，與大多數(shù)電接觸件圓周接觸式傳導(dǎo)不同，光纖接觸件利用陶瓷套管將光纖的兩個端面精密對接起來，實(shí)現(xiàn)光纖端面物理接觸，并通過對端面拋光研磨實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的光學(xué)性能，使光信號沿光纖從端接件一端進(jìn)入另一端。
光纖接觸件設(shè)計(jì)及裝配的難點(diǎn)在于需要同時保證零件的外觀、尺寸、收口強(qiáng)度和光纖對中彈性連接等條件。其中，光纖接觸件結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵零部件配合的同軸度、圓度、位置度等形位公差和外圓、內(nèi)孔、插針長度等尺寸公差，都需要經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算和調(diào)整，只有保證尺寸精度，才能進(jìn)一步的保證光纖連接器的性能可靠。
圖12 耐環(huán)境光纖接觸件示例
需要說明的是，耐環(huán)境光纖連接器往往是將多個光纖接觸件集成在一個連接器中，對精度的要求往往更加嚴(yán)格。所以在設(shè)計(jì)耐環(huán)境光纖連接器時，應(yīng)對各個配合尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，包括但不限于零件精度、孔位精度、孔腔同軸度、接觸長度等。徑向尺寸精度過低(如孔位精度和孔腔同軸度)會引起光纖錯位損耗和傾斜損耗，而零件軸向尺寸精度要求過低，則會導(dǎo)致接觸長度不足(間隙損耗)或過量接觸(導(dǎo)致連接器縮針現(xiàn)象)。
3.4機(jī)械性能及耐環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)
由于耐環(huán)境光纖連接器使用的場所不同，其機(jī)械性能及耐環(huán)境適應(yīng)性是影響光纖通信的關(guān)鍵技術(shù)。例如耐振動、沖擊性能：光纖振動引起的附加衰減;耐溫度：連接器中陶瓷、光纖、外殼、膠粘劑之間的溫度性能不匹配導(dǎo)致的呼吸效應(yīng)，會導(dǎo)致連接損耗增大。其余諸如：耐鹽霧、耐水密、耐輻照等都是耐環(huán)境光纖連接器在設(shè)計(jì)時需要考慮的因素。
4 結(jié)語
在未來的一段時間里，如何提高光纖連接器可靠性和耐極端環(huán)境性能，仍然是決定光纖連接器廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，也是光纖連接器未來發(fā)展的重中之重。光纖通信技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展相輔相成，光纖連接器與之密不可分，隨著光纖通信在軍用和民用領(lǐng)域的迅速發(fā)展，相信在未來，耐環(huán)境光纖連接器的應(yīng)用領(lǐng)域及產(chǎn)業(yè)規(guī)模將不斷擴(kuò)大。 |
