摘要：光電轉(zhuǎn)換技術(shù)是光通信的連接器關(guān)鍵技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換器件也多用于光通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射端和接收端。光信號經(jīng)過長距離傳輸后，也會(huì)衰減失真，導(dǎo)致通信失效。中繼技術(shù)是解決該問題的優(yōu)良方案。野外作業(yè)具有臨時(shí)性、隨機(jī)性，現(xiàn)有光通信中繼技術(shù)往往采用中繼放大器，但該類連接器產(chǎn)品，體積較大，不易于安裝拆卸，且耐環(huán)境性能相對較差。本文提出了一種能夠起到中繼作用的光增益連接器方案，并對其結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了簡要概述。
關(guān)鍵詞：增益、中繼、連接器
1 引言
光纖通信具有帶寬大、傳輸距離長、保密性好等特點(diǎn)。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖通信技術(shù)被應(yīng)用于各行各業(yè)，野外作業(yè)也常常搭建光纖連接器通信系統(tǒng)。光信號經(jīng)過長距離傳輸后，也會(huì)衰減失真，導(dǎo)致通信失效。野外作業(yè)具有臨時(shí)性、隨機(jī)性等特殊性，現(xiàn)有光通信中繼連接器技術(shù)往往采用中繼放大器，但光增益連接器產(chǎn)品，體積較大，不易于安裝拆卸，且耐環(huán)境性能相對較差。
本文介紹了一種光增益連接器方案，設(shè)計(jì)后的該類連接器可以與相同接口的連接器實(shí)現(xiàn)匹配對接，實(shí)現(xiàn)光電信號的集成傳輸，能夠擁有優(yōu)良的光信號放大和傳輸性能，可實(shí)現(xiàn)多種形式的安裝，操作方便，易于維護(hù)，可耐強(qiáng)振動(dòng)、沖擊，具備良好的耐環(huán)境性和較高的可靠性。
2 設(shè)計(jì)指標(biāo)
光增益連接器主要技術(shù)指標(biāo)如下：
連接器額定電流：5A;
連接器使用溫度：-55℃～125℃;
連接器接觸電阻：≤10mΩ;
連接器絕緣電阻：≥5000MΩ;
連接器耐電壓：500V;
光纖連接器插入損耗：≤2.0dB@1550nm;
防淋雨：IP67;
振動(dòng)：10～2000Hz，加速度196m/s2;
沖擊：735m/s2,11ms;
機(jī)械壽命：500次。
3 結(jié)構(gòu)方案及技術(shù)路徑
3.1 總體方案
本連接器產(chǎn)品方案的結(jié)構(gòu)圖示如下：
圖1 光增益連接器圖示
光增益連接器產(chǎn)品主要包括1-圓盤殼體，2-前絕緣體，3-光放大模塊，4-后絕緣體，5-電插針，6-密封墊，7-密封圈，8-鎖緊螺母，9-安裝螺母;
其中：3-光放大模塊置于后絕緣體中，將4-后絕緣體套在3-光放大模塊，然后將2-前絕緣體、3-光放大模塊、4-后絕緣體一同送入1-圓盤殼體內(nèi)，將8-鎖緊螺母旋緊至4-后絕緣體平面，從而起到限位作用，6-密封墊從殼體兩端送入圓盤殼體退刀槽內(nèi)，7-密封圈套在1-圓盤殼體密封槽內(nèi)，9-安裝螺母套在1- 圓盤殼體上;
其中：3-光放大模塊可以實(shí)現(xiàn)對光信號的放大，實(shí)現(xiàn)光信號的長距離傳輸;
其中：6-密封墊在與配套產(chǎn)品對接使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)密封功能，起到防塵、防水的作用;
其中：9-安裝螺母可以將轉(zhuǎn)接器固定在安裝面板上，7密封圈與安裝面板緊密貼合，實(shí)現(xiàn)密封的作用。
3.2光放大模塊的組成及路徑
該連接器產(chǎn)品中的核心部分為光放大模塊。該類光放大模塊可以通過電插針直接進(jìn)行插拔，使用方便、靈活，避免了常規(guī)光放大器引腳必須焊接使用的復(fù)雜操作;同時(shí)該類連接器產(chǎn)品無需提前預(yù)置尾纖，可以直接與相同接口的光纖連接器對接，安裝維護(hù)方便的同時(shí)，減小了連接器產(chǎn)品的尺寸;同時(shí)，該類連接器產(chǎn)品可以集成于連接器、集成板等產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)集成化安裝。
該光放大模塊包括1-殼體， 2-透鏡墊塊， 3-TEC，4-光插口組件，5-打線墊塊，6-隔離器，7-調(diào)節(jié)墊塊，8-放大芯片組件，9-透鏡，10-電插針組件，11-上蓋板;
圖2 光放大模塊結(jié)構(gòu)圖示
其中：10-電插針組件采用一體成型技術(shù)，成型后與1-殼體封焊在一起，3-TEC通過膠水貼裝在1-殼體上，8-放大芯片組件通過膠水貼裝在3-TEC上，2個(gè)2-透鏡墊塊貼裝在3-TEC上，分別位于8-放大芯片組件兩側(cè)，5-打線墊塊貼裝在TEC上，7-調(diào)節(jié)墊塊貼裝在殼體上，9-透鏡通過膠水固定在2-透鏡墊塊上，6-隔離器貼裝在7-調(diào)節(jié)墊塊上，4-光插口組件焊接在殼體兩端，11-上蓋板焊接在1-殼體上。
圖3 電插針組件圖示
光增益連接器模塊中的電路通過金絲鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接，達(dá)到電流的預(yù)期傳輸目的。金絲鍵合是通過施加壓力、機(jī)械振動(dòng)、電能或熱能等不同能量于連接器接頭處，形成連接接頭的一種工藝方法，屬于壓力焊接的一種。金絲在鍵合接頭內(nèi)不熔化，但是在被連接面之間發(fā)生原子擴(kuò)散，即與被連接面之間已達(dá)到了產(chǎn)生原子結(jié)合力的距離，從而實(shí)現(xiàn)連接。一般情況下，從鍵合工具及對引線端部的工藝處理不同可將金絲鍵合分為球形鍵合和楔形鍵合。相關(guān)連接器測試方法可以參照GJB 548B-2005 《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》。
圖4 球形鍵合圖示
圖5 楔形鍵合圖示
3.3光插口組件結(jié)構(gòu)方案及路徑
光插口組件是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換連接器的關(guān)鍵接口，其連接器結(jié)構(gòu)如下所示：
圖6 光插口組件
光插口組件是實(shí)現(xiàn)小型化、便攜化的關(guān)鍵。它主要包括1-插口后殼體， 2-插口前殼體，3-套管，4-光窗，5- 準(zhǔn)直透鏡，6-陶瓷插針。其中光窗起到密封的作用，準(zhǔn)直透鏡采用四分之一節(jié)距透鏡，實(shí)現(xiàn)光束的自聚焦準(zhǔn)直功能，從而保證光束能較好的耦合進(jìn)陶瓷插針的光纖連接器中。套管起到對中調(diào)節(jié)的作用，保證與之對插的連接器實(shí)現(xiàn)良好的耦合。
需要說明的是，連接器產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度不足會(huì)導(dǎo)致光纖連接時(shí)出現(xiàn)損耗過大甚至失效的現(xiàn)象。由連接器產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度不足引起的損耗一般包括錯(cuò)位損耗、間隙損耗、傾斜損耗等。
由于纖芯橫向錯(cuò)位引起的損耗叫錯(cuò)位損耗。它是產(chǎn)生連接器損耗的重要因素之一。例如，相關(guān)研究表明，當(dāng)連接器要求錯(cuò)位損耗小于0.1dB時(shí)，多模光纖橫向錯(cuò)位應(yīng)小于3μm，單模光纖橫向錯(cuò)位應(yīng)小于0.8μm。
圖7 錯(cuò)位損耗示例
在光纖端面連接處，由于端面存在間隙而引起的損耗叫間隙損耗。由理論及大量生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證可知，只要端面間隙控制在1μm以內(nèi)，這種損耗就可以忽略不計(jì)。
圖8 間隙損耗示例
在光纖連接處，由于兩光纖軸向的角度傾斜而引起光功率的損耗稱為傾斜損耗。有相關(guān)研究表明，若傾斜角度可以控制在0.1°以內(nèi)，由角度偏差所引起的連接器損耗可以忽略不計(jì)。
圖9 傾斜損耗示例
所以在光插口組件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對配合連接器尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算。包括零件精度、孔腔同軸度、接觸長度等等。孔腔同軸度精度過低會(huì)引起錯(cuò)位和傾斜損耗，而零件精度要求過低，會(huì)導(dǎo)致接觸長度不足(間隙損耗)或過量接觸(導(dǎo)致端面磨損甚至縮針現(xiàn)象)。
4 結(jié)論
設(shè)計(jì)后的該類光增益連接器，集成了光放大裝置及電傳輸裝置，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光信號、電信號的集成傳輸，并且可以對光信號進(jìn)行放大，避免了光信號長距離傳輸后衰減失真現(xiàn)象，延長了光信號的傳輸距離 ;該類連接器產(chǎn)品可以與相同接口的連接器互換對接，使用時(shí)可以實(shí)現(xiàn)面板安裝也可以作為自由端直接使用，易于安裝、便于維護(hù)，具有較強(qiáng)的抗振動(dòng)、沖擊能力，具備良好的耐環(huán)境性和較高的可靠性。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光電轉(zhuǎn)換及中繼技術(shù)也會(huì)隨之得到進(jìn)一步發(fā)展，相信未來，該種類型的光增益連接器也會(huì)得到發(fā)展和應(yīng)用。 |
