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技术干货| 光纤连接器可靠性要求

更新时间:2023-12-29  |  点击率:282

光纤连接器推动大数据时代发展

        未来网络将更加依赖可靠的光连接。近年来,智慧城市、固定宽带、移动互联网和物联网等产业的快速发展,推动了大数据与云计算的快速增长。每天都有海量数据产生,需要传输、存储和处理的数据呈几何级数增加,信息发展进入了大数据时代。大数据时代对数据的处理能力和速度要求大幅提升,引发了网络体系的变革,也进一步开拓了光纤传送网的市场,光纤连接器的市场需求也将得到推动。随着信息化和智能化的快速发展,5G产业加速发展,数字中国建设进程加剧,“宽带中国"的实施,现代无线通讯技术对精准定位、传输隐蔽性和抗干扰性等要求越来越高。光纤及连接器在通信、数据中心、汽车、能源电力、轨道交通、航天航空等各大领域的应用也日益增多。

光纤连接器概述和种类

        光纤连接器是一种基础无源光器件,用于实现光纤系统中光纤之间的可拆卸(活动)连接。它通过将光纤的两个端面精密对接起来,使发射光纤输出的光能量能够最大限度地耦合到接收光纤中,并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小。这是光纤连接器的基本要求。光纤连接器在一定程度上影响着光传输系统的可靠性和各项性能。

        光通信传输技术具有通信容量大、保真度高、抗干扰能力强、原材料来源丰富等出色的传输特性而被广泛关注。光纤作为传输介质,在抵达终端时,不可避免地产生各种各样的连接。光纤连接器的研究、开发和应用正是保证光纤与光纤间的连接可靠性而生。

        光纤连接器大体上可分为活动型光纤连接器、加固型光纤连接器和混合型连接器。

(一)活动型光纤连接器

        活动型光纤连接器指与无源或有源器件的连接动作为可重复性连接的一类光纤连接器,即常规意义上的光纤连接器,一般用于光纤器件的临时型连接,常用的如LC、FC、SC、ST等。

(二) 加固型光纤连接器

        加固型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,采用加固设计的方法,提升光纤连接器的耐环境、防水密封等性能的连接器。

(三) 混合型连接器

        混合型连接器是一种集成了光信号、电信号、射频信号等多种信号的可拆卸连接元器件。这种连接器的特点是可根据实际应用需求,将两种或多种信号进行集成,如光电复合、光电射频混合等。

应用环境下的可靠性要求

        不同类型光纤连接器使用的场所不同,其可靠性要求也因此不同。针对光纤材料特点,主要考核其机械性能、光学性能、耐环境适应的可靠性。

(一)机械性能

        光纤玻璃本身是一种易碎材料,在实际应用中,工程师们一直在努力加强其机械性能。在考核光纤光缆及连接器机械性能上主要有以下几个方面的可靠性验证:

        1. 互换性、重复性。光纤连接器是通用的无源器件,对于同一类型的光纤连接器,一般都可以任意组合使用、并可以重复多次使用,由此而导入的附加损耗一般都在小于0.2dB的范围内。

        2. 机械寿命。通过对光纤连接器进行插拔次数进行验证,比如一些特种光纤连接器,如船舶用光电复合连接器,需要在水压情况下进行插拔。

        3. 光纤光缆及连接器的物理机械性能验证。光纤玻璃在应用中的受力情况,可以简单划分为三种力:拉力,弯曲,扭转。通过对光纤光缆部分进行拉伸、磨损、压扁、冲击、反复弯曲、扭转、曲绕、弯折、弯曲、抗拉强度等试验进行验证,同时针对连接器部分及光缆连接部分进行插入及拔出力、光缆拉脱力等机械试验进行验证。

(二)光学性能

        衡量光纤连接器产品质量的主要光学特性指标为插入损耗(Insert loss)和回波损耗(Return loss)。此外,影响产品质量可靠性的插芯端面几何参数等物理特性指标也越来越被系统厂商或重要客户所重视。

        传统的光纤连接器均为接触式光纤连接器,其工作原理如下图所示,通过高精度的插针套管实现光纤的精准对接(MT型插芯是通过两对高精度导销导孔实现),通过两端的弹力实现两端端面的紧密连接,从而实现光路的可靠连接。

接触式光纤连接器原理图

        非接触式光纤连接器(以扩束光纤连接器为例)的工作原理如下图所示,光纤出射的光经透镜扩展光斑后,以近似平行的高斯光束出射,然后进入另一个透镜并耦合进光纤中,实现光斑面积成百上千倍的增加以及非接触的连接,可极大地提高光纤连接器在脏污、振动等恶劣环境下连接的可靠性。

扩束型光纤连接工作原理图

        确保对接的两根光纤纤芯接触时成一直线是确保连接器优良的连接质量的关键。它主要取决于光纤本身的物理性能和连接器插针的制造精度,以及连接器的装配加工精度。同时,光纤的光学性能指标和插针端面的抛光质量对于连接器的光学性能和使用可靠性也有着直接的影响。

        插入损耗主要由相接续的两根光纤之间的横向偏离造成。如两根光纤排成一直线,横向偏离为零,则其造成的插入损耗最小。由于纤芯与光纤包层的不同心、光纤包层与插针内孔的不同心以及插针内孔与外径的同心度误差等,都会引起光纤间的横向偏离。同时,光纤接头中的纵向间隙和端面质量也是引起插入损耗的因素之一,近年来普遍采用的UPC插头接触方式,则较好地解决了纵向间隙问题。UPC接触方式,由于减小了连接端面间的间隙,除降低了插入损耗外,也减少了连接端面的反射,提高了回波损耗;而对于CATV系统等用户来说,APC型接触方式则为更好的选择:由于APC型接头其陶瓷插芯端面的球面法线与光纤的轴线有一个角度(一般为8°),使得从端面反射的光泄出而不返回纤芯,从而大大提高了连接器的回波损耗。

3种不同连接器的端面示意图

(三)耐环境适应性

        由于光纤连接器使用的场所不同,其耐环境适应性是影响光纤通信的关键技术。耐环境主要包含了耐温湿度、振动冲击类、特殊环境如砂尘、盐雾、霉菌、酸性大气、低气压、液体浸渍、耐水压和冰冻等等。

耐温湿度主要是考核连接器中陶瓷、光纤、外壳、胶粘剂之间的温度湿度条件运行及条件变化引起的性能不匹配导致呼吸效应,引起连接损耗增大。主要试验项目有高温寿命、高温运行、低温储存、低温运行、温度循环、温湿循环、温度冲击等试验;在试验前后、试验期间需要测试光透射性能变化。

        振动冲击类主要考核连接器在寿命期间可能遇到在主要频段或随机振动频段范围内及其幅度上受振动、冲击的影响引起的附加衰减情况。在试验期间需要监测不连续性,监测在持续1us或1us以上期间,光信号强度降低程度,一般超过1dB判定为光不连续;同时在试验后需要测试光透射性能变化。

        特殊环境适应性。有的光纤连接器,尤其是特殊装备用光纤连接器,因使用环境的特殊性,需要对材料霉菌情况进行验证、在模拟海水盐雾应用、酸性大气、低气压、应用过程中有接触液体试剂、海底耐静压能力、冰冻等等环境下都需要模拟试验条件进行可靠性验证,试验后都需要检查光纤能否正常工作,光透射性能变化是否符合要求。

广电计量的服务能力

        广电计量(GP代码002967)是为航空航天、船舶、新能源汽车等提供产品鉴定和检测服务的第三方检测服务机构,具备光电复合电缆、高密度光电混装水密连接器、扩束型光连接器、光电射频混合连接器等光连接器全项目可靠性验证试验能力。

        广电计量现已全面开展通信用光电子器件的可靠性测试认证服务,形成了以博士、专家为核心的光电器件测试分析团队,具备国内认证的光电子器件测试标准解读能力和试验能力,能够提供一站式光电子器件测试方案。在新一代信息技术、大数据、人工智能等前沿技术发展的推动下,广电计量正从以测量为中心向以数据为中心转变,从提供精准测量向提供精准服务转变。这些服务不仅提高了产品的可靠性,也为客户提供了更为便捷的服务体验。

 


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