第七讲光纤连接器.

第一章光纤活动连接器光纤活动连接器是实现光纤之间活动连接的无源光器件，它具有将光纤与有源器件、光纤与其他无源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。1.2.1插针1.2.2套筒1.2光纤连接器的核心部件光纤活动连接器套管结构的核心是插针与套筒。插针是一个带有微孔的精密圆柱体，其结构和主要尺寸如图3.6所示。图3.6插针的结构与主要尺寸光纤活动连接器插针的精度要求是：外径不圆度小于0.0005mm；外圆柱面光洁度为；微孔偏心量小于；插针端面为球面，其曲率半径为20~60mm。141m插针的材料由不锈钢、不锈钢镶陶瓷、全陶瓷、玻璃和塑料。现在用得最多的是全陶瓷。陶瓷材料具有极好的温度稳定性、耐磨性和抗腐蚀能力。选用这种陶瓷材料插针是很合适的。这种陶瓷在光通信、光传感方面应用日益广泛。特别是在干线系统中，基本上是陶瓷插针的一统天下了。1.2.2套筒套筒是与插针同样重要的零件，它有两种结构。1.开口套筒开口套筒在连接器中使用最为普遍，其注要尺寸为：外径：内径：内孔光洁度：弹性变形：小于0.005mm插针插入或拔出套筒的力：3.92~5.88N00.023.2mm0.0020.0072.5mm14开口套筒要用弹性好的材料如磷青铜、铍青铜和氧化镐陶瓷制作。当插针插入套筒之后，套筒对插针的夹持力应保持恒定。我国使用的铍青铜制作的套筒居多。2.不开口套筒这种套筒在连接器中应用的较少，在光纤和有源器件的连接中应用较多。他的外形和尺寸和开口套筒基本上一致。不同之处在于它的内孔径为，即此插针的外径，即让插针能够顺利插入，同时间隙也不能过大，保证光纤与发光管、探测器连接时，重复性、互换性能达到要求的指标。2.50.005mm1.2.2套筒1.3.1连接器接头1.3.2跳线1.3.3转换器1.3.4变换器1.3.5裸光纤转换器1.3光纤活动连接器的组成部分1.3.1连接器接头由插针体（即装配好光纤的插针）和若干外部零件组成。使光纤（缆）在转换器和变换器中完成功能的部件称为插头。两个插头在插入转换器或变换器后可以实现光纤（缆）之间的对接，见图1.21。插头的机械结构必须对光纤进行有效的保护，使光纤不会受到外界损害。1.3.2跳线将一根光纤（缆）的两头都装上插头，称为跳线。连接器插头时期特殊情况，即只在光纤（缆）的一头装有插头。在工程上及仪表中，大量使用着各种型号、规格的跳线。跳线中光纤（缆）两顿的插头可以是同一型号，也可以是不同型号。跳线可以是单芯的，也可以是多的。1.3.3转换器把光纤（缆）插头连接在一起，从而使光纤接通的期间称为转换器。转换器俗称插座或法兰盘，见图1.22。转换器可以连接同型号的插头，也可以连接不同型号的插头；可以连接一对插头，也可以连接几对插头或多芯插头。1.3.4变换器将某一型号的插头变换成另一型号的插头的器件叫做变换器该连接器由两部分组成，其中一半为某一型号的转换器，另一半为其它型号的插头。使用时将某一型号的插头插入同型号的转换器中，就变成其他型号的插头了。1.3.5裸光纤转换器将裸光纤与光源、探测器以及各类光仪表进行连接的器件，称为裸光纤连接器。裸光纤和裸光纤连接器彼此是可以结合和分离的，使用时将裸光纤穿于连接器中，处理好光纤端面，就可以与有源器件或仪表连接了，用完后，也可以将裸光纤抽出，再作它用，见下图。这种连接器在光纤测试，光仪表以及光纤之间的临时连接中，具有广泛的用途。1.1.2连接器的重要指标评价一个连接器的指标很多，但重要的指标有4个，即插入损耗回波损耗重复性互换性1.插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后，其输出光功率相对于输入光功率的比率分贝数，表达式为：其中P0——输入光的功率P1——输出光的功率插入损耗愈小愈好。)(log1001dBPPIL1.1.2连接器的重要指标2.回波损耗（后向反射损耗）是指在光纤连接处，后向反射光相对于输入光的比率的分贝数，表的式为P0——输入光的功率P1——输出光的功率3.重复性是指光纤（缆）活动连接起多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。4.互换性是指连接器个部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示，也是表明连接器实用化的重要标志。连接器的部件一般分为跳线和转换器两部分（下述）。互换性是指着两种部件的任意互换或有条件互换。)(log100dBPPRrL1.1.2连接器的重要指标1.1.3影响插入损耗的各种因素1.纤芯错位损耗纤芯错位突右图所示：由于纤芯横向错位引起的损耗叫错位损耗。它是产生连接损耗的重要原因。渐变形折射率多模光纤是稳态分布时，其错位损耗用下式表示：])/(35.21lg[102adIld单模光纤的，其错位损耗由下式表示：2)/(log10wdldeI1.1.3影响插入损耗的各种因素纤芯折射率传输光波长相对折射率1162/3/22)879.2619.165.0(nanVaVV右图表示错位与损耗之间的关系曲线：2)/(log10wdldeI1.1.3影响插入损耗的各种因素右图表示错位与损耗之间的关系曲线：1.1.3影响插入损耗的各种因素2.光纤倾斜损耗在光纤连接处，由于两光纤轴线的角度倾斜而引起的光功率的损耗称为倾斜损耗，如图所示：多模渐变性折射率光纤，在模式稳态分布时，倾斜损耗为：)68.11log(10LI单模光纤的倾斜损耗为：22)/(log10nLeI包层折射率波长相同与式231.1n1.1.3影响插入损耗的各种因素倾斜损耗曲线如图所示。由可知，如要求倾斜损耗小于0.1dB，则多模渐变性折射率光纤的倾斜角度应小于0.7o，单模光纤的倾斜角度应小于0.3o。1.1.3影响插入损耗的各种因素3.光纤端面间隙损耗在光纤端面连接处，由于端面存在间隙而引起的损耗叫端面间隙损耗。多模阶跃光纤在模是均匀分布时，其间隙损耗为：)41log(10KaZILz1.1.3影响插入损耗的各种因素单模光纤的端面间隙为：2222]2/()(1[1log10nZILZ当Z=1微米时:多模阶跃光纤在模式均匀分布的情况下，端面间隙损耗为：dBKaZILZ006.0)41log(102501.046.1ak单模光纤的端面间隙损耗为：dBnZILZ089.0)]2/()(1[1log102222455.131.12n结论：只要端面间隙控制在1微米以内，这种损耗就可以忽略不计（如今的加工工艺已经可以做到这一点）1.1.3影响插入损耗的各种因素4.光纤端面多次反射引起的损耗在两光纤端面之间，由于存在着不同的介质（如空气），则在这种介质之间会产生光的多次反射，从而产生损耗。这种损耗可由下式表示：42)1(16log10KKILf空气折射率光纤纤芯折射率0101/nnnnK取，通过计算可得46.1,110nndBILf32.01.1.3影响插入损耗的各种因素5.纤芯直径不同的管线连接时产生的连接损耗对多模光纤而言，设输入光纤纤芯半径为a1，输出光纤纤芯半径为a2，则这种因素产生的损耗为：0)/log(10212aaILa2121aaaa显然，只有当a1不小于a2时，才会产生这种损耗。损耗情况如图所示。结论：连接损耗和纤芯直径失配的关系有一个最佳点。当时，损耗为零；当尤其是在的情况下会产生损耗。12aa12aa12aa1.1.3影响插入损耗的各种因素6.数值孔径不同引起的损耗设输入多模光纤的数值孔径为NA1,输出多模光纤数值孔径为NA2,则连接处由于数值孔径不同而产生的损耗为12212log10))log(100NANAILNA式）（当式）当2121(NANANANA当NA1不小于NA2时，才会产生这种损耗。当NA1小于NA2时，这种损耗就不存在了。损耗情况见图1.1.3影响插入损耗的各种因素6.其它因素引起的损耗1.1.4改进回波损耗的方法在高速系统、CATV和光纤放大等领域，为了减少回波信号对光源的影响，要求回波损耗达到40dB、50dB甚至60dB以上，将光纤端面加工成球面或斜球面是满足这一要求的有效途径。1.球面接触将装有光纤的插针体端面加工成球面，球面曲率半径一般为25mm~60mm。当两个插针体接触时，其回波损耗可以达到50dB以上。由于球面接触使纤芯之间的间隙接近于0，达到“物理接触”.端面间隙和多次反射所引起的插入损耗将得以消除，从而使后向反射光大为减少。2.斜球面接触先将插针体端面加工成80左右的倾角，再按球面加工的方法抛磨成斜球面。在连接时，严格按预定的方针使插针体对准。这种方案除了实现光纤端面的物理接触之外，还可以将微弱的后向反射光加以旁路，使其难以进入原来的纤芯。斜球面接触可以使回波损耗达到60dB以上，特别好的情况可以达到70dB以上。斜球面接触图。除了上述两种方案之外，还有其它方法也可以提高回波损耗。如将端面加工成特殊形状，将端面镀上增透膜等等。1.1.4改进回波损耗的方法1.1.5光纤(缆)活动连接器的基本结构连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤芯对准．保证90%以上的光能够通过。目前有代表性并且正在使的有以下几种：1.套管结构•这种连接器由插针和套筒组成．插针为一精密套管，光纤固定在插针里面。套筒也是一个加工精密的套管(有开口和不开口两种)，两个插针在套筒中对接并保证两根光纤的对准．•原理：以插针的外圆柱面为基准面，插针与套筒之司为紧配合。当光纤纤芯对外圆柱面的同轴度、插针的外圆柱面和端面以及套筒的内孔加工得非常精密时，两根插针在套筒中对接，就实现了两根光纤的对睢。2．双锥结构这种连接器的特点是利用锥面定位。插针的外端面加工成圆锥面．基座的内孔也加工成双圆锥面．两个插针插入基座的内孔实现纤芯的对接。插针和基座的加工精度极高，锥面与锥面的结合既要保证纤芯的对中，还要保证光纤端面间的间距恰好符合要求。它的插针和基座来用聚台物模压成型．精度和一致性都很好。3.V形槽结构它的对中原理是将两个插针放入V形槽基座中，再用盖板讲插针压紧，使纤芯对准。这种结构可以达到较高的精度。其缺点是结构复杂，零件数量偏多。4.透镜耦合结构透镜耦合又称远场耦合，它分为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种。其结构分别见下图。这种结构通过透镜来实现光纤的对中。用透镜将一根光纤的出射光变成平行光，再有另一透镜将平行光聚焦并导入另一光纤中。优点是降低了对机械加工的精度要求．使耦合更容易实现。缺点是结构复杂、体积大、调整元件多、接续损耗大。在某些特殊的场合，如在野战通信中这种结构仍有应用。因为野战通讯距离较短，环境尘土较大，可以容许损耗大一些．但要求快速接通透镜能将光斑变大，接通更容易，正好满足了这种需要．透镜在各种耦台中的作用更不能忽视．它是光纤与其它无源器件和光电器件进行耦台的桥梁。综合分析：以上五种对中结构．各有优缺点．但从结构设计的合理性、批量加工的可行性及实用效果来看，精密套管结构占有明显的优势，目前采用得最为广泛，是连接器发展的主流。我国多采用这种结构制成连接器。1.5.1插入损耗1.5.2重复性1.5.3互换性1.5.4回波损耗1.5.5连接器的、回波损耗的表达方式1.5光纤活动连接器的测试方法1.5.1插入损耗插入损耗的计算公式是：要测量插入损耗IL,只要分别测量出输入光功率P0和输出光功率P1。其测量方法有下列三种.1.基准法基准法又称为截断法，是其他测量方法的基础。测量步骤如下：（1）按图所示测量并记录P1。1010log()LPIdBP（2）在P1稳定后，将临时接点Tj与插头CA之间的光纤截断，截断点J与临时接点TJ的距离应不少于30cm，见图。（3）待系统稳定后，按下图测量并记录P0,见图。（4）按公式计算出插入损耗IL.1.5.1插入损耗（1）如上图，选一标准跳线和一标准转换器。插头1接光源，插头2