第七讲 光纤连接器

1、第一章第一章 光纤活动连接器光纤活动连接器 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 3.1.1 光纤活动连接器 套管结构的核心是插针与套筒。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 要尺寸如图要尺寸如图3.6所示。所示。 图图3.6 3.6 插针的结构与主要尺寸插针的结构与主要尺寸 3.1.1 光纤活动连接器 插针的精度要求是：外径不圆度小于插针的精度要求是：外

2、径不圆度小于0.0005 mm； 外圆柱面光洁度为外圆柱面光洁度为 ；微孔偏心量小；微孔偏心量小 于于 ；插针端面为球面，其曲率半径为；插针端面为球面，其曲率半径为20 60 mm。 14 1 m l 插针的材料由不锈钢、不锈钢镶陶瓷、全陶瓷、 玻璃和塑料。 l 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。 l 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：

3、 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：3.925.88N 0 0.02 3.2mm 0.002 0.007 2.5mm 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。

4、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 l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。 l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 l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。 l在工程上及仪表中，大量

5、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 l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。 l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 n 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。 n 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

6、光纤转换器 l 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。 l 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。 l 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

7、光的功率 插入损耗愈小愈好。 )(log10 0 1 dB P P IL 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。 )(log10 0 dB P P R r L 1.1.2 连接器的重要指标 1.1.3 影响

8、插入损耗的各种因素 1. 纤芯错位损耗纤芯错位损耗 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. 21lg10 2 adIld 单模光纤的，其错位损耗由下式表示： 2 )/( log10 wd ld eI 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 1 1 62/3 /22 ) 879. 2619. 1 65. 0( n anV a VV 右图表示错位与损耗 之间的关系曲线： 2 )/( log10 wd ld eI 1.1.3 影响插入损耗的各种

9、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 L I 单模光纤的倾斜损耗为： 2 2 )/( log10 n L eI 包层折射率 波长 相同与式 2 31.1 n 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

10、 影响插入损耗的各种因素 3. 光纤端面间隙损耗光纤端面间隙损耗 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： ) 4 1log(10K a Z I Lz 1.1.3 影响插入损耗的各种因素 单模光纤的端面间隙为： 22 2 2 2/()(1 1 log10 nZ ILZ 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： dBK a Z ILZ006. 0) 4 1log(10 25 01. 0 46. 1 a k 单模光纤的端面间隙损耗为： dB nZ I LZ 089. 0 )2/()(1 1 log1

11、0 22 2 2 455. 1 31. 1 2 n 结论结论： 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： 4 2 )1 ( 16 log10 K K I Lf 空气折射率 光纤纤芯折射率 0 1 01 / n n nnK 取 ，通过计算可得46. 1, 1 10 nndBILf32. 0 1.1.3 影响插入损耗的各种因素

12、5. 纤芯直径不同的管线连接时产生的连接损耗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(10 2 12 aa ILa 21 21 aa aa 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。 12 aa 12 aa 12 aa 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

13、值孔 径为NA2,则连接处由于数值孔径不同而产生的损耗为 1 2 2 1 2 log10 ) ) log(10 0 NA NAILNA 式）（当 式）当 21 21 ( NANA NANA 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.

14、球面接触球面接触 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25mm60mm。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。

15、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

16、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

17、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。 综合分析综合分析：以上五种对中结构各有优缺点但从结构设计

18、 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 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。 1 0 10log() L P IdB P （

19、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通过标 准转换器与插头三相连，插头四与光功率计相连，测量并纪录P1; （2）将插头2拔出并插入光功率计，测量并纪录P0； （3）用公式算出插头3对标准插头2的插入损耗值； 使用这种方法的先决条件是要有标准跳线和标准转换器。插入损 耗是相对于他们而言的。 1.5.1 插入损耗 2. 跳线插入损耗测试跳线插入损耗测试 在大批量的生产过程中，跳线的插入损耗的测试必须快速、 准确、无破坏性。因此上述方法不能满足这一要求。常用的 方法是采用标准跳线对比法，其步骤如下： 1.5.2 重复性 n 重复性是指同一对插头，在同一只转换器中多次插拔之 后，其插入损耗的变化范围，单位用dB表示。插拔次数 一般取5次，先求出5个数据的平均值，在求出平均值的 变化范围。性能稳定的连接器的重复性应小于 。 n 重复性和使用寿命（即允许插拔的次数）是有区别的。 前者是指在有限的插拔次数内，插入损耗的变化