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：外径不圆度小于0.

2、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。141 ml 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： 外径： 内径： 内孔光洁度： 弹性变形：小于

3、0.005mm 插针插入或拔出套筒的力：3.925.88N00.023.2mm0.0020.0072.5mm14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。 2.50.005mm1.2.2 套筒1.3.1连接器接头1.3.2跳线1.3

4、.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

5、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

6、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输出光的功率插入损耗愈小愈好。)(log1001dBPPIL1.1.2 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

7、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。)(log100dBPPRrL1.1.2 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. 21lg102adI

8、ld单模光纤的，其错位损耗由下式表示：2)/(log10wdldeI1.1.3 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)/(log10wdldeI1.1.3 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(10LI单模光纤的倾斜损耗为：22)/(log1

9、0nLeI包层折射率波长相同与式231.1n1.1.3 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(10KaZILz1.1.3 影响插入损耗的各种因素单模光纤的端面间隙为：22222/()(1 1log10nZILZ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：

10、dBKaZILZ006. 0)41log(102501. 046. 1ak单模光纤的端面间隙损耗为：dBnZILZ089. 0)2/()(1 1log102222455. 131. 12n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：42)1 (16log10KKILf空气折射率光纤纤芯折射率0101/nnnnK取 ，通过计算可得4

11、6. 1, 110nndBILf32. 01.1.3 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。12aa12aa12aa1.1.3 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

12、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(100NANAILNA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.球面接触球面接触 将装有光纤的插针体

13、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。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

14、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

15、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

16、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

17、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。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

18、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