关于GPX339型光纤配线架中的连接器的分析与讨论

关于GPX339型光纤配线架中的连接器的分析与讨论一、引言顾名思义，连接器就是起连接作用的一种元器件。连接器无论生产还是使用，都带来了很多好处。首先，它改善了生产过程。因为连接器简化了产品的装配过程，也简化了批量生产过程。第二，连接器使产品易于维修。如果某元部件失效，装有连接器可以快速更换失效元部件。第三，连接器使产品易于升级。随着技术进步，装有连接器时可以迅速更新元部件，用新的、更完善的元部件代替旧的。第四，连接器提高了设计的灵活性。使用连接器使工程师们在设计和集成新产品时，以及用元部件组成系统时，有更大的灵活性。连接器广泛应用于有线和无线领域，包括电子工程技术和光电子技术。例如，一般的有线电视（CableTV），无线电话，信息通讯，测量仪器，太空及军用电子产品，汽车工业、铁路及其它运输工具，以及工业用产品都大量使用连接器。连接器形式和结构是千变万化的，随着应用对象、频率、功率、应用环境等不同，有各种不同形式的连接器。在电子线路中，连接器在电路内被阻断处或孤立不通的电路之间，架起沟通的桥梁，从而使电流流通，使电路实现预定的功能。连接器是电子设备中不可缺少的部件，它通过各种电缆把设备内的各功能模块联系起来，组成一台完成某种功能的整机。比如，我们常见的台式计算机，你打开主机箱就会看到，在主机板上有不少白色或彩色的带状电缆连接着计算机的各个模块，电缆两端即是连接器，在主机板上与其相接的也是连接器。数据通信／电信中，使用相对较多的是射频和微波同轴连接器。它们连接的是通信线路中的微波信号。这类连接器涵盖一般常见的小型连接器如N型，BNC型；微小型连接器如SMA型，SMB型，SMC型；超小型连接器如MCX型，SMP型等。比如，在移动基站中的大功率发射机、无线接收机的机内各模块间的连接，机柜与机柜间的连接，机柜与天线的连接，都是通过这些同轴连接器来实现的。连接器所接通的不仅仅限于电流，在光电子技术迅猛发展的今天，光纤系统中，传递信号的载体是光，玻璃和塑料代替了普通电路中的导线，但是光信号通路中也使用连接器，它们的作用与电路连接器相同。本文主要讨论的就是光纤连接器。但是无论什么样的连接器，都要保证电流、微波、光信号等在传输线路中顺畅连续和可靠地流通。二、光纤连接器的原理和分类在光纤通信（传输）链路中，为了实现不同模块、设备和系统之间灵活连接的需要，必须有一种能在光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，使光路能按所需的通道进行传输，以实现和完成预定或期望的目的和要求，能实现这种功能的器件就叫连接器。光纤连接器就是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，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。在一定程度上，光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。光纤连接器是光系统中使用量最大的光无源器件。对连接器的要求主要是插入损耗小，反射损耗高，重复插拔性好，环境稳定和机械性能好等。由于光纤连接器也是一种损耗性产品，所以还要求其价格低廉。其典型应用包括通信、局域网（LAN）、光纤到户（FTTH）、高质量视频传输、光纤传感、测试仪器仪表、CATV等。1．光纤连接器的一般特征（1）光纤连接器的基本构成目前，大多数的光纤连接器是由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。另外，耦合管多配有金属或非金属法兰，以便于连接器的安装固定。（2）光纤连接器的对准方式光纤连接器的对准方式有两种：用精密组件对准和主动对准。高精密组件对准方式是最常用的方式，这种方法是将光纤穿入并固定在插头的支撑套管中，将对接端口进行打磨或抛光处理后，在套筒耦合管中实现对准。插头的支撑套管采用不锈钢、镶嵌玻璃或陶瓷的不锈钢、陶瓷套管、铸模玻璃纤维塑料等材料制作。插头的对接端进行研磨处理，另一端通常采用弯曲限制构件来支撑光纤或光纤软线以释放应力。耦合对准用的套筒一般是由陶瓷、玻璃纤维增强塑料（FRP）或金属等材料制成的两半合成的、紧固的圆筒形构件做成的。为使光纤对得准，这种类型的连接器对插头和套筒耦合组件的加工精度要求很高，需采用超高精密铸模或机械加工工艺制作。这一类光纤连接器的介入损耗在（0.18～3.0）dB范围内。主动对准连接器对组件的精度要求较低，可按低成本的普通工艺制造。但在装配时需采用光学仪表（显微镜、可见光源等）辅助调节，以对准纤芯。为获得较低的插入损耗和较高的回波损耗，还需使用折射率匹配材料。光纤连接器应用极广，品种繁多。下面我们以最常见的FC型（即圆柱套筒型）连接器为例介绍一下连接器的基本结构。FC型连接器，采用套筒（sleeve）对中和微孔插针（ferrule）配合的结构。这种结构由1只套筒和两只带光纤的插针组成。插针是一只套管，其外径为ф2.499（±0.0005）mm,内径为ф0.125（±0.001）mm。把直径为ф1.125（-0）mm的光纤固定(用EPOXY胶)在插针内孔。套管(sleeve)的内径ф=2.48～2.49mm。与两只带光纤的插针精密配合，完成两根光纤的对中。两个插针的端面则通过两侧的保持弹簧来保证其端面紧密接触。2.光纤连接器的性能光纤连接器的性能，从根本上讲首先是光纤连接器的光学性能；另外为保证光纤连接器的正常使用，还要考虑光纤连接器的互换（同型号间）性能、机械性能、环境性能和寿命（即最大可拔插次数）。目前，对于光纤连接器光性能方面的要求，用户所关心的和厂家宣传的重点还是放在介入损耗和回波损耗这两个最基本的性能参数上。其中，介入损耗（或称插入损耗）是指因连接器的介入而引起传输线路有效功率减小的量值，对于用户来说，该值越小越好。对于该项性能，ITU（国际电信联盟）建议应根据20个样品的测试，确定出平均损耗、标准偏差和样品最大损耗。基保平均损耗值应不大于0.5dB。回波损耗（或称反射衰减、回损、回程损耗）是衡量从连接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一个量度，其典型值应不小于25dB。对于光纤通信系统来说，随着系统传输速率的不断提高，反射对系统的影响也越来越大，来自连接器的巨大反射将影响高速率激光器（开关速率为Gbit／s级）的稳定度，并导致分布噪声的增大和激光器抖动。因此对回波损耗的要求也越来越高，仅满足典型值的要求已无法符合实际要求，还需要进一步提高回波损耗。研究表明，通过对连接器对接端的端部进行专门的抛光或研磨处理，可以使回波损耗更大。ITU建议此类经专门处理过的连接器，其回波损耗值不应小于38dB。减小介入损耗是连接器设计的基础。产生介入损耗的机理有两方面:1）光纤公差引起的固有损耗。主要由光纤制造公差，即纤芯尺寸、数值孔径、纤芯/包层同心度和折射率分布失配等因素产生。2）连接器加工装配引起的固有损耗。这是由连接器加工装配公差，即端面间隙、轴线倾角、横向偏移和菲涅尔反射及端面加工精度等因素产生的。如果两个光纤端面事实上完全接触，则此项损耗不存在。但是两个光纤端面完全接触会相互擦伤甚至挤碎，因而不可取。现实中，通过对端面进行合理设计，在加工中采取恰当的手段可以保证合理的光纤端面与插针体（Ferrule）端面的相对位置。一般要求光纤端面的凹凸量U=0±0.05μm，另外Ferrule端面的曲率半径R在10～25㎜间为佳。实际光纤连接时，这些因素的影响可能同时存在，因而总损耗应是各损耗的迭加。为减少介入损耗，在光纤连接器设计与制造中，应尽量避免上述各种因素的影响。3.光纤连接器的分类我们这里所讲的光纤连接器确切地讲是光纤活动连接器，是按光纤接头可拆卸与否来分类时的一类，所以相应地还有一种不可拆卸的连接器，称为固定连接器。光纤连接器按传输媒介的不同可分为常见的硅基光纤的单模、多模连接器，还有其它媒介如塑胶等为传输媒介的光纤连接器；按连接头结构型式可分为：FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT等等各种型式；按光纤端面形状分有FC、PC（包括SPC或UPC）和APC型；按光纤芯数分还有单芯、多芯（如MT-RJ）型光纤连接器之分。连接器的规格型号较多，表1给出了部分单模光纤连接器的主要特性。各种型号的连接器都有自己的特点和用途。一般长距离通信，大多使用FC型或SC型连接器，其优点是介入损失小，安装容易稳定性高。短距离(≤20km)信号传输，则较多用ST、SMA、FDDI等，且多用于多模系统，因为其精度要求不高，所以成本较低。SC、ST和D4等则适用于用户网和局域网。另外，带状阵列式光缆连接器由于现场连接速度快，性能良好成本低，常用于各种局域网，其它如塑胶类光纤连接器则多用于更短距离通信，自动控制和音响讯号传输等。未来光纤连接器的研发趋势应为低成本、高密度、高可靠度、功能及安装简化等方面发展。表1部分单模光纤连接器的主要特性类型IL典型/最大(dB)RL典型/最差(dB)重复性(dB)寿命/次工作温度℃FC/PC0.2/0.545/40±0.11000-40～+85ST/PC0.2/0.545/40±0.11000-40～+85SC/PC0.2/0.545/40±0.11000-40～+85DIN/PC0.2/0.545/40±0.11000-40～+85三、GPX339型光纤配线架中的连接器GPX339型光纤配线架是一种适用于光纤接入网中局端主干光缆与配线光缆节点的接口设备，可以方便地实现光纤线路的连接、分配与调度。在该设备上可实现光缆的固定与可靠接地功能，光缆的终结功能，调线功能以及光缆纤芯和尾纤的保护功能，是光纤通信系统的辅助设备。整个设备的外形如图1、2所示。光纤在配线架中的连接如图3、4所示。其中，红色护套套住的就是光纤连接器，黄色线缆即是光纤。图1图2图3图4GPX339光纤配线架中使用的连接器主要是FC/PC型光纤连接器，使用的光纤是φ3、长5m的单模光缆。其中，FC是FerruleConnector的缩写，表明其外部加强件是采用金属套，紧固方式为螺丝扣；PC是PhysicalConnection的缩写，表明其对接端面是物理接触，即端面呈凸面拱型结构。此类连接器具有较好的介入损耗和回波损耗性能。以北京罗森伯格电子有限公司上海分公司的技术和标准生产的FC／PC型光纤连接器为例，其100个介入损耗规格值为0.5dB的连接器的最大介入损耗为0.25dB，平均值为0.13dB。回波损耗皆大于45dB，平均值可达到45.8dB。FC/PC属于FC型连接器中的一类插针端面形状为球面接触的连接器。FC型连接器是目前世界上使用量最大的品种，也是我国采用的主要品种。FC连接器大量用于光缆干线系统，其中FC/APC连接器用在要求高回波损耗的场合，如CATV网等。我国已制订了FC型连接器的国家标准。GPX339光纤配线架的使用条件为：环境温度：-15C+40C贮存温度：-25C+55C相对湿度：85%(+30C)大气压力：70kPa106kPa光电性能为：介入损耗0.3dB回波损耗：FC/PC40dBFC/UPC50dBFC/APC60dB插拔耐久性：1000次机架高压防护地与机架间绝缘1000M/500V（DC）机架高压防护地与机架间耐压3000V（DC）/min不击穿，无飞弧工作指标为：标称工作波长：850nm、1310nm、1550nm光纤连接器：符合GB/T12507以及相关标准规定光纤光缆：符合GB/T11819和B/T7424的规定从中我们也可以看出它对光纤连接器的光电性能、工作环境的要求。四、光纤连接器的现状及发展由于光纤通信技术应用领域不断扩大，高速局域网和本地用户网等网络得到了很大发展，出于维护上测量、转接、调度等方面的需要，对光纤连接器提出的要求也越来越多，这些都促进了光纤连接器的发展。就光纤连接器的关键元件——插头支撑套管和耦合套筒而言，Φ2.5mm的插针及配套的耦合套筒将得到较大发展，以此为基础已开发出FC、ST、SC、DIN47255／6、MiniBNC、GFS-11／13、530等多种型号的光纤连接器，而且其技术也在不断进行改进，改进的