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发信人: cheetah (无边的草原是我的家~~~~~~~~~~~~~~~~), 信区: Physics
标  题: 光缆连接器技术的发展趋势
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年06月22日10:11:31 星期六), 站内信件

从20世纪70年代开始，随着光纤通信技术的发展和应用，光纤连接器的技术逐步发
展起来。在80年代，光纤连接器技术还属于起步阶段，各种结构应运而生，多达
20余种，以探讨制造光纤连接器的工艺方法。进入90年代，经过批量制造和应用，
各种结构和工艺的优点逐渐分明，光纤连接器产品逐渐定型，品种虽少但可批量生
产。所用光缆基本上是单芯的，如果是单模光纤，一般是G.652光纤，其结构主要
是以直径2.5mm陶瓷插针为关键零件的FC、ST和SC型三种。
    现在，新的世纪已经向我们走来。在21世纪的初期，光缆连接器的技术将会如
何发展？本文就非零色散位移光纤连接器、整体式多芯光缆连接器、连接器结构的
小型化、装配和检测系统的自动化及端面几何参数的控制等方面做出展望和探讨。


一、非零色散光光纤连接器
    光纤连接器所用的光纤，应当与系统所用的光纤相同，这是一个普遍的原则。
因为只有同种光纤的连接，其插入损耗才能达到最小。目前在多模光纤系统中，人
们已经认可这一原则，因为50/125和62.5/125这两种多模光纤如果连接在一起，损
耗会很大，更不用说与100/140光纤连接。
    在单模系统中，国内目前主要采用普通单模光纤，即G.652光纤，其传输窗口
的波长为1310nm。由于光纤在1550nm波长附近的损耗可以进一步降低，所以又出现
了色散位移光纤，即G.653光纤，这种光纤在1550nm波长附近不仅损耗最低，而且
色散为零。但是，这种光纤在高密度波分复用（DWDM）系统中，当光纤同时传输多
个波长信号时，由于非线性效应，会产生四波混频（FWM），从而限制了光放大
DWDM系统的实现。因而在新的世纪来临时，人们研制了非零色散光纤。
    所谓非零色散光纤是指在1530～1565nm传输波长范围内，其色散为1.3～5.
8ps/nm.km，即G.655光纤。这种光纤可以支持每个波长以10Gb/s的速率传输250km
的中继距离，如使用“负啁啾”发射机，还可以传输更长的距离。
    由于当前国内单模光纤连接一般都是采用G.652光纤制造的，今后在G.655单模
光纤的系统中，如采用目前制造的光纤连接器，对其色散的影响是微乎其微的。例
如，当G.655单模光纤系统长度为250km时，其总色散为325～1450ps/nm，设光纤连
接器的G.652单模光纤的长度为20m，由于该光纤在1530～1565nm传输波长范围内色
散为17ps/nm.km，所以总色散的增加量为0.34ps/nm，对总色散的影响仅为0.02%～
0.1%。
    但是，如果将G.652光纤制造的连接器用于G.655光纤的系统，由于G.652光纤
的纤芯直径较大，为9～10 m,折射率分布一般为台阶型，而G.655光纤的纤芯直径
较小，为8～9 m，折射率分布为△型或凹陷型，较为复杂，所以当两者熔接时，插
入损耗就比较大。康宁公司用光时域反射计（OTDR）对这种接头双向测量的结果是
：从G.652光纤向G.655光纤的插入损耗为－1.23dB，从G.655光纤向G.652光纤的插
入损耗为1.83dB,两者的算术平均值为0.3dB。一般来说，这样大的插入损耗在系统
中是不允许的，因为同种单模光纤的连接，如采用光学对准的方法，其损耗仅为
0.033dB,如采用纤芯对准的方法，其损耗也只有0.041dB。
由此可见，将来非零色散光纤获得普遍应用后，必须采用同种非零色散光纤的光缆
来制造单模光纤连接器，其原则同样适用于今后出现的新型光纤。

二、整体式多芯光缆连接器
    在光缆线路中，一般都是采用多芯光缆。对于通信、有线电视、数据网络等民
用系统，几乎无例外地采用扇形引出器将光缆与光配线架相连。这种扇形引路器是
一种过度性元件，它的一端是与光缆组成元件相同的束管光纤或带状光纤，另一端
是分开的单芯光缆及其连接器，中间用一个模块加以保护，所以其制造技术几乎与
单芯光缆连接器相同。在光配线架的另一边，则采用单芯光缆连接器将已分开的光
缆的各芯分别与光端机相连。
    对于野战、航空、航天、军舰等军用系统，由于机动性和可靠性的要求，光缆
与光端机需要进行直接的整体式连接，即用一个连接器将光缆中所有的光纤与光端
机连接起来,并且有密封、连接强度等要求。现在国内外都有一些这方面的产品，
但这些光缆与民用光缆相比，有两个显著特点：一是光缆的芯数比较少，通常为2
、4、6、8芯等；二是其光纤为紧包二次被覆光纤。正因为这两个特点，所以比较
容易制成整体式的连接器。
    随着军用光连接器制造技术的提高，塑料零件采用模压进行大批量生产，成本
的不断下降，在新的世纪里，这种军用技术很可能转移到部分民用通信设备上。例
如，在一些小芯数（如小于10）民用光缆系统中，在比较恶劣的环境条件下，完全
可以采用整体式的光缆连接器。此外，利用近期研制成功的带状光缆连接器技术，
也可能制成大芯数的整体式连接器。
    整体式连接器除光纤的对准外，主要的技术要求是抗拉强度和密封。在抗拉结
构设计中，应避免光纤受力，采用机械夹持或粘结的方法将光缆的强度元件与连接
器壳体相连。如有密封要求，则连接器的各零件之间以及连接器与光缆之间都必须
考虑纵向或横向的密封。连接器的连接方式，可以采用螺纹式、卡扣式或直插式。
连接器的插针与插孔结构设计，可以是插头与插座式，即一边是汇集所有光纤的插
头，另一边是汇集所有光纤的插座；也可以是中性结构，即不分插头和插座，在这
个中性结构的连接元件中，既含有一半光纤数的插针，又含有一半光纤数的插座，
两个这样相同的连接元件，可以将光缆与光缆或光缆与端机连接起来。

三、连接器结构的小型化
    目前单芯光缆连接器的结构，主要是FC型、SC型和ST型三种。在新的世纪里，
为适应光纤接入网和光纤到家庭（FTTH）的需要，光缆连接器结构将以新一代的体
积更小、价格更低的连接器为主，在结构上大体上有以下4类。
    第一类是在插头直径为2.5mm的连接器的基础上加以改进，如日本NTT公司的简
化SC连接器，美国Panduit公司的双连插头的FJ型连接器，Seicor公司的单插头但
含有二芯和四芯光纤的SC/DC和SC/QC连接器。这一类连接器的安装尺寸与目前连接
器相同，通过简化结构可以提高封装密度，或采用一头的方法，也可提高有效的光
纤密度。
    第二类是围绕光纤带而设计的连接器，如美国AMP公司的MT-RJ连接器（2芯）
，Seicor公司的mini-MT连接器（小于或等于4芯），Berg公司的MAC连接器（小于
或等于18芯）等。这是全新的光纤连接器设计，关键零件MT连接体上开有与带状光
纤相对应的一排小孔，这些小孔的尺寸和间距具有极高的制造精度。光纤连接器制
造时，将剥除覆层的带状光纤整体地插入MT连接体，粘结并研磨抛光。
    第三类是插头直径为1.25mm的小型连接器，如美国Lucent公司的LC连接器，日
本NTT公司的MU连接器，它们基本上是一种单芯的光缆连接器结构。由于从插头到
安装尺寸都减少一半，所以光缆连接器在光配线架中的密度大为提高。
    第四类是无套管的光纤连接器，如美国3M公司的SG连接器，日本NTT公司的
FPC连接器和PLC连接器。这是一种全新概念的光纤连接器，它们利用光纤在纵向受
压条件下的微弯方法，使两根光纤在V型槽或导向管中准直并产生PC接触。
    在新的世纪里，这些新型的连接器将与目前的连接器一起，形成“结构多样，
各显所长，各有所用”的格局。在光缆干线网方面，还是采用FC连接器。对于光纤
带光缆，则使用MT连接器进行固定或活动连接。在光纤用户网的本地交换机中，光
缆终端架上则采用SC或新的LC和MU连接器。当实现FTTH时，在安装于每个用户大楼
或房屋的光网络单元中，则采用简化的SC连接器。在光端机内，印制板与底板之间
的光路连接，将采用单芯光纤的MU连接器或带状光纤的MPO连接器。在印制板上，
光纤器件与光纤器件之间的连接，将采用FPC连接器。平面光器件与光纤之间的连
接，则采用PLC连接器。

四、装配和检测系统的自动化
    目前国内外单芯光缆连接器的装配和检测，一般都是采用手工操作进行的。主
要有三个过程：光缆跳线端部的制备并插入陶瓷套管（简称制备），套管端面的抛
光和检验（简称抛光），外围零件的装配并进行光学性能的检验（简称检验）。手
工操作不仅花费大量的人力，而且会引起各种质量问题。在美国和日本，如此装配
的人工成本约占总制造成本的2/3，所以已有一些大企业建成半自动化或全自动化
的单芯光缆连接器装配和检测系统。
    这些系统主要是针对SC连接器进行装配的，这是因为在目前的FC、SC和ST三种
连接器中，SC连接器最有发展前途，同时SC连接器零件数量少，又是直插式的结构
，易于实现装配和检测过程的全自动化。
以日本NTT公司的全自动装配的检测系统为例，其主要设计有三个方面。首先是流
水线的结构，按工步设置工作模块，将手工装配和检验线的三个主要过程平滑地改
变成全自动的生产线。其次是考虑定位元件，将套管、弹簧和止档三个零件预先装
配成套管组件，以适合于自动装配。第三是采用新的PC抛光技术和抛光表面的检测
技术，以提高每个连接器的回波损耗性能。
    该系统设有三个分系统、九个工作模块。第一个分系统由切割（跳线所需长度
）模块、预处理模块、清洁模块和插入模块组成；第二个分系统由PC抛光模块的抛
光表面检测模块组成；第三模块由外围零件装配模块、光学性能检验模块和印字模
块组成。每个工作模块都有相同的机械和电气接口，以形成一条完整的流水线，接
受系统控制模块的控制程序。
    系统控制模块有三个功能。第一个功能是将操作参数传递给各个工作模块，如
去除光缆的PVC护套的长度、检验规范等，可根据具体的产品而定。第二个功能是
质量控制，将两个检验工作模块（抛光表面检测和光学性能检验）的数据转递给系
统控制模块。第三个功能是作为遥控维修系统的中继，对需要维修的工作模块进行
管理。
    该系统试生产的结果是，一个节拍的时间为75秒，可生产一个跳线端，扣除维
修时间后的工作效率为95%，产品的合格率为97%。

五、端面几何参数的控制
    目前国内连接器制造商对用户一般只提供产品的插入损耗和回波损耗。现在国
外已有研究发现，不同厂商在不同的时间里采用不同材料制造的即使是同样性能的
连接器，在互相配合使用时，往往性能达不到要求，究其原因，是连接器端面的几
何参数相互不匹配，因而提出端面几何参数控制的要求。用户要求制造商不仅要提
供产品的插入损耗和回波损耗数据，而且要提供连接器端面的几何参数。
    影响连接器插入损耗和回波损耗的端面几何参数主要有曲率半径、端面角度、
顶点错位以及光纤的凹陷与凸出。
    IEC（国际电工委员会）对端面曲率半径的规定是10～25mm。根据连接器的不
同设计要求（例如AC或APC），曲率半径可以有所不同。一般说来，PC连接器的端
面曲率半径应为规定范围的上限，即15～25mm之间，APC连接器的端面曲率半径应
为规定范围的下限，即10～15mm之间。
    端面角度是指纤芯所在部位的球面法线与光学轴线之间的角度，只有APC连接
器才有对端面角度的要求。对于常规光纤，APC连接器的端面角度一般为8度，可以
保证有70dB的回波损耗。对于色散位移光纤，由于它有较大的数值孔径，所以端面
角度应大一些，一般为12度。
    顶点错位是指抛光球面的顶点与光纤中心位置的距离，这是由于抛光不精确而
引起的。对于PC连接器来说，由于PC接触的面积集中在球面顶点的周围，并应包括
光纤的纤芯，所以这是一个非常重要的参数。IEC对顶点错位的规定是小于或等于
50 m。
    光纤的凹陷与凸出是对抛光过程中光纤端面与套管球形表面不相吻合的测量，
这是由于套管与光纤材料的硬度不同而引起的，过分的光纤凹陷会引起光纤之间的
不接触状态；而过分的光纤凸出会引起光纤端面的损坏或使光纤与套管之间的粘结
失效。IEC规定，在球面曲率半径为10～12mm时，光纤的凹陷与凸出应在－0.1～
0.1 m之间；在球面曲率半径为13～17mm时，光纤的凹陷与凸出应在－0.1～0.
075 m之间；在球面曲率半径为18～25mm时，光纤的凹陷与凸出应在－0.1～0.05 
m之间。
    所有这些端面几何参数，都可以用一种自动的非接触干涉系统进行测量。
    
    以上一些技术发展的动向，均根据国外有关试验资料或论文，它们有的可能很
快会在我国实现，有的可能要经过一段时间的论证，根据我国的国情而定。我们相
信，在新的世纪里，我国在光连接器技术方面还会产生很多具有自主知识产权的新
技术，到那时，我国光连接器技术就进入一个崭新的时代。
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