摘要：光电转换技术是光通信的连接器关键技术，光电转换器件也多用于光通信网络的发射端和接收端。光信号经过长距离传输后，也会衰减失真，导致通信失效。中继技术是解决该问题的优良方案。野外作业具有临时性、随机性，现有光通信中继技术往往采用中继放大器，但该类连接器产品，体积较大，不易于安装拆卸，且耐环境性能相对较差。本文提出了一种能够起到中继作用的光增益连接器方案，并对其结构和原理进行了简要概述。
关键词：增益、中继、连接器
1 引言
光纤通信具有带宽大、传输距离长、保密性好等特点。随着光纤通信技术的发展，光纤通信技术被应用于各行各业，野外作业也常常搭建光纤连接器通信系统。光信号经过长距离传输后，也会衰减失真，导致通信失效。野外作业具有临时性、随机性等特殊性，现有光通信中继连接器技术往往采用中继放大器，但光增益连接器产品，体积较大，不易于安装拆卸，且耐环境性能相对较差。
本文介绍了一种光增益连接器方案，设计后的该类连接器可以与相同接口的连接器实现匹配对接，实现光电信号的集成传输，能够拥有优良的光信号放大和传输性能，可实现多种形式的安装，操作方便，易于维护，可耐强振动、冲击，具备良好的耐环境性和较高的可靠性。
2 设计指标
光增益连接器主要技术指标如下：
连接器额定电流：5A;
连接器使用温度：-55℃～125℃;
连接器接触电阻：≤10mΩ;
连接器绝缘电阻：≥5000MΩ;
连接器耐电压：500V;
光纤连接器插入损耗：≤2.0dB@1550nm;
防淋雨：IP67;
振动：10～2000Hz，加速度196m/s2;
冲击：735m/s2,11ms;
机械寿命：500次。
3 结构方案及技术路径
3.1 总体方案
本连接器产品方案的结构图示如下：
图1 光增益连接器图示
光增益连接器产品主要包括1-圆盘壳体，2-前绝缘体，3-光放大模块，4-后绝缘体，5-电插针，6-密封垫，7-密封圈，8-锁紧螺母，9-安装螺母;
其中：3-光放大模块置于后绝缘体中，将4-后绝缘体套在3-光放大模块，然后将2-前绝缘体、3-光放大模块、4-后绝缘体一同送入1-圆盘壳体内，将8-锁紧螺母旋紧至4-后绝缘体平面，从而起到限位作用，6-密封垫从壳体两端送入圆盘壳体退刀槽内，7-密封圈套在1-圆盘壳体密封槽内，9-安装螺母套在1- 圆盘壳体上;
其中：3-光放大模块可以实现对光信号的放大，实现光信号的长距离传输;
其中：6-密封垫在与配套产品对接使用时，可以实现密封功能，起到防尘、防水的作用;
其中：9-安装螺母可以将转接器固定在安装面板上，7密封圈与安装面板紧密贴合，实现密封的作用。
3.2光放大模块的组成及路径
该连接器产品中的核心部分为光放大模块。该类光放大模块可以通过电插针直接进行插拔，使用方便、灵活，避免了常规光放大器引脚必须焊接使用的复杂操作;同时该类连接器产品无需提前预置尾纤，可以直接与相同接口的光纤连接器对接，安装维护方便的同时，减小了连接器产品的尺寸;同时，该类连接器产品可以集成于连接器、集成板等产品中，实现集成化安装。
该光放大模块包括1-壳体， 2-透镜垫块， 3-TEC，4-光插口组件，5-打线垫块，6-隔离器，7-调节垫块，8-放大芯片组件，9-透镜，10-电插针组件，11-上盖板;
图2 光放大模块结构图示
其中：10-电插针组件采用一体成型技术，成型后与1-壳体封焊在一起，3-TEC通过胶水贴装在1-壳体上，8-放大芯片组件通过胶水贴装在3-TEC上，2个2-透镜垫块贴装在3-TEC上，分别位于8-放大芯片组件两侧，5-打线垫块贴装在TEC上，7-调节垫块贴装在壳体上，9-透镜通过胶水固定在2-透镜垫块上，6-隔离器贴装在7-调节垫块上，4-光插口组件焊接在壳体两端，11-上盖板焊接在1-壳体上。
图3 电插针组件图示
光增益连接器模块中的电路通过金丝键合技术实现连接，达到电流的预期传输目的。金丝键合是通过施加压力、机械振动、电能或热能等不同能量于连接器接头处，形成连接接头的一种工艺方法，属于压力焊接的一种。金丝在键合接头内不熔化，但是在被连接面之间发生原子扩散，即与被连接面之间已达到了产生原子结合力的距离，从而实现连接。一般情况下，从键合工具及对引线端部的工艺处理不同可将金丝键合分为球形键合和楔形键合。相关连接器测试方法可以参照GJB 548B-2005 《微电子器件试验方法和程序》。
图4 球形键合图示
图5 楔形键合图示
3.3光插口组件结构方案及路径
光插口组件是实现转换连接器的关键接口，其连接器结构如下所示：
图6 光插口组件
光插口组件是实现小型化、便携化的关键。它主要包括1-插口后壳体， 2-插口前壳体，3-套管，4-光窗，5- 准直透镜，6-陶瓷插针。其中光窗起到密封的作用，准直透镜采用四分之一节距透镜，实现光束的自聚焦准直功能，从而保证光束能较好的耦合进陶瓷插针的光纤连接器中。套管起到对中调节的作用，保证与之对插的连接器实现良好的耦合。
需要说明的是，连接器产品设计精度不足会导致光纤连接时出现损耗过大甚至失效的现象。由连接器产品设计精度不足引起的损耗一般包括错位损耗、间隙损耗、倾斜损耗等。
由于纤芯横向错位引起的损耗叫错位损耗。它是产生连接器损耗的重要因素之一。例如，相关研究表明，当连接器要求错位损耗小于0.1dB时，多模光纤横向错位应小于3μm，单模光纤横向错位应小于0.8μm。
图7 错位损耗示例
在光纤端面连接处，由于端面存在间隙而引起的损耗叫间隙损耗。由理论及大量生产实践验证可知，只要端面间隙控制在1μm以内，这种损耗就可以忽略不计。
图8 间隙损耗示例
在光纤连接处，由于两光纤轴向的角度倾斜而引起光功率的损耗称为倾斜损耗。有相关研究表明，若倾斜角度可以控制在0.1°以内，由角度偏差所引起的连接器损耗可以忽略不计。
图9 倾斜损耗示例
所以在光插口组件设计时，应对配合连接器尺寸进行严格的计算。包括零件精度、孔腔同轴度、接触长度等等。孔腔同轴度精度过低会引起错位和倾斜损耗，而零件精度要求过低，会导致接触长度不足(间隙损耗)或过量接触(导致端面磨损甚至缩针现象)。
4 结论
设计后的该类光增益连接器，集成了光放大装置及电传输装置，可同时实现光信号、电信号的集成传输，并且可以对光信号进行放大，避免了光信号长距离传输后衰减失真现象，延长了光信号的传输距离 ;该类连接器产品可以与相同接口的连接器互换对接，使用时可以实现面板安装也可以作为自由端直接使用，易于安装、便于维护，具有较强的抗振动、冲击能力，具备良好的耐环境性和较高的可靠性。
随着科学技术的发展，光电转换及中继技术也会随之得到进一步发展，相信未来，该种类型的光增益连接器也会得到发展和应用。 |
