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航空用单芯光纤连接器制作检测技术概述

    作者:宏拓新软件
    发布日期:2024-07-08         
阅读:45     
 
 

摘要:光纤通信技术已经广泛应用于航空、航天等领域,极大地提高了装备信息传输性能。单芯光纤连接器(光纤跳线)作为光纤传输系统中的一种重要无源器件,能够实现光纤之间或设备之间的信号传输。本文介绍了航空领域配套应用的光纤跳线的制作工艺、检测技术。

关键词:光纤跳线、工艺、检测技术

 

0 引言

光纤是由玻璃或者塑料制成的一种纤维材料,作为光纤通信系统中光信号传输的媒介。与传统电缆、无线电通信相比,光纤通信具有频带宽、通信容量大、损耗低、质量轻、保密性强、原材料丰富、成本低、适用于长距离传输等特点。随着武器装备的发展,光纤通信也被广泛应用于航空、航天等领域。

由光纤和连接器件组成的光纤跳线(即单芯光纤连接器)作为整个光纤传输链路中最基本的单元,广泛应用于光通信传输系统。光纤跳线是通过两个端面的物理接触实现光信号的有效传输,它的质量影响了整个光纤通信系统的传输性能,与地面商用光纤跳线相比,航空、航天领域应用的光纤跳线质量要求更高。

1 光纤跳线的制作工艺

国际电信联盟(ITU)将光纤连接器(光纤跳线)定义为用以稳定地,但并不永久地连接两根或多根光纤的无源组件。光纤跳线作为光信号的传输媒介,光纤跳线作用与传统电缆类似,也是实现能量、信号的传输,但制作工艺和检测方法却相差甚远。

1.1 制作步骤及方法

一套完整的光纤跳线加工工艺过程包括剥纤、调胶、注胶、穿纤、粘接固化、前端处理、夹具安装、研磨(去胶)、研磨(粗磨)、研磨(细磨)、研磨(抛光)、端面检查、后续组装、性能检查、盘纤等诸多步骤。

本文以光纤LC/UPC跳线为例,选取其中主要制作步骤、方法进行简要介绍:

1.1.1剥纤

剥纤包括以下几个步骤,具体见下图:

1)按光纤工艺文件要求,将光纤外皮剥去一定长度;

2) 留下一定长度Kavlar;

3) 剥纤,留下一定长度涂覆层;

4) 用剪刀将光缆对称地剪两个开口;

5) 将光纤用无尘布、酒精擦拭干净。

1.1.2调胶、注胶

调胶、注胶包括以下几个步骤:

1) 调胶:将353ND胶A胶:B胶=10:1(重量比),或者8.5:1(体积比)调制一定量,使用干净的搅拌棒充分搅拌后放入离心脱泡机,离心脱泡3~5min,确保配置的胶里无气泡。脱泡后放入注射管内或玻璃瓶中;

2) 将注胶针头插入陶瓷插针尾柄中,踏下踏板或推动注射器将胶注入,使得插针表面形成0.5mm大小的胶包; 也可采用牙签点胶方式将胶涂在光纤上以后将光纤穿入插芯;

注意:千万不能将胶弄到陶瓷插针的柱面上,也尽可能不要将胶粘到金属尾座上。

1.1.3穿纤

穿纤包括以下几个步骤:

1) 将光纤从插针尾部穿入后,从前端穿出。在穿纤过程中要将插芯边旋转边推入,使胶能均匀地分布在插芯孔内;

2) 穿纤后要保证插针前端有一个0.5mm左右的胶包,如果没有,则要用牙签在光纤前端涂上一个胶点后回拉一下,使胶充分贴在插针面上;

3) 在光纤插针的金属尾柄的口上应保证充足但不过多的胶水,其胶包的直径尽可能不要大于尾柄的直径。

1.1.4粘接固化

粘接固化包括以下几个步骤:

1)将已上胶固定好的插芯放入固化炉中进行加热。加热温度为120℃,加热时间10分钟;

2)如考虑到各种光纤连接器的散件质量不同,固化温度可相应调整。相对于120度每降低10度,固化时间增加一倍;

3)固化时当温度上升到70度左右时,胶体变得容易流动。要注意光纤不要不小心被光缆拖动时拖出;

4)放置插芯要注意不要将光纤碰断,特别是光纤露出较长时更要注意。

1.1.5前端处理

光纤前端处理包括以下几个步骤:

1)用光纤划笔垂直地贴在漏出胶包端面的光纤上划一下,然后用划笔轻推折断光纤;

2)如果陶瓷端面有突出胶面或划纸的光纤,将用过的去胶砂纸打磨平滑,用小手指侧面轻划端面不应有针刺感;

注意:割纤时不要一次划纤时硬性推断,如发现光纤端面没有胶包时应先再次补上固化后,再次割纤。

1.1.6夹具安装

夹具安装包括以下几个步骤:

1)将光纤连接器或光纤插针均匀地插入研磨夹具各个孔中。如无法顺利地插入可能是孔中不干净或光纤插针上有胶;

2)如光纤一次研磨的数量小于研磨夹具孔的数量时,应尽可能地将空余的孔均匀分布;

3)装夹完后要注意观察光纤插针露出夹具底面的高度是否一致,并反向地推动一下,检查是否有弹性,可上下活动;

4)对没有弹性的光纤插针应取下清洁光纤插针侧面或夹具孔后再插入并检查。

光纤连接器最重要的指标有插入损耗、回波损耗、重复性以及互换性,而光纤端面的质量在很大程度上影响着这些指标,选择先进的光纤研磨设备并摸索出与之相适应的成熟的光纤研磨工艺是保证光纤跳线质量的关键。评价光纤连接器的质量时,除了插入损耗、回波损耗等光学性能参数,还要测量光纤连接器插芯端面在研磨抛光后的几何形状参数,包括曲率半径、顶点偏移以及光纤凹陷等。光纤研磨后端面形状参数需保持在一定范围,并且尽量去除光纤端面变质层,避免光纤端面出现较严重划痕、斑点及其他污损,从而使光纤保持良好的接触,满足低插入损耗、高回波损耗的性能要求。

研磨图示

图1 光纤连接器研磨图示

光纤研磨是研磨纸表面研磨颗粒作用于光纤表面的过程,插术芯种类、材质不同,相应的研磨步骤也不同。以下结合实际生产经验进行简述:

1.1.7研磨(去胶)

光纤去胶包括以下几个步骤:

1)将少量的干净水喷在橡胶垫(硬度90)表面,将碳化硅研磨纸粘至橡胶垫上;

2)设定定时器时间为30秒,按下绿色按钮,研磨机转动十次后,两两相对压上四角手柄;

3)光纤研磨后抬起研磨盘。观察插针顶端是否还有环氧胶,如果仍然有环氧胶,则再增加10秒;

4)用清水、酒精和软纸擦拭,彻底地清洗研磨盘的底面和插针的端面,并在每次研磨后清洗研磨纸。

1.1.8研磨(粗磨)

光纤粗磨包括以下几个步骤:

1)将少量的干净水喷在橡胶垫(硬度80)表面,将金刚砂研磨纸粘至橡胶垫上。将适量的润滑液滴在研磨纸表面;

2)设定定时器时间为40秒,按下绿色按钮,研磨机转动后,两两相对压上四角手柄;

3)光纤研磨完后抬起研磨盘。用清水和软布擦拭,彻底地清洗研磨盘的底面和插针的端面,并清洗研磨纸;

4)注意:如果清洁不净,本道工序所带来的砂粒将会影响下道工序的研磨结果,从而造成插损和回损的不合格。

1.1.9研磨(细磨)

光纤细磨包括以下几个步骤:

1)将少量的干净水喷在橡胶垫(硬度85)表面,将金刚砂研磨纸粘至橡胶垫上。将适量的润滑液滴在研磨纸表面;

2)设定定时器时间为40秒,按下绿色按钮,研磨机转动后,两两相对压上四角手柄;

3)光纤研磨完后抬起研磨盘。用清水和软布擦拭,彻底地清洗研磨盘的底面和插针的端面,并清洗研磨纸;

4)注意:如果清洁不净,本道工序所带来的砂粒将会影响下道工序的研磨结果,从而造成插损和回损的不合格。

1.1.10研磨(抛光)

光纤抛光包括以下几个步骤:

1)将少量的干净水喷在橡胶垫(硬度90)表面,将金刚砂研磨纸粘至橡胶垫上。将适量的纯净水滴在研磨纸表面;

2)设定定时器时间为40秒,按下绿色按钮,研磨机转动后,两两相对压上四角手柄;

3)光纤研磨完后抬起研磨盘。用清水和软布擦拭,彻底地清洗研磨盘的底面和插针的端面,并清洗研磨纸;

4)从盘上取下连接器,用水彻底清洗研磨盘。

2 光纤跳线检测

光纤跳线主要技术指标包括研磨后的端面质量、3D参数、插回损参数等,这些指标的好坏决定了光纤跳线性能的优劣。

2.1 端面检查

光纤端面在研磨、抛光过程中不可避免地会产生损坏或污染,常见的光纤端面缺陷有颗粒、凹点、碎屑、划痕以及破损等。光纤连接器插芯端面是决定连接器研磨质量、光纤跳线质量的重要指标,对整个光通信系统的传输性能至关重要,通过端面检测仪可以很快检测出划痕、斑点等缺陷和污染物。

端面检查包括以下几个步骤:

1)将研磨好的插芯放入到放大镜的适配器上,观察光纤连接器上端面有无碎裂、划痕、斑点等表面情况;

2)对不合格的将其挑出分类、标记,然后在不同的工序上进行重新研磨;

3)如一次性出现端面划痕、斑点较多,则应考虑是否存在清洁、插针长度较短、砂纸使用次数过多等问题。

图2a) 合格 图2b) 不合格 

  图2a) 合格                                                 图2b) 不合格

图2 光纤连接器端面检查图示

根据IEC 61300标准要求,光纤连接器端面对于单模连接器,A区(纤芯区域)不能存在划痕及斑点;B区(包层区域)小于2μm的划痕可以存在,2~5μm 的划痕不能超过5个,5μm 以上的划痕不能出现,小于3μm的斑点可以存在;C区粘接层对划痕、斑点不作要求;C区插芯区不能出现大于10μm的划痕,斑点不作要求。多模连接器B,C,D区域与单模连接器要求相同,不同的是多模连接器A区允许存在一些轻微划痕斑点,具体为5μm 以内的划痕不能超过4个,5μm以上的划痕、斑点不能出现。

2.2 3D参数检测

光纤链路的成功连接取决于光纤物理连接的质量,为了提高光纤连接器和光信号的传输效率,必须严格控制光纤连接器端面的几何尺寸,以减少插入损耗和回波损耗。如果端面几何尺寸没有严格控制或者几何尺寸不能达到要求,将面临系统连接失败、可靠性低等问题,因此对光纤连接器端面进行3D参数检测非常重要。常用3D指标参数要求如下表所示:

表1 常用3D指标参数要求

常用3D指标参数要求

2.3 插回损检测

在光纤通信系统中,光通信器件对通信质量有着重要影响。对于接入光纤网络中的光通信设备和光器件,都需要经过严苛的指标测试,其中插入损耗和回波损耗是最基本的两项指标。回波损耗是光信号通过光纤连接器后入反射光功率的损耗,插入损耗则是光经过光纤连接器后损耗的光功率,较低的回波损耗会干扰发射激光信号的稳定性,较高的插入损耗则会限制光信号的传输距离。因此,光纤插回损检测至关重要。通常情况下,单模连接器插入损耗≤0.3dB,回波损耗≥60dB;多模连接器插入损耗≤0.2dB,回波损耗≥25dB。

3 结语

本文介绍了航空用光纤跳线生产工艺流程以及相关端面检测、3D参数检测、插回损检测标准及方法,可作为各类型光纤跳线制作与检测的参考。光纤跳线作为光纤通信系统中重要的组成部分,研究其制作及检测技术对建设高质量、高可靠性的通信系统具有重要意义。

 

参考文献

林学煌. 光无源器件[M]. 北京:人民邮电出版社,1998.

Joseph,C.,Palais,光纤通信(第五版)电子工业出版社,2015-6;

 

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