光纤的连接

任务一　光纤的连接

◆知识点

¤　产生光纤连接损耗的因素

¤　光纤熔接的一般方法

¤　光纤活动连接器的基本分类

¤　光纤活动连接器安装的一般技术

◆任务目标

¤　掌握光纤熔接的一般方法及注意事项

¤　了解光纤活动连接器的种类与安装的一般技术

任务导入：

要形成一条光纤线路，就要进行光纤线路的低损耗连接。这些连接存在于光源与光纤，光纤与光纤以及光纤与光检测器之间。光纤的连接有的是永久连接，有的是可拆卸的连接的。永久性的连接通常指的是一个接头，通常用作线路中间光纤与光纤的连接；而一个易拆卸的连接则称为连接器，俗称活接头，常位于光缆终端处，用于将光源或光检测器与光缆中的光纤连接起来。

相关知识：

1.光纤的接续损耗

所谓损耗就是指光纤每单位长度上的衰减，单位为dB／km。光在光纤中传输时会产生损耗，而损耗的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近。这种损耗主要是由光纤自身的传输损耗和光纤接头处的连接损耗组成。然而光缆一经定购，其光纤自身的传输损耗也基本确定，而因光纤的接续而产生的损耗则与光纤的本身及现场施工等诸多因素有关。光纤的连接损耗占整个光纤线路损耗的相当大的一部分，因此光纤连接问题不容忽视，努力降低光纤的接续损耗，对光纤通信有着非常重大意义。

影响光纤接续损耗的因素较多，大体可分为光纤本征因素和非本征因素两类。

（1）本征因素造成的损耗

本征因素所造成的损耗是由光纤制造过程中出现的偏差和缺陷而引起的，不能用机械或外加工的方法加以修正，是固有的损耗。

造成这类损耗的原因主要有如下几个：光纤模场直径不一致；根光纤芯径失配；纤芯截面不圆；纤芯与包层同心度不佳等。其中由于光纤模场直径的不一致而产生的影响最大。按国际电报电话咨询委员会（CCITT）建议，单模光纤的容限标准为：模场直径为（9～10）μm±10%，即容限约±1μm；包层直径为（125±3）μm；模场同心度误差应小于或等于6%，包层不圆度应小于或等于2%。

（2）非本征因素造成的损耗

影响光纤接续损耗的非本征因素，是光纤制造过程结束后，进行对接出现的损耗，是附加损耗。这类损耗主要由以下几方面原因造成：

①轴心错位。由于单模光纤纤芯很细，两根对接光纤轴心错位，使得纤芯不同心，从而影响接续损耗。当错位1.2μm时，接续损耗达0.5dB。如图5.1所示。

图5.1

②轴心倾斜。当光纤断面倾斜1°时，约产生0.6dB的接续损耗，如果要求接续损耗≤0.1dB，则单模光纤的倾角应≤0.3°。如图5.2所示。

图5.2

③端面分离。当熔接机放电电压较低时，容易产生端面分离，损耗很大，这种情况一般在有拉力测试功能的熔接机中是可以发现的。如图5.3所示。

图5.3

④端面质量：光纤端面的平整度不好时也会产生损耗，甚至气泡。如图5.4所示。

另外，接续人员的操作水平、操作步骤、盘纤工艺水平、熔接机中电极清洁程度、熔接参数设置、工作环境清洁程度等都会影响接续损耗值。

图5.4

2.光纤的固定连接

光纤间不可拆除的对接便是光纤的固定连接，通常称为接头。常用的固定接续的方法有熔接法和V型槽机械连接法两种。

熔接法是在光纤端面处理好后，进行轴心对准，熔化光纤端面进行连接。这种方法产生的连接损耗非常小，典型的平均值为0.06dB。

V型槽机械连接法，将制备好的光纤端面紧靠在一起，用V形槽固定接头，然后将两根光纤使用粘合剂粘合在一起或是采用压盖将光纤固定。这种连接方法的损耗一般在0.1dB左右。

我们往往希望光纤的固定接续能操作简便、插入损耗小、性能稳定。因而，采用高精度的全自动熔接机来熔接光纤，是目前最为常用且实用的一种固定接续的方法。

（1）光纤固定接续的基本要求

光纤的固定连接主要用与传输线路中的永久性接续，接续的质量好坏直接影响光纤的传输损耗，传输距离，以及传输系统的稳定性和可靠性。因此，我们对光纤的固定接续有以下几点要求：操作简单、便于实现；损耗要小、稳定性要好；机械强高、寿命长；接头体积小、易保护；成本低、材料易采购。

（2）光纤熔接机简介

单纤熔接机是目前使用最广泛的一种常用机型，它一次可完成一根光纤的连接。它可对光纤进行自动对准、熔接和连接损耗的测试，具有热接头图像处理系统，能对熔接过程自动监测。

光纤熔接机主要由高压电源、放电电极、光纤调准装置、控制器和显示器几部分构成。

高压电源用于产生3000～4000V高压。

放电电极安装于电极架上，两尖端间隔一般为0.7mm，在接通高压后电极间产生电弧，使光纤熔化。

光纤调准装置是对光纤进行对准的微调机构，它的微调范围在±10μm以上。

控制器包括监视单元和微处理机两部分。其监视单元是本地光功率监测，由微处理机完成自动调整和连接损耗估算。可以通过改变微机程序调整放电时间和放电电流。

显示装置采显微镜观察被接光纤端部，用电视或液晶显示器观察光纤状态和熔接质量。

（3）光纤的熔接主要步骤

光缆熔接是一项细致的工作，要求操作者周密考虑，规范操作。只有提高实践操作技能，才能降低接续损耗，全面提高光缆接续质量。光纤熔接的操作过程包括端面的制备、光纤熔接、熔接补强保护。

光纤端面的制备包括剥覆、清洁和切割三个环节。合格的光纤端面是熔接的必要条件，端面质量直接影响到熔接质量。光纤熔接是接续工作的中心环节，采用高性能的熔接机以及在熔接过程中科学操作十分重要。由于光纤在连接时去掉了接头部位的涂覆层，其机械强度降低，因此，要对接头部位进行补强，熔接补强操作也是不可缺少的重要环节。

（4）光纤熔接的注意事项

光纤熔接的注意事项如下：

①热缩管应在剥覆前穿入，严禁在端面制备后穿入。

②剥纤时应掌握平、稳、快三字剥纤法。

③对进行裸纤清洁时，一块棉花使用2～3次后要及时更换，每次要使用棉花的不同部位和层面。

④切割后的裸纤长度应保留在1.5cm左右。若太长，熔接后超过热缩管长度，则不能保护裸纤。

⑤制备光纤端面时必须先擦拭后切割，制备好的光纤端面必须清洁，不得有污物。裸纤的清洁、切割和熔接应紧密衔接，不可间隔过长，特别是已制备的端面切勿长时间暴露在空气中，更不能使其受潮。

⑥熔接作业开始前需要做放电试验。使熔接机在熔接环境中放置至少15分钟。

（5）光缆接续质量

光损耗是度量光纤接头质量的重要指标。我们可以使用光时域反射仪（OTDR）或熔接接头的损耗评估方案等方法来确定光纤接头的光损耗。

①OTDR测试仪表监测。光时域反射仪（OTDR，Optical Time Domain Reflectometer）是一种科技含量很高的精密仪表。它所采用的测试技术称为背向散射测试技术。能测试整个光纤链路的衰减，并能提供和长度有关的衰减细节。它同时可测接头损耗及故障点。OTDR具备非破坏性且只需在一端测试的优点。功能多、操作简便、测量的重复性高、体积小、不需其他仪表配合、能自动存储和打印测量结果，目前已成为光通信系统工程检测中最重要的仪表。见图5.5。

加强OTDR测试仪表的监测，对确保光纤的熔接质量、减小因盘纤带来的附加损耗和封盒可能对光纤造成的损害，具有十分重要的意义。

图5.5　OTDR光时域反射仪

②熔接接头的损耗评估方案。某些熔接机使用一种光纤成像和测量几何参数的断面排列系统，通过从两个垂直方向观察光纤，通过计算机处理并分析该图像，从而确定包层的偏移、纤芯的畸变、光纤外径的变化和其他关键参数，使用这些参数来评价接头的损耗。但依赖于接头和它的损耗评估算法求得的接续损耗可能与真实的接续损耗有相当大的差异。

3.光纤的活动连接

光纤的活动连接是靠连接器来实现的，连接器俗称活接头，国际电信联盟（ITU）建议将其定义为“用以稳定地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”。连接器的使用，使得光通道间的可拆式连接成为可能，为光纤提供了测试入口，方便了光系统的调测与维护；同时也为网路管理提供了媒介，使光系统的转接调度更加灵活。

（1）光纤连接器的基本构成

目前，大多数的光纤连接器一般采用高精密组件（两个配合插头和一个耦合管）实现光纤的对准连接。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。光纤连接器的基本构成见图5.6。

图5.6　光纤连接器的基本构成

（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。

（3）部分常见光纤连接器

按照不同的分类方法，光纤连接器可以分为不同的种类，按传输媒介的不同可分为单模光纤连接器和多模光纤连接器；按结构的不同可分为FC（Ferrule Connector螺纹连接）、SC、ST、D4、DIN、Biconic、MU、LC、MT等各种型式；按连接器的插针端面可分为FC（Face Connect，平面接触型）、PC（Physical Connect，物理球面接触型）和APC（Angle Physical Connect，角度物理斜面接触型）；按光纤芯数分还有单芯、多芯之分。

在实际应用过程中，我们一般按照光纤连接器结构的不同来加以区分。以下简单地介绍一些目前比较常见的光纤连接器。

①FC（Ferrule Connector）型光纤连接器。这种连接器最早是由日本NTT研制。FC的外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。早期的FC类型的连接器，采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式（FC）。这种连接器结构简单，操作方便，制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。后来，对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球面的插针（PC），而外部结构没有改变，使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。如图5.7所示。

图5.7

②SC型光纤连接器。这是一种由日本NTT公司开发的光纤连接器。是轴向插拔矩形外壳结构，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其中插针的端面多采用PC或APC型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转。此类连接器价格低廉，插拔操作方便，介入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高。如图5.8所示。

图5.8

③双锥型连接器（Biconic Connector）。这类光纤连接器中最有代表性的产品由美国贝尔实验室开发研制，它由两个经精密模压成形的端头呈截头圆锥形的圆筒插头和一个内部装有双锥形塑料套筒的耦合组件组成。如图5.9所示。

图5.9

④MT-RJ型连接器。MT-RJ起源于NTT开发的MT连接器，带有与RJ-45型LAN电连接器相同的闩锁机构，通过安装于小型套管两侧的导向销对准光纤，为便于与光收发信机相连。连接器端面光纤为双芯（间隔0.75mm）排列设计，是主要用于数据传输的下一代高密度光连接器。标准大小的MT-RJ型可以同时连接两条光纤，有效密度增加了一倍。MT-RJ型连接器是一种带定位键、接触型、有抗拉结构的连接器。MT-RJ型接口的光电设备传输速率仅为1Gbps。如图5.10所示。

图5.10

⑤LC型连接器。LC型连接器是著名Bell研究所研究开发出来的，采用操作方便的模块化插孔（RJ）闩锁机理制成，是一种带定位键、接触型、中等损耗、有抗拉和抗扭转结构的连接器。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm。这样可以提高光配线架中光纤连接器的密度。LC型接口的光电子设备传输速度能够达到10 Gbps。目前，在单模SFF方面，LC类型的连接器实际已经占据了主导地位，在多模方面的应用也增长迅速。如图5.11所示。

图5.11

⑥MU型连接器。MU（Miniature unit Coupling）型连接器是以目前使用最多的SC型连接器为基础，由NTT研制开发出来的世界上最小的单芯光纤连接器，该连接器采用1.25mm直径的套管和自保持机构，其优势在于能实现高密度安装。利用MU的l.25mm直径的套管，NTT已经开发了MU连接器的系列。它们有用于光缆连接的插座型光连接器（MU-A系列），具有自保持机构的底板连接器（MU-B系列）以及用于连接LD／PD模块与插头的简化插座（MU-SR系列）等。随着光纤网络向更大带宽更大容量方向的迅速发展和DWDM技术的广泛应用，对MU型连接器的需求也将迅速增长。如图5.12所示。

图5.12

（4）光纤连接器的安装技术

针对不同的连接器类型和需要满足的要求不同，如可靠性、方便性和安装时间／成本等，有多种光纤连接器的安装技术可选择。

①环氧灌封技术。环氧灌封技术是光纤连接器最先使用的安装技术之一，这种技术有如下四个优点：①环氧的耐环境能力强，能提高连接器的可靠性，例如耐高温可达105℃；②由于环氧与光纤、陶瓷套管的热膨胀系数比较匹配，因此在较宽的温度范围内，损耗稳定；③由于在套管的末端形成了一个环氧垫圈，在手工或机械抛光的过程中，这个垫圈支撑、保护着光纤，消除了光纤末端的损坏和破裂的可能性，可以大大提高效率；④能够使用低成本的连接器。

但这种安装技术使用不便，安装效率低，会增加功率消耗。

②热熔安装技术。热熔安装技术是3M公司发明的一种技术：热熔胶预先装入连接器中，预热连接器使粘胶软化，以便光纤能够装入，将光纤和／或光缆装入连接器，冷却后，再去除多余的光纤，并对端面进行抛光。

和环氧灌封相比，热熔工艺方法缩短了时间、避免了易脏和不方便性，提高了安装效率。但热熔连接器比环氧连接器昂贵、热熔安装方法使用的加热炉和专用炉需要消耗功率。

③快速固化粘接技术。快速固化粘接技术的优点：解决了热熔安装、环氧灌封的缺点和不便性，而且消除了对功率的要求，提高了安装效率，降低了安装成本。适用于低成本的陶瓷套管连接器，使总安装成本降低。

快速固化粘接技术的缺点：粘胶过早固化；对光纤的支撑作用小；可靠性降低。由于对光纤的支撑作用很小，在去除多余的光纤或抛光过程中，容易使光纤折断，成品率、效率低。当涂有固化剂、促凝剂的光纤插入装有粘胶的连接器时，如果插入光纤太慢，粘胶固化，使光纤尚未完全插合到位就已被固定，在这种情况下，插入连接器的光纤很少，会导致连接器的可靠性下降。另外当温、湿度变化大或温湿度急剧变化时，一些快速固化胶性能会降低，也会影响连接器的可靠性，所以快速固化粘接一般应用于室内环境。

④无胶抛光技术。无胶抛光技术是由AMP、3M和Automatic Tool and Connector等几家公司提出的一种安装技术：使用机械方法夹紧光纤，然后进行抛光的技术。虽然夹紧方便，消耗时间少，但在抛光过程中，由于对光纤缺乏支撑和保护，光纤容易损坏，所以对安装人员的技术水平和责任心要求较高，且成品率较低。

⑤切割技术。切割技术是无环氧／无粘胶／无抛光连接器产品的一种安装技术。方法是：切割光纤末端、把光纤插入连接器、将光纤与连接器压接或夹紧。

由于切割安装方法不使用粘胶和抛光工艺，所以减少了安装时间，降低安装成本，另外对安装人员的技术水平要求没有以上几种方法高，降低了培训成本。但这种方法对切割工具、设备的要求较高，且连接器的结构复杂，价格高，提高了安装总成本。

（5）光纤连接器使用时的注意事项

光纤连接器的使用主要有以下几点注意事项：

①光纤连接器插针针体要保持清洁，不使用时一定戴好护帽。

②光纤连接器的纤缆部分禁止直角和锐角弯折，严禁受重物挤压，纤体有折痕、压痕、破损的连接器不能使用，纤体的盘绕半径需要大于30mm。

③一端已与光设备连接的光纤连接器端面通常不要用眼直视，否则会对视力造成伤害。

④在光纤连接时一定要注意光纤连接头的匹配。

⑤光纤连接器在与法兰盘对接时，定位销一定要对准法兰盘凹槽。

知识应用：

1.光纤熔接的操作方法

（1）工具、器材准备

光纤熔接器、剥纤钳、光纤切割刀、热缩套管、酒精泵瓶、脱脂棉。见图5.13。

图5.13　主要使用的工具

（2）端面的制备

光纤熔接前的处理好坏会直接影响熔接损耗，因此光纤端面的制备显得格外重要。端面制备前应先将光纤保护套管穿入光纤。

①光纤涂敷层的剥除。光纤是圆柱形介质波导由纤芯、包层、涂敷层三部分组成。光纤涂敷层的剥除大约35～50mm，要掌握平、稳、快三字剥纤法。“平”，即持纤要平。左手拇指和食指捏紧光纤，使之成水平状，所露长度以5cm为准，余纤在无名指、小拇指之间自然打弯，以增加力度，防止打滑。“稳”，即剥纤钳要握得稳。“快”即剥纤要快，剥纤钳应与光纤垂直，上方向内倾斜一定角度，然后用钳口轻轻卡住光纤右手，随之用力，顺光纤轴向平推出去，整个过程要自然流畅，一气呵成。

②光纤的清洁。观察光纤剥除部分的涂覆层是否全部剥除，若有残留应重剥，如有极少量不易剥除的涂覆层，可用棉球沾适量无水酒精，边浸渍，边逐步擦除。将棉花撕成层面平整的扇形小块，沾少许酒精（以两指相捏无溢出为宜），折成V形，夹住已剥覆的光纤，顺光纤轴向擦拭（X、Y轴各擦拭一遍），力争一次成功，一块棉花使用2～3次后要及时更换，每次要使用棉花的不同部位和层面，这样既可提高棉花利用率，又防止了纤芯的二次污染。

③光纤的切割。切割是光纤端面制备中最关键的部分，精密、优良的切刀是基础，严格、科学的操作规范是保证。操作人员应经过专门训练，掌握动作要领和操作规范。首先要清洁切刀和调整切刀位置，切刀的摆放要平稳。切割时，动作要自然、平稳，勿重、勿急，避免断纤、斜角、毛刺、裂痕等不良端面的产生。切割光纤保留长度约16mm，两侧光纤端面倾斜角均小于0.5°。

切刀有手动和电动两种。前者操作简单，性能可靠，随着操作者水平的提高，切割效率和质量可大幅度提高，且要求裸纤较短，但该切刀对环境温差要求较高。后者切割质量较高，适宜在野外寒冷条件下作业，但操作较复杂，工作速度恒定，要求裸纤较长。熟练的操作者在常温下进行快速光缆接续或抢险，采用手动切刀为宜；反之初学者或在野外较寒冷条件下作业时，采用电动切刀。

已制备的端面切勿放在空气中，移动时要轻拿轻放，防止与其他物件擦碰。裸纤的清洁、切割和熔接的时间应紧密衔接，不可间隔过长。

（3）光纤熔接

熔接前，根据光纤的材料和类型，设置好最佳预熔接熔电流、时间及光纤送入量等关键参数。熔接作业开始前需要做放电试验。使熔接机在熔接环境中放置至少15分钟，尤其是放置环境和使用环境差别较大的情况下（比如冬天的室内与室外）。根据当时的气压、温度、湿度等环境情况，设置熔接机的放电电压及放电位置，调整V形槽驱动器复位，使熔接机自动调整到满足现场实际的放电条件上工作。在施工中采用的是高精度全自动熔接机，它具有X、Y、Z三维图像处理技术和自动调整功能，可对要进行熔接的光纤进行端面检测、位置设定和光纤对准（多模以包层对准，单模以纤芯对准）。具体过程如下：

①首先将端面制备完毕的光纤放入熔接机的V形槽中，并露出2～3mm，查看光纤端面是否接近于电极棒处，切勿超过两个电极棒之中线。保持两根光纤有15～20μm的距离，盖好防护盖。启动熔接机的自动熔接开关进行熔接。

②预热推近。用电弧对光纤端部加热0.2～0.5s，使毛刺、凸面除去或软化；同时将两根光纤相对推近，使端面直接接触且受到一定的挤压力。

③光纤移动停止后，用电弧使接头熔化连接在一起。放电时间为：多模2～4s，单模1s。

熔接过程中应及时清洁熔接机V形槽、电极、物镜、熔接室等，并随时观察熔接中有无气泡、过细、过粗、虚熔、分离等不良现象，注意OTDR跟踪监测结果，及时分析产生上述不良现象的原因，采取相应的改进措施。如果多次出现虚熔现象，应检查熔接的两根光纤的材料、型号是否匹配，切刀和熔接机是否被灰尘污染，并检查电极氧化状况，若均无问题，则应适当提高熔接电流。

在接续中，应根据环境，对切刀V形槽、压板、刀刃进行清洁，谨防端面污染。

（4）熔接补强保护

在施工中采用光纤热缩保护管（热缩管）来保护光纤接头部位。见图5.14。注意，热缩管一定要在剥覆前穿入。将预先穿置光纤某一端的热缩管移至光纤接头处，让熔接点位于热缩管中间，轻轻拉直光纤接头，放入加热器内加热。醋酸乙烯（EVA）内管熔化，聚乙烯管收缩后紧套在接续好的光纤上。这种套管内有一根不锈钢棒，它增加了抗拉强度（承受拉力为1 000～2 300g）。同时也避免了因聚乙烯管的收缩而可能引起接续部位的微弯。

图5.14　光纤热缩保护管

2.APC连接器端面的倾斜角是8°，为什么？

答：一般普通光纤的数值孔径的典型值为0.13，由NA＝sinθ_A得接收角为θ_A＝7.5°，而8°倾斜角使反射光角度大于接收角，这样反射光就不会反射回去。

3.对光纤进行端面设计（比如采用球面端面PC）的目的是什么？

答：对光纤进行端面设计的目的是缩短光纤端面间隙，减小菲涅尔反射，降低插入损耗，并使部分反射光旁路，以增大回波损耗。实际上当光纤端面的间隙小于λ／4（约为0.3μm，λ＝1300nm）时，由于干涉效应，菲涅尔反射基本消除，插入损耗可减少0.3dB，回波损耗相应增大。PC连接器采用球形端面，效果较好，加工技术也较成熟。斜面接触的APC连接器，虽增大回波损耗，但加工比较困难。在端面镀增透膜，也是减小插入损耗，增大回波损耗的办法。目前，一般连接器插入损耗为0.3dB，反射损耗为（-30～-40）dB，优质产品可达（-50～-60）dB。

思考题与习题

1.光纤熔接前，要对端面如何处理？

2.为什么光纤热缩保护管要在端面制备前套入？

3.熔接前，对光纤端面预热有什么作用？

4.纤连接器使用时要注意些什么？