摘要：光纖通信技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，極大地提高了裝備信息傳輸性能。單芯光纖連接器(光纖跳線)作為光纖傳輸系統(tǒng)中的一種重要無源器件，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖之間或設(shè)備之間的信號傳輸。本文介紹了航空領(lǐng)域配套應(yīng)用的光纖跳線的制作工藝、檢測技術(shù)。
關(guān)鍵詞：光纖跳線、工藝、檢測技術(shù)
0 引言
光纖是由玻璃或者塑料制成的一種纖維材料，作為光纖通信系統(tǒng)中光信號傳輸?shù)拿浇椤Ｅc傳統(tǒng)電纜、無線電通信相比，光纖通信具有頻帶寬、通信容量大、損耗低、質(zhì)量輕、保密性強、原材料豐富、成本低、適用于長距離傳輸?shù)忍攸c。隨著武器裝備的發(fā)展，光纖通信也被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。
由光纖和連接器件組成的光纖跳線(即單芯光纖連接器)作為整個光纖傳輸鏈路中最基本的單元，廣泛應(yīng)用于光通信傳輸系統(tǒng)。光纖跳線是通過兩個端面的物理接觸實現(xiàn)光信號的有效傳輸，它的質(zhì)量影響了整個光纖通信系統(tǒng)的傳輸性能，與地面商用光纖跳線相比，航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用的光纖跳線質(zhì)量要求更高。
1 光纖跳線的制作工藝
國際電信聯(lián)盟(ITU)將光纖連接器(光纖跳線)定義為用以穩(wěn)定地，但并不永久地連接兩根或多根光纖的無源組件。光纖跳線作為光信號的傳輸媒介，光纖跳線作用與傳統(tǒng)電纜類似，也是實現(xiàn)能量、信號的傳輸，但制作工藝和檢測方法卻相差甚遠(yuǎn)。
1.1 制作步驟及方法
一套完整的光纖跳線加工工藝過程包括剝纖、調(diào)膠、注膠、穿纖、粘接固化、前端處理、夾具安裝、研磨(去膠)、研磨(粗磨)、研磨(細(xì)磨)、研磨(拋光)、端面檢查、后續(xù)組裝、性能檢查、盤纖等諸多步驟。
本文以光纖LC/UPC跳線為例，選取其中主要制作步驟、方法進(jìn)行簡要介紹：
1.1.1剝纖
剝纖包括以下幾個步驟，具體見下圖：
1)按光纖工藝文件要求，將光纖外皮剝?nèi)ヒ欢ㄩL度;
2) 留下一定長度Kavlar;
3) 剝纖，留下一定長度涂覆層;
4) 用剪刀將光纜對稱地剪兩個開口;
5) 將光纖用無塵布、酒精擦拭干凈。
1.1.2調(diào)膠、注膠
調(diào)膠、注膠包括以下幾個步驟：
1) 調(diào)膠：將353ND膠A膠：B膠=10:1(重量比)，或者8.5:1(體積比)調(diào)制一定量，使用干凈的攪拌棒充分?jǐn)嚢韬蠓湃腚x心脫泡機，離心脫泡3～5min，確保配置的膠里無氣泡。脫泡后放入注射管內(nèi)或玻璃瓶中;
2) 將注膠針頭插入陶瓷插針尾柄中，踏下踏板或推動注射器將膠注入，使得插針表面形成0.5mm大小的膠包; 也可采用牙簽點膠方式將膠涂在光纖上以后將光纖穿入插芯;
注意：千萬不能將膠弄到陶瓷插針的柱面上，也盡可能不要將膠粘到金屬尾座上。
1.1.3穿纖
穿纖包括以下幾個步驟：
1) 將光纖從插針尾部穿入后，從前端穿出。在穿纖過程中要將插芯邊旋轉(zhuǎn)邊推入，使膠能均勻地分布在插芯孔內(nèi);
2) 穿纖后要保證插針前端有一個0.5mm左右的膠包，如果沒有，則要用牙簽在光纖前端涂上一個膠點后回拉一下，使膠充分貼在插針面上;
3) 在光纖插針的金屬尾柄的口上應(yīng)保證充足但不過多的膠水，其膠包的直徑盡可能不要大于尾柄的直徑。
1.1.4粘接固化
粘接固化包括以下幾個步驟：
1)將已上膠固定好的插芯放入固化爐中進(jìn)行加熱。加熱溫度為120℃，加熱時間10分鐘;
2)如考慮到各種光纖連接器的散件質(zhì)量不同，固化溫度可相應(yīng)調(diào)整。相對于120度每降低10度，固化時間增加一倍;
3)固化時當(dāng)溫度上升到70度左右時，膠體變得容易流動。要注意光纖不要不小心被光纜拖動時拖出;
4)放置插芯要注意不要將光纖碰斷，特別是光纖露出較長時更要注意。
1.1.5前端處理
光纖前端處理包括以下幾個步驟：
1)用光纖劃筆垂直地貼在漏出膠包端面的光纖上劃一下，然后用劃筆輕推折斷光纖;
2)如果陶瓷端面有突出膠面或劃紙的光纖，將用過的去膠砂紙打磨平滑，用小手指側(cè)面輕劃端面不應(yīng)有針刺感;
注意：割纖時不要一次劃纖時硬性推斷，如發(fā)現(xiàn)光纖端面沒有膠包時應(yīng)先再次補上固化后，再次割纖。
1.1.6夾具安裝
夾具安裝包括以下幾個步驟：
1)將光纖連接器或光纖插針均勻地插入研磨夾具各個孔中。如無法順利地插入可能是孔中不干凈或光纖插針上有膠;
2)如光纖一次研磨的數(shù)量小于研磨夾具孔的數(shù)量時，應(yīng)盡可能地將空余的孔均勻分布;
3)裝夾完后要注意觀察光纖插針露出夾具底面的高度是否一致，并反向地推動一下，檢查是否有彈性，可上下活動;
4)對沒有彈性的光纖插針應(yīng)取下清潔光纖插針側(cè)面或夾具孔后再插入并檢查。
光纖連接器最重要的指標(biāo)有插入損耗、回波損耗、重復(fù)性以及互換性，而光纖端面的質(zhì)量在很大程度上影響著這些指標(biāo)，選擇先進(jìn)的光纖研磨設(shè)備并摸索出與之相適應(yīng)的成熟的光纖研磨工藝是保證光纖跳線質(zhì)量的關(guān)鍵。評價光纖連接器的質(zhì)量時，除了插入損耗、回波損耗等光學(xué)性能參數(shù)，還要測量光纖連接器插芯端面在研磨拋光后的幾何形狀參數(shù)，包括曲率半徑、頂點偏移以及光纖凹陷等。光纖研磨后端面形狀參數(shù)需保持在一定范圍，并且盡量去除光纖端面變質(zhì)層，避免光纖端面出現(xiàn)較嚴(yán)重劃痕、斑點及其他污損，從而使光纖保持良好的接觸，滿足低插入損耗、高回波損耗的性能要求。
圖1 光纖連接器研磨圖示
光纖研磨是研磨紙表面研磨顆粒作用于光纖表面的過程，插術(shù)芯種類、材質(zhì)不同，相應(yīng)的研磨步驟也不同。以下結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗進(jìn)行簡述：
1.1.7研磨(去膠)
光纖去膠包括以下幾個步驟：
1)將少量的干凈水噴在橡膠墊(硬度90)表面，將碳化硅研磨紙粘至橡膠墊上;
2)設(shè)定定時器時間為30秒，按下綠色按鈕，研磨機轉(zhuǎn)動十次后，兩兩相對壓上四角手柄;
3)光纖研磨后抬起研磨盤。觀察插針頂端是否還有環(huán)氧膠，如果仍然有環(huán)氧膠，則再增加10秒;
4)用清水、酒精和軟紙擦拭，徹底地清洗研磨盤的底面和插針的端面，并在每次研磨后清洗研磨紙。
1.1.8研磨(粗磨)
光纖粗磨包括以下幾個步驟：
1)將少量的干凈水噴在橡膠墊(硬度80)表面，將金剛砂研磨紙粘至橡膠墊上。將適量的潤滑液滴在研磨紙表面;
2)設(shè)定定時器時間為40秒，按下綠色按鈕，研磨機轉(zhuǎn)動后，兩兩相對壓上四角手柄;
3)光纖研磨完后抬起研磨盤。用清水和軟布擦拭，徹底地清洗研磨盤的底面和插針的端面，并清洗研磨紙;
4)注意：如果清潔不凈，本道工序所帶來的砂粒將會影響下道工序的研磨結(jié)果，從而造成插損和回?fù)p的不合格。
1.1.9研磨(細(xì)磨)
光纖細(xì)磨包括以下幾個步驟：
1)將少量的干凈水噴在橡膠墊(硬度85)表面，將金剛砂研磨紙粘至橡膠墊上。將適量的潤滑液滴在研磨紙表面;
2)設(shè)定定時器時間為40秒，按下綠色按鈕，研磨機轉(zhuǎn)動后，兩兩相對壓上四角手柄;
3)光纖研磨完后抬起研磨盤。用清水和軟布擦拭，徹底地清洗研磨盤的底面和插針的端面，并清洗研磨紙;
4)注意：如果清潔不凈，本道工序所帶來的砂粒將會影響下道工序的研磨結(jié)果，從而造成插損和回?fù)p的不合格。
1.1.10研磨(拋光)
光纖拋光包括以下幾個步驟：
1)將少量的干凈水噴在橡膠墊(硬度90)表面，將金剛砂研磨紙粘至橡膠墊上。將適量的純凈水滴在研磨紙表面;
2)設(shè)定定時器時間為40秒，按下綠色按鈕，研磨機轉(zhuǎn)動后，兩兩相對壓上四角手柄;
3)光纖研磨完后抬起研磨盤。用清水和軟布擦拭，徹底地清洗研磨盤的底面和插針的端面，并清洗研磨紙;
4)從盤上取下連接器，用水徹底清洗研磨盤。
2 光纖跳線檢測
光纖跳線主要技術(shù)指標(biāo)包括研磨后的端面質(zhì)量、3D參數(shù)、插回?fù)p參數(shù)等，這些指標(biāo)的好壞決定了光纖跳線性能的優(yōu)劣。
2.1 端面檢查
光纖端面在研磨、拋光過程中不可避免地會產(chǎn)生損壞或污染，常見的光纖端面缺陷有顆粒、凹點、碎屑、劃痕以及破損等。光纖連接器插芯端面是決定連接器研磨質(zhì)量、光纖跳線質(zhì)量的重要指標(biāo)，對整個光通信系統(tǒng)的傳輸性能至關(guān)重要，通過端面檢測儀可以很快檢測出劃痕、斑點等缺陷和污染物。
端面檢查包括以下幾個步驟：
1)將研磨好的插芯放入到放大鏡的適配器上，觀察光纖連接器上端面有無碎裂、劃痕、斑點等表面情況;
2)對不合格的將其挑出分類、標(biāo)記，然后在不同的工序上進(jìn)行重新研磨;
3)如一次性出現(xiàn)端面劃痕、斑點較多，則應(yīng)考慮是否存在清潔、插針長度較短、砂紙使用次數(shù)過多等問題。
圖2a) 合格 圖2b) 不合格
圖2 光纖連接器端面檢查圖示
根據(jù)IEC 61300標(biāo)準(zhǔn)要求，光纖連接器端面對于單模連接器，A區(qū)(纖芯區(qū)域)不能存在劃痕及斑點;B區(qū)(包層區(qū)域)小于2μm的劃痕可以存在，2～5μm 的劃痕不能超過5個，5μm 以上的劃痕不能出現(xiàn)，小于3μm的斑點可以存在;C區(qū)粘接層對劃痕、斑點不作要求;C區(qū)插芯區(qū)不能出現(xiàn)大于10μm的劃痕，斑點不作要求。多模連接器B，C，D區(qū)域與單模連接器要求相同，不同的是多模連接器A區(qū)允許存在一些輕微劃痕斑點，具體為5μm 以內(nèi)的劃痕不能超過4個，5μm以上的劃痕、斑點不能出現(xiàn)。
2.2 3D參數(shù)檢測
光纖鏈路的成功連接取決于光纖物理連接的質(zhì)量，為了提高光纖連接器和光信號的傳輸效率，必須嚴(yán)格控制光纖連接器端面的幾何尺寸，以減少插入損耗和回波損耗。如果端面幾何尺寸沒有嚴(yán)格控制或者幾何尺寸不能達(dá)到要求，將面臨系統(tǒng)連接失敗、可靠性低等問題，因此對光纖連接器端面進(jìn)行3D參數(shù)檢測非常重要。常用3D指標(biāo)參數(shù)要求如下表所示：
表1 常用3D指標(biāo)參數(shù)要求
2.3 插回?fù)p檢測
在光纖通信系統(tǒng)中，光通信器件對通信質(zhì)量有著重要影響。對于接入光纖網(wǎng)絡(luò)中的光通信設(shè)備和光器件，都需要經(jīng)過嚴(yán)苛的指標(biāo)測試，其中插入損耗和回波損耗是最基本的兩項指標(biāo)�；夭〒p耗是光信號通過光纖連接器后入反射光功率的損耗，插入損耗則是光經(jīng)過光纖連接器后損耗的光功率，較低的回波損耗會干擾發(fā)射激光信號的穩(wěn)定性，較高的插入損耗則會限制光信號的傳輸距離。因此，光纖插回?fù)p檢測至關(guān)重要。通常情況下，單模連接器插入損耗≤0.3dB，回波損耗≥60dB;多模連接器插入損耗≤0.2dB，回波損耗≥25dB。
3 結(jié)語
本文介紹了航空用光纖跳線生產(chǎn)工藝流程以及相關(guān)端面檢測、3D參數(shù)檢測、插回?fù)p檢測標(biāo)準(zhǔn)及方法，可作為各類型光纖跳線制作與檢測的參考。光纖跳線作為光纖通信系統(tǒng)中重要的組成部分，研究其制作及檢測技術(shù)對建設(shè)高質(zhì)量、高可靠性的通信系統(tǒng)具有重要意義。
參考文獻(xiàn)
林學(xué)煌. 光無源器件[M]. 北京：人民郵電出版社，1998.
Joseph,C.,Palais，光纖通信(第五版)電子工業(yè)出版社，2015-6; |
