责任编辑：匿名 (未验证)
2013/11/29
作者：李莎莎 李文风
一、引言
随着国内光纤宽带网络高速建设，积极推动光进铜退，光纤到户，三网融合政策，各电信网络营运商正加快将其光纤网络连接到户，而广电营运商亦不断将其接入网络升级为光纤。工信部等八部门亦于2013年4月发布《关于实施宽带中国2013专项行动的意见》，确定2013年增加FTTH覆盖家庭超过3500万户等目标，进一步确立光纤活动连接器市场于2013年的增长潜力。未来国内所提倡宽带中国、光纤到户、4G网络普及化和三网融合等多种因素都是促进光纤活动连接器市场繁荣的强大动力。
光纤活动连接器是用于光纤传输系统的一种重要光无源器件，用于各类光纤设备之间的连接。而随着光纤活动连接器市场需求的迅猛增涨，市场对其性能也提出了越来越高的要求。为了保证光纤活动连接器的品质和互换性，要求光纤具有稳定可靠的物理连接，这就要求光纤活动连接器端面具有更为规范的几何尺寸，如果这个几何尺寸没有严格的控制，就谈不上网络的长久可靠连接。为了保证光纤的精确对接和紧密接触并考虑长期可靠性。Telcordia GR-326为连接器规定了三个技术参数：曲率半径、顶点偏移和光纤高度，这是光纤稳定可靠连接的有力保证，因此有必要进行光纤活动连接器的3D指标及其影响因素的研究。
二、光纤活动连接器简介
光纤活动连接器是实现光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它通过适配器把两根光纤的端面精密对接 起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，从而实现光纤与光纤的连接。光纤连接器的基本原理是利用某种机械结构，使两个抛光的光纤端面精确对准并紧密接触。光纤连接器对接时，借助弹簧施加一定压力，使陶瓷插芯的球端面发生轻微变形以保证两光纤端面的紧密接触。
三、光纤活动连接器（UPC型）3D参数简介
1、曲率半径（Radius of Curvature）
一般光纤活动连接器的端面被研磨成球面，曲率半径是描述插芯轴线到端面的半径，也可以描述为：插芯端面曲线的半径，连接器通过弹簧的压力来达到光纤端面的紧贴，曲率半径是通过控制压缩力来保持光纤中心匹配力的。见图1。
顶点偏心是插芯端面曲线的最高点到光纤纤芯的轴线距离。光纤活动连接器一般以连接器的插芯的中心为基准，但是在研磨光纤连接器时，得到的球面顶点不一定在连接器插芯的中心，从而产生球面顶点偏心误差。见图2。
图2 顶点偏心
3、光纤高度（Fiber Height）
光纤高度是光纤端面到插芯端面的距离。由于光纤和插芯的材料不同，硬度也不同，所以研磨时的消耗量也不同。而且，目前行业内普遍使用的将光纤固定在陶瓷插芯内的环氧胶受温度影响较大，由于温度的变化使胶水释放的应力会使光纤相对插针体变化，从而光纤端面和插芯端面间会有高度差，这个高度差就是光纤高度。见图3。
图3 光纤高度
四、曲率半径、顶点偏心和光纤高度三者之间的关系
光纤活动连接器通过凸球面来实现直接接触，发现曲率半径的大小与光纤下凹，弹簧的轴向压力和稳定性有着密切的关系，光纤下凹为U，顶点偏心△，光纤半径b，球面曲率半径R与光纤端面间隙D的关系如下：
（1）
一般b <<R、△<<R，b△/R趋近于零，可忽略不计，则式（1）简化为：
（2）
即：
（3）
从以上分析可知，光纤高度与曲率半径有着密不可分的关系，之前，光纤高度被认定是一个固定值，例如-100—+50nm，这是不合理的。我们知道，光纤活动连接器在对接时，借助弹簧施加一定压力，使陶瓷插芯的球端面发生轻微变形以保证两光纤端面的紧密接触。假设理想状态下，不同的连接器在对接时弹簧对其施加的压力恒定，连接器散件的尺寸完全相同，陶瓷插针的尺寸、材料硬度等其它条件完全相同，此时，接头的曲率半径越小时，其端面产生的形变越大，为实现光路的完好对接，允许内部光纤下陷的值就越大；曲率半径越大时，其端面产生的形变越小，允许内部光纤下陷的值就越小。
在标准YD/T 2152-2010《光纤活动连接器可靠性要求及试验方法》中就有如下明确规定：
五、3D指标对光纤活动连接器性能的影响
我们知道，对于光纤活动连接器而言，有轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及折射率的微小差异等等，这些都会造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形式返回发送端，这是造成插入损耗和回波损耗不良的主要因素。
曲率半径是控制压缩力来保持光纤中心匹配力。曲率半径的不合格将增大或减小光纤的压强，在时效作用下最终会导致光纤中心匹配的间距，甚至会损害光纤端面。若曲率半径过大，光纤活动连接器在对接时就会产生空隙，因玻璃纤维和空气折射率的差异，会引起菲涅尔反射，从而对光学指标造成不良影响。光纤端面间隙是随球面曲率半径的增大而增大，当端面是平面时，端面间隙就是光纤下凹的值，并且间隙是不能通过直接接触消除的。因此曲率半径要小，但曲率半径太小，会影响连接器的稳定性，这样曲率半径应为一个适当范围，即R=10—25mm。
端面研磨后，如果插针体端面球面的顶点与光纤纤芯的中心重合则是最理想的情况，但大多数情形则是两者不重合，即顶点偏心。顶点偏心表明插针体端面不是以纤芯为中心的对称结构，从而导致光纤端面产生间隙和不稳定的直接接触，增加光纤的有效耦合区，从而对插入损耗和回波损耗造成影响。但完全消除顶点偏心是很困难的，当球面呈非对称性时，要确切定出所允许的偏心是多少，也是很困难的。但利用非对称球面所允许的最大光纤下凹等效对称球面所允许的下凹从上到下为确定偏心率△，△应小于50um。
光纤高度这个指标是用来衡量光纤与光纤的接触， 当材料膨胀或缩短，光纤凹陷会形成光纤接触间的空气间隔，改变插入和回波损耗。光纤高度会增大光纤间的压力，从而损坏光纤，或者将压力传递到固定光纤的环氧树脂，从而破坏光纤的固定，影响性能的稳定。稳定氧化锆陶瓷插针，其硬度高于石英光纤材料，在研磨时也会使光纤下凹，而且是不可恢复的。由于光纤下凹，使插针体连接处于光纤端面产生间隙，增加了插入损耗，降低了回波损耗，也带来了环境稳定性差的后果。光纤下凹对平面结构型的插针体有无法改变的危害，而球面结构的插针体，因其球面可以实现直接接触，选择弹性好的材料，如氧化锆陶瓷，通过轴向压力使弹性插针体端面发生形变而直接接触以减小或消除间隙。
六、光纤活动连接器3D指标的影响因素及其相应整改措施
光纤活动连接器3D指标的优劣主要取决于连接器研磨的制程控制，包括研磨机和研磨夹具的精度和稳定性，研磨胶垫的硬度和均匀性，研磨片型号的选择搭配以及研磨工艺等多个方面。下面从以上几个方面对光纤活动连接器3D指标的影响因素做简要分析。
1、影响曲率半径的主要因素及整改措施
众所周知，研磨时陶瓷插芯紧贴研磨胶垫，通过研磨机及研磨夹具对陶瓷插针和研磨胶垫施加压力。对研磨垫施加的压力越大，其形变也就越大，其形变的曲率半径就越小，从而在研磨时就会得到较小的曲率半径。同样的，在压力不变的情况下，垫子越软，形变就越大，同样可以得到较小的曲率半径。过大则选用较软的研磨垫进行研磨，注意一般需要从第一道工序开始研磨返修，因若从第二道工序是对曲率半径影响不大的，过小则选用较硬的研磨垫，或则选用高度比较小的研磨垫（因为这样可以减小压力），实在不行的话则将研磨时间加长，将插针研磨短一些，从而到达减小压力的作用，此为下策，非必要时，不建议使用，因这样会影响到插针的光学指标和对接的稳定性。
研磨时间对曲率半径也有很大影响，若研磨时间长了，因插针台阶会变短，则其研磨垫受到的压力相应减小，而且Ferrule End Face还会变大（Step APC除外），则插针曲率半径会变大，而顶点偏心也会变大。若研磨时间短了，会造成研磨不充分，对光纤的端面会造成不良的影响。比如黑块、划痕、胶圈等端面不良现象。所以在研磨时间的选择上需要选择一个合适的量，在同时满足3D数值与端面的情况下尽量减少时间，以便提升效率。
2、影响顶点偏心的主要因素及整改措施
稳定性好的研磨机和使用较软的研磨垫，可以减小球面顶点偏心；提高研磨机的稳定性可以减少插针晃动的幅度，从而减少顶点偏心。这里更确切的讲，应该是减少顶点的偏移角度△（Apexoffset = R*△），较软的研磨垫除了可以减少插针的晃动幅度，减少顶点的偏移角度△，另外还可以减小曲率半径R，控制顶点偏心的两个因子，从而达到减小顶点偏心的目的，所以研磨垫的硬度对顶点偏心影响很大。
研磨角度误差和定位插销方位误差对偏心值影响非常之大，提高定位插销和研磨夹具卡槽的方位精度可以减小偏心。在能满足曲率半径的情况下，选用较软的研磨垫，若因插针数量比较少造成的，则可加入一些报废的连接头，使研磨盘上的插针能够对称，这样可以减少插针受力不对称造成的顶点偏心过大。在对研磨盘施加压力时，需对称施压，以使被研磨的连接头均匀受力。另外研磨片本身的厚度是否均匀及颗粒是否均匀同样会影响最终的研磨效果。
3、影响光纤高度的主要因素及整改措施
为了避免因研磨而引起的光纤下凹，在研磨磨料的选择上（尤其是最后一道研磨工序）应尽量避免选择超硬度材料如金刚石，氧化铈等，使下凹量小于0.1um，最好控制在0.05um以内。使用较小研磨颗粒，可以减小光纤内缩/突出量。越小的研磨砂粒，可以研磨出越光滑和平整的光纤端面，从而减少光纤高度。另外随着抛光片的使用次数的增加，光纤高度的会往负漂移，即不断往内缩。目前行业内普遍使用的ADS可使用10次以上，光纤高度的变化量不大，是不错的选择。
七、结束语
本文主要阐述了光纤活动连接器的3D指标，讨论了3D指标对光纤活动连接器性能的影响，影响3D指标的主要因素及其制程控制方法。通过分析可知，3D指标是衡量光纤活动连接器性能优劣的重要因素，而要将3D指标控制在标准范围内，需要生产厂家加强对生产设备和研磨耗材质量的要求以及对工艺方法的严格管控，以更好地控制的光纤活动连接器的质量，满足高速率系统的要求。
我公司光分路器及光纤跳线系列产品经过多年的规模生产过程中的实际验证，具有结构设计紧凑精巧、工作波长范围宽、低插入损耗、高回波损耗好等特点，具有较高的可靠性能，同时3D指标优良，在多地区FTTH工程中被指定为首选产品。品质不断提升以满足客户更高的需求，是所有器件生产厂家不变的宗旨，制造厂家唯有本着这一宗旨持续改进，提供给客户价格合理、质量高、可靠性佳的分路器及其它光无源器件，才能成为客户最可依赖的事业伙伴，在市场上占有一席之地。
随着国内光纤宽带网络高速建设，积极推动光进铜退，光纤到户，三网融合政策，各电信网络营运商正加快将其光纤网络连接到户，而广电营运商亦不断将其接入网络升级为光纤。工信部等八部门亦于2013年4月发布《关于实施宽带中国2013专项行动的意见》，确定2013年增加FTTH覆盖家庭超过3500万户等目标，进一步确立光纤活动连接器市场于2013年的增长潜力。未来国内所提倡宽带中国、光纤到户、4G网络普及化和三网融合等多种因素都是促进光纤活动连接器市场繁荣的强大动力。
光纤活动连接器是用于光纤传输系统的一种重要光无源器件，用于各类光纤设备之间的连接。而随着光纤活动连接器市场需求的迅猛增涨，市场对其性能也提出了越来越高的要求。为了保证光纤活动连接器的品质和互换性，要求光纤具有稳定可靠的物理连接，这就要求光纤活动连接器端面具有更为规范的几何尺寸，如果这个几何尺寸没有严格的控制，就谈不上网络的长久可靠连接。为了保证光纤的精确对接和紧密接触并考虑长期可靠性。Telcordia GR-326为连接器规定了三个技术参数：曲率半径、顶点偏移和光纤高度，这是光纤稳定可靠连接的有力保证，因此有必要进行光纤活动连接器的3D指标及其影响因素的研究。
二、光纤活动连接器简介
光纤活动连接器是实现光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它通过适配器把两根光纤的端面精密对接 起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，从而实现光纤与光纤的连接。光纤连接器的基本原理是利用某种机械结构，使两个抛光的光纤端面精确对准并紧密接触。光纤连接器对接时，借助弹簧施加一定压力，使陶瓷插芯的球端面发生轻微变形以保证两光纤端面的紧密接触。
三、光纤活动连接器（UPC型）3D参数简介
1、曲率半径（Radius of Curvature）
一般光纤活动连接器的端面被研磨成球面，曲率半径是描述插芯轴线到端面的半径，也可以描述为：插芯端面曲线的半径，连接器通过弹簧的压力来达到光纤端面的紧贴，曲率半径是通过控制压缩力来保持光纤中心匹配力的。见图1。
图1 曲率半径
2、顶点偏心（Apex offset）顶点偏心是插芯端面曲线的最高点到光纤纤芯的轴线距离。光纤活动连接器一般以连接器的插芯的中心为基准，但是在研磨光纤连接器时，得到的球面顶点不一定在连接器插芯的中心，从而产生球面顶点偏心误差。见图2。
图2 顶点偏心
光纤高度是光纤端面到插芯端面的距离。由于光纤和插芯的材料不同，硬度也不同，所以研磨时的消耗量也不同。而且，目前行业内普遍使用的将光纤固定在陶瓷插芯内的环氧胶受温度影响较大，由于温度的变化使胶水释放的应力会使光纤相对插针体变化，从而光纤端面和插芯端面间会有高度差，这个高度差就是光纤高度。见图3。
图3 光纤高度
四、曲率半径、顶点偏心和光纤高度三者之间的关系
光纤活动连接器通过凸球面来实现直接接触，发现曲率半径的大小与光纤下凹，弹簧的轴向压力和稳定性有着密切的关系，光纤下凹为U，顶点偏心△，光纤半径b，球面曲率半径R与光纤端面间隙D的关系如下：
（1）一般b <<R、△<<R，b△/R趋近于零，可忽略不计，则式（1）简化为：
（2）即：
（3）从以上分析可知，光纤高度与曲率半径有着密不可分的关系，之前，光纤高度被认定是一个固定值，例如-100—+50nm，这是不合理的。我们知道，光纤活动连接器在对接时，借助弹簧施加一定压力，使陶瓷插芯的球端面发生轻微变形以保证两光纤端面的紧密接触。假设理想状态下，不同的连接器在对接时弹簧对其施加的压力恒定，连接器散件的尺寸完全相同，陶瓷插针的尺寸、材料硬度等其它条件完全相同，此时，接头的曲率半径越小时，其端面产生的形变越大，为实现光路的完好对接，允许内部光纤下陷的值就越大；曲率半径越大时，其端面产生的形变越小，允许内部光纤下陷的值就越小。
在标准YD/T 2152-2010《光纤活动连接器可靠性要求及试验方法》中就有如下明确规定：
表1 YD/T 2152-2010《光纤活动连接器可靠性要求及试验方法》规定
| 纤芯下陷 | X≤125mm（曲率半径在7~10mm） |
| X≤-0.02R3+1.3R2-31R+325（nm）（其它曲率半径） | |
| 纤芯突出 | Y≤50nm |
现将不同曲率半径的值代入表1公式，可得到以下数据（见表2）：
表2 曲率半径和光纤高度之间的关系
| 曲率半径（mm） | 光纤下陷（um） |
| 10 | 125 |
| 15 | 85 |
| 20 | 65 |
| 25 | 50 |
从表2可知，当曲率半径为10mm时允许的光纤下陷为125um，而当曲率半径为25mm时，允许的光纤下陷就变成了50um。因此，在光纤活动连接器3D指标的管控过程中，万不可将光纤高度认定为固定值，而是要充分考虑曲率半径的影响。
五、3D指标对光纤活动连接器性能的影响
我们知道，对于光纤活动连接器而言，有轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及折射率的微小差异等等，这些都会造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形式返回发送端，这是造成插入损耗和回波损耗不良的主要因素。
曲率半径是控制压缩力来保持光纤中心匹配力。曲率半径的不合格将增大或减小光纤的压强，在时效作用下最终会导致光纤中心匹配的间距，甚至会损害光纤端面。若曲率半径过大，光纤活动连接器在对接时就会产生空隙，因玻璃纤维和空气折射率的差异，会引起菲涅尔反射，从而对光学指标造成不良影响。光纤端面间隙是随球面曲率半径的增大而增大，当端面是平面时，端面间隙就是光纤下凹的值，并且间隙是不能通过直接接触消除的。因此曲率半径要小，但曲率半径太小，会影响连接器的稳定性，这样曲率半径应为一个适当范围，即R=10—25mm。
端面研磨后，如果插针体端面球面的顶点与光纤纤芯的中心重合则是最理想的情况，但大多数情形则是两者不重合，即顶点偏心。顶点偏心表明插针体端面不是以纤芯为中心的对称结构，从而导致光纤端面产生间隙和不稳定的直接接触，增加光纤的有效耦合区，从而对插入损耗和回波损耗造成影响。但完全消除顶点偏心是很困难的，当球面呈非对称性时，要确切定出所允许的偏心是多少，也是很困难的。但利用非对称球面所允许的最大光纤下凹等效对称球面所允许的下凹从上到下为确定偏心率△，△应小于50um。
光纤高度这个指标是用来衡量光纤与光纤的接触， 当材料膨胀或缩短，光纤凹陷会形成光纤接触间的空气间隔，改变插入和回波损耗。光纤高度会增大光纤间的压力，从而损坏光纤，或者将压力传递到固定光纤的环氧树脂，从而破坏光纤的固定，影响性能的稳定。稳定氧化锆陶瓷插针，其硬度高于石英光纤材料，在研磨时也会使光纤下凹，而且是不可恢复的。由于光纤下凹，使插针体连接处于光纤端面产生间隙，增加了插入损耗，降低了回波损耗，也带来了环境稳定性差的后果。光纤下凹对平面结构型的插针体有无法改变的危害，而球面结构的插针体，因其球面可以实现直接接触，选择弹性好的材料，如氧化锆陶瓷，通过轴向压力使弹性插针体端面发生形变而直接接触以减小或消除间隙。
六、光纤活动连接器3D指标的影响因素及其相应整改措施
光纤活动连接器3D指标的优劣主要取决于连接器研磨的制程控制，包括研磨机和研磨夹具的精度和稳定性，研磨胶垫的硬度和均匀性，研磨片型号的选择搭配以及研磨工艺等多个方面。下面从以上几个方面对光纤活动连接器3D指标的影响因素做简要分析。
1、影响曲率半径的主要因素及整改措施
众所周知，研磨时陶瓷插芯紧贴研磨胶垫，通过研磨机及研磨夹具对陶瓷插针和研磨胶垫施加压力。对研磨垫施加的压力越大，其形变也就越大，其形变的曲率半径就越小，从而在研磨时就会得到较小的曲率半径。同样的，在压力不变的情况下，垫子越软，形变就越大，同样可以得到较小的曲率半径。过大则选用较软的研磨垫进行研磨，注意一般需要从第一道工序开始研磨返修，因若从第二道工序是对曲率半径影响不大的，过小则选用较硬的研磨垫，或则选用高度比较小的研磨垫（因为这样可以减小压力），实在不行的话则将研磨时间加长，将插针研磨短一些，从而到达减小压力的作用，此为下策，非必要时，不建议使用，因这样会影响到插针的光学指标和对接的稳定性。
研磨时间对曲率半径也有很大影响，若研磨时间长了，因插针台阶会变短，则其研磨垫受到的压力相应减小，而且Ferrule End Face还会变大（Step APC除外），则插针曲率半径会变大，而顶点偏心也会变大。若研磨时间短了，会造成研磨不充分，对光纤的端面会造成不良的影响。比如黑块、划痕、胶圈等端面不良现象。所以在研磨时间的选择上需要选择一个合适的量，在同时满足3D数值与端面的情况下尽量减少时间，以便提升效率。
2、影响顶点偏心的主要因素及整改措施
稳定性好的研磨机和使用较软的研磨垫，可以减小球面顶点偏心；提高研磨机的稳定性可以减少插针晃动的幅度，从而减少顶点偏心。这里更确切的讲，应该是减少顶点的偏移角度△（Apexoffset = R*△），较软的研磨垫除了可以减少插针的晃动幅度，减少顶点的偏移角度△，另外还可以减小曲率半径R，控制顶点偏心的两个因子，从而达到减小顶点偏心的目的，所以研磨垫的硬度对顶点偏心影响很大。
研磨角度误差和定位插销方位误差对偏心值影响非常之大，提高定位插销和研磨夹具卡槽的方位精度可以减小偏心。在能满足曲率半径的情况下，选用较软的研磨垫，若因插针数量比较少造成的，则可加入一些报废的连接头，使研磨盘上的插针能够对称，这样可以减少插针受力不对称造成的顶点偏心过大。在对研磨盘施加压力时，需对称施压，以使被研磨的连接头均匀受力。另外研磨片本身的厚度是否均匀及颗粒是否均匀同样会影响最终的研磨效果。
3、影响光纤高度的主要因素及整改措施
为了避免因研磨而引起的光纤下凹，在研磨磨料的选择上（尤其是最后一道研磨工序）应尽量避免选择超硬度材料如金刚石，氧化铈等，使下凹量小于0.1um，最好控制在0.05um以内。使用较小研磨颗粒，可以减小光纤内缩/突出量。越小的研磨砂粒，可以研磨出越光滑和平整的光纤端面，从而减少光纤高度。另外随着抛光片的使用次数的增加，光纤高度的会往负漂移，即不断往内缩。目前行业内普遍使用的ADS可使用10次以上，光纤高度的变化量不大，是不错的选择。
七、结束语
本文主要阐述了光纤活动连接器的3D指标，讨论了3D指标对光纤活动连接器性能的影响，影响3D指标的主要因素及其制程控制方法。通过分析可知，3D指标是衡量光纤活动连接器性能优劣的重要因素，而要将3D指标控制在标准范围内，需要生产厂家加强对生产设备和研磨耗材质量的要求以及对工艺方法的严格管控，以更好地控制的光纤活动连接器的质量，满足高速率系统的要求。
我公司光分路器及光纤跳线系列产品经过多年的规模生产过程中的实际验证，具有结构设计紧凑精巧、工作波长范围宽、低插入损耗、高回波损耗好等特点，具有较高的可靠性能，同时3D指标优良，在多地区FTTH工程中被指定为首选产品。品质不断提升以满足客户更高的需求，是所有器件生产厂家不变的宗旨，制造厂家唯有本着这一宗旨持续改进，提供给客户价格合理、质量高、可靠性佳的分路器及其它光无源器件，才能成为客户最可依赖的事业伙伴，在市场上占有一席之地。
