军用多通道光纤连接器设计

2018-07-04，，，

机电元件 2018年3期

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(沈阳兴华航空电器有限责任公司，沈阳， 110144)

1 引言

在光纤通信(传输)链路中，为了实现不同模块，设备和系统之间灵活连接的需要，必须有一种能在光纤与光纤之间进行连接的器件，使光路能按所需的通道进行传输，以实现和完成预定或期望的目的和要求，能实现这种功能的器件就叫光纤连接器[1]。

随着光纤通讯技术的逐步推广应用，以及航空、航天、舰船等设备传输和处理的数据量日益增大，保密及抗干扰能力要求不断增强，促使新的军事装备中光纤传输逐步取代电缆传输，光纤连接器是光纤通信领域应用最广泛的无源光器件之一，已经逐渐被应用于军用光纤通讯领域中[2]。因军用设备的工作环境包括高空、海洋、沙漠、极寒等各种极端环境。在使用过程中，光纤连接器暴露出端面易污染、易损伤、不稳定等问题。因此，对军用光纤连接器的设计提出了更高的要求。

2 军用光纤连接器的主要性能指标

2.1 光学性能

2.1.1 插入损耗

插入损耗是指光纤中的光信号通过连接器后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数。表达式见公式(1)，其中P1为输出光功率，P0为输入光功率。

(1)

相关军用标准中对军用光纤连接器插入损耗值进行了规定，如表1，为MIL-PRF-29504/4C中规定的插入损耗值。

表1 插入损耗最大值

2.1.2 回波损耗

回波损耗是指光纤中的光信号通过连接器后，后向反射光功率相对输入光功率的比率的分贝数。其表达式见公式(2)，其中Pr为后向反射光功率，Pi为输入光功率[3]。

(2)

相关标准如GJB 1919A-2009中规定，回波损耗应不小于40dB。

2.1.3 重复性

重复性是指同一对插头，在同一只适配器中多次插拔之后，其插入损耗的变化范围，单位用dB表示。

2.1.4 互换性

互换性是指同一型号连接器互换时插入损耗的变化，也用dB表示。

2.2 机械性能和环境性能

军用光纤连接器机械性能和环境性能指标主要包括：机械寿命、温度、振动、冲击、盐雾、潮湿、霉菌等。

军用光纤连接器工作温度范围为：-55℃～125℃，机械寿命通常要求不小于500次。温度、振动、冲击、盐雾、潮湿、霉菌等根据产品使用要求确定。一般军用光纤连接器使用时参照MIL-PRF-29504、GJB 1919A-2009、GJB 1217A-2009等标准要求考核。

3 军用光纤连接器设计示例

3.1 设计原理

光纤连接器的基本原理是采用某种机械和光学结构，利用陶瓷套管将光纤的两个端面精密对接起来，实现光纤端面物理接触，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。

3.2 军用光纤连接器简化模型

3.2.1 军用光纤连接器模型示例

光纤连接器的简化模型如图1所示，其核心结构是对插的两个壳体(壳体1和壳体3)中包含对接接触的光纤接触件，光纤接触件前端的插针体从两端插入壳体2中的套管内部相互接触并保持一定的端面压力。

套管与两端接触件之间为高精度小间隙或小过盈配合，从而保证了插针中光纤之间的同轴，两个插针体在外力(例如在接触件内安装弹簧，由弹簧提供外力)的作用下迫使光纤端面紧密接触，从而实现了光纤之间的物理对接。

图1 光纤连接器模型示例

3.2.2 接触件设计示例

因光纤连接器是通过光纤面与面的物理接触而实现信号传输的，故为了便于实现有效的物理接触，需为连接器设计弹性结构。如MIL-PRF-29504标准将弹性机构设计在光纤插孔端，如图2：

图2 MIL-PRF-29504光纤接触件

为了防止插孔接触件上的弹簧与连接器孔腔内的定位机构(如卡爪)产生阻碍，也可以将弹性结构设计在接触件内部，如符合ARINC801标准的光纤接触件，见图3。

图3 ARINC801 光纤接触件

3.3 精度设计

军用光纤连接器属于精密元器件，设计精度是必须考虑的因素之一。设计精度不足会导致光纤连接器出现损耗过大甚至失效的现象。由设计精度不足引起的损耗主要包括错位损耗、间隙损耗、倾斜损耗等(见图4至图6)。

由于纤芯横向错位引起的损耗叫错位损耗。它是产生连接损耗的重要因素之一。

图4 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。

图5 间隙损耗示例

在光纤连接处，由于两光纤轴线的角度倾斜而引起光功率的损耗称为倾斜损耗。

图6 倾斜损耗示例

设计时，应对配合尺寸进行严格的计算。包括零件精度、孔位精度、孔腔同轴度、接触长度等等。孔位精度和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(导致连接器缩针现象)。需要说明的是，从生产、工艺和成本的角度讲，严格的零件公差并不一定能实现高质量产品。因此，合理的零件公差设计才能实现产品的高性价比。

3.4 结构简化性设计

提高产品设计精度，除了尺寸公差设计，还可以从简化产品装配的角度进行设计。从累计公差的角度来看，尺寸链的数目越少，装配关系越简单，累计的公差越小，所以在设计产品时，在满足产品性能及生产工艺的前提下，可以尽量的减少装配关系。

3.5 可靠性设计

因军用光纤连接器需要长期使用在振动、冲击等环境中，故对光纤连接器弹性机构、定位机构、防护等可靠性设计是不可忽视的。

3.5.1 弹性机构的可靠性设计

以符合MIL-PRF-29504标准的光纤连接器为例，为保证光纤连接器在震动、冲击环境下能保证有效接触，除了为连接器锁紧机构设计防松结构，还要对光纤接触件的弹性机构即弹簧进行合理设计。图7为光纤插针与插孔对接示意图，弹簧设计时，应尽量选用等节距弹簧，可以保证弹簧力成线性关系，并且能保证光纤插孔装配后的同心度，装配后的弹簧在非工作状态下，弹簧力应大于陶瓷套筒的插拔力。弹簧的合理性设计，可有效避免连接器在震动、冲击环境下信号瞬断的现象，从而提高军用光纤连接器的可靠性。

图7 光纤接触件对接示意图

3.5.2 定位机构的可靠性设计

以ARINC801标准光纤连接器为例，该系列光纤连接器通过改进内部结构提升光纤连接器的对接可靠性，主要增加了定位结构(定位销)来保证连接器在对接过程中通过引导使光纤接触件准确连接，从而减少因为定位不准引起的陶瓷插芯碎裂等问题，同时对光纤接触件也进行了重新设计，增加了光纤接触件的定位功能，杜绝接触件在连接器内转动的可能性，从而避免连接器在对接过程中以及振动冲击等环境下光纤接触件陶瓷端面因转动形成的划伤。