光纤陶瓷插芯应用及技术标准的探讨

1/14/2013,光纤陶瓷插芯，是光纤活动连接器的核心部件，关系着活动连接器的性能好坏，而光纤活动连接器作为光通信网的接插节点，起着重要的作用，其性能的好坏，影响着网络的耗能、信号的稳定和误码率。随着我国光纤到户的进一步推广，连接器得到广泛的应用，因此，对连接器的要求也将提到一个新的层面，对实际应用、随机对接的要求也将越来越高。本文章来自潮洲三环集团公司器件厂长郑镇宏先生提供的《光纤陶瓷插芯应用及技术标准的探讨》报告PPT中摘取，文章分光纤陶瓷插芯的发展背景、光纤陶瓷插芯的应用领域、光纤活动连接器的现状及问题的探讨、插芯关键技术及对连接器性能的影响及插芯新标准制订的必要性探讨等五大方面阐述。

一、光纤陶瓷插芯的发展背景
光纤插芯的定义
光纤插芯体（ferrule），在通信行业标准YD/T 1198-2002《光纤活动连接器插针体技术要求》给出这样的定义：光纤活动连接器插头中精密对中的圆柱体，中心有一微孔，用作固定光纤。
光纤插芯作用和要求
1、保证两光纤的对接，单模要求轴向偏差小于1um，多模要要求轴向偏差小于4um；
2、产品耐磨损，可多次重复插拨；
3、端头易加工，可研磨成球面、斜球面；
4、产品抗老化，使用寿命30年以上；
5、材料热胀冷缩系数小，环境适应性能强；
光纤插芯的分类
FC型（Flat Contact)：即端面为平面研磨，其插入损耗一般能小于0.5dB，回波插损大于35dB。
PC型（Physical Contact）：即端面为球面研磨，其插入损耗一般能小于0.3dB，回波插损大于40dB。
UPC型（Ultra Physical Contact）：即端面为球面研磨且3D（曲率半径、顶点偏移、凹凸量）受控，其插入损耗小于0.2dB，回波插损大于50dB。
APC型（Angled-Physical Contact）：即端面为斜球面研磨且3D（曲率半径、顶点偏移、凹凸量）受控，插入损耗小于0.3dB，回波插损大于60dB，是一种高性能、未来将受广泛应用的光纤陶瓷插芯。
光纤插芯的发展
不锈钢：最早使用的连接器插芯，但由于加工精度、耐磨性能、老化性能、环境适应性能等原因，基本被淘汰。
氧化铝：20世纪70年代，主要用于多模，由于颗粒约15um，不易研磨而被代替。
玻璃插芯：由于加工精度差、材料脆等原因，最终不能在连接器领域应用而转向光纤准直器领域，优点是热匹配性能与光纤、透镜等玻璃材料接近。
模塑：由于期望降低成本而开发，但指标性能不能突破而停滞。
镍基：新材料应用，但成本高、性能差等原因使其最终没发展。
ZrO2陶瓷插芯：近二十年被广泛应用，加工精度高、耐磨损、可加工性好、使用寿命长，能保证良好的插入损耗和回波损耗。

二、光纤陶瓷插芯的应用领域
应用领域一：光纤活动连接器
光纤活动连接器是实现光纤之间活动连接的光无源器件，它具有光纤与光纤、光纤与有源器件、光纤与其它无源器件以及光纤与仪表之间活动连接的功能。光纤活动连接器是光纤通信系统中最基本的光无源器件，也是用量最大的光无源器件，如电信移动基站、路边交接箱、楼道交接箱中等都可广泛应用，而光纤活动连接器的最核心部件就是光纤陶瓷插芯，其决定了连接器的插入损耗、回波损耗、重复性、互换性。

应用领域二：半导体激光器
随着光纤通信的发展，半导体光电子器件在光纤通信得到广泛应用且取得突出的进展，但半导体激光器LD（或PD）的模块化以及LD/PD与光纤的对接显得非常重要，目前最好的解决方案就是利用光纤陶瓷插芯进行耦合并对接。

应用领域三：快速连接器
快速连接器，也称机械型现场组装式光纤活动连接器，是指不需要热熔接机，通过简单的工具、利用机械连接技术直接组装而成的现场组装式光纤活动连接器，目前作为光纤到户安装的最佳选择，正飞速地发展。

应用领域四：接入网
接入网：大量使用光纤陶瓷插芯


三、光纤活动连接器的现状及问题的探讨
郑厂长在谈到光纤活动连接器现状时提到了两个关键的定义：一、插入损耗  二、回波损耗
插入损耗：插入损耗是指光纤中的光信号通过连接器之后，其光功率会产生变化（一般是变小），我们将输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数称为插入损耗。
其表达式为： IL= - 10log(Pout/Pin)dB

回波损耗：回波损耗又称为后向反射损耗。它是指在光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分贝数。回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响。
其表达式为：RL= - 10log(Pr/Pin)dB
光纤活动连接器存在两个问题探讨
郑厂长分析两个问题分别为：一、测试与实际使用不对应，造成很多线路光功率不满足要求而误码率高甚至断网。二、测试标准线是否标准，同时不同标准线测试结果差异的问题。虽然YD或电信技术书对标准插头和适配器做出要求，但并不直接且可行性差。

因此,由于批量测试方法和实际使用不相同，同时对于批量测试，既没矛也没盾的现实，造成产品的质量并不受控。IEC标准就较为直接贴近使用实际，规定了随机对接的损耗值。同时，IEC还对插芯作了直接要求，三环公司参考IEC标准，并结合实际制作工艺，可以把影响连接器性能的因素总结如下表：


四、插芯关键技术及对连接器性能的影响
1、同心度（同心度和错位量d实际上是2倍的关系）
同心度就是插芯内径距离整个圆心的偏移程度。理想状态是0，就是不偏移。同心度目前指标要求是1.4um，而实际则需要更细化，IEC标准就进行了A、B、C、D四级连接器对应不同的同心度；同心度对连接器性的指标的影响是最为重要，也是最为直观的，所以同心度正是评估光纤陶瓷插芯质量好坏的标准。


2、内孔出射角（开口夹角）
内孔出射角，也称开口夹角或内孔角偏差，是指插芯内孔轴线与插芯圆柱体轴线之间所形成的夹角。目前指标要求是17ˊ，而IEC标准有0.2°、0.3°和0.6° 。
两方面的影响：
（1）、倾角损耗；
（2）、随着研磨量的增加，同心度会发生变化，可能变好，也可能变坏；
（3）、方向性变化。


3、外圆直径（外圆圆度）
外圆直径表现出来的仍然主要是错位损耗，也表现出倾角损耗。而外圆圆度更表现为连接器多次插拨的稳定性，不同方向的方向性，不同连接器间的互换性。

4、内孔直径（与光纤配合）
内孔直径是一个常被忽略但确是十分重要的指标。当然，由于光通信行业正在高速发展，光纤需求量连续几年处于供不应求状态。行业对光纤直径的标准也是一变现再变。
（1）光纤用于传输，对外径要求确实可以要求不高；
（2）光纤用于跳线等接插头，要和插芯内孔配合，对光纤外径还是要提出要求。


五、插芯新标准制订的必要性探讨
活动连接器的标准在近几年根据需要，已进行修订，而插芯原有的标准一直没有修订,已然不太合适现有连接器的要求，IEC标准根据光纤活动连接器的指标需求，定义了不同级别的光纤活动连接器，同时对应定义了相应连接器的几何指标。中国的光纤通信正处于高速发展时期，可以说中国的连接器水平处于全球领先地位，全球连接器或连接器用的光纤陶瓷插芯有70%以上由中国生产。因此，我国更需要注重实际使用，并从标准上对连接器用光纤陶瓷插芯进行规范。

最后郑厂长对陶瓷插芯的定义和测量方法给出了自己的建议：一、新增真圆度，圆柱度、顶点偏移等名词定义；同时对原有定义，根据实际情况及IEC最新标准进行重新规范。二、对同心度，内孔出射角，外径大小、真圆度等如何测试及仪器的实际使用需进行规范。三、对各物理性能的检测方法的规范。