邱发福
鹰潭市科海光器件有限公司 江西鹰潭335000
0 引言
光纤连接器是光纤通信系统中使用量最大的光无源器件，广泛应用于通信、局域网（LAN）、光纤到户（FTTH）、高质量视频传输、光纤传感、测试仪器仪表等。随着5G建设的快速推进，电信、广播电视与网络的高度融合，智慧城市的建设，数据连接从100G向400G、800G迈进。对光纤连接器提出了更多、更高的要求，小型化、高密度是光纤连接器今后的发展趋势与方向。
目前常用的光纤活动连接器按连接器的插针（ferrule）的直径分类，有2.50mm和1.25mm两大类。插针直径2.50mm的光纤连接器有ST、FC、SC、DIN、E200等，插针体直径1.25mm的光纤连接器有LC、MU等。在通信设备中用量最大的光纤连接器主要为SC型和LC型光纤连接器。
SC型光纤连接器是由日本NTT公司研制的，连接器的外壳为注塑件，材料为含玻纤的PBT工程塑料。它是一种以单芯插头和适配器为基础组成的插拔式连接器。它的特点是采用矩形结构及弹性卡子锁紧机构，包括一个耦合销键和一个加在光轴方向上具有弹性的插针。插针典型外径标称值为2.50mm；插头具有一个插入式开关，该开关可以用作定位和连接器与适配器元件之间相互位置的限位。连接器的光对中装置为适配器内的弹性陶瓷套筒。SC连接器见图一：
图一：SC光纤连接器
LC型光纤连接器是由朗讯科技公司研制开发的，它是一种小型光纤连接器（SFF），连接器外壳采用PEI工程塑料，它是一种以单芯插头和适配器为基础组成的插拔式连接器，插针典型外径标称值为1.25mm。它可以通过一个卡夹将两个单芯连接器组合成双芯连接器。LC双芯适配器（仿SC接口）的外形接口尺寸与SC单芯适配器接口尺寸相同。LC连接器的密度比SC连接器提高了一倍，近年来，LC型光纤连接器在光纤通信设备应用上增长迅速，已逐步占据光纤连接器市场的主导地位。LC双芯连接器见图二；
图二：LC双芯连接器
针对着未来光纤通信的发展对光纤连接器小型化、集成化的需求，本文设计了一款SL高密度连接器。它的外壳采用类似SC连接器的矩形结构及弹性卡子锁紧机构，包括一个耦合销键，内部集成了四组加在光轴方向上具有弹性的外径为1.25mm插针。四组插针呈矩形分布，相互独立、互不影响。连接器插头有一个类似SC的插入开关，用于与SL适配器元件之间相互位置的限位，连接器的四组插针与SL适配器用于对中的四个弹性陶瓷套筒一一对应。连接器插入时，可同时接通四个光通道。SL适配器面板接口尺寸与现有的SC单芯适配器和LC双芯适配器（仿SC面板）的尺寸一致，其连接密度是现有LC双芯连接器的两倍，是SC单芯连接器的4倍。用SL连接器替代LC或SC连接器，可成倍的提高光通信设备接口与光纤连接器布线的密度，更好的满足光通信设备向高密度、大容量、集成化方向发展的需要。SL连接器见图三：
图三：SL光纤连接器
1 光纤连接器的作用与性能要求
1.1 光纤连接器的作用
光纤适配器与连接器是光通信设备接口与连接器件，其作用是将光信号通过接口（适配器）与光纤连接器的连接，从一个设备或端口传输到到另一个设备或端口，达到光通信网络的畅通。其工作原理如图四。
图四：连接器工作原理
1.2 光纤连接器的性能要求
1.2.1 光学性能
光纤连接器的光学性能要求主要包括插入损耗与回波损耗。插入损耗，即连接损耗，指因连接器的导入而引起的链路有效光功率的损耗；回波损耗是指连接器对链路光功率反射的抑制能力。为了便于对比，SL连接器光学性能指标参照LC型连接器标准（YD/T1272.1-2018）进行比较。限于篇幅，本文仅将LC/PC 单模光纤连接器性能作为标准。LC/PC单模光纤连接器光学性能指标见表一。
LC/PC连接器单模光学性能指标 表一连接器和端面类型 单位 单模 连接状态
插入损耗 回波损耗 LC/PC插头 dB ≤0.35 ≥45 任一插头通过标准适配器与标准插头连接，两个插头的端面结构完全相同
LC/PC插头 dB ≤0.50 ≥40 两个端两个端面结构相同的插头任意连接面结构相同的插头任意连接
LC适配器 dB ≤0.20 —- 相对于两个结构相同的标准插头进行连接
1.2.2环境性能
环境性能主要有：高温老化、低温储存、温度循环、温度老化、烘烤试验等。
1.2.3 机械性能
机械性能主要有:弯曲、扭曲试验，抗拉力试验、碰撞试验、机械耐久性试验及互换试验等。
1.2.4 材料性能
光纤连接器的材料性能应符合ROHS2.0及REACH环保性能及阻燃性能等要求。2 SL连接器的设计
SL密集型光纤连接器设计的目的是在满足现有光纤连接器光学及其它性能的基础上，提高光纤连接器的密度和插拔效率，实现光纤连接器小型集成化。
2.1 SL光纤连接器的结构
SL连接器由外壳、内套等到九个部件组成（如图五），采用类似SC插拔销闩式结构，外壳与内套材料采用含玻纤的增强型PBT塑料注塑而成，内含四组插针组合体（包含1.25陶瓷插芯、尾座与弹簧）组装在同一内套与弹簧座内。且相互独立，互不影响。锁紧套将光缆锁紧固定在后套上。将组合体插入外套内，构成一个完整的SL光纤活动连接器。光纤用环氧树脂固定在四个陶瓷插芯中心孔内，四个插芯可分开研磨后组装，也可组合后研磨。选用不同结构的陶瓷插芯与研磨方式，可制作加工为PC、UPC和APC型SL光纤连接器。
图五：SL光纤连接器
2.2 SL光纤适配器器的结构
SL光纤适配器（如图六）是由外框、芯夹、陶瓷套管等部件组成。两组芯夹与四个陶瓷套管结合组成一功能体。通过定位卡将芯夹组合体固定在外框内。适配器与设备面板有两种连接方式，一是通过两个M2的螺栓将适配器与面板固定；二是通过适配器自带的卡扣，适配器插入面板安装孔时，卡扣弹起，使适配器固定在面板上。SL适配器外端设计有一挡光弹片,当外端连接器拔出时,挡光弹片会自动弹起,遮挡住连接器端口射出的光线,以达到保护操作人员的眼睛与工作环境的作用。
图六：SL光纤适配器
2.3 SL光纤连接器功能的实现
2.3.1 高密度、小型化
SL连接器内含四组1.25插针，插针间距为3.1mm，比LC双芯连接器（6.25mm）缩小两倍，比SC双芯连接器（12.70mm）缩小四倍。且一次插入可连接四个通道，提高了插拔工作效率。SL适配器与LC双芯适配器和SC单芯适配器面板接口尺寸相同，可方便快捷地用SL连接器替代现有的LC或SC连接器，对现有设备进行升级扩容。其端口结构对比图见表二
SL连接器与适配器与LC和SC比较 表二项目 SL型 LC型 SC型
连接器端面
插针间距（mm） 3.10 6.25 12.70
连接器 密度 SL连接器的密度是现有LC连接器的2倍，是SC连接器的4倍。
适配器端面
面板接口尺寸 SL适配器与LC双芯适配器、SC单芯适配器面板接口尺寸相同
2.3.2 导向耦合功能
SL连接器外壳上有一个导向键,插入适配器时,与SL适配器导向槽进行耦合.方便连接器快速插拔连接。见图七 
图七：SL连接器与适配器工作图
2.3.2 连接器插针对中功能
连接器插入适配器两端口后,两端连接器陶瓷插针,通过适配器弹性陶瓷套筒进行轴向对中,使两端连接器插针中心的光纤在同一轴心上。如图八
图八：连接器插针轴向对中图
2.3.3 连接器和适配器的锁紧机构
当连接器正常插入适配器后,适配器芯夹挂钩完全卡入连接器内套两侧的挂台内,处于正常完全锁紧状态,确保连接器与适配器的锁紧机构符合YD/T2152-2010标准规定,锁紧部分的抗拉力大于19.6N的要求。当连接器从适配器拔出时，拉动连接器外壳，外壳两侧斜面推动适配器芯夹挂钩从连接器内套挂台内脱出，连接器与适配器分离。如图九
图九：连接器与适配器的锁紧结构
2.3.4 连接器插针体对接时相互的压力
SL连接器内含四组连接器插针，每组插针都有一独立的弹簧，用于提供连接器对接时插针端面的相互压力。如图十，H值是指插针端面至机械参考面的距离，当连接器插头未插入适配器时H值为7.15-7.50mm，当连接头插入适配器时，插针端面向适配器中性面推进，并与相对方向连接器插针端面接触，产生相互压力。连接器向适配器推进时，H值逐渐变小，当H=7.0±0.10mm时（插针端面到达适配器中性面时H的典型值为7.0mm），插针端面的压力应为5-6N。此压力使得位于插针体上一一对应的任意两个光纤末端完全压紧、贴合，尽量消除两个光纤端面的空气间隙。
图十：连接器H值位置图
2.3.5 材料性能的符合性
SL连接器外壳与内套等选用与SC外壳相同的PBT工程塑料,插针尾柄与弹簧为不锈材料;SL适配器选用与LC适配器相同的PC工程塑料。所用材料经检测均符合ROHS2.0与REACH要求；产品经高温烘烤、高低温循环、盐雾试验均达到YD/T2152-2010标准的要求。2.4 SL连接器的扩展产品:
SL连接器可以与LC、SC、FC等连接器组合成各种跳线产品，以下是两种常用的SL-LC和SL-SC组合的跳线。
2.4.1 SL-LC光纤跳线
图十一: SL-LC光纤跳线
2.4.2 SL-SC光纤跳线
图十二: SL-SC光纤跳线
3 产品光学性能测试与可靠性验证
3.1. 标准连接器与适配器的制作与验证
3.1.1参照YD/T1272.1-2018标准第4.3条要求，制作SL-LC/PC标准跳线和SL适配器。
3.1.2 标准连接器与适配器的性能验证
参照YD/T1272.3-2015第6.5条对标准跳线与适配器进行对比验证。验证原理图如图十三
图十三： SL标准连接器与适配器测试验证图
验证步骤如下：
a）、按图十三a）所示，将两条LC/PC标准跳线与LC标准适配器连接，插头一端插入稳定化光源，一端与光功率计连接，待系统稳定后，将光功率计归零。
b）、按图十三b）所示，光功率计归零后，将制作好的LC标准连接器与标准适配器替代LC标准路线与适配器，待系统稳定后，光功率计的读数即为标准SL跳线与标准SL适配器插入损耗。将两条SL-LC标准跳线连接光源与功率计的一一对应的四个LC插头同时调换，分别测试SL跳线四个端口的插入损耗。每个端口共进行十次插拔，其最大插入损耗应＜0.1dB，其最大变化量应＜0.05dB。
3.2 产品光学性能测试
3.2.1 SL连接器样品插入损耗与回波损耗的测试
参照YD/T1272.-2015标准,将10根SL-LC/PC跳线样品按照图十四与图十五进行测试.测试数据见表三，
图十四： 连接器插入损耗测试原理图
图十五： 回波损耗测试原理图
SL-LC/PC跳线插入与回波损耗测试数据 表三序号 项目名称 参照标准要求 测试数据 结果
样品编号 1#端口α(dB) 2#端口α(dB) 3#端口α(dB) 4#端口α(dB) 符合YD/T1272.1-2018标准光学性能指标插入损耗与回波损耗的要求1 插入损耗 ≤0.35dB 1 0.16 0.11 0.08 0.18
2 0.19 0.20 0.18 0.21
3 0.18 0.17 0.16 0.22
4 0.11 0.17 0.16 0.17
5 0.14 0.15 0.16 0.17
6 0.19 0.21 0.19 0.17
7 0.17 0.16 0.18 0.13
8 0.17 0.14 0.12 0.17
9 0.13 0.17 0.16 0.19
10 0.11 0.16 0.18 0.17 2 回波损耗 ≥45dB 样品编号 1#端口α(dB) 2#端口α(dB) 3#端口α(dB) 4#端口α(dB)
1 52.5 53.1 50.8 51.4
2 50.8 52.3 51.6 52.3
3 51.3 53.4 52.4 53.4
4 50.9 50.7 53.2 50.7
5 52.3 51.9 51.3 50.7
6 51.7 52.4 52.1 50.9
7 50.8 51.6 52.1 51.3
8 51.3 52.4 51.3 50.8
9 50.8 51.3 52.3 51.3
10 50.8 51.7 51.4 52.3 3.2.2 SL适配器插入损耗的测试
参照YD/T1272.-2015标准,将10个SL-LC适配器样品按照图十六进行测试.SL-LC适配器的插入损耗见表四
图十六： 适配器插入损耗测试原理图
SL-LC适配器插入损耗测试数据 表四序号 项目名称 参照标准要求 测试数据 结果
样品编号 1#端口α(dB) 2#端口α(dB) 3#端口α(dB) 4#端口α(dB) 符合YD/T1272.1-2018标准光学性能指标插入损耗与回波损耗的要求1 插入损耗 ≤0.20dB 1 0.16 0.11 0.08 0.18
2 0.19 0.20 0.18 0.21
3 0.18 0.17 0.16 0.22
4 0.11 0.17 0.16 0.17
5 0.14 0.15 0.16 0.17
6 0.19 0.21 0.19 0.17
7 0.17 0.16 0.18 0.13
8 0.17 0.14 0.12 0.17
9 0.13 0.17 0.16 0.19
10 0.11 0.16 0.18 0.17
3.3 SL连接器可靠性试验
按照YD/T2152-2010光纤活动连接器可靠性要求及试验方法,将6只SL-LC跳线样品,进行高温老化、温度循环、机械耐久性试验，试验结果见表五
SL连接器可靠性试验表 表五序号 项目名称 标准与要求 试验记录 结论
1 高温老化 YD/T2152-2010
第5.3.5.2条
温度: +85℃
持续时间:168h 插入
附加损耗
≤0.3dB 连接器编号 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 符合
要求
1 0.08 0.10 0.09 0.09
2 0.07 0.08 0.07 0.08
3 0.10 0.09 0.06 0.07
回波损耗变化量
≤5dB 连接器编号 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 1端品△α(dB)
1 0.58 0.47 0.50 0.65
2 0.63 0.50 0.68 0.70
3 0.95 0.85. 0.95 1.05 2 温度循环 YD/T2152-2010
第5.3.5.4条
温度范围:
-40℃～+75℃
试验周期:21次循环
(每个循环8h),共168h 插入
附加损耗
≤0.3dB 连接器编号 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 符合
要求
1 0.13 0.15 0.15 0.12
2 0.17 0.11 0.13 0.15
3 0.14 0.15 0.14 0.13
回波损耗变化量
≤5dB 连接器编号 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 1端品△α(dB)
1 1.50 1.75 1.15 1.20
2 1.55 1.60 1.65 1.50
3 1.45 1.55 1.40 1.45 3 机械耐久性 YD/T2152-2010
第5.3.6.7条
连接器与适配器
重复插拔500次 插入
附加损耗
≤0.3dB 连接器编号 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 符合
要求
4 0.18 0.16 0.13 0.17
5 0.19 0.16 0.20 0.16
6 0.16 0.17 0.18 0.15
回波损耗变化量
≤5dB 连接器编号 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 1端品△α(dB) 1端品△α(dB)
4 2.50 1.85 2.15 2.10
5 2.35 2.40 2.45 2.35
6 2.10 2.20 2.15 2.25 3.4 SL连接器插针端面弹力的测试
参照YD/T2152-2010第4.2.5和YD/T1272.3-2015第4.2.1.1，先测量SL连接器插头初始状态的H值,然后将连接器插头用夹具固定在弹簧测力计上,在插针端面施加压力,记录H值变化时对应的插针端面的弹力。如图十七是一个SL连接器插头四个端口插针端面的弹力测量数据图,H初始值为7.42,四个端口插针的H值从7.10压缩至6.90时,插针端面弹力在5-6N的范围内,符合YD/T2152-2010第4.2.5条当两个连接头插针对接时,插针在0.2mm(6.90-7.10)轴向活动范围时,插针端面的压力(插针直径1.25mm)应为5-6N的要求。
图十七：SL连接器插针端面弹力测试数据图
- 结束语
光纤适配器与连接器是光通信设备接口及相互连接的常用器件,如密集波分复用（DWDM）(图十八)与光分路器(图十九)等光通器件，输入、输出接口均为光纤适配器。SL连接器具有小型化、集成化、密集化的特点，用SL光纤连接器替代目前常用的LC或SC光纤连接器，可成倍的提高光通信设备接口与光纤连接器布线的密度，更好的满足光通信设备向高密度、大容量、集成化方向发展的需要。符合光通信设备的发展趋势，具有良好的发展与应用前景。
图十八： 密集波复分用器
作者简介:
邱发福 电子信息高级工程师,鹰潭市科海光器件有限公司总工程师.主要从事光纤连接器、适配器、衰减器等无源器件的设计与制造，曾设计LC双芯、四芯一体式适配器、MPO一体式适配器、LC一体式连接器，SC反射器组件，产品曾获国家发明专利及实用新型专利。电子邮箱：ytqff@163.com 联系电话：18007016101
