光电信息科学与工程专业

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1、光电信息科学与工程专业光电信息科学与工程专业 认知实习实验报告认知实习实验报告 姓 名：学 号：刘鑫航 班 级：3150102133 专 业：光电 1501 时 间： 光电信息科学与工程专业 2016 年 7 月 一、实验一、实验目的目的 1. 了解单模单芯光缆和常用光纤连接器的基本结构； 2. 熟悉光纤跳线的制作流程并手工制作一条 FC-PC 型单模单芯跳线； 3. 熟悉 FC-PC 型光纤连接器的端面质量检查方法； 4. 掌握用于测试光纤跳线是否制作成功的可见光注入法； 5. 掌握光纤的端面切割、清洁、V 型槽连接及熔接技术； 6. 熟练运用笔式可视故障探测仪检验光纤的连接性能。 二、实验

2、原理二、实验原理 1单模单芯单模单芯光光缆缆的基本结构的基本结构 单模单芯室内软光缆（图 3.1）的黄色护套材料为聚低烟无卤材料，护套内的加强构件由芳香尼龙（纺纶）组成，用以增强光缆的拉伸性能。900um 的紧套被覆层（阻燃外护套）对涂覆的光纤起机械缓冲保护作用。9um 的纤芯为二氧化硅材料制成，很脆，易折断。 图 1 单模单芯光缆的基本结构示意图 2光纤光纤连接器的基本连接器的基本构造构造 光纤连接器是实现光纤与有源/无源器件、光纤与仪表及系统之间非永久性固定连接的主要无源光器件。它便于光纤系统的测试与维护，使光纤系统的转接调度更加灵活。光纤连接器从结构上分为单芯光纤连接器和带状多芯光纤连接

3、器， 目前使用最多的是单芯光纤连接器。依据光纤活动接头的结构和形状，常将单芯光纤连接器分为 FC、SC、ST 等几种，如图 2 所示。 FC-PC 护套 芳香尼龙（纺纶） 紧套被覆层 涂覆层 图 2 单芯光纤连接器的常用类型 FC 型为圆形的螺纹式结构， 接头插入法兰盘后， 其卡锁落入法兰盘的槽中， 再用螺纹拧紧。光纤端面经研磨、 抛光处理， 靠套筒的高精度内圆与插针的高精度外圆紧密配合进行轴心对准。SC 型是矩形的插拔式结构，法兰盘中有卡簧。由于是矩形，所以很容易对准。接头插入法兰盘后，听到卡簧声响便表示接头已良好连接。ST 型为圆形卡口式结构，接头插入法兰盘压紧后，旋转一个角度便可使插头固

4、定牢固，并对光纤端面施加一定的压紧力。 光纤连接器按端面形状及接触方式可分为球面接触的 PC（Physical Contact）型、斜球面接触的 APC（Angled Physical Contact）型和超平面接触的 UPC（Ultra-Physical Contact）型等。PC 型通常为单模光纤连接头，其端面研磨抛光成微凸球面，APC 型在端面形成 8倾角，并且形成半径为 2050 mm 的球面，UPC 型为超平面连接。光纤连接器的型号通常表示为 XX-YY。其中 XX 表示光纤连接器之连接头的连接方式，YY 表示光纤连接器端面的形状及接触方式。如 SC-PC 表示插拔式球面接触型。 虽

5、然不同的光纤连接器构造不尽相同，但它们均有图 3 所示的五个基本部件：保护套、插针体、连接闭锁装置、后壳、压接套管。FC 连接器外形是圆柱形，外部用带螺纹的金属套固紧，采用了 2.5mm 的陶瓷制防拉插针体，适用于长途及局域网。 图 3 光纤连接器的基本构造示意图 光纤连接器的插针体是一外径为 2.5 mm，内径为 126 um 的陶瓷圆柱体，可用环氧树脂胶将直径为 125 um的光纤固定于插针体的内孔中， 然后对插针体端面进行精密研磨加工 （图4）。为保证光纤连接器的性能，要求连接器在对接时光纤端面能保持良好的物理接触，即要求连接器端面各点在研磨加工时受到均匀研磨。 为使得连接器对接时两光纤

6、端面物理接触，陶瓷插针端面应磨成球面。因此，研磨垫由弹性非常好的橡胶做成，金刚石磨料砂纸放置于橡胶垫上。这样，在研磨光纤端面时可保证插芯端部为球面。 图 4 光纤端面的研磨加工 图 5 单颗磨粒的受力情况 磨粒对光纤只有滑动挤压和犁削作用， 实质上是在磨粒刃的切向力和挤压力组合作用下， 光纤表层产生材料去除的过程。如图 5 所示，磨粒相对于光纤沿 v 方向运动，在外载荷为Pt 时，磨粒受到挤压力 P 1 及剪切力 P2 的作用。 光纤连接器端面的各点相对于研磨盘运动路程的多少， 将会影响到光纤连接器被研磨端面上各点的材料去除量， 所以， 连接器在研磨过程中插针体端面上的所有点相对于研磨盘的运动

7、路程应相等，以保证连接器端面的均匀研磨。 在研磨过程中， 轨迹的变化形态以及轨迹的疏密度等对连接器端面研磨的质量影响较大。要使研磨砂纸均匀磨损，应避免连接器端面相对于它的研磨轨迹过早地出现周期性重复。 3光纤的连接光纤的连接 3.1 光纤的光纤的连接损耗连接损耗 光纤连接时的耦合损耗因素基本上可分为两大类： 一类是固有的， 是被连接光纤本身特性参数的差异，比如纤芯直径、模场直径、数值孔径差异、纤芯或模场的同心度偏差、纤芯椭圆度等。 这些因素所引起的光纤连接损耗一般无法通过连接技术来改善； 另一类是光纤连接时光纤的端面质量、对中质量和连接质量等因素，比如光纤的端面切割质量、端面间隙、纤轴的横向错

8、位、纤轴的角度倾斜、纤芯形变等因素。这些因素所引起的连接损耗可通过连接技术的改进而得到改善。 引起光纤对接的损耗主要原因可分成内因和外因两大类。 典型的内部连接损耗有： 纤芯直径不匹配、数值孔径不匹配、模场直径不匹配，如图 6 所示。 纤芯直径不匹配 数值孔径不匹配 模场直径不匹配 图 6 光纤的内部连接损耗 典型的外部连接损耗有：横向偏差，角度偏差，端面间隙等，如图 7 所示。 横向偏差 角度偏差 端面间隙 图 7 光纤的外部连接损耗 其他的外部损耗原因包括， 光纤端面质量及光纤末端表面的外来颗粒。 二者可以通过光纤切割以及彻底清除光纤末端来消除。 3.2 光纤连接前的准备工作光纤连接前的准

9、备工作 在光纤连接之前，应进行光纤涂层的去除、清洁及端面制备工作。利用光缆开剥刀和一次涂覆层剥除钳来去除光纤外面的保护层， 然后用蘸有无水酒精的纱布或脱脂棉捏住光纤轻轻擦洗，使裸纤外表面上没有污染、水份及灰尘。接着进行光纤的端面处理，要求端面平整清洁并与纤轴垂直。 光纤切断方法基本上有两种： 一种是在施加有一定张力的光纤上用金刚石一类的刀刃在光纤的要切断部位处划痕， 一旦光纤表面出现裂纹， 光纤就会在所加张力的作用下在划痕处崩断；另一种是先手工在裸纤上用刀刃划痕，然后弯折光纤以折断光纤。 3.3 光纤的光纤的固定连接固定连接 V 形槽连接形槽连接 将端面制备好了的两根裸纤装夹在同一个精密 V

10、型槽中，利用 V 型槽的自动对心原理来达到光纤的准直对接。 如图 8 所示， 将制备好的裸纤端面沾取少许折射率匹配液放入精密 V 型槽中，使光纤端面尽可能地在精密 V 型槽中间，轻轻地放下压板来压住光纤，压光纤时注意观察裸纤，确保裸纤完全落入精密 V 型槽内，不得翘起和扭曲，轻柔地推动光纤使两裸纤端面接触到。 V 形槽的深浅和光纤外径的一致性将保证可以获得满意的连接效果。使用 V 形槽连接器可以使两根切割良好的裸纤暂时连接而不必熔接操作。这种接续方式的过程可逆、工具简易、投入不足千元。 图 8 使用精密 V 槽实现光纤的临时耦合对接 熔接连接熔接连接 在光纤熔接机上， 用电弧加热要连接的光纤的

11、处理端面， 将它们熔融直至 “烧结”在一起。熔接前应确保光纤外表面上没有污染、水份及灰尘，否则会影响熔接质量，甚至出现气泡。裸纤在制备好端面后，就可放入光纤熔接机的光纤夹持器上固定。光纤夹持器多为 V 形槽结构，压板由弹性材料做成。注意用压板夹持光纤时，应压在光纤未端去除涂层的部分，不要压在裸纤上，以免光纤表面受损甚至夹断。接着利用精密微调机构，将两根要连接的光纤端面准确地对中，对中过程需在 x、y、z 三个方向反复进行，直至达到一个最佳位置。在放电过程中把光纤熔接起来是使光纤对中状态固定下来的最好的一种定位方式。熔接方式稳定可靠，但设备价格较贵（1.5 万元左右） 。 如果被熔接的光纤纤芯偏

12、心量较大， 则用正常熔接条件熔接时， 在接点处会由于光纤表面张力的缘故使原来已经对准的纤芯产生偏移，此时应选用较短的熔接时间。不过，熔接时间过短， 会因两根光纤没有充分烧结在一起而影响光纤接点的牢度； 熔接时间过长以及光纤推进量过多，容易引起光纤形变，甚至使加热区边缘附近光纤变细。光纤熔接后，外表看不出与原光纤有什么不同，但其内在质量有了变化：熔接后光纤的抗拉强度变弱，熔接点出现附加损耗。光纤接头的附加损耗是评价光纤熔接点质量的主要指标。 3.4 光纤的光纤的活动连接活动连接 光纤连接器把光纤的两个端面精密对接起来， 以使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合到接收光纤中去， 并使由于其介入光链路

13、而对系统造成的影响减到最小。 光纤连接器可以多次反复插拔装接， 不同种类的光纤连接器， 其结构有所不同， 互相之间不一定能互换使用，需要使用适配器进行转接。 单模光纤连接头要求光轴对准精度优于1m，两光纤的玻璃端面物理必须接触。可使用光纤显微镜检查光纤连接头是否干净清洁，如图 9 所示。若不干净将影响传输品质。目前有各种不同的连接头清洁方法。 可以用无水酒精和脱脂棉棒清洁， 再立即用过滤无尘压缩空气（Non Residue Filtered Air）吹干。 裸纤 V 形槽 压板 如果光纤尾端（图 10）是平整的端面或者在尾端接有平整、抛光了的活动连接器，则在 FC-PC 型光纤连接器一端注入红

14、色可见光后，尾端出射的将会是圆形光斑。如果尾端是破裂的端面或者被磨花了， 则由于端面的不规则会使光线漫射， 出射的将会是不规则的光斑。 图 10 光纤的尾端 三、实验器材三、实验器材 如图 11 所示，包括 FC 型光纤连接器套件；跳线；尾纤；盘纤；剥纤钳；笔式光纤切割刀； 光纤切割器； 凯夫拉剪刀； 擦镜纸、 无水乙醇、 脱脂棉棒； 光纤接头清洁器； 压接钳；平整的尾端 不规则的尾端 （a）干净清洁的端面 （b）脏污的端面 （c）损坏的端面 图 9 光纤连接头的端面 压接钳 AV87501光纤对接器 光纤熔接机 双组份环氧胶 点胶针筒 跳线 尾纤 盘纤 剥纤钳 笔式光纤切割刀 光纤切割器 凯

15、夫拉剪刀 擦镜纸、无水乙醇 脱脂棉棒 光纤接头清洁器 图 11 实验中用到的主要器材 黑色尾套 银色压接环 银白色尾柄 FC连接头 笔式可视故障探测仪 不同磨粒直径的研磨纸 图 12 光纤连接器数显温控固胶炉 AV87501 光纤对接器；光纤熔接机；环氧胶、点胶针筒；笔式可视故障探测仪；研磨纸等。 此外，还用到 24 孔光纤连接器数显温控固胶炉和光纤端面显微镜。 光纤连接器数显温控固胶炉用于光纤连接器的固胶，如图 12 所示， 包 括 FC、 SC、 ST 和 LC 接口， 加热温度为 40oC200 oC，温控精度1。其在工作前需预热 15min，用指针式温度计查看当前温度，当温度达预设温度后将连接器放入插槽中进行固胶。 实验中所用的 EPOTEK 353ND 热固化胶的 A、B组分比例为 10:1， 混合后胶样为琥珀色， 固化后变为深红色，建议固化时间： 80 oC T120 oC 时固化 1 分钟，T80 oC 固化 15 分钟 a