防潮密封型光纖連接器

張新立，唐群植，伍浩成，黎志剛，呂宏偉，湯 科

防潮密封型光纖連接器

張新立，唐群植，伍浩成，黎志剛*，呂宏偉，湯 科

中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004

針對高功率光纖激光系統(tǒng)中光纖對接端面產(chǎn)生水霧凝結(jié)的問題，分析出產(chǎn)生該問題最重要因素為連接器不具備防潮密封性能，對其結(jié)構(gòu)裝配及使用過程進行剖析，同時指出其防潮密封缺陷原因，進行技術(shù)創(chuàng)新與工藝改進，設(shè)計了防潮密封型光纖連接器。介紹了該新型連接器防潮密封原理及結(jié)構(gòu)組成；重點對該新型光纖連接器性能進行全面測試，包括浸水試驗、恒定濕熱試驗、在線運行應用驗證等。試驗結(jié)果表明，其插入損耗小于0.2 dB，防潮密封性能良好，取得較好的預期效果。

高功率光纖激光；水霧凝結(jié)；防潮密封；光纖連接器；光纖端面

1 引 言

高功率激光光纖傳輸與測量應用中，光纖傳輸功率較高，在光纖對接端面處產(chǎn)生熱量，當激光斷開后，陶瓷插芯冷卻，空氣中的水汽會在接續(xù)端面凝結(jié)水霧，導致光纖接續(xù)損耗增大，甚至會損傷光纖端面，影響裝置運行[1-3]。當前解決光纖端面水霧凝結(jié)現(xiàn)象主要的辦法是定期清潔光纖端面，在不改變現(xiàn)有設(shè)備接口結(jié)構(gòu)的前提下并無理想替代方案。然而，隨著高功率激光裝置規(guī)模不斷擴大、激光輸出能量成倍提升，嚴重的光纖端面水霧凝結(jié)現(xiàn)象將對激光裝置產(chǎn)生更大更差的影響，直接導致裝置光纖線路損耗增大，系統(tǒng)末級輸出穩(wěn)定性變差，甚至損傷(燒毀)光纖端面，增加故障定位及工程維護難度。傳統(tǒng)定期清潔端面策略在巨型高功率激光裝置中已不具備可操作性，需從根本上解決連接器光纖端面水霧凝結(jié)問題。造成水霧凝結(jié)現(xiàn)象最重要的因素為傳統(tǒng)光纖連接器不具備防潮密封性能，其裝配過程沒有密封工藝，未做防潮密封處理；在與法蘭對接使用時也未做防潮密封處理工藝，導致空氣中的微塵和水汽進入光纖對接的陶瓷插芯周圍及端面，使連接器內(nèi)部潮濕及潔凈度不達標，在光傳輸、光測量、光傳感領(lǐng)域帶來嚴重后果[3-6]。在不改變光纖連接器現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及光學指標的前提下，對光纖連接器的結(jié)構(gòu)與裝配過程進行深入分析，指出其防潮密封缺陷原因，通過技術(shù)創(chuàng)新與工藝改進，設(shè)計并實現(xiàn)了一種防潮密封型光纖連接器，為解決高功率激光裝置光纖端面水霧凝結(jié)問題提供了技術(shù)方案和可靠產(chǎn)品。這種新型防潮密封型光纖連接器概念及其特性目前尚未檢索到相關(guān)報道。在前人工作基礎(chǔ)上，除了對新型連接器防潮密封性原理與關(guān)鍵技術(shù)進行全面系統(tǒng)論述外，還給出其性能測試方法與結(jié)果。最后介紹了該連接器在高功率光纖激光系統(tǒng)在線運行應用情況，指出防潮密封型光纖連接器較好地解決了光纖端面水霧凝結(jié)問題。

2 光纖連接器結(jié)構(gòu)及成型工藝

普通單模光纖連接器(簡稱“光纖連接器”)是光傳輸、測量、傳感領(lǐng)域中光纖之間與設(shè)備之間活動連接不可或缺的器件[7-10]，其防潮密封技術(shù)與工藝已經(jīng)成為特種光纖連接器研究的一個重要方向。

光纖連接器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其各零部件組成裝配如圖2所示。

圖1與圖2中，1為法蘭，2為內(nèi)陶瓷芯管，3為止推座，4為外陶瓷芯管，5為前套，6為外螺，7為陶瓷插芯，8為彈簧，9為后套，10為壓緊環(huán)，11為圓環(huán)，12為尾纖套管。

其裝配過程為部件4置于部件3中，整體再置于部件1中組成法蘭盤；部件7向右依次套接部件8和部件9，向左依次套接部件6和部件5；部件10壓緊部件9，部件11緊套部件10，部件12向左套緊，此時已套至部件9左側(cè)第二處凹槽，構(gòu)成完整光纖連接器。

圖1 傳統(tǒng)普通單模光纖連接器結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳統(tǒng)普通單模光纖連接器裝配圖

3 光纖連接器防潮密封性研究

3.1 防潮密封性缺陷原因分析

按圖1所示的光纖連接器，其裝配與應用過程中存在以下五個方面的防潮密封性缺陷。

1) 部件5右半部分與部件6左半部分固定時，一方面為剛性接觸，另一方面固定后兩者之間還有1 mm的縫隙。

2) 部件9與部件6套接時，部件9中間凸起部分與部件6右端內(nèi)平臺為剛性接觸，固定后存在縫隙。

3) 部件4、部件5和部件7套接時，一方面部件7左端外徑尺寸小于部件5左端內(nèi)徑，另一方面部件7與部件4固定后，之間還有1 mm的縫隙。

4) 部件10壓緊在部件9上，部件11壓緊在部件10上，一方面這種壓緊為剛性固定，其間存在縫隙，另一方面光纖外徑尺寸遠小于部件9與部件10的內(nèi)徑尺寸。

5) 部件6左側(cè)內(nèi)螺紋與部件1右側(cè)外螺紋扭定后，一方面為剛性接觸，另一方面部件1右側(cè)外螺紋未到底，兩者固定后，還有1.5 mm的縫隙。

以上均為普通單模光纖連接器成型與使用過程中存在的防潮密封性隱患、缺陷，應針對各具體隱患、缺陷進行防潮密封性技術(shù)創(chuàng)新與工藝改進。

3.2 防潮密封性技術(shù)創(chuàng)新與工藝改進

針對光纖連接器裝配與使用過程中存在的防潮密封性缺陷，進行技術(shù)創(chuàng)新與工藝改進，其設(shè)計效果如圖3所示，具體措施包括以下五個方面。

1) 設(shè)置I類密封圈，為硅膠O型密封圈，其內(nèi)徑尺寸等于部件5后端的外徑尺寸，外徑尺寸等于部件6前端的內(nèi)徑尺寸，線徑大小滿足部件5與部件6連接時為過渡密封。

2) 設(shè)置II類密封圈，為硅膠O型圈平墊片，其外徑尺寸等于外螺6后端的內(nèi)徑尺寸、內(nèi)徑尺寸等于后套9前端的外徑尺寸，膠圈厚度滿足外螺6與后套9連接時為過渡密封。

3) 設(shè)置III類密封圈，為硅膠O型密封圈，其內(nèi)徑尺寸等于陶瓷插芯7的前端外徑尺寸，外徑尺寸等于前套5前端內(nèi)徑尺寸，線徑大小滿足外陶瓷芯管4、前套5與陶瓷插芯7連接時為過渡密封。

4) 使用硅橡膠粘膠工藝，粘膠覆蓋后套9后半部外表面，壓緊環(huán)10和圓環(huán)11的外表面的連接縫隙處，粘膠干涸后，尾纖套管12能正常套緊。

表1 測試使用儀器設(shè)備及環(huán)境條件

表2 防潮密封型光纖跳線IL測量結(jié)果

表3 浸水試驗后跳線IL測量結(jié)果

圖3 防潮密封型普通單模光纖連接器結(jié)構(gòu)裝配圖

圖4 防潮密封型光纖跳線插入損耗測量框圖。(a) 輸入光功率測量P0 (dBm)；(b) 輸出光功率測量P1 (dBm)

5) 設(shè)置IV類密封圈，為硅膠O型密封圈，其內(nèi)徑尺寸等于法蘭1兩側(cè)無螺紋凹處外徑尺寸，外徑尺寸大于外螺6前端外徑尺寸，滿足法蘭1、前套5與外螺6連接時為過渡密封。

4 防潮密封型連接器性能測試

4.1 光學指標測試

主要指光纖連接器插入損耗(IL)[11-12]，IL測量原理如圖4所示，測試所涉及實驗儀器設(shè)備及環(huán)境條件如表1所示。測量對象是G.652光纖f3.0 mm單芯防潮密封型普通單模光纖跳線。

按圖4對待測跳線的IL進行測量，記錄跳線輸入光功率0及輸出光功率1，則待測跳線插入損耗IL＝0－1；測量同一批次20根防潮密封型光纖跳線IL，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

上述20根防潮密封型光纖跳線IL測量中，所有IL值全部小于0.2 dB，集中在0.1 dB左右，最大值為0.19 dB，符合通信行業(yè)標準YD/T1272.4-2007及YD/T2152-2010關(guān)于單模光纖跳線IL值不大于0.2 dB的規(guī)定。

4.2 密封性能測試

1) 浸水試驗

該試驗全面考核光纖跳線與法蘭組合的密封性能，分別將“普通跳線+普通法蘭+普通跳線”和“新工藝跳線+新工藝法蘭+新工藝跳線”組合體分別置于室溫水中浸沒，如圖5所示，其中“新工藝跳線”、“新工藝法蘭”均指按3.2節(jié)所述技術(shù)創(chuàng)新與工藝改進后的光纖跳線與法蘭；試驗后檢測各光纖端面，其檢測結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

圖6 普通組合體浸入水中試驗后光纖端面檢測結(jié)果

圖7 新工藝組合體浸入水中試驗后光纖端面檢測結(jié)果

按圖5(a)中對普通組合體試驗，30 min后普通組合體中光纖端面已經(jīng)出現(xiàn)明顯的浸水現(xiàn)象，1 h后光纖端面出現(xiàn)嚴重的浸水現(xiàn)象，相關(guān)檢測結(jié)果如圖6所示，說明普通光纖跳線與法蘭應用時不具備防潮密封性能。同樣，按圖5(b)中對新工藝組合進行試驗，30 min后光纖端面沒有出現(xiàn)浸水跡象，24 h后光纖端面也未出現(xiàn)明顯的浸水現(xiàn)象，相關(guān)檢測結(jié)果如圖7所示，說明新工藝光纖跳線與新工藝法蘭防潮防水密封性能得到顯著改善。

上述各試驗步驟完成后，按4.1節(jié)測量IL方法，分別測量各跳線的插入損耗，數(shù)據(jù)記錄見表3。

插損測量結(jié)果表明，普通跳線與法蘭對接浸水試驗后，其跳線插損明顯增大，即光纖端面產(chǎn)生水霧凝結(jié)現(xiàn)象后會導致光纖線路損耗變大，且水霧凝結(jié)現(xiàn)象越嚴重，光纖線路損耗越大；同步試驗后，新工藝跳線插損變化不明顯，維持在固有插損0.2 dB范圍內(nèi)。

圖8 防潮密封型光纖跳線與法蘭連接關(guān)系

圖9 新工藝組合體恒定濕熱試驗后光纖端面檢測結(jié)果

2) 恒定濕熱試驗

為進一步考核新工藝組合體防潮密封性能，隨機取出4根新工藝光纖跳線采用新工藝法蘭依次緊固連接置于試驗箱，如圖8，按照GB/T2423.3-2006的要求進行恒定濕熱試驗，試驗的嚴酷等級為溫度(40±2) ℃、相對濕度(93±3)% RH，持續(xù)時間24 h，試驗后各光纖端面檢測結(jié)果如圖9所示。

圖5 組合體置于室溫水中浸沒試驗。(a) 普通組合體浸沒試驗；(b) 新工藝組合體浸沒試驗

由圖9中結(jié)果可知，新工藝防潮密封型光纖跳線及其法蘭通過恒定濕熱試驗后，光纖端面潔凈且無水霧凝結(jié)現(xiàn)象，具備良好的防潮密封性能。

4.3 在線測試

1) 拷機測試

將防潮密封型跳線按圖10依次緊固連接，在實驗室條件下進行拷機測試，其光源、測試跳線、具體環(huán)境參數(shù)等信息見表1，在線不間斷測試60天后，檢測各光纖跳線端面情況如圖11所示。

圖11(a)中光纖端面出現(xiàn)較嚴重的水霧凝結(jié)現(xiàn)象，分析其原因，與11(a)端連接的光源輸入端(in)不具備防潮密封性能，空氣中水汽由(in)端進入光纖連接器組合體中，導致11(a)處光纖端面出現(xiàn)水霧凝結(jié)現(xiàn)象。而11(b)~11(g)各連接器成型及使用過程中均具備防潮密封處理，故各光纖端面檢測時未出現(xiàn)水霧凝結(jié)現(xiàn)象；(h)處光纖連器成型做了防潮密封處理，但試驗過程中沒有與新工藝法蘭防潮密封對接，是套一個防塵冒，該處理并未很好地解決防潮密封問題，如圖11(h)標記處。各光纖端面檢測結(jié)果顯示，新型光纖跳線在成型與使用時均具備防潮密封工藝才能較好地解決光纖端面水霧凝結(jié)問題。多批次新工藝光纖跳線及其法蘭多次拷機試驗后均獲得類似結(jié)論，驗證了新工藝光纖跳線及其法蘭具備良好的防潮密封性能，拷機測試結(jié)果符合預期。

2) 高功率光纖激光系統(tǒng)在線應用

系統(tǒng)全面地對新工藝光纖跳線及法蘭這一創(chuàng)新型防潮密封型光纖連接器進行研究分析與設(shè)計實現(xiàn)，為高功率光纖激光系統(tǒng)提供了一種光纖連接器的新選擇。這里介紹防潮密封型光纖連接器在資助項目(高功率光纖激光系統(tǒng))的實際應用，防潮密封型光纖跳線及其法蘭分別安裝在設(shè)備光輸入/出處進行光路級聯(lián)，系統(tǒng)輸出8束主光路(各束脈沖能量≥1.0 μJ/5 ns方波/1 Hz)，其主要光學指標與高功率激光裝置前端系統(tǒng)相同，但整體性能有較大提升，普通單模跳線、保偏光纖跳線、單偏振光纖跳線均有應用，共計100余根，其中防潮密封型光纖跳線(10根)目前針對普通單模跳線，在線運行應用90天后，隨機取出若干光纖跳線進行端面檢測，結(jié)果如圖12所示。

圖12中，12(a)~12(d)、12(e)~12(h)、12(i)~12(l)、12(m)~12(p)分別為防潮密封型普通單模光纖跳線、傳統(tǒng)單模跳線、單模保偏跳線、單模偏振跳線端面檢測結(jié)果。該結(jié)果顯示，防潮密封型普通單模光纖跳線端面無水霧凝結(jié)現(xiàn)象，其它三種未做防潮密封處理的傳統(tǒng)光纖跳線端面均有不同程度水霧凝結(jié)現(xiàn)象。

綜合分析表明，這種防潮密封型光纖跳線及其法蘭具備在高功率光纖激光系統(tǒng)中長期使用的條件，且較好地解決了光纖端面水霧凝結(jié)問題，具有良好的應用前景。

圖10 防潮密封型光纖跳線拷機試驗連接

圖11 新工藝組合體拷機試驗后光纖端面檢測結(jié)果

圖12 在線應用90天后各類光纖端面檢測結(jié)果

5 結(jié) 論

本文針對高功率激光裝置前端系統(tǒng)光纖連接器應用時出現(xiàn)水霧凝結(jié)現(xiàn)象，分析該現(xiàn)象形成原因及造成影響，對光纖連接器結(jié)構(gòu)與裝配工藝進行詳細分解，得出其防潮密封性缺陷原因。基于此，在不改變光纖連接器原有結(jié)構(gòu)與尺寸的前提下，對光纖連接器進行技術(shù)創(chuàng)新與工藝改進，設(shè)計并實現(xiàn)防潮密封型普通單模光纖連接器，對防潮密封型光纖連接器進行系列實驗，其光學指標與防潮密封性能均符合預期，并在高功率光纖激光系統(tǒng)中進行應用，其中長期在線使用未見光纖端面水霧凝結(jié)現(xiàn)象，得到了較好的試驗結(jié)果。當前防潮密封型普通單模光纖連接器已經(jīng)在高功率激光裝置前端系統(tǒng)中在線運行試用，試用效果較好，有望在高功率光纖激光系統(tǒng)中獲得廣泛應用。同時，對單模保/單偏光纖連接器正在進行防潮密封處理，相關(guān)驗證進展順利。

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Moisture-proof seal optical fiber connector

Zhang Xinli, Tang Qunzhi, Wu Haocheng, Li Zhigang*, Lv Hongwei, Tang Ke

No. 34 Research Institute, CETC, Guilin, Guangxi 541004, China

Structure of moisture-proof seal fiber connector

Overview:In the application of high-power laser optical fiber transmission and measurement, the transmission power of optical fiber is higher. With the laser disconnected, the ceramic insert core is cooled, and the water vapor in the air will condense at the end face of the connector. It will increase the fiber splicing loss and even damage the fiber end face. It is necessary to fundamentally solve the problem of water mist condensation on the end face of the connector. The most important factor of water mist condensation is that the traditional optical fiber connector does not have moisture-proof sealing performance. This paper analyzes the structure assembly and use process of the connector, and points out five defects of the moisture-proof seal. Specifically, there is no sealing process or moisture-proof sealing treatment in the assembly process. In addition, when the connector is used for the butt joint with flange, no moisture-proof sealing process has been carried out. It causes the dust and water vapor in the air to enter the surrounding and end face of the ceramic insert core. So, the internal humidity and cleanliness of the connector are not up to standard, which brings serious consequences to the field of optical transmission and optical measurement. Through technological innovation and process improvement, a new moisture-proof seal fiber connector is designed and completed without changing the original structure and size of the optical fiber connector. The principle and structure of the moisture-proof seal of the new connector are introduced. The main performances of the new connector are tested comprehensively, including the main optical performance test, immersion test, constant damp heat test, and online application test. The experimental results show that the new connector has better moisture-proof seal with IL less than 0.2 dB. After immersion test, the insertion loss index of the connector also meets the expected requirements. The main optical parameters meet the application requirements. The new moisture-proof sealing connector solves the problem of water mist condensation on the end face of the connector, and can be used in high power fiber laser system for a mid-long term, that will have good prospects. In the next step, we will continue to innovate and introduce this innovative technology and improved process into the single polarization fiber connector and the polarization-maintaining fiber connector. We will design and complete the moisture-proof sealing single-polarization optical fiber connector and moisture-proof sealing polarization-maintaining fiber connector to meet the new application requirements of the fiber laser system.

Citation: Zhang X L, Tang Q Z, Wu H C,Moisture-proof seal optical fiber connector[J]., 2020, 47(12): 200067

* E-mail: jx_lizhigang@163.com

Moisture-proof seal optical fiber connector

Zhang Xinli, Tang Qunzhi, Wu Haocheng, Li Zhigang*, Lv Hongwei, Tang Ke

No.34 Research Institute, CETC, Guilin, Guangxi 541004, China

Aiming at the problem of water mist condensation on the fiber end face in a high-power fiber laser system, the most important factor causing this problem is that the traditional optical fiber connector does not have the moisture-proof sealing performance. The connector structure assembly and use process are analyzed in-depth, and the causes of the moisture-proof seal defects are pointed out. Through technological innovation and process improvement, a moisture-proof seal fiber connector is designed and completed. The principle and structure of the moisture-proof seal of the new connector are introduced. The main performances of the new connector are tested comprehensively, including immersion test, constant damp heat test, online application test. The experimental results show that the new connector has a better moisture-proof seal with IL less than 0.2 dB.

high power fiber laser; water mist condensation; moisture-proof seal; fiber connector; fiber end face

Guangxi Innovation Driven Development Project (Major Science and Technology Projects: GuiKe AA18118032)

10.12086/oee.2020.200067

TN29

A

張新立，唐群植，伍浩成，等. 防潮密封型光纖連接器[J]. 光電工程，2020，47(12): 200067

: Zhang X L, Tang Q Z, Wu H C,Moisture-proof seal optical fiber connector[J]., 2020, 47(12): 200067

2020-03-02；

2020-07-22

廣西創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展專項(科技重大專項)資助項目(桂科AA18118032)

張新立(1983-)，男，碩士，工程師，主要從事光電子技術(shù)與光纖器件及其應用研究、高對比度激光脈沖產(chǎn)生、激光相位調(diào)制處理與檢測、系統(tǒng)集成及產(chǎn)品研發(fā)等方面的研究。E-mail：13557030573@163.com

黎志剛(1985-)，男，碩士，工程師，主要從事光電子技術(shù)與光纖無源器件研究及其應用、激光脈沖光源、激光功率能量檢測等方面的研究。E-mail：jx_lizhigang@163.com