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跳线的质量、可靠性和性能——行业规范的影响和跳线性能的物理参数
浏览: 发布日期:2018-03-16 11:58:35

  内容提要

  通过选择最佳的元件、采用最好的设备与程序进行终接与抛光来保证光纤转接线的质量、可靠性和性能。这些元件和程序必须保证转接线满足或超过所有相关行业规范的要求。本文描述了适用行业规范中的标准相关性,以及物理参数的重要性和物理参数与转接线性能的关系。  介绍  光纤转接线是任何光纤网络中最简单的元件之一,由一条光纤及光纤两端的接头组成。尽管转接线极其简单,但是对网络的整体性能却有非常大的影响。任何网络中的大多数问题发生在物理层,并且主要与转接线质量、可靠性和性能有关。因此,使用更可靠的转接线将减少代价昂贵的网络停机时间。  网络设计人员更喜欢使用久经证明具有长期可靠性能的元件。但是,因为光纤网络是一种相对较新的技术,很多元件还没有特别长期的数据可供分析。因此,设计人员必须依靠元件制造商或供应商的测试,这些测试可以模拟历史情况并保证网络在整个使用期限内的质量和可靠性。本文描述了质量、可靠性和性能的重要性以及它们与行业标准与制造方法的关系。还使用“完美转接线”和抛光观察作为理解转接线原理的工具,研究了转接线的性能。  质量  有行业规范来管理转接线的质量。最常见的两个规范是 EIA/TIA-568-B.31) 和 Telcordia GR-326-CORE2)。568-B.3 针对商业性企业建筑而设计,包括办公室和校园环境,在这些环境中,即可以部署单模式网络,也可以部署多模式网络。GR-326-CORE 是 Telcordia 一般要求 (General Requirements) 的一部分,与《通信法 (1996)》(Telecommunications Act of 1996) 一致。它针对服务供应商市场,在电信和有线电视等长途高速应用中占据了主导地位。在此市场中要求采用单模式,因此该规范没有针对多模式转接线的规定。  每一种规范详细说明了一系列的环境和机械测试。在 GR-326-CORE 和 568-B.3 中有重叠的测试类型。几乎 568-B.3 中的所有测试在 GR-326-CORE 中均有对应的测试,这些测试构成 GR-326 的主要部分,称为“服务寿命”测试。“服务寿命”测试的功能是模拟接头在其整个使用寿命期间可能经受的应力。GR-326-CORE 还包括一组在 568-B.3 中没有对应项的附加测试。这些测试称为“可靠性测试”,其目的是确定出在服务环境中接头设计和材料方面的可能短缺。随后进行服务寿命测试,这要求按特定的顺序对整个样本群进行每一顶测试。另一方面,可提供新的样本群以便进行可靠性测试,正如在 568-B.3 中进行的每一顶测试一样。  这些规范中的测试在生产中并不是每一项均进行的。这些测试通常几年定期测试一次以确保元件和制造程序可以生产出适当质量级别的转接线。

  环境测试  两种测试都包含成套环境测试,每套测试均指出接头在很长时期内必须经历的特定温度和条件。因为这些是服务寿命测试,GR-326-CORE 要求按一定的顺序进行测试。  进行这些测试并不是确保转接线能够承受长时间的 85°C 高温,或高达 125°C 的温度波动,其目的在于模拟转接线在各种环境中的老化现象。通过将接头曝露于过高温度下,测试会使已终接的接头的所有不同材料产生膨胀与收缩。环氧树脂、金属、陶瓷、玻璃,在某些情况下还有聚合物将会在套圈后面的整体接合处产生横断。在高温下,这些材料将以它们的固有膨胀率进行膨胀,从而导致元件出现各种应变。如果测试是一个温度波动超过膨胀范围的热周期,则测试将更加极端。热周期包括每 2 至 4 个小时改变接头的环境温度 125°C。在涉及的每种材料中将产生大的应力和应变。此测试也将曝露终接中的任何缺陷。如果设计与程序不是最优化的,这可导致光纤在套圈中的移动或“活塞式运动”,在极端情况下还有可能导致光纤破裂。  湿度测试将湿气引入系统,并在提高的湿度下进行,以模拟长期曝露的效果。曝露于湿气或水对玻璃光纤的非常大的危害,较长时间的曝露可导致光纤变脆,更容易产生应变,这种情形称为光纤“衰退”3)。  机械测试  这两种主要的规范要求进行几种机械测试。这些测试包括:弯曲测试、扭曲测试、耐力测试、光缆保持测试、冲击测试、振动测试、耐用性和负荷传送测试。两种规范的详细要求稍有不同,但是一般程序和概念是相同的。  大多数机械测试确认跳转线在进行安装与维护之后还完好无损。光缆保持 (568-B.3 的一部分) 等测试用于确保已终接的转跳线可以承受安装期间的拉力。耐力测试,在 GR-326-CORE 中有对应的测试,类似于光缆保持测试,同样保证接头锁紧机构的咬紧力。如果转接线在安装之后突然被拉动,此测试保证转接线既不会破裂,也不会从适配器中脱出。对于此标准,568-B.3 有一个单独的测试,称为“连接机构的咬紧力”。  试图重现安装问题的另一项测试为冲击测试。冲击测试用于验证接头在跌落时不会损坏。  弯曲、扭曲、振动和负荷传送测试都用于模拟接头使用期限内已终接的光缆和啮合接头上的应力。然后观察极端物理条件下的接头外观以确保终接的质量。在 GR-326-CORE 中,大多数接头在结束一连串工作的环境部分后具有“预应力”。在机械测试期间,由于这些应力,元件或终接程序中的缺陷通常会曝露出来。  耐用性测试用于模拟接头的反复使用。此测试涉及将接头连续插入适配器或插孔。测试可揭示接头中任何可能的任何设计和材料缺陷,例如锁紧机构的任何部分可能因频繁使用而造成大的应变或应力。

  可靠性测试  这些测试的标准对 Telcordia GR-326-CORE 是独一无二的。测试包括曝露于各种环境之中,包含附加环境测试和曝露测试。  附加环境测试包括扩展的热寿命测试、湿度测试和热周期测试。这些测试,每项进行 2000 小时 (83 天),进一步研究接头在各种服务环境中的寿命。测试不按顺序进行,因此没有累积效应。在服务寿命环境测试中,样本包括尾光纤组件和跳线组件,如规范的定义所述。这些扩展的测试限于跳线组件。使用跳线组件的基本原理是测试温度导致光缆损失 (TICL)。TICL 产生的原因是光缆长时间曝露于升高的温度之后又曝露于较低的温度,从而产生收缩。外套和缓冲中使用的很多突出元件在曝露于升高的温度之后会收缩,从而导致玻璃纤维产生微小弯曲,进而产生过度的损失。只使用一个 1550nm 信号源监视这些测试,因为使用较长的波长可以更轻易地观察到微小弯曲。  曝露测试包括灰尘、盐雾、空气污染、地下水浸入以及浸水/腐蚀。  灰尘能够严重地影响光学性能。污染端面的微粒可阻挡光信号及产生损失。灰尘是否找到进入套圈端面的途径是一种可能性。随着时间的推移,灰尘始终会进入光学元件的连接处。灰尘并不是难以清除,清洁过程需要断开接头,这不仅需要停止传输,还需要曝露端面,从而增加了受到污染的风险。此测试涉及密集曝露于特定大小的微粒中,以确定是否存在任何微粒进入套圏端面的风险。  盐雾 (称为盐水喷雾) 用于保证靠近海边的非密封机箱中转接线的性能。此测试涉及将接头长时间曝露于高浓度的 NaCl 中。在此测试后进行光测试,之后进行外观检查以确认材料没有腐蚀迹象。  空气污染测试用于保证接头在有高浓度污染的室外应用中的性能和材料稳定性。测试反复将连接的和未连接的接头曝露于各种气体之中,并且不仅仅只用肉眼检查接头,还进行盐雾测试中的相同外观检查。在一个小密封舱中装入一种挥发性气体 20 天以模拟长期曝露于这些气体中。  还在浸水/腐蚀测试中验证材料。测试没有光学要求,但是涉及长期浸入未受污染的水中。此测试与灰尘、盐雾和空气污染一样,涉及连接的和未连接的接头。通过测量测试前后的曲率半径并比较测量值,检查连接的接头是否有套圈变形。如果套圈在此测试期间几何形状不稳定,即有可能表示套圈使用的氧化锆材料出现破裂。检查未连接的接头是否有光纤解散,涉及检查纤芯伸入光纤包层的距离是否不够远。   最后一项曝露测试是地下水浸入测试。此测试验证产品承受地下应用的能力。水浸/腐蚀测试严格检验涉及的材料,并使用去离子水或蒸馏水。如果包层失效,部署在地下环境中的接头更容易曝露于受到污染的介质之中。在此测试期间,接头曝露于污水处理、农业灌溉和其它应用中的各种化学品之中,还有生物介质。这些化学品包括氨、清洁剂、氯和燃料。存在这些化学品可对接头和适配器的材料造成损害,从而降低光学性能。生物污染包括曝露于各种有机体之中,包括链球菌和大肠杆菌。存在这些细菌可更精确的重现置于室外环境的情况。随着时间的推移,这些细菌将在接头上滋生繁衍,从而导致潜在的健康危险。

  可靠性  转接线的可靠性不仅仅依靠使用高质量的元件和制造工艺与设备来保证,还需要遵循成功的质量保证计划4)。尽管转接线通常全部进行过插入损失和返回损失测试,但是如果适用,还需要监控很多其他因素以确保转接线的质量。  最重要的因素之一是环氧树脂。环氧树脂的保存寿命和工作寿命(或称为“使用寿命”)有限。此资料可以方便地从制造商处获得。在制造期间,绝对需要检查这两项标准。过期的环氧树脂应被弃用。过期后会发生影响环氧树脂固化后性能的化学改变。过期日视存储条件而定,需要进行观察。  光纤终接器中使用的大多数环氧树脂是分成两部分的环氧树脂,混合在一起即开始进行初步的交联,在温度升高时固化。开始后,环氧树脂的粘性开始改变,使应用随着时间的推移变得更难。环氧树脂变得太浓,不能正确填充套圈,变得太粘,不能使光纤穿透,从而导致光纤破裂。

  将两部分的环氧树脂混合在一起会在接头中引入空气,或称为“气泡”。捕获的空气使固化的环氧树脂不均匀,从而导致机械故障的高度风险。必须最大程度地减少捕获的空气量(或气泡)。  转接线组件中使用的很多工具也具有定期维护和有限的工具寿命。这包括所有的脱模、分裂和卷曲工具。大多数脱模工具,无论是手动的还是自动的,均可能被光缆元件损坏,特别是Aramid增强纤维成员。剥皮钳将因长期使用而变钝,从而增大了不能干净剪切缓冲材料的可能性。这可导致在拔下缓冲材料时对光纤造成过大的压力。当分裂工具磨损且没有制作清晰的划痕时,在制造期间几乎不可能检测到。但是,在分裂期间结果可能是不一致的光纤破裂,进而导致套圈端面光纤破裂。在此情况下,不得不丢弃接头。即使是卷曲工具也需要定期维护以确保有正确的力和尺寸。卷曲硬模也有累积环氧树脂的趋势,影响卷曲尺寸,可能损坏接头。  引入的材料和制造工艺的完整性,一旦具体化,需要遵守所有的适用指引和程序。这些材料的重要性不仅仅在于对产品可靠性有重要的影响,对产品性能也极其重要。性能  不仅仅了解涉及的参数的重要性,还了解最终产品的局限性,才可最好地了解转接线的性能。为了对转接线的规范、技术和程序做出结论,对“完美转接线”制定模型非常有用,如以下定义所示。  “完美转接线”  “完美转接线”定义为接近零插入损失的转接线,插入损失是指连接配对的接头时造成的相对功率损失。“完美转接线”的性能必须能够与 0.02dB 级别的光纤接合损失进行比较。“完美转接线”的插入损失小于 0.05dB,返回损失大于 58dB。  要制作“完美转接线”,必须要有最好的光纤、套圈和测试设备。“完美转接线”的模型将采用单模式元件建立,因为涉及较为严格的材料要求和规范。  有很多参数可以影响转接线性能。要制作“完美转接线”,必须控制套圈的端面几何形状,并采用适当的抛光工艺。端面还必须保持清洁。这使生产线的清洁和清洁技术非常重要。  通过在两条配对转接线的套圈内正确对纤芯可减小损失。影响纤芯对准的主要因素是套圈内径、套圈同轴度和套圈外径 (OD)。确定所有相差参数并加以控制是制作“完美转接线”的关键所在。  最终的纤芯与套圈外径同轴度,或接头同轴度是所有未对准的矢量和。这是定义“完美转接线”最重要的参数之一。“完美转接线”必须具有亚微米级接头同轴度。

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  图 1 显示了插入损失与接头同轴度的关系。  图 1 中的曲线是只考虑了接头同轴度时计算出来的插入损失。使用元件参数估计插入损失的模拟与测量获得的数据匹配得非常好。

  基准光缆,特别是光缆的远端 (Ref 端),对受测转接线 (PUT) 上接头的插入损失和返回损失的测量始终至关紧要。制作“完美转接线”的技术可用于制作基准光缆。用于测试光学性能的基准光缆必须优于受测转接线上的接头。基准光缆和“完美转接线”的长度应足够长,以避免纤芯中光强分布对插入损失的任何影响。建议长度至少为三米。

  “完美转接线”测试要求使用性能上至少能与“完美转接线”比较的一条基准光缆。为了保证精确测量,在测试“完美转接线”时需要控制其它因素。使用可重复的可靠测试仪器非常重要。普通的测试仪器振动 0.05dB 对测试“完美转接线而言”太大了。使用高质量的适配器将接头连接到基准光缆也非常重要。测试中使用的适配器对保证一致的插入损失极其重要。适配器可导致插入损失 0.02dB 数量级的振动,这对“完美转接线”而言太高了。已连接配对的插入损失振动根据拆分套管相对于适配器键的拆分方向进行观察。必须使用具有最高可靠性的适配器,且必须观察是否有适当的清洁度。  抛光  抛光是制作“完美转接线”的极其重要的一个环节。它决定了接头端面条件和几何形状。可以手动一次抛光一个接头,也可以用抛光机一次抛光一个或多个接头。抛光接头包括用显微镜可见的砂粒打磨端面,以除去表面过多的环氧树脂,并消除光纤端面的擦痕,并修整套圈和玻璃。手工和机器抛光通常都使用去离子水或蒸馏水,起到切削液的作用。  手动抛光速度慢,结果因操作人员的不同而不同,而机器抛光则有利于一致性和速度。有各种各样的光纤抛光机可供使用。不能期望每个制造商制造的抛光机都有相同质量的抛光效果。  当前的大多数承包陶瓷套圈都是预先制成半球形的;即端面具有最适宜的曲率半径 (ROC) 和可能的最小顶点偏移 (AO),如图 2 所示。顶点偏移是指曲率半径顶点的偏移情况。在这种情况下,必须用硬度足够的砂粒进行抛光,确保从套圈除去环氧树脂和光纤端面上的擦痕,但是硬度又不能太硬,以避免显著改变套圈的几何形状。如果套圈未预先制成半球形,必须通过进一步抛光形成适当的几何形状。  抛光是一个多步骤的流程。此流程通过抛光薄膜、时间和压力来确定。流程通常由以下几个步骤组成:首先套圏前表面除去环氧树脂,然后形成或保留半球形顶部,最后是抛光光纤表面。视抛光机和接头而定,必须对抛光压力、时间和速度进行最优化。必须正确选择每一步中使用的抛光膜和像胶垫硬度计。

抛光后,用至少能放大 400 倍的显微镜检查擦痕和损坏。“完美转接线”在光纤端面不能有可见的擦痕。擦痕数量(即光纤端面具体区域中擦痕的数量)受抛光参数和清洁度的影响。纤芯中的擦痕不仅影响光学性能,还会损坏与其接触的任何其它光纤端面。出于这些原因,必须最大程度地减少擦痕的数量与大小。为了确保获得最佳性能,不仅要严格遵守抛光程序,还要严格遵守清洁程序。如果接头是单模式的,用干涉计检查端面的几何形状,即 ROC、AO 和球形高度 (SpH),如图 2 所示。表示 1 列出抛光后端面几何形状的 Telcordia 值2)。在顶点偏移和插入损失振动之间,在插入损失和球形高度之间存在某种有关系,尽管并不明显。

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  表1:抛光后端面几何形状的 Telcordia 标准

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技 术 规 格

曲率半径(ROC)

7 - 25mm

顶点偏移(AO)

0 - 50µm

球形光纤高度(SpH)

突起 ≤ 50nm

切口 ≤ 用 ROC (R 以 mm 为单位) 计算出来的值,计算公式:-0.02R3+1.3R2-31R+325

  要正确测试光学性能,应光源和测量计与可获得的最佳基准光缆和高质量适配器配合使用。光纤表面经过清洁,不含擦痕并且确认其端面几何形状符合技术规格之后,插入损失和返回损失应在预期的技术规格以内。  对整体性能的影响  可用于测试“完美转接线”的基准光缆的连接端必须经过测量以便保证接头同轴度小于受测转接线并拥有完美的端面。必须用一条基准光缆或主光缆进行测量,确保插入损失小于 0.03dB,返回损失大于 58dB。如果表面形状良好,无擦痕、坑洞或灰尘,则返回损失应大于 58dB。注意到在适配器之间出现变化,即使那些具有最佳套管的适配器也是如此。为了确保测量可重复,建立选择可靠的适配器。

  为了确认插入损失测量的最终能力,用一条光纤进行了接合测试。在分裂后,用光纤熔接机拼接光纤。“完美转接线”实现的插入损失与通过拼接测量的插入损失进行比较。图 3 将“完美转接线”的插入损失作为最终接头同轴度的一个函数与拼接损失进行了比较。考虑到使用最佳适配器、套管方向和接头加载顺序的测试可重复性和变动,可计算为 +0.02dB,在“完美转接线”和熔接之间没有明显的插入损失。

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  结论

  通过确定和优化对转接线性能有影响的所有参数,有可能制作插入损失等于熔接损失 (插入损失几乎为零) 的“完美转接线”。在对“完美转接线”的性能研究中,发现插入损失受到适配器和拆分套管性能的限制。使用“完美转接线”,可以研究适配器接头同同度和拆分套管性能,提供优化适配器的方法,从而产生“完美适配器”。

  本研究还证明通过使产品符合适当的行业标准,遵守完美定义的工艺和维护,通过使用最高质量的元件,可以大量生产光纤转接线,并且保证客户在质量、可靠性和性能方面的满意度。  PANDUIT® 遵守本文指出的所有适用行业标准和实践方法,提供具有世界一流质量、可靠性和性能的光纤转接线。

  PANDUIT 开发和制造光纤接头、转接线、光纤元件模块、外壳和光缆管理系统。PANDUIT 提供接头和转接线,包括 FJ® OPTI 插座模块和插头、SC、LC 和 ST 接头。OPTI-CRIMP® FJ 插座模块、SC 和 ST 接头还可用于预先抛光的卷曲终接。  参考书目  1. TIA/EIA-578-B.3, “Commercial Building Telecommunications Cabling Standard”, Telecommunications Industry Association, April 2000.   2. Telcordia GR-326-CORE, “Generic Requirements for Singlemode Optical Connectors and Jumper Assemblies”, Issue 3, Telcordia Technologies, September 1999.   3. Fisher, David W., 1998, “Fiber Optic Component Testing”, CommsDesign Magazine, 5 pages, www.commsdesign.com/main/9809/9809fe2.htm.   4. Glaesemann, G. Scott, 1999. “Advancements in Mechanical Strength and Reliability of Optical Fibers”, SPIE Critical Reviews Vol. CR73, 23 pages, www.corning.com/opticalfiber/pdf/tr3541.pdf.