光纤连接器失效模式分析.doc

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1、军用光纤连接器失效模式分析显然，环氧胶粘剂的热膨胀系数大于插针和光纤的热膨胀系数。正是这一差别引发了2类典型的光纤断裂形式。类型Ⅰ:无支承光纤断裂图2所示无支承光纤是在插针尾部锥形区域后边的空隙，在该区域内可能会没有胶粘剂，由此造成一段光纤悬空，称为无支承光纤。在环氧树脂胶在高温固化后，温度从环氧树脂硬化点逐步冷却，环氧树脂对插针和法兰盘间无支承的光纤(如图2所示)产生轴向的压缩力，迫使光纤发生微弯，当轴向力超过一定的界限时，弯曲的光纤将出现断裂。如果光纤表面的涂覆层为内层软外层硬的2层结构时，这种弯曲应力

2、可能会被内层软涂覆层吸收一部分，断裂失效的几率会降低，但如果光纤表面只有一层硬涂层时，弯曲应力则无法得到释放，断裂失效更容易发生。经研究，这种失效多发生在环氧树脂硬化的过程中或硬化后的一定时间内，在不承受外部应力时，通常24h内会发生断裂。通过对接触件模型进行热力学分析发现，在未支承光纤纤的中心附近和插针套管的入口处应力最大。因此，这两个位置容易出现断裂失效［3］。避免出现此类失效的措施是采用双层涂覆层的光纤和避免出现无支承光纤，即在光纤粘接时使光纤的缓冲层粘接在插针的锥形入口处，使胶粘剂填充周围的区域，避

3、免出现无支承的光纤段，如图3所示。为11×10－6，二氧化硅光纤的热膨胀系数约为0．5×10－6［1］，而常用环氧胶粘剂353ND的90℃以下的热动套。该活动套有定位台阶，用于接触件在连接器壳体中的定位。当接触件前端插针端面承受向后的压力时，法兰盘相对于活动套向后运动，安装于法兰盘与活动套上的弹簧被压缩，其产生的弹力与插针端面承受的压力相平衡，连接器对接时该弹力即为光纤端面间实现物理接触的端面压力。接触件的抗拉结构将光缆中抗拉元件(通常为芳纶纤维)和光缆外皮固定在接触件尾部，当固定在法兰盘尾部时，该接触件在

4、承受拉力时，法兰盘和插针会随光缆后退;当固定在活动套尾部时，该接触件在承受拉力时，法兰盘和插针不会随光缆后退。膨胀系数约为54×10－6，90℃以上为260×10－6［2］。图2接触件内部结构示意图典型失效模式及其机理分析经过长期的统计显示，光纤连接器的失效模式包括光纤断裂、粘接失效、光纤凸出和凹入、光纤端面污染、光纤端面损伤和陶瓷件破碎、光缆破裂、液体浸入等。其中，以前几类失效最为常见，并具有极大危害。下文针对这些典型失效模式进行分析。3．1光纤断裂光纤断裂会引起光传输信号功率的严重下降，甚至于信号中断，

5、是必须尽量避免发生的严重故障。光纤断裂根据断裂位置不同可以分为连接器外部、接触件尾部和接触件内部。3．1．1法兰盘插针内部接触件内部的光纤断裂主要有以下方面的原因:胶粘剂热涨冷缩应力、胶粘剂中气泡作用。3时，环氧树脂胶体积膨胀，由于受到插针体的束缚，插针孔内的胶体会向插针孔两端蠕动，则内部的光纤受到胶体施加的拉应力。通过有限元分析发现，在插针尾部锥形入口部位(插针毛细孔与锥形口交界处)，拉［3］尽的使用说明和及时的现场使用指导帮助使用人员正确地处理好光纤连接器的保护工作，以减少发生外部污染发生的机会。而对于

6、内部污染，则应该在连接器结构设计时合理设计好对插引导结构，保证光纤端面在连接器盲插过程中不会被触碰到以防止对插过程中的污染;在结构上应该保证连接器对插后具有稳定的机械锁紧位置，并具有振动环境下防松脱结构，以防止连接器壳体间随外部激振源一起出现相对振动。这种相对振动会被传递到内部的接触件并最终传递到对接的光纤，从而造成光纤之间的摩擦;接触件应具有合理的横向和纵向保持力，以抵御外部激振造成的接触件之间的相对振动。图640x放大镜下可见光纤表面油污3．3光纤凸出或凹陷光纤凸出或凹陷是指光纤端面相对于插针端面出现位

7、移，向前凸出或向后凹陷。光纤凸出或凹陷会改变光纤连接的接触状态，会导致光纤端面出现接触应力增大或者出现间隙，严重时会出现光纤端面破碎。光纤凸出或凹陷现象是由于光纤和插针之间的热膨胀系数不同所致。如前所述，插针的热膨胀系数大于光纤，当温度变化时，光纤与插针会发生相对位移。高温时，光纤会相对于插针端面凹陷;低温时，光纤相对于插针端面凸出。这种现象被称为光纤的活塞效应。由于机载环境的高低温变化范围较为宽泛，且温度变化速率较快，光纤的活塞效应表现更为突出。目前，该效应尚无法消除，需要对光纤粘接工序流程进行严格控制，

8、尽可能减小其效应造成的伤害。3．4光纤端面污染光纤端面污染会造成光纤端面连接处折射率的(a)受到污染的光纤端面不连续，部分位置被污染物挡住，部分位置会存在一定空隙，部分光信号在连接点上发生菲涅尔反射。因此，端面污染会增加信号传输的衰减，使回波增大。有研究表明，端面上的污染物如果不能得到及时有效地控制，污染会扩散并可能造成端面损伤的发生。在连接器插合时，污染会逐步加剧，在静电吸附的作用下，污染物在插合的接触件之间转