光纤连接器失效模式分析光纤连接器失效模式分析.doc

 军用光纤连接器失效模式分析 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］。 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，避免出现无支承的光纤段，如图 3 所示。 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，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 6 40x 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