Page 26 - 网络电信2017年4月刊下

光通信
密性为5MPa；d.插入损耗≤1dB，回波损耗35dB；e.机械寿命为 得旋转动态密封结构中接触区的液膜处在混合润滑状态下工
50次；f.满足相关盐雾试验、温度冲击试验、振动试验、冲击
试验等要求。
图4 充油压力平衡原理示意图
三、关键技术
在研制该水下插拔光纤连接器时，主要采用了旋转动态
密封技术、低损耗传输技术、同步插合与分离技术三项关键技
术。
1.旋转动态密封技术
根据相关技术要求，该水下插拔光纤连接器在插合和分
离时都要保证能耐受5MPa的水压环境，这在保护设备的同时可
保持光纤接头的清洁，从而保证其良好的传输性能。因此，实
现插合过程的水密性能成为了研制该水下插拔光纤连接器的关
键。通常衡量密封效果的直接指标就是泄漏量。如图3所示，当
同轴密封件与金属件之间出现环形间隙时，在两者间没有相对
运动时，通过环形间隙的泄漏量（即间隙的体积流率）Q０的计
算公式为：
式中：D为同轴密封件直径，h０为同轴密封件与金属件之
间间隙的高度，L为沿液体流动方向上的间隙长度，Δｐ为L长
度上的压差，η为流体动力黏度。根据式(1)可知，常用的密
封方法有降低引起流动的压差Δｐ、增大流体流动的能量损失
（即增加界面摩擦等）、减小间隙的尺寸以及上述各种方式的
组合。
在该水下插拔光纤连接器中，采用了旋转动态密封技术，
其工作原理为机械动态密封。在动态密封中，当边界处于无润
滑状态时，橡胶密封件与外壳的密封接触面之间的间隙极小，
此时虽然有泄漏间隙，但过小的泄漏间隙使流体流动的能量损
失极大，泄漏量极小，故无润滑状态动态密封在开始时密封性
能较好，但在使用一段时间后则会因流体流动摩擦阻力太大，
导致温度快速升高，而缩短密封件寿命；当边界处于流体动压
润滑状态时，橡胶密封件与外壳的密封接触面之间间隙较大，
此时流体流动的能量损失较小，故泄漏量较大，密封性能差；
当边界处于混合润滑状态时，橡胶密封件与外壳的密封接触面
之间留有合适间隙，使之能够形成一层厚度适当且稳定的油
膜，减小了摩擦阻力和温升，从而减小橡胶密封件和外壳之间
接触表面因干摩擦而过快的磨损，延长了使用寿命。通过大量
试验优化最终确定了合适的材料、表面粗糙度、公差配合，使
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作，从而保证良好的密封性能和较小的插拔力。
此外，该水下插拔光纤连接器在密封腔内侧通过充油来补
偿内外环境的压差，减小流体泄漏的内外压差，进一步减小密
封的泄漏量。理论上压力平衡能使连接器不受水深制约，在任
何深度下均能有效地插拔，充油压力平衡的原理如图4所示。
2.低损耗传输技术
影响水下插拔光纤连接器插入损耗的主要因素有2根对接光
纤之间的径向纤芯错位ｄ、轴向光纤端面间隙S和轴向光纤倾角
θ等，具体计算公式为：
（2）
式中：α1d为径向纤芯错位引起的插入损耗（纤芯错位损
耗），α1s为轴向光纤端面间隙引起的插入损耗（光纤端面间隙
损耗），α1θ为轴向光纤倾斜引起的插入损耗（倾斜损耗），
ω为基模半径，λ为波长，ｎ2为包层折射率。虽然在设计时将
对接径向错位ｄ、轴向光纤端面间隙S、轴向倾角θ控制在光纤
连接器性能要求的范围内，但是在实际制造时常因加工精度以
及装配工艺的影响，使得无法保证光纤连接器设计值。因此，
在设计之初就必须将各种尺寸误差考虑在内，提升产品的稳健
性。
由于该水下插拔光纤连接器的4根光纤需要同时插合，在连
接器插合到位后要保证4路光路都能完美的耦合匹配，因此采用
弹簧浮动补偿自对准结构（如图5所示）进行了连接结构设计，
以保证4路光插针插损的一致性。弹簧浮动补偿自对准结构具有
以下优点：a.光纤插针组件（包括光纤插针、C型陶瓷套筒、支
撑套）与光路结构支撑件有一定公差间隙，且陶瓷插针与光路
结构支撑件通过浮动弹簧连接，故可保证光纤插针组件在一定
的范围内浮动以适应插合过程不均匀的受力。b.当光路的支承
结构受外力或温度作用，使得导向孔之间产生角度偏移β时，
平行光路通过C型陶瓷管自动对准，从而减少了光纤对接时的径
向纤芯错位ｄ和轴向光纤倾角θ。c.在插合时还设计了一定的
交错距离，保证2个光纤插针能够保持一定的接触力，减少轴向
间隙S和菲涅尔反射，从而减少了损耗。经过多次试验，交错距
离在1.0～1.5mm时效果最佳。该水下插拔光纤连接器通过弹簧
浮动补偿自对准结构的设计降低了连接器对与制造、装配误差
的敏感度，提高了产品的质量。
3.同步插合与分离技术
该水下插拔光纤连接器由插头和插座两部分组成，在两者
插合和分离时必须保证两者的旋转密封件同步动作，才能满足
对插合和分离过程中的水密性和防污性要求，保证连接器的性
能和使用寿命。为了使插头和插座的旋转密封件同步转动，避
免在两端光纤插合过程中出现漏水或光纤插针折断等问题，需
要对传动结构进行合理设计。经过多次反复试验，该水下插拔
光纤连接器采用了齿轮精确传动来保证插合进程的同步性，根
据插合的进程、旋转密封件的旋转角度和插头插座密封件的尺
寸，合理配置了插头、插座的齿轮传动比，保证两端旋转动作
的同步。