MT／MPO光纖連接器的發(fā)展

　　本文介紹近年來為了適應(yīng)高速和大容量光纖通信系統(tǒng)中高密度和高效率的互連布線的需要，日本住友和藤倉兩家公司在MT/MPO光纖連接器方面所進(jìn)行的研究開發(fā)工作。研究重點(diǎn)在這些連接器中的關(guān)鍵部件MT套筒的改進(jìn)。采用了注塑成形的PPS新材料來制造套筒，以取得超低而穩(wěn)定的介入損耗;提出了在連接端面附近的導(dǎo)引孔周圍打倒角，以改善反復(fù)接插的耐久性。引入了最大達(dá)16芯的單維MT連接器和最大達(dá)60芯的2-維陣列MT連接器，以代替用多個(gè)12芯MT套筒的大芯數(shù)連接器，顯著增加了光纖密度。開發(fā)了2-維陣列MT連接器用的24芯扁光纖帶光纜代替圓光纜。文章介紹了這些新開發(fā)的產(chǎn)品的光學(xué)、機(jī)械和環(huán)境等方面的各項(xiàng)性能。

　　關(guān)鍵詞：MT套筒　MT/MPO連接器　注塑成形　轉(zhuǎn)移成形　倒角　2-維陣列　疊堆光纖帶　護(hù)套收縮　彎曲半徑

　　1　引言

　　近年來，基于諸如DWDM(密集波分復(fù)用)的高速和大容量光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)大量使用，光連接器是DWDM技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。雖然在過去已經(jīng)廣泛地采用單芯的SC連接器，近年來，DWDM系統(tǒng)對(duì)多芯高密度連接器的需求一直在增長著。在日本，最受歡迎的8芯MPO連接器的光纖密度高達(dá)SC連接器的5倍。

　　然而，要實(shí)現(xiàn)與單芯連接器的介入損耗相仿的多芯連接器是困難的，因?yàn)槎嘈具B接器需要能把多根光纖精確定位的高精密度的套筒。要提高傳統(tǒng)的用熱固性環(huán)氧樹脂的套筒制造工藝的生產(chǎn)率也是非常困難的，因?yàn)闊峁绦詷渲枰欢ǖ臅r(shí)間來固化。還有，在傳統(tǒng)的采用MT套筒的MPO連接器中，當(dāng)反復(fù)接插時(shí)，就有在端面附近導(dǎo)引孔周圍產(chǎn)生開裂和損傷的問題，它們會(huì)最終影響介入損耗的穩(wěn)定性。

　　為了滿足生產(chǎn)率較高的多芯和高密度連接器的需要，日本住友已經(jīng)研究了這些問題，并用注塑成形的套筒開發(fā)了一種倒角型超低損多芯MPO連接器[1]。本文將描述低損連接器的設(shè)計(jì)概念，用注塑成形法制造高精密的套筒和8芯MPO連接器。該公司還試制了12芯MPO連接器和16芯窄節(jié)距MPO連接器，作為向更高密度連接邁進(jìn)的一步。

　　在標(biāo)準(zhǔn)尺寸的套筒和標(biāo)準(zhǔn)光纖節(jié)距的條件下，要把光纖芯數(shù)提高到12芯以上，必須把傳統(tǒng)的單維光纖陣列改為2-維(2-D)陣列。日本藤倉已經(jīng)開發(fā)了按2-D排列的大芯數(shù)MT型套筒和連接器[2]，以經(jīng)濟(jì)和可靠地連接多根光纖。用這種2-D陣列連接器時(shí)，最大芯數(shù)能達(dá)60芯。在本文中將描述這種2-DMT套筒的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方法以及光學(xué)與可靠性試驗(yàn)結(jié)果，并報(bào)道24芯MPO連接器的結(jié)構(gòu)與性能。

　　為了與24芯MPO連接器相配合使用，日本住友開發(fā)了24芯扁光纖帶光纜[3]。這種光纜應(yīng)用光纖帶疊堆結(jié)構(gòu)。在本文中，將報(bào)道帶有2-D陣列連接面都具有優(yōu)良的特性。

　　2　MPO連接器簡介

　　為了說明在MPO等連接器所用的關(guān)鍵部件MT套筒的發(fā)展，首先說明MPO連接器的結(jié)構(gòu)。圖1示出被IEC列為標(biāo)準(zhǔn)(IEC61754-7)的MPO連接器的結(jié)構(gòu)。MPO連接器由一對(duì)MT套筒、兩支導(dǎo)引針、兩個(gè)外殼和一只適配器組成。

　　MT套筒是確定連接器連接特性的關(guān)鍵部分。套筒具有兩個(gè)導(dǎo)引孔和若干個(gè)光纖孔(最多12個(gè))。導(dǎo)引針和光纖孔的節(jié)距分別為4.6mm和0.25mm。為了得到單模光纖的低介入損耗，光纖孔離設(shè)計(jì)位置的錯(cuò)位必須小于或等于1μm。于是，傳統(tǒng)的MT套筒一直是用轉(zhuǎn)移成形(transfer molding)法制造的，生產(chǎn)效率較低。把光纖插入光纖孔內(nèi)，并用粘結(jié)劑固定到MT套筒上。套筒的每一面都被精確地拋光而裝進(jìn)各自的外殼中，在那里把導(dǎo)引針插入每只套筒的導(dǎo)引孔內(nèi)以精確地對(duì)準(zhǔn)。MPO連接器通過一只MPO適配器而容易地連接和斷開。為了得到高的回波損耗而不用折射率匹配材料，光纖的端面和套筒都以8°的角拋光，而光纖的端面必須精密地拋光，使得與對(duì)面的光纖端面相接觸。

　　3　低介入損耗連接器的設(shè)計(jì)與制造

　　光連接器的介入損耗的主要因素是光纖芯偏離設(shè)計(jì)位置。MPO連接器中的纖芯錯(cuò)位是有下列諸因素在一起造成的：1)在套筒中光纖孔離設(shè)計(jì)位置的錯(cuò)位;2)光纖與光纖孔之間的間隙;3)光纖芯離光纖中心的錯(cuò)位;4)導(dǎo)引針與導(dǎo)引針孔之間的間隙。

　　為了減小介入損耗，住友公司研究了降低光纖芯錯(cuò)位及其標(biāo)準(zhǔn)差的可能性。確定了不但需要改進(jìn)模子來降低光纖孔的錯(cuò)位，而且還需要降低導(dǎo)引針與導(dǎo)引孔之間以及光纖與光纖孔之間的間隙。研究結(jié)果提出，光纖孔偏離設(shè)計(jì)理想位置要小于0.7μm，而導(dǎo)引針孔和光纖孔的間隙都要小于0.3μm。還確定了光纖孔的傾斜容差要小于0.2°。為此，在MT套筒的制造中，采取了以下措施：

　　3.1　套筒材料與制造方法

　　在過去，制造套筒最常用的方法是轉(zhuǎn)移成形法，這種方法比較容易得到精密的尺寸。然而，這種方法的生產(chǎn)效率較低，不適合于大批量生產(chǎn)。住友改用了注入成形(injection molding)法，并選用了PPS(聚苯撐硫)作為基樹脂，這種樹脂具有低的熱膨脹系數(shù)、低的吸水率和高的機(jī)械強(qiáng)度。還選擇了合適的填料混進(jìn)基樹脂中來改善其特性。

　　采用了注入成形法，不但通過縮短成形過程中的硬化時(shí)間，而且通過在成形后清潔模子來減少模子的溢料，把成形周期減少到轉(zhuǎn)移成形法的三分之一。大大提高了制造套筒的生產(chǎn)效率。

　　3.2　模子的開發(fā)

　　圖2示出所用模子的結(jié)構(gòu)示意圖。為了精確地對(duì)準(zhǔn)光纖孔，固定在一個(gè)滑動(dòng)架上進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的形成導(dǎo)引孔和形成光纖孔的若干芯針被插入一個(gè)帶有V-槽的空腔中，而用V-槽來精確定位。雖然這種結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)地被用于環(huán)氧樹脂的轉(zhuǎn)移成形來降低套筒的光纖孔錯(cuò)位和導(dǎo)引孔和光纖孔的間隙，對(duì)V-槽的精度作了改進(jìn)，并仔細(xì)地選擇了直徑容差小于0.1μm的芯針。另外，對(duì)模子的流動(dòng)部分和進(jìn)口部分也作了改進(jìn)，使得能夠更好地成形而不受加入的大量填料所產(chǎn)生的高粘度樹脂的影響。

　　3.3　成形條件

　　為了在多次成形中能夠取得精確的尺寸和尺寸穩(wěn)定性，必須保持優(yōu)異的復(fù)制能力，并減少成形件中的殘余應(yīng)力。對(duì)于MT套筒的注入成形，成形條件尤為重要，因?yàn)樵诔尚芜^程中用了直徑非常小的針和高粘度的樹脂。最佳的成形條件是通過實(shí)驗(yàn)來確定的，即成形溫度、樹脂溫度、注入速度、注入壓力和冷卻條件。實(shí)驗(yàn)證明，較低的注入速度和較低的注入壓力展示出良好的結(jié)果。

　　3.4　導(dǎo)引針孔周圍的倒角

　　在傳統(tǒng)的包含MT套筒的MPO連接器中，當(dāng)反復(fù)接插時(shí)對(duì)面來的導(dǎo)引針會(huì)使導(dǎo)引孔周圍近端面處發(fā)生開裂或損傷，它們能夠最終影響介入損耗的穩(wěn)定性。對(duì)這個(gè)問題的解決方法是在導(dǎo)引孔近端面處打倒角。這使得導(dǎo)引針能夠更容易和更圓滑地插入導(dǎo)引針孔內(nèi)。而且，當(dāng)反復(fù)接插時(shí)，這在連接損耗的穩(wěn)定性方面也是起作用的。

　　對(duì)具有同樣倒角直徑但不同倒角錐度(60°，90°與120°)的連接器進(jìn)行了評(píng)價(jià)試驗(yàn)。結(jié)果證實(shí)了具有120°倒角的連接器比具有其他倒角的連接器更容易和更圓滑地把導(dǎo)引針插進(jìn)導(dǎo)引針孔內(nèi)而一點(diǎn)沒有損傷。它們展示出在三種不同倒角中在介入損耗的穩(wěn)定性方面的性能也最佳。圖3示出倒角型MPO連接器的照片。

　　4　試制產(chǎn)品的特性

　　4.1　套筒的幾何特性

　　光纖孔的位置精確度　表1列出注入成形的PPS8芯MT套筒的光纖孔的位置精確度。位置精確度平均為0.29μm，最大為0.51μm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.10μm，說明了高度精確的尺寸特性，并滿足小于0.7μm的設(shè)計(jì)要求。而且，在反復(fù)接插時(shí)，位置精確度是穩(wěn)定的，這意味著這種制作方法是適合于大批量生產(chǎn)的。

　　光纖孔傾斜度　表1還列出導(dǎo)引孔的軸相對(duì)于光纖孔的傾斜。所有的光纖孔在X-方向和Y-方向上的傾斜都在0.2°以內(nèi)，而在反復(fù)成形期間它們也是穩(wěn)定的。

　　光纖孔和導(dǎo)引針孔直徑的精確度　用針規(guī)測量了光纖孔和導(dǎo)引針孔的直徑。因?yàn)槎ㄐ吾樖墙?jīng)過選擇的，兩種孔的直徑都是非常穩(wěn)定的。每個(gè)孔對(duì)于所選用的光纖和選用的導(dǎo)引針的間隙最大均為0.3μm，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　4.2　光學(xué)特性

　　隨機(jī)介入損耗對(duì)于用PPS套筒、選定的光纖和選定的導(dǎo)引針制造的8芯倒角型MPO連接器在1.31μm波長上測量了隨機(jī)組合的介入損耗和回波損耗。結(jié)果列于表2。結(jié)果顯示介入損耗已經(jīng)達(dá)到了小于0.35dB的目標(biāo)。平均值小于0.1dB，而標(biāo)準(zhǔn)差小于0.05dB，說明特性較好。這意味著各個(gè)部件的尺寸容差是合適的，已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)所要求的光纖芯錯(cuò)位的容許范圍以內(nèi)。表2中所列回波損耗值說明它已經(jīng)滿足最低56dB的水平。

　　4.3　可靠性試驗(yàn)

　　為了進(jìn)行8芯倒角型MPO連接器在反復(fù)接插時(shí)的可靠性，準(zhǔn)備了50個(gè)插頭作試驗(yàn)之用。進(jìn)行了以下三項(xiàng)試驗(yàn)：

　　耐久性試驗(yàn)　連接器在反復(fù)接插中介入損耗的可重復(fù)性是連接器的最重要特性之一。在多達(dá)500次的接插中，每接插25次就對(duì)連接器的端面進(jìn)行清潔并進(jìn)行介入損耗的測量。測量結(jié)果示于圖4。從圖中可見，所有8根光纖在試驗(yàn)期間測得的最大損耗增加都小于0.2dB。在導(dǎo)引孔周圍的端面附近沒有觀察到任何損傷。這意味著在導(dǎo)引針孔周圍的倒角在防止插入導(dǎo)引針時(shí)對(duì)于導(dǎo)引針孔周圍端面附近發(fā)生開裂與損傷方面是高度有效的，對(duì)于介入損耗的穩(wěn)定性是起作用的。

　　環(huán)境性能試驗(yàn)　當(dāng)連接器暴露于各種環(huán)境，諸如高溫、高濕和溫度變化時(shí)，也必須具有良好的介入損耗穩(wěn)定性。為了評(píng)價(jià)環(huán)境性能，按照TelcordiaGR-1435-CORE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了各種環(huán)境試驗(yàn)。圖5示出詳細(xì)的試驗(yàn)條件和這些試驗(yàn)的典型測量數(shù)據(jù)，它們說明了在試驗(yàn)期間的優(yōu)異穩(wěn)定性，最大損耗增加小于0.2dB。

　　大功率激光器入射試驗(yàn)　多芯MPO連接器將要用于大功率傳輸系統(tǒng)，諸如DWDM，這時(shí)連接器可能受到大功率信號(hào)光的影響。所以，評(píng)價(jià)了連接器對(duì)大功率激光器的耐久性。

　　人們知道，在單芯光纖連接器中，如果把大功率激光器用在接插好的連接器上，而光纖芯端面上有灰塵的話，光纖端面上會(huì)產(chǎn)生燃燒。所以，在試驗(yàn)以前，對(duì)連接器的端面都進(jìn)行了清潔。在這個(gè)試驗(yàn)中，準(zhǔn)備了三種類型的連接器對(duì)：1)光纖芯沒有開裂的;2)光纖的端面在芯子附近有些開裂;3)對(duì)接的兩根光纖端面之間有空氣隙，也就是沒有得到物理接觸的。把波長為1.48μm的2W的激光器入射到接插好的連接器上歷時(shí)8小時(shí)。在試驗(yàn)之后，測量上述三　　種類型連接器的連接損耗，并觀察每種連接器的端面。連接損耗與試驗(yàn)前原來的損耗相比的變化列于表3，這種變化與接插誤差的水平相同。而且，在端面上沒有觀察到損傷，如圖6所示，也沒有產(chǎn)生熱或者氣味。于是證實(shí)了這些連接器在諸如DWDM的大功率傳輸系統(tǒng)中是足夠耐用的。

　　4.4　大芯數(shù)連接器

　　上面幾個(gè)小節(jié)中，都是以日本最常用的8芯連接器為例的。但是在北美、亞太和我國，12芯及其整倍數(shù)的連接器可能更有發(fā)展前途。住友也試制了12芯和16芯兩種連接器。如果沿用MT套筒4.6mm的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)引孔節(jié)距(孔中心間隔)和0.25mm的標(biāo)準(zhǔn)光纖孔節(jié)距，最多只能安排12根光纖。如果需要把光纖芯數(shù)增加到16芯時(shí)，光纖孔的節(jié)距需要減小到0.18mm(0.25×11≈0.18×15)。表4列出試制的12芯和16芯MPO連接器的介入損耗，并和表2中所列的8芯連接器在1.31μm波長上的介入損耗作了比較。從表可見，隨著連接器芯數(shù)的增加，介入損耗略有增加，但是還是可以實(shí)用的，尤其是12芯的連接器。這種連接器的光纖密度高達(dá)SC單芯連接器的7.5倍。

　　5　2-維陣列MT套筒

　　上面已經(jīng)提到，為了把連接器的芯數(shù)提高到12芯以上，在套筒端面上把光纖排列成1行已經(jīng)困難。于是，出現(xiàn)了把光纖排列成2行和2行以上的2-D陣列套筒。下面介紹日本藤倉開發(fā)的2-D陣列連接器用的MT套筒。

　　5.1　結(jié)構(gòu)

　　常規(guī)的MT套筒有光纖導(dǎo)引槽模制于其中，使得光纖光纖帶能夠容易地插入光纖孔內(nèi)。為了便于多芯光纖帶的插入，導(dǎo)引槽安排成階梯形，使得光纖的插入過程能夠從套筒的窗口中看到。到目前為止，藤倉成功地開發(fā)和試驗(yàn)了表5所列的幾種2-D陣列MT套筒，裝配在8-和12芯光纖帶上。連接器端面的光纖安排如下：

　　(1)16MT：8列×2行;行間與列間的間隔均為0.25mm。

　　(2)24MT：12列×2行;列間間隔為0.25mm而行間間隔為0.5mm。

　　(3)60MT：12列×5行;行間與列間的間隔均為0.25mm。

　　2-D陣列MT套筒除了每只套筒的芯數(shù)較大外，它的連接密度為1-D陣列MT套筒的數(shù)倍。2-D陣列MT的這種重要特性減小了光纖密集互連所需的空間。表5比較了各種不同類型的MT連接器套筒的光纖芯數(shù)和連接密度。60MT的連接密度為5只包裝在一起的12MT的5倍。

　　5.2　制造方法

　　為了能得到高的尺寸精密度，2-D陣列MT套筒是用熱固化樹脂轉(zhuǎn)移成形(transfer molding)法制造的。圖7示出轉(zhuǎn)移成形的流程。首先，把加熱的上模與下模夾在一起。然后，將預(yù)加熱的樹脂放進(jìn)模子內(nèi)。當(dāng)活塞把樹脂推入并充滿模子之后，在高溫下保持壓力來固化樹脂。最后，過了一段時(shí)間之后，打開模子，部件就制造好了。

　　用來生產(chǎn)原來的1-D陣列MT連接器的模子設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)。其中光纖孔和導(dǎo)引針孔都是用芯針來形成的，這些芯針都放在下模板的V-槽中。然而，這種模子設(shè)計(jì)只適用于1-D陣列MT。為了生產(chǎn)2-D陣列MT，需要修改模子設(shè)計(jì)，用一種定位孔的結(jié)構(gòu)來代替V-槽使芯針定位。圖8示出定位孔式的模子設(shè)計(jì)。在這種結(jié)構(gòu)中的微孔是精密鉆出的，其定位誤差小于0.25μm來使芯針精確定位。這種模子結(jié)構(gòu)對(duì)于放置芯針要比V-槽法靈活得多，因?yàn)樗軌虬讯嘈械男踞樕舷路胖?。這時(shí)，模制的連接器將具有2-D安排的光纖孔。而且，孔的間隔能夠容易地設(shè)計(jì)成0.25mm或0.5mm或者任何其他數(shù)值。

作者：徐乃英 信息產(chǎn)業(yè)部電信科學(xué)技術(shù)第一研究所?。?005年）