MT／MPO光纖連接器的新發展

　　作者：徐乃英 信息產業部電信科學技術第一研究所《現代有線傳輸》 2003年03期

　　本文介紹近年來為了適應高速和大容量光纖通信系統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行的研究開發工作。研究重點在這些連接器中的關鍵部件MT套筒的改進。采用了注塑成形的PPS新材料來制造套筒，以取得超低而穩定的介入損耗;提出了在連接端面附近的導引孔周圍打倒角，以改善反復接插的耐久性。引入了最大達16芯的單維MT連接器和最大達60芯的2-維陣列MT連接器，以代替用多個12芯MT套筒的大芯數連接器，顯著增加了光纖密度。開發了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的產品的光學、機械和環境等方面的各項性能。

　　1　引言

　　近年來，基于諸如DWDM(密集波分復用)的高速和大容量光纖通信系統已經大量使用，光連接器是DWDM技術的一個重要組成部分。雖然在過去已經廣泛地采用單芯的SC連接器，近年來，DWDM系統對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SC連接器的5倍。

　　然而，要實現與單芯連接器的介入損耗相仿的多芯連接器是困難的，因為多芯連接器需要能把多根光纖精確定位的高精密度的套筒。要提高傳統的用熱固性環氧樹脂的套筒制造工藝的生產率也是非常困難的，因為熱固性樹脂需要一定的時間來固化。還有，在傳統的采用MT套筒的MPO連接器中，當反復接插時，就有在端面附近導引孔周圍產生開裂和損傷的問題，它們會最終影響介入損耗的穩定性。

　　為了滿足生產率較高的多芯和高密度連接器的需要，日本住友已經研究了這些問題，并用注塑成形的套筒開發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計概念，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芯窄節距MPO連接器，作為向更高密度連接邁進的一步。

　　在標準尺寸的套筒和標準光纖節距的條件下，要把光纖芯數提高到12芯以上，必須把傳統的單維光纖陣列改為2-維(2-D)陣列。日本藤倉已經開發了按2-D排列的大芯數MT型套筒和連接器[2]，以經濟和可靠地連接多根光纖。用這種2-D陣列連接器時，最大芯數能達60芯。在本文中將描述這種2-DMT套筒的結構、生產方法以及光學與可靠性試驗結果，并報道24芯MPO連接器的結構與性能。

　　為了與24芯MPO連接器相配合使用，日本住友開發了24芯扁光纖帶光纜[3]。這種光纜應用光纖帶疊堆結構。在本文中，將報道帶有2-D陣列連接面都具有優良的特性。

　　2　MPO連接器簡介

　　為了說明在MPO等連接器所用的關鍵部件MT套筒的發展，首先說明MPO連接器的結構。圖1示出被IEC列為標準(IEC61754-7)的MPO連接器的結構。MPO連接器由一對MT套筒、兩支導引針、兩個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鍵部分。套筒具有兩個導引孔和若干個光纖孔(最多12個)。導引針和光纖孔的節距分別為4.6mm和0.25mm。為了得到單模光纖的低介入損耗，光纖孔離設計位置的錯位必須小于或等于1μm。于是，傳統的MT套筒一直是用轉移成形(transfer molding)法制造的，生產效率較低。把光纖插入光纖孔內，并用粘結劑固定到MT套筒上。套筒的每一面都被精確地拋光而裝進各自的外殼中，在那里把導引針插入每只套筒的導引孔內以精確地對準。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，使得與對面的光纖端面相接觸。

　　3　低介入損耗連接器的設計與制造

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

　　為了減小介入損耗，住友公司研究了降低光纖芯錯位及其標準差的可能性。確定了不但需要改進模子來降低光纖孔的錯位，而且還需要降低導引針與導引孔之間以及光纖與光纖孔之間的間隙。研究結果提出，光纖孔偏離設計理想位置要小于0.7μm，而導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，這種方法的生產效率較低，不適合于大批量生產。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、低的吸水率和高的機械強度。還選擇了合適的填料混進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移成形法的三分之一。大大提高了制造套筒的生產效率。

　　3.2　模子的開發

　　圖2示出所用模子的結構示意圖。為了精確地對準光纖孔，固定在一個滑動架上進行對準的形成導引孔和形成光纖孔的若干芯針被插入一個帶有V-槽的空腔中，而用V-槽來精確定位。雖然這種結構傳統地被用于環氧樹脂的轉移成形來降低套筒的光纖孔錯位和導引孔和光纖孔的間隙，對V-槽的精度作了改進，并仔細地選擇了直徑容差小于0.1μm的芯針。另外，對模子的流動部分和進口部分也作了改進，使得能夠更好地成形而不受加入的大量填料所產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定性，必須保持優異的復制能力，并減少成形件中的殘余應力。對于MT套筒的注入成形，成形條件尤為重要，因為在成形過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驗來確定的，即成形溫度、樹脂溫度、注入速度、注入壓力和冷卻條件。實驗證明，較低的注入速度和較低的注入壓力展示出良好的結果。

　　3.4　導引針孔周圍的倒角

　　在傳統的包含MT套筒的MPO連接器中，當反復接插時對面來的導引針會使導引孔周圍近端面處發生開裂或損傷，它們能夠最終影響介入損耗的穩定性。對這個問題的解決方法是在導引孔近端面處打倒角。這使得導引針能夠更容易和更圓滑地插入導引針孔內。而且，當反復接插時，這在連接損耗的穩定性方面也是起作用的。

　　對具有同樣倒角直徑但不同倒角錐度(60°，90°與120°)的連接器進行了評價試驗。結果證實了具有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引針插進導引針孔內而一點沒有損傷。它們展示出在三種不同倒角中在介入損耗的穩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，標準差為0.10μm，說明了高度精確的尺寸特性，并滿足小于0.7μm的設計要求。而且，在反復接插時，位置精確度是穩定的，這意味著這種制作方法是適合于大批量生產的。

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

　　光纖孔和導引針孔直徑的精確度　用針規測量了光纖孔和導引針孔的直徑。因為定形針是經過選擇的，兩種孔的直徑都是非常穩定的。每個孔對于所選用的光纖和選用的導引針的間隙最大均為0.3μm，滿足設計要求。

　　4.2　光學特性

　　隨機介入損耗對于用PPS套筒、選定的光纖和選定的導引針制造的8芯倒角型MPO連接器在1.31μm波長上測量了隨機組合的介入損耗和回波損耗。結果列于表2。結果顯示介入損耗已經達到了小于0.35dB的目標。平均值小于0.1dB，而標準差小于0.05dB，說明特性較好。這意味著各個部件的尺寸容差是合適的，已經達到了設計所要求的光纖芯錯位的容許范圍以內。表2中所列回波損耗值說明它已經滿足最低56dB的水平。

　　4.3　可靠性試驗

　　為了進行8芯倒角型MPO連接器在反復接插時的可靠性，準備了50個插頭作試驗之用。進行了以下三項試驗：

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

　　環境性能試驗　當連接器暴露于各種環境，諸如高溫、高濕和溫度變化時，也必須具有良好的介入損耗穩定性。為了評價環境性能，按照TelcordiaGR-1435-CORE標準進行了各種環境試驗。圖5示出詳細的試驗條件和這些試驗的典型測量數據，它們說明了在試驗期間的優異穩定性，最大損耗增加小于0.2dB。

　　大功率激光器入射試驗　多芯MPO連接器將要用于大功率傳輸系統，諸如DWDM，這時連接器可能受到大功率信號光的影響。所以，評價了連接器對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，光纖端面上會產生燃燒。所以，在試驗以前，對連接器的端面都進行了清潔。在這個試驗中，準備了三種類型的連接器對：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8小時。在試驗之后，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，也沒有產生熱或者氣味。于是證實了這些連接器在諸如DWDM的大功率傳輸系統中是足夠耐用的。

　　4.4　大芯數連接器

　　上面幾個小節中，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芯及其整倍數的連接器可能更有發展前途。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的標準導引孔節距(孔中心間隔)和0.25mm的標準光纖孔節距，最多只能安排12根光纖。如果需要把光纖芯數增加到16芯時，光纖孔的節距需要減小到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，隨著連接器芯數的增加，介入損耗略有增加，但是還是可以實用的，尤其是12芯的連接器。這種連接器的光纖密度高達SC單芯連接器的7.5倍。

　　5　2-維陣列MT套筒

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

　　5.1　結構

　　常規的MT套筒有光纖導引槽模制于其中，使得光纖光纖帶能夠容易地插入光纖孔內。為了便于多芯光纖帶的插入，導引槽安排成階梯形，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，藤倉成功地開發和試驗了表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較大外，它的連接密度為1-D陣列MT套筒的數倍。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移成形(transfer molding)法制造的。圖7示出轉移成形的流程。首先，把加熱的上模與下模夾在一起。然后，將預加熱的樹脂放進模子內。當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，過了一段時間之后，打開模子，部件就制造好了。

　　用來生產原來的1-D陣列MT連接器的模子設計的主要結構。其中光纖孔和導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，這種模子設計只適用于1-D陣列MT。為了生產2-D陣列MT，需要修改模子設計，用一種定位孔的結構來代替V-槽使芯針定位。圖8示出定位孔式的模子設計。在這種結構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。這種模子結構對于放置芯針要比V-槽法靈活得多，因為它能夠把多行的芯針上下放置。這時，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計成0.25mm或0.5mm或者任何其他數值。