徐乃英
信息产业部电信科学技术第一研究所
上海 200032
【摘要】本文介绍近年来为了适应高速和大容量光纤通信系统中高密度和高效率的互连布线的需要，日本住友和藤仓两家公司在MT／MPO光纤连接器方面所进行的研究开发工作。研究重点在这些连接器中的关键部件MT套筒的改进。采用了注塑成形的PPS新材料来制造套筒，以取得超低而稳定的介入损耗；提出了在连接端面附近的导引孔周围打倒角，以改善反复接插的耐久性。引入了最大达16芯的单维MT连接器和最大达60芯的2－维阵列MT连接器，以代替用多个12芯MT套筒的大芯数连接器，显著增加了光纤密度。开发了2－维阵列MT连接器用的24芯扁光纤带光缆代替圆光缆。文章介绍了这些新开发的产品的光学、机械和环境等方面的各项性能。
关键词：MT套筒 MT／MPO连接器 注塑成形 转移成形 倒角 2－维阵列 叠堆光纤带 护套收缩 弯曲半径
1 引言
近年来，基于诸如DWDM（密集波分复用）的高速和大容量光纤通信系统已经大量使用，光连接器是DWDM技术的一个重要组成部分。虽然在过去已经广泛地采用单芯的SC连接器，近年来，DWDM系统对多芯高密度连接器的需求一直在增长着。在日本，最受欢迎的8芯MPO连接器的光纤密度高达SC连接器的5倍。
然而，要实现与单芯连接器的介入损耗相仿的多芯连接器是困难的，因为多芯连接器需要能把多根光纤精确定位的高精密度的套筒。要提高传统的用热固性环氧树脂的套筒制造工艺的生产率也是非常困难的，因为热固性树脂需要一定的时间来固化。还有，在传统的采用MT套筒的MPO连接器中，当反复接插时，就有在端面附近导引孔周围产生开裂和损伤的问题，它们会最终影响介入损耗的稳定性。
为了满足生产率较高的多芯和高密度连接器的需要，日本住友已经研究了这些问题，并用注塑成形的套筒开发了一种倒角型超低损多芯MPO连接器［1］。本文将描述低损连接器的设计概念，用注塑成形法制造高精密的套筒和8芯MPO连接器。该公司还试制了12芯MPO连接器和16芯窄节距MPO连接器，作为向更高密度连接迈进的一步。
在标准尺寸的套筒和标准光纤节距的条件下，要把光纤芯数提高到12芯以上，必须把传统的单维光纤阵列改为2－维（2－D）阵列。日本藤仓已经开发了按2－D排列的大芯数MT型套筒和连接器［2］，以经济和可靠地连接多根光纤。用这种2－D阵列连接器时，最大芯数能达60芯。在本文中将描述这种2－DMT套筒的结构、生产方法以及光学与可靠性试验结果，并报道24芯MPO连接器的结构与性能。
为了与24芯MPO连接器相配合使用，日本住友开发了24芯扁光纤带光缆［3］。这种光缆应用光纤带叠堆结构。在本文中，将报道带有2－D阵列连接面都具有优良的特性。
2 MPO连接器简介
为了说明在MPO等连接器所用的关键部件MT套筒的发展，首先说明MPO连接器的结构。图1示出被IEC列为标准（IEC61754－7）的MPO连接器的结构。MPO连接器由一对MT套筒、两支导引针、两个外壳和一只适配器组成。
MT套筒是确定连接器连接特性的关键部分。套筒具有两个导引孔和若干个光纤孔（最多12个）。导引针和光纤孔的节距分别为4．6mm和0．25mm。为了得到单模光纤的低介入损耗，光纤孔离设计位置的错位必须小于或等于1μm。于是，传统的MT套筒一直是用转移成形（transfer molding）法制造的，生产效率较低。把光纤插入光纤孔内，并用粘结剂固定到MT套筒上。套筒的每一面都被精确地抛光而装进各自的外壳中，在那里把导引针插入每只套筒的导引孔内以精确地对准。MPO连接器通过一只MPO适配器而容易地连接和断开。为了得到高的回波损耗而不用折射率匹配材料，光纤的端面和套筒都以8°的角抛光，而光纤的端面必须精密地抛光，使得与对面的光纤端面相接触。
3 低介入损耗连接器的设计与制造
光连接器的介入损耗的主要因素是光纤芯偏离设计位置。MPO连接器中的纤芯错位是有下列诸因素在一起造成的：1）在套筒中光纤孔离设计位置的错位；2）光纤与光纤孔之间的间隙；3）光纤芯离光纤中心的错位；4）导引针与导引针孔之间的间隙。
为了减小介入损耗，住友公司研究了降低光纤芯错位及其标准差的可能性。确定了不但需要改进模子来降低光纤孔的错位，而且还需要降低导引针与导引孔之间以及光纤与光纤孔之间的间隙。研究结果提出，光纤孔偏离设计理想位置要小于0．7μm，而导引针孔和光纤孔的间隙都要小于0．3μm。还确定了光纤孔的倾斜容差要小于0．2°。为此，在MT套筒的制造中，采取了以下措施：
3．1 套筒材料与制造方法
在过去，制造套筒最常用的方法是转移成形法，这种方法比较容易得到精密的尺寸。然而，这种方法的生产效率较低，不适合于大批量生产。住友改用了注入成形（injection molding）法，并选用了PPS（聚苯撑硫）作为基树脂，这种树脂具有低的热膨胀系数、低的吸水率和高的机械强度。还选择了合适的填料混进基树脂中来改善其特性。
采用了注入成形法，不但通过缩短成形过程中的硬化时间，而且通过在成形后清洁模子来减少模子的溢料，把成形周期减少到转移成形法的三分之一。大大提高了制造套筒的生产效率。
3．2 模子的开发
图2示出所用模子的结构示意图。为了精确地对准光纤孔，固定在一个滑动架上进行对准的形成导引孔和形成光纤孔的若干芯针被插入一个带有V－槽的空腔中，而用V－槽来精确定位。虽然这种结构传统地被用于环氧树脂的转移成形来降低套筒的光纤孔错位和导引孔和光纤孔的间隙，对V－槽的精度作了改进，并仔细地选择了直径容差小于0．1μm的芯针。另外，对模子的流动部分和进口部分也作了改进，使得能够更好地成形而不受加入的大量填料所产生的高粘度树脂的影响。
3．3 成形条件
为了在多次成形中能够取得精确的尺寸和尺寸稳定性，必须保持优异的复制能力，并减少成形件中的残余应力。对于MT套筒的注入成形，成形条件尤为重要，因为在成形过程中用了直径非常小的针和高粘度的树脂。最佳的成形条件是通过实验来确定的，即成形温度、树脂温度、注入速度、注入压力和冷却条件。实验证明，较低的注入速度和较低的注入压力展示出良好的结果。
3．4 导引针孔周围的倒角
在传统的包含MT套筒的MPO连接器中，当反复接插时对面来的导引针会使导引孔周围近端面处发生开裂或损伤，它们能够最终影响介入损耗的稳定性。对这个问题的解决方法是在导引孔近端面处打倒角。这使得导引针能够更容易和更圆滑地插入导引针孔内。而且，当反复接插时，这在连接损耗的稳定性方面也是起作用的。
对具有同样倒角直径但不同倒角锥度（60°，90°与120°）的连接器进行了评价试验。结果证实了具有120°倒角的连接器比具有其他倒角的连接器更容易和更圆滑地把导引针插进导引针孔内而一点没有损伤。它们展示出在三种不同倒角中在介入损耗的稳定性方面的性能也最佳。图3示出倒角型MPO连接器的照片。
4 试制产品的特性
4．1 套筒的几何特性
光纤孔的位置精确度 表1列出注入成形的PPS8芯MT套筒的光纤孔的位置精确度。位置精确度平均为0．29μm，最大为0．51μm，标准差为0．10μm，说明了高度精确的尺寸特性，并满足小于0．7μm的设计要求。而且，在反复接插时，位置精确度是稳定的，这意味着这种制作方法是适合于大批量生产的。
光纤孔倾斜度 表1还列出导引孔的轴相对于光纤孔的倾斜。所有的光纤孔在X－方向和Y－方向上的倾斜都在0．2°以内，而在反复成形期间它们也是稳定的。
光纤孔和导引针孔直径的精确度 用针规测量了光纤孔和导引针孔的直径。因为定形针是经过选择的，两种孔的直径都是非常稳定的。每个孔对于所选用的光纤和选用的导引针的间隙最大均为0．3μm，满足设计要求。
4．2 光学特性
随机介入损耗对于用PPS套筒、选定的光纤和选定的导引针制造的8芯倒角型MPO连接器在1．31μm波长上测量了随机组合的介入损耗和回波损耗。结果列于表2。结果显示介入损耗已经达到了小于0．35dB的目标。平均值小于0．1dB，而标准差小于0．05dB，说明特性较好。这意味着各个部件的尺寸容差是合适的，已经达到了设计所要求的光纤芯错位的容许范围以内。表2中所列回波损耗值说明它已经满足最低56dB的水平。
4．3 可靠性试验
为了进行8芯倒角型MPO连接器在反复接插时的可靠性，准备了50个插头作试验之用。进行了以下三项试验：
耐久性试验 连接器在反复接插中介入损耗的可重复性是连接器的最重要特性之一。在多达500次的接插中，每接插25次就对连接器的端面进行清洁并进行介入损耗的测量。测量结果示于图4。从图中可见，所有8根光纤在试验期间测得的最大损耗增加都小于0．2dB。在导引孔周围的端面附近没有观察到任何损伤。这意味着在导引针孔周围的倒角在防止插入导引针时对于导引针孔周围端面附近发生开裂与损伤方面是高度有效的，对于介入损耗的稳定性是起作用的。
环境性能试验 当连接器暴露于各种环境，诸如高温、高湿和温度变化时，也必须具有良好的介入损耗稳定性。为了评价环境性能，按照TelcordiaGR－1435－CORE标准进行了各种环境试验。图5示出详细的试验条件和这些试验的典型测量数据，它们说明了在试验期间的优异稳定性，最大损耗增加小于0．2dB。
大功率激光器入射试验 多芯MPO连接器将要用于大功率传输系统，诸如DWDM，这时连接器可能受到大功率信号光的影响。所以，评价了连接器对大功率激光器的耐久性。
人们知道，在单芯光纤连接器中，如果把大功率激光器用在接插好的连接器上，而光纤芯端面上有灰尘的话，光纤端面上会产生燃烧。所以，在试验以前，对连接器的端面都进行了清洁。在这个试验中，准备了三种类型的连接器对：1）光纤芯没有开裂的；2）光纤的端面在芯子附近有些开裂；3）对接的两根光纤端面之间有空气隙，也就是没有得到物理接触的。把波长为1．48μm的2W的激光器入射到接插好的连接器上历时8小时。在试验之后，测量上述三 种类型连接器的连接损耗，并观察每种连接器的端面。连接损耗与试验前原来的损耗相比的变化列于表3，这种变化与接插误差的水平相同。而且，在端面上没有观察到损伤，如图6所示，也没有产生热或者气味。于是证实了这些连接器在诸如DWDM的大功率传输系统中是足够耐用的。
4．4 大芯数连接器
上面几个小节中，都是以日本最常用的8芯连接器为例的。但是在北美、亚太和我国，12芯及其整倍数的连接器可能更有发展前途。住友也试制了12芯和16芯两种连接器。如果沿用MT套筒4．6mm的标准导引孔节距（孔中心间隔）和0．25mm的标准光纤孔节距，最多只能安排12根光纤。如果需要把光纤芯数增加到16芯时，光纤孔的节距需要减小到0．18mm（0．25×11≈0．18×15）。表4列出试制的12芯和16芯MPO连接器的介入损耗，并和表2中所列的8芯连接器在1．31μm波长上的介入损耗作了比较。从表可见，随着连接器芯数的增加，介入损耗略有增加，但是还是可以实用的，尤其是12芯的连接器。这种连接器的光纤密度高达SC单芯连接器的7．5倍。
5 2－维阵列MT套筒
上面已经提到，为了把连接器的芯数提高到12芯以上，在套筒端面上把光纤排列成1行已经困难。于是，出现了把光纤排列成2行和2行以上的2－D阵列套筒。下面介绍日本藤仓开发的2－D阵列连接器用的MT套筒。
5．1 结构
表5列出从原来的设计中演变出来2－DMT套筒。
常规的MT套筒有光纤导引槽模制于其中，使得光纤光纤带能够容易地插入光纤孔内。为了便于多芯光纤带的插入，导引槽安排成阶梯形，使得光纤的插入过程能够从套筒的窗口中看到。到目前为止，藤仓成功地开发和试验了表5所列的几种2－D阵列MT套筒，装配在8－和12芯光纤带上。连接器端面的光纤安排如下：
（1）16MT：8列×2行；行间与列间的间隔均为0．25mm。
（2）24MT：12列×2行；列间间隔为0．25mm而行间间隔为0．5mm。
（3）60MT：12列×5行；行间与列间的间隔均为0．25mm。
2－D阵列MT套筒除了每只套筒的芯数较大外，它的连接密度为1－D阵列MT套筒的数倍。2－D阵列MT的这种重要特性减小了光纤密集互连所需的空间。表5比较了各种不同类型的MT连接器套筒的光纤芯数和连接密度。60MT的连接密度为5只包装在一起的12MT的5倍。
5．2 制造方法
为了能得到高的尺寸精密度，2－D阵列MT套筒是用热固化树脂转移成形（transfer molding）法制造的。图7示出转移成形的流程。首先，把加热的上模与下模夹在一起。然后，将预加热的树脂放进模子内。当活塞把树脂推入并充满模子之后，在高温下保持压力来固化树脂。最后，过了一段时间之后，打开模子，部件就制造好了。
图2示出用来生产原来的1－D阵列MT连接器的模子设计的主要结构。其中光纤孔和导引针孔都是用芯针来形成的，这些芯针都放在下模板的V－槽中。然而，这种模子设计只适用于1－D阵列MT。为了生产2－D阵列MT，需要修改模子设计，用一种定位孔的结构来代替V－槽使芯针定位。图8示出定位孔式的模子设计。在这种结构中的微孔是精密钻出的，其定位误差小于0．25μm来使芯针精确定位。这种模子结构对于放置芯针要比V－槽法灵活得多，因为它能够把多行的芯针上下放置。这时，模制的连接器将具有2－D安排的光纤孔。而且，孔的间隔能够容易地设计成0．25mm或0．5mm或者任何其他数值。
摘自《现代有线传输》
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