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
补上期本文4．4节中的表4：
6 2－D阵列MT连接器
图9示出MT连接器的结构。它由一对MT套筒、一对精密直径的金属导引针和一个MT夹所组成。这对导引针与MT套筒中的精确成形的导引孔相配合。在MT套筒内有光纤导引槽模制于其中，使得光纤带能够容易地插入光纤孔内。为了便利多芯光纤带的插入，导引槽被安排成梯形方式，使得插入光纤的过程能够从套筒的窗口中看到。用一个金属夹来完成连接。这个夹把光纤保持在稳定的物理接触状态。
表6列出不同芯数的2－D阵列MT连接器的光学性能与环境性能的评价结果。
6．1 介入损耗与回波损耗
2－D阵列MT连接器试样的介入损耗与回波损耗是在1．31μm波长上通过随机配对来测量的。在连接点用了折射率匹配材料。对于单模光纤取得了小于0．33dB的平均介入损耗，而对于多模光纤为小于0．04dB。表6中还列出60MT连接器对于10／125μm单模和62.5/125μm多模光纤的介入损耗的最大值与标准差。这里所试验单模光纤和多模光纤分别为480根和300根。试验结果还显示出2－D阵列MT连接器对于单模光纤和多模光纤分别具有40dB和30dB以上的回波损耗。
6．2 温度循环试验
把60MT连接器的试样置于一个温度连续变化的环境中来确定在规定的工作温度范围内的性能。在60根光纤中取12根测量介入损耗，在从－40到＋70℃的总共10个循环中每隔10分钟测一次。图10示出单模试样的结果。在试验期间的损耗变化都大大小于0．2dB。
7 2－D阵列24芯MPO连接器
2－D阵列MPO连接器是为低回损性能和能够不用折射率匹配材料进行简单而迅速的连接而开发的。以角抛光技术为基础，藤仓成功地开发了2－D阵列24芯MPO连接器。图11示出24芯MPO连接器（以下简称为24MPO）的结构。它具有与常规的装有MT套筒的MPO连接器相同的结构。连接器是用2
只导引针来对准，而通过一只适配器来配对的。连接器外壳内的弹簧产生压力，这种压力把连接器的端面紧紧地配合在一起。
端面是以8°的角度抛光并使光纤略伸出套筒端面。带角度的端面防止光反射回到发送光纤中。光纤的伸出是为了防止当连接器配对时在光纤之间有空隙。光纤之间的这种物理接触（PC）使得不用折射率匹配材料而实现低损耗的连接。
7．1 介入损耗与回波损耗
表7列出通过随机配对所测得的单模光纤的24MPO连接器的介入损耗与回波损耗。测量是在1．31μm波长上进行的，未用折射率匹配材料。从表可见，24MPO连接器的平均介入损耗为0．25dB，与24MT连接器相近（表6），而回波损耗值则高于50dB。这种回波损耗值是用角度抛光套筒端面的物理接触连接器的典型值。光纤与光纤的接触显著地减少了在连接介面上由于空气隙的存在而产生的菲涅耳反射所引起的后向反射。
把24MPO连接器经受连续的插拔循环，每25个循环进行一次介入损耗的测量，总共500个循环。图12示出对于单模光纤损耗的变化小于0．2dB。在接触表面上没有观察到损伤。这个结果证明24MPO连接器的良好可重复特性，而导引针孔合理地抗磨，允许长期使用。
7．3 环境性能
在带单光纤的24MPO连接器上连续进行了3 种环境试验，即热老化试验（85℃，336h），湿度试验（65℃，95％相对湿度，336h）和温度循环试验（－40℃到＋75℃，42个循环）。图13示出其结果。在试验期间损耗的变化均小于0．3dB。
8 2－D阵列连接器用的24芯扁光纤带光缆
上面已经提到已经开发了2－D24芯MT连接器来提高布线密度。然而，没有专用的光缆来连接这些24芯连接器，只能应用两根12芯光纤带来连接一只24芯连接器。这种连接方式有两个缺点：首先是使得布线系统拥挤；其次是光纤带的机械强度极低，裸光纤带对于压力是很脆的。
最近，日本住友研究了这个问题，考虑了图14所示的几种布线形式。图14a是传统的由单光纤组成的光缆，用于“24芯到单芯”的情况下。在“24芯到24芯”（图14b）或者“24芯到12芯”（图14c）的情况下，应用两根12芯光纤带组成的光纤带光缆。这种光纤带光缆有三种可能的结构方案，如图15所示。表8列出图15中三种光纤带光缆的比较。
在尺寸方面，扁的叠堆型优于其他类型，然而由于光纤带是不扭绞的，在弯曲方面有限制。对于装配连接器组件，扁的平行型比较困难，必须把平行的位置换成叠放的位置，也就是在光缆的末端需要把两根12芯光纤带交叉过来，这样做可能会损伤光纤或者带来衰减的增加。扁的平行型对于冷弯具有优良的性能，在生产能力方面也最为有利，然而它的宽度比圆的叠堆型的直径还要大。综合权衡这三种结构的优缺点，住友决定开发扁的叠堆型的24芯光纤带光缆。
8．1 光缆设计要点
在这项开发中，有两个重要的考虑：一是在直的叠堆光纤带结构中如何改善光缆的弯曲能力；二是限制护套的收缩，这一点是对于互连用的光缆的共同课题。
在如图15中的松套结构的情况下，光缆的弯曲在内侧光纤带上产生余长而使内侧光纤带皱曲起来。这时内侧光缆带与护套内表面相接触而增加衰减。为了防止这种光纤带的皱曲，光纤带与护套之间需要大的空间。然而，当光缆的弯曲半径为25mm时，为了保证衰减良好，至少需要6mm的空隙。于是，光缆的厚度将接近圆形叠堆式光缆的直径。所以决定采用紧套来限制光缆弯曲时光纤带的皱曲。在设计紧套结构时，用CAE分析来模拟光缆弯曲时光纤带的状态，从而找出护套厚度与材料模量之间的最佳组合。
第二点重要的考虑是如何在温度循环时限制护套的收缩，护套收缩产生光纤的宏弯而产生附加衰减。护套的收缩由两部分组成：（1）材料在低温下的收缩是按照线性热膨胀系数确定的。这种收缩率大约为0．1％到1．0％；（2）材料成形后的残余应力在高温下产生大的收缩，这种收缩率大约为1．0％到10．0％，它不但产生附加衰减而且会使得连接器内的光纤损坏。在组装连接器以前进行韧炼是解除残余应力的有效手段，但是它只对于接近光缆终端的部分有效，而且韧炼工序增加了光缆的成本。由于护套收缩产生的这些问题，必须从根本上限制收缩来解决。在本项开发中，设计了新的护套结构，即在护套中埋入两根加强件，起着减小收缩的功能。
8．2 光缆结构
纤带为0．3mm厚的也用于传统的扁光纤带光缆中的普通型。
护套选用了一种阻燃PVC，这种材料满足垂直级护套料的规范。护套紧密地涂覆在两根叠堆的光纤带的四周，而其中埋有两根0．4mm的FRP抗拉加强件以限制收缩。
在商用的光纤带光缆中，在光纤带的四周一般放了芳纶纱来得到拉伸强度。与之不同，24芯扁光纤带光缆不需要任何芳纶纱，因为在护套中有抗拉构件。
在光纤带叠堆上面的两个凹口是为了用撕裂护套的方法来取出光纤带。用这两个凹口，就能够容易地撕开护套而不损伤光纤带。上面所述的CAE分析证实这些凹口对于光缆的弯曲所引起的光纤带皱曲的限制作用影响很小。
成品光缆的尺寸为5．1mm宽和2．0mm厚。这个尺寸几乎与常规的包含一根12芯光纤带的12芯光纤带光缆相同。24芯光纤带光缆的光纤集装密度为2．57纤／mm2，而12芯光纤带光缆为1．13纤／mm2。所以这种光缆取得了高的集装密度而成为高效的互连布线。
8．3 连接器组件的设计
在常规的松套扁光纤带光缆的情况下，连接器接插时由于连接器内弹簧的弹回所产生的多余长度被吸收到光缆的末端中。用了紧套结构的24－芯光纤带光缆在光纤带与护套之间没有间隙。所以必须进行特殊的考虑。
为了解决这个问题所采取得措施是在连接器组件中应用保护管如图17所示。当从光缆端头上去除护套之后，把两根光纤带套入一根保护套管中。这根保护管是松的，故由于连接器的弹回所产生的光纤带的余长就被吸收到保护管中。为了要避免光缆弯曲时压扁保护管，采用了扁的保护管，并在保护管中埋入两根抗拉件，与芯扁光纤带光缆相同。
8．4 光缆性能试验结果
按照上述的24芯扁光纤带光缆设计试制的光缆是用24根普通的单模光纤制造的，评价了基本的衰减、温度循环性能和机械特性（弯曲、压扁、扭转、拉伸）。试验结果的例子列于表9。
在1550nm的衰减是在把光缆绕于280nm的盘上的条件下测量的，温度循环试验是在把光缆自由地绕在280mm直径上的条件下进行的。表列数据都是满意的，证实了埋在护套中的抗拉构件起了良好的作用。
弯曲试验的结果是，光缆护套或光纤带都没有损伤，而在R＝25mm×10圈时的最大衰减变化小于0．01dB。结果证实了紧套结构的优异作用。
压扁试验是在板宽为100mm、板边缘R＝6mm和最大重量为2000N的条件下进行的，以100N的步级测量了在1550nm的衰减变化。结果是，在任何重量时衰减都没有变化，而在护套和光纤带上都没有损伤。
扭转是在把加有1．5kg拉伸力的300mm长的光缆扭转1／2圈、1圈、和2圈各10次的条件下进行的。结果是，在任何扭转角度上1550nm波长上的衰减都不变化，而护套或光纤带都没有损伤。
拉伸试验是在把2m长的光缆用400N的拉伸力拉伸的条件下进行的，以100N的步级测量了1550nm的衰减。结果是，在任何拉力下衰减都没有变化，而护套或光纤带都没有损伤。
8．5 带光缆的连接器的试验
在上面所提到的连接器组件上，用24芯扁光纤带光缆组装了试制的24芯连接器，评价了连接衰减、温度循环性能和机械性能（拉伸）。试验结果的例子列于表10。
连接衰减和温度循环试验试验结果证实了新的保护管的良好作用。
9 结论
为了满足在诸如DWDM系统等大功率光纤传输系统中多芯高密度光连接的需求，日本住友已经用注塑成形的PPS套筒开发了一种超低损耗的MPO连接器，还在导引针孔周围近连接端面处打倒角来改进反复接插时的耐久性。通过评价试验证实了这种倒角在防止端面附近导引针孔周围发生开裂或者损伤以及稳定连接损耗方面是非常有效的。试制的倒角型单模8－芯MPO连接器已经展示出满意的特性，包括小于0．35dB的最大介入损耗；当反复接插达500次时介入损耗的最大变化小于0．2dB；在按照GR1435进行可靠性试验期间介入损耗的最大增加小于0．2dB。还有，对于接插好的、在光纤端面上有开裂的连接器进行2W激光器入射试验没有在连接器的端面上产生损伤。在这个基础了还引入了12－芯MPO连接器和16－芯细节距MPO连接器作为高密度连接的试用。细节距16－芯MPO连接器具有10倍于SC连接器的高光纤密度，介入损耗小于0．6dB。
为了进一步提高连接器的容量与光纤密度，日本藤仓开发了用2－D阵列方式排列光纤的16、24和60芯MT连接器，提供的光纤密度为原来MT连接器的好几倍。这种连接器除了容量大以外，在提供优良的光纤特性和可靠性方面可以与常规的1－D阵列连接器相似。还开发了不必使用折射率匹配材料的具有优良光学与环境性能的24芯MPO连接器。 为了这些大芯数连接器的需要，日本住友又设计与开发了24芯扁光纤带光缆，它适用于“24芯到24芯”或者“24芯到12芯”的连接。为了得到在光缆弯曲和温度循环时的优良性能，采用了紧套、埋在护套中的抗拉构件和新型连接器组件用的保护管。对24芯扁光缆和2－D阵列24芯连接器证实了在衰减、温度循环试验和机械试验中的优良性能。
参考文献
1 W．Sakurai，et al．Development of Chamfer－Type Super LowLoss MPO Connector Using PPSFerrule．51st IWCSProc．，2002，48－55．
2 T．Ohta，etal．DevelopmentofTwo－DimensionalArray MT Connector．49th IWCSProc．，2000，187－193．
3 K．Hamada，etal．Developmentof24－fiber Flat Ribbon Cablefor Two－DimensionalArray MT Connector．51st IWCSProc．，2002，56－60．
摘自《现代有线传输》
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