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新一代光纤连接器的深入探讨

Watchstor.com  佚名丨2009-10-06 16:41 标签:存储网络 

美国和日本的有关厂商在数年前已经开始研究新一代光纤连接器,目前已有十余种产品面世。本文所讨论的光纤连接器,主要指单芯光缆连接器以及近年出现的光纤带连接器或多纤连接器。至于多芯光缆连接器,由于一般多用于军事,目前市场不大,所以本文不做讨论。

光纤连接器是光纤通信系统中使用量最大的光无源器件。光纤连接器的发展大致可分三个阶段。80年代,为了探讨制造光纤连接器的工艺方法,各种结构应运而生,多达 20余种。9O年代,经过批量生产和使用,各种结构和工艺的优缺点逐渐分明,形成了以直径2.5mm陶瓷插针为关键元件的FC、ST和SC三种类型连接器占主导地位的局面。预计为适应光纤接入网光纤到家庭的需要,光纤连接器将进入第三阶段,新一代光纤连接器体积更小、价格更低。

一、美国的研究动态

美国许多光连接器制造商对新一代光纤连接器进行了研究。目前已经研制出八种结构,并且均已获得美国电信工业协会(TIA)的标准号。其中用于光纤带连接的有四种。由于TIA负责制定光纤连接器标准的工作组为FO-6.3.4,所以其标准代号为 FOCIS。FOC- IS1、2、3和4分别为双锥型、ST型、SC型和FC型连接器的标准。

1 用于光纤带的连接器

USConec公司为光纤带的连接设计了MTP/MPO型连接器。该连接器以 MT(Mechani- cally Trallslerable)元件为基础,可以连接4、8、10或12芯光纤。它的外围零件为传统的推/拉式结构,通常称为 MTP/MPO(Multi—fiber Push On)连接器,标准号为 FOCISS。 这种连接器的插头由芯部和外壳组成。芯部采用MT连接器的插头体和导向销;外壳的内部可以容纳弹簧,以施力于插头体;外部形状则与插座中的有关零件相配,形成如 SC型连接器那样的插入锁紧机构。拔出时,只要按规定方向牵拉,锁紧力就可解除,插头即可拆下。 Siecor公司的小型MT(小型MPO)连接器,其标准代号为FOCIS8。这种连接器的插头体比较小,最多只能用于4芯光纤、 Berg电子公司为光纤带设计了小型MAC连接器,该连接器可以连接2至18芯光纤,其标准号为FOCIS9。 此外,还有由AMP、Siecor、Hewlett-Packard、USConec和藤仓公司联合推向市场的MT-RJ连接器、预计其标准代号为FOCIS12,该连接器采用与FOCISS的小型MT锁紧机构。

2 FJ型连接器

1996年下半年,Panduit公司为适应RJ-45插口而设计了FJ型光纤连接器。该连接器是用于住宅广播的塑料光纤连接器,在一个RJ-45型的插头外壳中包含两个标准的外径为2.5mm的插针。该连接器的商品名为“光插口”,标准号为FOCIS6。 颇有趣味的是,该连接器标准FOCIS6的制定,引起了其他制造商的一阵恐慌,他们纷纷提出目前在实验室中研制的新型连接器结构,FO-6.3.4工作组在研究了这些新型连接器的结构后,表示要加速给这些制造商发送FOCIS标准号。 这些新一代光纤连接器有以下共同点:主要用于住宅/居民光纤通信市场(至少最初是这样);至少包含两根光纤;一般都适用于RJ-45型的8针插口模块。

3 LC型及其他连接器

LC型连接器是朗讯公司设计的,商品名为“光速”,其标准号为FOCIS10。LC连接器的套管外径为1.25mm。是常采用的ST、 FC和SC连接器套管外径的一半。这样可以提高连接器在光配线架中的密度。此外,LC连接器是以双芯连接器的形式出现的,需要时、可分为两个单芯连接器。 Siecor公司制造的SCDC/SCQC连接器,其FOCIS标准预计为FOCIS11。它可在SC连接器的直径为2.5mm的套管内,容纳2根光纤(DC)或4根光纤(QC)。 此外,3M公司电信系统部还研制了SG型连接器,标准号为FOCIS7,它不采用套管,可以减少现场端接的时间和成本,这是该连接器与其他FOCIS连接器的明显区别。随着目前光纤几何尺寸控制方面的巨大改进,预计将来无套管连接器将有一定的市场。

二. 日本的研究动态

日本对新一代光纤连接器的研究以NTT光电子学实验室为代表,除MT型连接器外,已研究出简化SC型、MU型、FPC型和PLC型等新结构,其中MU型连接器的标准号为JIS C 5963(日本工业标准)和IEC 1754-6(国际电工委员会标准)。

1 简化SC型连接器

传统的SC型连接器由两个相同的插头和一个插座组成,光缆的拉力>=69N,光缆弯曲力达2.5N时,连接损耗无恶化。当它们应用于接入网的光纤网络单元(ONU)或光纤终端模块(FTM)时,由于在设备的内部并不需要防拉,为了提高封装密度,降低连接器的成本,NTT将SC的插座和装在设备内侧的插头进行简化。 传统的SC型插座由一个开槽套筒、两个插孔套和两个外壳五个零件组成。在装人套筒后,两个插孔套之间采用超声波焊接定位,其最重要的尺寸是两个插孔套的卡口之间的距离,这两个卡口分别与两个SC插头连接。简化的SC插座只有一个开槽套筒、一个插孔套与一个外壳组成。 传统的SC插头由8个零件组成。而简化的SC插头只有套管和尾套,不需要压缩弹簧、套管由氧化锆陶瓷插针和模压的法兰组成。套管的长度比传统的SC型套管短,减少了陶瓷套管的制造成本。每个简化的插头都可以通过方形法兰,和四个90度旋转,定位于最佳的位置,以达到与传统的SC连接器相同的低损耗。 在目前的FTM中,采用传统的四联套管SC连接器,每个模块只能安装1000端。 NTT 已经利用这种简化的SC型连接器,制成简化的8联插座。利用这种插座,每个模块可安装2000端。该插座能分别连接8个SC插头和8个简化插头,其厚度只有12.4mm,比SC型插座的厚度(15mm)小。 在FTM中,室内光缆需与8路光分支器件相连,在传统的FTM中,需要采用扇形引出(FO)器件,使分支器的8芯光纤带与8个SC插头相连。采用简化的8联插座,则不需要扇形引出器件,简化插头的光纤分别与分路器件的8芯光纤带直接相连,这又进一步减少了每个终端的FTM成本。

2 MU型连接器

在接入网中,光纤不仅要与传输和交换系统相连,还要与用户系统相连。作为设备和光缆之间的接口,新一代光纤连接器必须结构紧凑,性能优良,以实现高密度封装。此外,光电元件的小型化使印制板具有高封装密度,这也需要有小型和多芯的连接器。为此, NTT研制了小型单元耦合型(miniature unit-CouPling,简化MU型)连接器。该连接器采用1.25mm直径的套管和自保持机构,并达到以SC连接器同样的优良性能。 应用于底板的光连接器由于设备空间的影响,其尺寸受到严格的限制。该连接器采用印制板插入底板的方法,使印制板上的光元件与光缆相连。这些底板连接器的单元面积、高度受到加强杆的限制,其宽度又受到两块印制板之间的距离限制,在高密度封装系统中,宽度为15mm,高度为100mm。 在这个单元面积中,能安装多少光插头取决于插头的大小,而插头的大小又与套管的尺寸有关。当然,插头排列的方法也是很重要的。插头在插座内可作垂直安装或水平安装。当套管直径大于 l.32mm时,插头的宽度太大,以致不能水平安装,当套管直径小于1.32mm时,插头的宽度就小于插座的宽度,足以进行水平安装,这样总的安装数量就增加到14个或更多。如果套管直径小于1.25mm,则安装数量可达16个。

但是,由于受小型化的限制,套管直径不能小于1.13mm。为此,决定采用直径为1.25mm的套管。 新一代光纤连接器一般采用PC技术,以获得低插入损耗、高回波损耗和高可靠性。两个相连的套管是采用线圈状弹簧对接在一起的,弹簧提供给套管的压力约10N。如果采用传统的光底板连接器,套管压缩弹簧有一个压力直接作用于底板,因此要在一个设备上实现大量的光连接就有困难,因为总的压力正比平装在底板上的光插头的总数量,这会引起底板的变形。所以,如果多光纤底板光连接器要实现大量的光连接,就必须具备能吸收套管压力并适于操作的机构。 为此,NTT开发了一种新的自保持机构,底板插座由一个内壳和一个外壳组成。当印制板插座插入底板时,底板插座的内壳与印制板插座相耦合。底板插座内壳相对于底板插座外壳是浮动的,可消除套管作用在底板上的压力。这样形成的自保持机构,可以克服底板强度不够的问题。此外,这两个插座都具有浮动机构,可以吸收水平、垂直和轴向的错位。 利用MU的l.25mm直径的套管,NTT已经开发了MU连接器的系列。它们有用于光缆连接的插座型光连接器(MU-A系列),具有自保持机构的底板连接器(MU-B系列)以及用于连接LD/PD模块与插头的简化插座(MU-SR系列)等。

 3 FPC型连接器

由于采用无源双星(PDS)结构和波分复用(DWM)系统,目前光通信系统的结构已有很大变化。这些系统由很多光学元件组成,不仅有电/光和光/电器件,而且还有光路分支、波分复用、交换和放大器件。这些器件都被安装在印制板上,再装入传输系统中,印制板之间的间距约10mm。目前这些元件的尾纤是采用熔接方法连接的,若重新熔接很困难,因为这需要有一段尾纤的余长,而在极小的封装空间内,很难容纳这样的余长。因此,NTT研究了用于印制板上光器件相互连接的新型连接器。 这种印制板上的光纤连接器必须很小,且应具有良好的光学性能,其大小的目标是熔接接头的加强管尺寸,即直径为4mm,长度为40mm。此外,其性能要与物理接触(PC)连接器,如SC型连接器和MU连接器相当。这些连接器的平均损耗为0.07dB,最大损耗为 0.3dB;平均回波损耗为50dB,最小回波损耗为40dB。这些损耗在环境温度变化时必须稳定。 SC和MU连接器的横截面分别为13*10mm和9*6mm,显然是难以安装在印制板上的。

由于存在套管和弹簧,要减小其尺寸几乎是不可能的,因为套管用于增强光纤,弹簧用于提供压力,使光纤在接触点上实现物理接触。因此,NTT对这种PC连接器进行了简化设计,既不需要套管,又不需要弹簧,成为光纤物理接触(FPC)连接器。该FPC连接器由于裸光纤本身的纵向弯曲力而产生PC接触。 对于PC连接,光纤需要有光滑的端面。在FPC连接器中,相配的横截面仅仅是光纤的端面,所以是很小的。在传统的PC连接器中,由于套管的截面很大,所以需要采用球面抛光来保证PC接触。在制造FPC连接器时,最初来用简单的切割法,获得了光滑的光纤端面,该连接器具有高达60dB的平均回波损耗,平均插入损耗为0.17dB,当温度在-25摄底度到70摄氏度范围变化时,以及在200次的插拔循环内,插人损耗和回波损耗稳定。

 4 PLC型新一代光纤连接器

在光波导,如平面光波线路(PLC)与光纤连接时,通常是采用粘结剂构成不可拆接头。预计在这方面将开发一种能使PLC模块与光纤之间实现插拔的PLC连接器,便于大量生产。NTT已经开发了一种不用折射率匹配材料或粘接剂的能使PLC与光纤之间达到PC 接触的新技术。该连接器的原理与FPC连接器相似。在NTT的试验中,采用这种PLC连接器,回波损耗达40dB以上,插入损耗0.9dB(包括波导的固有损耗0.5dB)。这种技术一旦实现,对于ONU模块的大量生产是十分有用的。

 三、综述与讨论

1 各种结构的应用范围

随着光纤通信技术的发展,光纤连接在系统中的应用将更为广泛,连接器将趋于多样化。新研制的各种连接器将与传统的FC、SC等连接器一起,形成“各显所长,各有所用”的格局。 首先,在光缆干线网方面,还是采用FC连接器,对于光纤带光缆,则使用MT连接器提供固定或活动连接。在光纤用户网的本地交换机中,光缆终端架上则采用SC连接器。新型的同步终端设备和用户线路终端,则采用LC或MU型连接器。当实现FTTH时,在安装于每个用户大楼或房屋的光网络单元中,则采用简化的SC连接器,以实现高密度封装。 在光端机内,印制板与底板之间的光路连接应采用单芯光纤的MU或带状光纤的MPO连接器,以实现多路光连接。在印制板上,光纤器件间的连接将采用FPC连接器,而不用熔接接头。对于平面光器件与光纤之间的连接,则采用PLC连接器。

2 新一代光连接器的发展趋势

新型光连接器在结构上大致可分为四类:第一类是在插头直径为2.5mm连接器的基础上加以改进,如NTT公司的简化SC连接器、Panduit公司的双联插头的FJ型连接器、 Seicor公司的单插头但含有二芯和四芯光纤的SC/DC和SC/QC连接器、第二类是围绕光纤带而设计的连接器,如 AMP公司的MT-RJ连接器(二芯),Seicor公司的mini-MT连接器( < =4芯),Berr公司的MAC连接器(<=8芯)等。第三类是插头直径为l.25mm的小型连接器,如 Lucent公司的LC连接器、NTT公司的MU连接器。第四类是无套管的光纤连接器,如3M公司的SG连接器,NTT公司的FPC和PLC连接器。 随着带状光纤在光纤用户网中的广泛应用,预计光纤带用的MT型连接器的需求将迅速增加。由于高密度封装的要求,预计插针直径为1.25mm的LC、MU连接器将会得到迅速发展。这两种类型的产品可能会成为光纤用户网中主要应用的连接器。其他在插头直径为2.5mm基础上改进的连接器,可能成为重要的补充。至于无套管连接器,可能还要经历若干年后才会有一定的市场。

3 有关对策的建议

不难看出,一些发达国家的企业都以很大的投入来研究新一代光纤连接器。此外,如此高精度连接器的研制成功也得益于这些国家先进的科技和工业基础。例如,MT连接器的插头体模块,其模具的制造精度是极高的。日本古河公司目前的研究认为,采用注入模(Injection-molded)方法比转移模( Transfer-molded)方法更好,它可以连续、大量地生产,模压时间短,价格低廉。 当前我国正大量组装直径为2.5mm的各种单芯光纤连接器,总的生产厂家达四、五十家,年销售量在8万个以上的厂家估计也有五、六家。但是,对新一代光纤连接器很少有问津。诚然,企业以盈利为目的,但较大的企业对今后的技术发展应有适当的投入,才能有后劲。有关政府部门和研究机构更应在这方面有所作为。即使不可能完全搞到产业化的水平,有关的科研成果也可以加速与国外新技术的交流。

此外,如有适当的机会,应考虑与外商合作,从事新一代光纤连接器的开发与生产。例如在90年代中期,有关单位与日本有关企业合资,进行光连接器陶瓷套管的生产,使我国很快掌握了这一精密制造技术,产品不仅可以满足国内的需求,而且可以大量出口,打入国际市场。目前新一代光纤连接器虽然尚在起步阶段,但有识之士应密切注意国外有关厂商的技术发展动态和技术合作意向,如能把握机会,合作成功,则在国内可以领导光纤连接器发展的新潮流。

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