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高密度光纤互连的发展
 
慧聪网   2006年1月19日9时42分   信息来源:世界电子元器件    

  背景

  互联网和无线技术正在显著增强信息的互连能力。这些技术在全球范围内呈指数级增长,需要支持数亿用户产生的流量(见图1)。 数十亿个数字数据包在全球范围内传输,通过交换机、长途光纤、城域网以及其他多种接入技术实现。在每个节点,引入光纤在入口机柜和设备之间连接。

  图1 互连网连接的主机数量(略)

  由于光纤的直径极小(即使在加上保护层后,直径也仅为250微米,大约是头发直径的4倍),因此,在体积相对较小的光缆中可以放入数百条光纤。然而,用连接器端接这些光纤会使占用空间增加20~50倍。尽管摩尔定律也适用于交换机和PHY芯片的通道数量,但连接器技术也需要努力适应这一定律。

  光纤连接器的体积至少要能够用手指拿住。足够稳定的光耦合和保持装置也要占用一些空间。因此,增加密度的逻辑方式是将多条光纤组合到一个插针中。(我们注意到,对插针一词的各种辞典定义总是指圆柱体。在单个光纤连接器中,端接光纤的插针部件实际上是圆柱体。一般情况下,多光纤连接器涉及到排列成矩阵的光纤,因此,端接部件一般是块状或矩形,但仍使用“插针”的说法,即使部件不是圆柱体。)

  Silicon V-grooves

  Silicon V-groove 阵列用于早期的多光纤连接器中。这种排列方式保证了半导体加工工艺的精确度和可预测的结晶面的角度。这种方式价格比较昂贵,但广泛用于铸模MT插针中。

  MT

  基于MT插针(尤其是MPO)的连接器开始在多光纤连接器市场占据主要地位。这种连接器最早由NTT开发,用于多光纤插接目的,之后,光纤数量从包含4、8或12根光纤的单列增加到包含12根光纤的2或6列。尽管多种不同连接器的插针都是2.5 mm和之后的1.25 mm陶瓷圆柱,但MT已成为多光纤套箍的事实标准(见图2)。

  图2 MT套箍(略)

  MT套箍由多个厂商提供,分为多模(MM)和单模 (SM) 公差等级。同样,光缆也由不同厂商提供,在存储和网络领域已应用多年。

  关键属性

  准直由导向孔直径为0.7 mm的精确定位孔保证。光纤准直的基准位于部件中心,从而使公差累积最小,而且导向孔之间的距离不会影响基准的位置。定位销和插针材料的弹性可适应生产公差的变化,但材料和成型技术的进步已经使这些公差非常小。

  实现低插入损耗的关键是测量光纤孔确切位置的能力。MT插针的平面与导向孔垂直。这样有助于检查,因为所有组件都位于同一平面,而且导向孔是圆形。抛光工艺消除了某些插针材料,因此,要保证确切位置位于表面下方100微米或更多。这对于SM套箍尤其重要,因为抛光工艺会产生一个8度角。而对于多列套箍来说,这一点更为重要,因为列之间的8度角会造成70微米的高度差。

  72光纤

  图3 72光纤MT套箍(略)

  图4 泰科电子PARA-OPTIX72通道MPO型连接器(略)

  目前,72光纤MPO仅用于多模光纤。然而,根据发展趋势和过去的应用,SM应占主导地位。MPO连接器可提供12条光纤的正向接触。此外,72光纤MPO配有稍微修改的弹簧,为光纤带的堆叠提供了更大的空间,并且增加了正面压力,因为它含有更多的光纤。即使如此,利用更多光纤实现PC性能仍要求更精确地控制抛光工艺,以确保更好的共面性。泰科电子在抛光工艺和高密度连接器开发方面进行了大量的开发工作(见图4)。这一点通过抛光工艺和装置上控制,并通过用干涉测量方法的端面扫描进行验证(见图5)。


  图5 72光纤MT套箍的端面扫描(略)

  图6 测量端面几何数据的设备(略)

  目前已经有正在开发的基础设施用于支持光缆厂商,例如,测量端面几何数据的专用仪器和多通道插入损耗测试仪(见图6)。这种设备来自于测量少量光纤插针的系统,配备了必要的光纤视角测量仪器和软件,用于一次测量所有72条光纤。

  光学性能

  高光纤数的连接器的性能低于单光纤连接器,这在很大程度上是因为技术的成熟度;然而,统计数据也有关系。单光纤插针的检测可在任何偏离值时截取生产分布图,以限制插入损耗。而对于MT插针,所有光纤孔都要位于其理想位置的几微米范围内。孔的数量越多,最差的一个孔的公差越大。换句话说,如果一个插针由于超出公差而被废弃,71个合格孔也将废弃。因此,多光纤插针的典型插入损耗一般要高于单光纤连接器。

  传统单光纤连接器和基于MT插针的连接器之间的另一个区别是调节能力。为实现最低的损耗,单模连接器(例如SC和LC)经过调整,以适应其余的任何核心偏差。这使核心偏差的分布更为严格,因此最大限度减少了插入损耗。这种调节能力来自于圆柱形插针的圆对称,而MT设计并没有提供。因此,插入损耗仅由光纤孔实际的确切位置以及光纤的核心离心公差决定(见图7)。

  图 7 72光纤MPO插入损耗(略)


  兼容收发器

  从2000年电信泡沫破裂开始,多光纤收发器行业经历了一些波动,但仍有许多厂商在供应单列设备。

  多列收发器还没有广泛普及;提供单列收发器的厂商却有很多。这些收发器可以安装在远离板边缘处,利用光纤跳线连接到高密度连接器,例如72光纤MPO。这最大程度提高了宝贵的板边缘前面板空间的利用率。
与传统的单通道收发器一样,并行光学设备之间也有多来源协议。POP4 (http://www.popoptics.org) 这样描述收发器:它利用一个包含12条光纤的连接器,采用4条光纤发送、4条光纤接收和4条光纤位于中间的方法,而是简单地分隔Tx和Rx电路,以最大限度减少干扰。SNAP12 (http://www.snapoptics.org) 设备(见图8)利用同样的物理波形因数,但定义了独立的发送器和收发器模块,每个模块有12个通道。

  图8 SNAP12设备(略)


  应用

  根据一般规则,任何涉及大量光纤的应用领域都可能需要高密度连接器。这包括数据中心和存储设施、建筑布线以及即将出现的FTTx基础设施。包含大量端口的设备(例如交换机和路由器)也要用到。例如,Infiniband (http://www.infinibandta.org/) 4X和12X型号采用MPO接口。

  端口密度是关键

  20世纪90年代末期的SFF连接器大战起因是对更高端口密度的需求。尽管半导体技术的发展水平高于交换机和PHY芯片集成的水平,但连接器的发展速度还未达到摩尔定律的规模(见图9)。

  图9 常用连接器类型的端口密度(略)


  小结

  过去,对光学收发器的需求与对光学连接器的需求程度大致相当。随着MT套插针中的光纤数量不断增加,其他方面成为决定因素,例如收发器电子连接器或者散热器的体积。将收发器体积与端口密度区分开一种做法是在板上放置收发器,将短光纤跳线与卡边缘的高密度连接器相连。这种解决方法会进一步促进将收发器靠近与其通信的芯片,从而最大程度减少连接路线的长度,以实现更高的速度和更低的功耗。
许多应用领域要求实现端口数量和速度的增加。高密度光纤接口对机柜内和机柜间的连接更具吸引力,因为光缆比缆更小(而且更轻),而且能够利用电子学实现更高的速度。如果存在社会可接受的期望,那就是对更高带宽的需求。有谁会愿意回到使用1200波特调制解调器的时代,更不用说300波特的电传打字机了?

  DSL、电缆调制解调器的普及以及FTTx的应用推动着高带宽应用的出现以及对这些应用的需求,例如VoIP和视频点播。另外,由于印度和中国等国家内互联网接入的两位数增长,有一点很明显:扩展能力不仅仅是人们所期望的,而是势在必行。基于MT技术的高密度连接器为扩展能力的难题提供了解决方案。

 
作者:泰科电子 
 
 
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