高密度光纖互連的發展

背景
　　互聯網和無線技術正在顯著增強信息的互連能力。這些技術
在全球范圍內呈指數級增長，需要支持數億用戶產生的流量（見
圖1）。數十億個數字數據包在全球范圍內傳輸，通過交換機、長
途光纖、城域網以及其他多種接入技術實現。在每個節點，引入
光纖在入口機柜和設備之間連接。
　　圖1 互連網連接的主機數量（略）
　　由于光纖的直徑極小（即使在加上保護層后，直徑也僅為250
微米，大約是頭發直徑的4倍），因此，在體積相對較小的光纜中
可以放入數百條光纖。然而，用連接器端接這些光纖會使占用空
間增加20～50倍。盡管摩爾定律也適用于交換機和PHY芯片的通道
數量，但連接器技術也需要努力適應這一定律。
　　光纖連接器的體積至少要能夠用手指拿住。足夠穩定的光耦合和保持裝置也要占用一些空間。因此，
增加密度的邏輯方式是將多條光纖組合到一個插針中。（我們注意到，對插針一詞的各種辭典定義總是指
圓柱體。在單個光纖連接器中，端接光纖的插針部件實際上是圓柱體。一般情況下，多光纖連接器涉及到
排列成矩陣的光纖，因此，端接部件一般是塊狀或矩形，但仍使用“插針”的說法，即使部件不是圓柱
體。）
　　Silicon V-grooves
　　Silicon V-groove 陣列用于早期的多光纖連接器中。這種排列方式保證了半導體加工工藝的精確度和
可預測的結晶面的角度。這種方式價格比較昂貴，但廣泛用于鑄模MT插針中。
　　MT
　　基于MT插針（尤其是MPO）的連接器開始在多光纖連接器市場占據主要地位。這種連接器最早由NTT開
發，用于多光纖插接目的，之后，光纖數量從包含4、8或12根光纖的單列增加到包含12根光纖的2或6列。
盡管多種不同連接器的插針都是2.5 mm和之后的1.25 mm陶瓷圓柱，但MT已成為多光纖套箍的事實標準（見
圖2）。
　　圖2 MT套箍（略）
　　MT套箍由多個廠商提供，分為多模(MM)和單模 (SM) 公差等級。同樣，光纜也由不同廠商提供，在存
儲和網絡領域已應用多年。
　　關鍵屬性
　　準直由導向孔直徑為0.7 mm的精確定位孔保證。光纖準直的基準位于部件中心，從而使公差累積最
小，而且導向孔之間的距離不會影響基準的位置。定位銷和插針材料的彈性可適應生產公差的變化，但材
料和成型技術的進步已經使這些公差非常小。
　　實現低插入損耗的關鍵是測量光纖孔確切位置的能力。MT插針的平面與導向孔垂直。這樣有助于檢
查，因為所有組件都位于同一平面，而且導向孔是圓形。拋光工藝消除了某些插針材料，因此，要保證確
切位置位于表面下方100微米或更多。這對于SM套箍尤其重要，因為拋光工藝會產生一個8度角。而對于多
列套箍來說，這一點更為重要，因為列之間的8度角會造成70微米的高度差。
　　72光纖
　　圖3　72光纖MT套箍（略）
　　圖4　泰科電子PARA－OPTIX72通道MPO型連接器（略）
　　目前，72光纖MPO僅用于多模光纖。然而，根據發展趨勢和過去的應用，SM應占主導地位。MPO連接器
可提供12條光纖的正向接觸。此外，72光纖MPO配有稍微修改的彈簧，為光纖帶的堆疊提供了更大的空間，
并且增加了正面壓力，因為它含有更多的光纖。即使如此，利用更多光纖實現PC性能仍要求更精確地控制
拋光工藝，以確保更好的共面性。泰科電子在拋光工藝和高密度連接器開發方面進行了大量的開發工作
（見圖4）。這一點通過拋光工藝和裝置上控制，并通過用干涉測量方法的端面掃描進行驗證（見圖5）。
　　圖5 72光纖MT套箍的端面掃描（略）
　　圖6 測量端面幾何數據的設備（略）
　　目前已經有正在開發的基礎設施用于支持光纜廠商，例如，測量端面幾何數據的專用儀器和多通道插
入損耗測試儀（見圖6）。這種設備來自于測量少量光纖插針的系統，配備了必要的光纖視角測量儀器和軟
件，用于一次測量所有72條光纖。
　　光學性能
　　高光纖數的連接器的性能低于單光纖連接器，這在很大程度上是因為技術的成熟度；然而，統計數據
也有關系。單光纖插針的檢測可在任何偏離值時截取生產分布圖，以限制插入損耗。而對于MT插針，所有
光纖孔都要位于其理想位置的幾微米范圍內。孔的數量越多，最差的一個孔的公差越大。換句話說，如果
一個插針由于超出公差而被廢棄，71個合格孔也將廢棄。因此，多光纖插針的典型插入損耗一般要高于單
光纖連接器。
　　傳統單光纖連接器和基于MT插針的連接器之間的另一個區別是調節能力。為實現最低的損耗，單模連
接器（例如SC和LC）經過調整，以適應其余的任何核心偏差。這使核心偏差的分布更為嚴格，因此最大限
度減少了插入損耗。這種調節能力來自于圓柱形插針的圓對稱，而MT設計并沒有提供。因此，插入損耗僅
由光纖孔實際的確切位置以及光纖的核心離心公差決定（見圖7）。
　　圖 7 72光纖MPO插入損耗（略）
　　兼容收發器
　　從2000年電信泡沫破裂開始，多光纖收發器行業經歷了一些波動，但仍有許多廠商在供應單列設備。
　　多列收發器還沒有廣泛普及；提供單列收發器的廠商卻有很多。這些收發器可以安裝在遠離板邊緣
處，利用光纖跳線連接到高密度連接器，例如72光纖MPO。這最大程度提高了寶貴的板邊緣前面板空間的利
用率。
與傳統的單通道收發器一樣，并行光學設備之間也有多來源協議。POP4 (http://www.popoptics.org) 這
樣描述收發器：它利用一個包含12條光纖的連接器，采用4條光纖發送、4條光纖接收和4條光纖位于中間的
方法，而是簡單地分隔Tx和Rx電路，以最大限度減少干擾。SNAP12 (http://www.snapoptics.org) 設備
（見圖8）利用同樣的物理波形因數，但定義了獨立的發送器和收發器模塊，每個模塊有12個通道。
　　圖8 SNAP12設備（略）
　　應用
　　根據一般規則，任何涉及大量光纖的應用領域都可能需要高密度連接器。這包括數據中心和存儲設
施、建筑物布線以及即將出現的FTTx基礎設施。包含大量端口的設備（例如交換機和路由器）也要用到。
例如，Infiniband (http://www.infinibandta.org/) 4X和12X型號采用MPO接口。
　　端口密度是關鍵
　　20世紀90年代末期的SFF連接器大戰起因是對更高端口密度的需求。盡管半導體技術的發展水平高于交
換機和PHY芯片集成的水平，但連接器的發展速度還未達到摩爾定律的規模（見圖9）。
　　圖9 常用連接器類型的端口密度（略）
　　小結
　過去，對光學收發器的需求與對光學連接器的需求程度大致相當。隨著MT套插針中的光纖數量不斷增
加，其他方面成為決定因素，例如收發器電子連接器或者散熱器的體積。將收發器體積與端口密度區分開
一種做法是在板上放置收發器，將短光纖跳線與卡邊緣的高密度連接器相連。這種解決方法會進一步促進
將收發器靠近與其通信的芯片，從而最大程度減少連接路線的長度，以實現更高的速度和更低的功耗。
許多應用領域要求實現端口數量和速度的增加。高密度光纖接口對機柜內和機柜間的連接更具吸引力，因
為光纜比銅纜更小（而且更輕），而且能夠利用電子學實現更高的速度。如果存在社會可接受的期望，那
就是對更高帶寬的需求。有誰會愿意回到使用1200波特調制解調器的時代，更不用說300波特的電傳打字機
了？
　　DSL、電纜調制解調器的普及以及FTTx的應用推動著高帶寬應用的出現以及對這些應用的需求，例如Vo
IP和視頻點播。另外，由于印度和中國等國家內互聯網接入的兩位數增長，有一點很明顯：擴展能力不僅
僅是人們所期望的，而是勢在必行。基于MT技術的高密度連接器為擴展能力的難題提供了解決方案。