光學(xué)背板連接器

　　Tom?Marrapode（Molex光學(xué)解決方案事業(yè)部?高級技術(shù)開(kāi)發(fā)總監）

　　摘?要：光學(xué)背板連接器允許通過(guò)與電氣背板連接器類(lèi)似的方式，使用盲插接口來(lái)連接起光纖。這種精心設計的高密度接口在過(guò)去的數十年來(lái)已經(jīng)成功用于實(shí)現各種容量可擴展的系統，適合芯線(xiàn)路由(corerouting)、光交換及電信領(lǐng)域的應用。

　　在本文中，我們將探尋是什么吸引了眾多的系統架構師和機械設計工程師來(lái)使用盲插光學(xué)互連系統，以及相應的設計要求、光纖密度的推動(dòng)因素、維護作業(yè)、產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)及我們對于未來(lái)需求和挑戰的看法。

　　關(guān)鍵詞：連接器；光學(xué)背板；盲插接口；OBO

　　與前面板光學(xué)連接作業(yè)一樣，OBO（板載光學(xué)）模塊可以通過(guò)標準的多光纖圓形護套光纜、帶狀光纖或者附著(zhù)到OBO模塊上的帶狀預成型光纖技術(shù)，方便地連接到光學(xué)背板連接器上（如圖1）。

　　光學(xué)的FlexPlane還可以結合FlexPlane一端上特定于光學(xué)背板的連接元件以及另一端上附著(zhù)的OBO來(lái)使用。通過(guò)這種方式，可以在系統元件內部實(shí)現密度極高、極其復雜的光纖端口映射。在很多方面，硬件設計師和系統架構師都被這類(lèi)接口技術(shù)所吸引：

　　● 釋放前面板空間，從而增加氣流以及客戶(hù)端接口或網(wǎng)絡(luò )接口；

　　● 不再需要為前面板的布線(xiàn)連接進(jìn)行手動(dòng)安裝，進(jìn)而加快系統部署、升級與維修的速度；

　　● 提高互連系統的密度并簡(jiǎn)化光纜的管理，遠遠超越傳統的前面板光學(xué)連接器和光端機；

　　● 通過(guò)特定于系統的內置連接配置，例如光學(xué)重排，可以實(shí)現線(xiàn)卡和抽屜的標準化，從而使用機殼外部的標準結構化布線(xiàn)，這樣就允許系統組件達到更高程度的模塊化。

　　1 光學(xué)背板連接器的類(lèi)型

　　在幾十年前，首先上市的是基于陶瓷插芯的光學(xué)背板連接器，在很大程度上該型連接器都以用戶(hù)端的行業(yè)標準連接器為基礎，例如MU、SC和LC，以及適合特定供應商應用的、基于定制端子的版本。陶瓷單光纖插芯互連系統在接口的每一側都采用了圓柱形的套管，套管在陶瓷對開(kāi)套管內部對準，而該對開(kāi)套管則固定在一個(gè)通常安裝在背板上的配對外殼當中。接口的電路板側是一種定制的外殼，安裝在印刷電路板上，印刷電路板對套管起到固定作用，套管的設計可以正確地插入對準到背板外殼中。

　　光學(xué)性能和光密度模仿了基于標準的連接器，在尺寸上提供了額外的凈空，供閉鎖和安裝功能使用。端口的數量范圍通常在2～8個(gè)連接器之間，采用了1.25或2.50mm的套管。由于廣泛采用了基于標準的連接器，清潔和檢測作業(yè)更加標準化，可以獲得良好的支持。當今的LC盲插接口最常在2、4和8端口的配置中使用，支持多模和單模光纖。

　　基于多光纖MT套管的光學(xué)背板接口最為常見(jiàn)，通過(guò)在每個(gè)套管上整合多條光纖并且在每個(gè)連接器上整合多個(gè)套管端口，與陶瓷單光纖套管相比，實(shí)現的光纖密度要高得多。端口的數量范圍通常在1~8個(gè)MT型套管之間，使用48個(gè)光纖套管時(shí)，在16mm×55mm的面積上可為每個(gè)連接器啟用多達384條光纖。這類(lèi)接口可從多家制造商處供貨，提供眾多的配置與安裝形式，良好地滿(mǎn)足了對于卡籠樣式的需求，以及特定系統的機械和封裝上的需求。

　　MT型套管采用了精密成型的聚酯套管，在公端/母端配置中通過(guò)金屬導銷(xiāo)對準。內部結合了光學(xué)背板連接器外殼，這就需要詳細考慮機械調準和密封問(wèn)題，以實(shí)現正確操作。

　　2 光學(xué)背板連接器機械性能概覽

　　系統架構師與光學(xué)背板連接器工程師之間早期溝通具有至關(guān)重要的作用，因為系統架構、機械外殼、連接器接口和系統光纖連接方案的需求都是緊密聯(lián)系在一起的。整個(gè)系統中連接器的光纖可以達到極高的數量，例如數以千計，這樣才能滿(mǎn)足機械、光學(xué)器件、光纜管理、熱及使用上的一系列復雜的需求。如果要在事后向系統設計中添加光學(xué)背板連接器，或者甚至由于機械安裝、卡間距以及機殼設計上的要求而對各種不同類(lèi)型的接口進(jìn)行更改，那樣幾乎是不可能的。極其靈活的一方面則在于每個(gè)連接器上的光纖數量，這是由于多光纖MT套管以及為多個(gè)MT套管端口提供支持的光學(xué)連接器可以提供眾多可用的選項。光學(xué)性能則成為了其中的權衡因素，因為隨著(zhù)每個(gè)套管上光纖數量的增加，以及在光纖管理的過(guò)程中，1個(gè)單獨的光學(xué)背板連接器可以實(shí)現數百處的光纖連接，光學(xué)性能也會(huì )隨之降低。

　　由于配對時(shí)幾何外形的關(guān)系以及與連接器類(lèi)型有關(guān)、所需的閉鎖力和夾持力上的細微差別，光學(xué)背板連接器的機械設計與安裝要求會(huì )在很大程度上影響到機殼的設計。由于套管都是單獨承受彈簧載荷，在光學(xué)背板連接器或者在卡的前面板插鎖上就必須考慮這些力。每個(gè)MT套管上的彈簧力范圍從12光纖套管上的10N起，一直延伸到每個(gè)套管上24條以上光纖情況下的20N，對于連接器上的每個(gè)套管端口來(lái)說(shuō)，彈簧力將成倍增長(cháng)?？紤]到帶有8個(gè)24光纖MT套管端口的光學(xué)背板連接器以及每個(gè)卡上4個(gè)連接器的情況，則每個(gè)卡上所需的夾持力將增加至640N。光學(xué)背板連接器提供兩種類(lèi)型，即自鎖式和非閉鎖式，對于后者來(lái)說(shuō)，卡插鎖和機殼/背板結構必須將套管彈簧壓縮，并將各個(gè)卡和連接器保持在插入狀態(tài)。

　　自鎖式光學(xué)背板連接器提供了額外的Z軸行程，或者根據背板的設計公差提供浮動(dòng)式的緩動(dòng)卡。兩種版本之間的權衡因素在一定程度上取決于每種連接器的設計，并且，由于插鎖會(huì )增加額外的尺寸、提高設計上的復雜性與組件數量，因而會(huì )影響到密度、連接器的復雜程度及成本。這就是造成擴束和備用套管接口產(chǎn)生了吸引力的原因之一，因為它們可以在很大程度上降低使套管保持接觸所需的彈簧力，在獨立于光纖數的情況下，往往可將所需的力減少5~10倍。

　　光學(xué)背板連接器通常安裝在后面板上，后面板上設有開(kāi)孔，可使連接器安裝在內部，從而使光纖通過(guò)，抵達機殼的背部。就像電氣背板連接器一樣，光學(xué)背板連接器也提供多個(gè)版本，可以支持共面、正交和標準的卡籠設計，以及更新型的機架式抽屜/滑道架構，這些版本的安裝方法與機械要求各不相同。安裝方法包括螺絲安裝、鉚釘安裝、固定夾安裝及滑入配合，要求連接器外殼進(jìn)行機械懸浮，從而在卡或抽屜組件放入到背板/機殼中時(shí)滿(mǎn)足插入公差的要求。

　　如果卡籠或機架的機械公差超出了連接器支持的范圍，則通常會(huì )利用導銷(xiāo)來(lái)提高配對精度。由于光學(xué)連接器通常較長(cháng)一些，或者首先要按照配對順序來(lái)插入，因而不能使用電氣連接器來(lái)發(fā)揮引導的功能。此外，板上安裝的電氣連接器不會(huì )浮動(dòng)，因而光學(xué)連接器必須提供浮動(dòng)功能以避免多個(gè)接口之間發(fā)生結合。機械設計人員必須仔細考慮這些事項，并且在連接器的選擇過(guò)程中也必須加以考量。

　　機械和環(huán)境性能的測試與資格標準根據涉及到了多光纖連接器的Telcordia GR-1435-CORE標準確定。這類(lèi)連接器的耐久性和性能主要由套管的性能來(lái)決定，其中的最佳光學(xué)性能可以超過(guò)已確定的50次插拔的要求。特定于系統的機械管理和光纜管理驗證作業(yè)在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中都起到了關(guān)鍵的作用。

　　光學(xué)背板連接器的一個(gè)獨一無(wú)二的特點(diǎn)在于，推動(dòng)著(zhù)各家供應商之間進(jìn)行協(xié)調或者促進(jìn)互操作性發(fā)展的行業(yè)標準少之又少。主要是在VITA和ARINC的組織當中，標準化方面的工作開(kāi)展得極其有限，重點(diǎn)關(guān)注的還是苛刻條件下的應用及航天應用，在這些應用中，只有少數幾家供應商可以實(shí)現互操作，而在設計上還沒(méi)有完全協(xié)調起來(lái)。在光學(xué)背板連接器制造商當中，用于保護和固定光纜上的套管以及連接器外殼內部的套管的設計方法存在著(zhù)很大的不同，各家制造商都嘗試著(zhù)在密度、魯棒性和易用性之間達到一定的折衷。一些低密度的版本將工業(yè)標準的MPO/MTP連接器作為配對接口，而大多數的版本都采用了專(zhuān)利的固定夾和連接器，使得供應商的互操作性根本無(wú)法實(shí)現。對于系統設計人員及用戶(hù)來(lái)說(shuō)，重要的一點(diǎn)在于要充分了解光學(xué)套管在安裝夾中的固定方式、制造和維護過(guò)程中在主連接器外殼上的安裝與拆卸流程，以及在計劃使用的系統中開(kāi)展可能的檢測或清潔作業(yè)的方法。

　　替代用的多光纖套管解決方案正在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以解決終端用戶(hù)在魯棒性和易用性上的問(wèn)題，目標則是降低總購置成本。這類(lèi)套管具有的其他優(yōu)勢還包括：降低了對灰塵/碎屑的靈敏度，減小了彈簧力，采用了不同的機械配對方式，并且在對準方面也存在優(yōu)勢。就像任何物理配對接口一樣，在套管表面保持一定的潔凈度，從而使光纖到光纖的接觸不發(fā)生減弱，對于光學(xué)性能以及防止光纖表面發(fā)生損壞來(lái)說(shuō)具有至關(guān)重要的作用。在光學(xué)背板連接器中，這一點(diǎn)尤其重要，因為在操作套管接口以進(jìn)行清潔和檢測時(shí)會(huì )更加困難。套管和光纖的碎片引起了業(yè)界對不需要光纖到光纖的物理配對的套管接口的興趣，這類(lèi)套管包括擴束套管和光纖間隙套管。當替代用的多光纖套管在體積上是以工業(yè)標準的MT套管為基礎時(shí)，它們就可以在任何基于MT套管的背板連接器中實(shí)施，從而拓寬連接器的應用領(lǐng)域并降低總購置成本。

　　3 清潔與檢測

　　由于光學(xué)背板連接器往往安放在機殼或者機架或者間距較窄的卡的內部的較深位置處，對接口的操作會(huì )受到限制，因而光纖接口的檢測和清潔工作會(huì )受到極大的影響。此外，安全活門(mén)也是光學(xué)背板連接器上經(jīng)常采用的一種方法，用于為套管接口提供保護，同時(shí)有助于確保眼部安全，因此完全的防塵往往并不可行，使清潔和檢測用品成為一種必需的附件，在工廠(chǎng)和現場(chǎng)使用時(shí)需要考慮在內。在系統的待機卡針對具體的機殼和光學(xué)背板連接器的實(shí)施作業(yè)而正確安裝并定位后，可以通過(guò)這些待機卡上特定于連接器的固定裝置來(lái)實(shí)施工業(yè)供應商提供的清潔和檢測設備。由于其中存在著(zhù)極大的復雜性，在運送含有出廠(chǎng)前已檢測、清潔過(guò)并獲得良好保護的接口的系統元件時(shí)，需要非常的小心，這樣才能使首次裝機的系統啟動(dòng)速度達到極高的水平，否則長(cháng)期的維修和檢驗作業(yè)需要付出更多的人工。這些挑戰都起到了強大的推動(dòng)作用，使業(yè)界增加了對擴束套管和替代套管技術(shù)（例如，氣隙套管）的興趣，因為在檢測、清潔和終端用戶(hù)的購置成本中，這些技術(shù)可以為其中的許多方面減輕負擔。

　　4 未來(lái)需求與挑戰

　　光學(xué)背板連接器的路線(xiàn)圖應包含以下幾個(gè)方面：

　　● 版本支持機架式架構之類(lèi)的新應用，整合更大的機械公差和魯棒性，從而適合大型和重型的抽屜和/或滑道使用；

　　● 版本在每個(gè)套管或每條光纖上降低插入力，以便實(shí)現更經(jīng)濟的卡設計與背板設計；

　　● 整合替代用的多光纖套管技術(shù)，簡(jiǎn)化部署和使用，同時(shí)減輕清潔和檢測上的負擔，進(jìn)而降低總購置成本；

　　● 改善清潔和檢測技術(shù)；

　　● 支持新的光纖類(lèi)型以提高密度、縮小光纖的體積；

　　● 在標準化潛力方面開(kāi)展工作，為供應側確保安全性并通過(guò)更加廣泛的采用來(lái)增加使用數量。

　　Mole提供種類(lèi)齊全的光學(xué)背板互連系統，圖2為其中的一些范例。

　?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第05期第39頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）