1引言
低成本、高速光纤互连模块是光纤网络必不可少的元器件。计算机和外围设备之间的互连可以为设计人员提供一定的灵活性，可以根据互连长度和信号速度来选择电缆或光缆。宽带异步传输模式（ATM）交换系统需要许多内部和外部高速信号通道，所以，由于连接的长度和位置的局限性，仅用电缆是难以实现高通量交换系统的。我们通过光纤开发出一种实现高速信号互连并保持良好的电连接特性新方法，进而研制出一种18芯光纤有源连接器样品。随后，我们又研制出带有光电（O/E或E/O）转换模块的微型光纤连接器。本文介绍这种可以替代用于普通PCB板、只有一个电接口的传统的电缆6芯连接器的微型光纤有源连接器。
图1 采用光纤元件的ATM交换系统中的典型排列图
2 光纤互连
图1表示宽带交换系统（如ATM交换系统）中光纤互连的典型排列。当在计算机机箱之间或机箱中各个装置之间采用光缆连接时，线缆连接长度方面的限制就不像在电缆互连那样严格，而且采用电缆也不可能传输高速数据。此外，采用光缆还可以减小机箱中的布线面积，减小来自互连电线和机相电位差所带来的噪音。
图2 受控制箱电缆位置局限，高速ATM交换系统通量
图2表示机箱中三种互连线缆的系统通量：12对AC总线线缆；2对AC总线线缆和2芯光纤线缆。我们计算出该装置后面不设线缆的面积假设为200mm2时可以在机箱后面和侧面布设的线缆数量，然后再计算在数据传输速度为每根线缆156Mbps时的系统通量。采用2芯光纤线缆时，其系统通量可以达到60Gbps；而采用12对AC总线线缆或2对AC总线线缆时，其系统通量则分别为9Gbps和15Gbps。所以，采用电缆作为互连线，其转换通量由于受布线位置的限制而仅仅局限于9~15Gbps之间的范围内。
图3 光纤有源连接器结构
如图3所示，光纤有源连接器包括有子模块（由符合IEC标准的MU型连接器连接的发光二极管LED和光子二极管PD组成）、一条发射电路、一条接收电路和一个电连接器。它们通过多模光纤线缆（而不是绞合金属线缆）与外部设备连接起来。这些连接器与相应的设备具有相同的接口。
图4 光纤有源连接器样品(18芯)
图4是我们开发的18芯光纤有源连接器实样。该连接器可以传输速度高达200Mbps的数据流，并且对于降低来自电缆的电磁辐射噪音非常有用。不过，这种连接器目前还只是一个试样，它与18芯电缆连接器还不是完全兼容。因此，我们正在研制开发一种微型6芯光纤有源连接器，以便很好地解决上述问题，满足元件的高性能要求。
3 微型光纤有源连接器
3.1 结构
微型光纤有源连接器的结构见图5所示。带有光纤连接器和光子器件的MU型子模块、带有一个发射器（TX）IC芯片和接收器（RX）IC芯片的陶瓷IC封装组件以及一个电连接器内置于一块6芯连接器壳体中，它可以替代一个传统的6芯电缆连接器。该连接器壳体宽为12mm，高为13mm，长为39mm。光纤有源连接器与布线背板之间的电接口为一种平衡的发生器耦合逻辑（ECL）接口。与光纤线缆的连接采用一种双向MU型光纤连接器。
图5 微型光纤连接器结构
我们在光纤互连中采用了多模纤维（纤芯直径为50μm，包覆直径为125μm的GI型纤维）。TX和RX IC封装组件并肩、高密度地安装在印刷电路板（基板）上，其体积可以降低到1cc。该基板为电源线配备了芯片电感器和芯片电容器。电连接器就安装在这个基板上。来自子模块的光子器件的引线直接与每个IC封装组件相连。图6表示这种连接器预装的元件。图7表示组装后带有一个便于操作线缆连接器的释放-锁紧滑杆和一个拔出凸台的微型光纤有源连接器。
图6 光纤连接器组装后的元件
图7 微型光纤有源连接器
3.2 双向MU型子模块
双向MU型子模块是6芯光纤有源连接器的关键元件。其结构介绍如下：
图8表示用于光子器件（LED、VCSEL和PD）的双向MU型子模块的具体结构。这种子模块由一个塑料插座护套（B部分为双向MU插头适配器）、一个塑料插座护套A部分和一个带有一个小型金属罐状的光子器件的金属套管/座组成。我们为插座部分B提供半个双向MU插头适配器护套。该模块的总体尺寸为高8.7mm，宽10.5mm，长18.7mm。当耦合光功率超过20μW时，光轴方向（Z向）的位移公差约为±100μm，参见图9（b）。由于X和Y轴上的位移（校准误差）必须小于±10μm，以便耦合光功率可以超过20μW，如图9（a）所示。该模块的金属套/座所具有的构造使得光子器件可以在X方向和Y方向进行校准。这一金属套/座由不锈钢制成，它与插座元件A分开，以提高其机械强度和6芯光纤有源连接器（图10）组件的性能。图11表示带有一个小型金属罐状的光子器件的金属套管/座。用于LED和VCSEL的双向MU型子模块的金属套管/座配有一个套管，而PD的双向MU型子模块的金属套管/座则没有。图12表示组装后的带有光子器件的双向MU型子模块实物图片。
图8 双向MU型子模块结构
图9 1.3μm LED和光纤之间的耦合效率：(a)X和Y方向；(b)Z方向
图10 双向MU型子模块插座部分
图11 带有一个光子器件的金属护套
图12 组装后的双向MU型子模块
3.3 IC封装组件
接收器IC和带有单独电源的驱动器IC安装在一块面积为1.3μm2的区域范围内。安装这些IC封装组件应满足下列4个要求：
1）低热阻；
2）多层结构；
3）提供芯片粘接孔；
4）配备内置式电容器和电阻器。
图13 AIN IC封装组件
驱动器IC（包括端接的电阻器）的功率耗散约为630mW。所以，我们选用氮化铝陶瓷封装组件，它具有高导热性特性。该封装组件高7.5mm，宽8.5mm，厚度为0.8mm。封装组件中只内置了采用薄膜工艺技术加工的端接电阻器。去耦并保持峰值的片式电容器以及控制LED或垂直方向的孔眼表面发射激光装置（VCSEL）驱动电流的片式电阻器安装在该封装组件上。图13为AIN陶瓷封装组件实物图。集成电路（IC）芯片用Ag环氧树脂（银膏）粘接到这个孔眼中，并用环氧树脂进行密封，芯片焊盘和封装组件焊盘用金导线连接起来，片式电容器和片式电阻器通过焊接进行安装。
图14 光纤有源连接器传输特性测试方法
 
图15 发射波形实例:(a)312Mbps和(b)624Mbps
图16 接收器模块比特误差率
3 传输特性
带有双向MU型子模块的微型光纤有源连接器的传输特性采用评估印刷电路板（PCB）来进行评估。图14是我们采用的测量发生器和接收器光纤有源连接器传输特性的测试方法。我们测试带有ECL器件的PCB板、带有高密度PCB连接器的背部布线板和光纤有源连接器。将来自图形发生器的伪随机比特序列输入发生器板中，然后通过光纤有源连接器和之间的一个多模光纤线缆传输到接收器PCB，而接收器PCB输出则传送到数字式抽样示波器和误差检测设备。
对于每种传输速度，我们测量了传输波形（眼图）和比特率作为伪随机比特序列标志连续长度的一个参数。传输速度312Mbps和624Mbps的眼图实例参见图15所示。在本试验中，我们采用的是带有一个VCSEL子模块的光纤有源连接器和带有一个PIN-PD子模块的接收器有源连接器。波形图表明，眼图的开度足以适合624Mbps的传输速度。所以，这些连接器具有良好的传输性能。图16表示在几种信号传输速度下接收器子模块输入光功率的比特误差率的测量结果。在传输速度达到624Mbps时，这种RX连接器的比特误差率低于10－13，即处于－14.3dBm和－11.2dBm之间。
4 电磁兼容性（EMC）分析
采用光纤有源连接器替代电缆可降低电磁辐射噪音，因为光纤没有任何金属元件。不过，来自O/E或E/O光电转换模块的大量电磁噪音可能会位于机箱后部。因此，我们将它与来自传统电缆的电磁辐射进行对比，弄清楚了来自连接器中有源器件的电磁辐射量。
按图17所示，测量与一个屏蔽金属盒插合的光纤有源连接器的电磁辐射噪音强度。这一屏蔽金属盒包括一个带有驱动器和接收器ECL器件的测试评估板、一个时钟发生器板和DC电池。采用一个波长为0.8μm的微型光纤有源连接器，我们用一根30m长的多模光纤线缆（50/125）将该微型有源连接器的发射器和接收器模块连接起来，然后再进行一次强制性的回路折返测试试验。通过试验评估板上的ECL缓冲器IC中的一个80MHz的时钟示波器测试，其数据传输速度为160Mbps。我们测出了屏蔽室内相距3m远、处于有源状态的该连接器电磁场强度，见图17。
图17 光纤有源连接器电磁辐射强度测试
我们采用了三种类型的两件式（主体A和护盖B）连接器壳体：一种是模压塑料壳体（A和B均为塑料），一种是金属镀层塑料（A和B均为塑料），还有一种是金属壳体（铝结构A和电镀塑料壳体B）。图18是全塑料和金属连接器壳体实物图。对于金属镀层塑料来说，我们将模压塑料件A和B镀上两层Ni和Cu层。金属和镀层塑料壳体通过其安装孔边缘的屏蔽盒实现电接触。
 
图18 光纤有源连接器壳体：(a)塑料壳体(电镀塑料与此相似)；(b)金属壳体
我们测出了来自该光纤有源状态的连接器电磁场强度。图19显示传感器天线置于3m远时其电磁场强度的测试结果。传统电缆连接器在几种间隔较宽的频率范围下，其电磁场噪音强度超过了相应的A类标准。
对于我们开发的光纤有源连接器来说，即使是未经电镀的壳体来说，其电磁强度也小于相应的A类水平，它比18芯光纤有源连接器试样的电磁辐射强度小10~20dB。对于镀层塑料和金属壳体的有源连接器来说，其电磁辐射强度比B类标准低。在这一微型光纤有源连接器中，我们可以轻而易举地采取相应的措施，以降低电磁噪音强度，因为唯一的噪音来源为有源连接器，即来自O/E和E/O光电转换电路。
图19 在距离3m处对3种连接器外壳电磁接口的测试：(a)传统的电缆连接器；(b)全塑料壳体和盖；(c)电镀塑料壳体和盖；(d)电镀塑料盖和金属壳体
接下来，我们再进行一项试验，以确定电镀塑料壳体连接器是否需要接地。图20（a）表示在连接器壳体和屏蔽盒之间没有任何电接触时，来自连接器的电磁辐射噪音强度。连接器当采用电镀金属塑料壳体并与屏蔽盒没有电接触时（即连接器壳体本身处于电浮动状态），就不存在任何屏蔽作用，其辐射噪音水平几乎与全塑料壳体的没有两样。让连接器壳与屏蔽盒实现电接触就可以降低辐射噪音强度，见图20（b）。而且，即使镀层很薄（例如2μm左右），来自连接器壳体（从有源器件经过连接器壳体）的电磁噪音强度也可以大幅度降低。
图20 与屏蔽盒接地接触的效果：(a)连接器外壳与屏蔽盒没有电接触；(b)连接器外壳与屏蔽盒有电接触
6 温度特性
由于交换系统通信设备控制箱后半部一般都没有任何有源器件，所以一般没有采取冷却装置，故受冷却风机气流的影响较小。在我们研制的6芯微型光纤有源连接器中，光电（O/E或E/O）转换模块的有源器件的安装空间非常小，约为1cc。这种高密度封装会产生高密度的热效应。此外，由于6芯型连接器体积很小，很难采用面积较大的散热片。因此，我们评估了我们研制的6芯微型光纤有源连接器，以确定减小内置式IC的空气热阻的最佳结构。
图21表示冷却试验配置示意图。将微型光纤有源连接器连接到测试板上，我们可以测试三种不同的两件式连接器壳体：
1） A和B部分由塑料制成；
2） A和B部分由Ni/Cu电镀塑料制成；
3） A由铝制成，而B部分由电镀塑料制成。
图21 温度试验配置示意图
发送到有源连接器的输入信号可以保持低电平也可以保持高电平。连接器通电30~60分钟后，采用一个热耦器件测量发热点的温度。热耦器件用一种热传导性树脂固定到发生器和接收器IC封装组件的后部。表1表示光电O/E和E/O转换电路模块的功率损耗。冷却试验应分1m/s的压缩空气冷却和自然风冷两种情况下进行。
表1 TX/RX封装组件规格参数
图22 连接器样品的冷却能力:(a)一般壳体(通风速度为0m/s)；(b)带有导热片的一般壳体(通风速度为1m/s)
图22表示三种连接器的温升△T(与室内温度之差)。采用金属壳体的有源连接器可以达到最大的冷却效率，即最大温升只有22℃，甚至是在自然风冷的情况下。电镀塑料壳体的温升要比金属壳体的连接器高出8℃，而全塑料壳体的连接器又比电镀塑料壳体高出2~4℃。即使是在IC封装组件后面与连接器壳体之间插入一个导热性能较高的树脂板，其冷却性能也没有出现明显的改进。即使在采用通风速度为1m/s的低速气流条件下，也可以达到较高的冷却效果。如果冷却风机的气流可以转到控制箱后面，则电镀塑料壳体在自然风的条件下将产生与金属壳体相同的冷却效果。
7 可靠性和寿命试验
7.1高温和低温存放试验
我们用带有LED和波长为3μm的PD的双向MU型子模块来进行高温和低温存放试验。将几个均都带有双向MU光纤插头的双向MU型子模块放置于85℃或－40℃的常温箱中，保持24h、48h、240h、960h、100h后取出。在室内温度中放置30分钟后，测量其光耦合效果。
7.2 耐磨性试验——重复性插拔试验
采用一个带有波长为0.8μm的LED和PD的双向MU型子模块，我们就可以测量出MU插头在手动插拔试验之后其光耦合性能的变化情况。在本试验中，我们每插拔循环10次，测试一次其光纤端的光耦合性能，其测试结果见图23。LED子模块纤维的光耦合功率的变化约为±0.5μW，因此，这一LED子模块为重复插拔提供一个较高的公差范围。PD子模块的光耦合功率的变化很小，即位于0.0~0.2dB范围内。由此可见，我们研制的双向MU型子模块具有良好的耐磨性。
图23 插拔试验结果
7.3 温度/湿度混合循环试验
我们将带有一个1.3μm的LED器件的双向MU型子模块置于下列温湿度条件下进行试验：温度为20℃→65℃→20℃→65℃→25℃，再到－10℃→20℃，其相对湿度为93%，见图24。从图25我们可以看出，光纤端的光耦合功率只出现了较小的变化。因此，我们的子模块在高湿度环境下对温度循环具有较高的可靠性。
我们还进行了一次温度冲击试验，因为该模块在实际应用中可能会遇到各种冲击。试验发现，该模块在热循环试验之后，其光耦合效果没有出现任何变化。
图24 温度条件
图25 热循环和湿度试验
8 应用
图26是安装在印刷电路板上的一个微型接转发器模块实物图。该模块对于个人电脑或工作站中的高速互连电路板来说非常有用。其外形尺寸较小，高度约为9mm，安装面积只有12mm×25mm。这样，所需要的光接口板就相对较小。
图26 接转发器模块
9 结论
我们为制造高速信号光纤互连器件研发了一种可以保持电连接器良好的工作特性的新方法。我们所开发的带有一个光电（O/E或E/O）转换模块的微型光连接器可以取代传统的只有一个电接口的6芯电缆连接器。该连接器由一个带有光子器件的新的双向MU型子模块、6芯电连接器和IC组成。它可以用于624Mbps的数据传输系统，并且只产生很小的电磁噪音。采用光纤有源连接器来替代电缆连接器将有利于高通量、大容量的ATM交换系统和下一代局域网络系统的进一步普及。 |
