十六根光纤要对准，公差为什么只留给 0.5 微米

多芯光连接器的插损看上去是个光学问题，实际是一个机械公差问题。单模纤芯只有 9 微米，模场直径 10.4 微米，两根纤对接时零点几微米的轴偏移就能吃掉半个分贝。要把插损压到 0.2 分贝以下，四项机械偏差合起来不能超过 0.5 微米，而这个数比头发丝的百分之一还小。

光模块的速率往上走，光纤的数量跟着往上走。八百吉用八对，一点六太用十六对，一条 MPO 跳线里塞十几二十根纤已经是常态。

光纤多了，单根纤的插损预算就要收得更紧。一条链路上串几个连接器，每个多零点二分贝，加起来就是一个可观的分贝数，而光模块的功率预算本来就是按分贝抠出来的。

损耗的账要从模场算起

单模光纤的芯径是 9 微米，但光并不只在芯里走。基模的场分布近似高斯，模场直径约 10.4 微米，对应的高斯场半径是 5.2 微米。

两根纤对接，如果纤芯错开距离 d，耦合效率按高斯场的重叠积分算：

· η = exp(−d² / (2·w²))

· IL = −10·log₁₀ η = 2.17 · d² / w²

w 取 5.2 微米，d 取 0.5 微米，插损是 0.02 分贝。d 取 1.0 微米，插损 0.08 分贝。d 取 1.6 微米，插损 0.2 分贝。

这条曲线在 0.5 微米以内几乎是平的，过了 1 微米开始明显上翘。这是平方关系的特点，也是公差分配的基本依据。

有一个数字可以看到这条理论线之外的东西。公开的连接器设计资料里，把插损 0.5 分贝对应到轴偏移 1.6 微米；按上面的高斯公式，1.6 微米只该产生 0.2 分贝。差的这 0.3 分贝来自另外三个损耗源：光纤轴的倾斜、端面之间的间隙、以及模场失配。芯偏移是主导项，但不是全部。

图 1　纤芯轴偏移与插入损耗的关系：高斯模场耦合给出理论下限，实测档位还要叠加倾斜与端面间隙（依据原文第 3.1 节的耦合损耗分析绘制）

四项偏差凑一个总预算

MT 插芯是一个塑料件，上面有若干光纤孔和两个导针孔。两根插芯对接，靠导针定位，靠弹簧压紧，靠端面研磨保证物理接触。

总偏移由四项合成，公开资料把它们拆得很清楚：

· d1 是光纤孔相对设计位置的偏差，取决于模具与注塑工艺

· d2 是光纤外径与孔径之间的间隙造成的位置不确定

· d3 是导针与导孔之间的间隙造成的位置不确定

· d4 是纤芯相对光纤几何中心的偏心

这四项不是独立的四个误差，它们都投影到同一个方向上，最后叠加成纤芯的轴偏移。

要把插损做到 0.2 分贝以下，总量必须小于 0.5 微米。四项怎么分，是一道典型的公差分配题。

一种分法是 d1 取 0.35 微米，d2 取 0.05 微米，d3 取 0.25 微米，d4 取 0.25 微米。最坏情况直接相加是 0.90 微米，超预算八成。按均方根合成是 0.49 微米，刚好压线。

这个差别不是数学游戏。最坏情况叠加意味着任何一只连接器都必须满足，良率会低到不可接受；均方根合成意味着只有统计意义上的一小部分超出，良率可以接受，代价是承认有不良品流出。

所以多芯连接器的插损指标从来不是一个保证值，是一个分布的上限。

图 2　0.5 微米总预算的四项分配：最坏叠加 0.90 微米超预算，均方根合成 0.49 微米刚好压线（依据原文第 3.1 节的四项偏差定义绘制）

八度斜端面带来的副作用

单模连接器要控制回波损耗，做法是把端面研磨成 8 度斜角，让菲涅尔反射偏出纤芯，回到光源方向的能量就少得多。

这个做法把回损从 40 分贝级推到 60 分贝以上。公开的实测数据是平均插损 0.08 分贝、最大 0.17 分贝、回损大于 64 分贝，做的是 12 芯单模 APC 型 MPO，波长 1.31 微米。

副作用在压紧的那一下。两个斜端面被弹簧压到一起，接触面上产生剪切力，纤芯在 Y 方向上被推着走一点。这个位移量取决于导孔与导针的间隙和插芯材料的形变。

工程上的处理是反向补偿：设计时把光纤位置预先偏一点，压紧之后正好回到中心。这等于在公差链里又加了一项，而这一项与弹簧力、材料、温度都相关。

弹簧力本身也不是随便定的。公开的 MPO 结构里，压簧的标称力是 9.8 牛或者 22 牛两档，选大一档接触更可靠，剪切位移也更大。

芯数一多，良率按指数掉

十二芯和十六芯、三十二芯的差别，不只是孔多打几个。

一芯超差，整只连接器就算超差。单芯合格率 99.9%，十二芯是 98.8%，三十二芯掉到 96.8%。单芯合格率 99%，十二芯 88.6%，三十二芯只有 72.5%。这个指数关系是芯数增加最难跨的一道坎。

孔距是 0.25 毫米，导针孔距 4.6 毫米。孔距越小，孔位偏差对相邻纤的影响越直接。注塑件的收缩率、模具的磨损、芯针的直径公差，任何一项控制不住，都是整批报废。

所以高芯数单模连接器把工艺分成了两档：一档做 0.5 分贝的普通级，靠常规注塑和研磨；另一档做 0.2 分贝的低损耗级，靠高精度模具、更严的导针选配，以及对每根纤做调芯。

调芯的做法是测出每根纤的实际偏心，然后在装配时把光纤在孔里偏一个补偿量，让对接时的偏移落在统计中心附近。这一步让公差链从"控制每一环"变成"控制总和"，效果直接，成本也直接。

反直觉的那一条

调芯把插损做小了，也把互换性的前提改掉了。

没有调芯的连接器，纤位是随机分布的，两只随机连接器对接，偏移是两个独立随机量之差，方差翻倍，但期望为零。做过调芯的连接器，纤位带着制造商的补偿方向，两只来自不同厂家、补偿方向相反的连接器对接，偏移可能变成两个量的和。

换句话说，单只测试很漂亮的连接器，跨厂互配时不一定还漂亮。这和前几年线性直驱光模块遇到的问题是同一类：被测对象的指标越好，越依赖于它与谁配对。

业界的应对是把测试口径改成成对测试，并且规定配对方向。这对采购和运维意味着什么，做过数据中心布线的人心里有数。

极性是同一类问题。十二芯 MPO 有 A、B、C 三种键位，收发位置各不相同，两端极性不匹配，链路直接不通，插损表再漂亮也没用。

前面两张图之外还有一层，是测试本身。插损的测量重复性在 0.02 分贝量级，要判定 0.17 分贝和 0.20 分贝的差别，测量不确定度已经占了很大一块。低损耗连接器的规格越往下压，测试系统本身越成为瓶颈。

一句话

多芯光连接器的插损本质上是机械公差问题。0.5 微米的总预算由四项偏差经统计合成，任何一项失控都会让整只连接器出局；8 度斜端面换来了 64 分贝的回损，也换来了剪切位移这笔新账；调芯能把插损压到 0.2 分贝以下，代价是把互换性的假设悄悄改掉了。

内容来源：IntechOpen 开放获取专著章节《Optical Fiber and Wireless Communications》第 3.1 节；住友电气工业公开技术期刊（SEI Technical Review）多芯插芯设计资料

原文标题：Novel MT/MPO Single-Mode Multifiber Connector Technologies for Optical Fiber Communications

作者：Mitsuru Kihara（NTT 接入网服务系统实验室）

DOI：10.5772/intechopen.68863

配图说明：图 1、图 2 为自行绘制，属原理示意，非原文原图复制；图 1 的理论曲线按 η = exp(−d²/(2w²))、w = 5.2 微米计算，实测档位引自原文与公开连接器资料

改动声明：本文为对开放获取文献的技术编译与解读，标题、行文与配图为原创；0.5 微米总偏差、0.2 分贝插损、8 度斜端面与实测回损数据引自原文第 3.1 节

来源：21ic电子网