在光通信技術(shù)快速迭代的今天,數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷攀升對(duì)光模塊的電磁兼容性能提出了前所未有的挑戰(zhàn)。作為高速光互連的關(guān)鍵組件,MPO(Multi-fiberPushOn)光模塊憑借其多通道、高密度的優(yōu)勢(shì),在數(shù)據(jù)中心、5G基站等場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用。然而,光口處的MT頭多采用塑料材質(zhì),這種結(jié)構(gòu)雖然設(shè)計(jì)靈活,卻也成為電磁輻射的薄弱環(huán)節(jié)?？埔愎馔ㄐ旁谏钊胙芯繉?zhuān)利技術(shù)的基礎(chǔ)上,本文將系統(tǒng)剖析MPO光模塊的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及工程實(shí)現(xiàn)方案。

一、EMI性能:光模塊研發(fā)的硬指標(biāo)

電磁干擾(ElectromagneticInterference,EMI)問(wèn)題在高速光模塊設(shè)計(jì)中日益凸顯。當(dāng)光模塊的傳輸速率從10G、25G向100G、400G演進(jìn)時(shí),信號(hào)頻率大幅提升,由此產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。如果光模塊的EMI性能不達(dá)標(biāo),其輻射出的電磁波可能會(huì)對(duì)交換機(jī)系統(tǒng)、服務(wù)器等周邊設(shè)備產(chǎn)生不良影響,導(dǎo)致通信誤碼率上升、系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐稍O(shè)備故障。

從測(cè)試認(rèn)證的角度來(lái)看,EMI性能已經(jīng)成為光模塊能否成功推向市場(chǎng)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。各類(lèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(如IEEE、Telcordia等)都對(duì)光模塊的電磁輻射限值做出了明確規(guī)定。因此,在設(shè)計(jì)階段就充分考慮電磁屏蔽結(jié)構(gòu),對(duì)于提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、降低后期整改成本具有重要意義。

工程提示:在實(shí)際應(yīng)用中,我們建議用戶(hù)在采購(gòu)光模塊時(shí),除了關(guān)注插入損耗、回波損耗等光學(xué)參數(shù)外,還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)品的EMC測(cè)試報(bào)告,確保其在目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景中符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

MPO類(lèi)型的光模塊由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在EMI控制方面面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)。MT頭通常包含多個(gè)光纖通道(常見(jiàn)為12芯、24芯甚至更高),為了實(shí)現(xiàn)多通道的精密對(duì)準(zhǔn),MT頭需要保持一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)。然而,這些結(jié)構(gòu)往往由塑料材料制成,其導(dǎo)電性較差,無(wú)法形成有效的電磁屏蔽。同時(shí),多通道光纖在MT頭附近需要一定的彎曲半徑和活動(dòng)空間,這就不可避免地會(huì)在光口處形成若干間隙。這些間隙就像一個(gè)個(gè)"電磁泄漏窗口",讓高頻信號(hào)產(chǎn)生的電磁波能夠從光模塊內(nèi)部輻射到外部環(huán)境。

更復(fù)雜的是,隨著光模塊集成度的提高,內(nèi)部空間日益緊湊。要在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多通道光纖的布設(shè)、MT頭的安裝以及電磁屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),需要工程師在結(jié)構(gòu)、材料、工藝等多個(gè)維度進(jìn)行綜合考量。傳統(tǒng)的單點(diǎn)屏蔽方案往往難以滿(mǎn)足現(xiàn)代高速光模塊的EMI性能要求,這就需要采用更加系統(tǒng)化、一體化的電磁屏蔽解決方案。

二、核心創(chuàng)新:雙壓塊零間隙屏蔽結(jié)構(gòu)

針對(duì)MPO光模塊光口電磁輻射的問(wèn)題,專(zhuān)利技術(shù)提出了一種創(chuàng)新的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。其核心在于通過(guò)兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的壓塊,將光口處的間隙壓縮到"理論零間隙"的狀態(tài)。這一設(shè)計(jì)巧妙地解決了傳統(tǒng)方案中屏蔽不徹底的難題。

圖1 MPO光模塊爆炸示意圖

具體而言,這種電磁屏蔽結(jié)構(gòu)由兩個(gè)呈上下分布的壓塊構(gòu)成。這兩個(gè)壓塊相對(duì)的面被稱(chēng)為"夾持面",其設(shè)計(jì)理念非常關(guān)鍵——兩個(gè)夾持面都經(jīng)過(guò)精密加工,成為可互相緊貼的平面。當(dāng)這兩個(gè)平面緊密貼合時(shí),它們之間的間隙可以趨近于零,從物理層面切斷了電磁波的傳播路徑。這種設(shè)計(jì)相當(dāng)于在光口處構(gòu)建了一道"電磁防線",將可能泄漏的電磁波牢牢地阻擋在光模塊內(nèi)部。

多通道光纖被夾持在這兩個(gè)壓塊之間,通過(guò)夾持面的壓力固定。與傳統(tǒng)的固定方式相比,雙壓塊結(jié)構(gòu)不僅提供了更好的定位精度,還賦予了額外的電磁屏蔽功能。這種一舉兩得的設(shè)計(jì),充分體現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)中的"功能融合"理念。

2.1限位結(jié)構(gòu):精準(zhǔn)定位的關(guān)鍵

雖然雙壓塊的設(shè)計(jì)理念巧妙,但如果壓塊在光模塊內(nèi)部發(fā)生位移或晃動(dòng),就無(wú)法保持穩(wěn)定的夾持效果,更談不上持續(xù)的電磁屏蔽性能。因此,工程師在壓塊上設(shè)計(jì)了精妙的限位結(jié)構(gòu),通過(guò)與光模塊的底座和上蓋配合,實(shí)現(xiàn)對(duì)壓塊位置的精確定位。

圖2 兩個(gè)壓塊分離示意圖

限位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了機(jī)械工程中"凹凸配合"的經(jīng)典思路。在壓塊上,設(shè)計(jì)了若干凸棱和凹槽。這些凸棱可以卡入底座或上蓋上的凹槽中,反之,壓塊上的凹槽也可以容納底座或上蓋上的凸棱。這種雙向的卡接設(shè)計(jì),使得壓塊與底座、上蓋之間形成了牢固的機(jī)械連接。

具體來(lái)看,限位結(jié)構(gòu)至少包括以下幾種形式:

• 第一凹槽:設(shè)置于壓塊的側(cè)面,用于容納底座上的第一凸棱,限制壓塊在前后方向的位移;

• 第二凸棱:設(shè)置于靠近底座的壓塊外表面,可卡入底座的第二凹槽中,與多通道光纖的布置方向一致,限制壓塊的左右擺動(dòng);

• 第三凸棱:設(shè)置于靠近上蓋的壓塊外表面,可卡入上蓋的第三凹槽中,同樣沿著光纖布設(shè)方向延伸;

• 第四凹槽:用于容納上蓋上的第四凸棱,進(jìn)一步強(qiáng)化定位效果。

在實(shí)際工程實(shí)踐中,根據(jù)光模塊的具體結(jié)構(gòu)尺寸和裝配要求,可以選擇其中一種或多種限位結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合。這種模塊化的設(shè)計(jì)思路,使得同一套設(shè)計(jì)方案能夠適配不同規(guī)格的MPO光模塊產(chǎn)品,提高了工程實(shí)現(xiàn)的靈活性和可擴(kuò)展性。

圖3 兩個(gè)壓塊分離示意圖

2.2材料選擇:導(dǎo)電性能與機(jī)械性能的平衡

壓塊要實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽功能,除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外,材料的選擇同樣至關(guān)重要。從電磁學(xué)原理來(lái)看,只有具有良好導(dǎo)電性的材料才能有效屏蔽電磁波。因此,壓塊需要采用能夠?qū)щ姷牟牧现圃臁?/span>

在實(shí)際應(yīng)用中,壓塊通常采用以下兩種材料之一:

• 導(dǎo)電橡膠:這種材料兼具良好的導(dǎo)電性和彈性。其導(dǎo)電性來(lái)源于摻雜的導(dǎo)電填料(如炭黑、石墨、金屬粉末等),而彈性則使其能夠在壓力下緊密貼合光纖,避免損傷脆弱的光纖纖芯。導(dǎo)電橡膠的邵氏硬度通常在50~70之間,能夠在保持夾持力的同時(shí)提供一定的緩沖效果。

• 導(dǎo)電吸波材料:除了導(dǎo)電橡膠,壓塊也可以采用具有吸波功能的導(dǎo)電材料。吸波材料通過(guò)將電磁波的能量轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)衰減電磁波,在屏蔽的同時(shí)還能減少電磁波的反射,避免形成二次干擾。這類(lèi)材料通常包含鐵氧體、碳纖維等吸波劑。

廣西科毅在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),材料的選擇需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行權(quán)衡。對(duì)于對(duì)成本敏感的應(yīng)用,導(dǎo)電橡膠是性?xún)r(jià)比較高的選擇;而對(duì)于對(duì)電磁屏蔽性能要求極高的場(chǎng)景,導(dǎo)電吸波材料則能夠提供更優(yōu)異的屏蔽效果。無(wú)論選擇哪種材料,都需要確保其機(jī)械強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)期使用的要求,同時(shí)其導(dǎo)電性能在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)保持穩(wěn)定,不會(huì)因?yàn)椴牧侠匣h(huán)境變化等因素而顯著下降。

三、復(fù)合屏蔽:壓塊與點(diǎn)膠的協(xié)同效應(yīng)

雙壓塊結(jié)構(gòu)雖然能夠大幅提升光口的電磁屏蔽性能,但在實(shí)際工程中,工程師往往追求極致的屏蔽效果。為此,專(zhuān)利技術(shù)提出了"壓塊+點(diǎn)膠"的復(fù)合屏蔽方案,通過(guò)兩種屏蔽手段的協(xié)同作用,進(jìn)一步消除潛在的電磁泄漏路徑。

點(diǎn)膠結(jié)構(gòu)的核心是在光模塊的上蓋底面和底座內(nèi)涂覆導(dǎo)電膠,通過(guò)導(dǎo)電膠填充結(jié)構(gòu)間隙,實(shí)現(xiàn)無(wú)縫密封。導(dǎo)電膠通常由環(huán)氧樹(shù)脂、硅膠等基體材料與導(dǎo)電填料(如銀粉、鎳粉)混合而成,兼具粘接和導(dǎo)電雙重功能。當(dāng)上蓋與底座裝配后,導(dǎo)電膠在接觸面處形成連續(xù)的導(dǎo)電層,就像給整個(gè)光模塊穿上了一件"電磁防護(hù)服"。

圖4 MPO光模塊橫截面示意圖

點(diǎn)膠結(jié)構(gòu)的位置布局經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)。在上蓋上,沿著靠近底座的邊緣,設(shè)置了若干第一齒槽,導(dǎo)電膠點(diǎn)在齒槽中;在底座上,靠近金手指端的位置,設(shè)置了若干第二齒槽,一部分沿底座寬度方向布設(shè),另一部分環(huán)繞底座的螺釘孔布置。這些齒槽的設(shè)計(jì)不僅為導(dǎo)電膠提供了合適的存儲(chǔ)空間,還通過(guò)齒形結(jié)構(gòu)增加了接觸面積,提高了屏蔽效能。

工藝要點(diǎn):點(diǎn)膠工藝需要嚴(yán)格控制膠量、膠寬和固化條件。膠量不足會(huì)導(dǎo)致填充不完整,膠量過(guò)多則可能溢出污染其他部件。廣西科毅建議采用精密點(diǎn)膠設(shè)備,并建立嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),確保每次點(diǎn)膠的一致性。

壓塊和點(diǎn)膠的復(fù)合屏蔽方案體現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)中的"冗余設(shè)計(jì)"思維。當(dāng)一種屏蔽手段存在潛在失效風(fēng)險(xiǎn)時(shí),另一種手段能夠提供備用保護(hù),從而大幅提升系統(tǒng)的整體可靠性。特別是在惡劣的電磁環(huán)境或高可靠性要求的應(yīng)用場(chǎng)景中,復(fù)合屏蔽方案能夠提供足夠的性能余量,確保產(chǎn)品在全生命周期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

四、結(jié)構(gòu)優(yōu)化:剛度提升與裝配可靠性

除了電磁屏蔽性能,產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和裝配可靠性同樣是工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵考慮因素。專(zhuān)利技術(shù)在這方面也進(jìn)行了細(xì)致的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1上蓋中部加厚設(shè)計(jì)

在上蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,一個(gè)重要的優(yōu)化點(diǎn)是在長(zhǎng)度方向上采用變截面設(shè)計(jì)——中間部位的厚度大于兩側(cè)部位的厚度。這種設(shè)計(jì)看似簡(jiǎn)單,實(shí)則蘊(yùn)含著深刻的工程考量。

圖5 MPO光模塊上蓋示意圖

從材料力學(xué)的角度來(lái)看,上蓋中間部位加厚能夠顯著提高其抗彎剛度。當(dāng)上蓋與底座通過(guò)螺釘裝配后,上蓋會(huì)受到內(nèi)部部件向上的頂起力,如果剛度不足,就會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。一旦上蓋發(fā)生變形,不僅會(huì)影響光模塊的外觀質(zhì)量,更重要的是會(huì)破壞壓塊的夾持狀態(tài),導(dǎo)致電磁屏蔽性能下降,甚至可能造成光纖受力損傷。

通過(guò)中部加厚設(shè)計(jì),上蓋的剛度得到有效提升,能夠更好地抵抗內(nèi)部頂起力,保持平整度。同時(shí),兩側(cè)較薄的設(shè)計(jì)則在保證剛度的前提下控制了重量和成本,體現(xiàn)了"材料用在刀刃上"的設(shè)計(jì)理念。

4.2齒槽結(jié)構(gòu)與點(diǎn)膠工藝的完美配合

前文提到的齒槽設(shè)計(jì),除了為點(diǎn)膠提供存儲(chǔ)空間外,還兼具其他功能。從加工角度來(lái)看,齒槽結(jié)構(gòu)便于點(diǎn)膠時(shí)的定位,操作人員可以準(zhǔn)確地將導(dǎo)電膠點(diǎn)入指定位置,避免膠液流竄到其他區(qū)域。

圖6 MPO光模塊底座示意圖

從屏蔽效果來(lái)看,齒形結(jié)構(gòu)增加了導(dǎo)電膠與金屬表面的接觸面積,導(dǎo)電膠在齒槽中固化后,能夠形成更加牢固的機(jī)械鎖合和電氣連接。特別是在螺釘孔周?chē)贾谬X槽,能夠有效解決螺釘孔附近的電磁泄漏問(wèn)題,這是傳統(tǒng)屏蔽方案中容易被忽視的細(xì)節(jié)。

圖7 MPO光模塊底座示意圖

圖8 B處放大示意圖

圖9 B處放大示意圖

廣西科毅在工程實(shí)踐中總結(jié)出,齒槽的深度、寬度和間距需要根據(jù)導(dǎo)電膠的特性進(jìn)行優(yōu)化。齒槽過(guò)淺可能導(dǎo)致膠液不足,過(guò)深則可能造成浪費(fèi);間距過(guò)密增加加工難度,過(guò)疏則可能形成屏蔽盲區(qū)。通過(guò)DOE(實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì))方法,可以找到最優(yōu)的齒槽參數(shù)組合,在成本、工藝性和性能之間取得最佳平衡。

五、工程實(shí)踐:從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)的關(guān)鍵考量

將專(zhuān)利技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品,需要經(jīng)歷從設(shè)計(jì)驗(yàn)證到量產(chǎn)導(dǎo)入的完整過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中,多個(gè)環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行細(xì)致的規(guī)劃和嚴(yán)格的控制。

5.1可制造性設(shè)計(jì)(DFM)分析

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段,就需要充分考慮制造工藝的可行性。壓塊的尺寸精度、公差配合需要與加工設(shè)備的精度相匹配;點(diǎn)膠工藝的參數(shù)需要在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行驗(yàn)證,避免在量產(chǎn)時(shí)才發(fā)現(xiàn)工藝瓶頸。廣西科毅建議在DFM階段引入供應(yīng)商早期參與,充分利用供應(yīng)鏈的專(zhuān)業(yè)能力,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可制造性。

5.2質(zhì)量控制體系建立

電磁屏蔽性能的評(píng)估需要建立完善的測(cè)試體系。除了常規(guī)的光學(xué)性能測(cè)試外,還需要進(jìn)行EMC測(cè)試,驗(yàn)證產(chǎn)品在實(shí)際使用環(huán)境中的電磁兼容性。廣西科毅建議建立分層測(cè)試體系,包括來(lái)料檢驗(yàn)(IQC)、過(guò)程檢驗(yàn)(IPC)和出貨檢驗(yàn)(OQC),每個(gè)環(huán)節(jié)都有明確的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和接受準(zhǔn)則。

5.3可靠性驗(yàn)證

產(chǎn)品需要在各種環(huán)境條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。因此,需要進(jìn)行溫度循環(huán)、濕熱測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試等一系列可靠性試驗(yàn),驗(yàn)證屏蔽結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。特別是導(dǎo)電材料的老化特性、導(dǎo)電膠的蠕變特性等,都需要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的可靠性測(cè)試來(lái)評(píng)估。

廣西科毅建議:在可靠性測(cè)試中,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注屏蔽性能隨時(shí)間的衰減情況。建議在高溫高濕、溫度沖擊等極端條件下進(jìn)行加速老化測(cè)試,推算產(chǎn)品在正常使用條件下的壽命,為客戶(hù)提供可靠的質(zhì)量承諾。

六、行業(yè)應(yīng)用與市場(chǎng)前景

MPO光模塊及其電磁屏蔽技術(shù),在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。廣西科毅作為專(zhuān)業(yè)的光通信器件供應(yīng)商,持續(xù)關(guān)注市場(chǎng)需求變化,為客戶(hù)提供優(yōu)化的解決方案。

6.1數(shù)據(jù)中心

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心對(duì)光互聯(lián)的需求呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心內(nèi)部部署了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的服務(wù)器,需要大量的高速光模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在這樣的環(huán)境中,電磁干擾問(wèn)題尤為突出。采用具有良好屏蔽性能的MPO光模塊,能夠有效降低設(shè)備間的相互干擾,提升數(shù)據(jù)中心的整體運(yùn)行效率。

6.25G/6G通信網(wǎng)絡(luò)

5G基站的密集部署對(duì)光通信器件的需求大幅增加。同時(shí),6G技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)提上日程,未來(lái)將對(duì)高速光互連提出更高的要求。在基站前傳、中傳、回傳等環(huán)節(jié),MPO光模塊都有廣泛應(yīng)用?；经h(huán)境復(fù)雜,電磁干擾源多,良好的屏蔽性能是確保通信質(zhì)量的關(guān)鍵。

6.3高性能計(jì)算

超級(jí)計(jì)算機(jī)、AI訓(xùn)練集群等高性能計(jì)算系統(tǒng),需要處理海量的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。這些系統(tǒng)對(duì)光模塊的帶寬、延遲、可靠性都有極高要求,同時(shí)也不可避免地面臨電磁兼容挑戰(zhàn)。廣西科毅提供的高性能光模塊產(chǎn)品,已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)高性能計(jì)算項(xiàng)目中,其優(yōu)異的屏蔽性能得到了用戶(hù)的高度認(rèn)可。

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 （注：本文部分內(nèi)容由AI協(xié)助習(xí)作，僅供參考）