現(xiàn)有光學(xué)互連技術(shù)與航空航天應(yīng)用

摘要： 本文介紹了光學(xué)互連技術(shù)在航空航天中的應(yīng)用歷程，簡(jiǎn)述了為滿足航空航天應(yīng)用要求，業(yè)界所進(jìn)行的改進(jìn)與發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 光學(xué)互連技術(shù)；航空航天；應(yīng)用；發(fā)展

引言

電子和計(jì)算機(jī)工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，提高了對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)傳輸運(yùn)算速率及效率(誤碼率)等的要求。為了解決非模塊化結(jié)構(gòu)和電纜作為數(shù)據(jù)傳輸通道時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力局限性大這個(gè)問(wèn)題，一些裝備逐步采用光學(xué)互連系統(tǒng)來(lái)代替銅基傳輸系統(tǒng)，光纖和接頭等光學(xué)元件的使用需求越來(lái)越大(如圖1)。另外為了降低發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)換和互連技術(shù)的價(jià)格以降低傳輸成本、擺脫銅基系統(tǒng)帶寬的局限性，一些企業(yè)增加了在光學(xué)元件上的投入。經(jīng)過(guò)多年努力，到上世紀(jì)90年代后期，一系列新型光學(xué)技術(shù)投放市場(chǎng)，大幅降低了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸成本度，推動(dòng)了因特網(wǎng)等系統(tǒng)的快速發(fā)展。

圖1 光學(xué)元件的應(yīng)用

吸納了大量投資的商用光學(xué)技術(shù)在軍事領(lǐng)域得到了應(yīng)用的機(jī)遇，許多商用光學(xué)方案可以再利用，以滿足軍事需求。在一些航空航天系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)師開(kāi)始嘗試采用光學(xué)元件。但是過(guò)去為商用開(kāi)發(fā)的光學(xué)元件通常是比較粗劣(性能低、可靠性差)的產(chǎn)品，即使再提高其成本也不能提高其綜合性能，很難達(dá)到航空航天應(yīng)用的要求(商用/通信與軍事應(yīng)用/航天部分要求比較見(jiàn)表1)。因此一些公司著手進(jìn)行現(xiàn)有光學(xué)互連技術(shù)在航空航天應(yīng)用方面的研究，例如Canon公司就嘗試將用于通信業(yè)的低成本、高性能光學(xué)互連技術(shù)通過(guò)進(jìn)一步研究、改進(jìn)，應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域，其研究成果同時(shí)具有軍級(jí)元件的耐用性和商用元件的低成本優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)有光學(xué)技術(shù)在航空航天系統(tǒng)中的應(yīng)用歷程

雖然材料(塑料)、封裝形式(非密封)、環(huán)境條件(濕氣、灰塵、振動(dòng)、沖擊)等因素限制了純粹現(xiàn)有光學(xué)技術(shù)在系統(tǒng)中的直接應(yīng)用，但是光學(xué)技術(shù)在航空航天領(lǐng)域依然有很好的應(yīng)用前景。例如，在NP-3C航行器、F-35JSF等系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重量都有限制，而且由于光學(xué)傳輸系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)的能力強(qiáng)，可以使航行器能夠正確接收傳感器、傳輸系統(tǒng)和目標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，因此需要采用光學(xué)互連方案，在將來(lái)的軍用領(lǐng)域，對(duì)光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的要求將逐步加大。

航空航天系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師們一直關(guān)注光學(xué)互連技術(shù)的發(fā)展，并想方設(shè)法在新的系統(tǒng)中采用這些技術(shù)，來(lái)提高裝備在嚴(yán)酷空間環(huán)境中運(yùn)行的可靠性。他們的目的有三個(gè)：一是通過(guò)用質(zhì)量輕的光學(xué)系統(tǒng)代替沉重的銅系統(tǒng)，來(lái)減輕裝備自身重量，提高裝備靈活性和承載能力；二是用光學(xué)系統(tǒng)代替銅系統(tǒng)可以降低裝備對(duì)電磁場(chǎng)輻射的敏感性，提高其抗干擾能力；三是提高數(shù)據(jù)控制能力，提高裝備的性能和精度。波音的 F-18改進(jìn)計(jì)劃和Lockheed Martin的 JSF是光學(xué)互連技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在兩個(gè)平臺(tái)中如果存在光學(xué)元件方面的維護(hù)能力問(wèn)題，那么將來(lái)所有的飛行系統(tǒng)將可能仍然使用低成本的銅基結(jié)構(gòu)而放棄光學(xué)互連系統(tǒng)，所幸沒(méi)有出現(xiàn)上述問(wèn)題。同樣，美國(guó)海軍第二代驅(qū)逐艦“DDX”對(duì)光學(xué)元件在海洋平臺(tái)上的應(yīng)用進(jìn)行了初次公開(kāi)展示。這些計(jì)劃的成功，增強(qiáng)了光學(xué)互連在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。

MIL-T-29504是近20年發(fā)展起來(lái)的特殊光學(xué)終端系統(tǒng)(如圖2)。雖然這種方案的機(jī)械連接方案成本較低，但因光學(xué)終端的成本高造成網(wǎng)絡(luò)成本較高，另外，該系統(tǒng)的光學(xué)性能也非常差。例如，62/125mm光纖的典型插入損耗超過(guò)0.4dB，最大值接近1.0dB。所以存在需要增加使用昂貴的光學(xué)放大器或不能實(shí)現(xiàn)方案的模塊化的缺點(diǎn)。為了解決傳統(tǒng)MIL-T-29504光學(xué)終端的這個(gè)問(wèn)題，使其能滿足軍用要求，一些公司紛紛推出替代傳統(tǒng)MIL-T-29504光學(xué)終端的新方案，其中Canon公司推出的PHD光學(xué)互連產(chǎn)品成本低、性能優(yōu)良，可以軍民兩用。

圖2 MIL-T-29504光學(xué)終端

其他一些光學(xué)互連產(chǎn)品的插入損耗性能也較差。這在F-18平臺(tái)上的試驗(yàn)已經(jīng)得到證明：在F-18 改進(jìn)計(jì)劃中，多通道光學(xué)連接上應(yīng)用了公差不嚴(yán)的電連接器殼體是鏈路性能低的根本原因。詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析表明：實(shí)際的腔體位置失準(zhǔn)(如圖3)，應(yīng)控制在與標(biāo)準(zhǔn)的MIL-C-38999鍵和腔體相差0.068英寸范圍內(nèi)。為了達(dá)到這個(gè)要求，一些公司采取了一系列相應(yīng)措施，而Canon公司則是通過(guò)生產(chǎn)非常特殊的38999連接器組件來(lái)解決MIL-C-38999互連問(wèn)題：絕緣體組件精密對(duì)準(zhǔn)、而且殼體采用昂貴、精密的CMC加工，雖然減少了問(wèn)題但增加了成本。

圖3 MIL-C-38999產(chǎn)品插頭和插座腔體失準(zhǔn)示意圖
    
空間環(huán)境對(duì)光學(xué)互連發(fā)展的促進(jìn)

光學(xué)互連結(jié)構(gòu)的最大難點(diǎn)不是保持連接點(diǎn)高性能，而是在兩根光纖連接時(shí)，如何使環(huán)境對(duì)其影響減小的問(wèn)題。典型的環(huán)境影響包括機(jī)械(沖擊/振動(dòng))、溫度和污染。大多數(shù)原始航空設(shè)備制造商嘗試?yán)^續(xù)使用高彈力、質(zhì)量輕的終端及不采用拋光角方案的物理接觸光學(xué)系統(tǒng)，來(lái)解決沖擊/振動(dòng)問(wèn)題；通過(guò)對(duì)所配套的裝備和單個(gè)通道口的清潔和維護(hù)來(lái)解決污垢和污染問(wèn)題。例如，Lucent的LC連接器耐沖擊環(huán)境的性能超過(guò)65g，這種特殊的LC連接器的嚙合力在原來(lái)的(1.1磅)基礎(chǔ)上又增加了10~20%，因此提高了該連接器在巨大的沖擊環(huán)境下的工作能力。而對(duì)于商用互連來(lái)說(shuō)，由于受到鎖緊機(jī)構(gòu)機(jī)械特性的限制(如塑料制成的鎖緊機(jī)構(gòu)在嚙合力較大時(shí)會(huì)損壞而失效)，所以在巨大的沖擊環(huán)境下的工作能力的提升則受到限制。

減輕終端重量

眾所周知，減輕終端重量要通過(guò)減小尺寸或密度、或二者同時(shí)減小來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于塑料套管重量輕、成本較低，所以業(yè)界對(duì)其在高性能系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了多年的研究，但是在多模光纖領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展很小，而單模領(lǐng)域根本沒(méi)有進(jìn)展。很多廠家轉(zhuǎn)而開(kāi)始制作陶瓷套管的研究工作，并取得了很大進(jìn)展。陶瓷套管可以做得很小，如為Telcordia GR-326小型光學(xué)互連方案研制的氧化鋯陶瓷套管基本尺寸僅為1.25mm；有些廠家也進(jìn)行了0.80mm陶瓷套管的嘗試，但由于在嚙合時(shí)容易損壞，所以大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不采用此方案，但是在將來(lái)的高壓力、劇烈沖擊/振動(dòng)環(huán)境條件下工作的航空系統(tǒng)中的應(yīng)用將會(huì)非常大。

改進(jìn)端面結(jié)構(gòu)

推動(dòng)端面角拋光方案商業(yè)應(yīng)用的原因有兩個(gè):一是在對(duì)噪聲反射靈敏的系統(tǒng)中期望得到非常低的反射損耗；二是由于在封裝密度許可的條件下，期望使用帶狀結(jié)構(gòu)。對(duì)一般的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)可以采用角拋光方案，但是在大多數(shù)航空應(yīng)用的帶狀結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)慎重使用端面角拋光方案，因?yàn)樵趪?yán)酷的振動(dòng)環(huán)境中，這種方案會(huì)加大不對(duì)準(zhǔn)性，即使是稍微有7～8度的端面角，也會(huì)直接導(dǎo)致纖芯不對(duì)準(zhǔn)而使性能降低。使用劈槽陶瓷套管終端方案，可以稍微減輕這些問(wèn)題，但是必須注意選擇端面的嚙合力，減小套管槽的開(kāi)口尺寸。而帶狀結(jié)構(gòu)連接器受端面幾何結(jié)構(gòu)的限制，而且在帶狀線縱向終端僅有2個(gè)插腳對(duì)接，因此在溫度升高、沖擊/振動(dòng)的條件下，接近插腳的塑料支架會(huì)因承受載荷過(guò)高而產(chǎn)生塑性變形，所以幾乎不可能保持穩(wěn)定的性能。為了解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)師們積極改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案，以滿足航空應(yīng)用的要求。

關(guān)鍵性能(損耗)提升

在航空航天系統(tǒng)中，插入損耗是一個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)，對(duì)于大功率源、單?；蛴凶銐虻逆溌啡哂啾ＷC連接的適應(yīng)性場(chǎng)所，也非常重要。努力使系統(tǒng)中的每個(gè)互連點(diǎn)的插入損耗很小，同時(shí)減少遠(yuǎn)程傳輸中新增點(diǎn)的數(shù)目(新增點(diǎn)不僅增加光電成本，而且會(huì)增加系統(tǒng)失效的可能性)，使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的插入損耗降到最小。使用帶狀結(jié)構(gòu)的高密度互連封裝幾乎不可能保持穩(wěn)定的損耗性能，如配接損耗小于0.02dB的SMF-28單模兼容光纖的所有通道，很難全部滿足插入損耗小于0.35dB的要求，對(duì)帶耦合帶結(jié)構(gòu)的每個(gè)通道的修理和維護(hù)也不方便。一些公司積極改進(jìn)方案，降低插入損耗，并提高其穩(wěn)定性。例如，根據(jù)高性能MEMS的要求，Canon開(kāi)發(fā)了帶狀光纖互連結(jié)構(gòu)的低成本、高性能、高密度裝配的替代方案。

關(guān)鍵元件技術(shù)提高

光纖連接器是光學(xué)互連系統(tǒng)中使用量最大的光無(wú)源元器件，廣泛應(yīng)用于通信、局域網(wǎng)(LAN)、光纖到戶(FTTH)、高質(zhì)量視頻傳輸、光纖傳感、測(cè)試儀器儀表等。絕大多數(shù)光纖連接器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，其中套管為關(guān)鍵的構(gòu)成元件，其技術(shù)水平的高低直接影響光纖連接器的整體尺寸、重量、機(jī)械性能、光學(xué)性能及耐環(huán)境性能，對(duì)整個(gè)光學(xué)互連系統(tǒng)的性能起到重要作用。從材料、結(jié)構(gòu)、性能等方面來(lái)說(shuō)，套管的技術(shù)水平有了很大的提高。材料的性能越來(lái)越優(yōu)良，工藝方法越來(lái)越先進(jìn)，尺寸越來(lái)越小，性能越來(lái)越高。例如，1.25mm氧化鋯陶瓷套管成本低、光學(xué)性能穩(wěn)定，而且可靠性和耐久性高。但最重要的是尺寸小、重量輕，這樣對(duì)以后的光學(xué)方案在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用非常有利。

圖4    光纖連接器的一般結(jié)構(gòu)

Canon 1.25mm陶瓷方案典型的光學(xué)性能的測(cè)量值列于表2。1.25mm陶瓷套管陶瓷市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)，使同軸度為0.5mm或更小的套管成本大幅度降低，同時(shí)1.25mm陶瓷套管方案保證了光學(xué)元件的關(guān)鍵特性，但另一個(gè)挑戰(zhàn)是元件的高密度封裝。為了滿足帶狀結(jié)構(gòu)方案的封裝密度，任何新的結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證每平方英寸容納的光纖終端數(shù)超過(guò)40路，這樣只有陶瓷封裝方案及其保持系統(tǒng)不占空間才有可能。而由于1.25mm現(xiàn)有技術(shù)引入航空型封裝方案，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可供選擇的互連方案得到快速發(fā)展。

減小環(huán)境污染的影響

從理論上來(lái)說(shuō)，光學(xué)互連系統(tǒng)中的連接點(diǎn)處于無(wú)污染條件下是最理想的，但在現(xiàn)實(shí)中這種情況是不可能的。由于在連接點(diǎn)位置總是存在污染，所以應(yīng)考慮光學(xué)元件在使用現(xiàn)場(chǎng)的清潔、維護(hù)、測(cè)試和修理的能力。

對(duì)通信業(yè)來(lái)說(shuō)，光學(xué)元件的現(xiàn)場(chǎng)安裝和維護(hù)非常重要，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，一些公司(如Lucent，Nortel，Alcatel和Cisco)投入了大量的人力和財(cái)力，研究出了許多現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、清潔和檢驗(yàn)裝備，如光功率檢測(cè)設(shè)備、端面檢查設(shè)備、端面清潔設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)拋光設(shè)備等等(見(jiàn)圖5)。光學(xué)元件在航空應(yīng)用時(shí)，可以使用這些現(xiàn)有設(shè)備，對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行清潔、維護(hù)、檢測(cè)，使其關(guān)鍵性能達(dá)到航空航天應(yīng)用的要求。這一點(diǎn)已通過(guò)一些公司的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到證明，如在波音777中，光學(xué)數(shù)據(jù)LAN已經(jīng)使用超過(guò)10年，且使用頻繁，但沒(méi)有在互連點(diǎn)出現(xiàn)失效的情況。

圖5  現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、清潔和檢驗(yàn)裝備
　　
結(jié)語(yǔ)

光學(xué)互連系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)數(shù)據(jù)傳輸效率高；(2)減少了銅纜和防護(hù)層，系統(tǒng)重量輕；(3)光纖本身固有的對(duì)電磁波頻譜的不敏感性，減小了EMI的影響，而且嚴(yán)酷環(huán)境下的性能穩(wěn)定、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、檢查修理等問(wèn)題也已被通信行業(yè)的工程師們解決。這些特點(diǎn)決定了現(xiàn)有光學(xué)互連技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用將繼續(xù)增加。同時(shí)，航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用需求也勢(shì)必為光學(xué)互連技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)與發(fā)展機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)
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