加速推動光纖連接器的發(fā)展

摘要：軍事/航天設(shè)備處理和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量日益增大促使新的軍事裝備中光纖傳輸將逐步取代銅傳輸, 軍用光纖連接器技術(shù)在MIL/COTS產(chǎn)品的使用、全金屬接觸件、新型光纖端子、擴(kuò)束光纖連接器等方面得到了嶄新的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：軍事/航天；光纖轉(zhuǎn)換；連接器；發(fā)展動向

1.引言
    20世紀(jì)90年代以來高科技逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，不論是“電子戰(zhàn)”、“信息戰(zhàn)”還是“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”，其實現(xiàn)均是基于高性能的信息技術(shù)。隨著軍事/航天設(shè)備處理和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大，傳統(tǒng)基于銅構(gòu)架的系統(tǒng)對于大流量、高速數(shù)據(jù)傳輸日益捉襟見肘，研究表明當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸超過10Gb/s時，銅系統(tǒng)將難以勝任。與銅和同軸電纜相比，光纖的最大優(yōu)勢在于廉價地提供更高的寬帶、更快的傳輸速度、更輕的重量同時抗EMI/RFI。
商用光纖技術(shù)的成熟讓美國軍方開始支持在軍事系統(tǒng)中應(yīng)用光纖技術(shù)。軍方現(xiàn)在正進(jìn)行三項銅系統(tǒng)向光纖系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換計劃并將這些計劃作為關(guān)鍵的試驗點。
（1）在新型F-22噴氣式戰(zhàn)機(jī)和聯(lián)合攻擊機(jī)（JSF）上采用光纖系統(tǒng)，并且對機(jī)載警報控制系統(tǒng)（AWACS）的戰(zhàn)機(jī)和F/A 18 殲擊轟炸機(jī)進(jìn)行光纖升級。
（2）第二個計劃是“Hairy Buffalo”計劃，將老式的NP-3飛機(jī)變成一個以網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)為目標(biāo)的專用研究試驗基地，從NP-3上卸除1000公斤銅纜極大地提高了有效載荷。
（3）第三個涉及光纖轉(zhuǎn)換的計劃是美國海軍實施的下一代驅(qū)逐艦“DDX”計劃。軍事專家認(rèn)為該計劃將為光纖作為未來十年的主要應(yīng)用解決方案打下基礎(chǔ)。
然而在軍用裝備系統(tǒng)大規(guī)模向光纖轉(zhuǎn)換的過程中，光互連成為一個薄弱環(huán)節(jié)，解決在惡劣的軍事/航天環(huán)境下的光纖互連問題成為軍事承包商和軍方關(guān)注的焦點。隨著對更寬的帶寬、更輕的重量和抗EMI/RFI的需要，光纖已成為軍用/航天設(shè)計優(yōu)先選擇的技術(shù)。
2.軍事/航天應(yīng)用的惡劣環(huán)境
軍用光纖系統(tǒng)必須要適應(yīng)在惡劣的環(huán)境下工作，比如：經(jīng)常性的持續(xù)振動和振蕩，如航空電子設(shè)備和車輛；瞬間的高度沖擊和振動，如航天發(fā)射和開火；經(jīng)常性的極度溫度循環(huán)，如衛(wèi)星和引擎隔艙；高濕和高腐蝕條件，如艦船上和其他航海環(huán)境。
典型的商用電信/數(shù)據(jù)通信與軍事/航天應(yīng)用對光纖連接器的要求可謂“涇渭分明”。表1對二者做了比較。

表1.商用電訊/數(shù)據(jù)通信與軍事/航天要求

3軍事/航天用光纖連接器的新進(jìn)展
3.1 MIL/ COTS光纖連接器
    隨著美國國防預(yù)算的削減，設(shè)備設(shè)計師正將注意力轉(zhuǎn)向使用商用現(xiàn)成產(chǎn)品(COTS)技術(shù)以接近商用的價格來實現(xiàn)尖端性能。COTS* 指由供應(yīng)商制定規(guī)格且在市場公開出售的產(chǎn)品，而MIL/COTS*(軍用/商用現(xiàn)成產(chǎn)品)則指按某些次級軍用和/或工業(yè)規(guī)范研制、制造和鑒定的產(chǎn)品，它易于從工業(yè)渠道供貨，滿足特定平臺的要求而不需修改。選擇COTS光纖連接器、光纜和收發(fā)器模塊價格低廉，但設(shè)計師必須認(rèn)識到大部分這類元件不是專為軍事/航天應(yīng)用中典型的惡劣環(huán)境而設(shè)計的。
    光纖應(yīng)用的主要成本在于光電子設(shè)備特別是光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。目前大量的光傳輸元件是基于：多模數(shù)字應(yīng)用，包括航天協(xié)議(如ARINC 636 和AS1773)以及商用數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)(如同步傳輸模式[ATM]、光纖分布式數(shù)據(jù)接口[FDDI]、吉比特以太網(wǎng)和吉比特光纖通道)；單模數(shù)字應(yīng)用，包括基于OC-48(2.5 Gb/s) 、OC-192 (10.0 Gb/s)和波分復(fù)用(WDM)的同步光網(wǎng)絡(luò)(SONET)；單模光纖RF應(yīng)用。
    不過，與絕大多數(shù)這類COTS元件配合的商用光纖接口用的配接連接器絕不是為軍事航天平臺的惡劣環(huán)境而設(shè)計的。這類典型的連接器類型包括FC、ST 和 SC連接器，雙工SC和FDDI連接器，新一代小型(SFF)連接器。
圖. 常見商用、軍事/宇航光纖連接器
    目前，商用和軍事/航天應(yīng)用中的一些最常用的光纖連接器如圖1所示。表2將現(xiàn)有的市場上供應(yīng)的在大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用中性能已得到證實的Mil/COTS連接器產(chǎn)品(單通道和常用圓形、多通道連接器)及其性能特性進(jìn)行了分類。該表標(biāo)出了可以配接特殊連接器的光纖類型，并區(qū)分了多模光纖、單模光纖和定位保持(PM)光纖(一種用于高級傳感器和通信應(yīng)用的特殊單模光纖)之間的差別。此外，還確定了各類連接器最適用的工作環(huán)境類型，區(qū)分了適于室內(nèi)應(yīng)用還是于戶外應(yīng)用。

   
 表2現(xiàn)供常用MIL/COTS光纖連接器產(chǎn)品

3.2 MIL-T-29504光纖端子
    傳統(tǒng)陳舊而昂貴的MIL-T-29504光纖互連已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前主流軍事平臺向光纖過渡的需要，但尋找到適合國防系統(tǒng)要求的光互連結(jié)構(gòu)并具有強(qiáng)大的現(xiàn)場支持能力絕非易事。為角逐這塊軍用光纖互連市場，美國幾家光纖技術(shù)大公司紛紛推出替代MIL-T-29504的解決方案。其中ITT Cannon公司最近推出的新型PHD系列光纖互連產(chǎn)品成本低性能高，達(dá)到了商用與軍用的統(tǒng)一，受到軍方的青睞。
3.3 擴(kuò)束光纖連接器
    擴(kuò)束光纖連接器是由Tyco公司研制的一種非物理接觸式連接器，其原理是將光纖與自聚焦透鏡耦合到一起，使從光纖射出的光經(jīng)自聚焦直透鏡擴(kuò)展后以平行光出射，然后再進(jìn)入另一個帶自聚焦透鏡的連接器中。擴(kuò)展后的光束直徑可達(dá)1mm左右，因此可極大的降低振動、灰塵的影響，且易于清潔維護(hù)。擴(kuò)束光纖連接器的關(guān)鍵技術(shù)是光纖與自聚焦準(zhǔn)直透鏡的耦合封裝技術(shù)，使光纖端面中心與透鏡焦點重合。它滿足ARINC68第6部分性能要求，該要求包括：
（1）插拔力≤20牛頓，在加速老化后，增長率不得超過10%；
（2）500次插合無機(jī)械性能缺陷；
（3）多模光纜連接器能夠承受10分鐘400牛頓拉伸力。

3.4 全金屬單體接觸件結(jié)構(gòu)套管
    迄今，陶瓷幾乎是唯一可以用于對準(zhǔn)光纖的材料。對于陶瓷的支持一直占絕對上風(fēng)，但陶瓷套管也具有一些無法回避的缺點，如價格昂貴、經(jīng)常性短缺、套管裝配到接觸體消耗勞力、組裝的元件需額外緊密公差以及因陶瓷與不銹鋼之間膨脹系數(shù)有差異導(dǎo)致的元件意外破裂。
圖2. MIL-T-29504/10型插針接觸件和MIL-T-29504/11型插孔接觸件
陶瓷的地位如今受到了最新的螺紋加工設(shè)備的挑戰(zhàn)。這種設(shè)備可以制造出全金屬單體接觸件，而它的公差等同于多模應(yīng)用中的陶瓷部件。圖2示出了一件式MIL-T-29504/10型插針接觸件和MIL-T-29504/11型插孔接觸件的實例。目前對不銹鋼接觸件，在規(guī)模生產(chǎn)基礎(chǔ)上所保持的臨界公差是3mm(約1/10000英寸)。也就是說光纖孔徑是3mm且相對于外接觸件直徑的（光纖）孔的同心度是3mm。
與陶瓷相比鋼的另一個優(yōu)點是不銹鋼自身機(jī)加工的多方面的適應(yīng)性。對于非標(biāo)準(zhǔn)尺寸光纖的孔簡單的改變刀具就可以完成。插孔接觸件由機(jī)加殼體和與螺旋線圈彈簧及環(huán)氧樹脂預(yù)型件結(jié)合在一起的護(hù)套構(gòu)成。這種接觸件是為了與標(biāo)準(zhǔn)軍用圓形連接器殼體一同使用而設(shè)計的。一件式插針接觸件的外套尺寸基本與標(biāo)準(zhǔn)的軍用規(guī)范銅線接觸件相同。
3.5 新型凹形端面結(jié)構(gòu)
    除了光纖對準(zhǔn)以外，光纖連接最重要的因素是光纖端面的研磨。一般端面研磨成凸面狀，稱為物理接觸。這種接觸界面在柔和的環(huán)境下工作效果很好。但對于承受振動和沖擊的設(shè)備，玻璃界面易劃傷，從而降低光性能。

圖. 光纖端面的研磨 

    一種新的端面結(jié)構(gòu)已經(jīng)研制出來可以承受軍事應(yīng)用中惡劣的經(jīng)常性的長期振動中，光纖的端部被研磨成凹面形狀以便在相對的光纖之間形成可精細(xì)控制的氣隙(見圖3)。這獨特的研磨方法可產(chǎn)生穩(wěn)定的光連接，在整個連接器壽命期間可保持插耗值低于1.2dB。首先對接觸件/環(huán)氧/光纖結(jié)構(gòu)施加目標(biāo)接觸件彈力，進(jìn)行有限元分析來確定光纖端面形貌的要求，然后按經(jīng)驗進(jìn)行測量來驗證該結(jié)構(gòu)內(nèi)的彈性變形，最后，在振動等級超過圓形連接器軍用標(biāo)準(zhǔn)的條件下測試樣品。
4結(jié)語
    光通信的迅猛發(fā)展對軍用光纖連接器提出了苛刻的要求同時也為軍用光纖連接器的發(fā)展提供了市場機(jī)遇，光纖連接器在軍用連接器市場的比重將提高。在2003年的伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍首次試驗了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(Network Centric Warfare)模式，支持這場網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的核心平臺則是位于多哈附近的美軍中央司令部的可移動司令部設(shè)施。該設(shè)施就是一個高速光纖骨干網(wǎng)絡(luò)，速度比起上次海灣戰(zhàn)爭快了7倍，很大原因在于高速光纖網(wǎng)絡(luò)的啟用大大加快了數(shù)據(jù)傳輸速度，擴(kuò)展了傳輸能力。美國軍方正計劃將主流軍事平臺由銅系統(tǒng)轉(zhuǎn)向光纖系統(tǒng)，軍用光纖連接器作為光纖系統(tǒng)高速信號傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其重要性和發(fā)展前景是完全可預(yù)期的。

參考文獻(xiàn)：
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