現有光學互連技術與航空航天應用

摘要： 本文介紹了光學互連技術在航空航天中的應用歷程，簡述了為滿足航空航天應用要求，業(yè)界所進行的改進與發(fā)展。

關鍵詞： 光學互連技術；航空航天；應用；發(fā)展

引言

電子和計算機工業(yè)技術的飛速發(fā)展，提高了對系統(tǒng)的數據處理能力、數據傳輸運算速率及效率(誤碼率)等的要求。為了解決非模塊化結構和電纜作為數據傳輸通道時系統(tǒng)的數據傳輸和處理能力局限性大這個問題，一些裝備逐步采用光學互連系統(tǒng)來代替銅基傳輸系統(tǒng)，光纖和接頭等光學元件的使用需求越來越大(如圖1)。另外為了降低發(fā)送、接收、轉換和互連技術的價格以降低傳輸成本、擺脫銅基系統(tǒng)帶寬的局限性，一些企業(yè)增加了在光學元件上的投入。經過多年努力，到上世紀90年代后期，一系列新型光學技術投放市場，大幅降低了網絡系統(tǒng)中的光學數據傳輸成本度，推動了因特網等系統(tǒng)的快速發(fā)展。

圖1 光學元件的應用

吸納了大量投資的商用光學技術在軍事領域得到了應用的機遇，許多商用光學方案可以再利用，以滿足軍事需求。在一些航空航天系統(tǒng)中，設計師開始嘗試采用光學元件。但是過去為商用開發(fā)的光學元件通常是比較粗劣(性能低、可靠性差)的產品，即使再提高其成本也不能提高其綜合性能，很難達到航空航天應用的要求(商用/通信與軍事應用/航天部分要求比較見表1)。因此一些公司著手進行現有光學互連技術在航空航天應用方面的研究，例如Canon公司就嘗試將用于通信業(yè)的低成本、高性能光學互連技術通過進一步研究、改進，應用到航空航天領域，其研究成果同時具有軍級元件的耐用性和商用元件的低成本優(yōu)點。

現有光學技術在航空航天系統(tǒng)中的應用歷程

雖然材料(塑料)、封裝形式(非密封)、環(huán)境條件(濕氣、灰塵、振動、沖擊)等因素限制了純粹現有光學技術在系統(tǒng)中的直接應用，但是光學技術在航空航天領域依然有很好的應用前景。例如，在NP-3C航行器、F-35JSF等系統(tǒng)中對數據傳輸系統(tǒng)的重量都有限制，而且由于光學傳輸系統(tǒng)的傳輸數據的能力強，可以使航行器能夠正確接收傳感器、傳輸系統(tǒng)和目標系統(tǒng)的數據，因此需要采用光學互連方案，在將來的軍用領域，對光學數據傳輸應用的要求將逐步加大。

航空航天系統(tǒng)的設計師們一直關注光學互連技術的發(fā)展，并想方設法在新的系統(tǒng)中采用這些技術，來提高裝備在嚴酷空間環(huán)境中運行的可靠性。他們的目的有三個：一是通過用質量輕的光學系統(tǒng)代替沉重的銅系統(tǒng)，來減輕裝備自身重量，提高裝備靈活性和承載能力；二是用光學系統(tǒng)代替銅系統(tǒng)可以降低裝備對電磁場輻射的敏感性，提高其抗干擾能力；三是提高數據控制能力，提高裝備的性能和精度。波音的 F-18改進計劃和Lockheed Martin的 JSF是光學互連技術應用于軍事領域的關鍵轉折點。在兩個平臺中如果存在光學元件方面的維護能力問題，那么將來所有的飛行系統(tǒng)將可能仍然使用低成本的銅基結構而放棄光學互連系統(tǒng)，所幸沒有出現上述問題。同樣，美國海軍第二代驅逐艦“DDX”對光學元件在海洋平臺上的應用進行了初次公開展示。這些計劃的成功，增強了光學互連在航空航天領域應用的可能性。

MIL-T-29504是近20年發(fā)展起來的特殊光學終端系統(tǒng)(如圖2)。雖然這種方案的機械連接方案成本較低，但因光學終端的成本高造成網絡成本較高，另外，該系統(tǒng)的光學性能也非常差。例如，62/125mm光纖的典型插入損耗超過0.4dB，最大值接近1.0dB。所以存在需要增加使用昂貴的光學放大器或不能實現方案的模塊化的缺點。為了解決傳統(tǒng)MIL-T-29504光學終端的這個問題，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光學終端的新方案，其中Canon公司推出的PHD光學互連產品成本低、性能優(yōu)良，可以軍民兩用。

圖2 MIL-T-29504光學終端

其他一些光學互連產品的插入損耗性能也較差。這在F-18平臺上的試驗已經得到證明：在F-18 改進計劃中，多通道光學連接上應用了公差不嚴的電連接器殼體是鏈路性能低的根本原因。詳細的統(tǒng)計分析表明：實際的腔體位置失準(如圖3)，應控制在與標準的MIL-C-38999鍵和腔體相差0.068英寸范圍內。為了達到這個要求，一些公司采取了一系列相應措施，而Canon公司則是通過生產非常特殊的38999連接器組件來解決MIL-C-38999互連問題：絕緣體組件精密對準、而且殼體采用昂貴、精密的CMC加工，雖然減少了問題但增加了成本。

圖3 MIL-C-38999產品插頭和插座腔體失準示意圖
    
空間環(huán)境對光學互連發(fā)展的促進

光學互連結構的最大難點不是保持連接點高性能，而是在兩根光纖連接時，如何使環(huán)境對其影響減小的問題。典型的環(huán)境影響包括機械(沖擊/振動)、溫度和污染。大多數原始航空設備制造商嘗試繼續(xù)使用高彈力、質量輕的終端及不采用拋光角方案的物理接觸光學系統(tǒng)，來解決沖擊/振動問題；通過對所配套的裝備和單個通道口的清潔和維護來解決污垢和污染問題。例如，Lucent的LC連接器耐沖擊環(huán)境的性能超過65g，這種特殊的LC連接器的嚙合力在原來的(1.1磅)基礎上又增加了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。而對于商用互連來說，由于受到鎖緊機構機械特性的限制(如塑料制成的鎖緊機構在嚙合力較大時會損壞而失效)，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減小尺寸或密度、或二者同時減小來實現。由于塑料套管重量輕、成本較低，所以業(yè)界對其在高性能系統(tǒng)中的應用進行了多年的研究，但是在多模光纖領域的應用進展很小，而單模領域根本沒有進展。很多廠家轉而開始制作陶瓷套管的研究工作，并取得了很大進展。陶瓷套管可以做得很小，如為Telcordia GR-326小型光學互連方案研制的氧化鋯陶瓷套管基本尺寸僅為1.25mm；有些廠家也進行了0.80mm陶瓷套管的嘗試，但由于在嚙合時容易損壞，所以大多數系統(tǒng)設計師不采用此方案，但是在將來的高壓力、劇烈沖擊/振動環(huán)境條件下工作的航空系統(tǒng)中的應用將會非常大。

改進端面結構

推動端面角拋光方案商業(yè)應用的原因有兩個:一是在對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，期望使用帶狀結構。對一般的系統(tǒng)設計師來說可以采用角拋光方案，但是在大多數航空應用的帶狀結構內應慎重使用端面角拋光方案，因為在嚴酷的振動環(huán)境中，這種方案會加大不對準性，即使是稍微有7～8度的端面角，也會直接導致纖芯不對準而使性能降低。使用劈槽陶瓷套管終端方案，可以稍微減輕這些問題，但是必須注意選擇端面的嚙合力，減小套管槽的開口尺寸。而帶狀結構連接器受端面幾何結構的限制，而且在帶狀線縱向終端僅有2個插腳對接，因此在溫度升高、沖擊/振動的條件下，接近插腳的塑料支架會因承受載荷過高而產生塑性變形，所以幾乎不可能保持穩(wěn)定的性能。為了解決這些問題，設計師們積極改進結構方案，以滿足航空應用的要求。

關鍵性能(損耗)提升

在航空航天系統(tǒng)中，插入損耗是一個非常關鍵的指標，對于大功率源、單模或有足夠的鏈路冗余保證連接的適應性場所，也非常重要。努力使系統(tǒng)中的每個互連點的插入損耗很小，同時減少遠程傳輸中新增點的數目(新增點不僅增加光電成本，而且會增加系統(tǒng)失效的可能性)，使整個光學系統(tǒng)的插入損耗降到最小。使用帶狀結構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，對帶耦合帶結構的每個通道的修理和維護也不方便。一些公司積極改進方案，降低插入損耗，并提高其穩(wěn)定性。例如，根據高性能MEMS的要求，Canon開發(fā)了帶狀光纖互連結構的低成本、高性能、高密度裝配的替代方案。

關鍵元件技術提高

光纖連接器是光學互連系統(tǒng)中使用量最大的光無源元器件，廣泛應用于通信、局域網(LAN)、光纖到戶(FTTH)、高質量視頻傳輸、光纖傳感、測試儀器儀表等。絕大多數光纖連接器結構見圖4，其中套管為關鍵的構成元件，其技術水平的高低直接影響光纖連接器的整體尺寸、重量、機械性能、光學性能及耐環(huán)境性能，對整個光學互連系統(tǒng)的性能起到重要作用。從材料、結構、性能等方面來說，套管的技術水平有了很大的提高。材料的性能越來越優(yōu)良，工藝方法越來越先進，尺寸越來越小，性能越來越高。例如，1.25mm氧化鋯陶瓷套管成本低、光學性能穩(wěn)定，而且可靠性和耐久性高。但最重要的是尺寸小、重量輕，這樣對以后的光學方案在航空航天領域的應用非常有利。

圖4    光纖連接器的一般結構

Canon 1.25mm陶瓷方案典型的光學性能的測量值列于表2。1.25mm陶瓷套管陶瓷市場的開發(fā)，使同軸度為0.5mm或更小的套管成本大幅度降低，同時1.25mm陶瓷套管方案保證了光學元件的關鍵特性，但另一個挑戰(zhàn)是元件的高密度封裝。為了滿足帶狀結構方案的封裝密度，任何新的結構應能保證每平方英寸容納的光纖終端數超過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現有技術引入航空型封裝方案，系統(tǒng)設計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

從理論上來說，光學互連系統(tǒng)中的連接點處于無污染條件下是最理想的，但在現實中這種情況是不可能的。由于在連接點位置總是存在污染，所以應考慮光學元件在使用現場的清潔、維護、測試和修理的能力。

對通信業(yè)來說，光學元件的現場安裝和維護非常重要，受到業(yè)界的廣泛關注，一些公司(如Lucent，Nortel，Alcatel和Cisco)投入了大量的人力和財力，研究出了許多現場試驗、清潔和檢驗裝備，如光功率檢測設備、端面檢查設備、端面清潔設備、現場拋光設備等等(見圖5)。光學元件在航空應用時，可以使用這些現有設備，對光學元件進行清潔、維護、檢測，使其關鍵性能達到航空航天應用的要求。這一點已通過一些公司的實踐經驗得到證明，如在波音777中，光學數據LAN已經使用超過10年，且使用頻繁，但沒有在互連點出現失效的情況。

圖5  現場試驗、清潔和檢驗裝備
　　
結語

光學互連系統(tǒng)具有以下特點：(1)數據傳輸效率高；(2)減少了銅纜和防護層，系統(tǒng)重量輕；(3)光纖本身固有的對電磁波頻譜的不敏感性，減小了EMI的影響，而且嚴酷環(huán)境下的性能穩(wěn)定、現場維護、檢查修理等問題也已被通信行業(yè)的工程師們解決。這些特點決定了現有光學互連技術在航空航天等領域的應用將繼續(xù)增加。同時，航空航天領域的應用需求也勢必為光學互連技術提出新的挑戰(zhàn)與發(fā)展機遇。

參考文獻
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