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加速推动光纤连接器的发展

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作者:中电40所 续川军 吴世湘时间:2006-07-08来源:电子产品世界

摘要:军事/航天设备处理和传输的数据量日益增大促使新的军事装备中光纤传输将逐步取代铜传输, 军用光纤技术在MIL/COTS产品的使用、全金属接触件、新型光纤端子、扩束光纤等方面得到了崭新的发展。
关键词:军事/航天;光纤转换;;发展动向

1.引言
    20世纪90年代以来高科技逐渐应用到现代战争中,不论是“电子战”、“信息战”还是“中心战”,其实现均是基于高性能的信息技术。随着军事/航天设备处理和传输的数据量越来越大,传统基于铜构架的系统对于大流量、高速数据传输日益捉襟见肘,研究表明当数据传输超过10Gb/s时,铜系统将难以胜任。与铜和同轴电缆相比,光纤的最大优势在于廉价地提供更高的宽带、更快的传输速度、更轻的重量同时抗EMI/RFI。
商用光纤技术的成熟让美国军方开始支持在军事系统中应用光纤技术。军方现在正进行三项铜系统向光纤系统的转换计划并将这些计划作为关键的试验点。
(1)在新型F-22喷气式战机和联合攻击机(JSF)上采用光纤系统,并且对机载警报控制系统(AWACS)的战机和F/A 18 歼击轰炸机进行光纤升级。
(2)第二个计划是“Hairy Buffalo”计划,将老式的NP-3飞机变成一个以中心战为目标的专用研究试验基地,从NP-3上卸除1000公斤铜缆极大地提高了有效载荷。
(3)第三个涉及光纤转换的计划是美国海军实施的下一代驱逐舰“DDX”计划。军事专家认为该计划将为光纤作为未来十年的主要应用解决方案打下基础。
然而在军用装备系统大规模向光纤转换的过程中,光互连成为一个薄弱环节,解决在恶劣的军事/航天环境下的光纤互连问题成为军事承包商和军方关注的焦点。随着对更宽的带宽、更轻的重量和抗EMI/RFI的需要,光纤已成为军用/航天设计优先选择的技术。
2.军事/航天应用的恶劣环境
军用光纤系统必须要适应在恶劣的环境下工作,比如:经常性的持续振动和振荡,如航空电子设备和车辆;瞬间的高度冲击和振动,如航天发射和开火;经常性的极度温度循环,如卫星和引擎隔舱;高湿和高腐蚀条件,如舰船上和其他航海环境。
典型的商用电信/数据通信与军事/航天应用对光纤连接器的要求可谓“泾渭分明”。表1对二者做了比较。


表1.商用电讯/数据通信与军事/航天要求

3军事/航天用光纤连接器的新进展
3.1 MIL/ COTS光纤连接器
    随着美国国防预算的削减,设备设计师正将注意力转向使用商用现成产品(COTS)技术以接近商用的价格来实现尖端性能。COTS* 指由供应商制定规格且在市场公开出售的产品,而MIL/COTS*(军用/商用现成产品)则指按某些次级军用和/或工业规范研制、制造和鉴定的产品,它易于从工业渠道供货,满足特定平台的要求而不需修改。选择COTS光纤连接器、光缆和收发器模块价格低廉,但设计师必须认识到大部分这类元件不是专为军事/航天应用中典型的恶劣环境而设计的。
    光纤应用的主要成本在于光电子设备特别是光发射机和接收机。目前大量的光传输元件是基于:多模数字应用,包括航天协议(如ARINC 636 和AS1773)以及商用数据通信标准(如同步传输模式[ATM]、光纤分布式数据接口[FDDI]、吉比特以太网和吉比特光纤通道);单模数字应用,包括基于OC-48(2.5 Gb/s) 、OC-192 (10.0 Gb/s)和波分复用(WDM)的同步光(SONET);单模光纤RF应用。
    不过,与绝大多数这类COTS元件配合的商用光纤接口用的配接连接器绝不是为军事航天平台的恶劣环境而设计的。这类典型的连接器类型包括FC、ST 和 SC连接器,双工SC和FDDI连接器,新一代小型(SFF)连接器。
图. 常见商用、军事/宇航光纤连接器
    目前,商用和军事/航天应用中的一些最常用的光纤连接器如图1所示。表2将现有的市场上供应的在大规模生产应用中性能已得到证实的Mil/COTS连接器产品(单通道和常用圆形、多通道连接器)及其性能特性进行了分类。该表标出了可以配接特殊连接器的光纤类型,并区分了多模光纤、单模光纤和定位保持(PM)光纤(一种用于高级传感器和通信应用的特殊单模光纤)之间的差别。此外,还确定了各类连接器最适用的工作环境类型,区分了适于室内应用还是于户外应用。

   
 表2现供常用MIL/COTS光纤连接器产品

3.2 MIL-T-29504光纤端子
    传统陈旧而昂贵的MIL-T-29504光纤互连已远远不能满足当前主流军事平台向光纤过渡的需要,但寻找到适合国防系统要求的光互连结构并具有强大的现场支持能力绝非易事。为角逐这块军用光纤互连市场,美国几家光纤技术大公司纷纷推出替代MIL-T-29504的解决方案。其中ITT Cannon公司最近推出的新型PHD系列光纤互连产品成本低性能高,达到了商用与军用的统一,受到军方的青睐。
3.3 扩束光纤连接器
    扩束光纤连接器是由Tyco公司研制的一种非物理接触式连接器,其原理是将光纤与自聚焦透镜耦合到一起,使从光纤射出的光经自聚焦直透镜扩展后以平行光出射,然后再进入另一个带自聚焦透镜的连接器中。扩展后的光束直径可达1mm左右,因此可极大的降低振动、灰尘的影响,且易于清洁维护。扩束光纤连接器的关键技术是光纤与自聚焦准直透镜的耦合封装技术,使光纤端面中心与透镜焦点重合。它满足ARINC68第6部分性能要求,该要求包括:
(1)插拔力≤20牛顿,在加速老化后,增长率不得超过10%;
(2)500次插合无机械性能缺陷;
(3)多模光缆连接器能够承受10分钟400牛顿拉伸力。

3.4 全金属单体接触件结构套管
    迄今,陶瓷几乎是唯一可以用于对准光纤的材料。对于陶瓷的支持一直占绝对上风,但陶瓷套管也具有一些无法回避的缺点,如价格昂贵、经常性短缺、套管装配到接触体消耗劳力、组装的元件需额外紧密公差以及因陶瓷与不锈钢之间膨胀系数有差异导致的元件意外破裂。
图2. MIL-T-29504/10型插针接触件和MIL-T-29504/11型插孔接触件
陶瓷的地位如今受到了最新的螺纹加工设备的挑战。这种设备可以制造出全金属单体接触件,而它的公差等同于多模应用中的陶瓷部件。图2示出了一件式MIL-T-29504/10型插针接触件和MIL-T-29504/11型插孔接触件的实例。目前对不锈钢接触件,在规模生产基础上所保持的临界公差是3mm(约1/10000英寸)。也就是说光纤孔径是3mm且相对于外接触件直径的(光纤)孔的同心度是3mm。
与陶瓷相比钢的另一个优点是不锈钢自身机加工的多方面的适应性。对于非标准尺寸光纤的孔简单的改变刀具就可以完成。插孔接触件由机加壳体和与螺旋线圈弹簧及环氧树脂预型件结合在一起的护套构成。这种接触件是为了与标准军用圆形连接器壳体一同使用而设计的。一件式插针接触件的外套尺寸基本与标准的军用规范铜线接触件相同。
3.5 新型凹形端面结构
    除了光纤对准以外,光纤连接最重要的因素是光纤端面的研磨。一般端面研磨成凸面状,称为物理接触。这种接触界面在柔和的环境下工作效果很好。但对于承受振动和冲击的设备,玻璃界面易划伤,从而降低光性能。

图. 光纤端面的研磨 

    一种新的端面结构已经研制出来可以承受军事应用中恶劣的经常性的长期振动中,光纤的端部被研磨成凹面形状以便在相对的光纤之间形成可精细控制的气隙(见图3)。这独特的研磨方法可产生稳定的光连接,在整个连接器寿命期间可保持插耗值低于1.2dB。首先对接触件/环氧/光纤结构施加目标接触件弹力,进行有限元分析来确定光纤端面形貌的要求,然后按经验进行测量来验证该结构内的弹性变形,最后,在振动等级超过圆形连接器军用标准的条件下测试样品。
4结语
    光通信的迅猛发展对军用光纤连接器提出了苛刻的要求同时也为军用光纤连接器的发展提供了市场机遇,光纤连接器在军用连接器市场的比重将提高。在2003年的伊拉克战争中,美军首次试验了网络中心战(Network Centric Warfare)模式,支持这场网络中心战的核心平台则是位于多哈附近的美军中央司令部的可移动司令部设施。该设施就是一个高速光纤骨干网络,速度比起上次海湾战争快了7倍,很大原因在于高速光纤网络的启用大大加快了数据传输速度,扩展了传输能力。美国军方正计划将主流军事平台由铜系统转向光纤系统,军用光纤连接器作为光纤系统高速信号传输的一个关键环节,其重要性和发展前景是完全可预期的。

参考文献:
1. Horwitz D,`COTS Fiber Optic Connectors for Harsh Environments’ , the Optical Fiber Communication Conference 2000, March 5-10, 2000, Baltimore.
2.`Optical revolution prompts a search for new military connectors’, Military & Aerospace Electronics March, 2003.
3. 吴世湘,‘军用连接器技术发展趋势’,电子产品世界,2004.8.



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