现有光学互连技术与航空航天应用

摘要： 本文介绍了光学互连技术在航空航天中的应用历程，简述了为满足航空航天应用要求，业界所进行的改进与发展。

关键词： 光学互连技术；航空航天；应用；发展

引言

电子和计算机工业技术的飞速发展，提高了对系统的数据处理能力、数据传输运算速率及效率(误码率)等的要求。为了解决非模块化结构和电缆作为数据传输通道时系统的数据传输和处理能力局限性大这个问题，一些装备逐步采用光学互连系统来代替铜基传输系统，光纤和接头等光学元件的使用需求越来越大(如图1)。另外为了降低发送、接收、转换和互连技术的价格以降低传输成本、摆脱铜基系统带宽的局限性，一些企业增加了在光学元件上的投入。经过多年努力，到上世纪90年代后期，一系列新型光学技术投放市场，大幅降低了网络系统中的光学数据传输成本度，推动了因特网等系统的快速发展。

图1 光学元件的应用

吸纳了大量投资的商用光学技术在军事领域得到了应用的机遇，许多商用光学方案可以再利用，以满足军事需求。在一些航空航天系统中，设计师开始尝试采用光学元件。但是过去为商用开发的光学元件通常是比较粗劣(性能低、可靠性差)的产品，即使再提高其成本也不能提高其综合性能，很难达到航空航天应用的要求(商用/通信与军事应用/航天部分要求比较见表1)。因此一些公司着手进行现有光学互连技术在航空航天应用方面的研究，例如Canon公司就尝试将用于通信业的低成本、高性能光学互连技术通过进一步研究、改进，应用到航空航天领域，其研究成果同时具有军级元件的耐用性和商用元件的低成本优点。

现有光学技术在航空航天系统中的应用历程

虽然材料(塑料)、封装形式(非密封)、环境条件(湿气、灰尘、振动、冲击)等因素限制了纯粹现有光学技术在系统中的直接应用，但是光学技术在航空航天领域依然有很好的应用前景。例如，在NP-3C航行器、F-35JSF等系统中对数据传输系统的重量都有限制，而且由于光学传输系统的传输数据的能力强，可以使航行器能够正确接收传感器、传输系统和目标系统的数据，因此需要采用光学互连方案，在将来的军用领域，对光学数据传输应用的要求将逐步加大。

航空航天系统的设计师们一直关注光学互连技术的发展，并想方设法在新的系统中采用这些技术，来提高装备在严酷空间环境中运行的可靠性。他们的目的有三个：一是通过用质量轻的光学系统代替沉重的铜系统，来减轻装备自身重量，提高装备灵活性和承载能力；二是用光学系统代替铜系统可以降低装备对电磁场辐射的敏感性，提高其抗干扰能力；三是提高数据控制能力，提高装备的性能和精度。波音的 F-18改进计划和Lockheed Martin的 JSF是光学互连技术应用于军事领域的关键转折点。在两个平台中如果存在光学元件方面的维护能力问题，那么将来所有的飞行系统将可能仍然使用低成本的铜基结构而放弃光学互连系统，所幸没有出现上述问题。同样，美国海军第二代驱逐舰“DDX”对光学元件在海洋平台上的应用进行了初次公开展示。这些计划的成功，增强了光学互连在航空航天领域应用的可能性。

MIL-T-29504是近20年发展起来的特殊光学终端系统(如图2)。虽然这种方案的机械连接方案成本较低，但因光学终端的成本高造成网络成本较高，另外，该系统的光学性能也非常差。例如，62/125mm光纤的典型插入损耗超过0.4dB，最大值接近1.0dB。所以存在需要增加使用昂贵的光学放大器或不能实现方案的模块化的缺点。为了解决传统MIL-T-29504光学终端的这个问题，使其能满足军用要求，一些公司纷纷推出替代传统MIL-T-29504光学终端的新方案，其中Canon公司推出的PHD光学互连产品成本低、性能优良，可以军民两用。

图2 MIL-T-29504光学终端

其他一些光学互连产品的插入损耗性能也较差。这在F-18平台上的试验已经得到证明：在F-18 改进计划中，多通道光学连接上应用了公差不严的电连接器壳体是链路性能低的根本原因。详细的统计分析表明：实际的腔体位置失准(如图3)，应控制在与标准的MIL-C-38999键和腔体相差0.068英寸范围内。为了达到这个要求，一些公司采取了一系列相应措施，而Canon公司则是通过生产非常特殊的38999连接器组件来解决MIL-C-38999互连问题：绝缘体组件精密对准、而且壳体采用昂贵、精密的CMC加工，虽然减少了问题但增加了成本。

图3 MIL-C-38999产品插头和插座腔体失准示意图
    
空间环境对光学互连发展的促进

光学互连结构的最大难点不是保持连接点高性能，而是在两根光纤连接时，如何使环境对其影响减小的问题。典型的环境影响包括机械(冲击/振动)、温度和污染。大多数原始航空设备制造商尝试继续使用高弹力、质量轻的终端及不采用抛光角方案的物理接触光学系统，来解决冲击/振动问题；通过对所配套的装备和单个通道口的清洁和维护来解决污垢和污染问题。例如，Lucent的LC连接器耐冲击环境的性能超过65g，这种特殊的LC连接器的啮合力在原来的(1.1磅)基础上又增加了10~20%，因此提高了该连接器在巨大的冲击环境下的工作能力。而对于商用互连来说，由于受到锁紧机构机械特性的限制(如塑料制成的锁紧机构在啮合力较大时会损坏而失效)，所以在巨大的冲击环境下的工作能力的提升则受到限制。

减轻终端重量

众所周知，减轻终端重量要通过减小尺寸或密度、或二者同时减小来实现。由于塑料套管重量轻、成本较低，所以业界对其在高性能系统中的应用进行了多年的研究，但是在多模光纤领域的应用进展很小，而单模领域根本没有进展。很多厂家转而开始制作陶瓷套管的研究工作，并取得了很大进展。陶瓷套管可以做得很小，如为Telcordia GR-326小型光学互连方案研制的氧化锆陶瓷套管基本尺寸仅为1.25mm；有些厂家也进行了0.80mm陶瓷套管的尝试，但由于在啮合时容易损坏，所以大多数系统设计师不采用此方案，但是在将来的高压力、剧烈冲击/振动环境条件下工作的航空系统中的应用将会非常大。

改进端面结构

推动端面角抛光方案商业应用的原因有两个:一是在对噪声反射灵敏的系统中期望得到非常低的反射损耗；二是由于在封装密度许可的条件下，期望使用带状结构。对一般的系统设计师来说可以采用角抛光方案，但是在大多数航空应用的带状结构内应慎重使用端面角抛光方案，因为在严酷的振动环境中，这种方案会加大不对准性，即使是稍微有7～8度的端面角，也会直接导致纤芯不对准而使性能降低。使用劈槽陶瓷套管终端方案，可以稍微减轻这些问题，但是必须注意选择端面的啮合力，减小套管槽的开口尺寸。而带状结构连接器受端面几何结构的限制，而且在带状线纵向终端仅有2个插脚对接，因此在温度升高、冲击/振动的条件下，接近插脚的塑料支架会因承受载荷过高而产生塑性变形，所以几乎不可能保持稳定的性能。为了解决这些问题，设计师们积极改进结构方案，以满足航空应用的要求。

关键性能(损耗)提升

在航空航天系统中，插入损耗是一个非常关键的指标，对于大功率源、单模或有足够的链路冗余保证连接的适应性场所，也非常重要。努力使系统中的每个互连点的插入损耗很小，同时减少远程传输中新增点的数目(新增点不仅增加光电成本，而且会增加系统失效的可能性)，使整个光学系统的插入损耗降到最小。使用带状结构的高密度互连封装几乎不可能保持稳定的损耗性能，如配接损耗小于0.02dB的SMF-28单模兼容光纤的所有通道，很难全部满足插入损耗小于0.35dB的要求，对带耦合带结构的每个通道的修理和维护也不方便。一些公司积极改进方案，降低插入损耗，并提高其稳定性。例如，根据高性能MEMS的要求，Canon开发了带状光纤互连结构的低成本、高性能、高密度装配的替代方案。

关键元件技术提高

光纤连接器是光学互连系统中使用量最大的光无源元器件，广泛应用于通信、局域网(LAN)、光纤到户(FTTH)、高质量视频传输、光纤传感、测试仪器仪表等。绝大多数光纤连接器结构见图4，其中套管为关键的构成元件，其技术水平的高低直接影响光纤连接器的整体尺寸、重量、机械性能、光学性能及耐环境性能，对整个光学互连系统的性能起到重要作用。从材料、结构、性能等方面来说，套管的技术水平有了很大的提高。材料的性能越来越优良，工艺方法越来越先进，尺寸越来越小，性能越来越高。例如，1.25mm氧化锆陶瓷套管成本低、光学性能稳定，而且可靠性和耐久性高。但最重要的是尺寸小、重量轻，这样对以后的光学方案在航空航天领域的应用非常有利。

图4    光纤连接器的一般结构

Canon 1.25mm陶瓷方案典型的光学性能的测量值列于表2。1.25mm陶瓷套管陶瓷市场的开发，使同轴度为0.5mm或更小的套管成本大幅度降低，同时1.25mm陶瓷套管方案保证了光学元件的关键特性，但另一个挑战是元件的高密度封装。为了满足带状结构方案的封装密度，任何新的结构应能保证每平方英寸容纳的光纤终端数超过40路，这样只有陶瓷封装方案及其保持系统不占空间才有可能。而由于1.25mm现有技术引入航空型封装方案，系统设计师可供选择的互连方案得到快速发展。

减小环境污染的影响

从理论上来说，光学互连系统中的连接点处于无污染条件下是最理想的，但在现实中这种情况是不可能的。由于在连接点位置总是存在污染，所以应考虑光学元件在使用现场的清洁、维护、测试和修理的能力。

对通信业来说，光学元件的现场安装和维护非常重要，受到业界的广泛关注，一些公司(如Lucent，Nortel，Alcatel和Cisco)投入了大量的人力和财力，研究出了许多现场试验、清洁和检验装备，如光功率检测设备、端面检查设备、端面清洁设备、现场抛光设备等等(见图5)。光学元件在航空应用时，可以使用这些现有设备，对光学元件进行清洁、维护、检测，使其关键性能达到航空航天应用的要求。这一点已通过一些公司的实践经验得到证明，如在波音777中，光学数据LAN已经使用超过10年，且使用频繁，但没有在互连点出现失效的情况。

图5  现场试验、清洁和检验装备
　　
结语

光学互连系统具有以下特点：(1)数据传输效率高；(2)减少了铜缆和防护层，系统重量轻；(3)光纤本身固有的对电磁波频谱的不敏感性，减小了EMI的影响，而且严酷环境下的性能稳定、现场维护、检查修理等问题也已被通信行业的工程师们解决。这些特点决定了现有光学互连技术在航空航天等领域的应用将继续增加。同时，航空航天领域的应用需求也势必为光学互连技术提出新的挑战与发展机遇。

参考文献
1. Jay Betker，Cots Fiber Optic Interconnect Technology Deployment In Aerospace Enviroment.
2. 续川军，吴世湘，军事/航天应用：加速推动光纤连接器的发展，电子产品世界，2006.05
3. GJB5021-2003，柔软和半硬电缆用高可靠射频连接器通用规范，总装备部军标出版发行部