先進(jìn)的光纖組件支持航空航天和國(guó)防領(lǐng)域的新應(yīng)用

光纖技術(shù)的最新進(jìn)展導(dǎo)致航空航天和國(guó)防應(yīng)用中對(duì)光學(xué)數(shù)據(jù)鏈路和傳感器的需求不斷增長(zhǎng)。與在軍事應(yīng)用中廣泛部署的基于銅纜的數(shù)據(jù)鏈路相比，光纖數(shù)據(jù)鏈路具有許多優(yōu)勢(shì)。以下討論探討了傳統(tǒng)光纖組件在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域的一些優(yōu)勢(shì)和局限性，新的平面光波電路（PLC）技術(shù)如何徹底改變這一市場(chǎng)，以及如何在下一代系統(tǒng)中部署PLC技術(shù)。

新型軍用和航空航天器的設(shè)計(jì)對(duì)部件的尺寸和重量施加了許多限制，同時(shí)也需要更多的嵌入式傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)機(jī)身和關(guān)鍵系統(tǒng)的狀況。由于車輛結(jié)構(gòu)內(nèi)部的可用空間和重量允許，這些系統(tǒng)的布線變得非常復(fù)雜。

新材料也影響了現(xiàn)代汽車的制造方式。先進(jìn)的復(fù)合材料在現(xiàn)代車輛中正變得司空見慣。雖然這些材料可以節(jié)省大量重量，但它們對(duì)無(wú)線電波等電磁能量實(shí)際上是透明的。因此，這些車輛可能比更傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)更容易受到電磁干擾，這些金屬結(jié)構(gòu)部分像法拉第籠一樣起作用，以部分保護(hù)內(nèi)部的電子設(shè)備。

近年來(lái)，船上通信網(wǎng)絡(luò)也發(fā)生了巨大變化。在許多船上發(fā)現(xiàn)的通信基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)在與以前可能為整個(gè)城市提供服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施更具可比性。雖然傳統(tǒng)系統(tǒng)可能以155 Mbps的速度運(yùn)行，但新的船上技術(shù)可以在一根光纖上打包10個(gè)或更多通道，每個(gè)通道支持10 Gbps。已經(jīng)證明，光鏈路能夠以超過(guò)10 Gbps的速度傳輸混合數(shù)字和模擬信號(hào)，而銅纜連接則為100 Mbps。除了更高的數(shù)據(jù)速率外，光纖還可以傳輸損耗低至0.2 dB/km的光，這對(duì)于大多數(shù)船舶和飛機(jī)應(yīng)用而言實(shí)際上是無(wú)損的，從而可以保持較低的功率預(yù)算。傳統(tǒng)的光纖元件在航空航天和國(guó)防應(yīng)用中存在一些局限性，下面的討論探討了平面光波電路（PLC）如何在許多當(dāng)前和未來(lái)的應(yīng)用中取代現(xiàn)有技術(shù)。

光纖的優(yōu)勢(shì)和局限性

光纖允許使用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，其中許多不同的通道可以通過(guò)在不同顏色（或波長(zhǎng)）的光上發(fā)送來(lái)沿著同一根光纖傳輸。這可以顯著減小電纜布線的尺寸、重量和復(fù)雜性。

由于只有光信號(hào)沿著這些光纖傳播，因此它們有效地免受電磁干擾。此外，光纖不會(huì)產(chǎn)生火花或火災(zāi)危險(xiǎn)，如果需要，甚至可以沿著或穿過(guò)燃料艙進(jìn)行布線。

光纖最顯著的缺點(diǎn)之一是依賴迄今為止大多數(shù)應(yīng)用中使用的傳統(tǒng)微光學(xué)組件。迄今為止，幾乎所有的光學(xué)元件都是使用微型透鏡、濾光片和其他光學(xué)元件制造的，這些元件是手工對(duì)齊并粘合到位的。此方法存在幾個(gè)潛在問(wèn)題。

首先，對(duì)齊這些微光學(xué)元件所涉及的勞動(dòng)是成本的很大一部分，這導(dǎo)致幾乎所有的組裝都是在海外完成的。此外，許多零件一起環(huán)氧樹脂的零件存在子組件在惡劣環(huán)境、高振動(dòng)或機(jī)械沖擊中被敲出對(duì)齊的風(fēng)險(xiǎn)。這在航空航天應(yīng)用中尤其重要，在這些應(yīng)用中，振動(dòng)或沖擊高達(dá)20 g加速度并不少見。最后，單個(gè)光學(xué)模塊中可以包含的功能量受到單個(gè)封裝中可以可靠對(duì)齊的子組件數(shù)量的顯著限制。

平面光波電路或PLC光芯片技術(shù)解決了所有這些缺點(diǎn)。該P(yáng)LC平臺(tái)將許多相同的光學(xué)功能折疊到硅芯片上。幾乎可以為任何應(yīng)用設(shè)計(jì)和開發(fā)定制光學(xué)電路。如圖1所示，這些光學(xué)芯片在視覺上看起來(lái)與電子芯片類似，實(shí)際上是使用非常相似的工藝制造的。然而，除了在任何硅芯片上發(fā)現(xiàn)的典型電氣連接外，這些PLC芯片還具有光學(xué)連接，以光學(xué)方式接收或傳輸信號(hào)進(jìn)出PLC芯片。

該光學(xué)芯片采用小型封裝，設(shè)計(jì)用于焊接到常見的印刷電路板上。結(jié)果是一個(gè)非常緊湊，輕巧的光學(xué)模塊，在組裝時(shí)實(shí)際上是單個(gè)芯片，最大限度地減少了在高振動(dòng)或沖擊期間零件錯(cuò)位的可能性。能夠以2.5 Gbps的速度發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的完整雙向收發(fā)器可以集成在小于4 x 10 mm，重量小于5克的芯片上。這些基于芯片的收發(fā)器可以承受苛刻的重力，包括振幅為20 g加速度的正弦振動(dòng)，以及隨后的500 g加速度的機(jī)械沖擊。這些組件能夠在超過(guò) 125 °C 的范圍內(nèi)進(jìn)行溫度循環(huán)。

PLC 提供其他平臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能

雖然幾乎任何光學(xué)功能都可以集成在硅芯片上，但在某些情況下，混合方法是有利的，其中小型芯片也集成到PLC平臺(tái)上。例如，非常高性能的激光器可以用磷化銦制造，并作為混合方法的一部分集成到PLC上。這使得光學(xué)芯片能夠提供最先進(jìn)的性能，根據(jù)需要利用不同的材料系統(tǒng)。

所有這些混合集成都可以使用通常用于電子裝配的機(jī)器人拾取和放置機(jī)器來(lái)完成。這些定制機(jī)器每20秒可以粘合一個(gè)新芯片，具有極佳的可重復(fù)性，非常適合批量生產(chǎn)。同樣重要的是，這種方法需要非常少的動(dòng)手勞動(dòng)，允許這些產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。

光子集成技術(shù)允許開發(fā)超緊湊和輕巧的通信組件，如光收發(fā)器。光收發(fā)器是光纖通信系統(tǒng)中必不可少的組件。它們?cè)趩蝹€(gè)外殼中同時(shí)包含發(fā)射器和接收器，并且可以通過(guò)單根光纖傳輸上游和下游混合數(shù)字和模擬信號(hào)。

目前，為航空航天和國(guó)防應(yīng)用設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的光收發(fā)器是使用傳統(tǒng)的微光學(xué)技術(shù)制造的。在單個(gè)密封封裝中組裝大量關(guān)鍵對(duì)齊的微光學(xué)元件的復(fù)雜性使得這些收發(fā)器價(jià)格昂貴，并且在苛刻的軍事應(yīng)用中容易發(fā)生故障。

平面光波電路技術(shù)能夠在光收發(fā)器的可靠性和成本方面提供出色的改進(jìn)，并且是航空航天和國(guó)防通信系統(tǒng)向前邁出的重要一步。

航空航天和國(guó)防領(lǐng)域的早期應(yīng)用

例如，這種堅(jiān)固耐用的PLC平臺(tái)非常適合多通道冗余收發(fā)器的開發(fā)。最初為電信行業(yè)開發(fā)的光子技術(shù)已被利用，將不同波長(zhǎng)的多個(gè)信號(hào)組合到一根公共光纖上，使用集成到PLC芯片中的專有濾波技術(shù)，不需要外部濾波器或透鏡。如果一個(gè)收發(fā)器發(fā)生故障，其他收發(fā)器仍可為關(guān)鍵的航空電子系統(tǒng)提供支持。收發(fā)器能夠進(jìn)行2.5 Gbps的傳輸，同時(shí)以2.5 Gbps的速度接收下行流量，同時(shí)在第三個(gè)通道上接收模擬視頻信號(hào)。

該收發(fā)器封裝在非常緊湊的外殼中，設(shè)計(jì)用于輕松安裝和焊接到標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板上。該收發(fā)器模塊最初是為無(wú)人機(jī)（UAV）而開發(fā)的，盡管它已經(jīng)針對(duì)許多其他應(yīng)用進(jìn)行了定制。

雖然圖2所示的收發(fā)器支持三個(gè)通道，每個(gè)通道的運(yùn)行速率高達(dá)2.5 Gbps，但某些應(yīng)用需要更大的容量。非常靈活的PLC平臺(tái)在通道數(shù)和數(shù)據(jù)速率方面都完全可擴(kuò)展。埃能登斯科技制造基于PLC的多通道接收器模塊，包括一個(gè)8通道波分復(fù)用器，以及8個(gè)接收器通道，每個(gè)通道的運(yùn)行速度超過(guò)10 Gbps，全部集成在一個(gè)硅平臺(tái)上。該接收器模塊與匹配的發(fā)射器模塊一起，旨在形成船上通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。埃能登斯科技的更多制造工作都集中在特定應(yīng)用特有的定制模塊上。

光學(xué)元件的未來(lái)

本文已經(jīng)研究了可以基于平面光波電路開發(fā)的光學(xué)模塊的一些基本示例。這些模塊明顯更先進(jìn)的情況并不少見，通常在單個(gè)芯片上包含數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)光學(xué)元件。使用更傳統(tǒng)的光學(xué)平臺(tái)通常甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的功能，并且正在為航空航天和國(guó)防應(yīng)用中的光纖開辟新的應(yīng)用，包括通信、傳感器和監(jiān)控。在回顧傳統(tǒng)光纖的一些優(yōu)勢(shì)和局限性時(shí)，很明顯PLC如何在當(dāng)前和未來(lái)的國(guó)防應(yīng)用中取代這些技術(shù)。

審核編輯：郭婷