先进的光纤组件支持航空航天和国防领域的新应用

光纤技术的最新进展导致航空航天和国防应用中对光学数据链路和传感器的需求不断增长。与在军事应用中广泛部署的基于铜缆的数据链路相比，光纤数据链路具有许多优势。以下讨论探讨了传统光纤组件在航空航天和国防领域的一些优势和局限性，新的平面光波电路（PLC）技术如何彻底改变这一市场，以及如何在下一代系统中部署PLC技术。

新型军用和航空航天器的设计对部件的尺寸和重量施加了许多限制，同时也需要更多的嵌入式传感器来监测机身和关键系统的状况。由于车辆结构内部的可用空间和重量允许，这些系统的布线变得非常复杂。

新材料也影响了现代汽车的制造方式。先进的复合材料在现代车辆中正变得司空见惯。虽然这些材料可以节省大量重量，但它们对无线电波等电磁能量实际上是透明的。因此，这些车辆可能比更传统的金属结构更容易受到电磁干扰，这些金属结构部分像法拉第笼一样起作用，以部分保护内部的电子设备。

近年来，船上通信网络也发生了巨大变化。在许多船上发现的通信基础设施现在与以前可能为整个城市提供服务的基础设施更具可比性。虽然传统系统可能以155 Mbps的速度运行，但新的船上技术可以在一根光纤上打包10个或更多通道，每个通道支持10 Gbps。已经证明，光链路能够以超过10 Gbps的速度传输混合数字和模拟信号，而铜缆连接则为100 Mbps。除了更高的数据速率外，光纤还可以传输损耗低至0.2 dB/km的光，这对于大多数船舶和飞机应用而言实际上是无损的，从而可以保持较低的功率预算。传统的光纤元件在航空航天和国防应用中存在一些局限性，下面的讨论探讨了平面光波电路（PLC）如何在许多当前和未来的应用中取代现有技术。

光纤的优势和局限性

光纤允许使用波分复用（WDM）技术，其中许多不同的通道可以通过在不同颜色（或波长）的光上发送来沿着同一根光纤传输。这可以显著减小电缆布线的尺寸、重量和复杂性。

由于只有光信号沿着这些光纤传播，因此它们有效地免受电磁干扰。此外，光纤不会产生火花或火灾危险，如果需要，甚至可以沿着或穿过燃料舱进行布线。

光纤最显着的缺点之一是依赖迄今为止大多数应用中使用的传统微光学组件。迄今为止，几乎所有的光学元件都是使用微型透镜、滤光片和其他光学元件制造的，这些元件是手工对齐并粘合到位的。此方法存在几个潜在问题。

首先，对齐这些微光学元件所涉及的劳动是成本的很大一部分，这导致几乎所有的组装都是在海外完成的。此外，许多零件一起环氧树脂的零件存在子组件在恶劣环境、高振动或机械冲击中被敲出对齐的风险。这在航空航天应用中尤其重要，在这些应用中，振动或冲击高达20 g加速度并不少见。最后，单个光学模块中可以包含的功能量受到单个封装中可以可靠对齐的子组件数量的显着限制。

平面光波电路或PLC光芯片技术解决了所有这些缺点。该PLC平台将许多相同的光学功能折叠到硅芯片上。几乎可以为任何应用设计和开发定制光学电路。如图1所示，这些光学芯片在视觉上看起来与电子芯片类似，实际上是使用非常相似的工艺制造的。然而，除了在任何硅芯片上发现的典型电气连接外，这些PLC芯片还具有光学连接，以光学方式接收或传输信号进出PLC芯片。

该光学芯片采用小型封装，设计用于焊接到常见的印刷电路板上。结果是一个非常紧凑，轻巧的光学模块，在组装时实际上是单个芯片，最大限度地减少了在高振动或冲击期间零件错位的可能性。能够以2.5 Gbps的速度发送和接收数据的完整双向收发器可以集成在小于4 x 10 mm，重量小于5克的芯片上。这些基于芯片的收发器可以承受苛刻的重力，包括振幅为20 g加速度的正弦振动，以及随后的500 g加速度的机械冲击。这些组件能够在超过 125 °C 的范围内进行温度循环。

PLC 提供其他平台无法实现的功能

虽然几乎任何光学功能都可以集成在硅芯片上，但在某些情况下，混合方法是有利的，其中小型芯片也集成到PLC平台上。例如，非常高性能的激光器可以用磷化铟制造，并作为混合方法的一部分集成到PLC上。这使得光学芯片能够提供最先进的性能，根据需要利用不同的材料系统。

所有这些混合集成都可以使用通常用于电子装配的机器人拾取和放置机器来完成。这些定制机器每20秒可以粘合一个新芯片，具有极佳的可重复性，非常适合批量生产。同样重要的是，这种方法需要非常少的动手劳动，允许这些产品在国内生产。

光子集成技术允许开发超紧凑和轻巧的通信组件，如光收发器。光收发器是光纤通信系统中必不可少的组件。它们在单个外壳中同时包含发射器和接收器，并且可以通过单根光纤传输上游和下游混合数字和模拟信号。

目前，为航空航天和国防应用设计和生产的光收发器是使用传统的微光学技术制造的。在单个密封封装中组装大量关键对齐的微光学元件的复杂性使得这些收发器价格昂贵，并且在苛刻的军事应用中容易发生故障。

平面光波电路技术能够在光收发器的可靠性和成本方面提供出色的改进，并且是航空航天和国防通信系统向前迈出的重要一步。

航空航天和国防领域的早期应用

例如，这种坚固耐用的PLC平台非常适合多通道冗余收发器的开发。最初为电信行业开发的光子技术已被利用，将不同波长的多个信号组合到一根公共光纤上，使用集成到PLC芯片中的专有滤波技术，不需要外部滤波器或透镜。如果一个收发器发生故障，其他收发器仍可为关键的航空电子系统提供支持。收发器能够进行2.5 Gbps的传输，同时以2.5 Gbps的速度接收下行流量，同时在第三个通道上接收模拟视频信号。

该收发器封装在非常紧凑的外壳中，设计用于轻松安装和焊接到标准印刷电路板上。该收发器模块最初是为无人机（UAV）而开发的，尽管它已经针对许多其他应用进行了定制。

虽然图2所示的收发器支持三个通道，每个通道的运行速率高达2.5 Gbps，但某些应用需要更大的容量。非常灵活的PLC平台在通道数和数据速率方面都完全可扩展。埃能登斯科技制造基于PLC的多通道接收器模块，包括一个8通道波分复用器，以及8个接收器通道，每个通道的运行速度超过10 Gbps，全部集成在一个硅平台上。该接收器模块与匹配的发射器模块一起，旨在形成船上通信网络的基础。埃能登斯科技的更多制造工作都集中在特定应用特有的定制模块上。

光学元件的未来

本文已经研究了可以基于平面光波电路开发的光学模块的一些基本示例。这些模块明显更先进的情况并不少见，通常在单个芯片上包含数十甚至数百个光学元件。使用更传统的光学平台通常甚至无法实现这种级别的功能，并且正在为航空航天和国防应用中的光纤开辟新的应用，包括通信、传感器和监控。在回顾传统光纤的一些优势和局限性时，很明显PLC如何在当前和未来的国防应用中取代这些技术。

审核编辑：郭婷