基于Ayar Labs光学I/O方案的新型传感平台在国防应用

击败对手的关键？寻找并利用差异化优势。

说起来容易做起来难。毕竟，从战场、武器装备到辅助设备，整个环境都在不断演变。因此，今天的战场更像是快节奏、高分辨率的视频游戏，而不是历史战场。简而言之，战争已经数字化，而且随着数据驱动的数字空间继续渗透到我们的现实中，这种趋势只会加剧。

在数字世界中，收集、分析和使用所有类型数据的速度，通常会对结果造成重大影响。“在现代和未来的战场中，是否能够快速做出正确的决定存在巨大的区别，”洛克希德马丁公司高级技术实验室的高级研究工程师兼项目经理迈克尔霍夫（Michael Hoff，senior research engineer and program manager for Lockheed Martin’s Advanced Technology Laboratories）说。“因此，小延时的流程平台使观察（Observe）、定位（Orient）、决定（Decide）、行动（Act，“OODA”） 循环能够更快地运转。”

今天的设备依赖于一系列系统（雷达、通讯等）来引导飞机、绘制飞行路线图和管理通信系统。目前，推动这些应用的核心技术是用于通信和传感的定向光束。当然，更高保真度的应用程序（higher-fidelity applications）需要多功能传感器以及大带宽通讯的能力，以获得及时、可操作的洞察力。各种防御平台都需要传输和处理不断增长的数据量，同时最大限度地提高效率和减小时延。超越传统的电气互联技术。

“着眼于响应未来战场需求的下一代平台概念，数据量的增长速度没有任何放缓的迹象，”霍夫说。“随着战场上数据的复杂性和数量不断增加，更快的决策制定至关重要。利用 Ayar Labs 的光学 I/O 解决方案的新型传感平台在国防部应用中非常重要，可以捕获、数字化、传输和处理光谱信息。”

洛克希德马丁公司正与 Ayar Labs 合作开发多芯片封装 （multichip package，MCP） 解决方案，将高密度、高效的光学 I/O 小芯片（chiplets）与射频 （RF） 处理设备放置在同一微电子封装中。Ayar Labs 的 TeraPHY 光学 I/O 小芯片和 SuperNova 光源的开发和集成，使得整个平台更快、更高效、更可靠的数据传输。操作人员利用相控阵孔径（phased-array apertures）连接系统，做出更明智、更快速的决策。

这个系统如何工作？

Ayar Labs 的光学 I/O 解决方案使用行业标准的高产量、高性价比的硅处理技术，开发高速、高密度、低功率光学互连 CMOS“小芯片”和多波长激光器，以取代传统的基于电的输入/输出。“TeraPHY 小芯片是第一个单片封装光学 I/O 小芯片，消除了传统基于电子系统中的瓶颈问题。TeraPHY 光学 I/O 小芯片与多波长光源 SuperNova 相结合，以标准电气 I/O 1/10的功率，提供高达 1000 倍的带宽效果，并使 ASIC 能够在很宽的距离范围内（从毫米到两公里）相互通信。

Ayar Labs 首席执行官 Charlie Wuischpard 说：“TeraPHY 光学 I/O 小芯片使用微环来调制 SuperNova 激光器，将电子数字数据转换为光的形式进行传输。这个过程极大地扩展了带宽，使数百个芯片上的设备能够实现突破性的密度、节能和改进的性能。”

这些多功能感官系统还创建了一个可重构的架构（reconfigurable architecture）。“在以前的设计中，平台只有一个一对一的传感器——不提供可重构性，”Hoff 说。“拥有一个可重新配置的系统好处很多，比如需要访问频谱，可以让系统随时使用当时需要的传感器。同时，Ayar Labs 的光学 I/O 解决方案也具备高带宽路由互连的功能。”

此类技术也适用于云/数据中心、电信、HPC/AI、智能边缘等多种应用。Wuischpard 说：“这项技术的基本功能同样适用于这些应用：以更高的带宽、更低的延时和功耗在微芯片之间传输数据。”从军事角度来看，支持光学 I/O 的潜在应用包括与轨道飞行器的地对空通信、相控阵雷达和通信系统、无人驾驶飞机系统、互连卫星之间的通信，以及其他应用（比如：航空行业拥挤空域的空中交通管制系统）。

项目实施的障碍

（1）同步和高速：在构建聚合相控阵系统（converged phased-array system）时同时存在许多挑战。“首先，要求射频组件满足高敏捷性的访问频谱”，Hoff 说。“然后，就要快速消化和理解这些信息所需的数字处理；最后，传感器和处理资源之间的数据传输，这可能导致低延迟信息流。”总之难题很多。

（2）环境恶劣：在航空航天和国防应用领域存在特殊的要求，包括极端温度、辐射环境和电子战 （EW） 干扰。对于技术优劣势的权衡普遍存在于电子设计中。“在航空航天开发中，尺寸、重量和功率 （SWaP） 是许多设计问题的核心，之间存在不少的矛盾点。减小组件的尺寸和重量并最大限度地降低功耗是现代航空航天运营的战略和后勤要求，”Wuischpard 说。

（3）新技术与未淘汰技术的融合：下一代技术与目前已经在国防领域部署的许多遗留设备相结合也存在挑战。“RFIC（射频集成电路）和数字信号处理单元 （DSP） 等传统组件可以继续使用，”Wuischpard 说。“增加的光学收发器，将使来自传感器阵列的数据一起处理。”

部署基于光学 I/O 的传感系统是一个包含多个阶段的长期计划。而且因为它是预研项目，所以并没有严格的部署时间表。但目前的计划是在 2024 年完成工作，并将其过渡到洛克希德马丁公司的各个业务领域。审核编辑：郭婷