加速推動(dòng)光纖連接器的發(fā)展

摘要：軍事/航天設(shè)備處理和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量日益增大促使新的軍事裝備中光纖傳輸將逐步取代銅傳輸, 軍用光纖連接器技術(shù)在MIL/COTS產(chǎn)品的使用、全金屬接觸件、新型光纖端子、擴(kuò)束光纖連接器等方面得到了嶄新的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：軍事/航天；光纖轉(zhuǎn)換；連接器；發(fā)展動(dòng)向

1.引言
    20世紀(jì)90年代以來(lái)高科技逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，不論是“電子戰(zhàn)”、“信息戰(zhàn)”還是“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”，其實(shí)現(xiàn)均是基于高性能的信息技術(shù)。隨著軍事/航天設(shè)備處理和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來(lái)越大，傳統(tǒng)基于銅構(gòu)架的系統(tǒng)對(duì)于大流量、高速數(shù)據(jù)傳輸日益捉襟見(jiàn)肘，研究表明當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸超過(guò)10Gb/s時(shí)，銅系統(tǒng)將難以勝任。與銅和同軸電纜相比，光纖的最大優(yōu)勢(shì)在于廉價(jià)地提供更高的寬帶、更快的傳輸速度、更輕的重量同時(shí)抗EMI/RFI。
商用光纖技術(shù)的成熟讓美國(guó)軍方開(kāi)始支持在軍事系統(tǒng)中應(yīng)用光纖技術(shù)。軍方現(xiàn)在正進(jìn)行三項(xiàng)銅系統(tǒng)向光纖系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換計(jì)劃并將這些計(jì)劃作為關(guān)鍵的試驗(yàn)點(diǎn)。
（1）在新型F-22噴氣式戰(zhàn)機(jī)和聯(lián)合攻擊機(jī)（JSF）上采用光纖系統(tǒng)，并且對(duì)機(jī)載警報(bào)控制系統(tǒng)（AWACS）的戰(zhàn)機(jī)和F/A 18 殲擊轟炸機(jī)進(jìn)行光纖升級(jí)。
（2）第二個(gè)計(jì)劃是“Hairy Buffalo”計(jì)劃，將老式的NP-3飛機(jī)變成一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)為目標(biāo)的專(zhuān)用研究試驗(yàn)基地，從NP-3上卸除1000公斤銅纜極大地提高了有效載荷。
（3）第三個(gè)涉及光纖轉(zhuǎn)換的計(jì)劃是美國(guó)海軍實(shí)施的下一代驅(qū)逐艦“DDX”計(jì)劃。軍事專(zhuān)家認(rèn)為該計(jì)劃將為光纖作為未來(lái)十年的主要應(yīng)用解決方案打下基礎(chǔ)。
然而在軍用裝備系統(tǒng)大規(guī)模向光纖轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，光互連成為一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，解決在惡劣的軍事/航天環(huán)境下的光纖互連問(wèn)題成為軍事承包商和軍方關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著對(duì)更寬的帶寬、更輕的重量和抗EMI/RFI的需要，光纖已成為軍用/航天設(shè)計(jì)優(yōu)先選擇的技術(shù)。
2.軍事/航天應(yīng)用的惡劣環(huán)境
軍用光纖系統(tǒng)必須要適應(yīng)在惡劣的環(huán)境下工作，比如：經(jīng)常性的持續(xù)振動(dòng)和振蕩，如航空電子設(shè)備和車(chē)輛；瞬間的高度沖擊和振動(dòng)，如航天發(fā)射和開(kāi)火；經(jīng)常性的極度溫度循環(huán)，如衛(wèi)星和引擎隔艙；高濕和高腐蝕條件，如艦船上和其他航海環(huán)境。
典型的商用電信/數(shù)據(jù)通信與軍事/航天應(yīng)用對(duì)光纖連接器的要求可謂“涇渭分明”。表1對(duì)二者做了比較。

表1.商用電訊/數(shù)據(jù)通信與軍事/航天要求

3軍事/航天用光纖連接器的新進(jìn)展
3.1 MIL/ COTS光纖連接器
    隨著美國(guó)國(guó)防預(yù)算的削減，設(shè)備設(shè)計(jì)師正將注意力轉(zhuǎn)向使用商用現(xiàn)成產(chǎn)品(COTS)技術(shù)以接近商用的價(jià)格來(lái)實(shí)現(xiàn)尖端性能。COTS* 指由供應(yīng)商制定規(guī)格且在市場(chǎng)公開(kāi)出售的產(chǎn)品，而MIL/COTS*(軍用/商用現(xiàn)成產(chǎn)品)則指按某些次級(jí)軍用和/或工業(yè)規(guī)范研制、制造和鑒定的產(chǎn)品，它易于從工業(yè)渠道供貨，滿(mǎn)足特定平臺(tái)的要求而不需修改。選擇COTS光纖連接器、光纜和收發(fā)器模塊價(jià)格低廉，但設(shè)計(jì)師必須認(rèn)識(shí)到大部分這類(lèi)元件不是專(zhuān)為軍事/航天應(yīng)用中典型的惡劣環(huán)境而設(shè)計(jì)的。
    光纖應(yīng)用的主要成本在于光電子設(shè)備特別是光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。目前大量的光傳輸元件是基于：多模數(shù)字應(yīng)用，包括航天協(xié)議(如ARINC 636 和AS1773)以及商用數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)(如同步傳輸模式[ATM]、光纖分布式數(shù)據(jù)接口[FDDI]、吉比特以太網(wǎng)和吉比特光纖通道)；單模數(shù)字應(yīng)用，包括基于OC-48(2.5 Gb/s) 、OC-192 (10.0 Gb/s)和波分復(fù)用(WDM)的同步光網(wǎng)絡(luò)(SONET)；單模光纖RF應(yīng)用。
    不過(guò)，與絕大多數(shù)這類(lèi)COTS元件配合的商用光纖接口用的配接連接器絕不是為軍事航天平臺(tái)的惡劣環(huán)境而設(shè)計(jì)的。這類(lèi)典型的連接器類(lèi)型包括FC、ST 和 SC連接器，雙工SC和FDDI連接器，新一代小型(SFF)連接器。
圖. 常見(jiàn)商用、軍事/宇航光纖連接器
    目前，商用和軍事/航天應(yīng)用中的一些最常用的光纖連接器如圖1所示。表2將現(xiàn)有的市場(chǎng)上供應(yīng)的在大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用中性能已得到證實(shí)的Mil/COTS連接器產(chǎn)品(單通道和常用圓形、多通道連接器)及其性能特性進(jìn)行了分類(lèi)。該表標(biāo)出了可以配接特殊連接器的光纖類(lèi)型，并區(qū)分了多模光纖、單模光纖和定位保持(PM)光纖(一種用于高級(jí)傳感器和通信應(yīng)用的特殊單模光纖)之間的差別。此外，還確定了各類(lèi)連接器最適用的工作環(huán)境類(lèi)型，區(qū)分了適于室內(nèi)應(yīng)用還是于戶(hù)外應(yīng)用。

   
 表2現(xiàn)供常用MIL/COTS光纖連接器產(chǎn)品

3.2 MIL-T-29504光纖端子
    傳統(tǒng)陳舊而昂貴的MIL-T-29504光纖互連已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足當(dāng)前主流軍事平臺(tái)向光纖過(guò)渡的需要，但尋找到適合國(guó)防系統(tǒng)要求的光互連結(jié)構(gòu)并具有強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)支持能力絕非易事。為角逐這塊軍用光纖互連市場(chǎng)，美國(guó)幾家光纖技術(shù)大公司紛紛推出替代MIL-T-29504的解決方案。其中ITT Cannon公司最近推出的新型PHD系列光纖互連產(chǎn)品成本低性能高，達(dá)到了商用與軍用的統(tǒng)一，受到軍方的青睞。
3.3 擴(kuò)束光纖連接器
    擴(kuò)束光纖連接器是由Tyco公司研制的一種非物理接觸式連接器，其原理是將光纖與自聚焦透鏡耦合到一起，使從光纖射出的光經(jīng)自聚焦直透鏡擴(kuò)展后以平行光出射，然后再進(jìn)入另一個(gè)帶自聚焦透鏡的連接器中。擴(kuò)展后的光束直徑可達(dá)1mm左右，因此可極大的降低振動(dòng)、灰塵的影響，且易于清潔維護(hù)。擴(kuò)束光纖連接器的關(guān)鍵技術(shù)是光纖與自聚焦準(zhǔn)直透鏡的耦合封裝技術(shù)，使光纖端面中心與透鏡焦點(diǎn)重合。它滿(mǎn)足ARINC68第6部分性能要求，該要求包括：
（1）插拔力≤20牛頓，在加速老化后，增長(zhǎng)率不得超過(guò)10%；
（2）500次插合無(wú)機(jī)械性能缺陷；
（3）多模光纜連接器能夠承受10分鐘400牛頓拉伸力。

3.4 全金屬單體接觸件結(jié)構(gòu)套管
    迄今，陶瓷幾乎是唯一可以用于對(duì)準(zhǔn)光纖的材料。對(duì)于陶瓷的支持一直占絕對(duì)上風(fēng)，但陶瓷套管也具有一些無(wú)法回避的缺點(diǎn)，如價(jià)格昂貴、經(jīng)常性短缺、套管裝配到接觸體消耗勞力、組裝的元件需額外緊密公差以及因陶瓷與不銹鋼之間膨脹系數(shù)有差異導(dǎo)致的元件意外破裂。
圖2. MIL-T-29504/10型插針接觸件和MIL-T-29504/11型插孔接觸件
陶瓷的地位如今受到了最新的螺紋加工設(shè)備的挑戰(zhàn)。這種設(shè)備可以制造出全金屬單體接觸件，而它的公差等同于多模應(yīng)用中的陶瓷部件。圖2示出了一件式MIL-T-29504/10型插針接觸件和MIL-T-29504/11型插孔接觸件的實(shí)例。目前對(duì)不銹鋼接觸件，在規(guī)模生產(chǎn)基礎(chǔ)上所保持的臨界公差是3mm(約1/10000英寸)。也就是說(shuō)光纖孔徑是3mm且相對(duì)于外接觸件直徑的（光纖）孔的同心度是3mm。
與陶瓷相比鋼的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不銹鋼自身機(jī)加工的多方面的適應(yīng)性。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)尺寸光纖的孔簡(jiǎn)單的改變刀具就可以完成。插孔接觸件由機(jī)加殼體和與螺旋線圈彈簧及環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)型件結(jié)合在一起的護(hù)套構(gòu)成。這種接觸件是為了與標(biāo)準(zhǔn)軍用圓形連接器殼體一同使用而設(shè)計(jì)的。一件式插針接觸件的外套尺寸基本與標(biāo)準(zhǔn)的軍用規(guī)范銅線接觸件相同。
3.5 新型凹形端面結(jié)構(gòu)
    除了光纖對(duì)準(zhǔn)以外，光纖連接最重要的因素是光纖端面的研磨。一般端面研磨成凸面狀，稱(chēng)為物理接觸。這種接觸界面在柔和的環(huán)境下工作效果很好。但對(duì)于承受振動(dòng)和沖擊的設(shè)備，玻璃界面易劃傷，從而降低光性能。

圖. 光纖端面的研磨 

    一種新的端面結(jié)構(gòu)已經(jīng)研制出來(lái)可以承受軍事應(yīng)用中惡劣的經(jīng)常性的長(zhǎng)期振動(dòng)中，光纖的端部被研磨成凹面形狀以便在相對(duì)的光纖之間形成可精細(xì)控制的氣隙(見(jiàn)圖3)。這獨(dú)特的研磨方法可產(chǎn)生穩(wěn)定的光連接，在整個(gè)連接器壽命期間可保持插耗值低于1.2dB。首先對(duì)接觸件/環(huán)氧/光纖結(jié)構(gòu)施加目標(biāo)接觸件彈力，進(jìn)行有限元分析來(lái)確定光纖端面形貌的要求，然后按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量來(lái)驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)內(nèi)的彈性變形，最后，在振動(dòng)等級(jí)超過(guò)圓形連接器軍用標(biāo)準(zhǔn)的條件下測(cè)試樣品。
4結(jié)語(yǔ)
    光通信的迅猛發(fā)展對(duì)軍用光纖連接器提出了苛刻的要求同時(shí)也為軍用光纖連接器的發(fā)展提供了市場(chǎng)機(jī)遇，光纖連接器在軍用連接器市場(chǎng)的比重將提高。在2003年的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍首次試驗(yàn)了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(Network Centric Warfare)模式，支持這場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的核心平臺(tái)則是位于多哈附近的美軍中央司令部的可移動(dòng)司令部設(shè)施。該設(shè)施就是一個(gè)高速光纖骨干網(wǎng)絡(luò)，速度比起上次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)快了7倍，很大原因在于高速光纖網(wǎng)絡(luò)的啟用大大加快了數(shù)據(jù)傳輸速度，擴(kuò)展了傳輸能力。美國(guó)軍方正計(jì)劃將主流軍事平臺(tái)由銅系統(tǒng)轉(zhuǎn)向光纖系統(tǒng)，軍用光纖連接器作為光纖系統(tǒng)高速信號(hào)傳輸?shù)囊粋€(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其重要性和發(fā)展前景是完全可預(yù)期的。

參考文獻(xiàn)：
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. 吳世湘，‘軍用連接器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)’，電子產(chǎn)品世界，2004.8.