光纖技術的最新進展導致航空航天和國防應用中對光學數(shù)據(jù)鏈路和傳感器的需求不斷增長。與在軍事應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。以下討論探討了傳統(tǒng)光纖組件在航空航天和國防領域的一些優(yōu)勢和局限性，新的平面光波電路（PLC）技術如何徹底改變這一市場，以及如何在下一代系統(tǒng)中部署PLC技術。

新型軍用和航空航天器的設計對部件的尺寸和重量施加了許多限制，同時也需要更多的嵌入式傳感器來監(jiān)測機身和關鍵系統(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)的布線變得非常復雜。

新材料也影響了現(xiàn)代汽車的制造方式。先進的復合材料在現(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，但它們對無線電波等電磁能量實際上是透明的。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，以部分保護內(nèi)部的電子設備。

近年來，船上通信網(wǎng)絡也發(fā)生了巨大變化。在許多船上發(fā)現(xiàn)的通信基礎設施現(xiàn)在與以前可能為整個城市提供服務的基礎設施更具可比性。雖然傳統(tǒng)系統(tǒng)可能以155 Mbps的速度運行，但新的船上技術可以在一根光纖上打包10個或更多通道，每個通道支持10 Gbps。已經(jīng)證明，光鏈路能夠以超過10 Gbps的速度傳輸混合數(shù)字和模擬信號，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，這對于大多數(shù)船舶和飛機應用而言實際上是無損的，從而可以保持較低的功率預算。傳統(tǒng)的光纖元件在航空航天和國防應用中存在一些局限性，下面的討論探討了平面光波電路（PLC）如何在許多當前和未來的應用中取代現(xiàn)有技術。

光纖的優(yōu)勢和局限性

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

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

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

首先，對齊這些微光學元件所涉及的勞動是成本的很大一部分，這導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、高振動或機械沖擊中被敲出對齊的風險。這在航空航天應用中尤其重要，在這些應用中，振動或沖擊高達20 g加速度并不少見。最后，單個光學模塊中可以包含的功能量受到單個封裝中可以可靠對齊的子組件數(shù)量的顯著限制。

平面光波電路或PLC光芯片技術解決了所有這些缺點。該PLC平臺將許多相同的光學功能折疊到硅芯片上。幾乎可以為任何應用設計和開發(fā)定制光學電路。如圖1所示，這些光學芯片在視覺上看起來與電子芯片類似，實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芯片還具有光學連接，以光學方式接收或傳輸信號進出PLC芯片。

該光學芯片采用小型封裝，設計用于焊接到常見的印刷電路板上。結(jié)果是一個非常緊湊，輕巧的光學模塊，在組裝時實際上是單個芯片，最大限度地減少了在高振動或沖擊期間零件錯位的可能性。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，以及隨后的500 g加速度的機械沖擊。這些組件能夠在超過 125 °C 的范圍內(nèi)進行溫度循環(huán)。

PLC 提供其他平臺無法實現(xiàn)的功能

雖然幾乎任何光學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。這使得光學芯片能夠提供最先進的性能，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器人拾取和放置機器來完成。這些定制機器每20秒可以粘合一個新芯片，具有極佳的可重復性，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手勞動，允許這些產(chǎn)品在國內(nèi)生產(chǎn)。

光子集成技術允許開發(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。它們在單個外殼中同時包含發(fā)射器和接收器，并且可以通過單根光纖傳輸上游和下游混合數(shù)字和模擬信號。

目前，為航空航天和國防應用設計和生產(chǎn)的光收發(fā)器是使用傳統(tǒng)的微光學技術制造的。在單個密封封裝中組裝大量關鍵對齊的微光學元件的復雜性使得這些收發(fā)器價格昂貴，并且在苛刻的軍事應用中容易發(fā)生故障。

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

航空航天和國防領域的早期應用

例如，這種堅固耐用的PLC平臺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)的光子技術已被利用，將不同波長的多個信號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，不需要外部濾波器或透鏡。如果一個收發(fā)器發(fā)生故障，其他收發(fā)器仍可為關鍵的航空電子系統(tǒng)提供支持。收發(fā)器能夠進行2.5 Gbps的傳輸，同時以2.5 Gbps的速度接收下行流量，同時在第三個通道上接收模擬視頻信號。

該收發(fā)器封裝在非常緊湊的外殼中，設計用于輕松安裝和焊接到標準印刷電路板上。該收發(fā)器模塊最初是為無人機（UAV）而開發(fā)的，盡管它已經(jīng)針對許多其他應用進行了定制。

雖然圖2所示的收發(fā)器支持三個通道，每個通道的運行速率高達2.5 Gbps，但某些應用需要更大的容量。非常靈活的PLC平臺在通道數(shù)和數(shù)據(jù)速率方面都完全可擴展。埃能登斯科技制造基于PLC的多通道接收器模塊，包括一個8通道波分復用器，以及8個接收器通道，每個通道的運行速度超過10 Gbps，全部集成在一個硅平臺上。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)絡的基礎。埃能登斯科技的更多制造工作都集中在特定應用特有的定制模塊上。

光學元件的未來

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

審核編輯：郭婷