軍用光纖連接器發(fā)展研討

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(沈陽興華航空電器有限責(zé)任公司，遼寧沈陽，110144)

1 引言

光纖活動連接器是光纖與光纖之間進行可拆卸(活動)連接的器件，它是把光纖的兩個端面精密對接起來，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，信息傳輸系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用，光纖通信用于軍事通信可擴大系統(tǒng)容量，可提高軍事通信的保密度，抗干擾能力強，還可以提高敵方摧毀能力。光纖可用帶寬很寬，系統(tǒng)設(shè)計人員能夠在一條光纜里進行數(shù)據(jù)多路傳輸，從而減少了所用光纜的數(shù)量。大大減輕軍用通信系統(tǒng)后勤保障的工作負擔。這些都是衛(wèi)星通信、微波通信所不及的。到目前為止光纖通信已應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)、局部通信系統(tǒng)和空中布纜，以及在飛機、艦船、雷達、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等軍事裝備和軍事設(shè)施內(nèi)部信息傳遞和通信聯(lián)絡(luò)等。光纖連接器作為光纖通信領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的光無源器件之一，隨著軍用光纖通訊技術(shù)的逐步推廣應(yīng)用，已逐漸被應(yīng)用于軍用光纖通訊領(lǐng)域中。

2 軍事光纖通訊及軍用光纖連接器 作用和地位

光纖通訊跟衛(wèi)星通訊一樣是當今信息社會最具開發(fā)潛力的通訊，是構(gòu)筑國家干線乃至國際干線網(wǎng)的主體通訊手段。西方軍事評論家在評論和估價光纖通訊技術(shù)對軍事通訊系統(tǒng)帶來的深刻變革時，將20世紀80年代進入到軍用現(xiàn)場的光纖通訊作用和地位比作第二次世界大戰(zhàn)初期的坦克與雷達，這足以說明了當今光纖通訊在軍事上的顯要地位和重要性。

當代軍事通訊的一個明顯發(fā)展趨勢是竭力使其信息處理、交換、傳輸、存儲等趨向于一體化，網(wǎng)絡(luò)管理趨向集中化、自動化；使傳輸手段趨向數(shù)字化、寬帶化、綜合化，同時要求建立集指揮、控制、通訊、信息處理及情報于一體的通訊系統(tǒng)，光纖通訊本身所具有的特點無疑將會加速上述發(fā)展趨勢的形成。

在2003年的伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍首次試驗了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(Network Centric Warfare)模式，支持這場網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的核心平臺則是位于多哈附近的美軍中央司令部的可移動司令部設(shè)施。該設(shè)施就是一個高速光纖骨干網(wǎng)絡(luò)，速度比起上次海灣戰(zhàn)爭的骨干網(wǎng)絡(luò)快了7倍，很大原因在于高速光纖連接器及光纖網(wǎng)絡(luò)的啟用大大加快了數(shù)據(jù)傳輸速度，擴展了傳輸能力，提升了美軍軍事的快速反應(yīng)能力，為美軍空軍精確打擊伊拉克的軍事目標奠定了基礎(chǔ)。美國軍方正計劃將主流軍事平臺由銅系統(tǒng)轉(zhuǎn)向光纖系統(tǒng)，軍用光纖連接器作為光纖系統(tǒng)高速信號傳輸?shù)囊粋€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。

隨著航空、航天設(shè)備處理和傳輸數(shù)據(jù)量越來越大，傳統(tǒng)基于銅構(gòu)架的系統(tǒng)對于大流量、高速數(shù)據(jù)傳輸日益捉襟見肘，研究表明當數(shù)據(jù)傳輸超過10Gb/s時，銅系統(tǒng)將難以勝任。據(jù)估計，一架現(xiàn)代軍用飛機的互連線纜質(zhì)量與其他機載設(shè)備器材相等，因此，減小機載電子設(shè)備的質(zhì)量和體積，成為提高軍用飛機作戰(zhàn)性能的重要問題之一。與銅和同軸電纜相比，光纖的最大優(yōu)勢在于廉價地提供更高的寬帶、更快的傳輸速度、更輕的重量同時抗EMI/RFI。

3 軍用光纖連接器發(fā)展趨勢

隨著對更寬的帶寬、更輕的質(zhì)量和抗EMI/RFI的需要，光纖網(wǎng)絡(luò)及光纖連接器將必然成為軍用航空、航天設(shè)計優(yōu)先選擇的技術(shù)與產(chǎn)品。國內(nèi)光纖總線系統(tǒng)已經(jīng)在新一代戰(zhàn)機中應(yīng)用，但仍處于起步階段。光纖連接器在光互連過程中既要保證光纖信號的完美傳輸，又要肩負著適應(yīng)惡劣環(huán)境下正常工作的要求。國內(nèi)軍用光纖連接器廠商必須為新一代軍事設(shè)備的光互連問題提供優(yōu)質(zhì)的解決方案。

3.1 低損耗、高互換

插入損耗是光纖連接器性能的關(guān)鍵指標之一，軍用光纖連接器的插入損耗一般控制在0.75dB以下。在引起插入損耗的各種因素中，光纖相對于陶瓷插針的橫向偏移是最主要的一種，這種橫向偏移是隨機的。當兩根光纖的偏移方向相反時，對接引起的插入損耗最大，同時這種隨機性會導(dǎo)致批次間產(chǎn)品的一致性和互換性難以保證。

圖1 光纖橫向偏移示意圖

低損耗、高互換，是軍用光纖連接器批量裝備武器設(shè)備的前提，目前提高互換性的途徑主要有：篩選高精度陶瓷插芯，調(diào)整光纖與插針的同心，以及通過增加接觸件限位結(jié)構(gòu)使光纖偏心限制在一定區(qū)域內(nèi)等方法。

3.2 抗污、易維護

光纖端面污染后，必須進行清潔處理，否則將導(dǎo)致光信號傳輸失效。與商用光纖連接器相比，軍用光纖連接器通常設(shè)有法蘭盤，而在插頭或插座一端設(shè)計對準機構(gòu)，這樣總有一端的插針是隱藏在陶瓷套筒內(nèi)部，這給端面清潔和檢測帶來了極大的困難。

光纖連接器的污染源分為外部污染源和內(nèi)部污染源，外部污染源主要來源于光纖連接器的使用環(huán)境，可以通過為連接器設(shè)計密封結(jié)構(gòu)隔離污染源。內(nèi)部污染源主要來源于元件間的相對運動，特別是強震動、強沖擊條件下，光纖端面間的位移摩擦所產(chǎn)生的污染物將直接粘附在光纖端面，堵塞光通道，并且該類污染粘附強度高，極難清潔。是影響光纖連接器壽命的主要因素之一。

精拋光有助于抑制此類污染物的產(chǎn)生，但無法從根本上避免光纖端面的相對運動和產(chǎn)生污染物。國際上已經(jīng)在研制擴束光纖連接器、新型凹形端面結(jié)構(gòu)連接器，可有效抑制此類污染物。

新型凹形光纖連接器技術(shù)即光纖的端部被研磨成凹面形狀以便在相對的光纖之間形成可精細控制的氣隙。這種獨特的研磨方法可產(chǎn)生穩(wěn)定的光連接，具體結(jié)構(gòu)見下圖2。

圖2 新型凹形光纖

擴束光纖連接器是由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)自聚焦透鏡擴展后以平行光射出，然后再進入另一個帶自聚焦透鏡的連接器中。擴展后的光束直徑可達1mm左右，因此可極大的降低振動、灰塵的影響，且易于清潔維護。擴束光纖連接器的關(guān)鍵技術(shù)是光纖與自聚焦準直透鏡的耦合封裝技術(shù)，使光纖端面中心與透鏡焦點重合。具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 擴束光纖原理

4 小型化、集成化

隨著軍用電子設(shè)備朝著小型化、集成化方向發(fā)展，軍用光纖連接器也必將朝著小型化、集成化發(fā)展，以下是幾種典型的小型化、集成化軍用光纖連接器產(chǎn)品。

4.1 MT光纖陣列連接器

MT光纖陣列連接器是小型化的代表，光纖孔間距可以達到0.25mm，光纖數(shù)量范圍從 6至 432 路光路不等。軍用MT光纖陣列連接器是將MT置于金屬連接器外殼內(nèi)的單芯或多芯MT套管。金屬外殼和不銹鋼推拉鎖緊環(huán)可提供更為牢固的設(shè)計。MT 套管嵌入連接器和插座外殼，比傳統(tǒng)光纖連接器更為優(yōu)越。軍用 MT 產(chǎn)品可以改善定位、提高拉力強度并能使用新的圓形扁平光纜結(jié)構(gòu)。下圖為圓形軍用 MT 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖。

圖4 MT光纖陣列應(yīng)用于軍用圓形連接器

目前MT光纖陣列連接器和適配器系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于飛機機箱背板上，堅固的不銹鋼定位銷可確保高度一致且可重復(fù)的插配。相信未來國內(nèi)MT光纖陣列連接器會在光纖連接器領(lǐng)域存在爆發(fā)式的增長，MT光纖陣列連接器在未來軍事領(lǐng)域也會大有作為。

4.2 光電混裝連接器

光電混裝連接器是將光纖接觸件與電接觸件同時集成在一個連接器內(nèi)，可同時實現(xiàn)光、電信號的傳輸?？捎行У臏p少設(shè)備接口的數(shù)量，減小接口占用的空間，為設(shè)備的小型化提供有效的解決方案?？紤]到光纖接觸件和電接觸件精度對產(chǎn)品對接的影響，將光纖接觸件與電接觸件同時集中在一個模塊中，并不是最佳的方案。將光纖接觸件模塊與電接觸件組成的模塊同時集成在一個連接器中，將會是更好的方案。如ARINC600系列、LRM系列、SERIES系列產(chǎn)品。

圖5 模塊化光電混裝連接器

4.3 光電轉(zhuǎn)換連接器

光電轉(zhuǎn)換型光纖連接器是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)和連接器技術(shù)相結(jié)合的成果。光電轉(zhuǎn)換型光纖連接器突破了無源器件這一范疇，是一種集成化的有源器件，一端為電連接器接口，一端為光纖連接器接口，在殼體內(nèi)部集成光電轉(zhuǎn)換芯片，將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成光信號，再耦合到輸出端的光纖中。

光電轉(zhuǎn)換連接器為光纖在武器型號上的應(yīng)用提供了一種新的思路，解決了高速電信號無法遠距離傳輸?shù)膯栴}，并同時實現(xiàn)了線纜網(wǎng)的輕量化、小型化，非常適用于武器裝備中點對點的長距離傳輸。

4.4 高可靠、耐極端環(huán)境

因軍用設(shè)備的工作環(huán)境包括高空、海洋、沙漠、極寒等各種極端環(huán)境，以相關(guān)標準要求的數(shù)據(jù)舉例：軍用光纖連接器要求的工作溫度范圍為-55℃～+125℃，承受的隨機振動的加速度均方根值大于23.1g，沖擊也不能低于980m/s2。在使用過程中，光纖連接器暴露出端面易污染、易損傷、不穩(wěn)定等問題。因此，解決在惡劣的航空、航天環(huán)境下光纖互連問題必將成為軍方關(guān)注的焦點。如何提高光纖連接器可靠性和耐極端環(huán)境性能，是決定軍用光纖連接器廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，也是軍用光纖連接器未來發(fā)展的重中之重。

4.5 標準化、系列化

軍用光纖連接器可以通過提高普通軍用電連接器精度，改用光纖接觸件的方法而實現(xiàn)；也可以參詳標準進行設(shè)計實現(xiàn)?，F(xiàn)階段，設(shè)計結(jié)構(gòu)、功能和用途相同的軍用光纖連接器，在不同生產(chǎn)廠家有不同的型號命名方法，并未形成通用的標準或系列。按發(fā)展規(guī)律，軍用光纖連接器的種類應(yīng)該是從少到多，再由多變少的一個過程，標準化、系列化必將是一個趨勢。按照各自制定的企業(yè)標準或企業(yè)軍用標準生產(chǎn)，難以做好產(chǎn)品的標準化、系列化。政府引領(lǐng)，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，或許將是促進標準化、系列化發(fā)展的方法之一。在國際市場上，誰的技術(shù)成為標準，誰就掌握了市場主動權(quán)。專利影響的只是一個企業(yè)或若干企業(yè)，標準卻能影響一個產(chǎn)業(yè)，甚至一個國家的競爭力。根據(jù)技術(shù)創(chuàng)新，掌握共性優(yōu)勢，制定標準按標準生產(chǎn)、系列化配套,使產(chǎn)品研發(fā)從保證型號配套到引領(lǐng)國際市場，是軍用光纖連接器未來發(fā)展的目標。

5 結(jié)語

作為軍用通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點，軍用光纖連接器的性能對整個網(wǎng)絡(luò)起著至關(guān)重要的作用。隨著我國軍事的長足發(fā)展，軍用光纖連接器的整體水平必將提升！