【技术】Smiths Interconnect的COTS光纤收发器的可靠性测试，可在大带宽通信卫星中进行短期部署

光纤通信提供比任何其他技术最大的数据处理能力，具有轻重量和低功耗的额外好处。光通信作为卫星内应用是一项经过验证的技术，已在严苛的国防和航空电子应用中部署多年。它向农村地区提供高速互联网、机上连接和宽带连接等服务，除此之外，其还与几十米范围距离相关联，最适合此环境的技术是基于并行多模光纤收发器的通信链路。

光纤通信对电磁干扰(EMI)不敏感，并且基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)，可提供最佳的温度性能稳定性，避免使用耗电的温度控制器。在理想情况下，这种经过验证的技术作为商业现货(COTS)产品提供，受益于批量生产装配工艺以降低其销售价格，还可以满足空间应用特定的附加要求，例如单事件效应(重离子)，总电离剂量(伽马射线)和总非电离剂量(质子)辐射、实时真空热循环(TVAC)以及除气。

我们将看到，为了满足空间要求，必须对国防和航空电子COTS光纤收发器进行重大调整，更具体地用于单事件效应辐射稳健性。这些调整与产品的机械完整性、国防和航空电子设备相关的空间优化COTS光纤收发器的资格测试无关，例如实时随机振动、机械冲击、热冲击、快速减压、温度循环、寿命和湿热测试，再次验证成功。本文我们将分享这些测试结果以及最新的辐射、实时TVAC和放气测试结果，展示空间应用COTS光纤收发器可以很容易地用于大带宽通信卫星以及国防和航空电子系统集成商，用于短期部署。

并行多模光纤通信基于使用工作在850nm的VCSEL激光源的并行光纤收发器。与边缘发射半导体激光源相比，VCSEL源在温度范围内提供更好的性能稳定性，以避免使用耗电的温度控制器。对于通信卫星应用，系统集成商通常更喜欢使用其主机板微控制器来监视和控制光收发器。因此，收发器的空间应用产品变体不包括集成微控制器。多年来，此类光纤收发器在许多产品变体中已作为商用现货(COTS)产品提供。因此，他们受益于批量生产装配工艺，从而降低了销售价格。

光纤通信是一种成熟的长距离(>几十公里)陆地链路技术，依靠波分复用和单模光纤。对于与大于1Gbps的容量相关的通信，光纤通信已被证明是优于铜缆的首选技术。对于短距离(大约100m或更短)大容量通信，例如与恶劣环境相关的通信，用于国防和航空电子应用，光纤通信现在可以被认为是一种经过现场验证的可靠技术，已部署多年。在这种情况下，它依靠平行通道多模光纤技术和VCSEL激光源。短距离通信应用范围从智能喷气式战斗机到必须处理大量数据的雷达阵列。下一步是将光纤通信引入太空应用，例如卫星内链路。由于卫星应用需要更大的容量，只有长期的可靠性问题才会延迟这项技术在空间应用中的实施。将证明这些可靠性问题现在已经得到缓解，并且基于该技术的通信卫星系统的部署目前正在进行中。其中一些正在部署的卫星系统将与地面高速互联网通信系统竞争，并具有向农村地区提供飞行连接和宽带连接的附加功能。这些卫星系统将为移动客户提供无与伦比的能力，让他们能够高效灵活地实时修改其网络。这些系统可以部署为地球静止卫星或近地轨道卫星链。

图1 并行多模光纤通信配置

并行多模光纤通信（图1）是恶劣环境通信的最佳选择，因为与铜通信相比，它在尺寸、重量和功率 (SWaP) 方面具有显着优势，这对空间应用产生了更重要的影响。该技术对电磁干扰(EMI)不敏感，每通道提供高达 28Gbps 的带宽，并且由于其对准容差比单模光纤大得多，因此对机械冲击、振动和温度变化的耐受性要好得多。与这些收发器相关的多模光纤是 OM3/OM4 类型，具有渐变折射率 50 µm 纤芯和 125 µm 石英玻璃包层直径。拥有多个并行通道可线性增加系统容量，以同样的方式但不会增加敏感性、复杂性、尺寸、重量和功率；从而为容量折衷提供最佳鲁棒性。

由于光纤收发器最初是为国防和航空电子应用而开发和认证的，只有在设备的机械完整性保持不变的情况下，这些认证测试才能与航天产品的变化保持相关。为确保其满足空间要求而对传统器件电路进行的关键调整与定制设计的 VCSEL驱动器相关。优 VCSEL参数以覆盖产品的所有通道，确保满足航天工业在整个生命周期内的可靠性要求：故障时间(TTF)比20年大1%。这种调整不涉及对设备机械完整性的任何修改。然而，它确实涉及许多小时的电路优化和电路元件调整。因此，国防和航空电子设备资格测试与卫星内应用相关。重新进行了这些测试以确认该产品变体的可靠性，并且故障风险非常低。正如预期的那样，以下基于军用规范的资格测试成功完成：随机振动、机械冲击、热冲击、温度循环、湿热、快速减压、冷藏、寿命测试和带电纤维拉力测试。

图 2 TVAC 测试期间的压力曲线

温度曲线如下：

图3 TVAC 测试期间的温度曲线

TVAC测试的规格如下：

·整个周期过程中的真空度优于5×10^-5hPa

·20 个周期，−40ºC至85ºC，精度为±5ºC

·整个过程的实时流量为10.3125Gbps

·误码率 (BER) 始终优于10^-12

·在至少5英里的极端温度下的停留时间

·在不超过10°C/min的情况下尽可能快地升温

升温速率不超过4ºC/min，20个循环的测试总持续时间为51小时25分钟。最小真空度为3.7×10-5hPa，平均值为5×10-7hPa（见图2）。对于同时测试的2个单元，每个单元有4个通道在其灵敏度限制（衰减器调整到每个通道的灵敏度限制）的环回配置中，最坏情况的结果是4个错误，误码率为2.1E^-15 .

至于辐射测试，SEE测试按照ESCC 25100进行，使用5个具有不同线性能量转移(LET)的重离子束：Ne、Ar、Cu、Ag、Ho，注量为107离子/cm²。在暴露于每个重离子束期间，监测事件得以获得横截面与LET曲线。TNID测试使用100MeV质子束进行，总剂量高达5E12p/cm²。事实证明，对于这种类型的辐射，对所选光纤收发器性能的影响是有限的，因此对于长期空间应用是可以接受的。

TID测试按照ESCC 22900进行，伽马射线Co60剂量率约为43 rad/h，总累积剂量为100krad。这些测试的结果表明，选定的光纤收发器对这些辐射的敏感性有限，证实它们可以满足卫星内通信系统的要求。

空间鉴定测试结果

必须对光纤收发器进行额外的鉴定测试才能获得卫星内空间应用的资格，如下所示：

·释气

·真空或 TVAC 下的实时温度循环

·辐射：单粒子效应 (SEE)、总非电离剂量 (TNID) 和总电离剂量 (TID)。

释气决定了被测设备在真空空间环境中运行的能力，例如卫星内部的电路，而不会有污染它附近的元件的风险。

结论

对卫星内光通信的需求已成为现实。在OM3/OM4多模光纤上使用并行光纤的高度可靠的光纤收发器是支持卫星内光通信的最佳技术。凭借与关键电路调整相关的专用设计，COTS光纤收发器可以满足空间应用要求，因此可以在大带宽通信卫星中进行短期部署。