浦芮斯磁光開關(guān)通過歐洲太空總署測(cè)試

  ICCSZ訊 近日獲悉，浦芮斯磁光開關(guān)全面通過歐洲太空總署(European Space Agency，簡(jiǎn)稱ESA)的測(cè)試。在全球參選的共四家企業(yè)中，僅浦芮斯一家中國企業(yè)，來自美國的三家企業(yè)中有一家出現(xiàn)失效。該項(xiàng)目是歐洲太空總署為驗(yàn)證不含機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的全固態(tài)光開關(guān)是否可以應(yīng)用于太空領(lǐng)域所組織的一次公開招標(biāo)邀請(qǐng)。

  光開關(guān)由于可以提供簡(jiǎn)潔的冗余配置、快速隔離、低速強(qiáng)度調(diào)制以及最基礎(chǔ)的光路切換功能，是許多光學(xué)系統(tǒng)的基本構(gòu)建單元，在太空領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用。ESA特別提到其涉及光開關(guān)使用的八類太空應(yīng)用：

  1. 二氧化碳監(jiān)控激光雷達(dá)

  2. 重力儀(波長(zhǎng)750/1580nm)

  3. 光學(xué)傳感

  4. 數(shù)字通信

  5. 本地諧振分布

  6. 光學(xué)通信

  7. 光學(xué)點(diǎn)火技術(shù)

  8. 激光干涉儀

  不同技術(shù)類型的光開關(guān)已被成功應(yīng)用于地面應(yīng)用，比如光纖通信和光學(xué)傳感等。但對(duì)于將光開關(guān)應(yīng)用于太空領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)和可能帶來的幫助，ESA尚未進(jìn)行過全面的分析。傳統(tǒng)機(jī)械式光開關(guān)包括體光學(xué)技術(shù)和MEMS技術(shù)，均須使用移動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)光的切換，其在可靠性和速度上的劣勢(shì)限制了其在太空領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，本次公開招標(biāo)比選測(cè)試限定于全固態(tài)光開關(guān)，由TUV Nord子公司Alter Technology、馬德里理工大學(xué)和ESA聯(lián)合進(jìn)行，考慮技術(shù)方案包括：體電光技術(shù)、波導(dǎo)電光技術(shù)、磁光技術(shù)、聲光技術(shù)、液晶技術(shù)以及熱光技術(shù)：

  熱光技術(shù)由于沒有商業(yè)化產(chǎn)品，放棄;

  液晶技術(shù)只能以定制品進(jìn)行測(cè)試，無法直接獲得，且無供應(yīng)商愿意參與，放棄;

  聲光技術(shù)損耗大于3dB，驅(qū)動(dòng)電路過于復(fù)雜，放棄;

  最終僅三種技術(shù)/四家企業(yè)確認(rèn)進(jìn)入比選，磁光技術(shù)(浦芮斯、Agiltron)、體電光技術(shù)(Agiltron、BATi)和波導(dǎo)電光技術(shù)(Epiphotonics)。

  測(cè)試方案簡(jiǎn)列如下：

  光學(xué)/電學(xué)指標(biāo)測(cè)試：插損、串?dāng)_、速度、偏振相關(guān)損耗(PDL)、偏振消光比(PER)

  機(jī)械性能測(cè)試：振動(dòng)、沖擊

  真空溫度循環(huán)測(cè)試

  輻照測(cè)試

  破壞性物理分析

  一：振動(dòng)測(cè)試

  所有產(chǎn)品在三個(gè)正交軸方向均持續(xù)振動(dòng)三分鐘，同時(shí)光開關(guān)以大致10秒的周期進(jìn)行切換。振動(dòng)參數(shù)如下表：

  振動(dòng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)和X軸隨機(jī)振動(dòng)截面如下圖：

  圖一：振動(dòng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

  圖二：X軸隨機(jī)振動(dòng)截面

  針對(duì)所有產(chǎn)品的光學(xué)輸出在線測(cè)試“開”和“關(guān)”兩個(gè)狀態(tài)，從而可以得到插損和串?dāng)_。所有產(chǎn)品順利通過了該測(cè)試，結(jié)果如下圖：

  圖三：X軸振動(dòng)中樣品光學(xué)輸出在線監(jiān)控曲線

  二：SRS沖擊測(cè)試

  所有產(chǎn)品在三個(gè)正交軸方向均進(jìn)行500g半正弦1毫秒脈沖沖擊測(cè)試。所有產(chǎn)品在沖擊測(cè)試之后沒有觀察到光學(xué)/電學(xué)性能的變化。唯獨(dú)EpiPhotonics公司產(chǎn)品出現(xiàn)損傷，其輸入端脫落。

  三：真空溫度循環(huán)測(cè)試

  所有產(chǎn)品置于真空爐內(nèi)進(jìn)行高低溫循環(huán)測(cè)試，具體參數(shù)如下表：

  真空溫循測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)和光學(xué)輸出的監(jiān)測(cè)結(jié)果如下圖：

  圖四：真空溫循測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

  圖五：真空溫循中光學(xué)輸出在線監(jiān)測(cè)曲線

  四：輻照測(cè)試

  Gamma輻照測(cè)試在坐落于西班牙Seville的國家加速器中心(CAN)進(jìn)行：輻照劑量速率約210rad/(Si)h，累積劑量約100krad/(Si)，耗時(shí)約480小時(shí)。測(cè)試期間在線測(cè)量產(chǎn)品的光學(xué)輸出，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)測(cè)結(jié)果如下圖：

  圖六：Gamma輻照測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

  圖七：輻照中光學(xué)輸出在線監(jiān)測(cè)曲線

  由于國家加速器中心的正常運(yùn)營(yíng)時(shí)間所導(dǎo)致的測(cè)試過程中的輻照中斷干擾在圖中以黑點(diǎn)標(biāo)識(shí)，這些中斷干擾累積不超過2小時(shí)。可以觀察到，輻照中斷干擾確實(shí)會(huì)對(duì)光開關(guān)的輸出光功率產(chǎn)生影響，主要是的光開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)，也就是說串?dāng)_易受干擾。

  五：破壞性物理分析

  最后對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行了破壞性的物理拆解分析。只有來自EpiPhotonics的產(chǎn)品在沖擊測(cè)試中輸入光纖斷裂。

  以測(cè)試過程中每種產(chǎn)品的測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方差為測(cè)試不確定度，然后將具體測(cè)試完成之后每個(gè)參數(shù)相對(duì)于該不確定度的偏離與該不確定度進(jìn)行比較;并使用學(xué)生t-分布技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而得出該項(xiàng)測(cè)試能否通過的明確判據(jù)。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，除開以上提到的來自EpiPhotonics的產(chǎn)品之外，所有參選產(chǎn)品通過了所有測(cè)試。

  總結(jié)

  1.對(duì)于要求較高的開關(guān)速度的應(yīng)用來說，體電光技術(shù)表現(xiàn)得比磁光技術(shù)稍好;然而其串?dāng)_較差;

  2.磁光技術(shù)展現(xiàn)了卓越的全方面性能，除開切換速度以外。而且該技術(shù)商業(yè)化程度很高;

  3.波導(dǎo)電光技術(shù)速度很快。它所顯示的機(jī)械性能故障相信可以解決，然而其過于復(fù)雜，難以操作，且損耗過大，而且其快速響應(yīng)性能同樣可以在體電光技術(shù)上獲得，因此不推薦該技術(shù)用于太空領(lǐng)域;

  4.相比較輻照和振動(dòng)，光開關(guān)對(duì)溫度更敏感;

  5.并未發(fā)現(xiàn)在光開關(guān)的保偏版本和常規(guī)單模光纖版本之間有區(qū)別;

  6.并未發(fā)現(xiàn)在光開關(guān)的高功率版本和常規(guī)功率版本之間有區(qū)別;

  鑒于此，Alter Technology、馬德里理工大學(xué)和歐洲太空總署推薦：

  1.在太空領(lǐng)域使用體電光技術(shù)和磁光技術(shù)。體電光技術(shù)應(yīng)用于對(duì)開關(guān)速度有極高要求的場(chǎng)合，而磁光技術(shù)應(yīng)用于對(duì)串?dāng)_要求苛刻的領(lǐng)域;

  2.如欲獲得恒定的光功率輸出，建議對(duì)光開關(guān)進(jìn)行溫控。