浦芮斯磁光开关通过欧洲太空总署测试

5/27/2019,近日,浦芮斯磁光开关全面通过欧洲太空总署（European Space Agency，简称ESA）的测试。在全球参选的共四家企业中，仅浦芮斯一家中国企业，来自美国的三家企业中有一家出现失效。该项目是欧洲太空总署为验证不含机械运动部件的全固态光开关是否可以应用于太空领域所组织的一次公开招标邀请。光开关由于可以提供简洁的冗余配置、快速隔离、低速强度调制以及最基础的光路切换功能，是许多光学系统的基本构建单元，在太空领域有十分广泛的应用。ESA特别提到其涉及光开关使用的八类太空应用：

1.二氧化碳监控激光雷达
2.重力仪（波长750/1580nm）
3.光学传感
4.数字通信
5.本地谐振分布
6.光学通信
7.光学点火技术
8.激光干涉仪



   不同技术类型的光开关已被成功应用于地面应用，比如光纤通信和光学传感等。但对于将光开关应用于太空领域所面临的挑战和可能带来的帮助，ESA尚未进行过全面的分析。传统机械式光开关包括体光学技术和MEMS技术，均须使用移动部件实现光的切换，其在可靠性和速度上的劣势限制了其在太空领域的应用。因此，本次公开招标比选测试限定于全固态光开关，由TUV Nord子公司Alter Technology、马德里理工大学和ESA联合进行，考虑技术方案包括：体电光技术、波导电光技术、磁光技术、声光技术、液晶技术以及热光技术：
o热光技术由于没有商业化产品，放弃；
o液晶技术只能以定制品进行测试，无法直接获得，且无供应商愿意参与，放弃；
o声光技术损耗大于3dB，驱动电路过于复杂，放弃；
o最终仅三种技术/四家企业确认进入比选，磁光技术（浦芮斯、Agiltron）、体电光技术（Agiltron、BATi）和波导电光技术（Epiphotonics）。

测试方案简列如下：
o光学/电学指标测试：插损、串扰、速度、偏振相关损耗（PDL）、偏振消光比（PER）
o机械性能测试：振动、冲击
o真空温度循环测试
o辐照测试
o破坏性物理分析

一：振动测试
所有产品在三个正交轴方向均持续振动三分钟，同时光开关以大致10秒的周期进行切换。振动参数如下表：



振动测试现场和X轴随机振动截面如下图：

 
                          图一：振动测试现场

  
                         图二：X轴随机振动截面

针对所有产品的光学输出在线测试“开”和“关”两个状态，从而可以得到插损和串扰。所有产品顺利通过了该测试，结果如下图：

  
                        图三：X轴振动中样品光学输出在线监控曲线
 
二：SRS冲击测试
   所有产品在三个正交轴方向均进行500g半正弦1毫秒脉冲冲击测试。所有产品在冲击测试之后没有观察到光学/电学性能的变化。唯独EpiPhotonics公司产品出现损伤，其输入端脱落。

三：真空温度循环测试
所有产品置于真空炉内进行高低温循环测试，具体参数如下表：

 
真空温循测试现场和光学输出的监测结果如下图：

                             图四：真空温循测试现场
  
                            图五：真空温循中光学输出在线监测曲线

四：辐照测试
   Gamma辐照测试在坐落于西班牙Seville的国家加速器中心（CAN）进行：辐照剂量速率约210rad/(Si)h，累积剂量约100krad/(Si)，耗时约480小时。测试期间在线测量产品的光学输出，测试现场和监测结果如下图：
  
                           图六：Gamma辐照测试现场
  
                          图七：辐照中光学输出在线监测曲线

   由于国家加速器中心的正常运营时间所导致的测试过程中的辐照中断干扰在图中以黑点标识，这些中断干扰累积不超过2小时。可以观察到，辐照中断干扰确实会对光开关的输出光功率产生影响，主要是的光开关的“关”状态，也就是说串扰易受干扰。

五：破坏性物理分析
   最后对被测样品进行了破坏性的物理拆解分析。只有来自EpiPhotonics的产品在冲击测试中输入光纤断裂。
以测试过程中每种产品的测试数据标准方差为测试不确定度，然后将具体测试完成之后每个参数相对于该不确定度的偏离与该不确定度进行比较；并使用学生t-分布技术进行统计分析，从而得出该项测试能否通过的明确判据。依据该标准，除开以上提到的来自EpiPhotonics的产品之外，所有参选产品通过了所有测试。

总结
1.对于要求较高的开关速度的应用来说，体电光技术表现得比磁光技术稍好；然而其串扰较差；
2.磁光技术展现了卓越的全方面性能，除开切换速度以外。而且该技术商业化程度很高；
3.波导电光技术速度很快。它所显示的机械性能故障相信可以解决，然而其过于复杂，难以操作，且损耗过大，而且其快速响应性能同样可以在体电光技术上获得，因此不推荐该技术用于太空领域；
4.相比较辐照和振动，光开关对温度更敏感；
5.并未发现在光开关的保偏版本和常规单模光纤版本之间有区别；
6.并未发现在光开关的高功率版本和常规功率版本之间有区别；

鉴于此，Alter Technology、马德里理工大学和欧洲太空总署推荐：
1.在太空领域使用体电光技术和磁光技术。体电光技术应用于对开关速度有极高要求的场合，而磁光技术应用于对串扰要求苛刻的领域；
2.如欲获得恒定的光功率输出，建议对光开关进行温控。