了解太空中使用的光纤收发器的测试标准

在用于太空和航空电子应用的电子设备中，故障不是一种选择。组件必须能够承受极端高温、低温、辐射、冲击和振动，同时提供可靠的性能。为了承受这种恶劣的使用，设备必须经过超出规定的测试，以确保在恶劣环境中的性能，以避免故障。设计组件测试程序涉及许多基本步骤，以确保可靠性和性能。

太空和航空电子应用中使用的组件和系统必须能够承受极端高温、低温、辐射、冲击和振动，以提供可靠的性能。通过严格的测试发现故障、缺陷和边缘组件至关重要;这种彻底的审查使产品在现场和太空中具有长寿命和高可靠性。

图1|部件故障原因之间可能的联系图。连接用实线表示，而无连接状态用虚线表示。注定的失败有一个内部机制，从创造的那一刻起就产生相同的结果——以设定的速率失败。

光纤的优势延伸到太空

光收发器驱动数据传输，将信号转换为铜驻留格式和从铜驻留格式转换信号。光纤电缆 （FOC） 具有高带宽和低延迟信号，可用于恶劣的空间环境，以提供对 EM/RFI 干扰、串扰和电压电平浪涌的抗扰度。FOC 的准确性和可靠性超过了传统布线：覆盖 1，000 英尺需要 4 磅的 FOC，而铜缆则需要 39 磅的铜线，而且光纤也比铜消耗更少的能量。为了将具有铜输出的电路中的电信号转换为光纤，通常需要光纤收发器。

让我们举一个合适的例子：支持大带宽（高达28 Gbps/通道）的短距离并行多模光纤收发器。事实：卫星内通信需要高比特率;在过去的几年里，光收发器代表了高性能技术，但在恶劣的环境中表现出弱点。然而，坚固耐用的密封光收发器现在可以承受火箭进入轨道、极端温度和辐射。设计人员和用户必须测试光学设备以确保质量和可靠性。

必须运行各种测试，以确保光收发器等关键设备能够在太空中提供可靠的运行，包括空间应用测试（加上辐射）、机械、环境、寿命测试、实时测试和严格的筛选测试，以确保后续批次的可靠性。

如何执行五个关键测试

除了受控设置外，每个测试都需要在评估前后目视检查异常情况。与测试相关的显著性能下降被视为资格认证失败。出于本次讨论的目的，我们重点关注用于在太空或类似恶劣环境中运行的光纤收发器（FOT）的强制性测试。所有设备都需要进行机械和环境测试，以验证长期完整性。强制性测试还包括寿命测试和现场测试。此类测试可以帮助根除设计或流程缺陷。最后，即使单位通过了所有测试，后续批次的每一批单位也必须经过筛选测试。

强制性机械和环境测试

在相同的FOT上执行三次连续的机械测试。在完成机械完整性评估之前和之后，必须在工作温度范围内对单元进行目视检查和表征，以确认没有发生明显的性能下降。机械完整性评估测试按以下顺序在非运行单元上执行：

所有三个轴的振动测试（20 Hz 和 2，000 Hz 之间 20 g，每轴 16 分钟）。

在所有六个方向上重复五次的机械冲击测试，在 0.5 ms 的半正弦脉冲持续时间上使用 500 g 冲击。

热冲击测试包括 0 至 100 °C 之间的 20 个循环，停留时间为 10 分钟，瞬态时间小于 5 秒。

FOT的三种环境压力测试包括：

一种温度循环测试，用于评估组件使用寿命期间的机械疲劳。例如，不同材料在热膨胀下的不匹配会导致故障。

湿热测试，以确保密封的FOT能够持续提供对充满水分的空气的抵抗力。

执行一系列测试，仅适用于具有与焊料回流兼容的BGA ［球栅阵列］电气接口的产品。这些测试对回流曲线和低温储存的可能影响。

寿命测试确认产品使用寿命内的可靠性

寿命测试通过对来自不同批次的多个单元进行广泛、加速的寿命测试来验证长期可靠性。寿命测试不用于测试前期死亡率，老化测试就足够了。相反，寿命测试预测产品预期生命周期内的性能下降。为了模拟工作 20 多年，FOT 在 100 °C 的外壳温度下，在超过工作条件 80% 的偏置电流下工作 4，000 小时。

实时测试评估性能

实时测试虽然更复杂，但全面评估了几种电气和光学接口配置的性能。实时测试是使用高速数字信号通过被测设备（DUT）的每个通道进行操作的。当DUT受到压力时，测量传输误差以保持误码率（BER），在恶劣条件下工作时，误码率（BER）优于1万亿位中的1个错误。在压力下进行测试，FOT的显着信号衰减将证明发射器和接收器区域的累积效应会影响误差计数。

图2|实时测试设置配置

空间应用测试

太空的一个主要威胁是辐射。辐射测试必须分为三个不同的类别进行评估，涵盖与地球静止或低地球轨道环境有关的潜在并发症。每次测试至少应收集五个单位。当FOT关键组件从新的制造批次到达时，应重复测试。辐射测试是：

使用总非电离剂量 （TNID） 质子（5e12 质子/cm2 总剂量）的非操作测试。

在室温和85°C下进行的现场测试，单事件效应（SEE），包括重离子（Ho，Cu，Ar，Ne，N，每个总能量为1 x 107离子/ cm2）。

伽马射线总电离剂量 （TID）（100 krad 累积剂量）的偏倚和无偏倚测试。

必须将实时辐射测试引起的错误/事件数量与在可接受水平下发生的错误/事件数量进行比较。对于非操作测试，比较施加辐射剂量之前和之后FOT的性能，并且只能忽略不计地通过。用封装材料密封的坚固耐用的FOT必须经过除气测试。现场热真空测试，保持至少5 x 10-5hPa的真空至少20个热循环，从-40°C到85°C，升温为~5°C/分钟，停留时间为5分钟，也必须成功完成。其他空间应用测试包括减压测试，也可用于鉴定航空电子应用的部件。减压测试表明，在模拟 2，438 米或 8，000 英尺高度的压力水平下，性能不会受到影响，在不到 15 秒的时间内上升到 15，850 米或 52，000 英尺，并保持在那里一小时。

筛选测试确保持续的准确性

最后，完成了六个热循环的筛选测试，这些循环以8°C/分钟的速度上升，停留时间为5分钟，以持续保证高质量的商用现货（COTS）设备。除热循环外，还增加了持续时间为168小时、外壳温度为100°C的老化，在正常偏置电流下工作。在新的FOT设计通过上述测试合格后，后续生产批次的单元将通过筛选过程进行验证。温度循环测试倾向于揭示装配缺陷，而老化测试显示婴儿死亡率。

由于太空、航空电子设备和国防等应用中的故障是不可接受的，因此这些领域使用的组件和系统必须承受极热、极冷、辐射、冲击和振动，以提供可靠的性能。通过严格的测试发现故障、缺陷和边缘组件至关重要，这可以使产品在现场和太空中具有长寿命和高可靠性。通过旨在证明恶劣环境中可靠性的五项关键测试，光纤收发器满足或超过操作要求。对于许多关键应用程序，这种保证通常比节省成本的考虑更重要。

审核编辑：郭婷