本发明涉及在航空或航天中传输复用数据的机载光学网络的一般领域。
背景技术：
1、为了将飞行器的设备连接在一起进行通信，飞行器配备有不同的布线形成一个或多个网络，其安装和维护可能很复杂。此外，这种布线具有显著的成本，一方面在电缆的价格方面，而且在重量方面，这导致飞行期间燃料消耗的增加。数据传输电缆通常使用两对双绞线的铜支架。这种具有铜电缆的网络有几个缺点：金属电缆造成电磁干扰问题(电磁兼容性、电流感应等)，电缆限制了网络的吞吐量，并且电缆的重量很高(大约32公斤/公里，飞行器能够包括例如几百公里的电缆)。除了所有这些缺点之外，在维护方面的改装成本也很高。
2、针对这些缺点中的至少一些提出的解决方案是用光纤代替铜电缆。
3、航空或航天飞行器上机载的光学网络基本上专用于数据传输。其中根据其规模最大的一个是飞行娱乐或ife。它出现在许多最近的航空节目中，并通过各种设备为乘客提供用于飞行娱乐的软件和内容。
4、考虑到不断增长的线性吞吐量，特别是由于大量新服务和连接设备的出现，这些网络越来越多地使用光纤。然而，飞行器内光纤布线系统的架构和传统技术很难满足其日益增长的需求：质量、可升级性差、难以重新配置。
5、因此，例如，对于部分表示于图1中的空中客车a350的ife，两种类型的设备在该机舱区域进行光学数据交换：标记为1至18的地板脱开电子盒(lesde connexions)或fdb，以及飞行娱乐计算机或ifec。有18个fdb。它们尽可能接近一组20名乘客，单独执行其数据分配/收集功能。ifec集中了ife功能，包含所有娱乐专用的数字内容(视频、游戏、音乐等)。
6、如图1所示，最大长度达到45米的20条光链路被加倍，以实现双向交换(ifec到fdb以及fdb到ifec)，因此存在的链路的数量为约40条。
7、专用于将数据从飞行娱乐计算机ifec发送到地板脱开电子盒fdb的链路确保下行部分(也称为“向下”)为5mbps/座位，即一个fdb以100mbps服务20名乘客。其他链路，即专用于通过地板脱开电子盒fdb向飞行娱乐计算机ifec发送数据的链路，以1mbps/座位专用于上升部分(“向上”)。
8、最终，a350机载ife网络类似于星形网络。
9、然而，这种情况并非一成不变。无论是双向传输，还是其他拓扑，如文献fr 3060248中描述的环形复用拓扑，目前都在进行大量的改进工作。
10、为改进光学架构而进行的研究之一是粗波分复用或cwdm，主要用于地面技术，但尚未在航空工业中广泛应用。确保粗波分复用/解复用功能的mux/demux模块在关键组件中是已知的。
11、地面cwdm允许实现多达16个不同的传输通路(ncwdm)。这些传输通路是以下红外波长：1310、1330、1350、1370、1390、1410、1430、1450、1470、1490、1510、1530、1550、1570、1590和1610nm。它们的间距为20nm，保证了无论环境温度如何，谱线都不会重叠。
12、图2和图3示出了在具有10个波长λ的单个cwdm复用光线路上传输的示例。所有波长都不同，标记为λ1-λ10。光线路以点对点和双向模式(向上和向下)运行。为了更清楚，向上和向下分别表示(图2中的向下和图3中的向上)，但块和线路是相同的。“块”指的是光复用器，在图2和图3中表示为mux，或光解复用器，在图2和图3中表示为demux。
13、显示了被称为“节点”的两个中间接入点。每个节点20包括光复用模块mux和光解复用模块demux，允许访问在线上传输的数据，以便同时注入(添加)或取出(删除)它们。同一节点的光复用器mux和光解复用器demux通过单模光纤22耦合在一起，在一个的单模输入端和另一个的单模输出端之间耦合。
14、如果仅针对客舱区域的ife，那么与传统光纤架构相比，可以猜测这种cwdm技术在机载网络中可以提供的众多优势：质量增益、不可用带宽增益。
15、单个光纤上的复用本身就是质量增益，但有必要考虑所使用的连接以及网络连接节点的质量。此外，所使用的模块是无源的，它们不需要任何电源。最后，不需要任何软件。此外，mux/demux组件对电磁干扰不敏感。它们也可以在两个方向上使用，因此双向方面是完全可行的。
16、最终，ife架构可以按照图4所示的方式进行布置。但是这样的架构有一些缺点。cwdm尤其具有固有的限制性，一方面与两个物理原理有关，另一方面与重新配置的具体情况有关。
17、粗波分复用或cwdm受两个物理原理的限制。
18、第一个原理是光的波的方面。任何光束都可以被比作波，只要它的谱线很窄(几纳米宽)。然而，如果与具有相同性质(相似强度和相同波长λ0)但相位相反的第二光束同时存在，则会出现破坏性干扰。当光束重组时，它们将完全或部分消失，与它们一起传递的信息也将消失。
19、因此，不可能使两个信号共存于同一光纤内，只要它们具有相同的传输特性。
20、因此，由于cwdm允许多达16个波长，并且考虑到光的这种波原理，对于双向使用，这个数量减少了一半。可用波长中的八个可用于“向上”，另八个用于“向下”。最终，光线路上可用的用户数量非常少。
21、第二个限制性物理原理是能量守恒。一个光粒子(光子)的能量e与波长成反比λ:e＝hc/λ，其中h是普朗克常数，c是光速。然而，没有一种装置既是光学的又是无源的，使得能够仅从第一光粒子获得能量更高(因此波长更短)的第二光粒子。
22、因此，合适的是积累几个入射光子的能量以最终获得更高能量的最终光子。这当然是可以实现的(上转换现象或反斯托克斯)，但这些能量交换首先属于实验室经验范围(没有现成的产品)，其次取决于允许这种上转换的(罕见)转换介质，这涉及使用和获得“外来”波长，第三降低原始信号(功率)的特性。
23、因此，在航空部门，无源cwdm波长转换(不提供来自外部网络的电能)是不可能的。
24、这两个物理原理给cwdm的使用带来了以下两个主要限制。首先，相同的信号在复制后只能在两个不同的cwdm传输通路上发出。其次，两个不同但具有相同光学特性的信号不能同时复用。
25、在改变cwdm复用网络上的用户的布置的情况下，即在重新配置网络的情况下，上述两个与物理原理有关的限制就会产生问题。
26、如果在cwdm复用网络中考虑简单地添加被配置为例如在第一个节点上以波长λ10发射的用户，破坏性重组的风险使所设想的重新配置变得不可能。
27、通过添加新用户来改变cwdm网络只能使用以下两个选项来实现。
28、第一个选项包括相应地改变新的发射器和接收器系统，更具体而言，改变它们的传输(tx)和接收(rx)的光谱特性，以使新信号达到不寻常的波长。然而，cwdm波长的数量是有限的。
29、对于地面技术来说，只需更换一个电信发射器就可以做到这一点，但对于飞行中的飞行器机载系统来说却并非如此。改变专用于数据传输的机载系统的发射/接收组件会产生深远的影响。每个用户都是上游长期开发工作的结果，即在网络拓扑确定之前。恢复系统固有的发射/接收特性意味着对系统进行重大改变，并有可能重新考虑其认证。
30、第一种方案被称为“系统改造”，是经常性成本或rc大幅增加的同义词。
31、第二个选项包括串联添加两个光学/电子和电子/光学转换模块，以便获得期望的传输通路，换言之，在cwdm的情况下，获得期望的波长。
32、该第二种方案被称为“转换模块”，类似于电信领域中可用的可重构光分插复用器或roadm。它的优点是不会像前一种方案那样改变嵌入式系统。事实上，转换模块可以被视为传输介质的一部分：电缆及其节点。
33、然而，这种方法完全抹杀了cwdm复用提供的初始增益，即，无源性、简单性和质量增益。
34、事实上，这些光学/电子和电子/光学转换模块具有不可忽略的质量，必须与cwdm复用网络单独的质量增益进行权衡。
35、此外，这些转换模块需要供电，因此不是无源的。因此，由于电源网络必须与第一个网络(复用光纤电缆)并联安装，因此总体拓扑受到严重影响。
36、最后，对于它们的电子组件，这些模块必须安装特定的协议管理软件。此外，它们必须满足可能的宽带期望，同时对电磁干扰不敏感。除了这种转换会导致延迟之外，电子装置还需要专用屏蔽、硬化组件和其他约束元件。
37、飞行器中的光纤网络必须尽可能具有适应性和灵活性。cwdm架构的通路数量有限，并且难以在任何网络重新配置时重新配置。
38、合适的是开发一种新的技术方法来响应任何重新配置请求，同时确保cwdm复用中部分缺乏的无源性、简单性和质量增益。
技术实现思路
1、本发明旨在提供一种方案，在网络重新配置的情况下克服上述所有约束的同时受益于机载复用网络的质量增益、简单性和无源性。
2、本发明的一个目的是提供一种用于通过多模光纤与机载复用通信网络连接的装置，该装置旨在安装在飞行器上，该装置包括用于修改光束的空间轮廓的第一光学组件，该第一光学组件包括被配置为与第一多模光纤连接的多模光学输入端子和单模光学输出端子，以及用于修改光束的空间轮廓的第二光学组件，该第二光学组件包括单模光学输入端子以及被配置为与第二多模光纤连接的多模光学输出端子。
3、根据本发明的一般特征，连接装置还包括用于切换和重新分配传输通路的光束，该传输通路包括与第一组件的单模光学输出端子耦合的单模光学输入、与第二光学组件的单模光学输入端子耦合的单模光学输出、以及在第一端与光束的输入连接和/或在第二端与光束的输出连接的多个单模波导。
4、与具有非常小的芯直径并且以作为基模的单一模式传播光的单模光纤不同，多模光纤具有较大的芯直径，并且可以以几种传播模式同时传播光。在光纤中激发的传播模式的特征是在横向于传播轴的平面中的电场相位和强度的空间轮廓。这些轮廓根据模式的不同而不同，并且几种模式可以共存。多模光纤是有利的，因为当施加到输入的光束具有几种模式时，它们可以比单模光纤传输更多的能量。单模光纤将简单地消除基模之外的模式所带来的能量。
5、由于多平面光转换器或mplc技术，用于修改光束的空间轮廓的光学组件是无源光学组件，使得能够执行空分复用或sdm。sdm涉及一种称为模态或空间传输通路的传输通路，与其他光复用技术中使用的传输通路不同。
6、mplc技术为任何单模高斯相干光束的横向轮廓建模提供了一种简单有效的方法。这种建模对于n个不同的输入光束同时再现，从而为每个光束分配多模网络光纤的传播模式的形状。然后，所有光束以不同的模态形状被添加到多模光纤中，并且在线路末端无干扰地传输到第二mplc解复用模块，即，传输到用于修改光束的空间轮廓的第二光学组件。
7、空分复用与粗波分复用兼容，这意味着每个模式可以使用几个波长。最终，只要模式不同，就可以在同一多模光纤中传输具有相同特性的信号。因此，可以使两个不同但具有相同传输特性的信号在同一光纤内以不同的模式共存。
8、因此，例如，考虑12种不同的传播模式和5种波长，单个多模光纤可用的通路总数为12×5＝60个通路。因此，双向地，每个传播方向可以使用30个通路。
9、此外，使用传播模式作为传输通路使得可以克服能量和波长方面的考虑。因此，使用模态传输通路的事实允许克服上述光谱转换限制。因此，对于给定的光学信号，sdm可以简单有效地将传输通路从一种模式重新分配到另一种模式，无论它们是什么。
10、因此，由这些光学组件实现的sdm提供了一种解决方案，可将飞行器上的数据传输能力提高十倍，以满足日益增长的机上数据交换需求，同时提供在飞行器使用寿命内重新配置布线系统的强大能力。
11、空分复用不受粗波分复用所遇到的问题的影响，特别是与二次电源网络的安装有关的，以提供在移除或添加用户之后重新配置网络的可能性。
12、事实上，用于切换和重新分配传输通路的光束提供了每次在必要时通过移除或添加用户或者通过改变光链路来改变光学网络配置的可能性，从而在新的模态传输通路上重新分配光学信号。光束形成用于修改光束的空间轮廓的两个光学组件之间的光学连接接口。
13、此外，由于改变模态传输通路的技术可能性而由连接装置提供的所提供的通路数量、使用的简单性，特别是使用的灵活性，使用这种连接装置的具有空分复用的复用网络比cwdm网络更好，同时保持所用元件的无源性质和至少等效的效率，并且由于没有重型额外装置而实现质量增益。
14、事实上，连接装置不使用任何可能增加重量的额外电子装置或电源，也不使用任何软件。它只使用质量尽可能小的波导。
15、连接装置是双向的，并且在不使用任何软件的情况下支持现有的复用技术，同时提供与已知技术相比增加的可用通路数量，因为空分复用包含了复用。sdm中提供的通路数量对应于模式数量和可用波长数量的乘积。
16、在一个实施方案中，用于修改空间轮廓的第一光学组件和第二光学组件各自可以包括多模光束的第一输入/输出、第二光束输入/输出，允许光束在两个反射镜之间多次反射的至少两个反射镜，以及安装在两个反射镜中的一个上的光学相移结构，其包括多组多个基本相移区，由每组中的基本相移区引入的各个相移图案在光束通过该组之后产生光束的空间轮廓的中间变换，以及将在光束通过反射镜之间的多次反射期间在通过相移结构期间由多个组产生的中间变换组合形成整体变换，该整体变换包括将存在于输入光束中的第一传播模式或模式群变换为第二输出传播模式或模式群，以及将存在于输入光束中的第二模式或模式群变换为第一输出模式或模式群。
17、根据连接装置的实际情况，光束的单模波导由二氧化硅制成。
18、根据连接装置的另一个实际情况，光束可以从连接装置移除，以例如在地面维护操作期间替换为具有可能不同配置的另一光束。
19、本发明的另一个目的是提供一种机载光学通信网络，其适于允许通过多模光纤在飞行器的设备之间进行数据传输，该网络包括上游多模光纤和下游多模光纤，上游多模光纤旨在耦合到由信息进行数字调制的光辐射源，下游多模光纤旨在连接到接收器，使得能够对该信息进行解调，其特征在于，该网络包括至少一个如上所定义的连接装置，该连接装置连接在上游光纤和下游光纤之间。
20、本发明的另一个目的是提供一种包括至少一个如上所定义的机载光学通信网络的飞行器。