直接耦合技術(shù)在高精度光纖陀螺上的應(yīng)用

摘? 要：在光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)中，Y波導(dǎo)與光纖環(huán)通過尾纖熔接形成閉合回路來敏感相對慣性空間的轉(zhuǎn)動信息，而熔接點處引入的非互易相位差會制約高精度光纖陀螺檢測精度，還會降低陀螺的環(huán)境適應(yīng)性和長期可靠性。在某項目支持下，對Y波導(dǎo)與光纖環(huán)進行了直接耦合工藝處理，并將該模塊應(yīng)用到高精度光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)中。測試表明，在保證陀螺光路、電路、軟件狀態(tài)相同的情況下，直接耦合模塊陀螺性能滿足總體要求。

關(guān)鍵詞：直接耦合技術(shù);高精度光纖陀螺;Y波導(dǎo);光纖環(huán)

中圖分類號：TN253? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）01-0063-03

Abstract： In the optical path structure of fiber optic gyroscope， Y waveguide and fiber ring form a closed loop through tail fiber fusion to sense the rotation information of relative inertial space， and the non reciprocal phase difference introduced at the fusion point will restrict the detection accuracy of high-precision fiber optic gyroscope， and reduce the environmental adaptability and long-term reliability of the gyroscope. With the support of a project， the direct coupling technology process between Y waveguide and fiber ring is processed， and the module is applied to the optical path structure of high precision fiber optic gyroscope. The test shows that the performance of the direct coupling module gyro meets the overall requirements under the condition of ensuring the same state of the gyro optical path， circuit and software status.

Keywords： direct coupling technology; high precision fiber optic gyroscope; Y waveguide; fiber ring

0? 引? 言

保偏光纖環(huán)是光纖陀螺的傳感部件，與Y波導(dǎo)器件的兩根輸出尾纖相熔接形成閉合回路以敏感系統(tǒng)相對慣性空間的轉(zhuǎn)動信息[1]。這種工藝操作簡單，可以滿足對可靠性和精度要求不高的中低精度陀螺的應(yīng)用。隨著高精度光纖陀螺使用的光纖環(huán)、Y波導(dǎo)等器件性能的不斷提高，熔接點所造成的光路誤差對高精度陀螺精度的影響越來越明顯。熔接點處引入的偏振交叉耦合、背向散射以及非互易相位差等誤差源，不僅會制約高精度陀螺檢測精度，還會降低陀螺的環(huán)境適應(yīng)性和長期可靠性[2-4]。因此，將保偏光纖環(huán)與Y波導(dǎo)芯片直接耦合形成敏感環(huán)組件是高精度光纖陀螺的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國外高精度光纖陀螺光路中均采用直接耦合技術(shù)[5]。

目前，國內(nèi)高精度光纖陀螺在溫度性能方面仍存在不足。溫度性能的不足主要源于敏感環(huán)路的不對稱性，包括光纖環(huán)本身繞制的不對稱性、Y波導(dǎo)尾纖與光纖環(huán)熔點引起的不對稱性、Y波導(dǎo)尾纖與光纖環(huán)尾纖裝配的不對稱性。理論上，熔點引起的不對稱性和尾纖裝配的不對稱性均可通過光纖環(huán)/Y波導(dǎo)直接耦合的方式解決。紅峰公司結(jié)合高精度光纖陀螺全溫溫度性能研制需求，將Y波導(dǎo)、光纖環(huán)直接耦合敏感環(huán)模塊應(yīng)用到高精度光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)中，并進行了直接耦合前后陀螺性能對比。

1? Y波導(dǎo)/保偏光纖環(huán)直接耦合技術(shù)工藝

1.1? 直接耦合光纖定軸

目前光纖環(huán)采用的為高雙折射保偏光纖，由于強應(yīng)力區(qū)的引入，很大的軸向殘余應(yīng)力被固化到應(yīng)力型保偏光纖中，由于應(yīng)力區(qū)設(shè)計引入的附加損耗或斷裂，在研磨施加力的情況下，如果光纖中存在微裂紋，它們將在應(yīng)力作用下開始生長，最終導(dǎo)致光纖的強度失效。因此，在直接耦合光纖定軸前，首先要對繞環(huán)保偏光纖和保偏光纖環(huán)進行篩選測試。為了保證研磨成功率，選取了一種拍長較大的某型號保偏光纖。光纖長度2.7 km左右，利用白光干涉儀對保偏光纖進行了全溫偏振耦合測試，并計算了光纖線性雙折射隨溫度的變化特性。如圖1所示，圖中給出了光纖線性雙折射隨溫度的變化曲線。從圖中可看出光纖的線性雙折射基本隨溫度負線性相關(guān)，能夠滿足高精度繞環(huán)需求。

由圖1和圖2可以看出，可研可繞光纖在繞環(huán)前后線性雙折射系數(shù)有所下降，說明繞環(huán)過程對光纖保偏能力有所弱化，且基本隨溫度負線性相關(guān)。總體而言，成環(huán)后光纖環(huán)能夠滿足高精度陀螺使用;光纖環(huán)線性雙折射隨溫度的變化基本呈現(xiàn)線性狀態(tài)，利于簡化光纖陀螺的溫度補償模型和減小標(biāo)度因數(shù)非線性度。

高精密排纖光纖環(huán)繞制技術(shù)是實現(xiàn)光纖陀螺良好全溫零偏穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。也是驗證直接耦合技術(shù)對光纖陀螺全溫零偏穩(wěn)定性等指標(biāo)改善作用的前提。采用上述可研磨可繞環(huán)光纖，按照四級對稱繞法繞制了1只無骨架保偏光纖環(huán)，長約2.7 km。利用白光干涉儀對保偏光纖環(huán)進行了全溫偏振耦合測試，并計算了光纖環(huán)線性雙折射隨溫度的變化特性。如圖2所示，圖中給出了光纖線性雙折射隨溫度的變化曲線。從圖中可看出光纖環(huán)成環(huán)后的線性雙折射較繞環(huán)前的光纖略有降低，能夠滿足高精度光纖陀螺的需求。

直接耦合技術(shù)中對光纖環(huán)尾纖定軸的目的是確定光纖環(huán)尾纖端面的偏振軸向（快軸或慢軸），利于保偏光纖與Y波導(dǎo)芯片耦合。

光纖環(huán)定軸過程如下：

（1）將光纖環(huán)露出骨架部分的光纖裁剪至適宜長度;

（2）將前端光纖涂覆層使用涂層去除工藝去除，以便于鈮酸鋰陪片粘接;

（3）光纖幾何偏振軸以快軸軸向進行光纖定軸（尾纖組件耦合時旋轉(zhuǎn)90°，以慢軸軸向與波導(dǎo)芯片對準(zhǔn)）;

（4）光纖與鈮酸鋰陪片經(jīng)研磨、拋光過程制作成光纖環(huán)尾纖組件。

1.2? 光纖環(huán)-Y波導(dǎo)敏感環(huán)模塊耦合

為確認用于直接耦合的芯片為合格芯片，需要在耦合前測試直接耦合用芯片的光電參數(shù)。為此，借用北京世維通公司設(shè)計的直接耦合芯片篩選臺。利用此系統(tǒng)預(yù)篩選芯片時，無需將芯片耦合成成品，即可直接對芯片的光電參數(shù)進行測試。芯片篩選臺集Y波導(dǎo)耦合、半波電壓測試、波形斜度測試和殘余強度測試功能于一身。設(shè)計雙端耦合系統(tǒng)和探針測試臺，在光學(xué)平臺上耦合對準(zhǔn)Y波導(dǎo)芯片的輸入輸出光纖（不粘接固定），通過探針對Y波導(dǎo)電極施加調(diào)制信號，可參照傳統(tǒng)半波電壓和殘余強度的測試方法，直接測試芯片的該項參數(shù)。

保偏光纖環(huán)和Y波導(dǎo)芯片篩選定型后，進行直接耦合工藝。光纖環(huán)與Y型波導(dǎo)芯片對軸耦合工藝主要包含以下三步驟：第一步，安裝Y波導(dǎo)芯片和光纖環(huán)尾纖;第二步，進行對準(zhǔn)調(diào)節(jié);第三步，滴紫外膠曝光固化。為驗證此耦合工藝的有效性，采用精密微位移的六維自由度耦合平臺，嚴格控制耦合工藝狀態(tài)，同時采用偏振串音測試儀和光功率計檢測光纖環(huán)另一端偏振串音以及功率，直至最佳。

敏感環(huán)模塊的直接耦合過程通過引進半自動耦合系統(tǒng)所集成的紅光激光器（耦合端面角度對準(zhǔn)）、接觸傳感器（耦合膠厚度控制）和自動找光（軟件算法自動尋找最佳耦合點）技術(shù)，優(yōu)化了Y波導(dǎo)與光纖環(huán)直接耦合工藝，提高了耦合一致性和耦合質(zhì)量。

Y波導(dǎo)/光纖敏感環(huán)直接耦合器件耦合過程測試，具體參數(shù)如表1所示。

1.3? Y波導(dǎo)/光纖環(huán)敏感環(huán)模塊測試

Y波導(dǎo)/光纖環(huán)敏感環(huán)模塊經(jīng)過半成品老化測試、老化篩選后全溫測試、老化篩選后常溫光、電參數(shù)測試等一系列篩選測試后，進行了常溫插損測試和全溫插損測試。如表2所示。

設(shè)在初始常溫狀態(tài)下敏感環(huán)模塊的插入損耗為Li常溫1，在不同溫度條件下敏感環(huán)模塊的插入損耗為Lit，則可通過以下公式計算敏感環(huán)模塊的全溫變化量：

Y波導(dǎo)-敏感環(huán)模塊的全溫插損變化量曲線如圖3所示。

直接耦合模塊樣品的制作采用了直接耦合新工藝，其耦合、老化后實物如圖4所示。

2? 含直接耦合模塊的光纖陀螺系統(tǒng)測試

完成光纖環(huán)尾纖和波導(dǎo)芯片對軸、研磨、耦合工藝后，將Y波導(dǎo)+敏感環(huán)模塊接入散態(tài)陀螺系統(tǒng)進行常溫零偏穩(wěn)定性測試篩選。經(jīng)過初步篩選，包含直接耦合模塊的光纖陀螺三臺系統(tǒng)光路信號正常，精度滿足要求。下一步將Y波導(dǎo)+敏感環(huán)進行陀螺整機裝配，陀螺采用有源器件與無源器件隔離的設(shè)計理念，裝配成分體式結(jié)構(gòu)。陀螺整機裝配后進行了常溫零偏穩(wěn)定性測試，測試結(jié)果如圖5所示。整機裝配陀螺常溫零偏穩(wěn)定性（100S平滑）為0.000 86°/h。

對含直接耦合模塊的光纖陀螺進行全溫零偏穩(wěn)定性試驗，具體溫度試驗條件按照圖6中紅色曲線進行，變溫過程按照0.5℃/min設(shè)置。Y波導(dǎo)芯片/光纖環(huán)直接耦合敏感模塊放置在溫箱中，陀螺其余部分放置在溫箱外面。通過計算整段陀螺輸出數(shù)據(jù)，陀螺全溫零偏穩(wěn)定性0.005 °/ h，低溫-40℃和高溫+60℃定溫段陀螺精度均優(yōu)于0.001 °/ h，如圖6所示。

3? 結(jié)? 論

Y波導(dǎo)/保偏光纖環(huán)直接耦合技術(shù)關(guān)鍵點之一在于短拍長保偏光纖研磨成功率。直接耦合技術(shù)在高精度光纖陀螺應(yīng)用過程中，應(yīng)在保證光路對稱性的前提下，盡量減短光纖環(huán)到波導(dǎo)芯片的尾纖長度。但是目前受限于短拍長保偏光纖研磨成功率并不能達到100%，必須保留一定的尾纖長度作為返修余量來避免研磨失敗的風(fēng)險。

本文通過篩選波導(dǎo)芯片及光纖環(huán)，再對兩者進行了直接耦合工藝，制作了直接耦合的敏感環(huán)光路模塊，應(yīng)用到高精度光纖陀螺中，可以滿足光纖陀螺使用需求。最后，對比了直接耦合前后散態(tài)陀螺常溫精度，從測量結(jié)果來看，直接耦合工藝對陀螺精度有一定提高，對后續(xù)高精度光纖陀螺工程化技術(shù)狀態(tài)定型有一定指導(dǎo)作用。

參考文獻：

[1] Herve C L.The Fiber-Optic Gyroscope[M].Norwood： Artech House，1993.

[2] 田自君，蔡文峰，吳昊，等.保偏光纖環(huán)與Y波導(dǎo)芯片直接耦合技術(shù)研究 [J].半導(dǎo)體光電，2017，38（1）：57-60.

[3] 劉隱，喬海燕，黃健，等.Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件的耦合技術(shù) [J].半導(dǎo)體光電，2010，31（2）：245-248+252.

[4] LIU Huizu，YAO Qiong，HU Yongming.Testing System of Fiber Polarization Coupling Based on Polarization Maintaining Structure [J].Chinese Journal of Laser，2010，37（7）：1794-1798.

[5] 劉海霞，劉惠蘭，楊德偉，等.一種適用于直接耦合的光纖環(huán)組件封裝結(jié)構(gòu)：CN102608703A [P].2012-07-25.

作者簡介：劉雪鋒（1991.11—），男，漢族，湖北鄂州人，研究方向：慣測組合以及光纖陀螺的測試和性能優(yōu)化。