應用于光纖陀螺中的Y型波導調制器溫度特性及可靠性研究.pdf

1、光纖陀螺(Fiber-Optic Gyroscope)用Y型波導調制器(Y-junction integrated optical waveguide)是應用于干涉式光纖陀螺中的集成光學器件。它同時具有分束、合束器,起偏、檢偏器,電光調制器等多種功能,是干涉式光纖陀螺的核心器件。其可靠性的優(yōu)劣將對高精度光纖陀螺的精度及穩(wěn)定性產生較大的影響,因此越來越受到世界各國的關注。 由于器件實際工作的環(huán)境條件往往十分惡劣,溫度是影響器件性能

2、的最主要因素之一。因此本文從光纖陀螺用Y波導調制器的重要光學參數(shù)入手,研究器件在高溫、低溫儲存,高低溫沖擊,以及在溫度快速循環(huán)變化的環(huán)境中工作的溫度特性,總結其變化規(guī)律,探究參數(shù)變化的主要原因,并對其進行可靠性分析和壽命預測的探索。論文研究內容此前在國內未見報道。 首先,對光纖陀螺用Y型波導調制器在高溫75℃、低溫-55℃存儲條件下進行了各120小時的試驗。結果顯示長期的高低溫存儲對器件的插入損耗參數(shù)的影響較大,器件表現(xiàn)出隨存儲

3、時間延長而插入損耗增加的趨勢,高溫參數(shù)平均退化率為L1=0.00372dB/小時,低溫參數(shù)平均退化率為L2=0.00157dB/小時。另外從高溫和低溫實驗的數(shù)據(jù)的對比看,器件參數(shù)普遍受高溫存儲的影響比受低溫存儲的影響大。 其次,對器件進行了高低溫沖擊和循環(huán)溫度工作穩(wěn)定性試驗。結果在溫度沖擊實驗中尾纖偏振串音出現(xiàn)了明顯的退化,器件受快速溫度沖擊時參數(shù)退化和失效的敏感區(qū)在60次至90次之間。在溫度循環(huán)實驗中在工作極限溫度區(qū),各參數(shù)都

4、出現(xiàn)不同程度的退化。其中尾纖偏振串音在低溫區(qū)-55℃∪-20℃出現(xiàn)明顯退化,是器件溫度循環(huán)工作穩(wěn)定的主要瓶頸。 由于器件參數(shù)的常溫可恢復性和在異常溫度下對器件進行解剖分析的困難性,器件模擬成為了理想而有效的分析手段。針對光纖陀螺用Y型波導調制器溫度特性試驗中暴露出來的問題,本文利用ANSYS大型有限元分析軟件,對Y型波導調制器在低溫下的光纖-波導耦合進行了溫度應力模擬,給出了耦合處的應力分布和彈性位移。通過和實驗數(shù)據(jù)的對比,證明

5、了由于耦合處材料性質的差異導致的受溫形變是器件低溫下工作參數(shù)退化的主要原因之一,為改進器件溫度特性提供了有效參考,也為Y波導調制器的可靠性分析探索了新的思路。 最后,對部分失效器件進行了光學顯微分析及對波導芯片進行了能量彌散譜(EDX)組分分析,發(fā)現(xiàn)了波導存在的缺陷和污點。為波導制作工藝的提高提供了參考。對Y波導調制器采用電子器件加速壽命預測的嘗試表明,電子器件的加速壽命預測方法不適用于Y波導調制器,其壽命的預測有待進一步的研究