應(yīng)用于光纖陀螺中的Y型波導(dǎo)調(diào)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(dǎo)調(diào)制器(Y-junction integrated optical waveguide)是應(yīng)用于干涉式光纖陀螺中的集成光學(xué)器件。它同時(shí)具有分束、合束器,起偏、檢偏器,電光調(diào)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(duì)高精度光纖陀螺的精度及穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響,因此越來越受到世界各國的關(guān)注。 由于器件實(shí)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(dǎo)調(diào)制器的重要光學(xué)參數(shù)入手,研究器件在高溫、低溫儲(chǔ)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(jié)其變化規(guī)律,探究參數(shù)變化的主要原因,并對(duì)其進(jìn)行可靠性分析和壽命預(yù)測的探索。論文研究內(nèi)容此前在國內(nèi)未見報(bào)道。 首先,對(duì)光纖陀螺用Y型波導(dǎo)調(diào)制器在高溫75℃、低溫-55℃存儲(chǔ)條件下進(jìn)行了各120小時(shí)的試驗(yàn)。結(jié)果顯示長期的高低溫存儲(chǔ)對(duì)器件的插入損耗參數(shù)的影響較大,器件表現(xiàn)出隨存儲(chǔ)

3、時(shí)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(shí),低溫參數(shù)平均退化率為L2=0.00157dB/小時(shí)。另外從高溫和低溫實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)的對(duì)比看,器件參數(shù)普遍受高溫存儲(chǔ)的影響比受低溫存儲(chǔ)的影響大。 其次,對(duì)器件進(jìn)行了高低溫沖擊和循環(huán)溫度工作穩(wěn)定性試驗(yàn)。結(jié)果在溫度沖擊實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(fù)性和在異常溫度下對(duì)器件進(jìn)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(duì)光纖陀螺用Y型波導(dǎo)調(diào)制器溫度特性試驗(yàn)中暴露出來的問題,本文利用ANSYS大型有限元分析軟件,對(duì)Y型波導(dǎo)調(diào)制器在低溫下的光纖-波導(dǎo)耦合進(jìn)行了溫度應(yīng)力模擬,給出了耦合處的應(yīng)力分布和彈性位移。通過和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,證明

5、了由于耦合處材料性質(zhì)的差異導(dǎo)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(jìn)器件溫度特性提供了有效參考,也為Y波導(dǎo)調(diào)制器的可靠性分析探索了新的思路。 最后,對(duì)部分失效器件進(jìn)行了光學(xué)顯微分析及對(duì)波導(dǎo)芯片進(jìn)行了能量彌散譜(EDX)組分分析,發(fā)現(xiàn)了波導(dǎo)存在的缺陷和污點(diǎn)。為波導(dǎo)制作工藝的提高提供了參考。對(duì)Y波導(dǎo)調(diào)制器采用電子器件加速壽命預(yù)測的嘗試表明,電子器件的加速壽命預(yù)測方法不適用于Y波導(dǎo)調(diào)制器,其壽命的預(yù)測有待進(jìn)一步的研究