尚克军，雷 明，向 强，杨 怿，冯 喆，张丽哲

（1.北京理工大学自动化学院，北京100081；2.北京自动化控制设备研究所，北京100074）

光纤陀螺（Fiber Optical Gyroscope,FOG）经过40 余年的发展，其精度范围覆盖0.0001 °/h～10 °/h[1-3]，已广泛应用于海、陆、空、天各领域。传统光纤陀螺方案主要借助于光通讯基础产业，光源、耦合器、调制器、探测器等核心部件均为分立光学器件，这不仅限制了成本的进一步降低，而且增加了进一步小型化的难度。同时，分立光学器件之间需要采用光互联工艺，导致生产过程复杂，产品一致性难控，因此高精度光纤陀螺在小型化和低成本发展遇到瓶颈[4,5]，这已经成为制约惯性导航系统综合效能提升的瓶颈。

光纤陀螺主要由光学器件（包括光源、耦合器、调制器、探测器等）、电路单元、干涉传感单元三部分组成[6]。随着光电子、微电子和微纳加工技术的迅猛发展，兼具发光、耦合、调制和探测等多种功能的硅基混合集成光学芯片不断取得突破，目前在光通信领域获得广泛应用[7]。硅基光子器件与传统CMOS 工艺兼容，具备小体积、高性能、低成本等技术优势，逐渐成为未来光电融合的主要技术方案，以此为契机，集成化微小型光纤陀螺逐步具备了相应的研究基础：利用单个集成光学芯片替代传统光纤陀螺中多个分立光学器件，基于微小型专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit,ASIC）实现陀螺信号检测[8,9]，分别实现光学器件和电路单元集成，干涉传感单元方面采用集成光波导环圈或者新一代超细径保偏光纤环圈实现微型化[10,11]。集成化微小型光纤陀螺的理论基础仍然是经典的光学干涉效应，其精度极限可达到0.0001 °/h。重要的是，集成化微小型光纤陀螺在方案实现上能够充分发挥集成光学芯片和ASIC 电路的小尺寸和批生产优势，大幅优化光纤陀螺的SWaP-C（尺寸，重量、功耗和成本）综合性能，有望满足新一代航空航天高新装备对高精度、微小型陀螺惯性器件的迫切需求。

集成化微小型光纤陀螺的概念自上个世纪80年代提出以来，受限于微加工和集成制造水平制约，大多处于理论研究层面。2010年以来，硅基光学集成技术不断取得进展，美国加州大学[12-13]、加州理工学院[14-15]、Honeywell 公司[16-17]、KVH 公司[18]等在集成化微小型光纤陀螺方面不断取得进展和突破。在集成光学芯片研制方面：加州大学在4.5 mm2尺寸的硅衬底上实现光源、耦合器、分束器、光相位调制器等多个光学器件的混合集成；加州理工学院在2 mm2尺寸的硅衬底上实现了耦合器、光相位调制器、热光移相器、探测器以及2 个光学干涉回路的混合集成；Honeywell 公司在35 mm×35 mm的光学芯片上集成了光源、探测器、调制器以及耦合器等多达31 个光学器件。在集成化微小型光纤陀螺研究方面，以KVH 为代表的应用单位已经实现了低密度集成光学芯片（集成了两个耦合器、1 个起偏器）在其最新的P-1775 型IMU 惯测装置上的应用，不仅提升了产品的环境适应性而且显著降低了成本，目前该惯测装置已成功应用于运载火箭、无人机等中、低精度领域。

综上所述，集成化微小型光纤陀螺有望具备高精度、小尺寸、低成本、高可靠等特征，逐渐成为一种极具潜力的微小型、高精度陀螺解决方案。

1 陀螺总体结构

针对集成化微小型光纤陀螺小型化、轻量化的设计思路，且能实现导航级精度的目标，完成集成化微小型光纤陀螺方案设计，总体结构如图1所示：主要由四大部件组成：集成光学芯片、集成光学调制器、微型化环圈以及微小型检测电路，其中集成光学芯片上集成了SLD、PD 和耦合器Y1 三个分立光学器件，集成光学调制器采用体材料LiNbO3晶体，集成了起偏器、分束器和相位调制器等三大功能单元，在集成光学芯片和集成光学调制器之间通过一段单模光纤滤除波导传输时的高阶模分量，以确保光纤陀螺的零偏互易性特征，降低零位误差。光纤环圈采用新一代超细径光纤实现传感环圈的微型化，在确保陀螺精度的前提条件下显著降低环圈尺寸。微小型检测电路采用微型化数模电路器件（或国产化ASIC 电路）实现检测电路的微型化和高性能，其主要功能是实现陀螺信号处理与闭环控制、调制信号发生、数据通信等功能。

图1 集成化微小型光纤陀螺结构Fig.1 Schematic illustration of the miniature FOG based on IOC

图2 硅基混合集成光学芯片结构Fig.2 The scheme of the IOC

图3 集成光学芯片封装Fig.3 The packaging of the IOC

为了在降低成本的同时提高陀螺的集成度、可制造性和性能，在光学器件集成方面，我们采用平面光波导回路（Planar Lightwave Circuit,PLC）技术。集成光学芯片的整体布局如图1所示。通过设计大间距的二氧化硅PLC 型Y 分支，为后期Y 分支与SLD、PD 的集成提供足够的尺寸空间。其中Y 分支Y1 是一个3dB 无源波导耦合器，由掺杂的SiO2实现，用于将在波导中传播的50%光引导到表面安装在芯片上的SLD 和PD 芯片中，耦合器的不等分会导致反向散射和Kerr 噪声增加。图2为集成光学芯片结构图，集成光学芯片上集成SLD 光源芯片的主要工艺路线是通过透镜光路或芯片波导模斑转换设计实现SLD 与Y1之间的低损耗、高集成度耦合。光电探测器PD 芯片采用InGaAs 通过晶圆键合工艺键合到SiO2衬底上。探测器基于光子吸收效应，为提高探测器响应度并提升陀螺整体信噪比，通过设计蚀刻金属化微镜，通过微镜将光重定向出波导并进入表面安装的PD 芯片，通过场效应晶体管（Field Effect Transistor,FET）电路实现电流信号到电压信号的转换，供检测电路实现陀螺转速检测。集成光学芯片被安装在一块半导体制冷器（Thermo Electric Cooler,TEC）上，通过外部高精度温度控制以确保芯片在全温度范围内具有较好的波长和功率稳定性。封装好的集成光学芯片还包含耦合输出结构，该结构提供光耦合进出微型化环圈，具体通过采用光学级端面磨抛、六方位耦合、应力胶固化等工艺步骤实现细径光纤与集成光学芯片间的直接耦合与封装。

在电子接口引线设计与封装方面，通过电端口引线设计，完成集成光学芯片的封装固化，封装后的结构外形如图3所示，该金属封装的接口和引线键合允许与14 个电气引脚和光纤尾纤进行电接触，以隔离外部环境对集成光学芯片的干扰。

2 陀螺精度计算

微小型光纤陀螺仪的理论灵敏度可参照传统干涉式光纤陀螺进行计算，主要由光子噪声决定，光子噪声表示如下：

其中，σp为光功率P的标准差，Δfbw为计数带宽，h为普朗克常数，6.63×10-34 J·s，c为光速，λ为光波长，P为探测光功率，可表示为：

其中，ΔΦS为干涉相位差，Φb为偏置相位。

对于λ＝1300 nm，有：

考虑到在偏置相位上，相对相位差而言，信号斜率为1，噪声等效相位差表示为：

以偏置功率P=4 µW，计数带宽Δfbw＝0.01 Hz 进行计算，得到噪声等效相位σΔΦ=0.05 μrad，即为设计的微小型光纤陀螺仪的理论灵敏度。

陀螺仪灵敏度为0.05 µrad 进行计算，当光纤环圈长度L=1050 m，直径D=0.02 m 时，可计算得其对应的角速率为：

代入相关参数可得，目前尺寸下集成化微小型光纤陀螺的极限精度可达0.031 °/h。

3 样机搭建及性能测试

完成了基于集成光学芯片的微小型光纤陀螺样机搭建，如图4所示。光纤环圈采用新一代60/100 μm超细径光纤通过十六极对称绕制实现环圈微型化，集成光学芯片和裸封装相位调制器通过一段0.5 m 单模光纤实现连接，从而降低陀螺零位误差，整机外形尺寸仅为35 mm×35 mm×35 mm。

图4 集成化微小型光纤陀螺样机Fig.4 Prototype of the integrated miniature FOG

为了比较集成化微小型光纤陀螺性能，采用同样尺寸的光纤环圈搭建传统光纤陀螺，进行常温下的陀螺性能测试，相关陀螺参数以及测得的零偏不稳定性指标如图5和表1所示，其中集成化微小型光纤陀螺编号为#1，传统光纤陀螺编号为#2。集成化微小型光纤陀螺零偏不稳定性达到了0.072 °/h，而同样尺寸的传统光纤陀螺的零偏不稳定性达到了0.016 °/h。

图5 集成化光纤陀螺与传统光纤陀螺常温测试数据Fig.5 Test datas of integrated FOG and traditional FOG under the room temperature

表1 集成化光纤陀螺与传统光纤陀螺常温测试对比Tab.1 Test results of integrated FOG and traditional FOG under the room temperature

从表1中数据可见，由于采用同样的光纤传感环圈、信号检测电路以及控制算法，集成化微小型光纤陀螺与传统光纤陀螺的测试标度因数吻合，而传统光纤陀螺的零偏不稳定性明显优于集成化微小型光纤陀螺的零偏不稳定性。

进一步分析可知，导致集成化微小型光纤陀螺性能与传统光纤陀螺性能存在差异的主要原因在于芯片化尺寸下，芯片的光、电、磁、热串扰显著，导致陀螺信噪比明显低于传统光纤陀螺，后期的主要目标是降低集成光学芯片器件的各种噪声，以满足微小型光纤陀螺精度需求。

4 结论与展望

本文提出了一种基于集成光学芯片的集成化微小型光纤陀螺，对集成光学芯片设计方案进行了叙述，基于集成光学芯片，采用微型化环圈和小型化检测电路，搭建成功集成化微小型光纤陀螺样机，陀螺外形尺寸仅为35 mm×35 mm×35 mm，陀螺测试零偏不稳定性达到了0.072 °/h，相比较于传统光纤陀螺虽然还存在一定差距，但是通过集成光学芯片性能的进一步优化，未来有望满足微小型光纤陀螺的应用需求。