摘  要：在光纤陀螺光路结构中，Y波导与光纤环通过尾纤熔接形成闭合回路来敏感相对惯性空间的转动信息，而熔接点处引入的非互易相位差会制约高精度光纤陀螺检测精度，还会降低陀螺的环境适应性和长期可靠性。在某项目支持下，对Y波导与光纤环进行了直接耦合工艺处理，并将该模块应用到高精度光纤陀螺光路结构中。测试表明，在保证陀螺光路、电路、软件状态相同的情况下，直接耦合模块陀螺性能满足总体要求。

关键词：直接耦合技术;高精度光纤陀螺;Y波导;光纤环

中图分类号：TN253          文献标识码：A文章编号：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

保偏光纖环是光纤陀螺的传感部件，与Y波导器件的两根输出尾纤相熔接形成闭合回路以敏感系统相对惯性空间的转动信息[1]。这种工艺操作简单，可以满足对可靠性和精度要求不高的中低精度陀螺的应用。随着高精度光纤陀螺使用的光纤环、Y波导等器件性能的不断提高，熔接点所造成的光路误差对高精度陀螺精度的影响越来越明显。熔接点处引入的偏振交叉耦合、背向散射以及非互易相位差等误差源，不仅会制约高精度陀螺检测精度，还会降低陀螺的环境适应性和长期可靠性[2-4]。因此，将保偏光纤环与Y波导芯片直接耦合形成敏感环组件是高精度光纤陀螺的关键技术之一。目前国外高精度光纤陀螺光路中均采用直接耦合技术[5]。

目前，国内高精度光纤陀螺在温度性能方面仍存在不足。温度性能的不足主要源于敏感环路的不对称性，包括光纤环本身绕制的不对称性、Y波导尾纤与光纤环熔点引起的不对称性、Y波导尾纤与光纤环尾纤装配的不对称性。理论上，熔点引起的不对称性和尾纤装配的不对称性均可通过光纤环/Y波导直接耦合的方式解决。红峰公司结合高精度光纤陀螺全温温度性能研制需求，将Y波导、光纤环直接耦合敏感环模块应用到高精度光纤陀螺光路结构中，并进行了直接耦合前后陀螺性能对比。

1  Y波导/保偏光纤环直接耦合技术工艺

1.1  直接耦合光纤定轴

目前光纤环采用的为高双折射保偏光纤，由于强应力区的引入，很大的轴向残余应力被固化到应力型保偏光纤中，由于应力区设计引入的附加损耗或断裂，在研磨施加力的情况下，如果光纤中存在微裂纹，它们将在应力作用下开始生长，最终导致光纤的强度失效。因此，在直接耦合光纤定轴前，首先要对绕环保偏光纤和保偏光纤环进行筛选测试。为了保证研磨成功率，选取了一种拍长较大的某型号保偏光纤。光纤长度2.7 km左右，利用白光干涉仪对保偏光纤进行了全温偏振耦合测试，并计算了光纤线性双折射随温度的变化特性。如图1所示，图中给出了光纤线性双折射随温度的变化曲线。从图中可看出光纤的线性双折射基本随温度负线性相关，能够满足高精度绕环需求。

由图1和图2可以看出，可研可绕光纤在绕环前后线性双折射系数有所下降，说明绕环过程对光纤保偏能力有所弱化，且基本随温度负线性相关。总体而言，成环后光纤环能够满足高精度陀螺使用;光纤环线性双折射随温度的变化基本呈现线性状态，利于简化光纤陀螺的温度补偿模型和减小标度因数非线性度。

高精密排纤光纤环绕制技术是实现光纤陀螺良好全温零偏稳定性的基础。也是验证直接耦合技术对光纤陀螺全温零偏稳定性等指标改善作用的前提。采用上述可研磨可绕环光纤，按照四级对称绕法绕制了1只无骨架保偏光纤环，长约2.7 km。利用白光干涉仪对保偏光纤环进行了全温偏振耦合测试，并计算了光纤环线性双折射随温度的变化特性。如图2所示，图中给出了光纤线性双折射随温度的变化曲线。从图中可看出光纤环成环后的线性双折射较绕环前的光纤略有降低，能够满足高精度光纤陀螺的需求。

直接耦合技术中对光纤环尾纤定轴的目的是确定光纤环尾纤端面的偏振轴向（快轴或慢轴），利于保偏光纤与Y波导芯片耦合。

光纤环定轴过程如下：

（1）将光纤环露出骨架部分的光纤裁剪至适宜长度;

（2）将前端光纤涂覆层使用涂层去除工艺去除，以便于铌酸锂陪片粘接;

（3）光纤几何偏振轴以快轴轴向进行光纤定轴（尾纤组件耦合时旋转90°，以慢轴轴向与波导芯片对准）;

（4）光纤与铌酸锂陪片经研磨、抛光过程制作成光纤环尾纤组件。

1.2  光纤环-Y波导敏感环模块耦合

为确认用于直接耦合的芯片为合格芯片，需要在耦合前测试直接耦合用芯片的光电参数。为此，借用北京世维通公司设计的直接耦合芯片筛选台。利用此系统预筛选芯片时，无需将芯片耦合成成品，即可直接对芯片的光电参数进行测试。芯片筛选台集Y波导耦合、半波电压测试、波形斜度测试和残余强度测试功能于一身。设计双端耦合系统和探针测试台，在光学平台上耦合对准Y波导芯片的输入输出光纤（不粘接固定），通过探针对Y波导电极施加调制信号，可参照传统半波电压和残余强度的测试方法，直接测试芯片的该项参数。

保偏光纤环和Y波导芯片筛选定型后，进行直接耦合工艺。光纤环与Y型波导芯片对轴耦合工艺主要包含以下三步骤：第一步，安装Y波导芯片和光纤环尾纤;第二步，进行对准调节;第三步，滴紫外胶曝光固化。为验证此耦合工艺的有效性，采用精密微位移的六维自由度耦合平台，严格控制耦合工艺状态，同时采用偏振串音测试仪和光功率计检测光纤环另一端偏振串音以及功率，直至最佳。

敏感环模块的直接耦合过程通过引进半自动耦合系统所集成的红光激光器（耦合端面角度对准）、接触传感器（耦合胶厚度控制）和自动找光（软件算法自动寻找最佳耦合点）技术，优化了Y波导与光纤环直接耦合工艺，提高了耦合一致性和耦合质量。

Y波导/光纤敏感环直接耦合器件耦合过程测试，具体参数如表1所示。

1.3  Y波导/光纤环敏感环模块测试

Y波导/光纤环敏感环模块经过半成品老化测试、老化筛选后全温测试、老化筛选后常温光、电参数测试等一系列筛选测试后，进行了常温插损测试和全温插损测试。如表2所示。

设在初始常温状态下敏感环模块的插入损耗为Li常温1，在不同温度条件下敏感环模块的插入损耗为Lit，则可通过以下公式计算敏感环模块的全温变化量：

Y波导-敏感环模块的全温插损变化量曲线如图3所示。

直接耦合模块样品的制作采用了直接耦合新工艺，其耦合、老化后实物如图4所示。

2  含直接耦合模块的光纤陀螺系统测试

完成光纤环尾纤和波导芯片对轴、研磨、耦合工艺后，将Y波导+敏感环模块接入散态陀螺系统进行常温零偏稳定性测试筛选。经过初步筛选，包含直接耦合模块的光纤陀螺三台系统光路信号正常，精度满足要求。下一步将Y波导+敏感环进行陀螺整机装配，陀螺采用有源器件与无源器件隔离的设计理念，装配成分体式结构。陀螺整机装配后进行了常温零偏稳定性测试，测试结果如图5所示。整机装配陀螺常温零偏稳定性（100S平滑）为0.000 86°/h。

对含直接耦合模块的光纤陀螺进行全温零偏稳定性试验，具体温度试验条件按照图6中红色曲线进行，变温过程按照0.5℃/min设置。Y波导芯片/光纤环直接耦合敏感模块放置在温箱中，陀螺其余部分放置在温箱外面。通过计算整段陀螺输出数据，陀螺全温零偏稳定性0.005 °/ h，低温-40℃和高温+60℃定温段陀螺精度均优于0.001 °/ h，如图6所示。

3  结  论

Y波导/保偏光纤环直接耦合技术关键点之一在于短拍长保偏光纤研磨成功率。直接耦合技术在高精度光纤陀螺应用过程中，应在保证光路对称性的前提下，尽量减短光纤环到波导芯片的尾纤长度。但是目前受限于短拍长保偏光纤研磨成功率并不能达到100%，必须保留一定的尾纤长度作为返修余量来避免研磨失败的风险。

本文通过筛选波导芯片及光纤环，再对两者进行了直接耦合工艺，制作了直接耦合的敏感环光路模块，应用到高精度光纖陀螺中，可以满足光纤陀螺使用需求。最后，对比了直接耦合前后散态陀螺常温精度，从测量结果来看，直接耦合工艺对陀螺精度有一定提高，对后续高精度光纤陀螺工程化技术状态定型有一定指导作用。

参考文献：

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

[2] 田自君，蔡文峰，吴昊，等.保偏光纤环与Y波导芯片直接耦合技术研究 [J].半导体光电，2017，38（1）：57-60.

[3] 刘隐，乔海燕，黄健，等.Y波导集成光学器件的耦合技术 [J].半导体光电，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] 刘海霞，刘惠兰，杨德伟，等.一种适用于直接耦合的光纤环组件封装结构：CN102608703A [P].2012-07-25.

作者简介：刘雪锋（1991.11—），男，汉族，湖北鄂州人，研究方向：惯测组合以及光纤陀螺的测试和性能优化。