一種基于集成光學(xué)芯片的微小型光纖陀螺

尚克軍，雷 明，向 強(qiáng)，楊 懌，馮 喆，張麗哲

（1.北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京100081；2.北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074）

光纖陀螺（Fiber Optical Gyroscope,FOG）經(jīng)過40 余年的發(fā)展，其精度范圍覆蓋0.0001 °/h～10 °/h[1-3]，已廣泛應(yīng)用于海、陸、空、天各領(lǐng)域。傳統(tǒng)光纖陀螺方案主要借助于光通訊基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，光源、耦合器、調(diào)制器、探測器等核心部件均為分立光學(xué)器件，這不僅限制了成本的進(jìn)一步降低，而且增加了進(jìn)一步小型化的難度。同時(shí)，分立光學(xué)器件之間需要采用光互聯(lián)工藝，導(dǎo)致生產(chǎn)過程復(fù)雜，產(chǎn)品一致性難控，因此高精度光纖陀螺在小型化和低成本發(fā)展遇到瓶頸[4,5]，這已經(jīng)成為制約慣性導(dǎo)航系統(tǒng)綜合效能提升的瓶頸。

光纖陀螺主要由光學(xué)器件（包括光源、耦合器、調(diào)制器、探測器等）、電路單元、干涉?zhèn)鞲袉卧糠纸M成[6]。隨著光電子、微電子和微納加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，兼具發(fā)光、耦合、調(diào)制和探測等多種功能的硅基混合集成光學(xué)芯片不斷取得突破，目前在光通信領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[7]。硅基光子器件與傳統(tǒng)CMOS 工藝兼容，具備小體積、高性能、低成本等技術(shù)優(yōu)勢，逐漸成為未來光電融合的主要技術(shù)方案，以此為契機(jī)，集成化微小型光纖陀螺逐步具備了相應(yīng)的研究基礎(chǔ)：利用單個(gè)集成光學(xué)芯片替代傳統(tǒng)光纖陀螺中多個(gè)分立光學(xué)器件，基于微小型專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit,ASIC）實(shí)現(xiàn)陀螺信號(hào)檢測[8,9]，分別實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件和電路單元集成，干涉?zhèn)鞲袉卧矫娌捎眉晒獠▽?dǎo)環(huán)圈或者新一代超細(xì)徑保偏光纖環(huán)圈實(shí)現(xiàn)微型化[10,11]。集成化微小型光纖陀螺的理論基礎(chǔ)仍然是經(jīng)典的光學(xué)干涉效應(yīng)，其精度極限可達(dá)到0.0001 °/h。重要的是，集成化微小型光纖陀螺在方案實(shí)現(xiàn)上能夠充分發(fā)揮集成光學(xué)芯片和ASIC 電路的小尺寸和批生產(chǎn)優(yōu)勢，大幅優(yōu)化光纖陀螺的SWaP-C（尺寸，重量、功耗和成本）綜合性能，有望滿足新一代航空航天高新裝備對(duì)高精度、微小型陀螺慣性器件的迫切需求。

集成化微小型光纖陀螺的概念自上個(gè)世紀(jì)80年代提出以來，受限于微加工和集成制造水平制約，大多處于理論研究層面。2010年以來，硅基光學(xué)集成技術(shù)不斷取得進(jìn)展，美國加州大學(xué)[12-13]、加州理工學(xué)院[14-15]、Honeywell 公司[16-17]、KVH 公司[18]等在集成化微小型光纖陀螺方面不斷取得進(jìn)展和突破。在集成光學(xué)芯片研制方面：加州大學(xué)在4.5 mm2尺寸的硅襯底上實(shí)現(xiàn)光源、耦合器、分束器、光相位調(diào)制器等多個(gè)光學(xué)器件的混合集成；加州理工學(xué)院在2 mm2尺寸的硅襯底上實(shí)現(xiàn)了耦合器、光相位調(diào)制器、熱光移相器、探測器以及2 個(gè)光學(xué)干涉回路的混合集成；Honeywell 公司在35 mm×35 mm的光學(xué)芯片上集成了光源、探測器、調(diào)制器以及耦合器等多達(dá)31 個(gè)光學(xué)器件。在集成化微小型光纖陀螺研究方面，以KVH 為代表的應(yīng)用單位已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低密度集成光學(xué)芯片（集成了兩個(gè)耦合器、1 個(gè)起偏器）在其最新的P-1775 型IMU 慣測裝置上的應(yīng)用，不僅提升了產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性而且顯著降低了成本，目前該慣測裝置已成功應(yīng)用于運(yùn)載火箭、無人機(jī)等中、低精度領(lǐng)域。

綜上所述，集成化微小型光纖陀螺有望具備高精度、小尺寸、低成本、高可靠等特征，逐漸成為一種極具潛力的微小型、高精度陀螺解決方案。

1 陀螺總體結(jié)構(gòu)

針對(duì)集成化微小型光纖陀螺小型化、輕量化的設(shè)計(jì)思路，且能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航級(jí)精度的目標(biāo)，完成集成化微小型光纖陀螺方案設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：主要由四大部件組成：集成光學(xué)芯片、集成光學(xué)調(diào)制器、微型化環(huán)圈以及微小型檢測電路，其中集成光學(xué)芯片上集成了SLD、PD 和耦合器Y1 三個(gè)分立光學(xué)器件，集成光學(xué)調(diào)制器采用體材料LiNbO3晶體，集成了起偏器、分束器和相位調(diào)制器等三大功能單元，在集成光學(xué)芯片和集成光學(xué)調(diào)制器之間通過一段單模光纖濾除波導(dǎo)傳輸時(shí)的高階模分量，以確保光纖陀螺的零偏互易性特征，降低零位誤差。光纖環(huán)圈采用新一代超細(xì)徑光纖實(shí)現(xiàn)傳感環(huán)圈的微型化，在確保陀螺精度的前提條件下顯著降低環(huán)圈尺寸。微小型檢測電路采用微型化數(shù)模電路器件（或國產(chǎn)化ASIC 電路）實(shí)現(xiàn)檢測電路的微型化和高性能，其主要功能是實(shí)現(xiàn)陀螺信號(hào)處理與閉環(huán)控制、調(diào)制信號(hào)發(fā)生、數(shù)據(jù)通信等功能。

圖1 集成化微小型光纖陀螺結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic illustration of the miniature FOG based on IOC

圖2 硅基混合集成光學(xué)芯片結(jié)構(gòu)Fig.2 The scheme of the IOC

圖3 集成光學(xué)芯片封裝Fig.3 The packaging of the IOC

為了在降低成本的同時(shí)提高陀螺的集成度、可制造性和性能，在光學(xué)器件集成方面，我們采用平面光波導(dǎo)回路（Planar Lightwave Circuit,PLC）技術(shù)。集成光學(xué)芯片的整體布局如圖1所示。通過設(shè)計(jì)大間距的二氧化硅PLC 型Y 分支，為后期Y 分支與SLD、PD 的集成提供足夠的尺寸空間。其中Y 分支Y1 是一個(gè)3dB 無源波導(dǎo)耦合器，由摻雜的SiO2實(shí)現(xiàn)，用于將在波導(dǎo)中傳播的50%光引導(dǎo)到表面安裝在芯片上的SLD 和PD 芯片中，耦合器的不等分會(huì)導(dǎo)致反向散射和Kerr 噪聲增加。圖2為集成光學(xué)芯片結(jié)構(gòu)圖，集成光學(xué)芯片上集成SLD 光源芯片的主要工藝路線是通過透鏡光路或芯片波導(dǎo)模斑轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)SLD 與Y1之間的低損耗、高集成度耦合。光電探測器PD 芯片采用InGaAs 通過晶圓鍵合工藝鍵合到SiO2襯底上。探測器基于光子吸收效應(yīng)，為提高探測器響應(yīng)度并提升陀螺整體信噪比，通過設(shè)計(jì)蝕刻金屬化微鏡，通過微鏡將光重定向出波導(dǎo)并進(jìn)入表面安裝的PD 芯片，通過場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor,FET）電路實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，供檢測電路實(shí)現(xiàn)陀螺轉(zhuǎn)速檢測。集成光學(xué)芯片被安裝在一塊半導(dǎo)體制冷器（Thermo Electric Cooler,TEC）上，通過外部高精度溫度控制以確保芯片在全溫度范圍內(nèi)具有較好的波長和功率穩(wěn)定性。封裝好的集成光學(xué)芯片還包含耦合輸出結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供光耦合進(jìn)出微型化環(huán)圈，具體通過采用光學(xué)級(jí)端面磨拋、六方位耦合、應(yīng)力膠固化等工藝步驟實(shí)現(xiàn)細(xì)徑光纖與集成光學(xué)芯片間的直接耦合與封裝。

在電子接口引線設(shè)計(jì)與封裝方面，通過電端口引線設(shè)計(jì)，完成集成光學(xué)芯片的封裝固化，封裝后的結(jié)構(gòu)外形如圖3所示，該金屬封裝的接口和引線鍵合允許與14 個(gè)電氣引腳和光纖尾纖進(jìn)行電接觸，以隔離外部環(huán)境對(duì)集成光學(xué)芯片的干擾。

2 陀螺精度計(jì)算

微小型光纖陀螺儀的理論靈敏度可參照傳統(tǒng)干涉式光纖陀螺進(jìn)行計(jì)算，主要由光子噪聲決定，光子噪聲表示如下：

其中，σp為光功率P的標(biāo)準(zhǔn)差，Δfbw為計(jì)數(shù)帶寬，h為普朗克常數(shù)，6.63×10-34 J·s，c為光速，λ為光波長，P為探測光功率，可表示為：

其中，ΔΦS為干涉相位差，Φb為偏置相位。

對(duì)于λ＝1300 nm，有：

考慮到在偏置相位上，相對(duì)相位差而言，信號(hào)斜率為1，噪聲等效相位差表示為：

以偏置功率P=4 μW，計(jì)數(shù)帶寬Δfbw＝0.01 Hz 進(jìn)行計(jì)算，得到噪聲等效相位σΔΦ=0.05 μrad，即為設(shè)計(jì)的微小型光纖陀螺儀的理論靈敏度。

陀螺儀靈敏度為0.05 μrad 進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)光纖環(huán)圈長度L=1050 m，直徑D=0.02 m 時(shí)，可計(jì)算得其對(duì)應(yīng)的角速率為：

代入相關(guān)參數(shù)可得，目前尺寸下集成化微小型光纖陀螺的極限精度可達(dá)0.031 °/h。

3 樣機(jī)搭建及性能測試

完成了基于集成光學(xué)芯片的微小型光纖陀螺樣機(jī)搭建，如圖4所示。光纖環(huán)圈采用新一代60/100 μm超細(xì)徑光纖通過十六極對(duì)稱繞制實(shí)現(xiàn)環(huán)圈微型化，集成光學(xué)芯片和裸封裝相位調(diào)制器通過一段0.5 m 單模光纖實(shí)現(xiàn)連接，從而降低陀螺零位誤差，整機(jī)外形尺寸僅為35 mm×35 mm×35 mm。

圖4 集成化微小型光纖陀螺樣機(jī)Fig.4 Prototype of the integrated miniature FOG

為了比較集成化微小型光纖陀螺性能，采用同樣尺寸的光纖環(huán)圈搭建傳統(tǒng)光纖陀螺，進(jìn)行常溫下的陀螺性能測試，相關(guān)陀螺參數(shù)以及測得的零偏不穩(wěn)定性指標(biāo)如圖5和表1所示，其中集成化微小型光纖陀螺編號(hào)為#1，傳統(tǒng)光纖陀螺編號(hào)為#2。集成化微小型光纖陀螺零偏不穩(wěn)定性達(dá)到了0.072 °/h，而同樣尺寸的傳統(tǒng)光纖陀螺的零偏不穩(wěn)定性達(dá)到了0.016 °/h。

圖5 集成化光纖陀螺與傳統(tǒng)光纖陀螺常溫測試數(shù)據(jù)Fig.5 Test datas of integrated FOG and traditional FOG under the room temperature

表1 集成化光纖陀螺與傳統(tǒng)光纖陀螺常溫測試對(duì)比Tab.1 Test results of integrated FOG and traditional FOG under the room temperature

從表1中數(shù)據(jù)可見，由于采用同樣的光纖傳感環(huán)圈、信號(hào)檢測電路以及控制算法，集成化微小型光纖陀螺與傳統(tǒng)光纖陀螺的測試標(biāo)度因數(shù)吻合，而傳統(tǒng)光纖陀螺的零偏不穩(wěn)定性明顯優(yōu)于集成化微小型光纖陀螺的零偏不穩(wěn)定性。

進(jìn)一步分析可知，導(dǎo)致集成化微小型光纖陀螺性能與傳統(tǒng)光纖陀螺性能存在差異的主要原因在于芯片化尺寸下，芯片的光、電、磁、熱串?dāng)_顯著，導(dǎo)致陀螺信噪比明顯低于傳統(tǒng)光纖陀螺，后期的主要目標(biāo)是降低集成光學(xué)芯片器件的各種噪聲，以滿足微小型光纖陀螺精度需求。

4 結(jié)論與展望

本文提出了一種基于集成光學(xué)芯片的集成化微小型光纖陀螺，對(duì)集成光學(xué)芯片設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了敘述，基于集成光學(xué)芯片，采用微型化環(huán)圈和小型化檢測電路，搭建成功集成化微小型光纖陀螺樣機(jī)，陀螺外形尺寸僅為35 mm×35 mm×35 mm，陀螺測試零偏不穩(wěn)定性達(dá)到了0.072 °/h，相比較于傳統(tǒng)光纖陀螺雖然還存在一定差距，但是通過集成光學(xué)芯片性能的進(jìn)一步優(yōu)化，未來有望滿足微小型光纖陀螺的應(yīng)用需求。