丁東發(fā)，劉國軍，柳建春，高 峰，楊長望，鄭大坤

（1. 長春理工大學，長春 130022；2. 北京航天控制儀器研究所，北京 100094）

光電探測器組件光纖耦合移位特性分析

丁東發(fā)1,2，劉國軍1，柳建春2，高 峰1,2，楊長望2，鄭大坤2

（1. 長春理工大學，長春 130022；2. 北京航天控制儀器研究所，北京 100094）

光電探測器組件響應度下降會造成光纖陀螺輸出異常，響應度下降的主要原因為光纖耦合移位，

光纖陀螺；光電探測器組件；光纖耦合效率；響應度下降；耦合移位

光電探測器組件由光電探測器（PIN）和跨阻抗放大電路組成，并帶光纖尾纖，是光纖陀螺中重要的光電器件之一，在光纖陀螺中起光電轉(zhuǎn)換及電信號放大的作用。隨著光纖陀螺在軍事領域的廣泛應用[1]，光電探測器組件在此領域的應用也越來越廣，其工作性能直接影響光纖陀螺的精度及可靠性[2-4]。由于這一領域應用環(huán)境條件較復雜，可靠性及壽命要求較高，光電探測器組件響應度的下降會造成光纖陀螺性能的下降甚至失效。已有文章分析了光電探測器在制造環(huán)節(jié)對準偏差與耦合效率的關系[5-10]。本文主要研究光電探測器組件裝機后在后續(xù)使用過程中由于光纖耦合移位造成響應度下降的失效模式，探討造成耦合移位的影響因素。

1 耦合移位與光電響應度下降

光纖陀螺中Sagnac干涉光信號通過光電探測器組件尾纖入射到探測器PIN光敏面，光信號變?yōu)殡娏餍盘柌⑼ㄟ^跨阻抗放大電路，轉(zhuǎn)化為電壓信號進入光纖陀螺解調(diào)電路[11]。

光電探測器組件電壓響應度RV表示為公式(1)，其中K為耦合效率系數(shù)，Ω為跨阻抗值，RI為PIN電流響應度。從公式(1)可看出，耦合效率系數(shù)的變化必然造成光電探測器組件電壓響應度的變化。

耦合效率系數(shù)K表示為公式(2)，其中PPIN為到達探測器PIN面上的光功率，P0為入射進光纖的總功率。

對于已裝機光電探測器組件，其耦合效率系數(shù)已經(jīng)滿足使用要求。在后續(xù)的使用過程中，多種因素可造成光纖與PIN面相對耦合移位，引起耦合效率系數(shù)下降，進而造成光電探測器組件響應度下降。

光電探測器組件耦合光路如圖1所示，光纖出射光斑在光敏面上的光強近似為高斯分布，表達式為公式(3)，其中P0為總光功率，ω為達到光敏面光的束腰半徑，r為光斑半徑[12]。

圖1 耦合光路示意圖Fig.1 Schematic diagram of the coupling optical path

經(jīng)過光纖間距d后，束腰半徑表達式為公式(4)，其中，d為光纖端面與光敏面的間距，θ為錐形光斑發(fā)散角，可近似為光纖數(shù)值孔徑角，ω0為光纖出射光斑模場直徑。對于一般尾纖G.652單模光纖，數(shù)值孔徑NA為0.14左右，對應出射角度為8°左右，模場直徑9 μm左右，對應ω0為4.5 μm左右。光敏面上光強分布見圖2。

圖2 光敏面上光強高斯分布Fig.2 Gauss distribution of light intensity on photosensitive surface

圖3 光敏面光功率積分示意圖Fig.3 Integral of optical power on photosensitive surface

光敏面偏移一定角度后，光敏面上的光功率為高斯光束光強在光敏面SPIN上積分，見圖3。其中d1為光斑中心偏離PIN光敏面中心的距離，與耦合偏轉(zhuǎn)角度為α的關系為

光敏面上光功率PPIN表示為

公式(6)積分不易計算，為工程計算方便，把光敏面近似為邊長為2R的正方形，在直角坐標系計算光敏面光功率見公式(7)，耦合效率系數(shù)K見公式(8)。光電探測器組件PIN光敏面直徑一般為?60 μm。

通過公式(8)計算并繪圖。圖4為不同耦合距離下PIN圓心與光斑圓心偏移距離d1與偏移角度α的關系。圖5為不同偏移角度下耦合效率系數(shù)與耦合距離的關系。圖6為不同耦合距離下耦合效率系數(shù)與偏移角度的關系。從圖5可看出，偏移角度越大，耦合效率系數(shù)下降與光纖間距的關系越密切。從圖6可看出，光纖間距越大，耦合效率系數(shù)下降與偏移角度關系越密切。國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的光電探測器，耦合距離一般控制在60～120 μm內(nèi)，PIN管芯響應度為1 A/W，跨阻抗500 kΩ，工藝對準情況下光電探測器組件電壓響應度＞0.45 V/μW，則耦合效率系數(shù)＞0.9，與計算結果基本一致。

圖4 圓心偏移距離與偏移角度的關系圖Fig.4 Relationship between the center offset distance and the deflection angle

圖5 不同偏移角度下耦合效率與光纖間距的關系Fig.5 Relationship between coupling efficiency and fiber coupling interval based on different deflection angles

圖6 不同間距下耦合效率與偏移角度的關系Fig.6 Relationship between coupling efficiency and angle of deflection based on different fiber coupling intervals

2 耦合移位因素分析

2.1 光纖耦合結構

光纖光電子器件金屬化光纖耦合工藝技術是國際上成熟技術。將粘接好陶瓷基板的探測器固定到耦合臺上，金屬化光纖通過三維微調(diào)架調(diào)整，響應度達到正常值范圍，用石墨加熱體對管殼焊接孔外側(cè)加熱，將焊錫絲對準管殼焊接孔，使焊錫絲充滿管殼焊接孔，取出焊錫絲，停止加熱。見圖7。

圖7 焊接過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of the welding process

2.2 耦合移位因素分析

① 光纖移位

由于光纖與探測器光敏面間只能采用非接觸的耦合方式（連接），固定光纖使用金屬焊錫。管殼焊接孔內(nèi)部和光纖金屬管外壁均鍍金，焊錫正常流動，焊錫分布均勻。如果焊接孔內(nèi)部或光纖金屬管外側(cè)有沾污或殘余焊料，會造成焊錫流動浸潤性差，焊錫分布不均勻。由于管殼焊接孔體為可伐材料（熱膨脹系數(shù)(4.6～5.5)×10-6/K），與焊錫溫度膨脹系數(shù)（熱膨脹系數(shù)27×10-6/K）存在差異。焊錫在熱脹冷縮應力的作用下，對焊接的金屬管產(chǎn)生擠壓應力作用，當兩側(cè)錫焊的擠壓應力相等時，金屬管不會產(chǎn)生位移或偏轉(zhuǎn)。由于焊料分布不均，產(chǎn)生的擠壓應力不對稱，會使金屬管發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導致探測器響應度下降。另外，金屬化光纖在金屬管內(nèi)固定不牢發(fā)生相對移動，也會造成耦合移位，響應度下降。

② PIN管芯移位

探測器PIN管芯通過粘接在熱沉塊側(cè)面，熱沉粘接在陶瓷電路板上，陶瓷電路板與管殼通過金屬焊料或其它材料粘接到管殼底部。粘接和焊接處較多，由于材料的熱脹冷縮及應力釋放，造成管芯相對光纖移位。③ 管殼變形

器件在裝配及使用過程中，外界應力造成管殼變形，由于耦合光纖與管殼精密結合，管殼形變必將造成光纖耦合點移位，且變型的程度直接決定偏移角度。從圖4可看出，光敏面上光斑移動距離為μm量級，對于很小的相對形變，能造成偏移角度發(fā)生較大的變化，響應度降低。

2.3 采取措施

為保證光纖耦合的穩(wěn)定性，在現(xiàn)有設計及工藝條件下（使用不當因素除外）：一是盡量使光纖出射光斑處于PIN光敏面中心位置，生產(chǎn)過程中可通過向后拉光纖增大光纖間距，觀察響應度變化，如果變化不明顯則說明對中（見圖5），然后在向前送出(一般使光纖與PIN端面間距大于30 μm)；二是控制焊料過焊接孔流動分布均勻，保證耦合焊接應力對稱；三是篩選環(huán)節(jié)施加較強溫度應力（高溫貯存或溫度循環(huán)），剔除存在較大不對稱應力的器件。

3 試驗驗證

在光電探測器組件耦合工序中，人為造成管殼內(nèi)焊錫分布不均勻，完成器件封裝后，通過開展溫度循環(huán)試驗(-55～+85℃)，每20次溫循試驗后測試器件響應度，其變化趨勢見圖8。從圖8中可以看出，試驗前后器件輸出響應度發(fā)生了不同程度的衰減，說明焊錫分布不均勻，在外界溫度應力累計作用下，發(fā)生耦合移位，響應度下降。

圖8 溫度循環(huán)試驗中非正常封裝器件響應度下降Fig.8 Responsibility degradation of 3 improper welding components in temperature cycle test

采用耦合對準控制封裝的13只器件，進行溫度循環(huán)加速試驗(-55～+85℃)。已完成80次試驗，響應度變化趨勢圖見圖9，器件性能穩(wěn)定。

圖9 溫度循環(huán)試驗中正常封裝器件響應度變化Fig.9 Responsibility change of 13 normal welding components in temperature cycle test

4 結 論

通過理論計算及耦合工藝分析，獲取以下結論：①光電探測器組件光纖耦合移位(耦合效率系數(shù)下降)是造成響應度下降的主要原因之一。②計算得到單模光纖尾纖在不同光纖耦合間距下偏移角度與響應度下降的規(guī)律：對于一定的耦合距離，由于各種因素造成耦合偏移相同角度情況下，初始耦合對準越精確，響應度下降越??；初始耦合距離越小，發(fā)生的耦合偏移對響應度下降的影響越??；在可能發(fā)生的耦合移位限度內(nèi)，耦合偏轉(zhuǎn)角度的變化比耦合距離的變化更能影響響應度。③分析得出光纖移位、PIN光敏面移位、管殼變形是造成耦合移位的主要因素，并提出通過控制光纖耦合工藝和焊接質(zhì)量、環(huán)境應力篩選剔除不對稱應力器件，可提高光電探測器組件光纖耦合結構的穩(wěn)定性，降低響應度下降失效質(zhì)量問題。④試驗驗證了耦合焊接缺陷造成應力不均勻?qū)е碌墓饫w耦合移位。

（References）：

[1] Xu X B, Yi X S, Zhang C X, et al. Design of miniaturized fiber optic gyroscope[C]//Proc of Sixth International Symposium on Instrumentation and Control Technology: Sensors, Automatic Measurement, Control, and Computer Simulation. 2006: 6358-6364.

[2] 馬靜, 盧榮翠, 李曉陽, 等. 基于故障樹分析的光纖陀螺用探測器組件可靠性分析[J]. 中國慣性技術學報, 2008, 16(4): 498-501.

Ma Jing, Lu Rong-cui, Li Xiao-yang, et al. Reliability analysis of photoelectric detector module used in FOG based on fault tree analysis[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2008, 16(4): 498-501.

[3] 劉少卿, 韓勤, 楊曉紅, 等. 高速高效光電探測器的制備、測試及特性分析[J]. 激光與光電子學進展, 2012, 49(2): 022301.

Liu Shao-qing, Han Qin, Yang Xiao-hong, et al. Fabrication and characterization of high speed and high efficiency photodetector[J]. Laser and Optoelectronics Progress, 2012, 49(2): 022301-022308.

[4] 晁代宏, 馬靜, 陳淑英, 等. 基于性能退化的衛(wèi)星用光纖陀螺可靠性評估[J]. 紅外與激光工程, 2011, 40(9): 1763-1767.

Chao Dai-hong, Ma Jing, Chen Shu-ying, et al. Reliability assessment of FOGs used for satellite from degradation data[J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(9): 1763-1767.

[5] 莫德鋒, 劉大福. InGaAs光纖探測器封裝及耦合效率影響因素研究[J]. 紅外, 2012, 33(3): 18-21.

Mo De-feng, Liu Da-fu. Study of coupling factor and package structure of InGaAs optical detector[J]. Infrared, 2012, 33(3): 18-21.

[6] Wallner O, Winzer P J, Leeb W R, et al. Alignment tolerances for plane wave to single mode fiber coupling and their mitigation by use of pigtailed collimators[J]. Applied Optics, 2002, 41(4): 637-643.

[7] Shigehito M, Taro Y. Characterization of coupling efficiency and absorption coefficient for fiber coupled SNSPD with an optical cavity[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, 21(3): 332-335.

[8] Koichi Y, Kuniaki T. Assisted focus adjustment for free space optics system coupling single mode optical fibers [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(11): 5306-5314.

[9] Hu J H, Huang Y Q. Realization of quantum efficiency enhanced PIN photodetector by assembling resonant waveguide grating[J]. Chinese Optics Letters, 2014, 12(7): 072301-072309.

[10] 單明廣, 彭歡, 鐘志, 等. 反射面形狀對光纖位移傳感器光強調(diào)制特性的影響[J]. 光子學報, 2010, 39(1): 2205.

Shan Ming-guang, Peng Huan, Zhong Zhi, et al. Influence of reflector shape on the intensity modulation of fiber optical distance sensors[J]. Acta Photonica Sinica, 2010, 39(1): 2204-2208.

Analysis on fiber alignment dislocation characteristics of photo-detector component

DING Dong-fa1,2, LIU Guo-jun1, LIU Jian-chun2, GAO Feng1,2, YANG Chang-wang2, ZHENG Da-kun2
(1. Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China; 2. Beijing Aerospace Control Instrument Research Institute, Beijing 100094, China)

The responsibility decrease of photo-detector will cause abnormal output of fiber optical gyroscope, whose main reason is fiber coupling dislocation. To solve this problem, the relations of fiber coupling efficiency coefficient variation with fiber coupling distance and fiber deflection angle are derived by calculating the digital integration of the incident Gaussian beam on the cross section of the photodetector chip. The calculations are conformed to the real device specification. Based on the calculation results, the causes of coupling dislocation are analyzed in terms of fiber dislocation, photo-detector chip dislocation and shell deformation. Meanwhile, effective measures are proposed to prevent the photo-detector coupling dislocation. Moreover, experiment results verify that the coupling weld defects will cause the responsibility decrease of photo-detector, while the responsibility keeps stable for the devices packaged with coupling alignment measures.

fiber optical gyroscope; photo-detector component; fibercoupling efficiency; responsibility degradation; alignment dislocation

TN215

A

1005-6734(2015)03-0390-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.03.020

2014-11-26；

2015-03-26

國家自然科學基金項目（61203204）

丁東發(fā)（1976—），男，博士研究生，從事光纖陀螺及光纖傳感用光電子器件技術研究。E-mail：ddf13@sina.com

聯(lián)系人：劉國軍（1964—），男，教授，博士生導師。E-mail：gjliu626@126.com

分析光纖耦合移位的原因并采取有效措施可提高探測器組件的使用可靠性。通過對探測器尾纖出射高斯光斑在探測器管芯端面數(shù)學積分，計算出光纖耦合效率系數(shù)與光纖耦合間距及光纖偏轉(zhuǎn)角度的關系，計算結果與實際封裝探測器組件指標一致。根據(jù)計算結果，從光纖移位、探測器管芯移位和管殼形變?nèi)齻€方面分析了耦合移位的影響因素，提出避免探測器使用中發(fā)生耦合移位的措施，并通過試驗驗證了耦合焊接缺陷會造成探測器試驗后響應度下降，采取耦合對準控制措施后封裝的探測器試驗后響應度保持穩(wěn)定。