一種基于集成光學芯片的微小型光纖陀螺

尚克軍，雷 明，向 強，楊 懌，馮 喆，張麗哲

（1.北京理工大學自動化學院，北京100081；2.北京自動化控制設備研究所，北京100074）

光纖陀螺（Fiber Optical Gyroscope,FOG）經過40 余年的發展，其精度范圍覆蓋0.0001 °/h～10 °/h[1-3]，已廣泛應用于海、陸、空、天各領域。傳統光纖陀螺方案主要借助于光通訊基礎產業，光源、耦合器、調制器、探測器等核心部件均為分立光學器件，這不僅限制了成本的進一步降低，而且增加了進一步小型化的難度。同時，分立光學器件之間需要采用光互聯工藝，導致生產過程復雜，產品一致性難控，因此高精度光纖陀螺在小型化和低成本發展遇到瓶頸[4,5]，這已經成為制約慣性導航系統綜合效能提升的瓶頸。

光纖陀螺主要由光學器件（包括光源、耦合器、調制器、探測器等）、電路單元、干涉傳感單元三部分組成[6]。隨著光電子、微電子和微納加工技術的迅猛發展，兼具發光、耦合、調制和探測等多種功能的硅基混合集成光學芯片不斷取得突破，目前在光通信領域獲得廣泛應用[7]。硅基光子器件與傳統CMOS 工藝兼容，具備小體積、高性能、低成本等技術優勢，逐漸成為未來光電融合的主要技術方案，以此為契機，集成化微小型光纖陀螺逐步具備了相應的研究基礎：利用單個集成光學芯片替代傳統光纖陀螺中多個分立光學器件，基于微小型專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit,ASIC）實現陀螺信號檢測[8,9]，分別實現光學器件和電路單元集成，干涉傳感單元方面采用集成光波導環圈或者新一代超細徑保偏光纖環圈實現微型化[10,11]。集成化微小型光纖陀螺的理論基礎仍然是經典的光學干涉效應，其精度極限可達到0.0001 °/h。重要的是，集成化微小型光纖陀螺在方案實現上能夠充分發揮集成光學芯片和ASIC 電路的小尺寸和批生產優勢，大幅優化光纖陀螺的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世紀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，硅基光學集成技術不斷取得進展，美國加州大學[12-13]、加州理工學院[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展和突破。在集成光學芯片研制方面：加州大學在4.5 mm2尺寸的硅襯底上實現光源、耦合器、分束器、光相位調制器等多個光學器件的混合集成；加州理工學院在2 mm2尺寸的硅襯底上實現了耦合器、光相位調制器、熱光移相器、探測器以及2 個光學干涉回路的混合集成；Honeywell 公司在35 mm×35 mm的光學芯片上集成了光源、探測器、調制器以及耦合器等多達31 個光學器件。在集成化微小型光纖陀螺研究方面，以KVH 為代表的應用單位已經實現了低密度集成光學芯片（集成了兩個耦合器、1 個起偏器）在其最新的P-1775 型IMU 慣測裝置上的應用，不僅提升了產品的環境適應性而且顯著降低了成本，目前該慣測裝置已成功應用于運載火箭、無人機等中、低精度領域。

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 陀螺總體結構

針對集成化微小型光纖陀螺小型化、輕量化的設計思路，且能實現導航級精度的目標，完成集成化微小型光纖陀螺方案設計，總體結構如圖1所示：主要由四大部件組成：集成光學芯片、集成光學調制器、微型化環圈以及微小型檢測電路，其中集成光學芯片上集成了SLD、PD 和耦合器Y1 三個分立光學器件，集成光學調制器采用體材料LiNbO3晶體，集成了起偏器、分束器和相位調制器等三大功能單元，在集成光學芯片和集成光學調制器之間通過一段單模光纖濾除波導傳輸時的高階模分量，以確保光纖陀螺的零偏互易性特征，降低零位誤差。光纖環圈采用新一代超細徑光纖實現傳感環圈的微型化，在確保陀螺精度的前提條件下顯著降低環圈尺寸。微小型檢測電路采用微型化數模電路器件（或國產化ASIC 電路）實現檢測電路的微型化和高性能，其主要功能是實現陀螺信號處理與閉環控制、調制信號發生、數據通信等功能。

圖1 集成化微小型光纖陀螺結構Fig.1 Schematic illustration of the miniature FOG based on IOC

圖2 硅基混合集成光學芯片結構Fig.2 The scheme of the IOC

圖3 集成光學芯片封裝Fig.3 The packaging of the IOC

為了在降低成本的同時提高陀螺的集成度、可制造性和性能，在光學器件集成方面，我們采用平面光波導回路（Planar Lightwave Circuit,PLC）技術。集成光學芯片的整體布局如圖1所示。通過設計大間距的二氧化硅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3dB 無源波導耦合器，由摻雜的SiO2實現，用于將在波導中傳播的50%光引導到表面安裝在芯片上的SLD 和PD 芯片中，耦合器的不等分會導致反向散射和Kerr 噪聲增加。圖2為集成光學芯片結構圖，集成光學芯片上集成SLD 光源芯片的主要工藝路線是通過透鏡光路或芯片波導模斑轉換設計實現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，為提高探測器響應度并提升陀螺整體信噪比，通過設計蝕刻金屬化微鏡，通過微鏡將光重定向出波導并進入表面安裝的PD 芯片，通過場效應晶體管（Field Effect Transistor,FET）電路實現電流信號到電壓信號的轉換，供檢測電路實現陀螺轉速檢測。集成光學芯片被安裝在一塊半導體制冷器（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具有較好的波長和功率穩定性。封裝好的集成光學芯片還包含耦合輸出結構，該結構提供光耦合進出微型化環圈，具體通過采用光學級端面磨拋、六方位耦合、應力膠固化等工藝步驟實現細徑光纖與集成光學芯片間的直接耦合與封裝。

在電子接口引線設計與封裝方面，通過電端口引線設計，完成集成光學芯片的封裝固化，封裝后的結構外形如圖3所示，該金屬封裝的接口和引線鍵合允許與14 個電氣引腳和光纖尾纖進行電接觸，以隔離外部環境對集成光學芯片的干擾。

2 陀螺精度計算

微小型光纖陀螺儀的理論靈敏度可參照傳統干涉式光纖陀螺進行計算，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的標準差，Δfbw為計數帶寬，h為普朗克常數，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。

對于λ＝1300 nm，有：

考慮到在偏置相位上，相對相位差而言，信號斜率為1，噪聲等效相位差表示為：

以偏置功率P=4 μW，計數帶寬Δfbw＝0.01 Hz 進行計算，得到噪聲等效相位σΔΦ=0.05 μrad，即為設計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 進行計算，當光纖環圈長度L=1050 m，直徑D=0.02 m 時，可計算得其對應的角速率為：

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

3 樣機搭建及性能測試

完成了基于集成光學芯片的微小型光纖陀螺樣機搭建，如圖4所示。光纖環圈采用新一代60/100 μm超細徑光纖通過十六極對稱繞制實現環圈微型化，集成光學芯片和裸封裝相位調制器通過一段0.5 m 單模光纖實現連接，從而降低陀螺零位誤差，整機外形尺寸僅為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圈搭建傳統光纖陀螺，進行常溫下的陀螺性能測試，相關陀螺參數以及測得的零偏不穩定性指標如圖5和表1所示，其中集成化微小型光纖陀螺編號為#1，傳統光纖陀螺編號為#2。集成化微小型光纖陀螺零偏不穩定性達到了0.072 °/h，而同樣尺寸的傳統光纖陀螺的零偏不穩定性達到了0.016 °/h。

圖5 集成化光纖陀螺與傳統光纖陀螺常溫測試數據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光纖陀螺常溫測試對比Tab.1 Test results of integrated FOG and traditional FOG under the room temperature

從表1中數據可見，由于采用同樣的光纖傳感環圈、信號檢測電路以及控制算法，集成化微小型光纖陀螺與傳統光纖陀螺的測試標度因數吻合，而傳統光纖陀螺的零偏不穩定性明顯優于集成化微小型光纖陀螺的零偏不穩定性。

進一步分析可知，導致集成化微小型光纖陀螺性能與傳統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、熱串擾顯著，導致陀螺信噪比明顯低于傳統光纖陀螺，后期的主要目標是降低集成光學芯片器件的各種噪聲，以滿足微小型光纖陀螺精度需求。

4 結論與展望

本文提出了一種基于集成光學芯片的集成化微小型光纖陀螺，對集成光學芯片設計方案進行了敘述，基于集成光學芯片，采用微型化環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，陀螺外形尺寸僅為35 mm×35 mm×35 mm，陀螺測試零偏不穩定性達到了0.072 °/h，相比較于傳統光纖陀螺雖然還存在一定差距，但是通過集成光學芯片性能的進一步優化，未來有望滿足微小型光纖陀螺的應用需求。