Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件高低溫儲(chǔ)存壽命試驗(yàn)

李俊慧，黨進(jìn)超，張 寧，王新占，趙 斌，鄭遠(yuǎn)生，楊德偉

（1.北京世維通科技發(fā)展有限公司，北京100738；2.北京航天航空大學(xué) 光電技術(shù)研究所，北京 100191）

Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件高低溫儲(chǔ)存壽命試驗(yàn)

李俊慧1，黨進(jìn)超1，張 寧1，王新占1，趙 斌1，鄭遠(yuǎn)生1，楊德偉2

（1.北京世維通科技發(fā)展有限公司，北京100738；2.北京航天航空大學(xué) 光電技術(shù)研究所，北京 100191）

為摸清Y波導(dǎo)在高低溫儲(chǔ)存環(huán)境下的薄弱環(huán)節(jié)及其壽命，通過開展高低溫條件下的儲(chǔ)存壽命試驗(yàn)，分階段測(cè)試Y波導(dǎo)的插入損耗、分束比、尾纖偏振串音和半波電壓等參數(shù)，有失效器件產(chǎn)生時(shí)則終止試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)參數(shù)分析知，耦合區(qū)材料及結(jié)構(gòu)是波導(dǎo)的薄弱環(huán)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明Y波導(dǎo)的插入損耗變化量≤0.45 dB；分束比變化量≤3.0%；偏振串音≤-30 dB；半波電壓變化量≤1.8%，無失效器件產(chǎn)生。采用阿倫尼斯(Arrhenius)模型對(duì)器件壽命進(jìn)行評(píng)估，Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件在85 ℃條件下的儲(chǔ)存壽命為18 000 h，相當(dāng)于22 ℃下的1.6×107h。該研究給出了Y波導(dǎo)長期高溫儲(chǔ)存的加速壽命和壽命評(píng)估，為其在光纖陀螺及其他傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了理論參考。

集成光學(xué)；光纖陀螺；加速試驗(yàn)；Arrhenius模型

Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件在干涉式閉環(huán)光纖陀螺中發(fā)揮著分束/合束、起偏/檢偏及相位調(diào)制的作用，是光纖陀螺系統(tǒng)中的核心光學(xué)元件。近年來國內(nèi)光纖陀螺技術(shù)不斷突破，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，在航空、航天、電力、高速鐵路及石油領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)量逐年增多。隨著光纖陀螺應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展，對(duì)其核心光學(xué)元件—Y波導(dǎo)多功能集成光學(xué)器件的使用壽命及可靠性指標(biāo)的研究日趨迫切。為了獲取Y波導(dǎo)真實(shí)可信的高低溫儲(chǔ)存壽命，有必要開展Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件的高低溫儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)。國內(nèi)外對(duì)于Y波導(dǎo)的可靠性評(píng)估已有報(bào)道，Karl M.Kissa指出在95℃條件下，鈮酸鋰芯片的壽命可達(dá)25年[1]。北京航天航空大學(xué)的楊德偉等人對(duì)Y波導(dǎo)的可靠性增長進(jìn)行了研究，激活能Ea= 0.8eV時(shí)，根據(jù) 85℃、 85%RH下的 500 h推導(dǎo)出在 40℃、85%RH條件下Y波導(dǎo)的壽命為20 780 h[2]。

本研究通過開展Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件的溫度儲(chǔ)存壽命試驗(yàn)（85℃下，儲(chǔ)存18 000 h和-55℃下，儲(chǔ)存500 h），為Y波導(dǎo)的壽命估計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，也為Y波導(dǎo)在光纖陀螺及其他傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 高低溫儲(chǔ)存試驗(yàn)

1.1 加速壽命試驗(yàn)失效判據(jù)

根據(jù)GR-468-CORE規(guī)范中對(duì)外調(diào)制器壽命試驗(yàn)的要求，結(jié)合Y波導(dǎo)產(chǎn)品的特點(diǎn)，其通光加電時(shí)，產(chǎn)生的光應(yīng)力和電應(yīng)力非常小以至可以忽略，因此其高溫儲(chǔ)存壽命可基本等效于高溫工作壽命。基于此，設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，采用不通光不加電的高溫儲(chǔ)存方式。

Y 波導(dǎo)多功能集成光學(xué)器件主要性能指標(biāo)有插入損耗、分束比、尾纖偏振串音和半波電壓等。失效判據(jù)是Y波導(dǎo)的常溫性能參數(shù)的變化超出下列規(guī)定的判為失效：插入損耗變化量≤0.8 dB；分束比變化量≤3%；半波電壓變化量≤5%[2]；尾纖偏振串音≤-25 dB。

1.2 高溫儲(chǔ)存試驗(yàn)

試驗(yàn)選取7支器件，放置于老化試驗(yàn)箱中，溫度設(shè)置為85℃。試驗(yàn)始于2010年3季度，目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)截止到2013年1季度，共經(jīng)歷約18 000 h。在試驗(yàn)期間分階段對(duì)產(chǎn)品的常溫光電參數(shù)（插入損耗、分束比、尾纖偏振串音和半波電壓）進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖1～4所示。

Y波導(dǎo)高溫儲(chǔ)存18 000 h前后各參數(shù)的變化量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示，其中波導(dǎo)的插入損耗變化量最大不超過0.45 dB；分束比變化量最大不超過3.0%；偏振串音均不大于-30 dB；半波電壓變化量最大不超過1.8%。

圖1 高溫儲(chǔ)存后，Y波導(dǎo)插入損耗的變化Fig.1 Curve of insertion loss after high temperature life experiment

圖2 高溫儲(chǔ)存后，Y波導(dǎo)分束比的變化Fig.2 Curve of splitting ratio after high temperature life experiment

圖3 高溫儲(chǔ)存后，Y波導(dǎo)尾纖偏振串音的變化Fig.3 Curve of extinction ratio after high temperature life experiment

圖4 高溫儲(chǔ)存后，Y波導(dǎo)半波電壓的變化Fig.4 Curve of half-wave voltage after high Temperature life experiment

表1 高溫存儲(chǔ)前后，Y波導(dǎo)參數(shù)變化量Tab.1 Change of Y waveguide parameters radio before and after high temperature life experiment

1.3 低溫儲(chǔ)存試驗(yàn)

為了對(duì)Y波導(dǎo)的溫度特性有全面的了解，對(duì)其低溫工作壽命進(jìn)行了研究。選取7只常溫參數(shù)合格樣本器件放于溫循箱中進(jìn)行低溫(-55℃)儲(chǔ)存500 h。在試驗(yàn)前和試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)產(chǎn)品的常溫光電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的結(jié)果是7支產(chǎn)品經(jīng)過500 h低溫儲(chǔ)存后，無產(chǎn)品失效，可得出 Y波導(dǎo)在-55℃下的平均無故障儲(chǔ)存時(shí)間大于500 h。具體測(cè)試參數(shù)如圖5所示。

圖5 低溫儲(chǔ)存前后，Y波導(dǎo)參數(shù)的變化Fig.5 Curve of Y waveguide parameters radio after low temperature life experiment

低溫儲(chǔ)存前后，測(cè)量Y波導(dǎo)的各參數(shù)變化量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示，波導(dǎo)的插入損耗變化量最大不超過0.25 dB；分束比變化量最大不超過1.7%；尾纖偏振串音不超過-30 dB；半波電壓變化量最大不超過0.3%。7只Y波導(dǎo)整體變化量都比較小，性能穩(wěn)定。

表2 低溫存儲(chǔ)后，Y波導(dǎo)參數(shù)變化量Tab.2 Change of Y waveguide parameters radio before and after low temperature life experiment

2 試驗(yàn)分析

2.1 插入損耗分析

由圖1可以看出，高溫儲(chǔ)存18 000 h后，Y波導(dǎo)的插入損耗變化范圍為：0.14～0.45 dB。低溫存儲(chǔ)500 h后，插入損耗變化量為：0.01～0.25 dB。隨著高低溫存儲(chǔ)時(shí)間的增加，除個(gè)別時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)波動(dòng)外，Y波導(dǎo)的插入損耗整體趨勢(shì)是增加的，可見高溫或者低溫儲(chǔ)存對(duì)Y波導(dǎo)器件的插入損耗具有普遍影響，只是不同Y波導(dǎo)所受影響有大小之分。

從圖 1中插入損耗在不同階段的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)高低震蕩的現(xiàn)象來看，由于測(cè)量儀器及人為操作因素的影響，測(cè)量誤差是難免的。一般光纖類光學(xué)器件的插入損耗測(cè)量，允許其誤差約為±0.1 dB。不同時(shí)間段測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)震蕩的另外一個(gè)原因可能與試驗(yàn)樣品測(cè)試時(shí)所處的狀態(tài)有關(guān)，如環(huán)境溫度，樣品是否完全恢復(fù)室溫等。

對(duì)于Y波導(dǎo)的插入損耗隨儲(chǔ)存時(shí)間緩慢增加的現(xiàn)象，可以通過對(duì)粘接結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)特性的分析得出。鈮酸鋰芯片與輸入輸出的光纖通過精確耦合后膠接固定，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。耦合區(qū)各材料的熱膨脹系數(shù)，高溫或低溫儲(chǔ)存及恢復(fù)常溫時(shí)，應(yīng)力的釋放會(huì)導(dǎo)致光纖與波導(dǎo)產(chǎn)生錯(cuò)位，從而導(dǎo)致在耦合位置的損耗增大。

圖6 耦合區(qū)簡(jiǎn)圖Fig.6 Coupling structure

另外高溫儲(chǔ)存時(shí)，溫度會(huì)加速波導(dǎo)中的質(zhì)子進(jìn)一步擴(kuò)散，改變波導(dǎo)的折射率分布，折射率分布的改變會(huì)導(dǎo)致尾纖與波導(dǎo)模式失配，模式失配損耗的增加必然會(huì)增大Y波導(dǎo)多功能集成光學(xué)器件的插入損耗[3]。

2.2 半波電壓分析

為了獲得最大的電光調(diào)制，Y波導(dǎo)采用非尋常光作為工作軸向以及利用最大電光系數(shù)γ33。傳輸光波產(chǎn)生的相位差為π時(shí)所需要的電壓稱為Y波導(dǎo)的半波電壓，表達(dá)式如式(1)所示，它用來表征Y波導(dǎo)的相位調(diào)制能力，與鈮酸鋰晶體的折射率、電光系數(shù)、器件電極長度和電極間距有關(guān)[4]。

式中，Г為電場(chǎng)與光場(chǎng)的重疊積分因子，G為兩電極間的間距，L為調(diào)制區(qū)波導(dǎo)長度，E是外加電場(chǎng)，E′是均勻的光場(chǎng)分布，A′為外加電場(chǎng)和光場(chǎng)的重疊面積。

隨著高溫儲(chǔ)存時(shí)間的增加，半波電壓具有增大的趨勢(shì)。究其原因，可能是由于高溫儲(chǔ)存時(shí)，芯層模場(chǎng)的變化會(huì)影響電場(chǎng)與光場(chǎng)的重疊積分因子Г，模場(chǎng)失配會(huì)導(dǎo)致重疊積分因子Г減小，以及質(zhì)子緩慢擴(kuò)散，波導(dǎo)有效折射率緩慢變小所致。

2.3 分束比及尾纖偏振串音分析

Y波導(dǎo)的分束比是指特定條件下，測(cè)試Y波導(dǎo)器件兩根尾纖輸出光功率的比值。高溫儲(chǔ)存時(shí)，由于Y波導(dǎo)耦合區(qū)不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，在尾纖與波導(dǎo)處產(chǎn)生熱應(yīng)力，應(yīng)力釋放會(huì)影響光纖與波導(dǎo)的錯(cuò)位，當(dāng)兩輸出尾纖與波導(dǎo)的錯(cuò)位不一致時(shí)會(huì)影響分束比。另外Y波導(dǎo)兩輸出端在耦合操作上難免會(huì)存在差異，高溫儲(chǔ)存時(shí)，耦合點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生不一致的變化，也會(huì)引起分束比的變化。

尾纖偏振串音是指保偏尾纖非工作軸向的偏振輸出光功率與工作軸向的偏振輸出光功率的比值，通過消光比測(cè)試儀對(duì)Y波導(dǎo)的尾纖偏振串音進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖4和圖5(d)所示，測(cè)量值均小于-30 dB，對(duì)于該參數(shù)我們往往關(guān)注的是極值，當(dāng)全溫值小于-25 dB時(shí)，認(rèn)為合格。圖4中尾纖偏振串音的變化幅度比較大，主要原因是尾纖偏振串音測(cè)量的精度與適配器及消光比測(cè)試儀的關(guān)系非常大，多次測(cè)量導(dǎo)致尾纖偏振串音變化幅度大，但是不影響評(píng)判結(jié)果。

3 壽命估計(jì)

針對(duì)Y波導(dǎo)器件的壽命模型采用阿倫尼斯(Arrhenius) 模型，該模型最典型、應(yīng)用最廣的加速模型[5]，Arrhenius壽命計(jì)算模型見式(3)：

式中，AF為溫度壽命加速因子；Ea為激活能；K為波爾茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/℃；Tu為產(chǎn)品工作時(shí)的（絕對(duì)）溫度；Ts為產(chǎn)品施加應(yīng)力（絕對(duì)）溫度。

BellCore GR-468-Core 鈮酸鋰通用規(guī)范推薦根據(jù)Arrhenius壽命模型來計(jì)算鈮酸鋰電光器件的壽命。鈮酸鋰器件屬長壽產(chǎn)品，且在試驗(yàn)中不能承受太高溫度，低溫的加速因子很小，所以在很長的時(shí)間內(nèi)極少出現(xiàn)失效現(xiàn)象，因此基于上述失效數(shù)據(jù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法在應(yīng)用時(shí)會(huì)遇到很多困難。GR-468-Core對(duì)部分難以處理的數(shù)據(jù)給出了推薦值，對(duì)于Ea，本文采用GR-468-Core推薦值0.7eV來進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)公式(3)，可計(jì)算出Y波導(dǎo)的85℃高溫加速老化的加速因子。具體計(jì)算見式(4)：

式中，Tu=22+273=295，Ts=85+273=358。由此可推算出Y波導(dǎo)在室溫下的工作壽命[6]為：

式中：T為Y波導(dǎo)工作壽命，N為樣本數(shù)，MTBF為平均無故障工作時(shí)間，AF為加速因子。

由此可得出，Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件在85℃條件下的18 000 h正常工作，相當(dāng)于22℃下的1.6×107h。

4 結(jié) 論

通過開展Y波導(dǎo)多功能集成光學(xué)器件高低溫工作壽命試驗(yàn)，85℃條件下，經(jīng)過18000 h的高溫儲(chǔ)存，7只器件的插入損耗變化量為0.14～0.45 dB；半波電壓變化量為1.2%～1.8%；分束比變化量均不超過3.0%；尾纖偏振串音均小于-30 dB。通過Arrhenius壽命模型計(jì)算，獲得Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件在85℃條件下儲(chǔ)存18000 h，相當(dāng)于22℃下的1.6×107h。另對(duì)7只器件進(jìn)行-55℃低溫儲(chǔ)存500 h，無失效器件產(chǎn)生。該研究摸清了Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件的高低溫儲(chǔ)存壽命，為Y波導(dǎo)器件的壽命估計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)對(duì)于Y波導(dǎo)在光纖陀螺及其他傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了有力的保障。

文中采用的Arrhenius壽命模型是在理想情況下，僅考慮溫度因子對(duì)芯片的影響所得到的Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件的壽命，該結(jié)果比較理想?？紤]到Y(jié)波導(dǎo)產(chǎn)品中的關(guān)鍵部位使用有膠類，而膠對(duì)濕度更為敏感，因此今后有必要進(jìn)一步研究溫度濕度組合條件下Arrhenius加速壽命試驗(yàn)條件、模型以及壽命估算，更加全面評(píng)估Y波導(dǎo)器件。

（References）：

[1]Kissa K M,Suchoski P G D,Lewis D K.Accelerated aging of annealed proton-exchanged waveguides[J].Lightwave technology,1995,13(7):1521-1528.

[2]楊德偉，王進(jìn).Y波導(dǎo)多功能集成光學(xué)器件可靠性增長[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，17(6)：749-756．YANG De-wei,WANG Jin.Reliability growth of Y waveguide multifunctional integrated optical devices[J].Journal of Chinese Inertial Technology,2009,17(6):749-756.

[3]Ghasemi A,Li u X X ,Dougherty M A ,et al .Effect of additional elements on the structural properties,magnetic characteristics and natural resonance frequency of strontiumferrite nanoparticles/polymer composite[J].IEEE Transon.Magnetics,2009,45(10):4420- 4423.

[4]劉福民，黃淘，李瑞龍，鄭國康.外應(yīng)力對(duì)Y波導(dǎo)器件尾纖消光比的影響[J].光子學(xué)報(bào)，2011，40(11)：1636-1640.LIU Fu-min,HUANG Tao,LI Rui-long,ZHENG Goukang.Effects of external stress applied to PM fiber-pigtail on extinction ratio of a Y-branch Multi-functional integrated optical device[J].Acta Photonica Sinica,2011,40(11):1636-1640.

[5]劉穎，李言，姬忠校.光纖陀螺用 Y波導(dǎo)半波電壓穩(wěn)定性的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31(2)：449-453.LIU Ying,LI Yan,JI Zhong-xiao,XU Jin-tao.Research on the half-wave voltage stability of Y waveguide in FOG[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2010,31(2):449-453.

[6]GUO Ning,QIN Fuxiang,MENG Qingyou.The study of activation energy(Ea) by aging and high temperature storage for quartz resonator′s life evaluation[C]//Piezoelectricity,Acoustic Waves and Device Applications.2010:118-122.

High and low temperature life experiments of Y waveguide multifunctional integrated optical devices

LI Jun-hui1,Dang Jin-chao1,ZHANG-Ning1,WANG Xin-zhan1,ZHAO Bin1,ZHENG Yuan-sheng1,YANG De-wei2
(1.Beijing SWT Technology Development Co.Ltd,Beijing 100738,China;2.Institute of Opto-Electronics Technology,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

In order to make clear the storage life and weaknesses of Y waveguide multifunctional integrated optical devices at high and low temperature tests,the parameters of the insertion loss,splitting ratio,the extinction ratio and half-wave voltage were tested by carrying out high and low temperature life storage experiments.The tests continued until failure device was appeared.These tests expose two weaknesses:bad performances of the material and structure in coupling region.The tests show that the change of insertion loss≤0.45 dB;splitting ratio variation≤3.0%;polarization crosstalk≤-30 dB;half-wave voltage variation ≤1.8%,and there is no failure device.Arrhenius model was used to evaluate the life of the device.The experiment results indicate that the Y waveguide can suffer the formidable conditions for 18 000 h at 85℃,which is equivalent to that of 1.6×107h at 22℃.By the Y waveguide experiments,the accelerated life and life estimate at high temperature condition are obtained,and the investigation could provide references for the applications in fiber optic gyroscopes and other sensing systems.

integrated optical;fiber optical gyros;accelerated test;Arrhenius model

U666.1

：A

1005-6734(2014)01-0109-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.01.022

2013-09-08；

：2013-12-11

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（6131860103）

李俊慧（1985—），女，工程師，從事集成光器件研究。E-mail：lijunhui2009110@sina.com