Y波導集成光學器件高低溫儲存壽命試驗

李俊慧，黨進超，張 寧，王新占，趙 斌，鄭遠生，楊德偉

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

Y波導集成光學器件高低溫儲存壽命試驗

李俊慧1，黨進超1，張 寧1，王新占1，趙 斌1，鄭遠生1，楊德偉2

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

為摸清Y波導在高低溫儲存環境下的薄弱環節及其壽命，通過開展高低溫條件下的儲存壽命試驗，分階段測試Y波導的插入損耗、分束比、尾纖偏振串音和半波電壓等參數，有失效器件產生時則終止試驗。對試驗參數分析知，耦合區材料及結構是波導的薄弱環節。試驗結果表明Y波導的插入損耗變化量≤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%，無失效器件產生。采用阿倫尼斯(Arrhenius)模型對器件壽命進行評估，Y波導集成光學器件在85 ℃條件下的儲存壽命為18 000 h，相當于22 ℃下的1.6×107h。該研究給出了Y波導長期高溫儲存的加速壽命和壽命評估，為其在光纖陀螺及其他傳感系統中的應用提供了理論參考。

集成光學；光纖陀螺；加速試驗；Arrhenius模型

Y波導集成光學器件在干涉式閉環光纖陀螺中發揮著分束/合束、起偏/檢偏及相位調制的作用，是光纖陀螺系統中的核心光學元件。近年來國內光纖陀螺技術不斷突破，應用領域不斷拓展，在航空、航天、電力、高速鐵路及石油領域的應用數量逐年增多。隨著光纖陀螺應用市場的發展，對其核心光學元件—Y波導多功能集成光學器件的使用壽命及可靠性指標的研究日趨迫切。為了獲取Y波導真實可信的高低溫儲存壽命，有必要開展Y波導集成光學器件的高低溫儲存實驗。國內外對于Y波導的可靠性評估已有報道，Karl M.Kissa指出在95℃條件下，鈮酸鋰芯片的壽命可達25年[1]。北京航天航空大學的楊德偉等人對Y波導的可靠性增長進行了研究，激活能Ea= 0.8eV時，根據 85℃、 85%RH下的 500 h推導出在 40℃、85%RH條件下Y波導的壽命為20 780 h[2]。

本研究通過開展Y波導集成光學器件的溫度儲存壽命試驗（85℃下，儲存18 000 h和-55℃下，儲存500 h），為Y波導的壽命估計提供可靠的數據支撐，也為Y波導在光纖陀螺及其他傳感系統中的應用提供理論依據。

1 高低溫儲存試驗

1.1 加速壽命試驗失效判據

根據GR-468-CORE規范中對外調制器壽命試驗的要求，結合Y波導產品的特點，其通光加電時，產生的光應力和電應力非常小以至可以忽略，因此其高溫儲存壽命可基本等效于高溫工作壽命。基于此，設計試驗時，采用不通光不加電的高溫儲存方式。

Y 波導多功能集成光學器件主要性能指標有插入損耗、分束比、尾纖偏振串音和半波電壓等。失效判據是Y波導的常溫性能參數的變化超出下列規定的判為失效：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 高溫儲存試驗

試驗選取7支器件，放置于老化試驗箱中，溫度設置為85℃。試驗始于2010年3季度，目前的試驗數據截止到2013年1季度，共經歷約18 000 h。在試驗期間分階段對產品的常溫光電參數（插入損耗、分束比、尾纖偏振串音和半波電壓）進行測試。測試結果如圖1～4所示。

Y波導高溫儲存18 000 h前后各參數的變化量統計數據如表1所示，其中波導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 高溫儲存后，Y波導插入損耗的變化Fig.1 Curve of insertion loss after high temperature life experiment

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

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

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

表1 高溫存儲前后，Y波導參數變化量Tab.1 Change of Y waveguide parameters radio before and after high temperature life experiment

1.3 低溫儲存試驗

為了對Y波導的溫度特性有全面的了解，對其低溫工作壽命進行了研究。選取7只常溫參數合格樣本器件放于溫循箱中進行低溫(-55℃)儲存500 h。在試驗前和試驗結束后對產品的常溫光電參數進行測試。測試的結果是7支產品經過500 h低溫儲存后，無產品失效，可得出 Y波導在-55℃下的平均無故障儲存時間大于500 h。具體測試參數如圖5所示。

圖5 低溫儲存前后，Y波導參數的變化Fig.5 Curve of Y waveguide parameters radio after low temperature life experiment

低溫儲存前后，測量Y波導的各參數變化量的統計數據如表2所示，波導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波導整體變化量都比較小，性能穩定。

表2 低溫存儲后，Y波導參數變化量Tab.2 Change of Y waveguide parameters radio before and after low temperature life experiment

2 試驗分析

2.1 插入損耗分析

由圖1可以看出，高溫儲存18 000 h后，Y波導的插入損耗變化范圍為：0.14～0.45 dB。低溫存儲500 h后，插入損耗變化量為：0.01～0.25 dB。隨著高低溫存儲時間的增加，除個別時間點出現波動外，Y波導的插入損耗整體趨勢是增加的，可見高溫或者低溫儲存對Y波導器件的插入損耗具有普遍影響，只是不同Y波導所受影響有大小之分。

從圖 1中插入損耗在不同階段的測試結果出現高低震蕩的現象來看，由于測量儀器及人為操作因素的影響，測量誤差是難免的。一般光纖類光學器件的插入損耗測量，允許其誤差約為±0.1 dB。不同時間段測試結果出現震蕩的另外一個原因可能與試驗樣品測試時所處的狀態有關，如環境溫度，樣品是否完全恢復室溫等。

對于Y波導的插入損耗隨儲存時間緩慢增加的現象，可以通過對粘接結構和波導特性的分析得出。鈮酸鋰芯片與輸入輸出的光纖通過精確耦合后膠接固定，具體結構如圖6所示。耦合區各材料的熱膨脹系數，高溫或低溫儲存及恢復常溫時，應力的釋放會導致光纖與波導產生錯位，從而導致在耦合位置的損耗增大。

圖6 耦合區簡圖Fig.6 Coupling structure

另外高溫儲存時，溫度會加速波導中的質子進一步擴散，改變波導的折射率分布，折射率分布的改變會導致尾纖與波導模式失配，模式失配損耗的增加必然會增大Y波導多功能集成光學器件的插入損耗[3]。

2.2 半波電壓分析

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

式中，Г為電場與光場的重疊積分因子，G為兩電極間的間距，L為調制區波導長度，E是外加電場，E′是均勻的光場分布，A′為外加電場和光場的重疊面積。

隨著高溫儲存時間的增加，半波電壓具有增大的趨勢。究其原因，可能是由于高溫儲存時，芯層模場的變化會影響電場與光場的重疊積分因子Г，模場失配會導致重疊積分因子Г減小，以及質子緩慢擴散，波導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波導的分束比是指特定條件下，測試Y波導器件兩根尾纖輸出光功率的比值。高溫儲存時，由于Y波導耦合區不同材料的熱膨脹系數不同，在尾纖與波導處產生熱應力，應力釋放會影響光纖與波導的錯位，當兩輸出尾纖與波導的錯位不一致時會影響分束比。另外Y波導兩輸出端在耦合操作上難免會存在差異，高溫儲存時，耦合點會產生不一致的變化，也會引起分束比的變化。

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，通過消光比測試儀對Y波導的尾纖偏振串音進行了測量，測量結果如圖4和圖5(d)所示，測量值均小于-30 dB，對于該參數我們往往關注的是極值，當全溫值小于-25 dB時，認為合格。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量的精度與適配器及消光比測試儀的關系非常大，多次測量導致尾纖偏振串音變化幅度大，但是不影響評判結果。

3 壽命估計

針對Y波導器件的壽命模型采用阿倫尼斯(Arrhenius) 模型，該模型最典型、應用最廣的加速模型[5]，Arrhenius壽命計算模型見式(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，為8.617×10-5eV/℃；Tu為產品工作時的（絕對）溫度；Ts為產品施加應力（絕對）溫度。

BellCore GR-468-Core 鈮酸鋰通用規范推薦根據Arrhenius壽命模型來計算鈮酸鋰電光器件的壽命。鈮酸鋰器件屬長壽產品，且在試驗中不能承受太高溫度，低溫的加速因子很小，所以在很長的時間內極少出現失效現象，因此基于上述失效數據的試驗數據處理方法在應用時會遇到很多困難。GR-468-Core對部分難以處理的數據給出了推薦值，對于Ea，本文采用GR-468-Core推薦值0.7eV來進行計算。

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

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

式中：T為Y波導工作壽命，N為樣本數，MTBF為平均無故障工作時間，AF為加速因子。

由此可得出，Y波導集成光學器件在85℃條件下的18 000 h正常工作，相當于22℃下的1.6×107h。

4 結 論

通過開展Y波導多功能集成光學器件高低溫工作壽命試驗，85℃條件下，經過18000 h的高溫儲存，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壽命模型計算，獲得Y波導集成光學器件在85℃條件下儲存18000 h，相當于22℃下的1.6×107h。另對7只器件進行-55℃低溫儲存500 h，無失效器件產生。該研究摸清了Y波導集成光學器件的高低溫儲存壽命，為Y波導器件的壽命估計提供了數據支撐，同時對于Y波導在光纖陀螺及其他傳感系統中的應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，僅考慮溫度因子對芯片的影響所得到的Y波導集成光學器件的壽命，該結果比較理想。考慮到Y波導產品中的關鍵部位使用有膠類，而膠對濕度更為敏感，因此今后有必要進一步研究溫度濕度組合條件下Arrhenius加速壽命試驗條件、模型以及壽命估算，更加全面評估Y波導器件。

（References）：

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[2]楊德偉，王進.Y波導多功能集成光學器件可靠性增長[J].中國慣性技術學報，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.外應力對Y波導器件尾纖消光比的影響[J].光子學報，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波導半波電壓穩定性的研究[J].儀器儀表學報，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

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（6131860103）

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