超小型光纖陀螺用超細(xì)徑光纖熔接工藝技術(shù)研究

馬玉洲 龍 婭 單聯(lián)潔 趙冬穎 劉小童

超小型光纖陀螺用超細(xì)徑光纖熔接工藝技術(shù)研究

馬玉洲 龍 婭 單聯(lián)潔 趙冬穎 劉小童

（北京航天時代光電科技有限公司，北京 100094）

通過研究光纖陀螺關(guān)鍵的60μm超細(xì)徑保偏光纖涂層剝除、端面切割、對軸熔接等工藝過程中存在的技術(shù)難點，改良光纖剝離設(shè)備，優(yōu)化切割刀張力參數(shù)，改進(jìn)對軸熔接工藝等措施，基本解決了制造過程中涉及60μm超細(xì)徑光纖熔接的一次合格率問題，并通過批量化生產(chǎn)交付，完成了驗證考核。

超小型光纖陀螺；超細(xì)徑保偏光纖；熔接

1 引言

光纖陀螺是基于Sagnac效應(yīng)敏感角速率的新一代全固態(tài)慣性儀表，采用光機(jī)電一體化技術(shù)，具有許多獨特的性能和發(fā)展?jié)摿Γ趹T導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用方面優(yōu)勢顯著，受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注，經(jīng)過30多年的發(fā)展，已成為慣性技術(shù)領(lǐng)域的主流儀表，在海、陸、空、天多個軍民領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。隨著當(dāng)前導(dǎo)航及姿態(tài)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，面向新領(lǐng)域、新任務(wù)的光纖陀螺需求不斷被提上日程，尤其體積小、精度具有比較優(yōu)勢的超小型閉環(huán)光纖陀螺（一般指直徑不大于3cm，精度優(yōu)于5°/h），已成為市場新的焦點。

超小型閉環(huán)光纖陀螺的制造過程較為復(fù)雜，工序繁多，涉及光路裝配、電路連接、調(diào)測試、溫度篩選等多種操作，有的工序前后還需要反復(fù)調(diào)試、篩選。裝配流程中，計入光路裝配時間約4.7h，電路連接約1h，調(diào)測試時間約2.3h，其它約1h。其中光裝時間占用工時遠(yuǎn)大于常規(guī)陀螺光路裝配所需工時，占比超過50%，明顯偏高。經(jīng)統(tǒng)計分析，時間過長的原因，主要在于光路中直徑60μm的超細(xì)徑保偏光纖熔接困難，一次合格率低、返修次數(shù)多，60μm超細(xì)徑保偏光纖熔接的一次合格率只有50%左右。針對該問題，國內(nèi)外在這方面難以查到可供參考的解決措施，參考資料不多。因此，開展超細(xì)徑保偏光纖熔接工藝技術(shù)的研究十分必要和緊迫。

2 超小型光纖陀螺研究對象分析

文中所研究的光纖陀螺均指的是干涉型閉環(huán)光纖陀螺。光纖陀螺的核心部分在于光纖，光纖構(gòu)成了光纖陀螺傳輸光信息和敏感角速度的光路主體，但同時也約束了光纖陀螺的尺寸和性能。要達(dá)到合乎需求的性能，超小型光纖陀螺必須采用超細(xì)徑保偏光纖。主流的超小型光纖陀螺，其關(guān)鍵的干涉儀光路采用的是包層（如圖1所示）直徑只有60μm的超細(xì)徑保偏光纖。而隨著光纖直徑的縮小，光路裝配中的光纖涂層剝除、端面切割、光纖對軸、光纖熔接等技術(shù)的控制精度和要求等級成倍增加。

圖1 光纖結(jié)構(gòu)示意圖

超小型光纖陀螺中光纖涉及的主要光路裝配流程為：光纖涂層剝除—光纖包層清洗—光纖端面切割—光纖對軸熔接—熔接點涂敷保護(hù)—光纖排布[1]。其中光纖熔接是主體部分，耗費工時約占75%，主要涉及單模對單模光纖熔接、單模對保偏光纖熔接、保偏對保偏光纖熔接過程。該過程所使用的設(shè)備主要有光纖剝離設(shè)備、光纖切割刀、光纖熔接機(jī)等。其中最難和最關(guān)鍵的是60μm超細(xì)徑保偏光纖的熔接，故以此為研究對象進(jìn)行研究改進(jìn)，研究結(jié)果可以推廣應(yīng)用于其它光纖熔接。

3 超細(xì)徑保偏光纖熔接技術(shù)

3.1 超細(xì)徑光纖涂層剝離技術(shù)

超細(xì)徑光纖熔接前要做好預(yù)處理，包括光纖涂層剝除、剝除后光纖清潔、對接光纖端面切割三個環(huán)節(jié)，光纖直徑顯著縮小后，除光纖清潔外，其余兩環(huán)節(jié)的解決難度均大幅增加。

目前很難找到可對超細(xì)徑光纖進(jìn)行涂層剝除的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和工具，只能配合光纖熔接機(jī)進(jìn)行超細(xì)徑光纖涂層剝離設(shè)備組件的改造，改良刀口間隙，建立足夠的精度冗余，實現(xiàn)對光纖涂層的可靠、穩(wěn)定剝離。

超細(xì)徑光纖的直徑100μm，纖芯直徑2μm，包層直徑60μm。通過精密加工和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，保證光纖剝離方向垂直于光纖軸線且處于刀口的中心，使刀口尺寸略大于裸纖直徑，剝離時沿著定位導(dǎo)軌進(jìn)行，以降低剝離時損傷光纖的概率；同時，還可以采用剝離前先對涂層加熱升溫使其軟化，進(jìn)而大幅減小涂層的剝離力，使剝離時致使光纖原有裂紋擴(kuò)大的因素再次減弱。

經(jīng)大量試驗摸索，實際剝除設(shè)備上下兩個刀口的間隙精加工控制在65～70μm，可以較好滿足需求。若剝除設(shè)備刀口縫隙大于上述范圍值，會使光纖的涂層無法正常剝除或剝離不干凈，影響后續(xù)熔接質(zhì)量；如果小于上述范圍值，會在剝除過程中劃傷光纖包層，使光纖受損，造成隱患。（該情況會產(chǎn)生微裂紋，使用過程中，在溫度、振動等環(huán)境因素作用下，包層微裂紋會變大，逐漸延伸至纖芯，致使光纖斷裂，造成陀螺不可逆轉(zhuǎn)的失效）

基于此設(shè)計方案有效實現(xiàn)了涂層直徑不大于100μm，包層直徑不大于60μm的光纖涂層剝除。

3.2 超細(xì)徑光纖端面切割技術(shù)

光纖端面切割是實現(xiàn)超細(xì)徑光纖熔接前預(yù)處理的另一難點，光纖熔接所需的端面是垂直于光纖軸線的端面，端面傾斜的角度和端面是否平整是評價切割質(zhì)量的重要因素。切割過程中若切割刀刀口質(zhì)量有缺陷或控制張力調(diào)整不當(dāng)，在切割過程中會使光纖端面受損，產(chǎn)生斜角、毛刺、裂痕等不良斷面。若不處理會造成光纖熔接時對軸精度不佳，熔接消光比降低，同時還會造成熔接點強(qiáng)度不足、熔接損耗增加，甚至導(dǎo)致光纖斷裂。若返工二次切割，則會降低裝配長度，增加操作工時，大幅影響裝配效率。因此需研究妥當(dāng)方法，提高一次合格率。

圖2 超細(xì)徑光纖端面切割效果對比圖

研究分析發(fā)現(xiàn)，光纖切割時光纖平直地放在切割夾具的U型槽內(nèi)，在光纖兩端夾持好后，用刀具控制在垂直方向（±0.5°）在包層表面劃出劃痕，再施加合適的外張力使光纖斷裂，可以得到平整垂直的端面。光纖夾持方法和切割角度相對固定的情況下，切割張力參數(shù)不當(dāng)會使斷裂面質(zhì)量狀態(tài)不理想，出現(xiàn)凹坑、突起、傾斜等問題（如圖2a），后續(xù)過程中會妨礙光纖對接熔合，得不到光學(xué)特性和機(jī)械強(qiáng)度俱佳的熔接點。

圖3 低損傷的超細(xì)徑光纖切割方式示意圖

采用圖3 所示的光纖夾持結(jié)構(gòu)和外張力施加方法，可以確保切割工具與切割后保留的裸纖段無接觸，避免接觸損傷；在切割刀具能從結(jié)構(gòu)上保證切割方向是垂直光纖軸線的基礎(chǔ)上，決定光纖端面切割質(zhì)量的參數(shù)主要就是切割張力，控制工具給光纖施加的張力量化，優(yōu)化后可使光纖表面劃痕斷裂成平整垂直的端面。

在滿足上述要求的基礎(chǔ)上，改良了光纖切割刀，切割刀的切割張力參數(shù)可通過彈簧片變形量大小來實現(xiàn)量化控制。

確定結(jié)構(gòu)后，需進(jìn)一步優(yōu)化該參數(shù)，表1是不同切割張力參量下超細(xì)徑光纖的切割角度。

表1 超細(xì)徑光纖切割角度與切割張力參量對應(yīng)關(guān)系

從上述工藝試驗過程可看出，對于超細(xì)徑光纖，其切割張力參量應(yīng)控制在50～70g較好。該改良工具可以有效減少光纖端面損傷的概率，確保光纖切割端面質(zhì)量良好（圖2b），熔接時能提高切割精度和穩(wěn)定性，可以達(dá)到有效減少熔接缺陷，提高熔接一次合格率的目的。當(dāng)然還要定期調(diào)整檢查切割刀刀位垂直度，定期校驗切割張力。新調(diào)整的切割刀需經(jīng)多次切割模擬試驗，符合裝配技術(shù)要求后，保證光纖端面的切割角度在1°以內(nèi)，方可用于批生產(chǎn)使用。

3.3 超細(xì)徑保偏光纖熔接

光纖熔接過程是整個光纖陀螺光路質(zhì)量保證的核心環(huán)節(jié)，在熔接過程中需對光纖熔接機(jī)的對準(zhǔn)精度、熔接方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，才能保證光纖的熔接性能，同時提升熔接一次合格率。

3.3.1 超細(xì)徑光纖精確對軸技術(shù)

光纖包層直徑變細(xì)后，光纖對準(zhǔn)的精度要求也隨之變高，特別是國內(nèi)的超細(xì)徑保偏光纖批次一致性差，標(biāo)準(zhǔn)化程度差，偏振軸對準(zhǔn)難度較大，因此需專門研究超細(xì)徑保偏光纖對準(zhǔn)技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，采用端面識別對軸的方式替代側(cè)軸成像對軸的方式，可提高對準(zhǔn)精度和非標(biāo)準(zhǔn)超細(xì)徑保偏光纖的識別能力。在光纖的定位系統(tǒng)中內(nèi)置高精度CCD攝像頭，對光纖實現(xiàn)400倍的光學(xué)放大，可彌補(bǔ)光纖直徑顯著縮小后，光纖識別精度不足的問題。其中內(nèi)置的LED照明燈泡，可量化調(diào)整其亮暗，更有利于光纖端面的清晰識別，在電腦中可清晰地顯示光纖端面。通過特殊的夾具設(shè)計結(jié)合，端面定位系統(tǒng)可以固定對軸角度，在軟件方面，通過軟件參數(shù)的設(shè)置，采用圖像輪廓擬合和形心對準(zhǔn)算法可以方便實現(xiàn)更高精細(xì)度的對軸，解決超細(xì)徑保偏光纖（包層直徑60μm）偏振軸的精確對準(zhǔn)難題。如圖4所示，采用光纖端面成像系統(tǒng)清晰地觀察和測量到了60μm光纖的纖芯和偏振軸，綜合誤差可以控制在0.5°。

圖4 超細(xì)徑光纖（60μm）端面識別及對準(zhǔn)示意圖

3.3.2 超細(xì)徑光纖熔接技術(shù)

目前普遍采用的脈沖電弧放電熔接光纖的技術(shù)用于超細(xì)徑光纖熔接，弊端相對突出。超細(xì)徑光纖比普通光纖更加不耐熱，在現(xiàn)有熔接技術(shù)條件下，普通光纖熔接機(jī)產(chǎn)生的脈沖電弧，要大幅調(diào)小，然而小量級下放電功率很難保證穩(wěn)定，超細(xì)徑光纖會因為加熱不均勻，造成局部加熱過度，破壞光纖的保偏特性，不利于光信號偏振特性的穩(wěn)定保持，從而劣化陀螺性能。甚至光纖端面還會被熔融成圓球形，光纖兩端分離。因此，實現(xiàn)超細(xì)徑光纖熔接，需要可在較長時間內(nèi)，保持較低且控制穩(wěn)定的熔接溫度，才能實現(xiàn)較好的熔接效果?；谏鲜鲈?，以在光纖熔接區(qū)域形成環(huán)形穩(wěn)定溫度場、精細(xì)化控制熔接時間為重點，采用了新的熔接方式——鎢絲加熱熔接技術(shù)，實現(xiàn)了超細(xì)徑光纖熔接。

根據(jù)電腦建立的溫度模型模擬仿真發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)可形成近乎環(huán)形的溫度場分布，比較貼合超細(xì)徑光纖圓形端面的形狀特點，該溫度場能很好地環(huán)繞光纖產(chǎn)生均勻加熱的效果。并且在量化調(diào)整鎢絲熔接溫度及熔接時間后可以形成一個可控的圓形穩(wěn)定溫度場，結(jié)合精準(zhǔn)的推進(jìn)馬達(dá)，可形成穩(wěn)定可控的光纖熔接，同時又能保證光纖熔接的質(zhì)量。

圖5 鎢絲加熱熔接光纖方式示意圖

如圖5所示的鎢絲加熱熔接技術(shù)，熔接溫度從幾百到一千多度都可以穩(wěn)定控制，環(huán)形的發(fā)熱區(qū)域可以保證光纖外表面每一處都受熱均勻。而且為了更好地控制熔接質(zhì)量，在加熱腔內(nèi)可以注入惰性保護(hù)氣體（N2），以避免光纖熔融區(qū)域在熔接過程中摻入其它雜質(zhì)，保證熔接強(qiáng)度。通過該技術(shù)，實現(xiàn)了最外層直徑不大于100μm，包層直徑不大于60μm的超細(xì)徑保偏光纖連接，同時保障了超細(xì)徑光纖熔接點的功率特性、偏振特性和力學(xué)特性。

圖6 超細(xì)徑60μm保偏光纖熔接效果圖

圖6是通過改進(jìn)后光纖熔接技術(shù)進(jìn)行的兩段超細(xì)徑60μm保偏光纖熔接，得到了良好的熔接效果，驗證了所研究技術(shù)在超小型光纖陀螺光路裝配過程中的可行性。

為進(jìn)一步驗證該工藝對熔接合格率的提升，采用改進(jìn)后的光纖熔接工藝和原有的工藝分別制作了多個光纖熔接點樣本。確定兩組樣本分別進(jìn)行試驗，每組進(jìn)行20次熔接，共計熔接40次。將熔接所得光纖的熔接點進(jìn)行涂敷保護(hù)后，盤繞在金屬棒上，按照超小型光纖陀螺溫循試驗鑒定條件，進(jìn)行溫循處理，并測試統(tǒng)計各光纖熔接點的性能指標(biāo)，試驗結(jié)果見表2。

表2 不同工藝下光纖熔接點性能指標(biāo)對比試驗數(shù)據(jù)

從試驗結(jié)果可知：實行原熔接工藝計20根光纖中，一次熔接指標(biāo)不合格9根（消光比不足30dB）；實行新工藝熔接計20根光纖中誤操作重熔不合格1根，指標(biāo)不合格降至2根，一次合格率從55%提升至約85%，且熔接點的損耗、消光比指標(biāo)保持原有工藝正常水平，整體提升明顯。

從測試結(jié)果還可以看出，采用改進(jìn)工藝后，溫循后無斷裂，質(zhì)量良好，光纖熔接點的強(qiáng)度也得到了提高，平均強(qiáng)度從1.51N提高到了1.97N，最小強(qiáng)度從1.2N提高到了1.7N，長期可靠性指標(biāo)得到了改善，達(dá)到預(yù)期要求。

4 結(jié)束語

通過改良光纖剝離設(shè)備，優(yōu)化切割刀張力參數(shù)、改進(jìn)熔接工藝等措施，基本解決了60μm超細(xì)徑保偏光纖熔接一次合格率低的難題。采取改進(jìn)措施后，熔接一次合格率從50%左右提升到80%以上。從交付來看，該技術(shù)應(yīng)用至今已生產(chǎn)近千軸光纖陀螺，未發(fā)生光纖熔接點后期失效問題，可滿足當(dāng)前時期內(nèi)超小型光纖陀螺產(chǎn)品的批量生產(chǎn)需求。

1 王巍. 干涉型光纖陀螺技術(shù)[M]. 北京：中國宇航出版社，2010：380～386

Research on Ultra-fine Diameter Fiber Fusion Technology for Ultra-small Fiber Optic Gyroscope

Ma Yuzhou Long Ya Shan Lianjie Zhao Dongying Liu Xiaotong

(Beijing Aerospace Times Opto-electronics Technology Co., Ltd., Beijing 100094)

The technical difficulties in the process of coating stripping, end-cutting and fiber-fusion of the key 60μm ultra-fine diameter polarization maintaining optical fiber are studied for IFOG. By improving the optical fiber stripping equipment, optimizing the tension parameters of the cutter, improving the fiber-fusion process, the first pass-rate of 60μm ultra-fine diameter optical fiber fusion in the manufacturing process are solved. With mass production and delivery, the verification assessment was complete.

ultra-small fiber optic gyroscope；ultra-fine diameter polarization maintaining optical fiber；fiber fusion

TN205

A

裝備預(yù)研聯(lián)合基金（6141B06220403）。

馬玉洲（1981），研究員，光學(xué)工程專業(yè)；研究方向：光纖陀螺及傳感器設(shè)計。

2022-09-21