Y波导集成光学器件高低温储存寿命试验

李俊慧，党进超，张 宁，王新占，赵 斌，郑远生，杨德伟

（1.北京世维通科技发展有限公司，北京100738；2.北京航天航空大学 光电技术研究所，北京 100191）

Y波导集成光学器件高低温储存寿命试验

李俊慧1，党进超1，张 宁1，王新占1，赵 斌1，郑远生1，杨德伟2

（1.北京世维通科技发展有限公司，北京100738；2.北京航天航空大学 光电技术研究所，北京 100191）

为摸清Y波导在高低温储存环境下的薄弱环节及其寿命，通过开展高低温条件下的储存寿命试验，分阶段测试Y波导的插入损耗、分束比、尾纤偏振串音和半波电压等参数，有失效器件产生时则终止试验。对试验参数分析知，耦合区材料及结构是波导的薄弱环节。试验结果表明Y波导的插入损耗变化量≤0.45 dB；分束比变化量≤3.0%；偏振串音≤-30 dB；半波电压变化量≤1.8%，无失效器件产生。采用阿伦尼斯(Arrhenius)模型对器件寿命进行评估，Y波导集成光学器件在85 ℃条件下的储存寿命为18 000 h，相当于22 ℃下的1.6×107h。该研究给出了Y波导长期高温储存的加速寿命和寿命评估，为其在光纤陀螺及其他传感系统中的应用提供了理论参考。

集成光学；光纤陀螺；加速试验；Arrhenius模型

Y波导集成光学器件在干涉式闭环光纤陀螺中发挥着分束/合束、起偏/检偏及相位调制的作用，是光纤陀螺系统中的核心光学元件。近年来国内光纤陀螺技术不断突破，应用领域不断拓展，在航空、航天、电力、高速铁路及石油领域的应用数量逐年增多。随着光纤陀螺应用市场的发展，对其核心光学元件—Y波导多功能集成光学器件的使用寿命及可靠性指标的研究日趋迫切。为了获取Y波导真实可信的高低温储存寿命，有必要开展Y波导集成光学器件的高低温储存实验。国内外对于Y波导的可靠性评估已有报道，Karl M.Kissa指出在95℃条件下，铌酸锂芯片的寿命可达25年[1]。北京航天航空大学的杨德伟等人对Y波导的可靠性增长进行了研究，激活能Ea= 0.8eV时，根据 85℃、 85%RH下的 500 h推导出在 40℃、85%RH条件下Y波导的寿命为20 780 h[2]。

本研究通过开展Y波导集成光学器件的温度储存寿命试验（85℃下，储存18 000 h和-55℃下，储存500 h），为Y波导的寿命估计提供可靠的数据支撑，也为Y波导在光纤陀螺及其他传感系统中的应用提供理论依据。

1 高低温储存试验

1.1 加速寿命试验失效判据

根据GR-468-CORE规范中对外调制器寿命试验的要求，结合Y波导产品的特点，其通光加电时，产生的光应力和电应力非常小以至可以忽略，因此其高温储存寿命可基本等效于高温工作寿命。基于此，设计试验时，采用不通光不加电的高温储存方式。

Y 波导多功能集成光学器件主要性能指标有插入损耗、分束比、尾纤偏振串音和半波电压等。失效判据是Y波导的常温性能参数的变化超出下列规定的判为失效：插入损耗变化量≤0.8 dB；分束比变化量≤3%；半波电压变化量≤5%[2]；尾纤偏振串音≤-25 dB。

1.2 高温储存试验

试验选取7支器件，放置于老化试验箱中，温度设置为85℃。试验始于2010年3季度，目前的试验数据截止到2013年1季度，共经历约18 000 h。在试验期间分阶段对产品的常温光电参数（插入损耗、分束比、尾纤偏振串音和半波电压）进行测试。测试结果如图1～4所示。

Y波导高温储存18 000 h前后各参数的变化量统计数据如表1所示，其中波导的插入损耗变化量最大不超过0.45 dB；分束比变化量最大不超过3.0%；偏振串音均不大于-30 dB；半波电压变化量最大不超过1.8%。

图1 高温储存后，Y波导插入损耗的变化Fig.1 Curve of insertion loss after high temperature life experiment

图2 高温储存后，Y波导分束比的变化Fig.2 Curve of splitting ratio after high temperature life experiment

图3 高温储存后，Y波导尾纤偏振串音的变化Fig.3 Curve of extinction ratio after high temperature life experiment

图4 高温储存后，Y波导半波电压的变化Fig.4 Curve of half-wave voltage after high Temperature life experiment

表1 高温存储前后，Y波导参数变化量Tab.1 Change of Y waveguide parameters radio before and after high temperature life experiment

1.3 低温储存试验

为了对Y波导的温度特性有全面的了解，对其低温工作寿命进行了研究。选取7只常温参数合格样本器件放于温循箱中进行低温(-55℃)储存500 h。在试验前和试验结束后对产品的常温光电参数进行测试。测试的结果是7支产品经过500 h低温储存后，无产品失效，可得出 Y波导在-55℃下的平均无故障储存时间大于500 h。具体测试参数如图5所示。

图5 低温储存前后，Y波导参数的变化Fig.5 Curve of Y waveguide parameters radio after low temperature life experiment

低温储存前后，测量Y波导的各参数变化量的统计数据如表2所示，波导的插入损耗变化量最大不超过0.25 dB；分束比变化量最大不超过1.7%；尾纤偏振串音不超过-30 dB；半波电压变化量最大不超过0.3%。7只Y波导整体变化量都比较小，性能稳定。

表2 低温存储后，Y波导参数变化量Tab.2 Change of Y waveguide parameters radio before and after low temperature life experiment

2 试验分析

2.1 插入损耗分析

由图1可以看出，高温储存18 000 h后，Y波导的插入损耗变化范围为：0.14～0.45 dB。低温存储500 h后，插入损耗变化量为：0.01～0.25 dB。随着高低温存储时间的增加，除个别时间点出现波动外，Y波导的插入损耗整体趋势是增加的，可见高温或者低温储存对Y波导器件的插入损耗具有普遍影响，只是不同Y波导所受影响有大小之分。

从图 1中插入损耗在不同阶段的测试结果出现高低震荡的现象来看，由于测量仪器及人为操作因素的影响，测量误差是难免的。一般光纤类光学器件的插入损耗测量，允许其误差约为±0.1 dB。不同时间段测试结果出现震荡的另外一个原因可能与试验样品测试时所处的状态有关，如环境温度，样品是否完全恢复室温等。

对于Y波导的插入损耗随储存时间缓慢增加的现象，可以通过对粘接结构和波导特性的分析得出。铌酸锂芯片与输入输出的光纤通过精确耦合后胶接固定，具体结构如图6所示。耦合区各材料的热膨胀系数，高温或低温储存及恢复常温时，应力的释放会导致光纤与波导产生错位，从而导致在耦合位置的损耗增大。

图6 耦合区简图Fig.6 Coupling structure

另外高温储存时，温度会加速波导中的质子进一步扩散，改变波导的折射率分布，折射率分布的改变会导致尾纤与波导模式失配，模式失配损耗的增加必然会增大Y波导多功能集成光学器件的插入损耗[3]。

2.2 半波电压分析

为了获得最大的电光调制，Y波导采用非寻常光作为工作轴向以及利用最大电光系数γ33。传输光波产生的相位差为π时所需要的电压称为Y波导的半波电压，表达式如式(1)所示，它用来表征Y波导的相位调制能力，与铌酸锂晶体的折射率、电光系数、器件电极长度和电极间距有关[4]。

式中，Г为电场与光场的重叠积分因子，G为两电极间的间距，L为调制区波导长度，E是外加电场，E′是均匀的光场分布，A′为外加电场和光场的重叠面积。

随着高温储存时间的增加，半波电压具有增大的趋势。究其原因，可能是由于高温储存时，芯层模场的变化会影响电场与光场的重叠积分因子Г，模场失配会导致重叠积分因子Г减小，以及质子缓慢扩散，波导有效折射率缓慢变小所致。

2.3 分束比及尾纤偏振串音分析

Y波导的分束比是指特定条件下，测试Y波导器件两根尾纤输出光功率的比值。高温储存时，由于Y波导耦合区不同材料的热膨胀系数不同，在尾纤与波导处产生热应力，应力释放会影响光纤与波导的错位，当两输出尾纤与波导的错位不一致时会影响分束比。另外Y波导两输出端在耦合操作上难免会存在差异，高温储存时，耦合点会产生不一致的变化，也会引起分束比的变化。

尾纤偏振串音是指保偏尾纤非工作轴向的偏振输出光功率与工作轴向的偏振输出光功率的比值，通过消光比测试仪对Y波导的尾纤偏振串音进行了测量，测量结果如图4和图5(d)所示，测量值均小于-30 dB，对于该参数我们往往关注的是极值，当全温值小于-25 dB时，认为合格。图4中尾纤偏振串音的变化幅度比较大，主要原因是尾纤偏振串音测量的精度与适配器及消光比测试仪的关系非常大，多次测量导致尾纤偏振串音变化幅度大，但是不影响评判结果。

3 寿命估计

针对Y波导器件的寿命模型采用阿伦尼斯(Arrhenius) 模型，该模型最典型、应用最广的加速模型[5]，Arrhenius寿命计算模型见式(3)：

式中，AF为温度寿命加速因子；Ea为激活能；K为波尔兹曼常数，为8.617×10-5eV/℃；Tu为产品工作时的（绝对）温度；Ts为产品施加应力（绝对）温度。

BellCore GR-468-Core 铌酸锂通用规范推荐根据Arrhenius寿命模型来计算铌酸锂电光器件的寿命。铌酸锂器件属长寿产品，且在试验中不能承受太高温度，低温的加速因子很小，所以在很长的时间内极少出现失效现象，因此基于上述失效数据的试验数据处理方法在应用时会遇到很多困难。GR-468-Core对部分难以处理的数据给出了推荐值，对于Ea，本文采用GR-468-Core推荐值0.7eV来进行计算。

根据公式(3)，可计算出Y波导的85℃高温加速老化的加速因子。具体计算见式(4)：

式中，Tu=22+273=295，Ts=85+273=358。由此可推算出Y波导在室温下的工作寿命[6]为：

式中：T为Y波导工作寿命，N为样本数，MTBF为平均无故障工作时间，AF为加速因子。

由此可得出，Y波导集成光学器件在85℃条件下的18 000 h正常工作，相当于22℃下的1.6×107h。

4 结 论

通过开展Y波导多功能集成光学器件高低温工作寿命试验，85℃条件下，经过18000 h的高温储存，7只器件的插入损耗变化量为0.14～0.45 dB；半波电压变化量为1.2%～1.8%；分束比变化量均不超过3.0%；尾纤偏振串音均小于-30 dB。通过Arrhenius寿命模型计算，获得Y波导集成光学器件在85℃条件下储存18000 h，相当于22℃下的1.6×107h。另对7只器件进行-55℃低温储存500 h，无失效器件产生。该研究摸清了Y波导集成光学器件的高低温储存寿命，为Y波导器件的寿命估计提供了数据支撑，同时对于Y波导在光纤陀螺及其他传感系统中的应用提供了有力的保障。

文中采用的Arrhenius寿命模型是在理想情况下，仅考虑温度因子对芯片的影响所得到的Y波导集成光学器件的寿命，该结果比较理想。考虑到Y波导产品中的关键部位使用有胶类，而胶对湿度更为敏感，因此今后有必要进一步研究温度湿度组合条件下Arrhenius加速寿命试验条件、模型以及寿命估算，更加全面评估Y波导器件。

（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]杨德伟，王进.Y波导多功能集成光学器件可靠性增长[J].中国惯性技术学报，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]刘福民，黄淘，李瑞龙，郑国康.外应力对Y波导器件尾纤消光比的影响[J].光子学报，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]刘颖，李言，姬忠校.光纤陀螺用 Y波导半波电压稳定性的研究[J].仪器仪表学报，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

国家重点基础研究发展计划（973计划）（6131860103）

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