超小型光纤陀螺用超细径光纤熔接工艺技术研究

2022-11-24马玉洲单联洁赵冬颖刘小童

航天制造技术 2022年5期

马玉洲龙娅单联洁赵冬颖刘小童

马玉洲龙娅单联洁赵冬颖刘小童

（北京航天时代光电科技有限公司，北京 100094）

通过研究光纤陀螺关键的60μm超细径保偏光纤涂层剥除、端面切割、对轴熔接等工艺过程中存在的技术难点，改良光纤剥离设备，优化切割刀张力参数，改进对轴熔接工艺等措施，基本解决了制造过程中涉及60μm超细径光纤熔接的一次合格率问题，并通过批量化生产交付，完成了验证考核。

超小型光纤陀螺；超细径保偏光纤；熔接

1 引言

光纤陀螺是基于Sagnac效应敏感角速率的新一代全固态惯性仪表，采用光机电一体化技术，具有许多独特的性能和发展潜力，在惯导系统应用方面优势显著，受到国内外的普遍关注，经过30多年的发展，已成为惯性技术领域的主流仪表，在海、陆、空、天多个军民领域都得到了广泛的应用。随着当前导航及姿态控制技术的迅猛发展，面向新领域、新任务的光纤陀螺需求不断被提上日程，尤其体积小、精度具有比较优势的超小型闭环光纤陀螺（一般指直径不大于3cm，精度优于5°/h），已成为市场新的焦点。

超小型闭环光纤陀螺的制造过程较为复杂，工序繁多，涉及光路装配、电路连接、调测试、温度筛选等多种操作，有的工序前后还需要反复调试、筛选。装配流程中，计入光路装配时间约4.7h，电路连接约1h，调测试时间约2.3h，其它约1h。其中光装时间占用工时远大于常规陀螺光路装配所需工时，占比超过50%，明显偏高。经统计分析，时间过长的原因，主要在于光路中直径60μm的超细径保偏光纤熔接困难，一次合格率低、返修次数多，60μm超细径保偏光纤熔接的一次合格率只有50%左右。针对该问题，国内外在这方面难以查到可供参考的解决措施，参考资料不多。因此，开展超细径保偏光纤熔接工艺技术的研究十分必要和紧迫。

2 超小型光纤陀螺研究对象分析

文中所研究的光纤陀螺均指的是干涉型闭环光纤陀螺。光纤陀螺的核心部分在于光纤，光纤构成了光纤陀螺传输光信息和敏感角速度的光路主体，但同时也约束了光纤陀螺的尺寸和性能。要达到合乎需求的性能，超小型光纤陀螺必须采用超细径保偏光纤。主流的超小型光纤陀螺，其关键的干涉仪光路采用的是包层（如图1所示）直径只有60μm的超细径保偏光纤。而随着光纤直径的缩小，光路装配中的光纤涂层剥除、端面切割、光纤对轴、光纤熔接等技术的控制精度和要求等级成倍增加。

图1 光纤结构示意图

超小型光纤陀螺中光纤涉及的主要光路装配流程为：光纤涂层剥除—光纤包层清洗—光纤端面切割—光纤对轴熔接—熔接点涂敷保护—光纤排布[1]。其中光纤熔接是主体部分，耗费工时约占75%，主要涉及单模对单模光纤熔接、单模对保偏光纤熔接、保偏对保偏光纤熔接过程。该过程所使用的设备主要有光纤剥离设备、光纤切割刀、光纤熔接机等。其中最难和最关键的是60μm超细径保偏光纤的熔接，故以此为研究对象进行研究改进，研究结果可以推广应用于其它光纤熔接。

3 超细径保偏光纤熔接技术

3.1 超细径光纤涂层剥离技术

超细径光纤熔接前要做好预处理，包括光纤涂层剥除、剥除后光纤清洁、对接光纤端面切割三个环节，光纤直径显著缩小后，除光纤清洁外，其余两环节的解决难度均大幅增加。

目前很难找到可对超细径光纤进行涂层剥除的标准设备和工具，只能配合光纤熔接机进行超细径光纤涂层剥离设备组件的改造，改良刀口间隙，建立足够的精度冗余，实现对光纤涂层的可靠、稳定剥离。

超细径光纤的直径100μm，纤芯直径2μm，包层直径60μm。通过精密加工和优化的结构设计方案，保证光纤剥离方向垂直于光纤轴线且处于刀口的中心，使刀口尺寸略大于裸纤直径，剥离时沿着定位导轨进行，以降低剥离时损伤光纤的概率；同时，还可以采用剥离前先对涂层加热升温使其软化，进而大幅减小涂层的剥离力，使剥离时致使光纤原有裂纹扩大的因素再次减弱。

经大量试验摸索，实际剥除设备上下两个刀口的间隙精加工控制在65～70μm，可以较好满足需求。若剥除设备刀口缝隙大于上述范围值，会使光纤的涂层无法正常剥除或剥离不干净，影响后续熔接质量；如果小于上述范围值，会在剥除过程中划伤光纤包层，使光纤受损，造成隐患。（该情况会产生微裂纹，使用过程中，在温度、振动等环境因素作用下，包层微裂纹会变大，逐渐延伸至纤芯，致使光纤断裂，造成陀螺不可逆转的失效）

基于此设计方案有效实现了涂层直径不大于100μm，包层直径不大于60μm的光纤涂层剥除。

3.2 超细径光纤端面切割技术

光纤端面切割是实现超细径光纤熔接前预处理的另一难点，光纤熔接所需的端面是垂直于光纤轴线的端面，端面倾斜的角度和端面是否平整是评价切割质量的重要因素。切割过程中若切割刀刀口质量有缺陷或控制张力调整不当，在切割过程中会使光纤端面受损，产生斜角、毛刺、裂痕等不良断面。若不处理会造成光纤熔接时对轴精度不佳，熔接消光比降低，同时还会造成熔接点强度不足、熔接损耗增加，甚至导致光纤断裂。若返工二次切割，则会降低装配长度，增加操作工时，大幅影响装配效率。因此需研究妥当方法，提高一次合格率。

图2 超细径光纤端面切割效果对比图

研究分析发现，光纤切割时光纤平直地放在切割夹具的U型槽内，在光纤两端夹持好后，用刀具控制在垂直方向（±0.5°）在包层表面划出划痕，再施加合适的外张力使光纤断裂，可以得到平整垂直的端面。光纤夹持方法和切割角度相对固定的情况下，切割张力参数不当会使断裂面质量状态不理想，出现凹坑、突起、倾斜等问题（如图2a），后续过程中会妨碍光纤对接熔合，得不到光学特性和机械强度俱佳的熔接点。

图3 低损伤的超细径光纤切割方式示意图

采用图3 所示的光纤夹持结构和外张力施加方法，可以确保切割工具与切割后保留的裸纤段无接触，避免接触损伤；在切割刀具能从结构上保证切割方向是垂直光纤轴线的基础上，决定光纤端面切割质量的参数主要就是切割张力，控制工具给光纤施加的张力量化，优化后可使光纤表面划痕断裂成平整垂直的端面。

在满足上述要求的基础上，改良了光纤切割刀，切割刀的切割张力参数可通过弹簧片变形量大小来实现量化控制。

确定结构后，需进一步优化该参数，表1是不同切割张力参量下超细径光纤的切割角度。

表1 超细径光纤切割角度与切割张力参量对应关系

从上述工艺试验过程可看出，对于超细径光纤，其切割张力参量应控制在50～70g较好。该改良工具可以有效减少光纤端面损伤的概率，确保光纤切割端面质量良好（图2b），熔接时能提高切割精度和稳定性，可以达到有效减少熔接缺陷，提高熔接一次合格率的目的。当然还要定期调整检查切割刀刀位垂直度，定期校验切割张力。新调整的切割刀需经多次切割模拟试验，符合装配技术要求后，保证光纤端面的切割角度在1°以内，方可用于批生产使用。

3.3 超细径保偏光纤熔接

光纤熔接过程是整个光纤陀螺光路质量保证的核心环节，在熔接过程中需对光纤熔接机的对准精度、熔接方式进行优化改进，才能保证光纤的熔接性能，同时提升熔接一次合格率。

3.3.1 超细径光纤精确对轴技术

光纤包层直径变细后，光纤对准的精度要求也随之变高，特别是国内的超细径保偏光纤批次一致性差，标准化程度差，偏振轴对准难度较大，因此需专门研究超细径保偏光纤对准技术。研究发现，采用端面识别对轴的方式替代侧轴成像对轴的方式，可提高对准精度和非标准超细径保偏光纤的识别能力。在光纤的定位系统中内置高精度CCD摄像头，对光纤实现400倍的光学放大，可弥补光纤直径显著缩小后，光纤识别精度不足的问题。其中内置的LED照明灯泡，可量化调整其亮暗，更有利于光纤端面的清晰识别，在电脑中可清晰地显示光纤端面。通过特殊的夹具设计结合，端面定位系统可以固定对轴角度，在软件方面，通过软件参数的设置，采用图像轮廓拟合和形心对准算法可以方便实现更高精细度的对轴，解决超细径保偏光纤（包层直径60μm）偏振轴的精确对准难题。如图4所示，采用光纤端面成像系统清晰地观察和测量到了60μm光纤的纤芯和偏振轴，综合误差可以控制在0.5°。

图4 超细径光纤（60μm）端面识别及对准示意图

3.3.2 超细径光纤熔接技术

目前普遍采用的脉冲电弧放电熔接光纤的技术用于超细径光纤熔接，弊端相对突出。超细径光纤比普通光纤更加不耐热，在现有熔接技术条件下，普通光纤熔接机产生的脉冲电弧，要大幅调小，然而小量级下放电功率很难保证稳定，超细径光纤会因为加热不均匀，造成局部加热过度，破坏光纤的保偏特性，不利于光信号偏振特性的稳定保持，从而劣化陀螺性能。甚至光纤端面还会被熔融成圆球形，光纤两端分离。因此，实现超细径光纤熔接，需要可在较长时间内，保持较低且控制稳定的熔接温度，才能实现较好的熔接效果。基于上述原因，以在光纤熔接区域形成环形稳定温度场、精细化控制熔接时间为重点，采用了新的熔接方式——钨丝加热熔接技术，实现了超细径光纤熔接。

根据电脑建立的温度模型模拟仿真发现，该技术可形成近乎环形的温度场分布，比较贴合超细径光纤圆形端面的形状特点，该温度场能很好地环绕光纤产生均匀加热的效果。并且在量化调整钨丝熔接温度及熔接时间后可以形成一个可控的圆形稳定温度场，结合精准的推进马达，可形成稳定可控的光纤熔接，同时又能保证光纤熔接的质量。

图5 钨丝加热熔接光纤方式示意图

如图5所示的钨丝加热熔接技术，熔接温度从几百到一千多度都可以稳定控制，环形的发热区域可以保证光纤外表面每一处都受热均匀。而且为了更好地控制熔接质量，在加热腔内可以注入惰性保护气体（N2），以避免光纤熔融区域在熔接过程中掺入其它杂质，保证熔接强度。通过该技术，实现了最外层直径不大于100μm，包层直径不大于60μm的超细径保偏光纤连接，同时保障了超细径光纤熔接点的功率特性、偏振特性和力学特性。

图6 超细径60μm保偏光纤熔接效果图

图6是通过改进后光纤熔接技术进行的两段超细径60μm保偏光纤熔接，得到了良好的熔接效果，验证了所研究技术在超小型光纤陀螺光路装配过程中的可行性。

为进一步验证该工艺对熔接合格率的提升，采用改进后的光纤熔接工艺和原有的工艺分别制作了多个光纤熔接点样本。确定两组样本分别进行试验，每组进行20次熔接，共计熔接40次。将熔接所得光纤的熔接点进行涂敷保护后，盘绕在金属棒上，按照超小型光纤陀螺温循试验鉴定条件，进行温循处理，并测试统计各光纤熔接点的性能指标，试验结果见表2。

表2 不同工艺下光纤熔接点性能指标对比试验数据

从试验结果可知：实行原熔接工艺计20根光纤中，一次熔接指标不合格9根（消光比不足30dB）；实行新工艺熔接计20根光纤中误操作重熔不合格1根，指标不合格降至2根，一次合格率从55%提升至约85%，且熔接点的损耗、消光比指标保持原有工艺正常水平，整体提升明显。

从测试结果还可以看出，采用改进工艺后，温循后无断裂，质量良好，光纤熔接点的强度也得到了提高，平均强度从1.51N提高到了1.97N，最小强度从1.2N提高到了1.7N，长期可靠性指标得到了改善，达到预期要求。

4 结束语

通过改良光纤剥离设备，优化切割刀张力参数、改进熔接工艺等措施，基本解决了60μm超细径保偏光纤熔接一次合格率低的难题。采取改进措施后，熔接一次合格率从50%左右提升到80%以上。从交付来看，该技术应用至今已生产近千轴光纤陀螺，未发生光纤熔接点后期失效问题，可满足当前时期内超小型光纤陀螺产品的批量生产需求。

1 王巍. 干涉型光纤陀螺技术[M]. 北京：中国宇航出版社，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