光电探测器组件光纤耦合移位特性分析

丁东发，刘国军，柳建春，高 峰，杨长望，郑大坤

（1. 长春理工大学，长春 130022；2. 北京航天控制仪器研究所，北京 100094）

光电探测器组件光纤耦合移位特性分析

丁东发1,2，刘国军1，柳建春2，高 峰1,2，杨长望2，郑大坤2

（1. 长春理工大学，长春 130022；2. 北京航天控制仪器研究所，北京 100094）

光电探测器组件响应度下降会造成光纤陀螺输出异常，响应度下降的主要原因为光纤耦合移位，

光纤陀螺；光电探测器组件；光纤耦合效率；响应度下降；耦合移位

光电探测器组件由光电探测器（PIN）和跨阻抗放大电路组成，并带光纤尾纤，是光纤陀螺中重要的光电器件之一，在光纤陀螺中起光电转换及电信号放大的作用。随着光纤陀螺在军事领域的广泛应用[1]，光电探测器组件在此领域的应用也越来越广，其工作性能直接影响光纤陀螺的精度及可靠性[2-4]。由于这一领域应用环境条件较复杂，可靠性及寿命要求较高，光电探测器组件响应度的下降会造成光纤陀螺性能的下降甚至失效。已有文章分析了光电探测器在制造环节对准偏差与耦合效率的关系[5-10]。本文主要研究光电探测器组件装机后在后续使用过程中由于光纤耦合移位造成响应度下降的失效模式，探讨造成耦合移位的影响因素。

1 耦合移位与光电响应度下降

光纤陀螺中Sagnac干涉光信号通过光电探测器组件尾纤入射到探测器PIN光敏面，光信号变为电流信号并通过跨阻抗放大电路，转化为电压信号进入光纤陀螺解调电路[11]。

光电探测器组件电压响应度RV表示为公式(1)，其中K为耦合效率系数，Ω为跨阻抗值，RI为PIN电流响应度。从公式(1)可看出，耦合效率系数的变化必然造成光电探测器组件电压响应度的变化。

耦合效率系数K表示为公式(2)，其中PPIN为到达探测器PIN面上的光功率，P0为入射进光纤的总功率。

对于已装机光电探测器组件，其耦合效率系数已经满足使用要求。在后续的使用过程中，多种因素可造成光纤与PIN面相对耦合移位，引起耦合效率系数下降，进而造成光电探测器组件响应度下降。

光电探测器组件耦合光路如图1所示，光纤出射光斑在光敏面上的光强近似为高斯分布，表达式为公式(3)，其中P0为总光功率，ω为达到光敏面光的束腰半径，r为光斑半径[12]。

图1 耦合光路示意图Fig.1 Schematic diagram of the coupling optical path

经过光纤间距d后，束腰半径表达式为公式(4)，其中，d为光纤端面与光敏面的间距，θ为锥形光斑发散角，可近似为光纤数值孔径角，ω0为光纤出射光斑模场直径。对于一般尾纤G.652单模光纤，数值孔径NA为0.14左右，对应出射角度为8°左右，模场直径9 μm左右，对应ω0为4.5 μm左右。光敏面上光强分布见图2。

图2 光敏面上光强高斯分布Fig.2 Gauss distribution of light intensity on photosensitive surface

图3 光敏面光功率积分示意图Fig.3 Integral of optical power on photosensitive surface

光敏面偏移一定角度后，光敏面上的光功率为高斯光束光强在光敏面SPIN上积分，见图3。其中d1为光斑中心偏离PIN光敏面中心的距离，与耦合偏转角度为α的关系为

光敏面上光功率PPIN表示为

公式(6)积分不易计算，为工程计算方便，把光敏面近似为边长为2R的正方形，在直角坐标系计算光敏面光功率见公式(7)，耦合效率系数K见公式(8)。光电探测器组件PIN光敏面直径一般为Ø60 μm。

通过公式(8)计算并绘图。图4为不同耦合距离下PIN圆心与光斑圆心偏移距离d1与偏移角度α的关系。图5为不同偏移角度下耦合效率系数与耦合距离的关系。图6为不同耦合距离下耦合效率系数与偏移角度的关系。从图5可看出，偏移角度越大，耦合效率系数下降与光纤间距的关系越密切。从图6可看出，光纤间距越大，耦合效率系数下降与偏移角度关系越密切。国内某厂家生产的光电探测器，耦合距离一般控制在60～120 μm内，PIN管芯响应度为1 A/W，跨阻抗500 kΩ，工艺对准情况下光电探测器组件电压响应度＞0.45 V/μW，则耦合效率系数＞0.9，与计算结果基本一致。

图4 圆心偏移距离与偏移角度的关系图Fig.4 Relationship between the center offset distance and the deflection angle

图5 不同偏移角度下耦合效率与光纤间距的关系Fig.5 Relationship between coupling efficiency and fiber coupling interval based on different deflection angles

图6 不同间距下耦合效率与偏移角度的关系Fig.6 Relationship between coupling efficiency and angle of deflection based on different fiber coupling intervals

2 耦合移位因素分析

2.1 光纤耦合结构

光纤光电子器件金属化光纤耦合工艺技术是国际上成熟技术。将粘接好陶瓷基板的探测器固定到耦合台上，金属化光纤通过三维微调架调整，响应度达到正常值范围，用石墨加热体对管壳焊接孔外侧加热，将焊锡丝对准管壳焊接孔，使焊锡丝充满管壳焊接孔，取出焊锡丝，停止加热。见图7。

图7 焊接过程示意图Fig.7 Schematic diagram of the welding process

2.2 耦合移位因素分析

① 光纤移位

由于光纤与探测器光敏面间只能采用非接触的耦合方式（连接），固定光纤使用金属焊锡。管壳焊接孔内部和光纤金属管外壁均镀金，焊锡正常流动，焊锡分布均匀。如果焊接孔内部或光纤金属管外侧有沾污或残余焊料，会造成焊锡流动浸润性差，焊锡分布不均匀。由于管壳焊接孔体为可伐材料（热膨胀系数(4.6～5.5)×10-6/K），与焊锡温度膨胀系数（热膨胀系数27×10-6/K）存在差异。焊锡在热胀冷缩应力的作用下，对焊接的金属管产生挤压应力作用，当两侧锡焊的挤压应力相等时，金属管不会产生位移或偏转。由于焊料分布不均，产生的挤压应力不对称，会使金属管发生偏转，导致探测器响应度下降。另外，金属化光纤在金属管内固定不牢发生相对移动，也会造成耦合移位，响应度下降。

② PIN管芯移位

探测器PIN管芯通过粘接在热沉块侧面，热沉粘接在陶瓷电路板上，陶瓷电路板与管壳通过金属焊料或其它材料粘接到管壳底部。粘接和焊接处较多，由于材料的热胀冷缩及应力释放，造成管芯相对光纤移位。③ 管壳变形

器件在装配及使用过程中，外界应力造成管壳变形，由于耦合光纤与管壳精密结合，管壳形变必将造成光纤耦合点移位，且变型的程度直接决定偏移角度。从图4可看出，光敏面上光斑移动距离为μm量级，对于很小的相对形变，能造成偏移角度发生较大的变化，响应度降低。

2.3 采取措施

为保证光纤耦合的稳定性，在现有设计及工艺条件下（使用不当因素除外）：一是尽量使光纤出射光斑处于PIN光敏面中心位置，生产过程中可通过向后拉光纤增大光纤间距，观察响应度变化，如果变化不明显则说明对中（见图5），然后在向前送出(一般使光纤与PIN端面间距大于30 μm)；二是控制焊料过焊接孔流动分布均匀，保证耦合焊接应力对称；三是筛选环节施加较强温度应力（高温贮存或温度循环），剔除存在较大不对称应力的器件。

3 试验验证

在光电探测器组件耦合工序中，人为造成管壳内焊锡分布不均匀，完成器件封装后，通过开展温度循环试验(-55～+85℃)，每20次温循试验后测试器件响应度，其变化趋势见图8。从图8中可以看出，试验前后器件输出响应度发生了不同程度的衰减，说明焊锡分布不均匀，在外界温度应力累计作用下，发生耦合移位，响应度下降。

图8 温度循环试验中非正常封装器件响应度下降Fig.8 Responsibility degradation of 3 improper welding components in temperature cycle test

采用耦合对准控制封装的13只器件，进行温度循环加速试验(-55～+85℃)。已完成80次试验，响应度变化趋势图见图9，器件性能稳定。

图9 温度循环试验中正常封装器件响应度变化Fig.9 Responsibility change of 13 normal welding components in temperature cycle test

4 结 论

通过理论计算及耦合工艺分析，获取以下结论：①光电探测器组件光纤耦合移位(耦合效率系数下降)是造成响应度下降的主要原因之一。②计算得到单模光纤尾纤在不同光纤耦合间距下偏移角度与响应度下降的规律：对于一定的耦合距离，由于各种因素造成耦合偏移相同角度情况下，初始耦合对准越精确，响应度下降越小；初始耦合距离越小，发生的耦合偏移对响应度下降的影响越小；在可能发生的耦合移位限度内，耦合偏转角度的变化比耦合距离的变化更能影响响应度。③分析得出光纤移位、PIN光敏面移位、管壳变形是造成耦合移位的主要因素，并提出通过控制光纤耦合工艺和焊接质量、环境应力筛选剔除不对称应力器件，可提高光电探测器组件光纤耦合结构的稳定性，降低响应度下降失效质量问题。④试验验证了耦合焊接缺陷造成应力不均匀导致的光纤耦合移位。

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Analysis on fiber alignment dislocation characteristics of photo-detector component

DING Dong-fa1,2, LIU Guo-jun1, LIU Jian-chun2, GAO Feng1,2, YANG Chang-wang2, ZHENG Da-kun2
(1. Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China; 2. Beijing Aerospace Control Instrument Research Institute, Beijing 100094, China)

The responsibility decrease of photo-detector will cause abnormal output of fiber optical gyroscope, whose main reason is fiber coupling dislocation. To solve this problem, the relations of fiber coupling efficiency coefficient variation with fiber coupling distance and fiber deflection angle are derived by calculating the digital integration of the incident Gaussian beam on the cross section of the photodetector chip. The calculations are conformed to the real device specification. Based on the calculation results, the causes of coupling dislocation are analyzed in terms of fiber dislocation, photo-detector chip dislocation and shell deformation. Meanwhile, effective measures are proposed to prevent the photo-detector coupling dislocation. Moreover, experiment results verify that the coupling weld defects will cause the responsibility decrease of photo-detector, while the responsibility keeps stable for the devices packaged with coupling alignment measures.

fiber optical gyroscope; photo-detector component; fibercoupling efficiency; responsibility degradation; alignment dislocation

TN215

A

1005-6734(2015)03-0390-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.03.020

2014-11-26；

2015-03-26

国家自然科学基金项目（61203204）

丁东发（1976—），男，博士研究生，从事光纤陀螺及光纤传感用光电子器件技术研究。E-mail：ddf13@sina.com

联系人：刘国军（1964—），男，教授，博士生导师。E-mail：gjliu626@126.com

分析光纤耦合移位的原因并采取有效措施可提高探测器组件的使用可靠性。通过对探测器尾纤出射高斯光斑在探测器管芯端面数学积分，计算出光纤耦合效率系数与光纤耦合间距及光纤偏转角度的关系，计算结果与实际封装探测器组件指标一致。根据计算结果，从光纤移位、探测器管芯移位和管壳形变三个方面分析了耦合移位的影响因素，提出避免探测器使用中发生耦合移位的措施，并通过试验验证了耦合焊接缺陷会造成探测器试验后响应度下降，采取耦合对准控制措施后封装的探测器试验后响应度保持稳定。