光纤声光调制器可靠性强化试验方法研究

刘良芳，张 俊，吴 畏，蓝骏峰，张灵舒

(中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060)

光纤声光调制器可以通过光调制、光移频等实现光束在时间上控制和空间上切换，广泛应用于激光通信、激光制导与信息对抗等多种武器装备系统中，是光纤水听器、光纤制导与光纤激光器等多种光通信系统的核心器件。

光纤声光调制器应用环境复杂，工作容错率低，其可靠性与稳定性直接影响光通信系统的工作性能。光纤声光调制器设计、工艺复杂，部分工艺难度较大，长期稳定性不足，导致器件失效率不满足型号工程任务要求。由于缺乏系统的器件失效机理研究，导致器件针对性的可靠性设计与工艺改进无从谈起，例如器件插入损耗指标在高低温工作时明显恶化，而具体影响高低温插入损耗指标的因素和原因还不清楚，无法开展准确有效的可靠性设计工艺改进。目前的失效机理分析主要采取对器件失效后进行失效分析或者器件使用时自然与工作环境条件下的元器件与原材料影响分析两种方式开展，对于高可靠器件而言，其失效率较低，失效通常需要在长期使用或者较恶劣环境工作中才会发生，导致进行器件失效分析的样本量难以获取，对器件失效机理的认知难以全面掌握。而采用元器件、原材料环境影响分析无法对元器件、原材料工艺过程以及机械、电路耦合进行准确分析，无法提供准确有效的器件可靠性设计工艺改进的基础支撑。

为了快速暴露高可靠器件的失效模式，以研究器件失效机理进行相应的设计工艺改进，目前国外内主要采用可靠性强化试验方法进行器件设计工艺缺陷的快速暴露，其中姜同敏[1]、李彩霞[2]、彭海鑫[3],易难[4],曹顺安[5],范志锋[6],赵艳涛[7]，王学孔[8]等人分别对航空设备、航天设备、机载设备、电源等产品进行了可靠性强化试验的探索与研究，在较短的周期内取得了预期的效果。

因此，针对典型光纤声光调制器(XX29型),分析确定器件薄弱环节与相应敏感应力，结合器件技术规范相关要求，研究光纤声光调制器强化试验方法，制定光纤声光调制器强化试验剖面，为快速高效确定器件主要失效模式与失效机理提供可行的方案，是光纤声光调制器可靠性设计工艺提升的有效方法，对类似器件可靠性改进与提升有着非常重要的意义与急迫的现实需求。

1 确定典型应用下XX29光纤声光调制器的薄弱环节

为了确定光纤声光调制器薄弱环节[9]，必须对器件进行结构和功能分析，确定器件工作原理以及选用的主要元器件、原材料等，结合典型应用环境下元器件、原材料故障概率,通过FTA方法确定光纤声光调制器薄弱环节。

XX29光纤声光调制器主要有驱动器、体波声光器件与光纤耦合系统组成，如图1所示，其中驱动器提供调制器工作所需的射频信号，体波声光器件对射频信号与输入光信号进行调制，输出一个偏转光信号，为整机提供对比光信号。

以航空、航海应用环境，针对XX29光纤声光调制器功能结构开展FTA分析，以器件产品失效为顶事件，建立故障树分析图，如图2所示。

根据图2故障树分析可知，XX29光纤声光调制器在机载、舰载环境中可能发生的主要失效包括光纤准直器失效、光准直器装调位移失效、换能器变形碎裂失效、声光晶体碎裂变形失效、压焊层变形失效、驱动器中的元器件失效与电路开、短路失效等等。由于产品工艺较为复杂，尤其是声光晶体与换能器的压焊工艺与光纤耦合工艺，其长期稳定性与可靠性较差，根据器件用元器件失效率预计，结合2010-2015年XX29光纤声光调制器使用失效情况统计分析，可以初步确定光准直器装调位移失效、与压焊层变形失效是其中失效概率最大的，其次是换能器与声光晶体的碎裂变形失效，失效概率相对最小的是光准直器失效、元器件失效以及电路开短路失效。因此，确定光纤声光调制器在航空、航海典型应用环境下的薄弱环节为压焊层变形以及光准直器装调位移。

2 确定XX29光纤声光调制器薄弱环节对应敏感应力

XX29光纤声光调制器在航空、航海应用环境下的主要薄弱环节有声光晶体压焊层以及光纤准直器装调，其失效将直接导致调制器插入损耗超出标称值，引起器件功能失效。根据调制器使用失效时环境影响分析，结合器件用元器件、原材料与工艺分析确定XX29光纤声光调制器薄弱环节对应敏感应力[10]。

航空、航海用XX29使用寿命器件主要历经有振动、温度、低气压、盐雾以及湿度影响[11]。结合XX29光纤声光调制器可以确定其主要的环境效应如表1所示。

XX29光纤声光调制器选用的元器件主要包含各类电阻、电容、晶振、电源、比较器、运放器、光纤准直器以及耦合器等，采用的原材料主要包括氧化碲晶体、有机硅导热胶、铌酸锂晶片等。

主要工艺有压焊、减薄、表电极蒸发、点焊、光纤耦合以及装配等，其中压焊与光纤耦合是薄弱环节。压焊工艺采用真空压焊，在真空条件下对需要粘接的两种晶体表面淀积软金属薄膜，保持在常温和高真空条件下压合，通过表面金属分子的迁移，使两个表面的金属达到焊接的目的，从而达到换能器晶片与声光晶体粘接为一个整体。光纤耦合是利用高精度光纤调整装置和高灵敏度光功率计，对已经选定的光纤准直器的位置和角度进行精密调节，使光束位于声光块体最高衍射效率的位置，并且两只光纤准直器模场最大限度的重合，以达到损耗最低的要求，同时需要旋转准直器，使得准直器能够轴对准，实现偏振光的输出。

结合表1与XX29光纤声光调制器薄弱环节分析，光纤准直器与耦合器的主要失效应力为振动应力，主要失效模式为光学器件失调引起的光学参数退化。而压焊工艺的主要失效应力包括振动应力与温度应力，主要失效模式分为温度应力引起的压焊材料变形、换能器晶体与声光晶体热匹配不一致导致的结构疏松失效以及振动应力引起的压焊层结构裂纹或断裂。因此XX29光纤声光调制器薄弱环节与敏感应力对应表如表2所示。

表1 典型应用环境的主要效应分析

3 确定XX29光纤声光调制器可靠性强化试验项目与条件

3.1 研究确定光纤声光调制器强化试验项目

光纤声光调制器在水陆空装备中都有广泛应用，其应用环境有车载、弹载、机载、舰载等，各种应用环境下失效模式较多，各种应力条件下失效机理也较为复杂。为了在保持失效机理不变的基础上评价分析产品的失效机理，必须根据光纤声光调制器环境影响效应表，研究确定各失效模式对应的强化试验项目，通过相应项目的试验分析失效模式对应的失效机理。

根据典型应用环境下光纤声光调制器环境效应表，分析确定导致产品失效的主要环境应力[10]，例如温度、机械应力等，以及导致产品失效的综合环境应力，以此确定开展强化试验的试验项目类型。由于材料热匹配性引起的声光材料微小形变会导致声光晶体尺寸偏离设计值，使产品插入损耗增大引起失效；机械应力残余或者使用时振动或冲击会影响焊点可靠性和键合层稳定性，使产品的电连接与键合层厚度产生变化，从而导致产品无法满足技术要求等等，根据表2分析可知，温度、机械应力是产品失效的主要影响因素。因此，初步确定强化试验项目包括温度(高温、低温)、振动强化试验，部分故障或失效只有综合应力才能激发，需要设计综合应力强化试验，如消光比异常的失效模式与失效机理可能需要设计高温-电应力综合强化试验进行激发与证实。

3.2 研究确定光纤声光调制器强化试验条件

根据上述确定的试验项目，结合光纤声光调制器技术规范要求确定敏感应力强化试验的试验条件。对于强化试验来说，主要包括试验起始条件、终止条件、应力强度变化以及各阶段保温时间等等，以便试验能够在保持失效机理的基础上较短时间内完成既定的激发效果。

为了尽可能准确高效地激发光纤声光调制器在各敏感应力条件下的失效，获取产品相应敏感应力条件下的失效极限。必须针对光纤声光调制器技术要求开展温度、振动等摸底试验来确认产品的工作极限，结合产品用材料、元器件等工作时温度、振动要求的上限与下限，确定强化试验的试验条件上限与下限。试验起始条件可按技术规范要求的上限与下限确定，例如高温步进可采用50 ℃作为起始温度，低温步进可采用-20 ℃作为起始温度。为保证失效极限应力确定的准确性与高效性，试验强度变化(步长)可按较低应力阶段高强度，较高应力阶段强度较低的方式进行施加。技术规范-工作极限时，工作极限-破坏极限时分别按表3所示开展。

表3 XX29光纤声光调制器强化试验实施要素

4 制定XX29光纤声光调制器可靠性强化试验方案

光纤声光调制器强化试验方案[10]是产品进行强化试验的指导性文件，包括各应力强化试验样本量确定、测试指标、测试间隔时间、失效判据以及试验终止条件等要素的确定，是光纤声光调制器失效准确激发以及失效机理有效验证与分析的重要依据。应根据产品特点结合试验应力交互影响确定试验项目的实施顺序，尽可能以较小的样本量激发更多的失效。

敏感应力强化试验分组初步确定如表4所示。

表4 强化试验实施要素

试验剖面应根据光纤声光调制器强化试验实施要素表，结合各试验项目中试验条件的确定而建立，以敏感应力确定强化试验项目施加应力，技术规范要求的应力极限为起始试验条件，摸底试验确定工作极限为中间应力强度变化转折点，结合表4中应力强度变化(步长)确定强化试验的强度变化，根据失效判据确定光纤声光调制器失效应力极限也即破坏极限和试验终止时间，分别建立高温步进、低温步进、温度循环步进、振动步进与高温-振动步进应力强化试验剖面[10]。如图3～图6所示。

根据试验剖面与强化试验要素表编制试验方案[12]，结合可靠性试验实施的一般要求，确定试验流程如图7所示。

5 结论

本文采用对器件进行主动激发试验验证的思路，根据器件FTA分析确定的薄弱环节以及器件工作或贮存环境影响分析，确定器件的薄弱环节以及对应的敏感应力，结合器件性能的工作环境容限与要求，制定对应条件下的可靠性强化试验方案，为快速高效准确地验证光纤声光调制器失效模式与失效机理提供了思路，最终满足器件可靠性设计改进要求。该方法程序较为简单，实施方便，采用样本少、成本低，具有较强的工程应用价值，可为新研或改型器件提供失效模式与失效机理验证的思路与参考。