劉浩田，曹 云，席占穩(wěn)，聶偉榮，徐 娜

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.湖北航天飛行器研究所，湖北 武漢 430040)

隨著武器彈藥系統(tǒng)及電子技術(shù)的進(jìn)步，引信安全系統(tǒng)向著小型化、智能化方向發(fā)展。這使得一些可以執(zhí)行邏輯功能的電路及電子元件被大量應(yīng)用于引信安全系統(tǒng)中，致使全電子安保系統(tǒng)容易遭受電磁干擾，而使引信安全系統(tǒng)產(chǎn)生故障，降低了直列式爆炸序列彈藥武器系統(tǒng)的安全性和可靠性[1]。因此，在激光點(diǎn)火/起爆系統(tǒng)的傳能光路中引入機(jī)電安保裝置，即微光機(jī)電系統(tǒng)(Microopto-electro-mechanical system，MOEMS)光開(kāi)關(guān)，能夠使引信有效避免電磁干擾，提高電子安全系統(tǒng)的安全性，應(yīng)用MOEMS技術(shù)，還有利于器件的小型化發(fā)展，便于集成應(yīng)用。

光纖直接連接型MOEMS光開(kāi)關(guān)使用微執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)光纖移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙光纖的錯(cuò)位或?qū)?zhǔn)，如圖1所示，可作為激光點(diǎn)火/起爆系統(tǒng)的保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)裝置[2，3]。MOEMS光開(kāi)關(guān)的激光能量傳輸效率是激光點(diǎn)火/起爆系統(tǒng)中非常重要的性能參量，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性，而雙光纖的對(duì)準(zhǔn)誤差是影響光開(kāi)關(guān)能量傳輸效率的主要因素。

Cochran等[3]設(shè)計(jì)的光開(kāi)關(guān)如圖1所示，光開(kāi)關(guān)的最大傳能效率達(dá)到88%，但未分析光纖對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)效率的影響。單體強(qiáng)等[4]和馬云亮等[5]基于幾何光學(xué)理論，對(duì)雙光纖間存在對(duì)準(zhǔn)誤差時(shí)的傳能效率進(jìn)行了分析，得出了光纖對(duì)準(zhǔn)誤差與光能傳輸效率關(guān)系的理論曲線。趙興海等[6]和劉星洋[7]通過(guò)仿真和試驗(yàn)測(cè)量了芯徑400～1 000 μm光纖的對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)傳能效率的影響，其試驗(yàn)中的光纖偏移量均由五維光纖調(diào)整架調(diào)節(jié)。隨著光纖芯徑的減小，兩光纖間的偏移量難以保證，且由于紅外激光是肉眼不可見(jiàn)的，雙光纖的耦合光路調(diào)整困難，很難精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)所需的光纖對(duì)準(zhǔn)偏移量。目前105μm雙光纖對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)傳能效率的影響只有仿真分析，還未經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究。

利用硅片刻蝕加工誤差小于1μm的高精度，本文設(shè)計(jì)了一系列光纖微通道，搭建了雙光纖耦合傳能效率測(cè)試平臺(tái)。通過(guò)測(cè)試平臺(tái)測(cè)量芯徑105μm雙光纖在不同偏移量下的耦合傳能效率曲線和輸出光斑圖像，并與ZEMAX仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 一種光纖直接連接型微光機(jī)電系統(tǒng)光開(kāi)關(guān)

1 雙光纖直接耦合仿真模型

雙光纖偏移示意圖如圖2(a)所示，其中Z為兩光纖耦合端面間的軸向間隙，X為兩光纖光軸間的橫向偏移，θ為兩光纖光軸間的偏移角度。采用光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件ZEMAX建立了光開(kāi)關(guān)中的雙光纖耦合原理模型，使用非序列追跡仿真分析雙光纖的直接耦合特性，如圖2(b)所示。模型參數(shù):激光源的光束為高斯分布、波長(zhǎng)為808 nm，入射光纖與出射光纖的參數(shù)一致，皆為石英芯階躍折射率多模光纖、數(shù)值孔徑為0.22，芯徑為105μm，包層為125μm。與試驗(yàn)用激光器、光纖的各項(xiàng)參數(shù)保持一致。

圖2 雙光纖直接耦合模型

2 雙光纖耦合傳能效率測(cè)試平臺(tái)

所搭建的雙光纖耦合傳能效率測(cè)試平臺(tái)如圖3所示。

圖3 雙光纖耦合傳能效率測(cè)試平臺(tái)

將激光器與入射光纖連接，光功率計(jì)與出射光纖連接，入射光纖通過(guò)光纖夾具固定，光纖微通道固定在三維調(diào)整平臺(tái)上，出射光纖通過(guò)五維光纖調(diào)整架固定；調(diào)整三維平臺(tái)，讓入射光纖進(jìn)入選定的光纖微通道內(nèi)；再通過(guò)調(diào)整五維光纖調(diào)整架，讓出射光纖進(jìn)入選定的光纖微通道。輸出的光束也可接入光斑測(cè)量?jī)x，觀察耦合后的激光能量分布情況。

試驗(yàn)需要在圖2所示的多種偏移方式下進(jìn)行大量研究，為了能夠更快速精確地固定好光纖，設(shè)計(jì)了多種系列尺寸偏移的微通道，光纖在微通道內(nèi)耦合示意圖如圖4所示。微通道采用硅濕法腐蝕工藝加工，線寬誤差在1μm以內(nèi)，部分加工的微通道如圖5所示。

圖4 微通道固定光纖示意圖

圖5 部分光纖微通道圖

另外試驗(yàn)所用到的激光器、光纖和光功率計(jì)部分性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 激光器、光纖、功率計(jì)的基本性能參數(shù)

3 對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)雙光纖耦合傳能特性的影響分析

通過(guò)調(diào)整激光器的工作電流來(lái)控制激光器的輸出功率P1，用光功率計(jì)測(cè)量出射光纖的輸出功率P2，通過(guò)式(1)計(jì)算得到傳能效率η

調(diào)整光纖夾具、三維調(diào)整平臺(tái)及五維光纖調(diào)整架，使得光纖進(jìn)入選定的光纖微通道中，依次更換光纖微通道來(lái)控制雙光纖耦合時(shí)的偏移量。試驗(yàn)測(cè)得這個(gè)方法的直接耦合傳能效率的極限值為90%左右。

3.1 對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)直接耦合傳能效率的影響分析

依次測(cè)試光纖在具有橫向偏移、角度偏移和軸向間隙的光纖微通道內(nèi)的激光傳能效率，測(cè)試橫向偏移和角度偏移時(shí)的軸向間隙Z為50μm，激光器輸出功率為677 mW。測(cè)試和仿真結(jié)果如圖6所示。

在圖6(a)中，雙光纖的橫向偏移從0μm增加到100μm時(shí)，仿真和試驗(yàn)測(cè)試的傳能效率快速下降到接近零的位置，傳能效率與橫向偏移量接近線性關(guān)系。

在圖6(b)中，角度偏移0～5°時(shí)，試驗(yàn)的傳能效率從82%下降到73%；當(dāng)角度偏移達(dá)到10°時(shí)，傳能效率已下降到50%。當(dāng)光纖偏移角度大于5°后，較多入射光纖射出的光束由于光纖偏移角度過(guò)大而無(wú)法進(jìn)入出射光纖，傳能效率開(kāi)始快速下降。另外，光纖的數(shù)值孔徑為0.22，即入射到出射光纖端面的光中，只有入射角小于12.6°的光才能在光纖中發(fā)生全內(nèi)反射而傳播，所以偏移角度在12.6°附近時(shí)，傳能效率的下降速率最快。

在圖6(c)中，雙光纖間的軸向間隙從30μm增加到100μm時(shí)，仿真效率僅下降了約1%；而試驗(yàn)中，傳輸功率僅從80%下降到76%；軸向間隙增大到800μm，約為光纖直徑的8倍時(shí)，傳輸功率下降到34%。實(shí)際的光開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，軸向間隙可以保持在100μm內(nèi)，軸向間隙對(duì)傳能效率的影響很小。

圖6 光纖偏移與傳能效率的關(guān)系

3種對(duì)準(zhǔn)誤差中，橫向偏移對(duì)傳能效率影響最嚴(yán)重，其次是角度偏移，軸向間隙帶來(lái)的影響最小。試驗(yàn)測(cè)試了100 mW、677 mW、1 W激光功率下，雙光纖對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)激光傳能效率的影響，效率曲線幾乎一致，所以1 W的激光功率范圍內(nèi)，激光功率對(duì)傳能效率的影響很小，可以忽略不計(jì)。

MOEMS光開(kāi)關(guān)中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)光纖產(chǎn)生橫向偏移來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖的通斷，故需測(cè)試光纖傳能效率隨橫向偏移變化時(shí)，軸向間隙和角度偏移帶來(lái)的影響。利用組合偏移微通道，可以測(cè)量軸向間隙、橫向偏移和角度偏移3種偏移方式共同作用下的光纖傳能效率。設(shè)置光纖軸向間隙Z分別為50μm和200μm，試驗(yàn)和仿真得到的傳能效率隨橫向偏移的變化曲線如圖7所示。設(shè)置光纖軸向間隙Z為50μm，偏移角度θ分別為0°、5°、10°、15°，試驗(yàn)得到的傳能效率隨橫向偏移的變化曲線如圖8所示。

圖7 不同軸向間隙下橫向偏移與傳能效率的關(guān)系

圖8 不同角度偏移下橫向偏移與傳能效率的關(guān)系

圖7中，在光纖橫向偏移較小時(shí)，軸向間隙為50μm和200μm的光纖試驗(yàn)傳能效率間有約10%的差異，在光纖橫向偏移超過(guò)40μm后，兩種軸向間隙下測(cè)試的傳能效率曲線逐漸接近。圖8中，隨著光纖橫向偏移量的增大，不同角度偏移下的效率曲線之間一直有較大差異。在實(shí)際光纖通斷的過(guò)程中，軸向間隙幾乎不變，故軸向間隙對(duì)傳能效率的影響可以忽略；角度偏移帶來(lái)的影響較大，不可忽略。故在MOEMS光開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)中，要保證光纖在對(duì)準(zhǔn)時(shí)有足夠小的橫向偏移和角度偏移，以免影響激光能量的傳輸。

傳能效率大于40%時(shí)，以上測(cè)試的試驗(yàn)與仿真結(jié)果間的傳能效率有較大誤差。這是由于仿真得到的激光傳能效率是在理想光路條件下的純理論計(jì)算結(jié)果，而試驗(yàn)光路中有多種因素，會(huì)影響到光能的傳輸與測(cè)量[8]。如光纖耦合端面和輸出端面的污染、光功率計(jì)測(cè)量和讀數(shù)誤差、微通道的加工誤差，微通道與光纖之間的配合偏差等，均會(huì)影響最終測(cè)量到的能量數(shù)值。隨著傳能效率的提高，這些環(huán)境因素引起的誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響越明顯。

3.2 對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)雙光纖耦合光束分布的影響分析

試驗(yàn)中將耦合后的激光輸入到光斑測(cè)量?jī)x的CCD采集窗口中，采集了雙光纖在不同偏移方式和偏移量下的光斑圖像，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

仿真和試驗(yàn)測(cè)試了1 mW～1 W激光功率下，不同功率下的光斑圖像，光斑分布規(guī)律一致，所以0～1 W的激光功率范圍內(nèi)，激光功率對(duì)光束分布的影響可以忽略不計(jì)。試驗(yàn)中使用的CCD相機(jī)的感光面積為6 mm*5 mm，為了便于采集和觀察激光光斑的分布情況，需要調(diào)整感光芯片距光纖輸出端面的距離，調(diào)整激光器輸出的功率，使感光芯片探測(cè)到的光斑直徑約為3 mm。由于試驗(yàn)測(cè)量需要調(diào)整激光器功率，所以根據(jù)試驗(yàn)采集到的光斑圖像可以得出光束的分布規(guī)律，但不能作為光斑大小變化的依據(jù)。

3.2.1 橫向偏移與軸向間隙對(duì)輸出光束分布的影響設(shè)置軸向間隙Z為50μm，調(diào)節(jié)激光輸出能量約為677 mW，并將探測(cè)器放置于距出射光纖輸出端面約5 mm處，得到橫向偏移X分別為0μm、80μm條件下輸出光束分布的仿真和測(cè)試結(jié)果如圖9所示。兩種偏移條件下仿真和測(cè)試光束分布一致性較好，皆為高斯分布。從仿真結(jié)果可以得出:隨著雙光纖間橫向偏移的增大，出射光纖輸出的光斑形狀增大，導(dǎo)致激光能量越來(lái)越分散，激光能量密度下降。在實(shí)際應(yīng)用中，若光斑過(guò)大，超出起爆器的感光面積，會(huì)造成引信安全系統(tǒng)的延遲起爆甚至無(wú)法起爆[9]。因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)要根據(jù)起爆器的感光面積，使用擴(kuò)束透鏡或調(diào)整起爆器到光纖輸出端面的距離。

圖9 橫向偏移0μm、80μm下仿真和試驗(yàn)輸出的光斑圖像

軸向間隙Z在50μm、200μm時(shí)的仿真和試驗(yàn)光斑分布圖像如圖10所示。兩種偏移量下的光斑大小和分布情況相近。故在50～200μm的范圍內(nèi)，軸向間隙對(duì)激光光束分布帶來(lái)的影響可以忽略。

圖10 軸向間隙50μm、200μm下仿真和試驗(yàn)輸出的光斑圖像

3.2.2 角度偏移對(duì)輸出光束分布的影響

設(shè)置軸向間隙X為50μm，偏移角度θ分別為0°、6°、8°、10°、16°、20°條件下輸出光束分布的仿真和試驗(yàn)圖像如圖11、圖12所示。光斑在角度偏移方向和垂直于角度偏移方向的長(zhǎng)度都幾乎相等，截面能量分布集中于一圓環(huán)。由仿真結(jié)果可以得出:隨著雙光纖間的偏移角度增大，相當(dāng)于進(jìn)入出射光纖的光線入射角變大，輸出光束發(fā)散角也會(huì)增大，圓環(huán)的半徑增大。隨著角度偏移量的增加，輸出的激光束逐漸偏離高斯分布，呈環(huán)形分布，且光斑面積也在增大，光纖輸出激光束質(zhì)量下降。

圖11 不同角度偏移下仿真輸出的光斑圖像

圖12 不同角度偏移下試驗(yàn)輸出的光斑圖像

4 結(jié)束語(yǔ)

采用仿真和試驗(yàn)方法研究了纖芯為105μm雙光纖耦合對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)開(kāi)關(guān)傳能特性的影響。搭建了雙光纖耦合傳能效率測(cè)試平臺(tái)，測(cè)量得到了雙光纖直接耦合時(shí)光纖偏移量與傳能效率間的關(guān)系曲線和不同偏移量下輸出的光斑圖像，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合，結(jié)果表明:

(1)3種對(duì)準(zhǔn)誤差中，橫向偏移對(duì)傳能效率影響最嚴(yán)重，角度偏移次之，軸向間隙帶來(lái)的影響最小。在移動(dòng)光纖直接連接型MOEMS光開(kāi)關(guān)中，需要通過(guò)控制光纖橫向偏移和角度偏移的大小，實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)對(duì)隔離度和傳能效率要求。

(2)橫向偏移和角度偏移都會(huì)使光斑面積變大，且角度偏移會(huì)使輸出的激光束逐漸偏離高斯分布，呈環(huán)形分布，這將導(dǎo)致激光能量密度下降，造成引信安全系統(tǒng)的延遲起爆甚至無(wú)法起爆。

(3)為使光開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí)有更高的傳能效率、輸出的光束能量密度更集中，在設(shè)計(jì)光開(kāi)關(guān)時(shí)，要為光纖設(shè)計(jì)限位結(jié)構(gòu)，盡量避免光纖對(duì)準(zhǔn)時(shí)存在角度偏移。研究光纖間不同偏移方式、不同偏移量對(duì)傳輸特性的影響，對(duì)MOEMS光開(kāi)關(guān)光纖通斷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了要求，為后續(xù)光纖直接連接型MOEMS光開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了依據(jù)。