馬玉洲 龍 婭 單聯(lián)潔 趙冬穎 劉小童

超小型光纖陀螺用超細徑光纖熔接工藝技術(shù)研究

馬玉洲 龍 婭 單聯(lián)潔 趙冬穎 劉小童

（北京航天時代光電科技有限公司，北京 100094）

通過研究光纖陀螺關(guān)鍵的60μm超細徑保偏光纖涂層剝除、端面切割、對軸熔接等工藝過程中存在的技術(shù)難點，改良光纖剝離設(shè)備，優(yōu)化切割刀張力參數(shù)，改進對軸熔接工藝等措施，基本解決了制造過程中涉及60μm超細徑光纖熔接的一次合格率問題，并通過批量化生產(chǎn)交付，完成了驗證考核。

超小型光纖陀螺；超細徑保偏光纖；熔接

1 引言

光纖陀螺是基于Sagnac效應(yīng)敏感角速率的新一代全固態(tài)慣性儀表，采用光機電一體化技術(shù)，具有許多獨特的性能和發(fā)展?jié)摿?，在慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用方面優(yōu)勢顯著，受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注，經(jīng)過30多年的發(fā)展，已成為慣性技術(shù)領(lǐng)域的主流儀表，在海、陸、空、天多個軍民領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。隨著當(dāng)前導(dǎo)航及姿態(tài)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，面向新領(lǐng)域、新任務(wù)的光纖陀螺需求不斷被提上日程，尤其體積小、精度具有比較優(yōu)勢的超小型閉環(huán)光纖陀螺（一般指直徑不大于3cm，精度優(yōu)于5°/h），已成為市場新的焦點。

超小型閉環(huán)光纖陀螺的制造過程較為復(fù)雜，工序繁多，涉及光路裝配、電路連接、調(diào)測試、溫度篩選等多種操作，有的工序前后還需要反復(fù)調(diào)試、篩選。裝配流程中，計入光路裝配時間約4.7h，電路連接約1h，調(diào)測試時間約2.3h，其它約1h。其中光裝時間占用工時遠大于常規(guī)陀螺光路裝配所需工時，占比超過50%，明顯偏高。經(jīng)統(tǒng)計分析，時間過長的原因，主要在于光路中直徑60μm的超細徑保偏光纖熔接困難，一次合格率低、返修次數(shù)多，60μm超細徑保偏光纖熔接的一次合格率只有50%左右。針對該問題，國內(nèi)外在這方面難以查到可供參考的解決措施，參考資料不多。因此，開展超細徑保偏光纖熔接工藝技術(shù)的研究十分必要和緊迫。

2 超小型光纖陀螺研究對象分析

文中所研究的光纖陀螺均指的是干涉型閉環(huán)光纖陀螺。光纖陀螺的核心部分在于光纖，光纖構(gòu)成了光纖陀螺傳輸光信息和敏感角速度的光路主體，但同時也約束了光纖陀螺的尺寸和性能。要達到合乎需求的性能，超小型光纖陀螺必須采用超細徑保偏光纖。主流的超小型光纖陀螺，其關(guān)鍵的干涉儀光路采用的是包層（如圖1所示）直徑只有60μm的超細徑保偏光纖。而隨著光纖直徑的縮小，光路裝配中的光纖涂層剝除、端面切割、光纖對軸、光纖熔接等技術(shù)的控制精度和要求等級成倍增加。

圖1 光纖結(jié)構(gòu)示意圖

超小型光纖陀螺中光纖涉及的主要光路裝配流程為：光纖涂層剝除—光纖包層清洗—光纖端面切割—光纖對軸熔接—熔接點涂敷保護—光纖排布[1]。其中光纖熔接是主體部分，耗費工時約占75%，主要涉及單模對單模光纖熔接、單模對保偏光纖熔接、保偏對保偏光纖熔接過程。該過程所使用的設(shè)備主要有光纖剝離設(shè)備、光纖切割刀、光纖熔接機等。其中最難和最關(guān)鍵的是60μm超細徑保偏光纖的熔接，故以此為研究對象進行研究改進，研究結(jié)果可以推廣應(yīng)用于其它光纖熔接。

3 超細徑保偏光纖熔接技術(shù)

3.1 超細徑光纖涂層剝離技術(shù)

超細徑光纖熔接前要做好預(yù)處理，包括光纖涂層剝除、剝除后光纖清潔、對接光纖端面切割三個環(huán)節(jié)，光纖直徑顯著縮小后，除光纖清潔外，其余兩環(huán)節(jié)的解決難度均大幅增加。

目前很難找到可對超細徑光纖進行涂層剝除的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和工具，只能配合光纖熔接機進行超細徑光纖涂層剝離設(shè)備組件的改造，改良刀口間隙，建立足夠的精度冗余，實現(xiàn)對光纖涂層的可靠、穩(wěn)定剝離。

超細徑光纖的直徑100μm，纖芯直徑2μm，包層直徑60μm。通過精密加工和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，保證光纖剝離方向垂直于光纖軸線且處于刀口的中心，使刀口尺寸略大于裸纖直徑，剝離時沿著定位導(dǎo)軌進行，以降低剝離時損傷光纖的概率；同時，還可以采用剝離前先對涂層加熱升溫使其軟化，進而大幅減小涂層的剝離力，使剝離時致使光纖原有裂紋擴大的因素再次減弱。

經(jīng)大量試驗摸索，實際剝除設(shè)備上下兩個刀口的間隙精加工控制在65～70μm，可以較好滿足需求。若剝除設(shè)備刀口縫隙大于上述范圍值，會使光纖的涂層無法正常剝除或剝離不干凈，影響后續(xù)熔接質(zhì)量；如果小于上述范圍值，會在剝除過程中劃傷光纖包層，使光纖受損，造成隱患。（該情況會產(chǎn)生微裂紋，使用過程中，在溫度、振動等環(huán)境因素作用下，包層微裂紋會變大，逐漸延伸至纖芯，致使光纖斷裂，造成陀螺不可逆轉(zhuǎn)的失效）

基于此設(shè)計方案有效實現(xiàn)了涂層直徑不大于100μm，包層直徑不大于60μm的光纖涂層剝除。

3.2 超細徑光纖端面切割技術(shù)

光纖端面切割是實現(xiàn)超細徑光纖熔接前預(yù)處理的另一難點，光纖熔接所需的端面是垂直于光纖軸線的端面，端面傾斜的角度和端面是否平整是評價切割質(zhì)量的重要因素。切割過程中若切割刀刀口質(zhì)量有缺陷或控制張力調(diào)整不當(dāng)，在切割過程中會使光纖端面受損，產(chǎn)生斜角、毛刺、裂痕等不良斷面。若不處理會造成光纖熔接時對軸精度不佳，熔接消光比降低，同時還會造成熔接點強度不足、熔接損耗增加，甚至導(dǎo)致光纖斷裂。若返工二次切割，則會降低裝配長度，增加操作工時，大幅影響裝配效率。因此需研究妥當(dāng)方法，提高一次合格率。

圖2 超細徑光纖端面切割效果對比圖

研究分析發(fā)現(xiàn)，光纖切割時光纖平直地放在切割夾具的U型槽內(nèi)，在光纖兩端夾持好后，用刀具控制在垂直方向（±0.5°）在包層表面劃出劃痕，再施加合適的外張力使光纖斷裂，可以得到平整垂直的端面。光纖夾持方法和切割角度相對固定的情況下，切割張力參數(shù)不當(dāng)會使斷裂面質(zhì)量狀態(tài)不理想，出現(xiàn)凹坑、突起、傾斜等問題（如圖2a），后續(xù)過程中會妨礙光纖對接熔合，得不到光學(xué)特性和機械強度俱佳的熔接點。

圖3 低損傷的超細徑光纖切割方式示意圖

采用圖3 所示的光纖夾持結(jié)構(gòu)和外張力施加方法，可以確保切割工具與切割后保留的裸纖段無接觸，避免接觸損傷；在切割刀具能從結(jié)構(gòu)上保證切割方向是垂直光纖軸線的基礎(chǔ)上，決定光纖端面切割質(zhì)量的參數(shù)主要就是切割張力，控制工具給光纖施加的張力量化，優(yōu)化后可使光纖表面劃痕斷裂成平整垂直的端面。

在滿足上述要求的基礎(chǔ)上，改良了光纖切割刀，切割刀的切割張力參數(shù)可通過彈簧片變形量大小來實現(xiàn)量化控制。

確定結(jié)構(gòu)后，需進一步優(yōu)化該參數(shù)，表1是不同切割張力參量下超細徑光纖的切割角度。

表1 超細徑光纖切割角度與切割張力參量對應(yīng)關(guān)系

從上述工藝試驗過程可看出，對于超細徑光纖，其切割張力參量應(yīng)控制在50～70g較好。該改良工具可以有效減少光纖端面損傷的概率，確保光纖切割端面質(zhì)量良好（圖2b），熔接時能提高切割精度和穩(wěn)定性，可以達到有效減少熔接缺陷，提高熔接一次合格率的目的。當(dāng)然還要定期調(diào)整檢查切割刀刀位垂直度，定期校驗切割張力。新調(diào)整的切割刀需經(jīng)多次切割模擬試驗，符合裝配技術(shù)要求后，保證光纖端面的切割角度在1°以內(nèi)，方可用于批生產(chǎn)使用。

3.3 超細徑保偏光纖熔接

光纖熔接過程是整個光纖陀螺光路質(zhì)量保證的核心環(huán)節(jié)，在熔接過程中需對光纖熔接機的對準(zhǔn)精度、熔接方式進行優(yōu)化改進，才能保證光纖的熔接性能，同時提升熔接一次合格率。

3.3.1 超細徑光纖精確對軸技術(shù)

光纖包層直徑變細后，光纖對準(zhǔn)的精度要求也隨之變高，特別是國內(nèi)的超細徑保偏光纖批次一致性差，標(biāo)準(zhǔn)化程度差，偏振軸對準(zhǔn)難度較大，因此需專門研究超細徑保偏光纖對準(zhǔn)技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，采用端面識別對軸的方式替代側(cè)軸成像對軸的方式，可提高對準(zhǔn)精度和非標(biāo)準(zhǔn)超細徑保偏光纖的識別能力。在光纖的定位系統(tǒng)中內(nèi)置高精度CCD攝像頭，對光纖實現(xiàn)400倍的光學(xué)放大，可彌補光纖直徑顯著縮小后，光纖識別精度不足的問題。其中內(nèi)置的LED照明燈泡，可量化調(diào)整其亮暗，更有利于光纖端面的清晰識別，在電腦中可清晰地顯示光纖端面。通過特殊的夾具設(shè)計結(jié)合，端面定位系統(tǒng)可以固定對軸角度，在軟件方面，通過軟件參數(shù)的設(shè)置，采用圖像輪廓擬合和形心對準(zhǔn)算法可以方便實現(xiàn)更高精細度的對軸，解決超細徑保偏光纖（包層直徑60μm）偏振軸的精確對準(zhǔn)難題。如圖4所示，采用光纖端面成像系統(tǒng)清晰地觀察和測量到了60μm光纖的纖芯和偏振軸，綜合誤差可以控制在0.5°。

圖4 超細徑光纖（60μm）端面識別及對準(zhǔn)示意圖

3.3.2 超細徑光纖熔接技術(shù)

目前普遍采用的脈沖電弧放電熔接光纖的技術(shù)用于超細徑光纖熔接，弊端相對突出。超細徑光纖比普通光纖更加不耐熱，在現(xiàn)有熔接技術(shù)條件下，普通光纖熔接機產(chǎn)生的脈沖電弧，要大幅調(diào)小，然而小量級下放電功率很難保證穩(wěn)定，超細徑光纖會因為加熱不均勻，造成局部加熱過度，破壞光纖的保偏特性，不利于光信號偏振特性的穩(wěn)定保持，從而劣化陀螺性能。甚至光纖端面還會被熔融成圓球形，光纖兩端分離。因此，實現(xiàn)超細徑光纖熔接，需要可在較長時間內(nèi)，保持較低且控制穩(wěn)定的熔接溫度，才能實現(xiàn)較好的熔接效果?；谏鲜鲈?，以在光纖熔接區(qū)域形成環(huán)形穩(wěn)定溫度場、精細化控制熔接時間為重點，采用了新的熔接方式——鎢絲加熱熔接技術(shù)，實現(xiàn)了超細徑光纖熔接。

根據(jù)電腦建立的溫度模型模擬仿真發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)可形成近乎環(huán)形的溫度場分布，比較貼合超細徑光纖圓形端面的形狀特點，該溫度場能很好地環(huán)繞光纖產(chǎn)生均勻加熱的效果。并且在量化調(diào)整鎢絲熔接溫度及熔接時間后可以形成一個可控的圓形穩(wěn)定溫度場，結(jié)合精準(zhǔn)的推進馬達，可形成穩(wěn)定可控的光纖熔接，同時又能保證光纖熔接的質(zhì)量。

圖5 鎢絲加熱熔接光纖方式示意圖

如圖5所示的鎢絲加熱熔接技術(shù)，熔接溫度從幾百到一千多度都可以穩(wěn)定控制，環(huán)形的發(fā)熱區(qū)域可以保證光纖外表面每一處都受熱均勻。而且為了更好地控制熔接質(zhì)量，在加熱腔內(nèi)可以注入惰性保護氣體（N2），以避免光纖熔融區(qū)域在熔接過程中摻入其它雜質(zhì)，保證熔接強度。通過該技術(shù)，實現(xiàn)了最外層直徑不大于100μm，包層直徑不大于60μm的超細徑保偏光纖連接，同時保障了超細徑光纖熔接點的功率特性、偏振特性和力學(xué)特性。

圖6 超細徑60μm保偏光纖熔接效果圖

圖6是通過改進后光纖熔接技術(shù)進行的兩段超細徑60μm保偏光纖熔接，得到了良好的熔接效果，驗證了所研究技術(shù)在超小型光纖陀螺光路裝配過程中的可行性。

為進一步驗證該工藝對熔接合格率的提升，采用改進后的光纖熔接工藝和原有的工藝分別制作了多個光纖熔接點樣本。確定兩組樣本分別進行試驗，每組進行20次熔接，共計熔接40次。將熔接所得光纖的熔接點進行涂敷保護后，盤繞在金屬棒上，按照超小型光纖陀螺溫循試驗鑒定條件，進行溫循處理，并測試統(tǒng)計各光纖熔接點的性能指標(biāo)，試驗結(jié)果見表2。

表2 不同工藝下光纖熔接點性能指標(biāo)對比試驗數(shù)據(jù)

從試驗結(jié)果可知：實行原熔接工藝計20根光纖中，一次熔接指標(biāo)不合格9根（消光比不足30dB）；實行新工藝熔接計20根光纖中誤操作重熔不合格1根，指標(biāo)不合格降至2根，一次合格率從55%提升至約85%，且熔接點的損耗、消光比指標(biāo)保持原有工藝正常水平，整體提升明顯。

從測試結(jié)果還可以看出，采用改進工藝后，溫循后無斷裂，質(zhì)量良好，光纖熔接點的強度也得到了提高，平均強度從1.51N提高到了1.97N，最小強度從1.2N提高到了1.7N，長期可靠性指標(biāo)得到了改善，達到預(yù)期要求。

4 結(jié)束語

通過改良光纖剝離設(shè)備，優(yōu)化切割刀張力參數(shù)、改進熔接工藝等措施，基本解決了60μm超細徑保偏光纖熔接一次合格率低的難題。采取改進措施后，熔接一次合格率從50%左右提升到80%以上。從交付來看，該技術(shù)應(yīng)用至今已生產(chǎn)近千軸光纖陀螺，未發(fā)生光纖熔接點后期失效問題，可滿足當(dāng)前時期內(nèi)超小型光纖陀螺產(chǎn)品的批量生產(chǎn)需求。

1 王巍. 干涉型光纖陀螺技術(shù)[M]. 北京：中國宇航出版社，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

TN205

A

裝備預(yù)研聯(lián)合基金（6141B06220403）。

馬玉洲（1981），研究員，光學(xué)工程專業(yè)；研究方向：光纖陀螺及傳感器設(shè)計。

2022-09-21