1310nm干涉型光纖陀螺用光電子器件空間應用環(huán)境適應性研究.pdf

1、光纖陀螺是一種基于Sagnac效應的全固態(tài)慣性儀表，用于測量載體的角速度或角位移，具有小體積、輕質(zhì)量、低功耗、高可靠和長壽命等特點，可作為空間飛行器（衛(wèi)星、空間站等）用慣性姿態(tài)敏感器使用，滿足空間飛行器高可靠和長壽命的工作要求。
　　國外在光纖陀螺及其光電子器件的空間應用方面研究較早，并在空間領域得到非常廣泛的應用，產(chǎn)品已成功用于包括導航衛(wèi)星在內(nèi)的各類衛(wèi)星、深空探測飛行器、運載火箭等航天器的姿態(tài)穩(wěn)定和控制系統(tǒng)中。我國光纖陀螺用光電

2、子器件技術是立足國內(nèi)，在光纖通信的基礎上發(fā)展起來的，經(jīng)過二十余年的發(fā)展，已在武器領域廣泛應用。但在空間應用領域，起步較晚，研究時間短，工程應用積累可靠性數(shù)據(jù)少。為了滿足我國衛(wèi)星等航天飛行器日益迫切的應用需求，解決影響其可靠性和長壽命的瓶頸，急需開展光纖陀螺及光電子器件的空間環(huán)境適應性及可靠性技術研究，建立宇航用光電子器件可靠性評估規(guī)范，提高光電子器件產(chǎn)品的可靠性水平。目前光纖陀螺廣泛采用1310nm工作波長，本課題主要研究1310nm光

3、纖陀螺用光電子器件的空間應用環(huán)境適應性及可靠性。
　　本論文主要研究內(nèi)容、創(chuàng)新點和研究成果如下：
　?。?）研究了 SLD光源、PIN-FET光電探測器、Y波導集成光學器件、光纖耦合器、光纖的失效模式及失效機理，建立了器件失效模式故障樹。對SLD光源波長變長故障模式進行了研究；詳細研究了光電探測器光纖耦合移位失效模式及機理，并提出了控制措施，降低器件失效風險；研究了Y波導集成光學器件調(diào)制性能異常失效模式，首次研究了晶體局部微

4、疇反轉(zhuǎn)、調(diào)制波形畸變引起波導調(diào)制性能異常失效機理；研究了光纖輻照效應及機理和提高光纖抗輻照性能的技術途徑，并模擬空間低劑量率輻照試驗，獲取保偏光纖輻照感生損耗結(jié)果（輻照總劑量100krad（Si））。
　?。?）研究了 SLD光源、PIN-FET光電探測器、Y波導集成光學器件、光纖耦合器、光纖及光纖環(huán)的空間環(huán)境適應性，主要包括抗輻照特性、溫度、熱真空及力學特性。首次全面研究了五種器件抗電離總劑量、質(zhì)子、電子、中子輻照特性及輻照褪色

5、效應；較完整研究了其溫度（包括熱真空）及力學環(huán)境適應性，還對器件極限耐受溫度及振動環(huán)境進行了摸底研究。通過對比輻照研究，保偏光纖的抗輻照性能差異較大，基于國內(nèi)保偏光纖產(chǎn)品，可選用抗輻照性能強的C型產(chǎn)品應用。通過強熔填充工藝，實現(xiàn)了光纖耦合器的全固態(tài)，顯著提高了光纖耦合器的抗沖擊性能和應用可靠性，光纖耦合器的抗沖擊性能由1000g提高到5000g以上。另外，還消除了光纖陀螺因光纖耦合器內(nèi)部懸臂梁光纖斷裂導致的徹底失效故障模式。
　　

6、（3）通過加速壽命預計及隨機失效率統(tǒng)計研究，全面獲取了光纖陀螺用國內(nèi)SLD光源、PIN-FET光電探測器、Y波導集成光學器件、光纖耦合器和光纖環(huán)可靠性基礎數(shù)據(jù)（壽命與隨機失效率），為光纖陀螺可靠性設計及空間推廣應用奠定了堅實的基礎。①通過設計SLD光源加速壽命試驗，首次得到器件的激活能為0.639eV，高溫75℃加速壽命試驗，加速系數(shù)為42.25，23℃下SLD光源工作壽命為32.4年。首次統(tǒng)計分析得到SLD光源的平均貯存壽命為36.8

7、5年；90％置信度水平下，SLD光源的隨機失效率為372.6FITs。②通過探測器高溫85℃加速壽命試驗，得到23℃下光電探測器的MTTF為320萬小時；90%置信度水平下，其隨機失效率為173.6FITs。③通過Y波導集成光學器件高溫85℃加速壽命試驗，得到23℃下A廠家Y波導的MTTF為538萬小時；90%置信度水平下，其隨機失效率為183.4FITs；B廠家Y波導的MTTF為623萬小時，90%置信度水平下，其隨機失效率為127.

8、6FITs。④通過光纖耦合器高溫85℃加速壽命試驗，得到23℃下光纖耦合器的MTTF為165萬小時；90%置信度水平下，其隨機失效率為92.2FITs；⑤通過光纖環(huán)壽命模型預計包層直徑為80μm的保偏光纖環(huán)壽命超過500年；90%置信度水平下，其隨機失效率為101.6FITs。研究結(jié)果表明五種光電子器件中，SLD光源壽命及可靠性水平最低，是光纖陀螺光路中的相對薄弱環(huán)節(jié)。
　　研究結(jié)果表明光纖陀螺用五種國產(chǎn)光電子器件具備良好的空間環(huán)