尚克軍，雷 明，李豪偉，馮 喆，姜千紅，張麗哲

（北京自動化控制設(shè)備研究所，北京100074）

光纖陀螺在原理上具有高精度、全固態(tài)、高可靠等突出優(yōu)點，同時可以通過增大光纖環(huán)圈尺寸來提高檢測靈敏度，是高精度陀螺的一種優(yōu)選方案。經(jīng)過40余年的發(fā)展，光纖陀螺已經(jīng)成為主流慣性儀表，試驗室精度已經(jīng)達(dá)到 0.0001 °/h，產(chǎn)品精度覆蓋0.0005 °/h～10 °/h，應(yīng)用范圍覆蓋了姿態(tài)控制、定位導(dǎo)航、鉆井測斜等各軍民用領(lǐng)域，并表現(xiàn)出進(jìn)一步提高精度的潛力[1,2]。

近年來，以半球諧振陀螺[3,4]、核磁共振陀螺[5,6]、MEMS陀螺[7,8]為代表的小型化陀螺慣性器件發(fā)展迅速，有望對傳統(tǒng)光纖陀螺形成競爭優(yōu)勢。受限于尺寸較大且獨立封裝的光學(xué)器件以及動輒數(shù)百上千米的光纖環(huán)圈，傳統(tǒng)方案光纖陀螺實現(xiàn)微型化困難重重。以導(dǎo)航級精度（0.01 °/h）光纖陀螺為例，其典型的外形尺寸一般達(dá)到Φ70～Φ90 mm。高精度光纖陀螺的尺寸、重量、成本（Size, Weight, and Cost, SWaC）綜合性能逐漸難以滿足各類輕小型、高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用需求，為此必須探索創(chuàng)新性的技術(shù)途徑。

早在1983年，Northrop公司的Lawrence等人就首次提出了集成光學(xué)陀螺的概念，考慮采用先進(jìn)的集成光電子技術(shù)和工藝，將光源、探測器、耦合器、相位調(diào)制器以及敏感環(huán)圈等全部集成到一個光學(xué)芯片上，從而實現(xiàn)微小型光學(xué)陀螺的批量化制造，但是受限于當(dāng)時的集成加工水平，研制的陀螺樣機(jī)精度僅400 °/h[9]，難以滿足應(yīng)用需求。進(jìn)入21世紀(jì)以來，美國霍尼韋爾公司[10]、Sandia國家實驗室[11]、Draper實驗室[12]、OEwaves公司[13]等研究機(jī)構(gòu)仍在不斷報道單片式集成光學(xué)陀螺的最新研究成果，但單片式集成光學(xué)陀螺在噪聲處理和檢測靈敏度提升方面始終未獲得突破性進(jìn)展，因此均未能形成具備實用價值的陀螺樣機(jī)。為此，研究人員開始考慮分階段、分部件地實現(xiàn)光學(xué)陀螺集成。

目前，應(yīng)用最廣泛的干涉式光纖陀螺光路主要由光學(xué)器件（包括光源、耦合器、相位調(diào)制器、探測器等）和敏感環(huán)圈組成，其中分立光學(xué)器件是限制尺寸與工藝復(fù)雜度的主要瓶頸。集成化光纖陀螺的內(nèi)涵，是采用集成光學(xué)芯片部分或全部取代傳統(tǒng)光纖陀螺光路，按照集成光學(xué)芯片中包含功能單元的不同可以將集成化光纖陀螺分為三種方案：光學(xué)器件集成、敏感環(huán)圈集成以及單片式全集成。

本文對國內(nèi)外集成化光纖陀螺的最新研究進(jìn)展和發(fā)展動態(tài)進(jìn)行梳理，探討集成化光纖陀螺典型的集成方案、設(shè)計和制造方法，分析不同方案的優(yōu)缺點，探索得到一種有效融合了創(chuàng)新性與可行性的集成化光纖陀螺技術(shù)路線，并開展了相關(guān)研究，給出初步的研究結(jié)果。在確保精度前提下大大優(yōu)化光纖陀螺的SWaC綜合性能，實現(xiàn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)綜合效能的顯著提升。

1 集成化光纖陀螺發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 基于光學(xué)器件集成方案的光纖陀螺

2011年，美國Gener8公司通過與英國集成光子中心合作，采用多器件端面耦合工藝實現(xiàn)了光源、耦合器、相位調(diào)制器以及探測器芯片共計24個分立光學(xué)器件的集成和封裝[14]。集成光學(xué)芯片采用的是硅基二氧化硅平面光路（PLC）集成平臺，圖1(a)給出了集成光學(xué)芯片的整體結(jié)構(gòu)圖，通過設(shè)計4個單獨的波導(dǎo)芯片：光源（SLED）、波導(dǎo)隔離器（ISO）、探測器陣列（DET）和相位調(diào)制器陣列芯片（PM），每個芯片都經(jīng)過了平行開發(fā)和生產(chǎn)，隨后采用芯片到芯片的耦合技術(shù)集成為一個組合芯片，封裝后的器件整體尺寸達(dá)到了67 mm×11 mm。二氧化硅PLC芯片端面被設(shè)計為錐形結(jié)構(gòu)，光源（SLED）芯片采用被動對準(zhǔn)方式與PLC芯片之間實現(xiàn)耦合，以提升光源耦合效率；光隔離器（ISO）芯片由輸入/輸出偏光鏡、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡以及半波片組成，與ISO芯片相連的PLC芯片端面同樣被設(shè)計為錐形結(jié)構(gòu)，在700微米溝槽的自由空間中實現(xiàn)散射光對SLED芯片的有效光隔離，同時確保插入損耗盡量低，研制的波導(dǎo)隔離器具有3 dB的插入損耗和28 dB的隔離度；探測器（DET）芯片基于InGaAs材料，通過在PLC基底上蝕刻金屬化微鏡以提升探測器的耦合效率，在進(jìn)探測器之前進(jìn)行隔離溝槽設(shè)計并在槽內(nèi)填充聚合物，盡量降低PLC散射光的傳播，提升芯片的整體信噪比；相位調(diào)制器（PM）芯片采用傳統(tǒng)的LiNbO3材料，通過芯片-芯片耦合工藝實現(xiàn)與PLC波導(dǎo)芯片間的連接，通過控制反轉(zhuǎn)芯片設(shè)計確保芯片的消光比高于70 dB，同時采用微機(jī)械拋光切割工藝來制造耦合端面，降低了插入損耗和耦合成本。

圖1 美國Gener8公司研制的混合集成光學(xué)芯片F(xiàn)ig.1 Hybrid integrated optical chip proposed by Gener8 company of the United States

Gener8公司采用保偏光纖繞制的光纖環(huán)圈作為敏感部件，搭建成功集成化光纖陀螺原理樣機(jī)，完成了零偏穩(wěn)定性、噪聲以及標(biāo)度因數(shù)測試，陀螺測試性能與采用分立器件的光纖陀螺相媲美，而且抗輻射性能更佳。不過由于采用的是分立光學(xué)芯片的微組裝工藝，研制的光學(xué)芯片封裝尺寸還較大，難以滿足微小型光纖陀螺的應(yīng)用需求。

2014年，英國Bookham公司在《自然·光子學(xué)》上報道了他們針對光纖陀螺微型化的需求，研制成功的硅基集成光學(xué)芯片[15]，如圖2所示，將光源、耦合器、相位調(diào)制器以及探測器全部集成于單片Si基底上。由于Si基波導(dǎo)具有極小的彎曲半徑，該芯片有望具有極小的外形尺寸。集成光學(xué)芯片的光路基于傳統(tǒng)制造工藝實現(xiàn)單模、單偏振光路傳輸以降低偏振噪聲影響，同時確保順逆時針光路良好的互易性。通過對Si基波導(dǎo)表面的納米級平滑處理，實現(xiàn)0.1 dB/cm乃至0.001 dB/cm以下的光傳輸損耗，降低背向散射光的影響。寬譜光源芯片采用低成本III–V族增益材料，基于分布式布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)，采用“pick and place”制造工藝，實現(xiàn)與Si基波導(dǎo)之間的鍵合。為了確保Si基光學(xué)芯片能夠兼容CMOS工藝進(jìn)行生產(chǎn)與封裝，并符合光通信技術(shù)規(guī)范，Bookham公司對硅基集成平臺進(jìn)行了升級，研發(fā)成功自對準(zhǔn)工藝平臺，同時在Si基波導(dǎo)中設(shè)計模式匹配結(jié)構(gòu)，提升光源芯片與Si基波導(dǎo)間耦合效率，以提升集成化光纖陀螺的信噪比。

圖2 英國Bookham公司研制的硅基集成光學(xué)芯片F(xiàn)ig.2 Silicon-based integrated optical chip proposed by Bookham, UK

英國Bookham公司成功搭建了集成化光纖陀螺樣機(jī)，樣機(jī)性能在導(dǎo)彈的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)上取得成功驗證，不過文中并未給出芯片尺寸、樣機(jī)配置與精度等詳細(xì)信息。

2017年，美國加州大學(xué)[16-17]在DARPA項目支持下，基于硅基平臺開展了集成化光纖陀螺的研究工作，在4.5 mm2(0.5 mm×9 mm)尺寸的硅襯底上實現(xiàn)光源、耦合器、分束器、光相位調(diào)制器等多個光學(xué)器件的混合集成（集成光學(xué)芯片如圖3(a)所示）。在芯片設(shè)計方面：光源采用多模式Fabry-Perot激光器結(jié)構(gòu)，通過應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)和高效鍵合工藝提升硅基光源的光功率和譜線寬譜，在提升信號質(zhì)量的同時降低噪聲的影響；耦合器采用絕熱型3 dB光分束器降低波長對分束比的影響，降低光波傳輸損耗并避免光反射對光路的影響，設(shè)計分束比可控制到50±3%以內(nèi)；相位調(diào)制器采用AlGaInAs多量子阱結(jié)構(gòu)，基于載波損耗效應(yīng)以實現(xiàn)寬光學(xué)帶寬、低插入損耗和低功耗特性，為降低半波電壓并抑制背向散射噪聲，調(diào)制器采用推挽式電極結(jié)構(gòu)；探測器采用三個相同的量子阱III-V堆棧作為增益，III-V區(qū)域采用傾斜設(shè)計以減少在Si波導(dǎo)轉(zhuǎn)換中的反射，通過垂直量子阱區(qū)優(yōu)化設(shè)計以實現(xiàn)更高的響應(yīng)度；在芯片和環(huán)圈的光互聯(lián)上，通過設(shè)計模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，解決硅基光波導(dǎo)和保偏光纖的模場尺寸匹配問題，以提升耦合效率，通過對硅基光波導(dǎo)的表面進(jìn)行7 °磨拋處理以減少反射的影響。在芯片加工方面：重點優(yōu)化外延生長、光刻、刻蝕、電極沉積等工藝，并進(jìn)行工藝兼容性優(yōu)化，最終通過芯片切割和表面拋光完成了整個集成光學(xué)芯片的研制。

隨后，加州大學(xué)采用180 m長、0.2 m直徑的保偏光纖環(huán)圈作為敏感環(huán)，通過空間光耦合方式實現(xiàn)芯片/光纖連接，通過使用RF探針與芯片建立電接觸（耦合對準(zhǔn)平臺如圖3(b)所示），整個對準(zhǔn)裝置放置在光具座上，而光纖線圈放置在單獨的旋轉(zhuǎn)臺，進(jìn)行Allan方差、角度隨機(jī)游走和偏置穩(wěn)定性的測量，最終測得陀螺標(biāo)度因數(shù)為6.28 μV/(°/s)，陀螺靈敏度為0.53 °/s。

圖3 美國加州大學(xué)研制的集成光學(xué)芯片F(xiàn)ig.3 Integrated optical chip proposed by the University of California

2020，美國KVH公司[18,19]針對無人機(jī)、車輛等應(yīng)用需求開發(fā)了一型基于集成光學(xué)芯片的低成本、高可靠集成化光纖陀螺。在1 cm2尺寸的Si3N4基集成光學(xué)芯片上集成了2個耦合器和1個起偏器（如圖4所示），用集成光學(xué)芯片取代陀螺產(chǎn)品中的3個分立光學(xué)器件。為了縮小器件尺寸，耦合器的芯層采用Si3N4材料，涂覆層為SiO2材料。采用片上集成起偏器連接2個耦合器，通過對片上起偏器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及增加一定厚度的涂層材料，可以大幅提升起偏器的消光比（白光干涉儀實測消光比45.3 dB），進(jìn)而有效濾除模式交叉耦合對信號光的干擾；通過精密分光設(shè)計，將兩個Y分支的耦合分光比控制在0.5±0.01以內(nèi)，從而降低分光比變化對陀螺性能的影響；通過對Si3N4光波導(dǎo)的加工工藝優(yōu)化，主要包括波導(dǎo)端面拋光工藝，可以降低Si3N4的傳輸損耗到0.24 dB/cm左右；在芯片/光纖的光互聯(lián)上，通過設(shè)計模場轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模場匹配，并對芯片端面進(jìn)行一定角度的切割和拋光，光纖尖端也拋光成相應(yīng)的菲尼爾角，在降低反射光影響的同時實現(xiàn)芯片與光纖的低損耗連接。

圖4 KVH研制的SiO2基集成光學(xué)芯片以及IMU產(chǎn)品Fig.4 SiO2-based integrated optical chips and IMU products proposed by KVH

目前KVH公司已研制成功集成化光纖陀螺樣機(jī)，陀螺精度為0.02 °/h并通過了全溫（-45～70 °C）性能測試。目前，公司基于集成光學(xué)芯片的光纖陀螺已經(jīng)形成了一個完整的高性能IMU系列，極大提升了陀螺產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和壽命。

此外，波蘭Warsaw大學(xué)[20,21]、加州理工學(xué)院[22,23]等也開展了光學(xué)器件集成方案光纖陀螺方面的研究工作。

總的來看，光纖陀螺的光學(xué)器件集成包括不同的部件集成方案和材料選取方案，其中無源器件集成方案的開環(huán)光纖陀螺已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品級應(yīng)用，而有源/無源混合集成方案的閉環(huán)光纖陀螺還處于原理樣機(jī)研制階段，雖然還沒有相應(yīng)的產(chǎn)品問世，但是具有極佳的應(yīng)用前景。

1.2 基于敏感環(huán)圈集成方案的光纖陀螺

敏感環(huán)圈集成主要是實現(xiàn)干涉敏感環(huán)路的片上集成，目前典型的集成光波導(dǎo)材料主要包括SiO2、Si和Si3N4材料，其目標(biāo)是為了降低敏感環(huán)路集成化引入的損耗問題，從而提升集成化光纖陀螺的理論靈敏度，目前主要研究機(jī)構(gòu)包括UCSB[24]、華中科技大學(xué)[25,26]以及北京航空航天大學(xué)[27]等，研制的集成化敏感環(huán)圈如圖5所示。

圖5 各研究機(jī)構(gòu)研制的集成化敏感環(huán)圈Fig.5 Integrated sensitive coil proposed by the research institutions

表1給出了近幾年國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)基于敏感環(huán)圈集成方案的光纖陀螺研究進(jìn)展，可見樣機(jī)精度均在幾度/小時量級?；诿舾协h(huán)圈集成方案的光纖陀螺，受限于加工工藝的影響，實際研制的光波導(dǎo)傳輸損耗還較大，無法通過增加環(huán)圈長度來提高陀螺的理論精度，因此基于敏感環(huán)圈集成的光纖陀螺總體上還處于實驗室探索階段，要實現(xiàn)工程應(yīng)用，還有很多技術(shù)問題需要研究解決。

表1 基于敏感環(huán)圈集成方案的光纖陀螺研究進(jìn)展Tab.1 Research progress of fiber optic gyroscope based on integrated sensitive coil

綜上所述，集成化光纖陀螺的設(shè)計方案直接決定陀螺最終性能，目前基于“光學(xué)器件集成+環(huán)圈細(xì)徑化”方案的集成化光纖陀螺有望在保持光纖陀螺極高精度優(yōu)勢的基礎(chǔ)上大幅降低其SWaC。

從國外集成部件發(fā)展來看，現(xiàn)階段要想實現(xiàn)光源、探測器、耦合器、相位調(diào)制器所有光學(xué)器件的單片式全集成存在一定難度，主要是由于制作光源的InP有源材料無法在Si、SiO2等無源材料上實現(xiàn)生長，而必須采用鍵合、端接等混合集成方法，在此過程中集成光學(xué)芯片的設(shè)計和制造工藝水平將會直接決定器件性能，進(jìn)而影響集成光學(xué)器件在光纖陀螺中的應(yīng)用效果。從材料制造與加工而言，SiO2基集成方案具有較低的制造成本，但是受限于最小彎曲半徑的影響，研制的集成光學(xué)芯片會相對較大，通常在幾十mm2量級。Si3N4基和Si基平臺的流片成本較高，但是波導(dǎo)彎曲半徑得到了大幅降低，適用于更高的集成度和更小的芯片尺寸，尤其是Si基集成光學(xué)芯片尺寸可大幅降低到幾mm2，但是由于Si基模場直徑與光纖差別較大，導(dǎo)致芯片/光纖的耦合損耗較大，此外有源器件的高密度集成會導(dǎo)致芯片的整體溫升較高，對集成光學(xué)芯片性能（如輸出光功率穩(wěn)定性、波長穩(wěn)定性等）造成影響，進(jìn)而影響到集成化光纖陀螺性能。

2 光學(xué)器件集成方案光纖陀螺研究進(jìn)展

2.1 總體技術(shù)方案

我們采用“光學(xué)器件集成化+環(huán)圈微型化”的總體技術(shù)方案：將實現(xiàn)光信號收發(fā)、分光、調(diào)制的各光學(xué)器件實現(xiàn)芯片化集成，采用新一代超細(xì)徑光纖實現(xiàn)敏感環(huán)圈的微型化，在確保集成化光纖陀螺精度的前提條件下降低光路體積和熔裝復(fù)雜度。在集成工藝平臺方面，采用成熟且成本較低的SiO2基作為襯底材料，通過離子摻雜實現(xiàn)低損耗的PLC光芯片，光源、探測器以及調(diào)制器芯片通過微組裝工藝實現(xiàn)與PLC光芯片間的耦合連接。

集成化光纖陀螺的核心是集成光學(xué)芯片，芯片的集成方案直接決定了后期陀螺的光路結(jié)構(gòu)，按照芯片上集成光學(xué)器件個數(shù)的不同可分為：“三合一”集成方案和“四合一”集成方案，分別實現(xiàn)光源/探測器/耦合器集成和光源/探測器/耦合器/光學(xué)調(diào)制器集成。“四合一”集成光學(xué)芯片方案如圖6(a)所示，光源、探測器和Y1分束器集成到SiO2基底上，而光學(xué)調(diào)制器采用傳統(tǒng)LiNbO3體材料實現(xiàn)起偏、Y2分束器光路分光以及相位調(diào)制功能，兩個芯片之間通過端面耦合方式實現(xiàn)不同基底材料間的混合集成[28]，“四合一”集成光學(xué)芯片上存在一個由Y1分束器和Y2分束器構(gòu)成的“雙Y”分支波導(dǎo)，存在空間模式誤差，導(dǎo)致陀螺存在較大的固有零位漂移。“三合一”集成光學(xué)芯片方案如圖6(b)所示，在SiO2基底上通過片上耦合集成光源、探測器和Y1分束器，通過在“三合一”集成光學(xué)芯片和集成光學(xué)調(diào)制器之間增加一個空間模式濾波器，能夠有效濾除“雙Y”分支波導(dǎo)引入的空間模式誤差，從而消除“四合一”集成方案光纖陀螺存在的固有零位和零位漂移問題[29]。

圖6 集成光學(xué)芯片典型結(jié)構(gòu)Fig.6 Typical structure of integrated optical chip

2.2 部件研究進(jìn)展

本文主要探討采用“三合一”集成光學(xué)芯片完成光纖陀螺研究進(jìn)展情況，集成化光纖陀螺的性能指標(biāo)與集成光學(xué)芯片性能存在直接依賴關(guān)系，我們采用SiO2基PLC技術(shù)，集成光學(xué)芯片的整體布局如圖7(a)所示。首先采用光波導(dǎo)集成工藝完成Y1分束器芯片研制，通過對耦合區(qū)波導(dǎo)寬度、亞波長結(jié)構(gòu)周期及占空比、以及耦合區(qū)長度等參數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化，可實現(xiàn)超小型、大帶寬3 dB分束器，設(shè)計耦合分光比為(50 ± 2)%；光源芯片采用InP材料的SLD芯片，為了實現(xiàn)寬光譜的片上超輻射發(fā)光，在提高器件輸出功率的同時盡可能增大SLD芯片的光譜寬度，采用量子阱混雜工藝，使用相同組分不同阱寬的多量子阱結(jié)構(gòu)作為SLD有源區(qū)結(jié)構(gòu)，有效增大光譜寬度；光子探測器（PIN）芯片采用InGaAs材料，重點關(guān)注響應(yīng)度和暗電流兩個參數(shù)指標(biāo)：通過優(yōu)化制備工藝提高材料的吸收系數(shù)，通過材料缺陷、表面漏電流、金屬半導(dǎo)體接觸電阻優(yōu)化設(shè)計，降低PIN芯片的暗電流大小，探測光信號隨后通過場效應(yīng)晶體管（FET）電路實現(xiàn)電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換，供檢測電路實現(xiàn)陀螺轉(zhuǎn)速檢測；SLD芯片和PIN芯片分別通過透鏡光路和物理鍵合方法實現(xiàn)與Y1分束器芯片之間的光耦合連接，形成一塊組合芯片；集成光學(xué)芯片通過過渡熱沉安裝在熱制冷器（TEC）上，通過溫度控制確保集成光學(xué)芯片的穩(wěn)定功率和波長輸出。通過電端口引線設(shè)計，完成集成光學(xué)芯片的封裝固化，封裝后的結(jié)構(gòu)外形如圖7(b)所示，該金屬封裝的接口和引線鍵合允許與16個電氣引腳和光纖尾纖進(jìn)行電接觸，以隔離外部環(huán)境對集成光學(xué)芯片的干擾。

圖7 “三合一”集成光學(xué)芯片結(jié)構(gòu)及實物Fig.7 Structure and package diagram of the "three in one"integrated optical chip

對研制的“三合一”集成光學(xué)芯片進(jìn)行性能測試，測試結(jié)果如表2所示，從表中可見：集成光學(xué)器件的主要指標(biāo)與傳統(tǒng)分立光源、探測器及耦合器指標(biāo)相當(dāng)，能夠滿足光纖陀螺應(yīng)用需求。

表2 “三合一”集成光學(xué)芯片性能測試結(jié)果Tab.2 Performance test results of "three in one"integrated optical chip

微小型高對稱光纖環(huán)圈是集成化光纖陀螺的敏感部件，其外形尺寸直接限制陀螺最終外形，其性能直接影響陀螺精度和環(huán)境適應(yīng)性：環(huán)圈損耗與背向散射噪聲大小影響陀螺精度，環(huán)圈良好的對稱性是確保集成化光纖陀螺溫度、振動和磁場等環(huán)境適應(yīng)性的前提條件。

本文采用小彎曲半徑的超細(xì)徑保偏光纖，減小光纖環(huán)圈尺寸以滿足陀螺小型化需求，同時光纖環(huán)圈尺寸的降低可以有效提升環(huán)圈內(nèi)部溫度場均勻性，從而降低陀螺的溫度敏感性。為了解決小型化環(huán)圈繞制過程的幾何對稱性和應(yīng)力對稱性問題，使得環(huán)圈內(nèi)部應(yīng)力均勻分布而且可控，采用正交四極對稱方法實現(xiàn)小型化光纖環(huán)圈繞制。同時，為了降低環(huán)圈環(huán)境因素引入的內(nèi)應(yīng)力變化，針對細(xì)徑光纖特點改進(jìn)了施膠固化工藝，研制的小型化光纖環(huán)圈如圖8所示，其中光纖環(huán)圈相關(guān)參數(shù)為：內(nèi)徑10 mm，外徑32 mm，長度1350 m，按照文獻(xiàn)[30]中的精度計算公式得到，采用該環(huán)圈的光纖陀螺設(shè)計精度[30]為0.023 °/h。

圖8 微小型高對稱光纖環(huán)圈Fig.8 Micro and high-symmetry optical fiber coil

集成化光纖陀螺用到的電路主要包括信號檢測電路和驅(qū)動控制電路。信號檢測電路主要實現(xiàn)光纖陀螺數(shù)字解調(diào)、閉環(huán)控制及數(shù)據(jù)通信等功能，本文采用專用集成電路（ASIC）完成信號檢測電路研制，具有微小型、高性能、抗干擾的技術(shù)優(yōu)勢；驅(qū)動控制電路主要通過對光源部分的恒定電流和溫度控制實現(xiàn)集成化器件的穩(wěn)定光功率和波長輸出，為整個光路提供穩(wěn)定的光信號來源。信號檢測電路和驅(qū)動控制電路的實物分別如圖9(a)和9(b)所示。

圖9 集成化光纖陀螺用電路Fig.9 Circuits of the integrated fiber optic gyroscope

2.3 樣機(jī)研制情況

基于“三合一”集成光學(xué)芯片、小型化光纖環(huán)圈、信號檢測及驅(qū)動控制電路，搭建成功集成化光纖陀螺樣機(jī)（樣機(jī)實物如圖10(a)所示），在集成光學(xué)芯片與集成光學(xué)調(diào)制器之間引入單模光纖作為空間模式濾波器，有效消除空間模式誤差引入的固有零位漂移。在前期研究[30]基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大光纖環(huán)圈的長度和外徑以提升集成化光纖陀螺的理論精度，同時通過對集成光學(xué)器件的內(nèi)部金絲走線進(jìn)行布局優(yōu)化和電磁屏蔽隔離，有效提升了集成化光纖陀螺的精度水平。

最終研制的集成化光纖陀螺整機(jī)尺寸為35 mm×35 mm×35 mm，相較目前傳統(tǒng)光纖陀螺尺寸大幅降低。對搭建的集成化光纖陀螺樣機(jī)進(jìn)行常溫靜態(tài)性能測試，測試數(shù)據(jù)如圖10(b)所示，100 s平滑后的陀螺零偏穩(wěn)定性為0.048 °/h，距離其理論精度還有2倍左右的差距，分析其原因主要是因為硅基受限空間下光路串?dāng)_對探測器信號的影響，導(dǎo)致信噪比偏低，進(jìn)而影響陀螺精度。

圖10 集成化光纖陀螺樣機(jī)及測試結(jié)果Fig.10 Prototype and test results of integrated fiber optic gyroscope

表3給出了研制的集成化光纖陀螺與國際上主流商用光纖陀螺產(chǎn)品精度/尺寸的對比情況。從表3中可見：研制的集成化光纖陀螺精度與美國KVH公司最新報道的集成化開環(huán)光纖陀螺DSP1750精度相當(dāng)，但是整機(jī)體積只有DSP1750的1/2左右；與目前世界最小光纖陀螺-俄羅斯VG191AD相比，本文的集成化光纖陀螺的精度明顯更高。綜上所述，集成化光纖陀螺相較于同尺寸的光纖陀螺具有顯著的精度優(yōu)勢，相較于同等精度的傳統(tǒng)光纖陀螺具有顯著的尺寸優(yōu)勢。

表3 集成化光纖陀螺與傳統(tǒng)光纖陀螺產(chǎn)品對比情況Tab.3 Comparison between integrated fiber optic gyroscope and traditional fiber optic gyroscope

3 集成化光纖陀螺發(fā)展展望

光纖陀螺歷經(jīng)多年發(fā)展已經(jīng)取得廣泛應(yīng)用，但是其SWaC難以進(jìn)一步下降，已成為目前光纖陀螺進(jìn)一步發(fā)展的主要限制因素。2015年以來，隨著光學(xué)集成技術(shù)的快速發(fā)展，以Si、SiO2、Si3N4、LiNbO3為襯底的集成光學(xué)芯片逐漸獲得突破，并已經(jīng)在光通訊領(lǐng)域獲得了應(yīng)用驗證。集成化光纖陀螺正是在這一背景下應(yīng)運而生，它結(jié)合了集成光學(xué)芯片的小尺寸優(yōu)勢與光纖陀螺的高精度優(yōu)勢，逐漸成為一種極具潛力的微小型高精度陀螺解決方案。

通過對近年來集成化光纖陀螺研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)的梳理，我們展望未來，形成如下認(rèn)識：

（1）“光器件芯片化+電路ASIC化+環(huán)圈微型化”方案的集成化光纖陀螺有望快速實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用。

通過采用硅基集成/微組裝工藝，有望研制成功兼具光源、探測器、耦合器、調(diào)制器等多種功能單元為一體的“四合一”集成光學(xué)器件，解決光纖陀螺應(yīng)用時存在的串?dāng)_、溫升、空間輻射等問題。同時，隨著ASIC電路集成度提升、保偏光纖細(xì)徑化等技術(shù)發(fā)展，在確保精度的同時進(jìn)一步降低陀螺體積。在3～5年左右時間研制成功微小型的集成化光纖陀螺，在導(dǎo)航級精度范圍具有絕佳的SWaC綜合性能優(yōu)勢。

（2）Si基集成光學(xué)芯片有望將芯片尺寸從初期的cm2量級降低到mm2量級。

以目前國內(nèi)研制的“三合一”集成光學(xué)芯片為例，由于采用的是SiO2基集成工藝，封裝后的器件尺寸還較大，難以滿足進(jìn)一步小型化以及多軸集成化光纖陀螺的應(yīng)用需求，通過研制成功Si基集成光學(xué)芯片可大幅降低集成光學(xué)器件尺寸[31-33]，實現(xiàn)集成化光纖陀螺綜合性能的進(jìn)一步提升。針對LiNbO3體材料相位調(diào)制器難以與Si基集成等瓶頸難題，可以考慮采用目前國際最新的LiNbO3薄膜相位調(diào)制器[34,35]方案，最終實現(xiàn)光源、探測器、耦合器和相位調(diào)制器的Si基單片式全集成。目前，國外在硅基集成光學(xué)芯片設(shè)計、流片及應(yīng)用方面具有一定優(yōu)勢，國內(nèi)研究基礎(chǔ)相對薄弱，還需加大研究力度。

（3）單片全集成方案的集成化光學(xué)陀螺具有批量化制造、大幅降低成本和體積的潛力優(yōu)勢。

單片全集成方案在光學(xué)器件集成的基礎(chǔ)上將作為敏感部件的光纖環(huán)圈也實現(xiàn)了片上集成，有望最終改變傳統(tǒng)光纖陀螺的結(jié)構(gòu)組成和制造方法，用片上集成光路實現(xiàn)對分立光纖光路的變革性替代，從而實現(xiàn)集成化光學(xué)陀螺的規(guī)?；?、批量化制造。不過，單片全集成方案的集成化光學(xué)陀螺目前面臨的主要問題是集成化環(huán)圈傳輸損耗過大，同時環(huán)圈微型化尺寸導(dǎo)致靈敏度過低，噪聲嚴(yán)重制約陀螺精度，還需要較長時間研究和攻關(guān)。