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光開關(guān)使用微執(zhí)行器驅(qū)動光纖移動，實現(xiàn)雙光纖的錯位或?qū)?zhǔn)，如圖1所示，可作為激光點(diǎn)火/起爆系統(tǒng)的保險與解除保險裝置[2，3]。MOEMS光開關(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)系到整個系統(tǒng)工作的可靠性，而雙光纖的對準(zhǔn)誤差是影響光開關(guān)能量傳輸效率的主要因素。

Cochran等[3]設(shè)計的光開關(guān)如圖1所示，光開關(guān)的最大傳能效率達(dá)到88%，但未分析光纖對準(zhǔn)誤差對效率的影響。單體強(qiáng)等[4]和馬云亮等[5]基于幾何光學(xué)理論，對雙光纖間存在對準(zhǔn)誤差時的傳能效率進(jìn)行了分析，得出了光纖對準(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]通過仿真和試驗測量了芯徑400～1 000 μm光纖的對準(zhǔn)誤差對傳能效率的影響，其試驗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的，雙光纖的耦合光路調(diào)整困難，很難精準(zhǔn)地實現(xiàn)所需的光纖對準(zhǔn)偏移量。目前105μm雙光纖對準(zhǔn)誤差對傳能效率的影響只有仿真分析，還未經(jīng)過試驗研究。

利用硅片刻蝕加工誤差小于1μm的高精度，本文設(shè)計了一系列光纖微通道，搭建了雙光纖耦合傳能效率測試平臺。通過測試平臺測量芯徑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)行對比分析。

圖1 一種光纖直接連接型微光機(jī)電系統(tǒng)光開關(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)計仿真軟件ZEMAX建立了光開關(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。與試驗用激光器、光纖的各項參數(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試平臺

所搭建的雙光纖耦合傳能效率測試平臺如圖3所示。

圖3 雙光纖耦合傳能效率測試平臺

將激光器與入射光纖連接，光功率計與出射光纖連接，入射光纖通過光纖夾具固定，光纖微通道固定在三維調(diào)整平臺上，出射光纖通過五維光纖調(diào)整架固定；調(diào)整三維平臺，讓入射光纖進(jìn)入選定的光纖微通道內(nèi)；再通過調(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量儀，觀察耦合后的激光能量分布情況。

試驗需要在圖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

另外試驗所用到的激光器、光纖和光功率計部分性能參數(shù)見表1。

表1 激光器、光纖、功率計的基本性能參數(shù)

3 對準(zhǔn)誤差對雙光纖耦合傳能特性的影響分析

通過調(diào)整激光器的工作電流來控制激光器的輸出功率P1，用光功率計測量出射光纖的輸出功率P2，通過式(1)計算得到傳能效率η

調(diào)整光纖夾具、三維調(diào)整平臺及五維光纖調(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控制雙光纖耦合時的偏移量。試驗測得這個方法的直接耦合傳能效率的極限值為90%左右。

3.1 對準(zhǔn)誤差對直接耦合傳能效率的影響分析

依次測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，測試橫向偏移和角度偏移時的軸向間隙Z為50μm，激光器輸出功率為677 mW。測試和仿真結(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，仿真和試驗測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，試驗的傳能效率從82%下降到73%；當(dāng)角度偏移達(dá)到10°時，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大而無法進(jìn)入出射光纖，傳能效率開始快速下降。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，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，仿真效率僅下降了約1%；而試驗中，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，傳輸功率下降到34%。實際的光開關(guān)應(yīng)用中，軸向間隙可以保持在100μm內(nèi)，軸向間隙對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種對準(zhǔn)誤差中，橫向偏移對傳能效率影響最嚴(yán)重，其次是角度偏移，軸向間隙帶來的影響最小。試驗測試了100 mW、677 mW、1 W激光功率下，雙光纖對準(zhǔn)誤差對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)，激光功率對傳能效率的影響很小，可以忽略不計。

MOEMS光開關(guān)中，通過驅(qū)動器推動光纖產(chǎn)生橫向偏移來實現(xiàn)光纖的通斷，故需測試光纖傳能效率隨橫向偏移變化時，軸向間隙和角度偏移帶來的影響。利用組合偏移微通道，可以測量軸向間隙、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，軸向間隙為50μm和200μm的光纖試驗傳能效率間有約10%的差異，在光纖橫向偏移超過40μm后，兩種軸向間隙下測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。在實際光纖通斷的過程中，軸向間隙幾乎不變，故軸向間隙對傳能效率的影響可以忽略；角度偏移帶來的影響較大，不可忽略。故在MOEMS光開關(guān)的設(shè)計中，要保證光纖在對準(zhǔn)時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，以上測試的試驗與仿真結(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算結(jié)果，而試驗光路中有多種因素，會影響到光能的傳輸與測量[8]。如光纖耦合端面和輸出端面的污染、光功率計測量和讀數(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，均會影響最終測量到的能量數(shù)值。隨著傳能效率的提高，這些環(huán)境因素引起的誤差對測量結(jié)果的影響越明顯。

3.2 對準(zhǔn)誤差對雙光纖耦合光束分布的影響分析

試驗中將耦合后的激光輸入到光斑測量儀的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)行了對比。

仿真和試驗測試了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)，激光功率對光束分布的影響可以忽略不計。試驗中使用的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，使感光芯片探測到的光斑直徑約為3 mm。由于試驗測量需要調(diào)整激光器功率，所以根據(jù)試驗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試結(jié)果如圖9所示。兩種偏移條件下仿真和測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)致激光能量越來越分散，激光能量密度下降。在實際應(yīng)用中，若光斑過大，超出起爆器的感光面積，會造成引信安全系統(tǒng)的延遲起爆甚至無法起爆[9]。因此實際應(yīng)用時要根據(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下仿真和試驗輸出的光斑圖像

軸向間隙Z在50μm、200μm時的仿真和試驗光斑分布圖像如圖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)，軸向間隙對激光光束分布帶來的影響可以忽略。

圖10 軸向間隙50μm、200μm下仿真和試驗輸出的光斑圖像

3.2.2 角度偏移對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輸出的光斑圖像

4 結(jié)束語

采用仿真和試驗方法研究了纖芯為105μm雙光纖耦合對準(zhǔn)誤差對開關(guān)傳能特性的影響。搭建了雙光纖耦合傳能效率測試平臺，測量得到了雙光纖直接耦合時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，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合，結(jié)果表明:

(1)3種對準(zhǔn)誤差中，橫向偏移對傳能效率影響最嚴(yán)重，角度偏移次之，軸向間隙帶來的影響最小。在移動光纖直接連接型MOEMS光開關(guān)中，需要通過控制光纖橫向偏移和角度偏移的大小，實現(xiàn)光開關(guān)對隔離度和傳能效率要求。

(2)橫向偏移和角度偏移都會使光斑面積變大，且角度偏移會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)的延遲起爆甚至無法起爆。

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