集成化光纤陀螺设计、制造及未来发展

尚克军，雷 明，李豪伟，冯 喆，姜千红，张丽哲

（北京自动化控制设备研究所，北京100074）

光纤陀螺在原理上具有高精度、全固态、高可靠等突出优点，同时可以通过增大光纤环圈尺寸来提高检测灵敏度，是高精度陀螺的一种优选方案。经过40余年的发展，光纤陀螺已经成为主流惯性仪表，试验室精度已经达到 0.0001 °/h，产品精度覆盖0.0005 °/h～10 °/h，应用范围覆盖了姿态控制、定位导航、钻井测斜等各军民用领域，并表现出进一步提高精度的潜力[1,2]。

近年来，以半球谐振陀螺[3,4]、核磁共振陀螺[5,6]、MEMS陀螺[7,8]为代表的小型化陀螺惯性器件发展迅速，有望对传统光纤陀螺形成竞争优势。受限于尺寸较大且独立封装的光学器件以及动辄数百上千米的光纤环圈，传统方案光纤陀螺实现微型化困难重重。以导航级精度（0.01 °/h）光纤陀螺为例，其典型的外形尺寸一般达到Φ70～Φ90 mm。高精度光纤陀螺的尺寸、重量、成本（Size, Weight, and Cost, SWaC）综合性能逐渐难以满足各类轻小型、高精度惯性导航系统的应用需求，为此必须探索创新性的技术途径。

早在1983年，Northrop公司的Lawrence等人就首次提出了集成光学陀螺的概念，考虑采用先进的集成光电子技术和工艺，将光源、探测器、耦合器、相位调制器以及敏感环圈等全部集成到一个光学芯片上，从而实现微小型光学陀螺的批量化制造，但是受限于当时的集成加工水平，研制的陀螺样机精度仅400 °/h[9]，难以满足应用需求。进入21世纪以来，美国霍尼韦尔公司[10]、Sandia国家实验室[11]、Draper实验室[12]、OEwaves公司[13]等研究机构仍在不断报道单片式集成光学陀螺的最新研究成果，但单片式集成光学陀螺在噪声处理和检测灵敏度提升方面始终未获得突破性进展，因此均未能形成具备实用价值的陀螺样机。为此，研究人员开始考虑分阶段、分部件地实现光学陀螺集成。

目前，应用最广泛的干涉式光纤陀螺光路主要由光学器件（包括光源、耦合器、相位调制器、探测器等）和敏感环圈组成，其中分立光学器件是限制尺寸与工艺复杂度的主要瓶颈。集成化光纤陀螺的内涵，是采用集成光学芯片部分或全部取代传统光纤陀螺光路，按照集成光学芯片中包含功能单元的不同可以将集成化光纤陀螺分为三种方案：光学器件集成、敏感环圈集成以及单片式全集成。

本文对国内外集成化光纤陀螺的最新研究进展和发展动态进行梳理，探讨集成化光纤陀螺典型的集成方案、设计和制造方法，分析不同方案的优缺点，探索得到一种有效融合了创新性与可行性的集成化光纤陀螺技术路线，并开展了相关研究，给出初步的研究结果。在确保精度前提下大大优化光纤陀螺的SWaC综合性能，实现惯性导航系统综合效能的显著提升。

1 集成化光纤陀螺发展现状

1.1 基于光学器件集成方案的光纤陀螺

2011年，美国Gener8公司通过与英国集成光子中心合作，采用多器件端面耦合工艺实现了光源、耦合器、相位调制器以及探测器芯片共计24个分立光学器件的集成和封装[14]。集成光学芯片采用的是硅基二氧化硅平面光路（PLC）集成平台，图1(a)给出了集成光学芯片的整体结构图，通过设计4个单独的波导芯片：光源（SLED）、波导隔离器（ISO）、探测器阵列（DET）和相位调制器阵列芯片（PM），每个芯片都经过了平行开发和生产，随后采用芯片到芯片的耦合技术集成为一个组合芯片，封装后的器件整体尺寸达到了67 mm×11 mm。二氧化硅PLC芯片端面被设计为锥形结构，光源（SLED）芯片采用被动对准方式与PLC芯片之间实现耦合，以提升光源耦合效率；光隔离器（ISO）芯片由输入/输出偏光镜、法拉第旋转镜以及半波片组成，与ISO芯片相连的PLC芯片端面同样被设计为锥形结构，在700微米沟槽的自由空间中实现散射光对SLED芯片的有效光隔离，同时确保插入损耗尽量低，研制的波导隔离器具有3 dB的插入损耗和28 dB的隔离度；探测器（DET）芯片基于InGaAs材料，通过在PLC基底上蚀刻金属化微镜以提升探测器的耦合效率，在进探测器之前进行隔离沟槽设计并在槽内填充聚合物，尽量降低PLC散射光的传播，提升芯片的整体信噪比；相位调制器（PM）芯片采用传统的LiNbO3材料，通过芯片-芯片耦合工艺实现与PLC波导芯片间的连接，通过控制反转芯片设计确保芯片的消光比高于70 dB，同时采用微机械抛光切割工艺来制造耦合端面，降低了插入损耗和耦合成本。

图1 美国Gener8公司研制的混合集成光学芯片Fig.1 Hybrid integrated optical chip proposed by Gener8 company of the United States

Gener8公司采用保偏光纤绕制的光纤环圈作为敏感部件，搭建成功集成化光纤陀螺原理样机，完成了零偏稳定性、噪声以及标度因数测试，陀螺测试性能与采用分立器件的光纤陀螺相媲美，而且抗辐射性能更佳。不过由于采用的是分立光学芯片的微组装工艺，研制的光学芯片封装尺寸还较大，难以满足微小型光纤陀螺的应用需求。

2014年，英国Bookham公司在《自然·光子学》上报道了他们针对光纤陀螺微型化的需求，研制成功的硅基集成光学芯片[15]，如图2所示，将光源、耦合器、相位调制器以及探测器全部集成于单片Si基底上。由于Si基波导具有极小的弯曲半径，该芯片有望具有极小的外形尺寸。集成光学芯片的光路基于传统制造工艺实现单模、单偏振光路传输以降低偏振噪声影响，同时确保顺逆时针光路良好的互易性。通过对Si基波导表面的纳米级平滑处理，实现0.1 dB/cm乃至0.001 dB/cm以下的光传输损耗，降低背向散射光的影响。宽谱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镜结构，采用“pick and place”制造工艺，实现与Si基波导之间的键合。为了确保Si基光学芯片能够兼容CMOS工艺进行生产与封装，并符合光通信技术规范，Bookham公司对硅基集成平台进行了升级，研发成功自对准工艺平台，同时在Si基波导中设计模式匹配结构，提升光源芯片与Si基波导间耦合效率，以提升集成化光纤陀螺的信噪比。

图2 英国Bookham公司研制的硅基集成光学芯片Fig.2 Silicon-based integrated optical chip proposed by Bookham, UK

英国Bookham公司成功搭建了集成化光纤陀螺样机，样机性能在导弹的惯性制导系统上取得成功验证，不过文中并未给出芯片尺寸、样机配置与精度等详细信息。

2017年，美国加州大学[16-17]在DARPA项目支持下，基于硅基平台开展了集成化光纤陀螺的研究工作，在4.5 mm2(0.5 mm×9 mm)尺寸的硅衬底上实现光源、耦合器、分束器、光相位调制器等多个光学器件的混合集成（集成光学芯片如图3(a)所示）。在芯片设计方面：光源采用多模式Fabry-Perot激光器结构，通过应变量子阱结构和高效键合工艺提升硅基光源的光功率和谱线宽谱，在提升信号质量的同时降低噪声的影响；耦合器采用绝热型3 dB光分束器降低波长对分束比的影响，降低光波传输损耗并避免光反射对光路的影响，设计分束比可控制到50±3%以内；相位调制器采用AlGaInAs多量子阱结构，基于载波损耗效应以实现宽光学带宽、低插入损耗和低功耗特性，为降低半波电压并抑制背向散射噪声，调制器采用推挽式电极结构；探测器采用三个相同的量子阱III-V堆栈作为增益，III-V区域采用倾斜设计以减少在Si波导转换中的反射，通过垂直量子阱区优化设计以实现更高的响应度；在芯片和环圈的光互联上，通过设计模式转换器结构，解决硅基光波导和保偏光纤的模场尺寸匹配问题，以提升耦合效率，通过对硅基光波导的表面进行7 °磨抛处理以减少反射的影响。在芯片加工方面：重点优化外延生长、光刻、刻蚀、电极沉积等工艺，并进行工艺兼容性优化，最终通过芯片切割和表面抛光完成了整个集成光学芯片的研制。

随后，加州大学采用180 m长、0.2 m直径的保偏光纤环圈作为敏感环，通过空间光耦合方式实现芯片/光纤连接，通过使用RF探针与芯片建立电接触（耦合对准平台如图3(b)所示），整个对准装置放置在光具座上，而光纤线圈放置在单独的旋转台，进行Allan方差、角度随机游走和偏置稳定性的测量，最终测得陀螺标度因数为6.28 μV/(°/s)，陀螺灵敏度为0.53 °/s。

图3 美国加州大学研制的集成光学芯片Fig.3 Integrated optical chip proposed by the University of California

2020，美国KVH公司[18,19]针对无人机、车辆等应用需求开发了一型基于集成光学芯片的低成本、高可靠集成化光纤陀螺。在1 cm2尺寸的Si3N4基集成光学芯片上集成了2个耦合器和1个起偏器（如图4所示），用集成光学芯片取代陀螺产品中的3个分立光学器件。为了缩小器件尺寸，耦合器的芯层采用Si3N4材料，涂覆层为SiO2材料。采用片上集成起偏器连接2个耦合器，通过对片上起偏器件的结构优化以及增加一定厚度的涂层材料，可以大幅提升起偏器的消光比（白光干涉仪实测消光比45.3 dB），进而有效滤除模式交叉耦合对信号光的干扰；通过精密分光设计，将两个Y分支的耦合分光比控制在0.5±0.01以内，从而降低分光比变化对陀螺性能的影响；通过对Si3N4光波导的加工工艺优化，主要包括波导端面抛光工艺，可以降低Si3N4的传输损耗到0.24 dB/cm左右；在芯片/光纤的光互联上，通过设计模场转换结构实现模场匹配，并对芯片端面进行一定角度的切割和抛光，光纤尖端也抛光成相应的菲尼尔角，在降低反射光影响的同时实现芯片与光纤的低损耗连接。

图4 KVH研制的SiO2基集成光学芯片以及IMU产品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纤陀螺样机，陀螺精度为0.02 °/h并通过了全温（-45～70 °C）性能测试。目前，公司基于集成光学芯片的光纤陀螺已经形成了一个完整的高性能IMU系列，极大提升了陀螺产品的环境适应性和寿命。

此外，波兰Warsaw大学[20,21]、加州理工学院[22,23]等也开展了光学器件集成方案光纤陀螺方面的研究工作。

总的来看，光纤陀螺的光学器件集成包括不同的部件集成方案和材料选取方案，其中无源器件集成方案的开环光纤陀螺已经实现了产品级应用，而有源/无源混合集成方案的闭环光纤陀螺还处于原理样机研制阶段，虽然还没有相应的产品问世，但是具有极佳的应用前景。

1.2 基于敏感环圈集成方案的光纤陀螺

敏感环圈集成主要是实现干涉敏感环路的片上集成，目前典型的集成光波导材料主要包括SiO2、Si和Si3N4材料，其目标是为了降低敏感环路集成化引入的损耗问题，从而提升集成化光纤陀螺的理论灵敏度，目前主要研究机构包括UCSB[24]、华中科技大学[25,26]以及北京航空航天大学[27]等，研制的集成化敏感环圈如图5所示。

图5 各研究机构研制的集成化敏感环圈Fig.5 Integrated sensitive coil proposed by the research institutions

表1给出了近几年国内外研究机构基于敏感环圈集成方案的光纤陀螺研究进展，可见样机精度均在几度/小时量级。基于敏感环圈集成方案的光纤陀螺，受限于加工工艺的影响，实际研制的光波导传输损耗还较大，无法通过增加环圈长度来提高陀螺的理论精度，因此基于敏感环圈集成的光纤陀螺总体上还处于实验室探索阶段，要实现工程应用，还有很多技术问题需要研究解决。

表1 基于敏感环圈集成方案的光纤陀螺研究进展Tab.1 Research progress of fiber optic gyroscope based on integrated sensitive coil

综上所述，集成化光纤陀螺的设计方案直接决定陀螺最终性能，目前基于“光学器件集成+环圈细径化”方案的集成化光纤陀螺有望在保持光纤陀螺极高精度优势的基础上大幅降低其SWaC。

从国外集成部件发展来看，现阶段要想实现光源、探测器、耦合器、相位调制器所有光学器件的单片式全集成存在一定难度，主要是由于制作光源的InP有源材料无法在Si、SiO2等无源材料上实现生长，而必须采用键合、端接等混合集成方法，在此过程中集成光学芯片的设计和制造工艺水平将会直接决定器件性能，进而影响集成光学器件在光纤陀螺中的应用效果。从材料制造与加工而言，SiO2基集成方案具有较低的制造成本，但是受限于最小弯曲半径的影响，研制的集成光学芯片会相对较大，通常在几十mm2量级。Si3N4基和Si基平台的流片成本较高，但是波导弯曲半径得到了大幅降低，适用于更高的集成度和更小的芯片尺寸，尤其是Si基集成光学芯片尺寸可大幅降低到几mm2，但是由于Si基模场直径与光纤差别较大，导致芯片/光纤的耦合损耗较大，此外有源器件的高密度集成会导致芯片的整体温升较高，对集成光学芯片性能（如输出光功率稳定性、波长稳定性等）造成影响，进而影响到集成化光纤陀螺性能。

2 光学器件集成方案光纤陀螺研究进展

2.1 总体技术方案

我们采用“光学器件集成化+环圈微型化”的总体技术方案：将实现光信号收发、分光、调制的各光学器件实现芯片化集成，采用新一代超细径光纤实现敏感环圈的微型化，在确保集成化光纤陀螺精度的前提条件下降低光路体积和熔装复杂度。在集成工艺平台方面，采用成熟且成本较低的SiO2基作为衬底材料，通过离子掺杂实现低损耗的PLC光芯片，光源、探测器以及调制器芯片通过微组装工艺实现与PLC光芯片间的耦合连接。

集成化光纤陀螺的核心是集成光学芯片，芯片的集成方案直接决定了后期陀螺的光路结构，按照芯片上集成光学器件个数的不同可分为：“三合一”集成方案和“四合一”集成方案，分别实现光源/探测器/耦合器集成和光源/探测器/耦合器/光学调制器集成。“四合一”集成光学芯片方案如图6(a)所示，光源、探测器和Y1分束器集成到SiO2基底上，而光学调制器采用传统LiNbO3体材料实现起偏、Y2分束器光路分光以及相位调制功能，两个芯片之间通过端面耦合方式实现不同基底材料间的混合集成[28]，“四合一”集成光学芯片上存在一个由Y1分束器和Y2分束器构成的“双Y”分支波导，存在空间模式误差，导致陀螺存在较大的固有零位漂移。“三合一”集成光学芯片方案如图6(b)所示，在SiO2基底上通过片上耦合集成光源、探测器和Y1分束器，通过在“三合一”集成光学芯片和集成光学调制器之间增加一个空间模式滤波器，能够有效滤除“双Y”分支波导引入的空间模式误差，从而消除“四合一”集成方案光纤陀螺存在的固有零位和零位漂移问题[29]。

图6 集成光学芯片典型结构Fig.6 Typical structure of integrated optical chip

2.2 部件研究进展

本文主要探讨采用“三合一”集成光学芯片完成光纤陀螺研究进展情况，集成化光纤陀螺的性能指标与集成光学芯片性能存在直接依赖关系，我们采用SiO2基PLC技术，集成光学芯片的整体布局如图7(a)所示。首先采用光波导集成工艺完成Y1分束器芯片研制，通过对耦合区波导宽度、亚波长结构周期及占空比、以及耦合区长度等参数进行全局优化，可实现超小型、大带宽3 dB分束器，设计耦合分光比为(50 ± 2)%；光源芯片采用InP材料的SLD芯片，为了实现宽光谱的片上超辐射发光，在提高器件输出功率的同时尽可能增大SLD芯片的光谱宽度，采用量子阱混杂工艺，使用相同组分不同阱宽的多量子阱结构作为SLD有源区结构，有效增大光谱宽度；光子探测器（PIN）芯片采用InGaAs材料，重点关注响应度和暗电流两个参数指标：通过优化制备工艺提高材料的吸收系数，通过材料缺陷、表面漏电流、金属半导体接触电阻优化设计，降低PIN芯片的暗电流大小，探测光信号随后通过场效应晶体管（FET）电路实现电流信号到电压信号的转换，供检测电路实现陀螺转速检测；SLD芯片和PIN芯片分别通过透镜光路和物理键合方法实现与Y1分束器芯片之间的光耦合连接，形成一块组合芯片；集成光学芯片通过过渡热沉安装在热制冷器（TEC）上，通过温度控制确保集成光学芯片的稳定功率和波长输出。通过电端口引线设计，完成集成光学芯片的封装固化，封装后的结构外形如图7(b)所示，该金属封装的接口和引线键合允许与16个电气引脚和光纤尾纤进行电接触，以隔离外部环境对集成光学芯片的干扰。

图7 “三合一”集成光学芯片结构及实物Fig.7 Structure and package diagram of the "three in one"integrated optical chip

对研制的“三合一”集成光学芯片进行性能测试，测试结果如表2所示，从表中可见：集成光学器件的主要指标与传统分立光源、探测器及耦合器指标相当，能够满足光纤陀螺应用需求。

表2 “三合一”集成光学芯片性能测试结果Tab.2 Performance test results of "three in one"integrated optical chip

微小型高对称光纤环圈是集成化光纤陀螺的敏感部件，其外形尺寸直接限制陀螺最终外形，其性能直接影响陀螺精度和环境适应性：环圈损耗与背向散射噪声大小影响陀螺精度，环圈良好的对称性是确保集成化光纤陀螺温度、振动和磁场等环境适应性的前提条件。

本文采用小弯曲半径的超细径保偏光纤，减小光纤环圈尺寸以满足陀螺小型化需求，同时光纤环圈尺寸的降低可以有效提升环圈内部温度场均匀性，从而降低陀螺的温度敏感性。为了解决小型化环圈绕制过程的几何对称性和应力对称性问题，使得环圈内部应力均匀分布而且可控，采用正交四极对称方法实现小型化光纤环圈绕制。同时，为了降低环圈环境因素引入的内应力变化，针对细径光纤特点改进了施胶固化工艺，研制的小型化光纤环圈如图8所示，其中光纤环圈相关参数为：内径10 mm，外径32 mm，长度1350 m，按照文献[30]中的精度计算公式得到，采用该环圈的光纤陀螺设计精度[30]为0.023 °/h。

图8 微小型高对称光纤环圈Fig.8 Micro and high-symmetry optical fiber coil

集成化光纤陀螺用到的电路主要包括信号检测电路和驱动控制电路。信号检测电路主要实现光纤陀螺数字解调、闭环控制及数据通信等功能，本文采用专用集成电路（ASIC）完成信号检测电路研制，具有微小型、高性能、抗干扰的技术优势；驱动控制电路主要通过对光源部分的恒定电流和温度控制实现集成化器件的稳定光功率和波长输出，为整个光路提供稳定的光信号来源。信号检测电路和驱动控制电路的实物分别如图9(a)和9(b)所示。

图9 集成化光纤陀螺用电路Fig.9 Circuits of the integrated fiber optic gyroscope

2.3 样机研制情况

基于“三合一”集成光学芯片、小型化光纤环圈、信号检测及驱动控制电路，搭建成功集成化光纤陀螺样机（样机实物如图10(a)所示），在集成光学芯片与集成光学调制器之间引入单模光纤作为空间模式滤波器，有效消除空间模式误差引入的固有零位漂移。在前期研究[30]基础上进一步增大光纤环圈的长度和外径以提升集成化光纤陀螺的理论精度，同时通过对集成光学器件的内部金丝走线进行布局优化和电磁屏蔽隔离，有效提升了集成化光纤陀螺的精度水平。

最终研制的集成化光纤陀螺整机尺寸为35 mm×35 mm×35 mm，相较目前传统光纤陀螺尺寸大幅降低。对搭建的集成化光纤陀螺样机进行常温静态性能测试，测试数据如图10(b)所示，100 s平滑后的陀螺零偏稳定性为0.048 °/h，距离其理论精度还有2倍左右的差距，分析其原因主要是因为硅基受限空间下光路串扰对探测器信号的影响，导致信噪比偏低，进而影响陀螺精度。

图10 集成化光纤陀螺样机及测试结果Fig.10 Prototype and test results of integrated fiber optic gyroscope

表3给出了研制的集成化光纤陀螺与国际上主流商用光纤陀螺产品精度/尺寸的对比情况。从表3中可见：研制的集成化光纤陀螺精度与美国KVH公司最新报道的集成化开环光纤陀螺DSP1750精度相当，但是整机体积只有DSP1750的1/2左右；与目前世界最小光纤陀螺-俄罗斯VG191AD相比，本文的集成化光纤陀螺的精度明显更高。综上所述，集成化光纤陀螺相较于同尺寸的光纤陀螺具有显著的精度优势，相较于同等精度的传统光纤陀螺具有显著的尺寸优势。

表3 集成化光纤陀螺与传统光纤陀螺产品对比情况Tab.3 Comparison between integrated fiber optic gyroscope and traditional fiber optic gyroscope

3 集成化光纤陀螺发展展望

光纤陀螺历经多年发展已经取得广泛应用，但是其SWaC难以进一步下降，已成为目前光纤陀螺进一步发展的主要限制因素。2015年以来，随着光学集成技术的快速发展，以Si、SiO2、Si3N4、LiNbO3为衬底的集成光学芯片逐渐获得突破，并已经在光通讯领域获得了应用验证。集成化光纤陀螺正是在这一背景下应运而生，它结合了集成光学芯片的小尺寸优势与光纤陀螺的高精度优势，逐渐成为一种极具潜力的微小型高精度陀螺解决方案。

通过对近年来集成化光纤陀螺研究现状和发展动态的梳理，我们展望未来，形成如下认识：

（1）“光器件芯片化+电路ASIC化+环圈微型化”方案的集成化光纤陀螺有望快速实现系统应用。

通过采用硅基集成/微组装工艺，有望研制成功兼具光源、探测器、耦合器、调制器等多种功能单元为一体的“四合一”集成光学器件，解决光纤陀螺应用时存在的串扰、温升、空间辐射等问题。同时，随着ASIC电路集成度提升、保偏光纤细径化等技术发展，在确保精度的同时进一步降低陀螺体积。在3～5年左右时间研制成功微小型的集成化光纤陀螺，在导航级精度范围具有绝佳的SWaC综合性能优势。

（2）Si基集成光学芯片有望将芯片尺寸从初期的cm2量级降低到mm2量级。

以目前国内研制的“三合一”集成光学芯片为例，由于采用的是SiO2基集成工艺，封装后的器件尺寸还较大，难以满足进一步小型化以及多轴集成化光纤陀螺的应用需求，通过研制成功Si基集成光学芯片可大幅降低集成光学器件尺寸[31-33]，实现集成化光纤陀螺综合性能的进一步提升。针对LiNbO3体材料相位调制器难以与Si基集成等瓶颈难题，可以考虑采用目前国际最新的LiNbO3薄膜相位调制器[34,35]方案，最终实现光源、探测器、耦合器和相位调制器的Si基单片式全集成。目前，国外在硅基集成光学芯片设计、流片及应用方面具有一定优势，国内研究基础相对薄弱，还需加大研究力度。

（3）单片全集成方案的集成化光学陀螺具有批量化制造、大幅降低成本和体积的潜力优势。

单片全集成方案在光学器件集成的基础上将作为敏感部件的光纤环圈也实现了片上集成，有望最终改变传统光纤陀螺的结构组成和制造方法，用片上集成光路实现对分立光纤光路的变革性替代，从而实现集成化光学陀螺的规模化、批量化制造。不过，单片全集成方案的集成化光学陀螺目前面临的主要问题是集成化环圈传输损耗过大，同时环圈微型化尺寸导致灵敏度过低，噪声严重制约陀螺精度，还需要较长时间研究和攻关。