(高清版)GB∕T 38313-2019 宇航用纤维光学器件设计与验证要求

ICS49.035V25中华人民共和国国家标准宇航用纤维光学器件设计与验证要求2019-12-10发布2020-07-01实施国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会GB／T38313—2019前言 2规范性引用文件 3术语、定义和缩略语 3.1术语和定义 4一般要求 4.2设计和开发输入 4.3设计和开发输出 4.4设计流程 5设计要求 5.1功能参数设计 5.6抗辐射设计 5.7可靠性设计 5.8安全性要求 6验证要求 6.1功能和参数验证 6.2环境适应性验证 6.4成熟度验证 ⅠGB／T38313—2019本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。请注意本文件某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC425)提出并归口。本标准起草单位：北京航天时代光电科技有限公司。1GB／T38313—2019宇航用纤维光学器件设计与验证要求本标准规定了宇航用纤维光学器件的功能参数、结构、封装等设计和功能、参数、可靠性等验证要求。本标准适用于宇航用纤维光学器件设计和验证的过程控制和选用，其他领域应用可参照执行。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T7826—2012系统可靠性分析技术失效模式和影响分析(FMEA)程序GB/T14733.12—2008电信术语光纤通信空间系统电力电子]空间系统电力电子控制程序要求[]3术语、定义和缩略语GB/T14733.12—2008界定的以及下列术语和定义适用于本文件。纤维光学器件基于光纤自身特性工作或通过光纤耦合分立元件工作的组件，通过光纤尾纤实现光信号的输入和输出。包括有源纤维光学器件和无源纤维光学器件。3.1.2无源纤维光学器件不必借助外部的任何光或电的能量，自身能够完成某种光学功能的纤维光学器件，包括光纤连接器、光纤耦合器／分束器、波分复用器、光纤衰减器、光纤滤波器、光纤隔离器、环形器、偏振控制器、光纤延迟线、光纤光栅等。3.1.3有源纤维光学器件需要外加能源驱动工作的可以将电信号转换为光信号或将光信号转换为电信号的纤维光学器件，包括半导体光源(半导体光探测器(光纤激光器、光放大器、波长转换器、光调制器、光开关等。3.1.4空间光纤子系统装有纤维光学器件能完成一定独立功能的空间系统，包括光纤传感系统和光纤通信系统等。2GB／T38313—20193.1.5耦合效率耦合的发送侧光功率与接受侧光功率之比，通常以百分比表示。下列缩略语适用于本文件。有源纤维光学器件(装配集成角度物理接触(雪崩光电二极管(商用货架产品(分布反馈(破坏性物理分析(静电放电(布拉格光纤光栅(套管式连接器(失效模式及影响分析(纤维光学器件(法布里-珀罗腔(激光二极管(发光二极管(平均无故障时间(物理接触(光电二极管(无源纤维光学器件(过程识别文件(量子井(抗辐射加固保证(方型连接器(单量子井(直通式光纤连接器(热电制冷器(垂直腔表面发射激光器(4一般要求FOC设计一般应按以下准则进行：设计及验证应满足相关要求；b)优先选用成熟的FOC工作原理及结构的设计方法，COTS产品优先；3GB／T38313—2019满足用户对FOC在空间应用的功能要求、环境适应性要求、可靠性要求；d)设计过程中可选用合适的仿真设计软件，并通过工艺试验对参数进行修正；e)优先选用已在空间环境获得验证的材料与工艺，对新材料及新技术的应用应充分论证；对FOC进行降额设计，FOC应用中承受的应力应低于其额定值；综合考虑FOC的功能、可靠性、风险、经济性等因素，对FOC进行权衡设计。4.2设计和开发输入FOC的设计和开发输入可包括以下内容：a)用户的明确需求；b)对空间环境及系统应用的深入分析，包括采用特定方法计算MTTF的任务剖面；c)用户和行业认可的标准和准则；有助于提高FOC空间应用性能的新技术；e)以前类似的设计和开发活动的信息；f)成熟的加工工艺要求；g)空间系统安全性要求；h)人身健康和安全要求；i)环境保护要求。4.3设计和开发输出FOC的设计和开发输出可包括以下内容：c)制造工艺文件，如工艺规程、工艺细则、数据记录；质量证明文件，如FOC指标书、可靠性报告、应用验证报告；f)使用指南，如操作手册和注意事项。FOC一般按以下流程设计：设计流程按图1进行；b)设计过程应按照GB/T7826—2012进行FMEA,识别设计中的薄弱环节和关键项目，迭代改进设计；c)验证过程中出现的失效应进行失效分析，找到失效原因并改进设计；d)针对验证过程中出现的问题重新设计后，原则上应按完整流程重新验证，但允许对重新设计的环节进行影响分析，选择关联项目进行验证，验证结果补充到原验证报告中。4GB／T38313—2019图1设计流程图5设计要求根据FOC功能及指标要求，选择最优总体设计方案：a)工作机理：同样功能的FOC可能存在多种工作机理类型，需根据指标参数及应用要求确定FOC工作机理，如采用光纤拉锥结构、光纤磨抛结构、光波导结构的分光／合光FOC,采用FP干涉、FBG或薄膜原理的光纤滤波器；采用不同谐振腔结构的激光器；采用光电导机理或光伏机理的光电探测器；采用不同调制机理（声光、电光、弹光）的相位调制器等。b)封装形式：根据应用环境及尺寸要求确定FOC的封装形式及外形结构，确定光纤的弯曲直径；确定光纤连接器的连接方式及端面结构，如光纤连接头类型FC、SC、ST,光纤端面类型PC、APC等。工作环境条件：根据FOC用户的应用要求设计FOC的工作环境条件（如长寿命工作要求、极端环境条件不应用于超出额定工作环境条件的应用领域。d)原材料和辅料：根据工作环境条件确定选用的原材料关键参数，对用于FOC的有机化合物，包括粘接胶、密封胶、灌封胶等，除一般性能指标外，应重点考虑空间环境适应性，如高温降解、空间辐射、真空挥发等。5GB／T38313—2019设计FOC光学参数：通过设计光发射AFOC的工作介质材料和结构，确定输出光模场、发散角、光功率、波长、光谱b)通过设计光接受AFOC的工作介质材料和结构，确定工作波长、响应度、灵敏度等参数；设计PFOC工作波长、插入损耗、回波损耗、消光比、隔离度（光纤隔离器、光纤波分复用器）、设计AFOC电学参数：a)带放大功能探测器的放大电路设计，包括偏置电压、频率带宽、增益、噪声等参数设计；b)激光器驱动回路设计：包括工作电流、调制电流等参数设计；带温控功能AFOC的温控回路设计，包括制冷／热电流、热敏电阻、制冷效率等参数设计；波导调制FOC的电极设计，设计半波调制电压、调制带宽等参数。适用时，AFOC进行低功耗设计，在满足性能和可靠性的前提下，降低对系统功耗的占用：a)选用低功耗内部元件，如低工作电压和低发热量器件。对于光发射AFOC,设计高发光效率半导体管芯，在确定的出光功率要求下降低驱动电流。如芯片有源区采用多量子井结构设计。对温控的AFOC,选转换效率高的制冷器(TEC),降低工作温度范围内的温控电流。外部结构设计要求如下：结构设计应满足用户对FOC外形尺寸、重量、安装方式等方面要求；b)各种检测尺寸应规定适用的公差；c)管壳密封焊接区以外的金属外表面应满足抗腐蚀要求，外引线或引出端材料应满足可焊性和抗腐蚀要求；管状胶封PFOC（如拉锥型光纤耦合器、波分复用器、隔离器等）采用防挤压、耐腐蚀、防污染的金属管，尾纤根部封装胶材料采用防腐蚀、性能稳定、挥发性满足宇航应用要求的有机胶；保证FOC功能及安装的前提下，FOC外形尺寸应尽可能小；f)采用适当的方式固定并保护尾纤。内部结构设计要求如下：根据FOC功能要求及外形尺寸要求，选定合适尺寸的内部元件；b)内部元件的结构布局应综合考虑FOC各项性能；内部导体和内引线在输入最大允许电流时不受损伤；气密封FOC电学芯片粘接推荐使用共晶焊，如采用共晶焊较困难（芯片面积大或结构复杂可以使用导电胶等有机材料，但FOC密封性及内部气体成分需满足要求；6GB／T38313—2019e)根据功能参数要求设计FOC内部光学晶体，如晶体的折射率、外形尺寸、晶向、波导结构等；f)光学晶体粘接固定如需使用有机胶，应采用硬度高（建议邵氏D硬度高于70)、玻璃化温度高（建议高于125℃)、热膨胀系数小（建议低于100×10-6K-1)、工作温度范围宽（建议-50℃~125℃)等特点的有机胶；g)采用光纤熔融拉锥技术的PFOC（如光纤耦合器、波分复用器等）需对锥区尺寸进行设计，见5.2.4,并优化封装尺寸；h)FOC内部光纤需进行设计和加工，满足性能要求，见5.2.5;i)FOC内部光纤耦合设计应保证耦合稳定性，采取光纤耦合设计（见5.2.3)和密封封装设计（见j)内部结构应进行热设计，见5.4。5.2.3光纤耦合设计光纤与FOC内部半导体管芯及光学晶体连接采用耦合方式，为保证光的传输特性和耦合效率，需进行耦合设计，耦合结构在温度、湿度、力学等环境条件下应保持稳定。要求如下：a)根据光束特性设计耦合光纤端面，见5.2.5;b)为保证耦合效率，光纤端面与芯片端面（或光学晶体）的距离及对准角应精确设计；c)光纤与芯片（晶体）对准后，为保证耦合对准的稳定性，推荐至少两个固定点固定光纤；d)气密封FOC采用金属化光纤，金属化光纤通过金属、玻璃、陶瓷焊料与管壳密封固定，非气密封FOC光纤通过胶与管壳粘结。5.2.4光纤熔融拉锥设计对于采用光纤熔融拉锥的PFOC,进行光纤熔融拉锥设计。要求如下：a)拉锥需对光纤并列方式，火焰类型及气体流量，火焰温度及高度，拉锥速率及长度等进行设计。偏振保持光纤拉锥前需进行快慢轴定轴。b)对光纤拉锥区域进行保护，防止灰尘等杂质污染锥区影响FOC性能和可靠性，选择刚性好且物理特性与拉锥光纤匹配的材料，如石英管。c)锥区空腔内如需填充保护，应选择硬度小（邵氏A硬度小于50)、玻璃化温度低（小于-50℃)、比光纤材料折射率低、弹性好的胶。5.2.5光纤尾纤设计光纤尾纤设计包括光纤种类的选择及对光纤端面设计。要求如下：光纤种类选择多模光纤如单模光纤如b)确定光纤参数：截止波长，光纤直径及模场直径、数值孔径，机械张力，弯曲半径等；d)根据耦合光束特性（发光面积、发散角、光谱、偏振）及耦合效率要求，设计光纤端面形状（平面、球面、二次曲面、柱面、锥形、楔形等）及参数（曲率半径、锥角、斜面角等设计光纤出端端面类型(PC、APC等e)根据光波长及对光纤端面的反射要求，设计光纤端面镀膜材料及厚度，保证机械和热特性（镀膜层数、绝缘性f)根据激光腔反射要求，设计FBG反射波长和反射率，温度和辐射环境对FBG的影响应被重点考虑，应优先选用辐射不敏感光纤刻蚀光栅。7GB／T38313—2019封装要求如下：若FOC内部元件易受气体腐蚀或氧化，需对FOC进行气密封装。气密封装FOC使用金属、玻璃或陶瓷（或由它们组合）密封。不存在气体腐蚀和氧化失效机理，或由于工艺限制，不能采取气密封装的FOC,应提供非气密封装不影响FOC长期使用可靠性的证据，并获得使用方和专业鉴定机构的双重认可。气密封装FOC光纤应经过金属化处理，金属化光纤通过金属焊料与管壳焊接封装（金属化光纤一般焊接金属管，金属管与管壳焊接封装后应保证FOC的气密性和在各种环境下耦合的稳定性。非气密封装FOC尾纤通过胶与管壳粘接封装，封装后应保证FOC在各种环境下耦合的稳定性，至少保证密封的水密性。d)封装材料在温度变化中热膨胀系数的失配应不影响封装的稳定性和气密性。不应对FOC进行二次密封。气密封装FOC内部不应使用干燥剂。标识要求如下：标识应保证在后续使用过程中清晰、完整、易于识别、不易脱落；b)标识内容应包括但不仅限于：FOC名称，FOC编号，型号规格，批次号，制造商标识等。发热FOC和对热敏感FOC应进行热设计。要求如下：a)选择热稳定性好、耐温范围宽、功耗低的内部元器件，半导体器件结温应满足降额设计要求；内部焊料及有机粘接材料融化温度应高于FOC工作温度；带温控电路的AFOC热设计应对内部热沉厚度及材料、内部结构热阻、热敏电阻参数、制冷器参数、接触面积、内部器件布局等进行设计；d)设计散热路径，包括导热散热路径和辐射散热路径，如FOC需在真空中工作，需针对真空环境进行专门散热路径；e)采用热设计软件对FOC结构进行设计和仿真分析；满足FOC热设计要求前提下，应选用结构简单、成熟材料、主动散热的设计方法；应对FOC进行低功耗设计。5.5防静电设计AFOC应进行防静电设计，ESD敏感等级应满足ESD模型。要求如下：识别AFOC内部元件静电敏感电压，满足性能要求同时，选择静电损伤阈值高的内部元件。如：激光器管芯掩埋异质结结构相对于脊波导结构抗静电电压高。b)对静电敏感元件进行隔离和保护，尽量使静电敏感元件远离管壳，或者增加管壳内空腔距离。c)设计静电泄放通道，管壳外端接地良好。d)绝缘的管壳与管脚引线之间的绝缘电阻应满足防静电要求。设计满足AFOC防静电要求的包装，并在包装上标明防静电敏感度等级和防静电标识。8GB／T38313—20195.6抗辐射设计针对空间应用环境开展FOC抗辐射设计，FOC抗辐射能力RHA应满足用户要求。要求如下：a)选用抗辐射能力较高的内部元件。b)采用抗辐射光纤做FOC尾纤，例如包层掺氟的纯石英纤芯光纤。光电半导体芯片采用抗辐射能力更强的半导体材料，如宽禁带半导体材料。并通过管芯结构设计提高抗辐射能力，如设计多层掩埋异质结结构的激光器芯片。d)半导体器件进行薄氧化层和隔离区设计。对FOC进行温控设计，降低FOC在辐照中产生的热效应造成FOC性能下降或损伤。f)高分子材料在辐照中容易发生降解，尽量避免在FOC中使用高分子材料。g)如通过其他设计FOC达不到抗辐射要求，可通过抗辐射加固设计提高FOC抗辐射性能，例如采用屏蔽材料对FOC进行辐射防护，常用的材料如铅片和钽片。增加的重量和体积需获得用户认可。内部元件和光纤封装前通过预辐射筛选可降低FOC对辐射的敏感性，预辐射后FOC的性能需进行验证，预辐射筛选需获得用户同意。考核FOC内部元件和光纤通过预辐射降低辐射敏感性的程度和影响，如有必要，预辐射筛选可纳入FOC生产流程。5.7可靠性设计可靠性设计要求如下：a)可靠性设计应贯穿FOC设计全过程，在功能设计的各个环节，都应在满足基本功能的同时，全面考虑影响可靠性的各种因素；开展FOC可靠性热设计，见5.4;开展FOC降额设计，识别FOC降额参数和降额因子，使FOC的使用应力低于设计的额定值，降额参数一般包括温度、功率、工作电压／电流等；开展FOC可靠性技术参数确定，包括FOC在规定条件下参数随时间的退化规律、环境应力适应范围、MTTF及失效率；识别FOC失效模式和失效机理，按照GB/T7826—2012对FOC进行FMEA,尽最大可能消除或控制FOC在寿命周期内可能出现的失效模式，使FOC满足规定的可靠性要求；对FOC设计、验证及后续使用中出现的失效开展失效分析，确定失效模式及失效机理，由设计或制造工艺造成的失效应采取改进措施。5.8安全性要求安全性要求如下：光纤输出端应当根据要求做好安全防护，避免强光对人造成意外和损伤；b)制造商应编制安全手册保证FOC满足人员健康规程，安全手册应基于正常、反常、意外应用条件下的安全性分析；c)应设计强光源的安全操作距离；应计算FOC的最大输入光功率和能量上限；e)应设计安全性试验方案保证FOC满足环境适应性要求。根据设计要求确定FOC制造工艺，并尽可能在设计之初考虑工艺实现方法，采用保证宇航应用可GB／T38313—2019靠性的工艺技术。除以上章节提到的与工艺技术相关的要求外，还包括以下要求：a)采用的工艺应确保实现设计的所有要素，并通过工艺评审和确认，如在现有工艺条件下无法实现设计要求，应反馈设计人员重新进行设计；b)不应使用对空间辐射敏感的原材料；c)具有电连接的FOC内部应采用金丝键合或导线连接，键合点不应涂胶；d)不应使用梁式引线结构的半导体芯片；e)FOC内部及外部不应使用易挥发对人体有害的材料；f)气密封装FOC内部充惰性气体、氮气或工艺需求气体，不应真空封装；g)管壳焊接孔内部和光纤金属管外壁均镀金，焊料的选择应保证焊接的稳定性和长期可靠性，焊料加热温度和加热时间应保证焊料正常流动和浸润，焊料量应精确控制；h)非气密封装FOC采用的密封胶应具有抗震、抗冲击、防潮、防污染、耐腐蚀及玻璃化温度低等特点；i)不应使用纯锡作为引线和壳体的最后涂敷；j)光纤磨抛及其他加工应避免对光纤造成影响可靠性的潜在损伤；k)MRL6应作为工艺过程的最低限度要求；l)AIT过程中应保证FOC未被有害污染；m)为保证FOC在转运和运输中安全，应设计专门的包装；n)应为用户设计解决日常使用问题的各方认可的方案。6验证要求6.1功能和参数验证功能和参数验证要求如下：a)对照用户要求及相关产品标准，对FOC功能和参数进行全面验证；b)功能参数验证应从空间实际应用出发，对FOC在不同条件下的功能性能与实际应用的符合性进行评估、分析，得出不同温度应力、电应力（适用时）条件下的FOC性能变化趋势；c)FOC的全参数性能测试以及不同测试条件下的性能测试，不同测试条件下的性能测试主要选取对条件变化敏感的参数，并绘制性能特性曲线，以便指导用户使用；d)验证FOC参数在预期使用寿命期内和环境条件下满足要求；e)应设计FOC验收试验方案。6.2环境适应性验证验证FOC在可能遇到的规定空间环境下实现其功能和性能的能力。根据空间环境应用，提出FOC一般应开展的环境适应性条件验证，实际验证可根据用户空间应用的条件制定，原则上不应低于如下验证条件：a)高温贮存环境：验证FOC在高温贮存环境下不会引起由合格判据确定的不可逆损坏。推荐验证环境：85℃,2000h,试验后测试FOC关键性能指标（该指标反映高温下FOC的失效模式）。b)低温贮存环境：验证FOC在低温贮存环境下不会引起由合格判据确定的不可逆损坏。推荐验证环境：-55℃,1000h,试验后测试FOC关键性能指标（该指标反映低温下FOC的失效模式）。c)温度循环环境：验证FOC在高低温循环环境下不会引起由合格判据确定的不可逆损坏。推荐验证环境：-55℃~85℃,温变速率不低于10℃/min,100次循环，试验后测试FOC关键性能指标（该指标反映温变条件下FOC的失效模式）。d)温度冲击环境；验证FOC在温度剧烈变化后不会引起由合格判据确定的不可逆损坏。推荐验9GB／T38313—2019证环境温度范围(或冲击次数次试验后测试FOC关键性能指标（该指标反映温度剧烈变化下FOC的失效模式）。e)工作温度环境：验证FOC在高低温变化环境中功能及指标参数满足要求的能力。推荐验证温度环境范围：-40℃~70℃,在温度范围内给FOC通光、通电(AFOC),实时检测FOC关键指标的变化情况。f)振动环境：验证FOC在机械振动环境下不会引起由合格判据确定的不可逆损坏。推荐验证环境：随机振动频率范围20Hz~2000Hz,总均方根20g/s2。试验后测试FOC关键性能指标（该指标反映振动条件下FOC的失效模式）。g)机械冲击环境；验证FOC在力学冲击环境下不会引起由合格判据确定的不可逆损坏。推荐验证环境：半正弦冲击，1500g，0.5ms。试验后测试FOC关键性能指标（该指标反映力学冲击条件下FOC的失效模式）。h)热真空环境：验证FOC真空高温贮存、真空温度循环条件下的适应性；推荐验证环境：真空条件1.3×10-3Pa,温度范围-40℃~70℃,96h,试验后测试FOC关键性能指标（该指标反映热真空条件下FOC的失效模式）和气密性。i)湿热环境：验证FOC在湿热环境下不会引起由合格判据确定的不可逆损坏。推荐验证环境：温度85℃,湿度85%RH,贮存时间1000h,试验后测试FOC关键性能指标（该指标反映高温、高湿条件下FOC的失效模式）。j)辐照环境：验证FOC在空间辐照条件下抗电离总剂量效应、抗辐射位移效应等的能力，应满足用户抗辐射等级要求。推荐验证条件：电离总剂量100krad(Si),中子辐照或等效质子辐照等效总注量6.3可靠性验证验证FOC可靠性是否达到用户空间环境应用要求。可靠性验证如下：a)极限环境试验验证：区别于6.2环境适应性试验，主要验证FOC在热、力、电等应力作用下可承受的应力极限值。验证项目主要包括电应力、温度应力和机械应力极限。最高应力不超过设备的极限并且不改变FOC的失效机理，最低应力以保证合适的激发效率为原则，参照FOC性能参数适当选取，并合理设定完成应力间隔、应力持续时间和应力组合优化等。b)寿命试验验证：按照最长使用时间的3倍进行验证。识别影响FOC可靠性寿命的机理和主要参数，确定寿命