諧振式光纖陀螺用激光器最優(yōu)工作區(qū)間探究

李建華，于懷勇，吳衍記，雷 明

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074)

諧振式光纖陀螺用激光器最優(yōu)工作區(qū)間探究

李建華，于懷勇，吳衍記，雷 明

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074)

激光器為諧振式光纖陀螺(R-FOG)的關(guān)鍵器件，根據(jù)R-FOG對激光器的要求，提出了一種R-FOG用激光器最佳工作點(diǎn)及最優(yōu)工作區(qū)間的確立方法，制定了激光器性能自動(dòng)化測試方案，得到激光器光功率、中心波長與電流、溫度的變化關(guān)系。由此推導(dǎo)出2個(gè)激光器電流與溫度的最佳工作點(diǎn)，并利用拍頻檢測原理確立2個(gè)激光器電流與溫度的最優(yōu)工作區(qū)域。激光器最優(yōu)工作區(qū)域的掌握，為其應(yīng)用于R-FOG提供了詳實(shí)的參數(shù)指標(biāo)。

諧振式光纖陀螺；半導(dǎo)體激光器；最佳工作點(diǎn)；最優(yōu)工作區(qū)間

0 引言

小型洲際導(dǎo)彈、小型化飛航導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)快速發(fā)展，迫切需要一種小型化高精度的陀螺，而諧振式光纖陀螺具備在小體積下實(shí)現(xiàn)高精度的潛力[1-3]。激光器為R-FOG的關(guān)鍵器件，需要具備窄線寬與可調(diào)諧的特點(diǎn)，但此種激光器往往體積較大[4]。因此，尋找一種窄線寬可調(diào)諧的小型化激光器對于實(shí)現(xiàn)小型化R-FOG特別重要。

外腔半導(dǎo)體激光器窄線寬可調(diào)諧及小型化的優(yōu)良特性[5-7]，具備利用拍頻方式檢測旋轉(zhuǎn)角速度R-FOG的潛力，這就需全面掌握2個(gè)外腔半導(dǎo)體激光器的性能指標(biāo)。本文利用基于LabVIEW的虛擬測試平臺，對2個(gè)外腔半導(dǎo)體激光器進(jìn)行詳細(xì)的測量，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出其最佳工作點(diǎn)及最優(yōu)工作區(qū)域。外腔半導(dǎo)體激光器性能的掌握，對其應(yīng)用于R-FOG具有指導(dǎo)意義。

1 拍頻檢測基本理論

兩束不同激光的復(fù)振幅表達(dá)式為[8-9]：

E1(t)=E1cos(ω1t+φ1)

E2(t)=E2cos(ω2t+φ2)

(1)

其中，E為振幅，ω為頻率，φ為相位。兩束在空間傳播的激光重合時(shí)，若其相位關(guān)系固定，則可產(chǎn)生拍頻。兩束光振幅相等時(shí)，可合成為

E=E1+E2=

(2)

在實(shí)際探測過程中，需要ω1-ω2處于探測器截止頻率以內(nèi)才可以響應(yīng)，這就要求兩束激光波長盡可能接近，從而使|ω1-ω2|小于1GHz[10]。

波長、頻率與光速三者乘積關(guān)系為ν=c/λ,兩邊求一階導(dǎo)數(shù)，得

(3)

由式(3)計(jì)算可得，對于波長在1550nm附近的光波，若使|ω1-ω2|小于1GHz，需要波長差小于8.20pm。

2 半導(dǎo)體激光器測試方法及最佳工作點(diǎn)分析

2.1 半導(dǎo)體激光器測試方法設(shè)計(jì)

為快速精確實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器性能的測試，設(shè)計(jì)了如圖1所示的測試平臺。上位機(jī)通過驅(qū)動(dòng)器可控制多個(gè)激光器的電流和溫度，發(fā)出的光束經(jīng)過耦合器分光之后可實(shí)現(xiàn)激光器多個(gè)參數(shù)指標(biāo)的測量。利用此設(shè)計(jì)方案搭建的測試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)激光器多個(gè)性能指標(biāo)的同步測量。

2.2 半導(dǎo)體激光器最佳工作點(diǎn)分析

(1)半導(dǎo)體激光器電流最佳工作點(diǎn)

半導(dǎo)體激光器光功率隨電流變化的曲線如圖2所示，光功率隨著電流的增大而增加。當(dāng)控制電流在Imin與Imax之間變化時(shí)，光功率與電流近似呈線性關(guān)系，易于實(shí)現(xiàn)光功率的控制。因此半導(dǎo)體激光器的最佳工作點(diǎn)在線性區(qū)間的中點(diǎn)Ip附近。半導(dǎo)體激光器電流最佳工作點(diǎn)表達(dá)式為

(4)

式中，Imin為光功率隨電流線性變化的起點(diǎn)，Imax為激光器電流最大值。

圖2 半導(dǎo)體激光器I-P關(guān)系示意圖Fig.2 Semiconductor laser I-P relationship schematic

(2)半導(dǎo)體激光器溫度最佳工作點(diǎn)

半導(dǎo)體激光器光功率隨溫度變化的曲線如圖3所示，升溫過程與降溫過程光功率隨溫度變化有不同的趨勢。降溫曲線光功率較小，半導(dǎo)體激光器溫度工作點(diǎn)需在升溫曲線上選擇。升溫曲線中光功率隨溫度升高的拐點(diǎn)(光功率突變)為Tmax，降溫曲線光功率隨溫度降低的拐點(diǎn)為Tmin，半導(dǎo)體激光器溫度的最佳工作點(diǎn)為2個(gè)拐點(diǎn)的中點(diǎn)Tp，該點(diǎn)附近光功率較大且隨溫度近似呈線性變化，易于實(shí)現(xiàn)光功率的控制。半導(dǎo)體激光器溫度最佳工作點(diǎn)的表達(dá)式為

(5)

圖3 半導(dǎo)體激光器T-P關(guān)系示意圖Fig.3 Semiconductor laser T-P relationship schematic

3 半導(dǎo)體激光器性能測試及確立工作區(qū)間

3.1 性能測試

利用上述的激光器測試平臺，分別對2個(gè)激光器進(jìn)行測量，得到半導(dǎo)體激光器特性如下。

(1)半導(dǎo)體激光器I-P特性

以0.5℃為步長將激光器一的控制溫度設(shè)定在25℃～35℃之間的定值，測得電流與光功率之間的I-P關(guān)系如圖4所示，電流的測試范圍為0～120mA?？傮w上，激光器的光功率隨著電流的增大而增大，其中溫度為25℃時(shí)，當(dāng)電流增加到110mA后，光功率達(dá)到最大值并趨于平穩(wěn)，不再隨著電流的增加而增大；溫度高于33.5℃時(shí)，隨著電流的增加，激光器出現(xiàn)消光現(xiàn)象(光功率突然大幅度降低)，此后光功率隨著電流的增加而增加，且設(shè)定溫度越高，消光現(xiàn)象出現(xiàn)的越早。以溫度為30.5℃為例，電流在90～120mA之間變化時(shí)，激光器光功率隨電流近似線性增大，兩者之間的表達(dá)式為

P=0.18I-8.8, 90≤I≤120

(6)

由式(6)可知光功率隨電流增加的變化率為0.18mW/1mA，因此調(diào)節(jié)電流的變化可實(shí)現(xiàn)光功率的控制。該半導(dǎo)體激光器的最大電流為130mA，由式(4)可知其最佳電流工作點(diǎn)為110mA。此外，隨著溫度設(shè)定值的升高，表現(xiàn)為I-P特性的上升，可見光功率同時(shí)會受到溫度改變的影響，溫度是控制光功率的另一重要因素。

圖4 激光器一I-P關(guān)系示意圖Fig.4 I-P relationship schematic of laser I

將溫度設(shè)定在以0.5℃為步長21℃～31℃的范圍內(nèi)，測得激光器二的I-P關(guān)系圖如圖5所示，與激光器一有著類似的變化趨勢，同理可得其電流的最佳工作點(diǎn)為113mA。26℃時(shí)，光功率與電流的表達(dá)式為

圖5 激光器二I-P關(guān)系示意圖Fig.5 I-P relationship schematic of laser II

圖6 激光器一T-P關(guān)系示意圖Fig.6 T-P relationship schematic of laser I

P=0.17I-9.5, 100≤I≤120

(7)

(2)半導(dǎo)體激光器T-P特性

將激光器一的控制電流設(shè)為定值，以0.5mA為步長在109～111mA之間設(shè)定,測得激光器光功率隨溫度變化的T-P關(guān)系如圖6所示，包括升溫曲線及降溫曲線兩部分。總體上，升溫時(shí)光功率先隨著溫度的升高而增大，當(dāng)溫度增加到一定值后會出現(xiàn)突然減小的拐點(diǎn)，然后隨著溫度的升高而增大；降溫時(shí)光功率隨著溫度的降低而減小，當(dāng)溫度減小到一定值后會出現(xiàn)突然增大的拐點(diǎn)，然后隨著溫度的降低而減??；在升溫曲線拐點(diǎn)之后與降溫曲線拐點(diǎn)之后的部分，升降溫曲線近似重合。以電流為110mA時(shí)的T-P關(guān)系線進(jìn)行分析，須將溫度控制在32.9℃以內(nèi)，防止半導(dǎo)體激光器在降溫曲線運(yùn)行，避免光功率的突然減小。驅(qū)動(dòng)電流為110mA時(shí)，升溫階段及降溫階段光功率與溫度之間的表達(dá)式為：

(8)

(9)

由式(8)、式(9)可知，升降溫階段光功率有不同變化趨勢，溫度對光功率有著不同的影響。激光器的溫度工作點(diǎn)在升溫曲線28.1℃～32.9℃之間時(shí)，光功率大且隨溫度變化的變化率最小，溫度每升高1℃光功率增加0.25dBm，易于實(shí)現(xiàn)光功率的控制，可選為工作區(qū)間。升溫曲線與降溫曲線的拐點(diǎn)溫度分別為32.9℃與28.1℃，由式(5)可知半導(dǎo)體激光器溫度最佳工作點(diǎn)為30.5℃。

將電流設(shè)定在以0.5mA為步長的112～114mA范圍內(nèi)，激光器二的T-P關(guān)系圖如圖7所示，與激光器一有著類似的變化趨勢。驅(qū)動(dòng)電流為113mA時(shí)，升降溫曲線光功率與溫度之間的表達(dá)式為：

(10)

(11)

由式(10)、式(11)得激光器二溫度的最優(yōu)工作范圍為23℃～29℃，最佳溫度工作點(diǎn)為26℃。

圖7 激光器二T-P關(guān)系示意圖Fig.7 T-P relationship schematic of laser II

(3)半導(dǎo)體激光器I-λ特性

激光器一的控制溫度以0.5℃為步長在29.5℃～31.5℃之間設(shè)定，測得電流與中心波長之間的I-λ關(guān)系如圖8所示，電流的測試范圍為90～120mA。在不同溫度設(shè)定值下，電流在90～120mA之間變化時(shí)，激光器中心波長與控制電流呈線性正相關(guān)，其表達(dá)式分別為

(12)

由式(12)可見，激光器控制電流與中心波長線性表達(dá)式的斜率隨著溫度的升高而逐漸減小，分別為0.15pm/mA、0.13pm/mA、0.11pm/mA、0.09pm/mA、0.08pm/mA。因此，可通過控制電流的大小實(shí)現(xiàn)激光器中心波長精細(xì)化的控制。

圖8 激光器一的I-λ關(guān)系示意圖Fig.8 I-λ relationship of laser I

將溫度設(shè)定在0.5℃為步長25℃～27℃范圍內(nèi)，激光器二I-λ關(guān)系如圖9所示，與激光器一有類似變化趨勢。電流在100～120mA變化時(shí)，不同設(shè)定溫度下，中心波長與電流表達(dá)式為

(13)

圖9 激光器二的I-λ關(guān)系示意圖Fig.9 I-λ relationship of laser II

(4)半導(dǎo)體激光器T-λ特性

將激光器一電流以0.5mA為步長設(shè)定在109～111mA，得激光器中心波長隨溫度變化T-λ關(guān)系如圖10所示?？傮w上，升溫時(shí)激光器中心波長先是隨著溫度的升高而近似線性變大，當(dāng)溫度升高到某一值時(shí)中心波長出現(xiàn)突然減小的拐點(diǎn)，然后隨著溫度的升高而增大；降溫時(shí)激光器中心波長先是隨著溫度的降低而近似線性減小，當(dāng)溫度降低到某一值時(shí)中心波長出現(xiàn)突然增大的拐點(diǎn)，然后隨著溫度的降低而繼續(xù)減小。以驅(qū)動(dòng)電流為110mA進(jìn)行分析，升溫階段及降溫階段中心波長與

圖10 激光器一的T-λ關(guān)系示意圖Fig.10 T-λ relationship schematic of laser I

溫度之間的表達(dá)式為：

(14)

(15)

由式(14)、式(15)可知，升降溫曲線各自的不同階段，溫度對中心波長有不同程度的影響。根據(jù)R-FOG工作原理，激光器中心波長匹配是實(shí)現(xiàn)拍頻檢測的關(guān)鍵指標(biāo)，為避免中心波長大范圍的波動(dòng)，應(yīng)避免激光器進(jìn)入降溫曲線。不同電流設(shè)定值下，溫度在28.1℃～32.9℃變化時(shí)，升溫曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)之前中心波長與溫度之間的表達(dá)式為式(16)

(16)

由式(16)可知不同曲線常數(shù)部分為1549.74308nm(±2.50pm)，斜率為0.01331nm(±0.07pm)，即溫度每升高1℃激光器中心波長變化13.31pm(±0.07pm)，且斜率隨著電流的增大而減小?？梢姕囟茸兓怯绊懠す馄髦行牟ㄩL的關(guān)鍵因素，通過控制溫度可實(shí)現(xiàn)激光器中心波長的粗調(diào)。

將激光器二驅(qū)動(dòng)電流設(shè)定在0.5mA為步長的112～114mA范圍內(nèi)，測得激光器中心波長隨溫度變化的T-λ關(guān)系如圖11所示，與激光器一有類似的變化趨勢。溫度在23℃～29℃變化時(shí),升溫曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)之前中心波長與溫度之間的表達(dá)式為式(17)，同樣可實(shí)現(xiàn)中心波長的粗調(diào)。

(17)

圖11 激光器二T-λ關(guān)系示意圖Fig.11 T-λ relationship schematic of laser II

3.2 工作區(qū)域確立

激光器最佳工作點(diǎn)處光功率/中心波長隨電流溫度的變化關(guān)系如表1所示。R-FOG通過檢測2個(gè)激光器之間拍頻來測量旋轉(zhuǎn)角速度，首先要求2個(gè)激光器中心波長差控制在±4.10pm內(nèi)，最佳工作點(diǎn)處激光器一與二之間中心波長的差值為2.23pm，當(dāng)激光器一溫度在(30.5±0.22)℃變化且激光器二的溫度在(26±0.22)℃變化時(shí)，兩激光器中心波長的變化范圍為±2.99pm，處于中心波長差要求的變化范圍之內(nèi)；當(dāng)激光器一的電流在(110±27.1)mA變化且激光器二的電流在(113±14.9)mA變化時(shí)，兩激光器中心波長的變化范圍為±2.99pm，處于中心波長差要求的變化范圍之內(nèi)。其次要求2個(gè)激光器光功率量級一致，激光器本身功率差別較大，可通過可調(diào)衰減器的損耗實(shí)現(xiàn)光功率的一致。此外，激光器一與二的電流最大值分別為130mA和125mA，電流工作點(diǎn)距離最大值需要預(yù)留5～10mA的裕量。由此可知，激光器一溫度最優(yōu)工作區(qū)域?yàn)?30.5±0.22)℃，電流最優(yōu)工作區(qū)域?yàn)?110±10)mA；激光器二的溫度最優(yōu)工作區(qū)域?yàn)?26±0.22)℃，電流最優(yōu)工作區(qū)域?yàn)?113±5)mA。

表1 激光器光功率/中心波長分析Tab.1 Laser light power/center wavelength analysis

4 結(jié)論

本文通過對外腔半導(dǎo)體激光器性能指標(biāo)詳實(shí)的測量得到如下結(jié)論：

1)設(shè)計(jì)了諧振式光纖陀螺用外腔半導(dǎo)體激光器最佳工作點(diǎn)及最優(yōu)工作區(qū)間的確立方法。

2)據(jù)此方法分析可得本文激光器詳細(xì)性能參數(shù)為：

①當(dāng)激光器一電流在90～120mA，溫度在28.1～32.9℃的范圍內(nèi)變化時(shí)，光功率/中心波長與溫度電流近似呈線性正相關(guān)；激光器二有相應(yīng)線性正相關(guān)的電流與溫度的變化范圍。

②兩激光器最佳電流工作點(diǎn)為110mA和113mA，溫度最佳工作點(diǎn)為30.5℃和26℃。

③R-FOG進(jìn)行拍頻檢測時(shí)，激光器一與二的最優(yōu)工作區(qū)域?yàn)椋杭す馄饕坏臏囟茸顑?yōu)工作區(qū)域?yàn)?30.5±0.22)℃，電流最優(yōu)工作區(qū)域?yàn)?110±10)mA；激光器二的溫度最優(yōu)工作區(qū)域?yàn)?26±0.22)℃，電流最優(yōu)工作區(qū)域?yàn)?113±5)mA。

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ResearchonLaserOptimumWorkAreaofResonatorFiberOpticalGyroscope

LI Jian-hua, YU Huai-yong, WU Yan-ji, LEI Ming

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China)

Laser source is one of the key components in resonator fiber optical gyroscope (R-FOG). According to the R-FOG requirements to the laser, a method to establish laser optimum working point and optimum working area of R-FOG was proposed. A laser performance test program was developed, through which the relationship between the light power, center wavelength, current and temperature were obtained. On this condition, the optimum current and temperature working points of two lasers were presented, and the beat detection principle was used to establish optimum current and temperature work area of two lasers. To master laser optimum work area provides detailed parameter index for which applied in R-FOG.

Resonator fiber optical gyroscope; Semiconductor laser; Best work point; Optimum work area

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.06.018

TN629

A

2095-8110(2017)06-0107-06

2016-10-23；

2017-04-01

李建華(1990-)，男，碩士，主要從事光纖陀螺的研究。E-mail15710065879@163.com