基于SOA的光纖陀螺相對強(qiáng)度噪聲抑制研究

吳宛玲，那永林

(北京自動化控制設(shè)備研究所，北京 100074)

0 引言

在充滿電子干擾的未來高技術(shù)條件戰(zhàn)爭中，只有慣性技術(shù)具有高隱蔽性、強(qiáng)抗干擾性和信息連續(xù)性等可貴的軍事特點(diǎn),從而使裝備慣導(dǎo)系統(tǒng)的作戰(zhàn)飛機(jī)或武器既能保持自身的生存,又具有參與攻擊的能力[1]。慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)武器作為戰(zhàn)略武器發(fā)展不可或缺的部分，對于戰(zhàn)略級光纖陀螺的需求越來越高。不僅如此，戰(zhàn)略級光纖陀螺也是衛(wèi)星、潛艇等領(lǐng)域急需的慣性元件之一[2]，因此研制戰(zhàn)略級高精度光纖陀螺具有重要的理論意義和軍事意義。

由于超熒光摻鉺光纖光源具有波長穩(wěn)定性好、光譜寬和輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)，成為高精度光纖陀螺的首選光源[3]。但是隨著光源功率的增加，由寬帶光源產(chǎn)生的相對強(qiáng)度噪聲隨之增加，已經(jīng)成為戰(zhàn)略級光纖陀螺研究中的主要噪聲源之一，采取一定措施來抑制光源強(qiáng)度噪聲已經(jīng)成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

目前國外對抑制光源強(qiáng)度噪聲的研究工作開展的十分廣泛，并且在實(shí)驗(yàn)上已通過采用光電反饋、振幅調(diào)制器、注入鎖定等方式對強(qiáng)度噪聲進(jìn)行抑制[4]。

采用光電反饋方法抑制激光器的弛豫振蕩[5-6]，基本原理是通過輸出光取樣，經(jīng)光電管光電轉(zhuǎn)換后由PID處理電路，將取樣信號反饋至泵浦光源驅(qū)動電路中，通過調(diào)制泵浦驅(qū)動電流，達(dá)到抑制強(qiáng)度噪聲的目的，通過這種方式可在弛豫振蕩峰附近使強(qiáng)度噪聲有25～30dB的下降。

除此之外，Honeywell公司也在對光源強(qiáng)度噪聲抑制技術(shù)進(jìn)行研究。自1993年采用電路相減法進(jìn)行抑制開始，便不斷改進(jìn)，至2006年在光路中加入光學(xué)濾波器來匹配兩路光的光譜，從而在最大程度上抑制光源強(qiáng)度噪聲對陀螺的影響。在2008年對光源強(qiáng)度噪聲電路相減法中的信號光和相減光的噪聲水平進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測來提高光源強(qiáng)度噪聲的抑制效果。它在FPGA中對由信號光和相減光經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)字信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測來評估強(qiáng)度噪聲相減前后陀螺信號的隨機(jī)游走系數(shù)[7]。

國內(nèi)目前大多數(shù)光源強(qiáng)度噪聲的抑制一般采用：電路相減法、驅(qū)動電流內(nèi)調(diào)法和光譜調(diào)制法[8-11]等方法。

不同于以上提到的方法，本文利用半導(dǎo)體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)的非線性效應(yīng)。SOA快速發(fā)展于20世紀(jì)90年代末，隨著量子阱、超晶格技術(shù)的發(fā)展，特別是應(yīng)變量子阱技術(shù)的日趨成熟[12]，人們對SOA進(jìn)行了大量的研究工作，充分利用其體積小、非線性系數(shù)高、器件工藝成熟、能夠?qū)崿F(xiàn)光子集成的諸多優(yōu)點(diǎn)，在基于SOA的很多領(lǐng)域取得了十分豐富的研究成果[13-16]。

基于SOA的非線性效應(yīng)主要包括交叉增益調(diào)制(XGM)、交叉相位調(diào)制(XPM)、四波混頻效應(yīng)(FWM)以及非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NLPR) 等四種。利用非線性大的優(yōu)點(diǎn)，SOA可以用于波長變換、光開關(guān)和光邏輯器件等方面[17]，同時短距離的中繼放大也可采用半導(dǎo)體光放大器。

利用SOA的非線性，使其處于增益飽和狀態(tài)，對光源相對強(qiáng)度噪聲進(jìn)行抑制，不僅更易實(shí)現(xiàn)，而且操作更簡單。此方法在國外已經(jīng)提出并驗(yàn)證，但是在國內(nèi)相關(guān)研究才剛剛起步。

1 光纖陀螺中的相對強(qiáng)度噪聲

相對強(qiáng)度噪聲(Relative Intensity Noise，RIN)是指光源輸出能量的振蕩，是寬帶光源的各種傅里葉分量之間的拍頻引起的附加噪聲，反映光源幅值特性，與探測過程無關(guān)。散粒噪聲是光子轉(zhuǎn)換成電子時產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，是光纖陀螺的一種最基本的噪聲源，構(gòu)成了干涉型光纖陀螺的基本測量極限。

I(t)表示在時刻t時光的瞬時強(qiáng)度，W表示檢測時間T內(nèi)光的積分強(qiáng)度。

(1)

W的均值為

(2)

W的方差為

(3)

Γ1(τ)表示光瞬間強(qiáng)度的自相關(guān)函數(shù)，τc表示光的自相干時間。

Γ1(τ)=E[I(t)I(t+τ)]

(4)

將式(4)代入式(3)中，得

(5)

由于Γ1(τ)是偶函數(shù)，故式(5)可以化簡為

(6)

γ(τ)表示光場的歸一化二階自相關(guān)函數(shù)，而Γ1(τ)可以看作光場的四階相干函數(shù)。

(7)

因此，當(dāng)τ≥τc時，有γ(τ)=0。

摻鉺光纖光源具有中心波長穩(wěn)定、自相干時間短的特點(diǎn)，因此檢測時間T遠(yuǎn)大于光的自相干時間。將式(7)代入式(6)，得到

(8)

由式(8)可以看出，光在檢測時間T內(nèi)積分強(qiáng)度W的方差，即產(chǎn)生的相對強(qiáng)度噪聲大小與積分強(qiáng)度W的均值的平方成正比，與光源的相干時間τc成正比，與檢測時間T成反比[18]。

我們知道光子數(shù)在單位時間內(nèi)是服從泊松分布的，假設(shè)p(x=K)表示檢測時間內(nèi)檢測到k個光子的概率。因此，光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的平均電流為

(9)

(10)

可以看出，光子噪聲和暗電流組成了散粒噪聲，其中id為暗電流，其值的大小主要受溫度影響。

熱噪聲是指探測器中跨阻抗放大器反饋電阻的Johnson噪聲，用Johnson噪聲公式可以計算出這種熱噪聲電流的大小。

(11)

其中，kB是玻爾茲曼常數(shù)，其值一般為1.3806504×10-23J/K，Ta是溫度，R為跨阻放大器的阻值。

(12)

由式(12)可知，來自探測器的熱噪聲與散粒噪聲和光源的相對強(qiáng)度噪聲相比，量級較小，且散粒噪聲和強(qiáng)度噪聲分別與平均光電流的平方根和其本身成正比。因此，當(dāng)?shù)竭_(dá)探測器的光強(qiáng)低時，散粒噪聲是主要噪聲，而當(dāng)光強(qiáng)增加到一定大小后，強(qiáng)度噪聲將成為光纖陀螺中的主要噪聲。

從隨機(jī)游走的角度來說，隨機(jī)游走系數(shù)可以由信噪比(Signal-to-noise ratio, SNR)來判定：信噪比越高，隨機(jī)游走系數(shù)越小[19]。光纖陀螺中，探測器的熱噪聲相比于其他2個噪聲可以忽略不計，因此光纖陀螺的信噪比為

(13)

可以看出，當(dāng)光功率增大到一定程度后，信噪比將由相對強(qiáng)度噪聲決定，繼續(xù)提高光功率，信噪比會保持不變，因而隨機(jī)游走系數(shù)也不會降低。所以，對于使用發(fā)光功率高的摻鉺光纖的高精度光纖陀螺，降低隨機(jī)游走，提高陀螺精度，必須從抑制相對強(qiáng)度噪聲的方面入手。

2 半導(dǎo)體光放大器的結(jié)構(gòu)原理

SOA在結(jié)構(gòu)和原理上與半導(dǎo)體激光器類似。結(jié)構(gòu)上，都由有源區(qū)和無源區(qū)構(gòu)成；原理上，都是基于受激輻射或受激散射原理來實(shí)現(xiàn)入射光信號放大的一種器件，但是SOA無反饋，其基本結(jié)構(gòu)是一個p-n雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，可以對注入的非平衡載流子形成有效的制約。半導(dǎo)體光放大器兩端都涂有抗反射涂層，用來防止菲涅爾反射[20]。

在半導(dǎo)體光放大器中，電子的能級限制在導(dǎo)帶和價帶2個帶內(nèi)，在導(dǎo)帶和價帶中充當(dāng)載流子的分別為電子和空穴。當(dāng)導(dǎo)帶底和電子之間的每個態(tài)都被填滿，而帶價頂和空穴之間的所有態(tài)都是空的時，光放大就會得到實(shí)現(xiàn)。

Agrawal(1989)提出的描述受激輻射復(fù)合引起載流子消耗而導(dǎo)致增益飽和的速率方程在半導(dǎo)體器件研究中應(yīng)用的相當(dāng)廣泛，下面直接給出

(14)

其中，I表示泵浦電流，ηI為電流注入效率，e為電子電量，V為半導(dǎo)體材料有源區(qū)的體積，Γ模場限制因子，vg是光在有源區(qū)內(nèi)的群速度，Si為第i束光的光子密度。由式(14)可知，光信號在被放大的同時將引起SOA中載流子的消耗，因而會出現(xiàn)增益隨注入光功率增大而減小的現(xiàn)象，即增益飽和，如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)輸入功率較小并在SOA線性區(qū)域內(nèi)時，噪聲被放大；而當(dāng)輸入功率增大，達(dá)到SOA的增益飽和區(qū)時，噪聲得到了抑制，這是由于增益飽和引起了SOA放大特性中的非線性。因此，在增益飽和造成的非線性區(qū)域使用光放大器，會對光功率的波動進(jìn)行壓縮，與通常的線性放大器相比，可以降低噪聲指數(shù)。

本次實(shí)驗(yàn)選用INPHENIX公司的型號為IPSAD15BGA-5110的半導(dǎo)體光放大器，并對SOA性能進(jìn)行了摸底測試，測試結(jié)果如圖2所示，其中黑色、紅色、藍(lán)色、綠色曲線分別代表SOA的驅(qū)動電流的值為500mA、400mA、300mA、200mA。從圖2中可以看出，不同驅(qū)動電流下處于增益飽和狀態(tài)的SOA對光功率的放大倍數(shù)不同；同時還可以看出，輸入功率大致在2mW以上時，SOA進(jìn)入增益飽和區(qū)。

3 RIN抑制實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

通過理論分析并對上述實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可以看出，處在增益飽和狀態(tài)下的半導(dǎo)體光放大器能夠起到抑制光源噪聲的效果，陀螺的隨機(jī)游走系數(shù)減小到56%，陀螺的零偏穩(wěn)定性由抑制之前的千分之一提高到萬分之五左右，精度提高1倍，效果明顯。此外，該方法實(shí)現(xiàn)起來較其他方法更簡單，沒有電路調(diào)試、設(shè)計等復(fù)雜過程，在高精度光纖陀螺光源中應(yīng)用更為方便。

在目前的試驗(yàn)方案中，SOA體積較大，不利于該項(xiàng)抑制技術(shù)的工程應(yīng)用。計劃將來對SOA的體積進(jìn)行優(yōu)化，并設(shè)計SOA光源一體化的方案，對陀螺整體性能進(jìn)行全面評測，以便將SOA 更好地應(yīng)用到工程實(shí)踐中去。