激光器線寬對諧振式光纖陀螺標度因數(shù)的影響

司 琪，馮 喆，于昌龍，孫桂林，于懷勇，雷 明

（北京自動化控制設備研究所，北京100074）

諧振式光纖陀螺是基于光學Sagnac效應來檢測載體相對于慣性空間的旋轉(zhuǎn)角速度的傳感器件[1-3]，采用光纖環(huán)形諧振腔作為核心敏感部件，通過測量諧振腔順時針和逆時針兩路光的諧振頻率的差值來得到轉(zhuǎn)動角速度。在諧振式光纖陀螺系統(tǒng)中，具有一定線寬的激光器的相干長度會影響諧振腔輸出的干涉光之間的相干度，造成諧振峰的展寬，影響諧振腔的清晰度。因此，隨著激光器線寬的加寬，會使得諧振腔的諧振特性變差。為得到較好的諧振特性，以及為便于小型化應用，常使用連續(xù)可調(diào)諧的窄線寬半導體激光器作為光源。但是由于半導體激光器加工工藝的影響，其輸出并不是理想的單頻光，并且受外圍驅(qū)動電路性能和溫度漂移的影響，其線寬會發(fā)生不同程度的展寬。激光線寬的展寬制約著諧振式光纖陀螺的發(fā)展，因此定量分析半導體激光器線寬對陀螺性能的影響，不僅對激光器驅(qū)動的設計具有理論指導作用，更對諧振式光纖陀螺的發(fā)展具有重要意義。

在激光器對諧振式光纖陀螺影響的研究中，2003年浙江大學馬慧蓮課題組在激光器線寬對諧振式光纖陀螺諧振腔清晰度測試以及陀螺極限靈敏度的影響方面作出了一定的理論分析[4]，而近幾年針對激光器線寬的研究較少。2015年北京航空航天大學的馮麗爽課題組在激光器強度噪聲對諧振式光纖陀螺的影響方面取得了較好的進展，并有效抑制了由激光器電流調(diào)諧導致的激光強度噪聲[5]。在以往的研究中，尚沒有在激光器線寬對諧振式光纖陀螺標度因數(shù)的影響上進行深入分析。標度因數(shù)的大小直接反應了陀螺的檢測精度，因此，對陀螺中激光器線寬對陀螺標度因數(shù)的影響進行分析，控制激光器線寬以獲得較大的標度因數(shù)是非常有必要的。

當諧振式光纖陀螺系統(tǒng)中增益保持恒定時，其標度因數(shù)與陀螺解調(diào)曲線的斜率（斜率絕對值）成正比。因此本文針對諧振式光纖陀螺的動態(tài)性能，理論分析光纖諧振腔解調(diào)曲線的斜率受激光器線寬的影響，并利用半導體激光器和16m長、清晰度為43的光纖諧振腔搭建實驗系統(tǒng)進行實驗驗證，從而確定激光器線寬的展寬會非線性地減小標度因數(shù)的結(jié)論，進一步以半高全寬為300 kHz的諧振式光纖陀螺儀為例，得出陀螺標度因數(shù)在1% 范圍內(nèi)變化時其激光器線寬應保持在 3 kHz以內(nèi)的要求。

1 諧振式光纖陀螺諧振腔解調(diào)輸出理論模型

陀螺的開環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。半導體激光器（Laser）發(fā)出的光經(jīng)過隔離器（ISO），在Y波導上分成兩束并進行余弦波相位調(diào)制后進入透射式光纖諧振腔，在諧振腔內(nèi)發(fā)生多光束干涉后，經(jīng)耦合器輸出并進行解調(diào)，解調(diào)結(jié)果由光電探測器PD1和PD2轉(zhuǎn)換為電信號后分別用于激光器鎖頻和陀螺輸出。由于探測器PD1與PD2的輸出線型相同，同時為避免兩路光同時輸入諧振腔造成背反噪聲的干擾，本文選取圖中虛線部分作為研究對象，并在后續(xù)試驗中將Y波導的一條支路Y-2以及探測器PD2斷開。

圖1 諧振式光纖陀螺開環(huán)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The block diagram of resonant fiber optic gyroscope

在諧振式光纖陀螺系統(tǒng)的理論研究中，通常假設作為光源的半導體激光是理想的（單頻光），其電場E(t)為：

其中，E0為激光振幅，ω=2πf（f為激光器中心頻率）。半導體激光器發(fā)出的光在經(jīng)過Y波導上的余弦調(diào)制后變?yōu)镋in(t)：

其中，βcos(Ωt)為余弦調(diào)制信號，β為調(diào)制深度，Ω為調(diào)制頻率。調(diào)制后的光經(jīng)過光纖諧振腔的傳輸，并最終由透射端輸出。透射端輸出電場的貝塞爾展開為EPD1(t)：

其中T(ω)為光纖諧振腔透射端的電場傳遞函數(shù)[6]。根據(jù)式（3），進一步將透射端電場的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為光強的傳遞函數(shù)為：

以上通過分析激光器理想狀態(tài)時諧振式光纖陀螺光路的傳輸模型，從而得到諧振腔透射端的傳遞函數(shù)。通過固定的諧振腔參數(shù)對式（4）進行仿真，結(jié)果如圖2所示，根據(jù)仿真結(jié)果可以看出該傳遞函數(shù)的半高寬為300 kHz。

圖2 諧振腔透射端傳遞函數(shù)模型Fig.2 Transfer function model of transmission end of resonator

由于激光器發(fā)出的光在Y波導上經(jīng)過了余弦相位調(diào)制，在諧振腔透射端輸出后需對其進行余弦解調(diào)處理，并經(jīng)過數(shù)字低通濾波器濾除高次諧波后，可得到諧振腔透射端解調(diào)輸出的傳遞函數(shù)I(ω)為：

然而在實際應用中，激光器發(fā)出的光不是理想的單頻光，且具有不同程度的線寬展寬。接下來，本文對激光器處于非理想狀態(tài)時諧振式光纖陀螺諧振腔透射端的解調(diào)輸出信號進行研究。

普通激光器的光譜線型和線寬主要是由頻率噪聲所決定的，包括白噪聲和1/f噪聲[6]。對半導體激光器而言，其光譜線型以及線寬的展寬主要是受到白噪聲的影響。在白噪聲的影響下，半導體激光器的光譜線型是洛倫茲型，因此其光譜的函數(shù)表達式可以寫為[7,8]：

其中，fL是半導體激光器的線寬，I0L是半導體激光器中心頻率處的光強，ω0是半導體激光器的中心頻率。對式（6）進行積分，可得到半導體激光器輸出光強ILaser的表達式為[9]：

當驅(qū)動電流不變時，半導體激光器的輸出光強不變，即在一定驅(qū)動電流下，ILaser為定值。為方便計算，將式（6）改寫為：

諧振式光纖陀螺中，半導體激光器發(fā)出的光經(jīng)過Y波導和諧振腔的傳輸過程，在數(shù)學上可理解為激光器光譜函數(shù)與陀螺光路傳遞函數(shù)的卷積過程[10,11]。令δω=ω-ω0，根據(jù)式（5）和式（8）可以求出諧振腔透射端的解調(diào)輸出信號IOUT(ω)的表達式為：

2 諧振式光纖陀螺諧振腔解調(diào)輸出模型仿真

將激光器輸出光強ILaser歸一化為1，分別取激光器線寬為1.5 kHz、3 kHz、15 kHz、50 kHz、150 kHz和300 kHz，對式（9）進行仿真，得到諧振腔透射端輸出的解調(diào)曲線IOUT(Δf)，如圖3所示。其中Δf為激光器頻率與諧振腔諧振頻率的差值，Δf=(ω-ωresonant)/2π，且ωresonant為陀螺諧振腔諧振頻率的角頻率。在實際應用中，每次啟動時陀螺系統(tǒng)的初始相位是不確定的，若進行多次重復試驗，則會引入相位抖動帶來的誤差。為消除這種誤差的影響，本文在后續(xù)試驗中采取直接測試|IOUT(Δf)|（實虛部平方和的算術平方根）的方式對諧振腔透射端輸出的解調(diào)曲線斜率進行計算。根據(jù)圖3可以得到|IOUT(Δf)|的理論圖形，如圖4所示。

圖3 光纖諧振腔解調(diào)輸出曲線Fig.3 The demodulation output curve of fiber cavity

圖4 光纖諧振腔解調(diào)曲線的模Fig.4 The absolute value of the demodulation output curve of fiber cavity

從圖3、圖4中可以看出，隨著激光器線寬的增大，諧振腔透射端輸出的解調(diào)曲線的斜率在逐漸減小，導致陀螺的標度因數(shù)也在減小。對不同激光器線寬下的陀螺解調(diào)曲線斜率進行進一步計算，分析得到解調(diào)曲線斜率變化1%，也即陀螺標度因數(shù)變化1%的激光器線寬范圍。

在上述理論計算中，已將激光器光強歸一化為1[12]，并且沒有引入環(huán)路增益，解調(diào)曲線斜率的理論值與實際測量值將會有很大不同。因此本文通過計算解調(diào)曲線斜率變化的百分比來比較理論與實驗中不同線寬之間斜率的差異，從而驗證理論分析的正確性。首先根據(jù)式（5）可以求出在理想狀態(tài)時解調(diào)曲線斜率約為4.03×10-7。同時，對圖3進行計算并擬合得到解調(diào)曲線斜率與激光器線寬的關系曲線，如圖5所示。

圖5 解調(diào)曲線斜率與激光器線寬的關系曲線Fig.5 Relation curve between slop of demodulation curve and line width of laser

根據(jù)圖5的曲線可以看出，當半導體激光器的線寬為3 kHz時，歸一化的解調(diào)曲線斜率約為4×10-7，與理想狀態(tài)時相差0.74%。而當半導體激光器線寬大于3 kHz時，解調(diào)曲線的斜率不斷減小。由于陀螺的標度因數(shù)與解調(diào)曲線斜率成正比關系，所以陀螺標度因數(shù)與激光器線寬的關系同樣符合圖5曲線。因此對于半高寬為300 kHz的諧振腔，為保證標度因數(shù)偏離理想狀態(tài)的程度不超過1%，應將激光器線寬控制在3 kHz以內(nèi)。

3 試驗驗證

根據(jù)圖1，采用腔長為16 m，折射率為1.45，清晰度為43，半高寬為300 kHz的光纖諧振腔搭建實驗系統(tǒng)。通過改變驅(qū)動電路的帶寬來控制半導體激光器的線寬，測試在不同激光器線寬下，光纖諧振腔的解調(diào)輸出變化。為確定激光器的線寬，首先采用N1601C單頻激光器噪聲測試儀測試了激光器在不同驅(qū)動狀態(tài)下的頻率噪聲，測試曲線如圖6所示。激光器線寬fL的表達式[6,13]為：

其中C為半導體激光器白噪聲的功率譜密度，單位為Hz2/Hz。根據(jù)圖6的測試結(jié)果可以計算出激光器的三種線寬分別約為3 kHz、100 kHz、200 kHz。

圖6 半導體激光器頻率噪聲測試圖Fig.6 The test image of semiconductor laser frequency noise

設置調(diào)制頻率為100 kHz，分別使激光器工作在3 kHz、100 kHz、200 kHz線寬下，對諧振式光纖陀螺進行調(diào)制解調(diào)實驗，實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同激光線寬下的諧振腔解調(diào)線測試結(jié)果Fig.7 The test results of resonant cavity demodulation line under different laser line widths

在每個線寬的實驗中均采集12組解調(diào)曲線圖像，計算每組測試曲線的斜率，并取12組平均值作為當前線寬下的解調(diào)曲線斜率。由此可以得到當激光器線寬分別為3 kHz、100 kHz、200 kHz時，諧振腔解調(diào)曲線的斜率分別為130 V/Hz、79 V/Hz、56 V/Hz（12組數(shù)據(jù)的平均值）。計算可得，激光器線寬100 kHz時的斜率值比3 kHz時降低了39.2%，200 kHz時的斜率值比3 kHz時降低了56.9%。在圖5的仿真結(jié)果中，激光器線寬100 kHz時的斜率值比3 kHz時降低37.7%，200 kHz時的斜率值比3 kHz時降低59.8%。實際測得的解調(diào)曲線結(jié)果與理論仿真結(jié)果的對比分析如表1所示。

表1 諧振腔解調(diào)曲線斜率的理論值與試驗值對比分析結(jié)果Tab.1 The comparison between the theoretical value and the experimental value of the slop of the demodulation cyrve

由上述分析可以看出，實驗結(jié)果和理論仿真結(jié)果基本吻合。因此對于半高寬為300 kHz的光纖諧振腔，圖5中激光器線寬與諧振腔解調(diào)曲線斜率的關系曲線圖得到驗證，是正確的，從而進一步得出應將激光器的線寬控制在3 kHz以內(nèi)，才能保證標度因數(shù)偏離理想狀態(tài)的程度不超過1%的結(jié)論。

4 結(jié) 論

在諧振式光纖陀螺中，激光光源并不是理想的單頻光，不同程度的線寬展寬會導致陀螺的標度因數(shù)降低。本文通過研究激光器線寬對諧振腔透射端解調(diào)曲線斜率的影響，得到了陀螺標度因數(shù)變化與激光器線寬的關系。對于半高寬為300 kHz的光纖諧振腔，當半導體激光器線寬在3 kHz以內(nèi)時，陀螺諧振腔透射端解調(diào)曲線斜率與理想狀態(tài)時相差1%以內(nèi)，也即陀螺標度因數(shù)因受激光器線寬影響而產(chǎn)生的變化不會超過1%。此外，針對不同半高全寬、不同清晰度的諧振腔，為滿足更加理想的標度因數(shù)變化范圍，應再以本文理論公式為基礎進行進一步推導研究。