諧振式光纖陀螺用激光器性能研究

李建華，于懷勇，吳衍記，雷 明

(北京自動化控制設備研究所，北京100074)

諧振式光纖陀螺用激光器性能研究

李建華，于懷勇，吳衍記，雷 明

(北京自動化控制設備研究所，北京100074)

諧振式光纖陀螺是實現小型化的潛在方案，而激光器為諧振式光纖陀螺系統中的關鍵器件之一。為全面掌握激光器的性能，根據諧振式光纖陀螺對激光器的要求，制定了基于LabVIEW激光器性能自動化測試的軟硬件設計方案，得到激光器分段線性化的模型，控制電流在90～120mA之間變化時，光功率、中心波長近似呈變化率為0.18mW/mA、0.11pm/mA的線性變化；控制溫度在28.1～32.9℃之間變化時，激光器光功率、中心波長近似呈變化率為0.25dBm/℃、13.31pm/℃的線性變化；此外，光功率變化率為0.17%，中心波長的變化率為0.26×10-6，具備穩定性特性。

諧振式光纖陀螺；半導體激光器；自動化測試平臺；性能測試

0 引言

諧振式光纖陀螺的工作原理表明較短的光纖諧振腔便可實現高精度的檢測，因此，諧振式光纖陀螺是光學陀螺實現小型化發展的一個方向[1-2]。激光器作為諧振式光纖陀螺系統中的關鍵器件之一，對諧振式光纖陀螺測量精度有著重大影響。諧振式光纖陀螺檢測原理表明激光器鎖頻精度決定著諧振式光纖陀螺對旋轉角速度測量的實現，要求激光器具備波長可調諧的特點[3-4]；激光器的線寬決定著諧振曲線的清晰度，要求激光器線寬小于1MHz[5]，具備窄線寬特點。

半導體激光器作為一種具有高轉換效率直接電-光轉換器件，具有體積小、可調諧等潛在優勢[6]。2009年，Rio公司研發出世界上線寬最窄外腔半導體激光器，輸出線寬小于3kHz(6×10-9nm)[7]。該公司產品已經進入工程實用化階段，兼具小體積與可調諧的優點，為其應用于諧振式光纖陀螺提供有力支撐。

為全面掌握外腔半導體激光器性能指標，本文設計基于LabVIEW虛擬平臺的測試系統，并詳細描述測試過程及數據處理結果。半導體激光器性能的掌握，為其應用于諧振式光纖陀螺提供參數指導。

1 諧振式光纖陀螺用半導體激光器基本原理

半導體激光器工作物質為半導體材料，因受激發而產生光束。理論上，激光器發射光束必須滿足兩個條件：粒子數反轉條件，即滿足高能態粒子數必須多于低能態粒子數，才能實現對光子的增益放大；閾值條件，即要求粒子數反轉產生的增益達到大于全部損耗的程度[8]。

(1)粒子數反轉條件

要使半導體中分布在不同能帶上的電子產生凈受激發射，需要導帶的電子數量大于價帶的電子數量，即滿足伯納德-杜拉福格條件

Fc-Fv>hν≥Eg

(1)

其中，Fc為導帶準費米能級，Fv為價帶準費米能級，hv為光子能量，Eg為禁帶寬度。其物理意義為，當導帶與價帶準費米能級之差大于或者等于禁帶寬度，才能實現半導體中粒子數反轉。

(2)閾值條件

如前所述，粒子數反轉到一定程度激光器才能發出光束，即要滿足閾值條件

gth=αt+αout

(2)

其中，gth為閾值增益，αt為增益介質內部損耗，αout為輸出損耗。由此可知，激光器有凈增益的條件是激光的增益大于總的損耗，此時激光器才會有輻射輸出。

外腔半導體激光器具備窄線寬和可調諧的優點[9]，滿足諧振式光纖陀螺對激光器的基本要求，具有應用于諧振式光纖陀螺的潛力，其特性實現機理如下所述。

(1)半導體激光器窄線寬的特性

半導體激光器的線寬Δλ決定方程為

(3)

式中，λ為單縱橫模在真空中的波長，n為介質的折射率，L為腔長，dn/dλ為色散。由此可知腔長L是影響激光器線寬的關鍵因素，加外腔起到增加腔長的作用，因此可以壓窄激光器的線寬。另外，自發輻射導致的光強起伏和相位變化，會導致折射率的波動，造成激光器線寬展寬，而外腔反饋通過增加受激輻射來抑制自發輻射，從而降低激光器線寬展寬，進一步壓窄線寬。

(2)半導體激光器可調諧的特性

半導體激光器布拉格光柵的中心波長λВ與材料有效折射率neff的關系為

λB=2neffT

(4)

其中，T為布拉格光柵的周期。由式(4)可知波長變化量正比于折射率的變化量。半導體激光器頻率的調諧主要包括兩條途徑：熱調諧和電調諧。熱調諧的物理機理可理解為利用半導體激光器上的加熱器，通過改變局部溫度的變化引起折射率的改變，即利用溫度與能隙的依賴關系實現頻率調諧；電調諧的原理是利用注入電流對自由載流子濃度的影響，引起等離子色散效應，進而改變材料的有效折射率實現頻率的調諧。

2 半導體激光器測試方法及實現

(1)半導體激光器測試系統硬件設計

半導體激光器性能測試平臺如圖1所示。該測試平臺可實現激光器性能指標自動化測量，具體過程為利用計算機上的測試程序設定溫度/電流的變化范圍及變化快慢，驅動器接收相應的控制信號實現窄線寬激光器的控制，通過光功率計/波長計測試光功率/中心波長的大小，并將測試數據反饋給上位機實現測量數據的在線處理。

圖1 半導體激光器性能測試平臺示意圖Fig.1 Semiconductor laser performance test platform schematic

(2)半導體激光器測試系統軟件設計

傳統的激光器測試系統，無法實現多個激光器多個性能指標的同步測量，且數據量大不利于在線處理，此外人為操作也會帶來實驗結果的不穩定。為克服傳統測量方法的缺點，實現半導體激光器性能的快速精準測量，利用LabVIEW虛擬器的強大功能進行遠程控制實驗，設計了基于LabVIEW虛擬平臺的自動化測試系統，圖2為光源參數測量示意圖，主要包括驅動電流控制模塊、溫度控制模塊、光功率測量模塊、中心波長測量模塊和數據處理及顯示模塊共計五個模塊。其中驅動電流控制模塊和溫度控制模塊分別控制驅動器電流和溫度的變化范圍及變化速度，進而實現對激光器的控制；光功率測量模塊可實時讀取光功率計的測量值，中心波長測量模塊可實時讀取波長計的測量值，實現激光器光功率和中心波長的同步測量。此后，通過數據處理及顯示模塊進行數據的在線處理和顯示，得到激光器性能指標包括光功率隨電流變化的I-P特性、光功率隨溫度變化的T-P特性、中心波長隨溫度變化的T-λ特性、中心波長隨電流變化的I-λ特性等。

圖2 光源參數測量示意圖Fig.2 Semiconductor laser parameters testing schematic

(3)半導體激光器實驗系統

利用上述設計的半導體激光器軟硬件測試系統，搭建的半導體激光器實驗測試系統如圖3所示，主要可實現激光器光功率和中心波長與控制電流和溫度變化關系的測量。

圖3 激光器試驗系統示意圖Fig.3 Semiconductor laser performance test system schematic

3 半導體激光器性能測試及數據分析

利用上述軟硬件測試平臺對激光器進行性能指標的測量，得到激光器光功率隨電流變化的I-P特性、光功率隨溫度變化的T-P特性、中心波長隨電流變化的I-λ特性、中心波長隨溫度變化的T-λ特性及光功率與中心波長穩定性特性。

(1)半導體激光器I-P特性

激光器控制電流在0～120mA之間變化時，測得電流與光功率之間的I-P關系如圖4所示。總體上，激光器的光功率隨著電流的增大而增大，電流小于30mA時，光功率基本不隨電流的增大而變化，僅從0增加到0.5mW；電流從30mA增加到90mA時，光功率變化速度加快；隨著電流的加大，光功率近似呈線性增長，電流達到120mA時，光功率為13.1mW，激光器的工作點應位于90～120mA的線性區，光功率與電流的表達式為

P=0.18I-8.8，90≤I≤120

(5)

由式(5)知電流增加1mA，光功率增加0.18mW，因此可通過電流的調節實現光功率的控制。

圖4 激光器I-P關系示意圖Fig.4 Laser I-P relationship schematic

圖5 激光器T-P關系示意圖Fig.5 Laser T-P relationship schematic

(2)半導體激光器T-P特性

將激光器控制溫度先從25℃升高到35℃，再將溫度進行反向變化，測得激光器光功率隨溫度變化的T-P關系如圖5所示，包括升溫曲線及降溫曲線兩部分。對于升溫曲線，開始階段隨著溫度的升高，激光器的光功率逐漸增大，當溫度增加到32.9℃時，光功率達到最大值10.87dBm，隨著溫度的繼續升高，光功率出現拐點突然降低為1.24dBm，此后光功率隨著溫度的升高繼續增大，但不會超越先前的最大值；對于降溫曲線，開始時光功率隨著溫度的降低而降低，當溫度為29.8℃時，光功率達到最小值-7.77dBm，隨著溫度的繼續降低光功率開始增長，當溫度降低到28.1℃時，光功率突然增大，跳變到9.53dBm，此后光功率隨著溫度的降低而降低。因此，為避免光功率的突然減小，須將溫度控制在32.9℃以內，防止半導體激光器在降溫曲線運行。升降溫階段光功率與溫度之間的表達式為

(6)

(7)

由式(6)、式(7)可知，升降溫階段光功率有不同的變化趨勢，溫度對光功率有著不同的影響。激光器的溫度工作點在升溫曲線28.1～32.9℃之間時，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，易于實現光功率的控制。

(3)半導體激光器I-λ特性

激光器控制電流在90～120mA之間變化，測得電流與中心波長之間I-λ關系如圖6所示。電流在90～120mA之間變化時，中心波長與控制電流呈線性正相關，其表達式為

λ=0.00011I+1550.13794，90≤I≤120

(8)

由式(8)可見，激光器控制電流與中心波長線性表達式的斜率為0.11pm/mA，對應激光器中心頻率的變化為13.75MHz/mA。因此，可通過控制電流的大小實現激光器中心波長精細化控制。

圖6 激光器I-λ關系示意圖Fig.6 Laser I-λ relationship schematic

(4)半導體激光器T-λ特性

激光器溫度進行25℃到35℃的升降溫控制，得激光器中心波長隨溫度變化T-λ關系如圖7所示。對于升溫特性，溫度從25℃增大到32.9℃時，激光器中心波長近似線性的從1550.07126nm增大到1550.17802nm，溫度繼續增加，激光器中心波長突降為1550.13493nm，此后隨溫度的增加而增大；降溫時，當溫度從35℃降低為28.1℃，激光器中心波長從1550.17585nm減小為1549.94623nm，當溫度繼續降低，激光器中心波長突然升高為1550.11766nm，此后隨溫度降低而減小。升溫階段及降溫階段中心波長與溫度之間的表達式為

(9)

(10)

圖7 激光器T-λ關系示意圖Fig.7 Laser T-λ relationship schematic

升溫曲線與降溫曲線及各自的不同階段，溫度對中心波長有不同程度的影響。為避免中心波長大范圍的波動，應避免激光器進入降溫曲線，溫度在28.1～32.9℃變化時，升溫曲線拐點出現之前中心波長與溫度之間的表達式為

λ=0.01331T+1549.74289，28.1≤T≤32.9

(11)

由式(11)可知激光器中心波長隨溫度變化的斜率為0.01331nm，即溫度每升高1℃激光器中心波長變化13.31pm，對應1663.75MHz/℃。可見溫度變化是影響激光器中心波長的關鍵因素，通過控制溫度可實現激光器中心波長粗調。

(5)半導體激光器光功率/中心波長穩定性

圖8(a) 激光器功率穩定性示意圖Fig.8(a) Laser power stability schematic

圖8(b) 激光器波長穩定性示意圖Fig.8(b) Laser wavelength stability schematic

將激光器電流與溫度固定在110mA與30.5℃，測得其光功率及中心波長穩定性曲線如圖8所示。測量所得光功率的均方差為3.25×10-6mW，平均值為11.48mW，最大值為11.49mW，最小值為11.47mW，波動率為0.17%；測量所得中心波長的均方差為0.00857924pm，平均值為1550.150883nm，最大值為1550.1511nm，最小值為1550.1507nm，波動率為2.58039×10-7。由此可知，激光器光功率的波動率小于1%，波長的波動率處于0.1×10-6的量級，滿足光功率與中心波長穩定性的要求。

在此基礎上，對該公司同批次產品進行測量，光功率、中心波長隨電流、溫度變化有相似的變化模型，可通過分段線性化的方式獲得它們之間的變化關系。

4 結論

本文設計了人機界面友好、操作簡單、穩定性高的激光器自動化測試平臺，并對激光器測量的數據進行科學的處理，得到如下結論：

1)該型激光器可通過線性化的方式獲得光功率、中心波長隨電流的變化率，通過分段線性化的方式獲得光功率、中心波長隨溫度的變化率，從而建立激光器性能參數的模型。

2)分析可得本文激光器詳細性能參數為：

① 激光器電流在90～120mA，溫度在28.1～32.9℃的范圍內變化時，光功率、中心波長與電流、溫度近似呈線性正相關；

② 在線性區間內，激光器光功率隨電流、溫度的變化率分別為0.18mW/mA、0.25dBm/℃；中心波長隨電流、溫度的變化率分別為0.11pm/mA、13.31pm/℃，對應中心頻率的變化率為13.75MHz/mA、1663.75MHz/℃；

③ 激光器電流與溫度工作點在110mA與30.5℃時，光功率的波動率小于1%，波長的波動率處于0.1×10-6的量級，滿足光功率與中心波長穩定性的要求。

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Researsh on Laser Performance of Resonator Fiber Optical Gyroscope

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

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

Resonator fiber optical gyroscope (RFOG) is a solution for miniaturization，and the laser source is one of the key components in RFOG.According to RFOG performance requirements，a laser performance automated test LabVIEW program was developed，which obtained the subsection linearization model of the laser.When laser control current was change from 90mA to 120mA，power and center wavelength were linear change，and rate of change were 0.18mW/mA and 0.11pm/mA；When laser control temperature was change from 28.1℃ to 32.9℃，power and center wavelength were linear change，and rate of change were 0.25dBm/℃ and 13.31pm/℃；moreover，power and center wavelength were having stability characteristics，whose rate of change were 0.17% and 0.26ppm.

Resonator fiber optical gyro；Semiconductor laser；Automated test platform；Performance test

2015-08-13；

2015-10-15。

李建華(1990-)，男，碩士，主要從事光纖陀螺的研究。

TN629.1

A

2095-8110(2016)02-0071-06