諧振式光纖陀螺用激光器最優工作區間探究

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最優工作區間探究

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)

激光器為諧振式光纖陀螺(R-FOG)的關鍵器件，根據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及最優工作區間的確立方法，制定了激光器性能自動化測試方案，得到激光器光功率、中心波長與電流、溫度的變化關系。由此推導出2個激光器電流與溫度的最佳工作點，并利用拍頻檢測原理確立2個激光器電流與溫度的最優工作區域。激光器最優工作區域的掌握，為其應用于R-FOG提供了詳實的參數指標。

諧振式光纖陀螺；半導體激光器；最佳工作點；最優工作區間

0 引言

小型洲際導彈、小型化飛航導彈等武器系統快速發展，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現高精度的潛力[1-3]。激光器為R-FOG的關鍵器件，需要具備窄線寬與可調諧的特點，但此種激光器往往體積較大[4]。因此，尋找一種窄線寬可調諧的小型化激光器對于實現小型化R-FOG特別重要。

外腔半導體激光器窄線寬可調諧及小型化的優良特性[5-7]，具備利用拍頻方式檢測旋轉角速度R-FOG的潛力，這就需全面掌握2個外腔半導體激光器的性能指標。本文利用基于LabVIEW的虛擬測試平臺，對2個外腔半導體激光器進行詳細的測量，在此基礎上推導出其最佳工作點及最優工作區域。外腔半導體激光器性能的掌握，對其應用于R-FOG具有指導意義。

1 拍頻檢測基本理論

兩束不同激光的復振幅表達式為[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，若其相位關系固定，則可產生拍頻。兩束光振幅相等時，可合成為

E=E1+E2=

(2)

在實際探測過程中，需要ω1-ω2處于探測器截止頻率以內才可以響應，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系為ν=c/λ,兩邊求一階導數，得

(3)

由式(3)計算可得，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 半導體激光器測試方法及最佳工作點分析

2.1 半導體激光器測試方法設計

為快速精確實現半導體激光器性能的測試，設計了如圖1所示的測試平臺。上位機通過驅動器可控制多個激光器的電流和溫度，發出的光束經過耦合器分光之后可實現激光器多個參數指標的測量。利用此設計方案搭建的測試系統可實現多個激光器多個性能指標的同步測量。

2.2 半導體激光器最佳工作點分析

(1)半導體激光器電流最佳工作點

半導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。當控制電流在Imin與Imax之間變化時，光功率與電流近似呈線性關系，易于實現光功率的控制。因此半導體激光器的最佳工作點在線性區間的中點Ip附近。半導體激光器電流最佳工作點表達式為

(4)

式中，Imin為光功率隨電流線性變化的起點，Imax為激光器電流最大值。

圖2 半導體激光器I-P關系示意圖Fig.2 Semiconductor laser I-P relationship schematic

(2)半導體激光器溫度最佳工作點

半導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，半導體激光器溫度工作點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(光功率突變)為Tmax，降溫曲線光功率隨溫度降低的拐點為Tmin，半導體激光器溫度的最佳工作點為2個拐點的中點Tp，該點附近光功率較大且隨溫度近似呈線性變化，易于實現光功率的控制。半導體激光器溫度最佳工作點的表達式為

(5)

圖3 半導體激光器T-P關系示意圖Fig.3 Semiconductor laser T-P relationship schematic

3 半導體激光器性能測試及確立工作區間

3.1 性能測試

利用上述的激光器測試平臺，分別對2個激光器進行測量，得到半導體激光器特性如下。

(1)半導體激光器I-P特性

以0.5℃為步長將激光器一的控制溫度設定在25℃～35℃之間的定值，測得電流與光功率之間的I-P關系如圖4所示，電流的測試范圍為0～120mA。總體上，激光器的光功率隨著電流的增大而增大，其中溫度為25℃時，當電流增加到110mA后，光功率達到最大值并趨于平穩，不再隨著電流的增加而增大；溫度高于33.5℃時，隨著電流的增加，激光器出現消光現象(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，且設定溫度越高，消光現象出現的越早。以溫度為30.5℃為例，電流在90～120mA之間變化時，激光器光功率隨電流近似線性增大，兩者之間的表達式為

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，因此調節電流的變化可實現光功率的控制。該半導體激光器的最大電流為130mA，由式(4)可知其最佳電流工作點為110mA。此外，隨著溫度設定值的升高，表現為I-P特性的上升，可見光功率同時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關系示意圖Fig.4 I-P relationship schematic of laser I

將溫度設定在以0.5℃為步長21℃～31℃的范圍內，測得激光器二的I-P關系圖如圖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為113mA。26℃時，光功率與電流的表達式為

圖5 激光器二I-P關系示意圖Fig.5 I-P relationship schematic of laser II

圖6 激光器一T-P關系示意圖Fig.6 T-P relationship schematic of laser I

P=0.17I-9.5, 100≤I≤120

(7)

(2)半導體激光器T-P特性

將激光器一的控制電流設為定值，以0.5mA為步長在109～111mA之間設定,測得激光器光功率隨溫度變化的T-P關系如圖6所示，包括升溫曲線及降溫曲線兩部分。總體上，升溫時光功率先隨著溫度的升高而增大，當溫度增加到一定值后會出現突然減小的拐點，然后隨著溫度的升高而增大；降溫時光功率隨著溫度的降低而減小，當溫度減小到一定值后會出現突然增大的拐點，然后隨著溫度的降低而減小；在升溫曲線拐點之后與降溫曲線拐點之后的部分，升降溫曲線近似重合。以電流為110mA時的T-P關系線進行分析，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，避免光功率的突然減小。驅動電流為110mA時，升溫階段及降溫階段光功率與溫度之間的表達式為：

(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，可選為工作區間。升溫曲線與降溫曲線的拐點溫度分別為32.9℃與28.1℃，由式(5)可知半導體激光器溫度最佳工作點為30.5℃。

將電流設定在以0.5mA為步長的112～114mA范圍內，激光器二的T-P關系圖如圖7所示，與激光器一有著類似的變化趨勢。驅動電流為113mA時，升降溫曲線光功率與溫度之間的表達式為：

(10)

(11)

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

圖7 激光器二T-P關系示意圖Fig.7 T-P relationship schematic of laser II

(3)半導體激光器I-λ特性

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

(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現激光器中心波長精細化的控制。

圖8 激光器一的I-λ關系示意圖Fig.8 I-λ relationship of laser I

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

(13)

圖9 激光器二的I-λ關系示意圖Fig.9 I-λ relationship of laser II

(4)半導體激光器T-λ特性

將激光器一電流以0.5mA為步長設定在109～111mA，得激光器中心波長隨溫度變化T-λ關系如圖10所示。總體上，升溫時激光器中心波長先是隨著溫度的升高而近似線性變大，當溫度升高到某一值時中心波長出現突然減小的拐點，然后隨著溫度的升高而增大；降溫時激光器中心波長先是隨著溫度的降低而近似線性減小，當溫度降低到某一值時中心波長出現突然增大的拐點，然后隨著溫度的降低而繼續減小。以驅動電流為110mA進行分析，升溫階段及降溫階段中心波長與

圖10 激光器一的T-λ關系示意圖Fig.10 T-λ relationship schematic of laser I

溫度之間的表達式為：

(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R-FOG工作原理，激光器中心波長匹配是實現拍頻檢測的關鍵指標，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。不同電流設定值下，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式(16)

(16)

由式(16)可知不同曲線常數部分為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。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的粗調。

將激光器二驅動電流設定在0.5mA為步長的112～114mA范圍內，測得激光器中心波長隨溫度變化的T-λ關系如圖11所示，與激光器一有類似的變化趨勢。溫度在23℃～29℃變化時,升溫曲線拐點出現之前中心波長與溫度之間的表達式為式(17)，同樣可實現中心波長的粗調。

(17)

圖11 激光器二T-λ關系示意圖Fig.11 T-λ relationship schematic of laser II

3.2 工作區域確立

激光器最佳工作點處光功率/中心波長隨電流溫度的變化關系如表1所示。R-FOG通過檢測2個激光器之間拍頻來測量旋轉角速度，首先要求2個激光器中心波長差控制在±4.10pm內，最佳工作點處激光器一與二之間中心波長的差值為2.23pm，當激光器一溫度在(30.5±0.22)℃變化且激光器二的溫度在(26±0.22)℃變化時，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；當激光器一的電流在(110±27.1)mA變化且激光器二的電流在(113±14.9)mA變化時，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。其次要求2個激光器光功率量級一致，激光器本身功率差別較大，可通過可調衰減器的損耗實現光功率的一致。此外，激光器一與二的電流最大值分別為130mA和125mA，電流工作點距離最大值需要預留5～10mA的裕量。由此可知，激光器一溫度最優工作區域為(30.5±0.22)℃，電流最優工作區域為(110±10)mA；激光器二的溫度最優工作區域為(26±0.22)℃，電流最優工作區域為(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 結論

本文通過對外腔半導體激光器性能指標詳實的測量得到如下結論：

1)設計了諧振式光纖陀螺用外腔半導體激光器最佳工作點及最優工作區間的確立方法。

2)據此方法分析可得本文激光器詳細性能參數為：

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

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

③R-FOG進行拍頻檢測時，激光器一與二的最優工作區域為：激光器一的溫度最優工作區域為(30.5±0.22)℃，電流最優工作區域為(110±10)mA；激光器二的溫度最優工作區域為(26±0.22)℃，電流最優工作區域為(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