基于SOA的光纖陀螺相對強度噪聲抑制研究

吳宛玲，那永林

(北京自動化控制設備研究所，北京 100074)

0 引言

在充滿電子干擾的未來高技術條件戰爭中，只有慣性技術具有高隱蔽性、強抗干擾性和信息連續性等可貴的軍事特點,從而使裝備慣導系統的作戰飛機或武器既能保持自身的生存,又具有參與攻擊的能力[1]。慣性導航和制導武器作為戰略武器發展不可或缺的部分，對于戰略級光纖陀螺的需求越來越高。不僅如此，戰略級光纖陀螺也是衛星、潛艇等領域急需的慣性元件之一[2]，因此研制戰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定性好、光譜寬和輸出功率高等優點，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，由寬帶光源產生的相對強度噪聲隨之增加，已經成為戰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度噪聲已經成為一項關鍵技術。

目前國外對抑制光源強度噪聲的研究工作開展的十分廣泛，并且在實驗上已通過采用光電反饋、振幅調制器、注入鎖定等方式對強度噪聲進行抑制[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，經光電管光電轉換后由PID處理電路，將取樣信號反饋至泵浦光源驅動電路中，通過調制泵浦驅動電流，達到抑制強度噪聲的目的，通過這種方式可在弛豫振蕩峰附近使強度噪聲有25～30dB的下降。

除此之外，Honeywell公司也在對光源強度噪聲抑制技術進行研究。自1993年采用電路相減法進行抑制開始，便不斷改進，至2006年在光路中加入光學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度噪聲對陀螺的影響。在2008年對光源強度噪聲電路相減法中的信號光和相減光的噪聲水平進行實時監測來提高光源強度噪聲的抑制效果。它在FPGA中對由信號光和相減光經D/A轉換器得到的數字信號進行實時監測來評估強度噪聲相減前后陀螺信號的隨機游走系數[7]。

國內目前大多數光源強度噪聲的抑制一般采用：電路相減法、驅動電流內調法和光譜調制法[8-11]等方法。

不同于以上提到的方法，本文利用半導體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)的非線性效應。SOA快速發展于20世紀90年代末，隨著量子阱、超晶格技術的發展，特別是應變量子阱技術的日趨成熟[12]，人們對SOA進行了大量的研究工作，充分利用其體積小、非線性系數高、器件工藝成熟、能夠實現光子集成的諸多優點，在基于SOA的很多領域取得了十分豐富的研究成果[13-16]。

基于SOA的非線性效應主要包括交叉增益調制(XGM)、交叉相位調制(XPM)、四波混頻效應(FWM)以及非線性偏振旋轉(NLPR) 等四種。利用非線性大的優點，SOA可以用于波長變換、光開關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體光放大器。

利用SOA的非線性，使其處于增益飽和狀態，對光源相對強度噪聲進行抑制，不僅更易實現，而且操作更簡單。此方法在國外已經提出并驗證，但是在國內相關研究才剛剛起步。

1 光纖陀螺中的相對強度噪聲

相對強度噪聲(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。散粒噪聲是光子轉換成電子時產生的隨機噪聲，是光纖陀螺的一種最基本的噪聲源，構成了干涉型光纖陀螺的基本測量極限。

I(t)表示在時刻t時光的瞬時強度，W表示檢測時間T內光的積分強度。

(1)

W的均值為

(2)

W的方差為

(3)

Γ1(τ)表示光瞬間強度的自相關函數，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，故式(5)可以化簡為

(6)

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

(7)

因此，當τ≥τc時，有γ(τ)=0。

摻鉺光纖光源具有中心波長穩定、自相干時間短的特點，因此檢測時間T遠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內積分強度W的方差，即產生的相對強度噪聲大小與積分強度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]。

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

(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，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度噪聲相比，量級較小，且散粒噪聲和強度噪聲分別與平均光電流的平方根和其本身成正比。因此，當到達探測器的光強低時，散粒噪聲是主要噪聲，而當光強增加到一定大小后，強度噪聲將成為光纖陀螺中的主要噪聲。

從隨機游走的角度來說，隨機游走系數可以由信噪比(Signal-to-noise ratio, SNR)來判定：信噪比越高，隨機游走系數越小[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，當光功率增大到一定程度后，信噪比將由相對強度噪聲決定，繼續提高光功率，信噪比會保持不變，因而隨機游走系數也不會降低。所以，對于使用發光功率高的摻鉺光纖的高精度光纖陀螺，降低隨機游走，提高陀螺精度，必須從抑制相對強度噪聲的方面入手。

2 半導體光放大器的結構原理

SOA在結構和原理上與半導體激光器類似。結構上，都由有源區和無源區構成；原理上，都是基于受激輻射或受激散射原理來實現入射光信號放大的一種器件，但是SOA無反饋，其基本結構是一個p-n雙異質結結構，可以對注入的非平衡載流子形成有效的制約。半導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]。

在半導體光放大器中，電子的能級限制在導帶和價帶2個帶內，在導帶和價帶中充當載流子的分別為電子和空穴。當導帶底和電子之間的每個態都被填滿，而帶價頂和空穴之間的所有態都是空的時，光放大就會得到實現。

Agrawal(1989)提出的描述受激輻射復合引起載流子消耗而導致增益飽和的速率方程在半導體器件研究中應用的相當廣泛，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為半導體材料有源區的體積，Γ模場限制因子，vg是光在有源區內的群速度，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，因而會出現增益隨注入光功率增大而減小的現象，即增益飽和，如圖1所示。由圖1可知，當輸入功率較小并在SOA線性區域內時，噪聲被放大；而當輸入功率增大，達到SOA的增益飽和區時，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域使用光放大器，會對光功率的波動進行壓縮，與通常的線性放大器相比，可以降低噪聲指數。

本次實驗選用INPHENIX公司的型號為IPSAD15BGA-5110的半導體光放大器，并對SOA性能進行了摸底測試，測試結果如圖2所示，其中黑色、紅色、藍色、綠色曲線分別代表SOA的驅動電流的值為500mA、400mA、300mA、200mA。從圖2中可以看出，不同驅動電流下處于增益飽和狀態的SOA對光功率的放大倍數不同；同時還可以看出，輸入功率大致在2mW以上時，SOA進入增益飽和區。

3 RIN抑制實驗

4 結論

通過理論分析并對上述實驗得到的數據進行對比可以看出，處在增益飽和狀態下的半導體光放大器能夠起到抑制光源噪聲的效果，陀螺的隨機游走系數減小到56%，陀螺的零偏穩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，該方法實現起來較其他方法更簡單，沒有電路調試、設計等復雜過程，在高精度光纖陀螺光源中應用更為方便。

在目前的試驗方案中，SOA體積較大，不利于該項抑制技術的工程應用。計劃將來對SOA的體積進行優化，并設計SOA光源一體化的方案，對陀螺整體性能進行全面評測，以便將SOA 更好地應用到工程實踐中去。