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(dòng)化控制設(shè)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(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074)

諧振式光纖陀螺是實(shí)現(xiàn)小型化的潛在方案，而激光器為諧振式光纖陀螺系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件之一。為全面掌握激光器的性能，根據(jù)諧振式光纖陀螺對(duì)激光器的要求，制定了基于LabVIEW激光器性能自動(dòng)化測(cè)試的軟硬件設(shè)計(jì)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(shí)，光功率、中心波長(zhǎng)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(shí)，激光器光功率、中心波長(zhǎng)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(zhǎng)的變化率為0.26×10-6，具備穩(wěn)定性特性。

諧振式光纖陀螺；半導(dǎo)體激光器；自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)；性能測(cè)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(shí)現(xiàn)高精度的檢測(cè)，因此，諧振式光纖陀螺是光學(xué)陀螺實(shí)現(xiàn)小型化發(fā)展的一個(gè)方向[1-2]。激光器作為諧振式光纖陀螺系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件之一，對(duì)諧振式光纖陀螺測(cè)量精度有著重大影響。諧振式光纖陀螺檢測(cè)原理表明激光器鎖頻精度決定著諧振式光纖陀螺對(duì)旋轉(zhuǎn)角速度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)，要求激光器具備波長(zhǎng)可調(diào)諧的特點(diǎn)[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(diǎn)。

半導(dǎo)體激光器作為一種具有高轉(zhuǎn)換效率直接電-光轉(zhuǎn)換器件，具有體積小、可調(diào)諧等潛在優(yōu)勢(shì)[6]。2009年，Rio公司研發(fā)出世界上線寬最窄外腔半導(dǎo)體激光器，輸出線寬小于3kHz(6×10-9nm)[7]。該公司產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入工程實(shí)用化階段，兼具小體積與可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)，為其應(yīng)用于諧振式光纖陀螺提供有力支撐。

為全面掌握外腔半導(dǎo)體激光器性能指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)基于LabVIEW虛擬平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)，并詳細(xì)描述測(cè)試過(guò)程及數(shù)據(jù)處理結(jié)果。半導(dǎo)體激光器性能的掌握，為其應(yīng)用于諧振式光纖陀螺提供參數(shù)指導(dǎo)。

1 諧振式光纖陀螺用半導(dǎo)體激光器基本原理

半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)為半導(dǎo)體材料，因受激發(fā)而產(chǎn)生光束。理論上，激光器發(fā)射光束必須滿足兩個(gè)條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，即滿足高能態(tài)粒子數(shù)必須多于低能態(tài)粒子數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的增益放大；閾值條件，即要求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的增益達(dá)到大于全部損耗的程度[8]。

(1)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件

要使半導(dǎo)體中分布在不同能帶上的電子產(chǎn)生凈受激發(fā)射，需要導(dǎo)帶的電子數(shù)量大于價(jià)帶的電子數(shù)量，即滿足伯納德-杜拉福格條件

Fc-Fv>hν≥Eg

(1)

其中，F(xiàn)c為導(dǎo)帶準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，F(xiàn)v為價(jià)帶準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，hv為光子能量，Eg為禁帶寬度。其物理意義為，當(dāng)導(dǎo)帶與價(jià)帶準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)之差大于或者等于禁帶寬度，才能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

(2)閾值條件

如前所述，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)到一定程度激光器才能發(fā)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(zhì)內(nèi)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(shí)激光器才會(huì)有輻射輸出。

外腔半導(dǎo)體激光器具備窄線寬和可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)[9]，滿足諧振式光纖陀螺對(duì)激光器的基本要求，具有應(yīng)用于諧振式光纖陀螺的潛力，其特性實(shí)現(xiàn)機(jī)理如下所述。

(1)半導(dǎo)體激光器窄線寬的特性

半導(dǎo)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(zhǎng)，n為介質(zhì)的折射率，L為腔長(zhǎng)，dn/dλ為色散。由此可知腔長(zhǎng)L是影響激光器線寬的關(guān)鍵因素，加外腔起到增加腔長(zhǎng)的作用，因此可以壓窄激光器的線寬。另外，自發(fā)輻射導(dǎo)致的光強(qiáng)起伏和相位變化，會(huì)導(dǎo)致折射率的波動(dòng)，造成激光器線寬展寬，而外腔反饋通過(guò)增加受激輻射來(lái)抑制自發(fā)輻射，從而降低激光器線寬展寬，進(jìn)一步壓窄線寬。

(2)半導(dǎo)體激光器可調(diào)諧的特性

半導(dǎo)體激光器布拉格光柵的中心波長(zhǎng)λВ與材料有效折射率neff的關(guān)系為

λB=2neffT

(4)

其中，T為布拉格光柵的周期。由式(4)可知波長(zhǎng)變化量正比于折射率的變化量。半導(dǎo)體激光器頻率的調(diào)諧主要包括兩條途徑：熱調(diào)諧和電調(diào)諧。熱調(diào)諧的物理機(jī)理可理解為利用半導(dǎo)體激光器上的加熱器，通過(guò)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(guān)系實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧；電調(diào)諧的原理是利用注入電流對(duì)自由載流子濃度的影響，引起等離子色散效應(yīng)，進(jìn)而改變材料的有效折射率實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)諧。

2 半導(dǎo)體激光器測(cè)試方法及實(shí)現(xiàn)

(1)半導(dǎo)體激光器測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器性能測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。該測(cè)試平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)激光器性能指標(biāo)自動(dòng)化測(cè)量，具體過(guò)程為利用計(jì)算機(jī)上的測(cè)試程序設(shè)定溫度/電流的變化范圍及變化快慢，驅(qū)動(dòng)器接收相應(yīng)的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)窄線寬激光器的控制，通過(guò)光功率計(jì)/波長(zhǎng)計(jì)測(cè)試光功率/中心波長(zhǎng)的大小，并將測(cè)試數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的在線處理。

圖1 半導(dǎo)體激光器性能測(cè)試平臺(tái)示意圖Fig.1 Semiconductor laser performance test platform schematic

(2)半導(dǎo)體激光器測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的激光器測(cè)試系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多個(gè)激光器多個(gè)性能指標(biāo)的同步測(cè)量，且數(shù)據(jù)量大不利于在線處理，此外人為操作也會(huì)帶來(lái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不穩(wěn)定。為克服傳統(tǒng)測(cè)量方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器性能的快速精準(zhǔn)測(cè)量，利用LabVIEW虛擬器的強(qiáng)大功能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW虛擬平臺(tái)的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，圖2為光源參數(shù)測(cè)量示意圖，主要包括驅(qū)動(dòng)電流控制模塊、溫度控制模塊、光功率測(cè)量模塊、中心波長(zhǎng)測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)處理及顯示模塊共計(jì)五個(gè)模塊。其中驅(qū)動(dòng)電流控制模塊和溫度控制模塊分別控制驅(qū)動(dòng)器電流和溫度的變化范圍及變化速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的控制；光功率測(cè)量模塊可實(shí)時(shí)讀取光功率計(jì)的測(cè)量值，中心波長(zhǎng)測(cè)量模塊可實(shí)時(shí)讀取波長(zhǎng)計(jì)的測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)激光器光功率和中心波長(zhǎng)的同步測(cè)量。此后，通過(guò)數(shù)據(jù)處理及顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的在線處理和顯示，得到激光器性能指標(biāo)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(zhǎng)隨溫度變化的T-λ特性、中心波長(zhǎng)隨電流變化的I-λ特性等。

圖2 光源參數(shù)測(cè)量示意圖Fig.2 Semiconductor laser parameters testing schematic

(3)半導(dǎo)體激光器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

利用上述設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光器軟硬件測(cè)試系統(tǒng)，搭建的半導(dǎo)體激光器實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，主要可實(shí)現(xiàn)激光器光功率和中心波長(zhǎng)與控制電流和溫度變化關(guān)系的測(cè)量。

圖3 激光器試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Semiconductor laser performance test system schematic

3 半導(dǎo)體激光器性能測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

利用上述軟硬件測(cè)試平臺(tái)對(duì)激光器進(jìn)行性能指標(biāo)的測(cè)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(zhǎng)隨電流變化的I-λ特性、中心波長(zhǎng)隨溫度變化的T-λ特性及光功率與中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性特性。

(1)半導(dǎo)體激光器I-P特性

激光器控制電流在0～120mA之間變化時(shí)，測(cè)得電流與光功率之間的I-P關(guān)系如圖4所示?？傮w上，激光器的光功率隨著電流的增大而增大，電流小于30mA時(shí)，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(shí)，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(zhǎng)，電流達(dá)到120mA時(shí)，光功率為13.1mW，激光器的工作點(diǎn)應(yīng)位于90～120mA的線性區(qū)，光功率與電流的表達(dá)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(guò)電流的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)光功率的控制。

圖4 激光器I-P關(guān)系示意圖Fig.4 Laser I-P relationship schematic

圖5 激光器T-P關(guān)系示意圖Fig.5 Laser T-P relationship schematic

(2)半導(dǎo)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(jìn)行反向變化，測(cè)得激光器光功率隨溫度變化的T-P關(guān)系如圖5所示，包括升溫曲線及降溫曲線兩部分。對(duì)于升溫曲線，開(kāi)始階段隨著溫度的升高，激光器的光功率逐漸增大，當(dāng)溫度增加到32.9℃時(shí)，光功率達(dá)到最大值10.87dBm，隨著溫度的繼續(xù)升高，光功率出現(xiàn)拐點(diǎn)突然降低為1.24dBm，此后光功率隨著溫度的升高繼續(xù)增大，但不會(huì)超越先前的最大值；對(duì)于降溫曲線，開(kāi)始時(shí)光功率隨著溫度的降低而降低，當(dāng)溫度為29.8℃時(shí)，光功率達(dá)到最小值-7.77dBm，隨著溫度的繼續(xù)降低光功率開(kāi)始增長(zhǎng)，當(dāng)溫度降低到28.1℃時(shí)，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(nèi)，防止半導(dǎo)體激光器在降溫曲線運(yùn)行。升降溫階段光功率與溫度之間的表達(dá)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(shì)，溫度對(duì)光功率有著不同的影響。激光器的溫度工作點(diǎn)在升溫曲線28.1～32.9℃之間時(shí)，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(shí)現(xiàn)光功率的控制。

(3)半導(dǎo)體激光器I-λ特性

激光器控制電流在90～120mA之間變化，測(cè)得電流與中心波長(zhǎng)之間I-λ關(guān)系如圖6所示。電流在90～120mA之間變化時(shí)，中心波長(zhǎng)與控制電流呈線性正相關(guān)，其表達(dá)式為

λ=0.00011I+1550.13794，90≤I≤120

(8)

由式(8)可見(jiàn)，激光器控制電流與中心波長(zhǎng)線性表達(dá)式的斜率為0.11pm/mA，對(duì)應(yīng)激光器中心頻率的變化為13.75MHz/mA。因此，可通過(guò)控制電流的大小實(shí)現(xiàn)激光器中心波長(zhǎng)精細(xì)化控制。

圖6 激光器I-λ關(guān)系示意圖Fig.6 Laser I-λ relationship schematic

(4)半導(dǎo)體激光器T-λ特性

激光器溫度進(jìn)行25℃到35℃的升降溫控制，得激光器中心波長(zhǎng)隨溫度變化T-λ關(guān)系如圖7所示。對(duì)于升溫特性，溫度從25℃增大到32.9℃時(shí)，激光器中心波長(zhǎng)近似線性的從1550.07126nm增大到1550.17802nm，溫度繼續(xù)增加，激光器中心波長(zhǎng)突降為1550.13493nm，此后隨溫度的增加而增大；降溫時(shí)，當(dāng)溫度從35℃降低為28.1℃，激光器中心波長(zhǎng)從1550.17585nm減小為1549.94623nm，當(dāng)溫度繼續(xù)降低，激光器中心波長(zhǎng)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(zhǎng)與溫度之間的表達(dá)式為

(9)

(10)

圖7 激光器T-λ關(guān)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(duì)中心波長(zhǎng)有不同程度的影響。為避免中心波長(zhǎng)大范圍的波動(dòng)，應(yīng)避免激光器進(jìn)入降溫曲線，溫度在28.1～32.9℃變化時(shí)，升溫曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)之前中心波長(zhǎng)與溫度之間的表達(dá)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(zhǎng)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(zhǎng)變化13.31pm，對(duì)應(yīng)1663.75MHz/℃。可見(jiàn)溫度變化是影響激光器中心波長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，通過(guò)控制溫度可實(shí)現(xiàn)激光器中心波長(zhǎng)粗調(diào)。

(5)半導(dǎo)體激光器光功率/中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性

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

圖8(b) 激光器波長(zhǎng)穩(wěn)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(cè)得其光功率及中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性曲線如圖8所示。測(cè)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(dòng)率為0.17%；測(cè)量所得中心波長(zhǎng)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(dòng)率為2.58039×10-7。由此可知，激光器光功率的波動(dòng)率小于1%，波長(zhǎng)的波動(dòng)率處于0.1×10-6的量級(jí)，滿足光功率與中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性的要求。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)該公司同批次產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量，光功率、中心波長(zhǎng)隨電流、溫度變化有相似的變化模型，可通過(guò)分段線性化的方式獲得它們之間的變化關(guān)系。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高的激光器自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)激光器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的處理，得到如下結(jié)論：

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

2)分析可得本文激光器詳細(xì)性能參數(shù)為：

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

② 在線性區(qū)間內(nèi)，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(zhǎng)隨電流、溫度的變化率分別為0.11pm/mA、13.31pm/℃，對(duì)應(yīng)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(diǎn)在110mA與30.5℃時(shí)，光功率的波動(dòng)率小于1%，波長(zhǎng)的波動(dòng)率處于0.1×10-6的量級(jí)，滿足光功率與中心波長(zhǎng)穩(wěn)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