谐振式光纤陀螺用激光器最优工作区间探究

李建华，于怀勇，吴衍记，雷 明

(北京自动化控制设备研究所，北京100074)

谐振式光纤陀螺用激光器最优工作区间探究

李建华，于怀勇，吴衍记，雷 明

(北京自动化控制设备研究所，北京100074)

激光器为谐振式光纤陀螺(R-FOG)的关键器件，根据R-FOG对激光器的要求，提出了一种R-FOG用激光器最佳工作点及最优工作区间的确立方法，制定了激光器性能自动化测试方案，得到激光器光功率、中心波长与电流、温度的变化关系。由此推导出2个激光器电流与温度的最佳工作点，并利用拍频检测原理确立2个激光器电流与温度的最优工作区域。激光器最优工作区域的掌握，为其应用于R-FOG提供了详实的参数指标。

谐振式光纤陀螺；半导体激光器；最佳工作点；最优工作区间

0 引言

小型洲际导弹、小型化飞航导弹等武器系统快速发展，迫切需要一种小型化高精度的陀螺，而谐振式光纤陀螺具备在小体积下实现高精度的潜力[1-3]。激光器为R-FOG的关键器件，需要具备窄线宽与可调谐的特点，但此种激光器往往体积较大[4]。因此，寻找一种窄线宽可调谐的小型化激光器对于实现小型化R-FOG特别重要。

外腔半导体激光器窄线宽可调谐及小型化的优良特性[5-7]，具备利用拍频方式检测旋转角速度R-FOG的潜力，这就需全面掌握2个外腔半导体激光器的性能指标。本文利用基于LabVIEW的虚拟测试平台，对2个外腔半导体激光器进行详细的测量，在此基础上推导出其最佳工作点及最优工作区域。外腔半导体激光器性能的掌握，对其应用于R-FOG具有指导意义。

1 拍频检测基本理论

两束不同激光的复振幅表达式为[8-9]：

E1(t)=E1cos(ω1t+φ1)

E2(t)=E2cos(ω2t+φ2)

(1)

其中，E为振幅，ω为频率，φ为相位。两束在空间传播的激光重合时，若其相位关系固定，则可产生拍频。两束光振幅相等时，可合成为

E=E1+E2=

(2)

在实际探测过程中，需要ω1-ω2处于探测器截止频率以内才可以响应，这就要求两束激光波长尽可能接近，从而使|ω1-ω2|小于1GHz[10]。

波长、频率与光速三者乘积关系为ν=c/λ,两边求一阶导数，得

(3)

由式(3)计算可得，对于波长在1550nm附近的光波，若使|ω1-ω2|小于1GHz，需要波长差小于8.20pm。

2 半导体激光器测试方法及最佳工作点分析

2.1 半导体激光器测试方法设计

为快速精确实现半导体激光器性能的测试，设计了如图1所示的测试平台。上位机通过驱动器可控制多个激光器的电流和温度，发出的光束经过耦合器分光之后可实现激光器多个参数指标的测量。利用此设计方案搭建的测试系统可实现多个激光器多个性能指标的同步测量。

2.2 半导体激光器最佳工作点分析

(1)半导体激光器电流最佳工作点

半导体激光器光功率随电流变化的曲线如图2所示，光功率随着电流的增大而增加。当控制电流在Imin与Imax之间变化时，光功率与电流近似呈线性关系，易于实现光功率的控制。因此半导体激光器的最佳工作点在线性区间的中点Ip附近。半导体激光器电流最佳工作点表达式为

(4)

式中，Imin为光功率随电流线性变化的起点，Imax为激光器电流最大值。

图2 半导体激光器I-P关系示意图Fig.2 Semiconductor laser I-P relationship schematic

(2)半导体激光器温度最佳工作点

半导体激光器光功率随温度变化的曲线如图3所示，升温过程与降温过程光功率随温度变化有不同的趋势。降温曲线光功率较小，半导体激光器温度工作点需在升温曲线上选择。升温曲线中光功率随温度升高的拐点(光功率突变)为Tmax，降温曲线光功率随温度降低的拐点为Tmin，半导体激光器温度的最佳工作点为2个拐点的中点Tp，该点附近光功率较大且随温度近似呈线性变化，易于实现光功率的控制。半导体激光器温度最佳工作点的表达式为

(5)

图3 半导体激光器T-P关系示意图Fig.3 Semiconductor laser T-P relationship schematic

3 半导体激光器性能测试及确立工作区间

3.1 性能测试

利用上述的激光器测试平台，分别对2个激光器进行测量，得到半导体激光器特性如下。

(1)半导体激光器I-P特性

以0.5℃为步长将激光器一的控制温度设定在25℃～35℃之间的定值，测得电流与光功率之间的I-P关系如图4所示，电流的测试范围为0～120mA。总体上，激光器的光功率随着电流的增大而增大，其中温度为25℃时，当电流增加到110mA后，光功率达到最大值并趋于平稳，不再随着电流的增加而增大；温度高于33.5℃时，随着电流的增加，激光器出现消光现象(光功率突然大幅度降低)，此后光功率随着电流的增加而增加，且设定温度越高，消光现象出现的越早。以温度为30.5℃为例，电流在90～120mA之间变化时，激光器光功率随电流近似线性增大，两者之间的表达式为

P=0.18I-8.8, 90≤I≤120

(6)

由式(6)可知光功率随电流增加的变化率为0.18mW/1mA，因此调节电流的变化可实现光功率的控制。该半导体激光器的最大电流为130mA，由式(4)可知其最佳电流工作点为110mA。此外，随着温度设定值的升高，表现为I-P特性的上升，可见光功率同时会受到温度改变的影响，温度是控制光功率的另一重要因素。

图4 激光器一I-P关系示意图Fig.4 I-P relationship schematic of laser I

将温度设定在以0.5℃为步长21℃～31℃的范围内，测得激光器二的I-P关系图如图5所示，与激光器一有着类似的变化趋势，同理可得其电流的最佳工作点为113mA。26℃时，光功率与电流的表达式为

图5 激光器二I-P关系示意图Fig.5 I-P relationship schematic of laser II

图6 激光器一T-P关系示意图Fig.6 T-P relationship schematic of laser I

P=0.17I-9.5, 100≤I≤120

(7)

(2)半导体激光器T-P特性

将激光器一的控制电流设为定值，以0.5mA为步长在109～111mA之间设定,测得激光器光功率随温度变化的T-P关系如图6所示，包括升温曲线及降温曲线两部分。总体上，升温时光功率先随着温度的升高而增大，当温度增加到一定值后会出现突然减小的拐点，然后随着温度的升高而增大；降温时光功率随着温度的降低而减小，当温度减小到一定值后会出现突然增大的拐点，然后随着温度的降低而减小；在升温曲线拐点之后与降温曲线拐点之后的部分，升降温曲线近似重合。以电流为110mA时的T-P关系线进行分析，须将温度控制在32.9℃以内，防止半导体激光器在降温曲线运行，避免光功率的突然减小。驱动电流为110mA时，升温阶段及降温阶段光功率与温度之间的表达式为：

(8)

(9)

由式(8)、式(9)可知，升降温阶段光功率有不同变化趋势，温度对光功率有着不同的影响。激光器的温度工作点在升温曲线28.1℃～32.9℃之间时，光功率大且随温度变化的变化率最小，温度每升高1℃光功率增加0.25dBm，易于实现光功率的控制，可选为工作区间。升温曲线与降温曲线的拐点温度分别为32.9℃与28.1℃，由式(5)可知半导体激光器温度最佳工作点为30.5℃。

将电流设定在以0.5mA为步长的112～114mA范围内，激光器二的T-P关系图如图7所示，与激光器一有着类似的变化趋势。驱动电流为113mA时，升降温曲线光功率与温度之间的表达式为：

(10)

(11)

由式(10)、式(11)得激光器二温度的最优工作范围为23℃～29℃，最佳温度工作点为26℃。

图7 激光器二T-P关系示意图Fig.7 T-P relationship schematic of laser II

(3)半导体激光器I-λ特性

激光器一的控制温度以0.5℃为步长在29.5℃～31.5℃之间设定，测得电流与中心波长之间的I-λ关系如图8所示，电流的测试范围为90～120mA。在不同温度设定值下，电流在90～120mA之间变化时，激光器中心波长与控制电流呈线性正相关，其表达式分别为

(12)

由式(12)可见，激光器控制电流与中心波长线性表达式的斜率随着温度的升高而逐渐减小，分别为0.15pm/mA、0.13pm/mA、0.11pm/mA、0.09pm/mA、0.08pm/mA。因此，可通过控制电流的大小实现激光器中心波长精细化的控制。

图8 激光器一的I-λ关系示意图Fig.8 I-λ relationship of laser I

将温度设定在0.5℃为步长25℃～27℃范围内，激光器二I-λ关系如图9所示，与激光器一有类似变化趋势。电流在100～120mA变化时，不同设定温度下，中心波长与电流表达式为

(13)

图9 激光器二的I-λ关系示意图Fig.9 I-λ relationship of laser II

(4)半导体激光器T-λ特性

将激光器一电流以0.5mA为步长设定在109～111mA，得激光器中心波长随温度变化T-λ关系如图10所示。总体上，升温时激光器中心波长先是随着温度的升高而近似线性变大，当温度升高到某一值时中心波长出现突然减小的拐点，然后随着温度的升高而增大；降温时激光器中心波长先是随着温度的降低而近似线性减小，当温度降低到某一值时中心波长出现突然增大的拐点，然后随着温度的降低而继续减小。以驱动电流为110mA进行分析，升温阶段及降温阶段中心波长与

图10 激光器一的T-λ关系示意图Fig.10 T-λ relationship schematic of laser I

温度之间的表达式为：

(14)

(15)

由式(14)、式(15)可知，升降温曲线各自的不同阶段，温度对中心波长有不同程度的影响。根据R-FOG工作原理，激光器中心波长匹配是实现拍频检测的关键指标，为避免中心波长大范围的波动，应避免激光器进入降温曲线。不同电流设定值下，温度在28.1℃～32.9℃变化时，升温曲线拐点出现之前中心波长与温度之间的表达式为式(16)

(16)

由式(16)可知不同曲线常数部分为1549.74308nm(±2.50pm)，斜率为0.01331nm(±0.07pm)，即温度每升高1℃激光器中心波长变化13.31pm(±0.07pm)，且斜率随着电流的增大而减小。可见温度变化是影响激光器中心波长的关键因素，通过控制温度可实现激光器中心波长的粗调。

将激光器二驱动电流设定在0.5mA为步长的112～114mA范围内，测得激光器中心波长随温度变化的T-λ关系如图11所示，与激光器一有类似的变化趋势。温度在23℃～29℃变化时,升温曲线拐点出现之前中心波长与温度之间的表达式为式(17)，同样可实现中心波长的粗调。

(17)

图11 激光器二T-λ关系示意图Fig.11 T-λ relationship schematic of laser II

3.2 工作区域确立

激光器最佳工作点处光功率/中心波长随电流温度的变化关系如表1所示。R-FOG通过检测2个激光器之间拍频来测量旋转角速度，首先要求2个激光器中心波长差控制在±4.10pm内，最佳工作点处激光器一与二之间中心波长的差值为2.23pm，当激光器一温度在(30.5±0.22)℃变化且激光器二的温度在(26±0.22)℃变化时，两激光器中心波长的变化范围为±2.99pm，处于中心波长差要求的变化范围之内；当激光器一的电流在(110±27.1)mA变化且激光器二的电流在(113±14.9)mA变化时，两激光器中心波长的变化范围为±2.99pm，处于中心波长差要求的变化范围之内。其次要求2个激光器光功率量级一致，激光器本身功率差别较大，可通过可调衰减器的损耗实现光功率的一致。此外，激光器一与二的电流最大值分别为130mA和125mA，电流工作点距离最大值需要预留5～10mA的裕量。由此可知，激光器一温度最优工作区域为(30.5±0.22)℃，电流最优工作区域为(110±10)mA；激光器二的温度最优工作区域为(26±0.22)℃，电流最优工作区域为(113±5)mA。

表1 激光器光功率/中心波长分析Tab.1 Laser light power/center wavelength analysis

4 结论

本文通过对外腔半导体激光器性能指标详实的测量得到如下结论：

1)设计了谐振式光纤陀螺用外腔半导体激光器最佳工作点及最优工作区间的确立方法。

2)据此方法分析可得本文激光器详细性能参数为：

①当激光器一电流在90～120mA，温度在28.1～32.9℃的范围内变化时，光功率/中心波长与温度电流近似呈线性正相关；激光器二有相应线性正相关的电流与温度的变化范围。

②两激光器最佳电流工作点为110mA和113mA，温度最佳工作点为30.5℃和26℃。

③R-FOG进行拍频检测时，激光器一与二的最优工作区域为：激光器一的温度最优工作区域为(30.5±0.22)℃，电流最优工作区域为(110±10)mA；激光器二的温度最优工作区域为(26±0.22)℃，电流最优工作区域为(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

李建华(1990-)，男，硕士，主要从事光纤陀螺的研究。E-mail15710065879@163.com