光纤陀螺光源第二章

图6.2-11 SLD的光谱6.2-9)6.2.4 SLD 性能指标与测试方法1.光谱特性1.1电流-电压（I-V ）特性SLD 的 I V 特性如图 6.2 10 所示1.2 峰值波长和光谱宽度图 6.2-11 给出了 SLD 的典型光谱曲线。峰值波长入p定义为发射光谱中光强最大处所对应的波长，它与半导体材料的直接 带隙 Eg 之间的变换关系为：1.23986.2-8)九 = pE g式中入p的单位为p M, Eg的单位为eV。光纤陀螺要求光源的光谱在温度变化、 具有反馈、以及光纤陀螺加频率调制的情况 下保持稳定。如果光源的光谱不稳定，则会 影响光纤陀螺标度因子的线性度。由于 SLD 波长的温度系数较大，为400ppm/r量级， 因此使用 SLD 时对温控精度要求很高，但这 是必需的。光谱宽度厶入定义为光谱曲线上光强为最大光强一半的两个波长间的光谱全宽（FWHM）（见图6.2-11）。SLD的光谱宽度取决于 所采用的有源材料的光增益谱。体材料850nmSLD的光谱宽度通常为1020nm，1300nmSLD光谱宽度一般为3050nm，而1550nmSLD的光谱宽度约为5070nm。另一个表征光源相干性的参数是相干长度，相干长度Lc可以由下式来估算： 九2Lc =- A九测试方法: 测试系统见图 6.2-12 按照图 6.2-12 连接测试系统并进行仪器预置。给被测组件施加规定的正向偏置电流，在光谱分析仪上测出组件输出光谱，读出峰值发射波长A p和光谱宽度入 （FWHM）=A -A。如图 6.2-11 所示21图 6.2-12其中：Al被测组件G1直流电流源 G2温度控制电源Bl光谱分析仪 El光纤光缆1.3 光谱调制度如前面所述，为了抑制 SLD 中 的光反馈采用了各种途径。目前报 道的光反馈低达10-6或更低，但是 器件仍存在剩余端面反射和高的 增益,F-P腔纵模将引起光谱调制。光谱调制度定义为： (P - P ) m maxmin(P + P )max min(6.2-l0) 式中Pmax和Pmin分别为光谱中峰 值波长处的最大光强和相邻两个 模间谷值波长处的最小光强。光谱调制度的大小与 SLD 管 芯中存在的光反射密切相关，其中 包括前端面、后端面及分布反射。前两种反射是由于端面的剩余反射所引起的，分布反射是由于有源区与无源区过渡处波 导折射率发生变化和波导不完整性所引起的。目前报道的光谱调制度通常为百分之十几 到百分之几，也有低达10-4量级的报道，但这是以牺牲光输出功率为代价获得的。 测试方法:测试系统见图 6.2-12.按照图 6.2-12 连接测试系统，并进行仪器预置。给组件施加规定的正向偏置电流， 在光谱分析仪上测出组件输出光谱，如图6.2-13 所示，根据式(6.2-10)计算出光谱调 制度 m。1.4 偏振度由于 SLD 中光反馈很弱(理想的 SLD 应不存在光反馈)，不存在激射振荡，其输出 光的偏振度远低于LD的偏振度。SLD的偏振度P可以定义为：P (P P )/(P + P )(6.2-11)TE TM TE TM式中P和P分别是TE （横向电场）偏振光和TM （横向磁场）偏振光的强度。在只存TETM(迪曙般也) Rfi亲020 图 *6.2-14AlGaAs SLD的偏振度与注入电流的关系之一例图 6.2-15AlGaAs SLD 的 TE 模和TM模光谱之一例在TE偏振时，P=1 ；而只存在TM偏振时，P=-1O不管是AlGaAs SLD，还是InGaAsP SLD, 其输出光的偏振度随注入电流的变化趋势都相同，即随着注入电流增加偏振度增大，在 超过一定电流值后趋于稳定。图6.1-14给出了一种AlGaAs SLD的偏振度随注入电流变 化的一个实例。图6.1-15给出了 SLD的TE和TM模光谱的一例。从该图可以看出，TE模的调制度 比TM模大，这是由于端面对TE模的光反馈比对TM模的光反馈强。与TE模光谱相比较， TM模光谱的峰值向较短波长方向漂移了约5nm,这是由于在器件材料结构中的P型包层 对具有较长波长的TM模的光限制相对较弱所引起的。在光纤陀螺系统中采用保偏光纤时，希望能使用强线偏振的 SLD 光源以消除存在 两个偏振模传播时所引起的相位误差。从SLD的设计方面考虑，似乎可以采用较薄的P 型包层以使具有TM模的光更多地透入上包层而损耗掉，以此来提高SLD的偏振度，但 这要以牺牲光功率为代价。测试方法：测试系统见图 6.2-16其中：A1被测组件G1 直流电流源B1G2温度控制电源L1,L2无应力显微物镜 C检偏器B1光功率计E1光纤光缆图 6.2-16按照图 6.2-16 连接测试系统，并将测试系统光路严格准直。给组件施加规定的正 向偏置电流，转动检偏器，使光功率计接收到最大辐射功率。对于TE模占优的SLD （例 如体材料SLD、压应变量子阱SLD和无应变量子阱SLD）,该最大辐射功率即为P ；然后TE 将检偏器旋转900，测出Ptm。将所测得的值代入式（6.2 11 ）中，计算出偏振度P。2. LI （光输出功率一电流）特性及其温度依赖性图6.2-17给出了 SLD管芯在不同温度下的LI特性。随着注入电流增加，有源区中的载流子密度增加，光增益系数增大，因此SLD的L I曲线在光增益饱和之前呈超线性。采用合理的SLD结构，并且对光纤头进行拉锥或 磨角等处理，可以将SLD辐射出的光有效地耦合进单模光纤。随着注入电流增加，光束 发散角变窄，因而耦合效率提高，通常在100mA电流下可达到百分之十几以上。目前， 商售的SLD组件在室温下（2025C）的尾纤（单模光纤或保偏光纤）输出功率为：100mA 驱动电流下通常为100300“W,在150mA电流下有的器件可达1mW以上。SLD的LI特性具有较强的温度依赖性，尤其是长波长（1300nm、1550nm） SLD更 为突出。这是由于对LI特性有着重要影响的材料参数，包括光增益系数、载流子寿 命、扩散长度都具有温度依赖性。SLD有源区的温度T为环境温度Ta加上由输入电流引 起的温升可以由下式来表达：AT = （IV-P ）R（6.2-12）0 th呃訪电说屁a abc图6.2-17 SLD的LI特性a.1300nm InGaAsP/InP SLD 管芯；b850nm AlGaAs/GaAs SLD 管芯；c带单模光纤的 1300nm式中IV是消耗的电功率，P是SLD两端面输出的光功率之和，R （C/W）是器件的热0 th阻。在光纤陀螺系统中，光源功率不稳定会引起噪声。降低SLD的热阻是重要的，在使 用SLD时应尽可能做到散热良好，同时有必要采用温控和光控电路以稳定SLD的光输 出特性。输出光功率测试方法：测试系统见图 6.2-18按照图 6.2-18 连接测试系统，并进行仪器预置。给组件施加规定正向偏置电流， 用光功率计测试其光输出功率。其中：Al被测组件G1直流电流源G2温度控制电源B1光功率计E1光纤光缆图 6.2-183噪声图 6.2-19AlGaAs SLD的强度噪声谱之一与所有干涉仪一样，噪声是限制光纤陀螺测 量能力的主要因素，过剩噪声会恶化光纤陀螺的 性能，光源光强的波动会产生相位测量误差。图. 6.2-19示出了美国G.O公司的一种AlGaAs SLD ； 的强度噪声谱。在低频（50kHz）下,1/f强度噪 声占主导地位，它与SLD有源区内的载流子波- 动无关。在较高频率（500kHz）下，白噪声占主 导地位，它来源于量子波动。在频率高于约1MHz 后表现为一个平坦的噪声谱，其结果可以用放大 后的自发辐射的统计模型来解释。光子散粒噪声 是光的量子本质的必然结果。单位时间内探测器所 探测到的光子数不是一个恒量，它随泊松几率分布 而随机变化。当探测到的光功率增加时， SLD 的过剩量子噪声会引起信噪比饱和。此后即使再 增加光源功率，陀螺的检测精度也不会改变。但 是可以采用一些其它方法来补偿光源中的过剩 1/f 噪声和量子噪声，使得信噪比不再饱和。6.2.5 SLD 的驱动电路和温控电路1. SLD 的驱动电路在模拟系统中，对 SLD 驱动电路的要求是 提供一定的偏置电流和信号驱动电流。图 6.2 20给出了 SLD驱动电路之一例。2 SLD 的温控电路SLD的工作温度对SLD的工作特性影响很大，工作温度变化会引起 SLD 输出功率、峰值发射波长，光谱宽度等发生变化，因而稳定SLD的工作温度对于稳定SLD的光输出特性是极其重要的。图6.2-21给出了 LD 温控电路之一例（摘自量子电子学报第20卷第4期，周瑜，丁永奎等）。该电路同 样适用于SLD。整个电路由温度/电压转换电路；共模抑制比、高输入阻抗、低功耗、 低功率放大器；PID比例一积分微分电路以及电压跟随器组成。该电路的温控精度可达 0.03C以内，且动态响应快。I J图6.2-21温控电路R167| Cool*Cool-J6.2.6掺铒SFS （掺铒超荧光光纤光源）1 掺铒 SFS 的工作原理在980nm或1480nm波长的光泵浦下掺铒SiO2光纤中的能级示意图，其中包括可能产生的ESA过程和各种能态的近似寿命6掺铒SFS的发光是基于掺铒光纤的放大 自发辐射（ASE）,它具有以下特点：光谱宽 度与SLD相近，如果采用级联结构或双泵浦 波长双向泵浦等结构，光谱宽度可以超过 100nm；光输出功率可达10mW以上，远大 于SLD （在100mA工作电流下，单模尾纤输 出功率一般为数十微瓦至数百微瓦）；尤其是 平均波长随温度的变化比SLD小得多，可以 小于 10ppm/C，而 SLD 为400ppm/C。如 果将温度变化控制到0.1 C以内，贝y SFS的平均波长变化可以小于lppm。因而，掺铒 SFS 被认为是惯性导航级光纤陀螺的首选光源。图6.2-22给出了采用980nm或1480nm波长的光源泵浦时掺铒二氧化硅光纤中的相 关能级及发射波长和吸收波长，以及各能态的近似寿命。电子吸收980nm波长的泵浦 功率跃迁到4I11/2能态，该能态寿命短，约为7“s。被激励的电子以非辐射状态衰变到 上激射态（4I13/2），该激射态具有较长的寿命，约10ms。用1480nm波长的光泵浦时，被 激励的电子直接跃迁到4I13/2能态。电子从上激射态（4I13/2）跃迁到下激射态（4I15/2）即基 态时产生1550nm波长附近的放大自发辐射（ASE）。一般情况下可以忽略 980nm 泵浦态的占有率，因为该能态的寿命短。但是用波长 为980nm附近的光泵浦时，掺铒SiO2光纤会产生波长约为545nm的光。产生这种辐射 的最为合理的过程如图6.2-22所示，它是由泵浦态产生的ESA（受激态吸收，又称为 980nm上转换）引起的。在这种过程中，电子从泵浦态到一个寿命极短的能态产生泵浦 吸收，被激励的电子再从后一种能态通过中间能态以非辐射状态衰变回到泵浦态。波长 为545nm附近的光是由电子从2斗1/2能态跃迁到4I15/2能态时释放出来的。采用980nm 和1480nm的光泵浦时这种ESA很弱，通常可以忽略。2 掺铒 SFS 的基本组成和结构掺铒 SFS 的结构很简单，其基本组成如图 6.2-23所示（虚线框以外部分）。它包含 一个泵浦光源（泵浦光波长为980nm或1480nm），一段长度合适的掺铒光纤和一个光 耦合器。泵浦光源一般采用大功率LD。光耦合器可以采用波分复用器WDM）或者光 纤定向耦合器，其作用是将泵浦光耦合进掺铒光纤，并通过它的一个光路分支输出光源 光。可以在前向输出端设置一个波长选择反射器以实现双程放大。有时还需要在光源的 输出端设置一个光隔离器以抑制来自于输出端面的光反馈，从而防止光源产生窄带谐振 激射。为了获得平坦的增益谱，还可以在输出光路中插入增益均衡滤波器（图中未给出）。图6.2-23掺铒SFS的基本组成根据光纤端面是否存在反射以及泵浦光和有用的光源输出光在传播方向上的异同， 常见的用于 FOG 的掺铒光纤光源可以分为单程前向、单程后向、双程前向、双程后向 及光纤放大器光源等五种结构，如图6.2-24所示。具有两个非反射端面的为单程SFS， 一端具有反射端面的为双程SFS。从SFS泵浦端输出光的为后向结构，在这种结构中， 泵浦光和有用的光源输出光的传播方向是相反的。从 SFS 的另一端输出光的为前向结 构，在这种结构中，泵浦光和有用的光源输出光的传播方向是相同的。单程结构简单，且不会产生激射， 其缺点是需要的泵浦阈值功率较高，光 源输出功率较低。若采用单程前向结 构，其输出光的光谱还较窄。与单程结 构相比，双程结构的优点在于需要的泵 浦阈值功率较低，功率转换效率较高， 光输出功率较大，平均波长稳定性好， 通过优化反射器参数可获得较宽的谱 宽。但是，在双程结构 SFS 中，光源 的输出端必须加隔离器以抑制光反馈， 从而防止光源产生窄带谐振激射，并减 小反馈信号所引起的光源不稳定性。光 纤放大器光源（FAS）结构是由单程SFS 演变而来的，掺铒光纤不仅作为后向信 号源，而且还是 FOG 信号的放大器。 这种结构是将光源和光纤放大器融为 一体，具有较高的能量利用率，且不存 在反射端面而减小了光反馈。但这种光 源的制作需要与光纤陀螺相配合来进 行，操作起来不方便。3掺铒SFS的性能分析SFS 的特性主要通过选择四个参 数来控制，即选择泵浦功率、泵浦波长、FOG竺竺FOG信号泵浦 光源发射反ttFOG倍号泵浦FOG fa 号FOG光源发射携饵光纤反像检饵光纤丸源发射-/ Y匕反馈泵浦FOG图 6.2-24用于FOG的掺铒SFS的结构示意图a. 单程后向b. 双程前向c. 光纤放大器光源（FAS）d. 单程前向e. 双程后向平直的光纤端面表示反射，倾斜的光纤端面表示无反射光源结构和光纤长度。此外，光纤的参数如掺杂浓度、掺杂分布、模尺寸和其掺杂组分 都可以对SFS特性产生影响。泵浦波长和功率的选择取决于泵浦源结构和掺钮光纤的吸 收带。已研究过多种不同的泵浦波长，包括514nm、810nm、980nm和1480nm,只有980nm和1480nm泵浦波段被认为是不受受激态吸收的影响。这两种激光器都是目前有效的小型半导体激光器。3.1 输出光功率和效率图 6.2-25 为模拟计算出的输出光功率与光纤长度的关系，光纤为 AT&T 公司生产 的。最佳光纤长度与泵浦光波长和功率、光源结构、以及光纤参数（掺杂组分、掺杂浓 度、掺杂分布、模尺寸等）有关，一般为数米到数十米。图6.2-26为模拟计算出的输出光功率与泵浦功率的关系曲线。其中：a）为单程后 向结构。976nm波长泵浦时光纤长度为2.4m； 1475nm波长泵浦时光纤长度为3.5m。（b） 为双程前向结构。976nm波长泵浦时光纤长度为1.2m； 1475nm波长泵浦时光纤长度为 2.4m。（c）为FAS结构。976nm波长泵浦时光纤长度为1.2m； 1475nm波长泵浦时光纤 长度为2.4m。由图6.2-26可以看出，选择（b）、（c）两种结构可获得较高的输出功率 和功率转换效率。已有报道，采用双程后向结构可以获得更好的性能o 976nm波长泵浦时，功率转换效率可达50%以上；采用1475nm波长泵浦时，功率转换效率可达75%以 上。3.2 光谱特性3.2.1 平均波长和光谱宽度（/） u. I/）100SO6010040化的曲计S7J血泵浦1475皿泵浦 的输出功率随光纤模拟线(a)(b) 双程前向(c) 光纤放大器光源(FAS)模拟计算出的输出功率与泵浦功率的“关系曲线(未计入损耗机理)(a) 单程后向(b) 双程前向(c) FAS损耗机理)泵浦功率为3側耳(d) 单程前向 图 6.2-28 给出了对一个单程掺铒 SFS 所测得的发射光谱，它具有多峰。该器件采用的 泵浦波长为976nm,光纤长度为2.4m （光纤是AT&T生产的，其增益谱和吸收谱如图6.1- 27所示）。从掺铒SFS任何一端发射出的信号都是泵浦功率、泵浦波长、光纤长度 和光源结构的复杂函数，因为这些参数对介质的反转有影响。对于短光纤单程SFS，在 高功率泵浦下，介质完全反转，其前向和后向光谱的峰值都位于左边。对长光纤单程 SFS，在远离泵浦端的光纤部分为具有损耗的未泵浦区。此外，信号饱合出现在泵浦端 附近（由后向信号引起）和超出最佳光纤长度之外的位置（由前向信号引起）。当泵浦 端附近发射光子时开始出现前向信号，而当比较靠近于光纤中部处发射光子时开始出现 后向信号，条件是对该处的泵浦足以使介质产生反转。在这种情况下，由于在远端存在 未泵浦区，它相当一个滤波器，该滤波器的衰减特性（以dB计）近似与光纤的吸收谱 成比例（见图6.227），因而前向光谱是后向光谱的滤波变形产物。由于在吸收谱中峰 值位于左边，所于前向光谱中左峰降低，且具有比后向光谱更靠右的峰值（见图6.2 28）。对于双程结构，输出基本上是通过光纤双程传输的ASE光子。在这种情况下， 光纤输出端附近出现ASE饱和而确保介质处于中等反转水平，具有产生右峰光谱的趋 势。对于非高斯形分布的光谱，通常采用平均波长的概念，以功率谱密度作为加权因子， 对信号波长作加权平均来计算。同样，由于对具有多峰的光谱难于确定3dB谱宽的定义。 在 FOG 中，输出是采用平方率检测来测量，各种机理引起的误差的减小正比于由功率 的平方加权后的光源谱宽，因而，用功率谱密度的平方作为加权因子来计算光源的谱宽 是一种比较理想的方法。SFS 的平均波长定义为：工P （九）九无=-（6.2-13）乞P（九）ii=1SFS的谱宽定义为：为P（九）AX（九）2iiA九= （6.2-14）乞P2（九）AX（X ）iii=1式中P（X ）为第i段光谱对应的功率，A为第i段光谱对应的平均波长，aX（九）为第iiii段的光谱宽度。3.2.2 平均波长的温度稳定性掺铒SFS的平均波长温度稳定性取决于泵浦功率P、泵浦波长久、光纤长度、工 作温度及光源结构。对于用于光纤陀螺的SFS，平均波长的温度稳定性是一个重要参数， 因为它直接关系到光纤陀螺标度因子的线性度。平均波长的温度系数以ppm/C来表示。 对于一级近似， SFS 的平均波长的依赖关系可以由其主要分量表示为dT dT+（矿）（芳）+（矿）（dT）（6.2-15）Pp式中，T为温度,Pp为泵浦光功率，冷为泵浦光波长。式中第一项为掺铒光纤对温度的 固有依赖性，第二项和第三项分别表示平均波长随泵浦功率和泵浦波长的变化。第一项 只能通过优化掺铒光纤的性能来减小，第二项和第三项则需要通过对SFS的结构进行优 化设计和参数控制来减小或消除。3.3掺铒SFS目前已达到的性能指标国外对掺铒SFS的研究已经比较成熟，通过优化设计参数可以使掺铒SFS获得高 的输出光功率（10mW）,宽的光谱宽度（20nm），尤其是采用合适的温度控制已获得 极好的平均波长稳定性。英国海军研究室的Douglas C.Hall等人1995年报道，他们采用 后向单程SFS结构，所用的掺铒光纤长度分别为23m和78m时，光源平均波长的温度 系数分别为4.8和3.0ppm/C，光源输出功率为26mw，谱宽为19nm。日本NTT光电子 实验室的 Makoto yamada 等人 1998 年报道，他们研制的碲基掺铒光纤放大器获得了 76nm的谱宽。有的研究者采用并联结构获得了大于100nm的谱宽，但结构比较复杂。 英国D.C.Hall等人1994年报道，对于选定的泵浦功率，可以通过优化光纤长度以使平 均波长随泵浦功率的变化趋近于零，总的平均波长的温度不稳定性d厂/dT可以减小至固有的厂随光纤温度的变化，其值可以小于6ppm/C，如将温度变化控制到0.1C，贝9 实际的宽带SFS的平均波长的变化可以小1ppm，该值已经完全满足高精度惯导级FOG 的要求。6.2 参考文献1 HenryKressel, J.K.Butler. “Semiconductor Lasers and HeterojunctionLEDs.M.London,ACADEMIC PRESS, INC.19772. 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