摘要:本文分析了目前光纤陀螺所用到的主要光电子器件,包括光源、多功能光电集成芯片和光电检测器。对于各器件,阐述了其工作原理和应用现状,并指出了某些相关的发展动向和新的研发思路及方案。
关键词:光电子器件、光纤陀螺、光源、集成芯片、光电检测器
光纤陀螺在当今的惯性传感领域具有特殊的重要意义,发达国家对于其在军事和民用领域的实用化进行了大量的研究,并取得了丰硕的成果。我国也已将光纤陀螺仪及其所构成的导航系统作为惯性技术领域未来二十年的主攻方向。
本文分析了目前光纤陀螺中所用到的主要光电子器件,对于各器件,阐述了其工作原理和应用现状,并指出了某些器件的发展动向,给出了新的研发思路和方案。光纤陀螺中所用到的光电子器件主要包括光源、多功能光电集成芯片和光电检测器。
一、光纤陀螺中的光源器件
对于各种类型的光纤陀螺而言,光源始终是其极为关键的一个组成部分,在很大程度上,光源决定了光纤陀螺的精度及其它性能。不同种类或不同精度的光纤陀螺对光源的谱宽、功率及工作波长均有各自不同的要求。
对于干涉型光纤陀螺而言,光源的谱越宽,就越有利于精度的提高,当然,前提条件是光源的输出功率和波长稳定性要保证在一定的水平；而对于谐振型光纤陀螺来说,由于其工作及检测机理的不同,导致对光源谱宽的要求截然相反,一般要求光源谱宽保证在100khz以内。在现有技术条件下,提高光源的输出及耦合功率,对于要求宽谱光源的干涉型光纤陀螺尤为重要,因为,增加光源的输出及耦合功率,就可以改善陀螺中的信噪比,从而提高陀螺的检测精度。而对于要求窄谱光源的谐振型光纤陀螺,解决光源输出及耦合功率的问题,预计要来得容易些。
有关光源工作波长的选择,原则上一般应由石英光纤的损耗特性和陀螺的精度要求等因素决定。对于石英光纤而言,850nm、1300nm和1500nm是三个低损耗窗口,由于即便是干涉型光纤陀螺,其所用光纤长度通常均在2km以内,所以,1300nm和1500nm窗口的低损耗优势相比850nm窗口并不明显。在大多数实际应用场合,工作波长的选择主要考虑是否有合适的元器件(如光源和探测器)以及元器件的成本问题。目前,国际上,低精度光纤陀螺一般选择工作波长为850nm的光源,而中、高精度的光纤陀螺一般选择工作波长为1300nm和1500nm的光源。
1、多模激光二极管和边缘辐射发光二极管
第一个光纤陀螺实验室样机采用了he-ne气体激光器作其光源[1],这是由于he-ne气体激光器的高斯型发射模式可以有效地耦合进单模光纤中。但由于光通信的飞速发展,促进了半导体光器件技术的进一步提高,使得这些采用低驱动电压工作的小型固态光源已成为实用化光纤陀螺的理想选择。半导体光源主要有两种：表面发光二极管(led)和激光二极管。在公开报道过的商用化光纤陀螺中,多模激光二极管(mm-ld)和边缘辐射发光二极管(eled)均得到应用,详情见表1[2,3]。
然而,上述应用在干涉型光纤陀螺中的两种光源均有其自身的不足：基于自发辐射的led具有足够的谱宽,但由于其辐射面积(直径一般为50-100微米)比纤芯大,不能有效地耦合进单模光纤中；而ld尽管与关纤的耦合效果还可以,但其谱宽指标并不理想。因此,有必要为干涉型光纤陀螺引进能同时兼顾耦合性能和谱宽的新型光源。
2、半导体超辐射二极管
为了获得较好的空间相干性(以便于耦合)和弱的时间相干性(以得到宽谱),可在半导体激光二极管(ld)的基础上,将其改造为半导体超辐射二极管(sld或srd)。sld具体构成原理见图1。一方面,普通ld的输出光谱由法珀激光腔(fp激光腔)模式的窄辐射峰组成,因而其谱宽较窄,不能很好地满足干涉型光纤陀螺对光源谱宽的要求。通过抑制ld中的激光效应可以有效地扩展其输出谱宽,相应的方法[4]有：在ld发射输出端镀抗反射涂层以降低反射率；在ld的另一端建立反抽运区(即吸收区)；或者同时使用上述两种措施。另一方面,通过对经过上述改造的ld施加较大的驱动电流,便可产生较强的粒子数反转,从而提高自发辐射光子的单程增益,因此,即便由于抑制激光效应而减少了光子在腔内的反馈次数,但sld仍然具有相对较高的输出功率。sld发射的是部分偏振光,有70%-80%的功率在平行于半导体结的“水平”偏振中。
与发光二极管相比,sld具有输出功率上的优势；与ld相比,sld又具备谱宽上的优势。所以,sld在干涉型光纤陀螺的研制中得到广泛使用。目前使用的sld,其谱宽一般在20nm至40nm之间,对于50ma-150ma的驱动电流,即便耦合效率较低(10%-20%),典型的耦合入纤功率仍可达到0.5mw-1mw。
sld的主要问题[1]是其光谱的稳定性差：平均波长有一个约400×10-6/k的温度漂移和一个约40×10-6/ma的随驱动电流的漂移,通过采用相应的温控装置(如peltier元件)和稳定的驱动电源,可在一定程度上改善波长的稳定性,要想进一步提高波长
