高洋洋,王夏霄*,周卫宁,黄 宛,张 猛

(1.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京 100191; 2.湖北三江航天红峰控制有限公司,湖北孝感 432000; 3.山东电力设备有限公司,山东济南 250000)

光纤陀螺用超辐射发光二极管启动模型研究

高洋洋1,王夏霄1*,周卫宁1,黄 宛2,张 猛3

(1.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京 100191; 2.湖北三江航天红峰控制有限公司,湖北孝感 432000; 3.山东电力设备有限公司,山东济南 250000)

为了实现光纤陀螺的快启动,从超辐射发光二极管(SLD)发光机理出发,通过分析光源的驱动电流和管芯温度在上电后的变化规律,建立了SLD的启动模型,找出了影响SLD启动时间的因素。用高速数据采集卡测得SLD的常温启动时间约为3～4 s,由温控系统系统引起的功率波动误差为4.5%,波长的漂移量为0.92 nm。实验测试结果与建立的理论模型相符,从理论上提出了缩短SLD启动时间和实现陀螺快启动的方法。

启动模型;SLD;温度;输出功率;波长

1 引 言

光纤陀螺广泛应用于导弹制导、飞机导航、卫星导航等领域[1]。随着现代化战争武器和惯导系统对快速反应的要求越来越高,光纤陀螺的快启动显得日趋重要。目前所报道的实现陀螺快启动的方法主要是对光源采用光控回路来缩短光纤陀螺低温启动时间[2],或者通过探测并补偿光源、探测器、处理电路的噪声来实现光纤陀螺的快速启动[3],但对光纤陀螺启动时光电信号的变化规律及影响陀螺性能的机理研究仍属于空白阶段。

超辐射发光二极管(SLD)因具有高功率、宽光谱、低偏振度而成为光纤陀螺的理想光源[4-6]。由于SLD光源是光纤陀螺光学元件中唯一的功率有源器件,其启动速度是最慢的[7],所以光纤陀螺快启动受SLD影响最大。在SLD启动的过程中,驱动电流的上升时间由驱动电路的积分时间t0决定,光源发光的同时会伴随有热量的产生,导致管芯内温度发生变化,需要一定的时间才能达到热平衡状态。而温度的改变将会导致光源的输出功率、波长、偏振度不稳定,进而影响光纤陀螺的标度因数、零漂等输出特性[8-10],所以陀螺需要预热才能开始工作。为了探究SLD启动过程中的光电信号变化及影响陀螺性能机理和启动时间的因素,本文建立了SLD的启动模型并测试了其启动特性,为光源启动对陀螺的影响机理研究提供理论依据和数据支持,找出缩短SLD启动时间和实现陀螺快启动的方法。

2 SLD发光机理

SLD组件由芯片、热沉、热敏电阻、TEC制冷器、光路整形器件和尾纤组成,如图1所示。为了提高光源输出的稳定度,发光模块通过热沉安装在TEC制冷器上,PID温控电路通过热敏电阻获取热沉的温度,并改变制冷电流的大小使温度稳定在25℃。

图1 SLD组件结构示意图Fig.1 Diagram of SLD assembly structure

SLD为电驱动PN结复合发光。在电流注入条件下,来自P层的空穴和来自N层的电子在有源层复合发光,在宽光谱范围内产生光的自发辐射放大,发光强度取决于激活介质的组成和注入电流水平。输出功率和驱动电流的关系为：

其中,I是驱动电流,Ith是阈值电流。图2为输出功率与驱动电流的理论模型和实验测试的对比,可以看出,实验测试结果与理论模型相符。

图2 输出功率与驱动电流的理论模型和实验测试对比Fig.2 Comparison between measured and theoretical PI characteristics

SLD将一部分电能转换成光能发出,同时有一部分在结区转换成热量,导致结区温度升高并改变阈值电流。阈值电流与温度的关系[11]为：

其中,Ith0是温度在T0时的阈值电流。当驱动电流稳定时,阈值电流随温度升高而增大,输出功率减小,反之亦然。同时光源波长随温度的升高而出现红移,变化量大约为4×10-4/℃。

3 SLD启动模型

3.1 驱动电流

SLD使用恒流源驱动电路,由于存在积分电路,假设输入电压为阶跃信号,驱动电流随积分时间t0近似线性增长,因此根据输出功率与驱动电流的近线性关系,光源的输出功率在上电瞬间随积分时间t0近似线性上升。因为驱动电流的上升时间很短,所以我们主要研究由管芯温度变化引起的启动输出特性。

3.2 温度

当TEC制冷器热端温度高于热沉温度时,热沉吸收的热量[12]可以表示为：

其中,SLD芯片释放的热量为QS=V·IS-P/η, V是前置电压,IS是驱动电流,η是发光效率。TEC制冷器热端辐射温度为QR=FεσS(T41-T42),其中F是形状系数(取最大值1),ε是辐射系数(取最大值1),σ是玻尔兹曼常数(5.667×10-8W/(m2·K4)),S是TEC制冷器热端横截面积, T1是热端温度,T2是冷端温度。空气对流热量为QC=hS(T1-T2),其中h是空气的热交换系数,在1标准大气压下,h=21.7W/(m2·℃)。

热沉的制冷量主要由TEC制冷器提供,可以表示为[13-14]：

其中,QP=αIT2,其中I是制冷电流,α是赛贝克系数,α≈400μV/K。=(-)=KΔT是半导体热传导热量,其中k是半导体材料热导率, k=0.8～1.5 W/mK,l是半导体长度,K是总热导。QJ=I2R是制冷电流产生的焦耳热,其中R是TEC制冷器热阻。

在稳定工作点附近,将焦耳热近似做线性化处理,I2R/2≈IR。通常情况下,FσS(T-T)＜hS(T1-T2),做近似相等处理,FσS(T-T)≈hS(T1-T2)。将与制冷量无关的热量都看作导致温度偏离控制温度的固定干扰量,则有：

其中,m是热沉质量,C是热沉比热容。

假设在传热过程中,热沉温度T与制冷器冷端温度T2近似相等,并且帕耳帖制冷量中的冷端温度为固定值,公式(5)可以简化为：

目前,SLD大部分的温度控制电路主要包括温度采集电桥电路、PID温控电路和功率放大电路。温控电路的制冷电流为：

表1 SLD组件常数与参数Table 1 Constants and parameters of SLD

结合式(6)、(7)可以得出温度在稳定工作点附近的变化规律为：

其中,ω是固有震动频率,γ是衰减系数。

所以,热沉温度T(t)是二阶微分方程式(8)的解,初始条件为。热敏电阻对温度信号的传输有一定的滞后,T′是在TEC制冷器未响应前由光源发热而产生的温度偏置量,可以得到方程的解为：

从图3可以得出,在固有震动频率ω相同的情况下,衰减系数γ越大,温度所需的稳定时间越短。

从图4可以得出,在衰减系数γ相同的情况下,温度所需的稳定时间不随固有震动频率ω变化,但震动频率ω越大,温控系统的响应速度越快。

图3 不同衰减系数下的温度变化Fig.3 Temperature changeswith different attenuation coefficient

图4 不同振动频率下的温度变化Fig.4 Temperature changeswith different vibration frequency

因此,可以通过增加衰减系数γ来缩短SLD的启动时间。根据式(9)可得,缩短光源启动时间的方法包括：减小热沉厚度来减小热沉质量;热沉采用低比热容的材料;增加TEC制冷器的制冷效率。

4 结果与讨论

本文测试了由中电44所生产的中心波长1 310 nm的SLD的启动特性,额定驱动电流为100 mA,额定功率为1.33 mW。采用北航研制的光源板对光源进行驱动,光源板提供100 mA的恒流源、采集光源温度的电桥电路和TEC制冷器所需的制冷电流。输出的光信号由PIN光电二极管转化为电信号,经放大、滤波电路处理后,用HS4高速数据采集卡对电压信号进行采集。采集的电压信号与光强为线性关系,所以可以得到SLD启动时输出功率的变化情况。其中,PIN光电二极管的响应速度为1.5 GHz,响应度为0.85 A/W。HS4的采样频率为10 kHz,分辨率为12位,4通道,采用连续采集方式。采集卡采用超前触发方式,即在SLD上电之前开始采集,通过对比上电前后数据变化趋势的不同确定启动的零时间。为保证测试环境为25℃,将光源放入温箱中进行测试;同时通过串联电阻的方式,对驱动电流以及光源内部另一闲置的热敏电阻阻值进行采集,根据测得的热敏电阻阻值来确定管芯温度变化情况。

SLD启动时的输出功率和驱动电流的测试结果如图5所示。从测试结果可以看出,SLD在室温下启动时间为3～4 s,由温度引起的最大功率波动误差为4.5%。驱动电流近似线性升高,积分时间约为0.3 s,上电瞬间输出功率与驱动电流上升趋势相同。由于管芯温度升高,导致当驱动电流达到额定值100 mA时,输出功率低于额定功率1.33 mW。

图5 SLD启动时的输出功率和驱动电流的测试结果Fig.5 Output power and drive current during SLD start-up

图6 SLD启动时的输出功率和温度的测试结果Fig.6 Output power and temperature during SLD start-up

光源输出功率与管芯温度的测试对比结果如图6所示。管芯温度在上电后由于光源发光而升高,随后在TEC制冷器的作用下达到稳定工作点,而且输出功率与温度变化趋势相反,温度最低时,输出功率最大。

图7为温度变化理论模型与实验测试结果的对比。可以看出测试结果与理论模型相符。由于热敏电阻存在滞后延迟,所以在TEC制冷器响应前,光源管芯产生温度偏置量。实验测得热敏电阻的延迟时间t′≈0.2 s,温度偏置量T′=1.8℃。温度的最大波动量为1.8℃,所以波长的漂移量最大可达0.92 nm,这将会产生7.20×10-4(720 ppm)的光纤陀螺标度因数误差,在全温环境下启动时会更大。理想闭环光纤陀螺的输出不受光功率变化的影响,而由SLD偏振度变化引起的偏振误差变化较小,并且可以通过消偏处理来减小其影响,所以在SLD启动过程中,由输出波长变化引起的标度因数误差占主导因素。上述分析表明,可以通过采集光源管芯温度对光纤陀螺启动时的标度因数误差进行补偿来实现光纤陀螺的快启动。

图7 温度震荡的理论模型和测试结果对比Fig.7 Comparison between measured and theoretical temperature variation

5 结 论

通过分析SLD的光电转换机理,建立了SLD的启动模型,并测试了SLD上电后的输出功率、驱动电流、温度的变化情况,测试结果验证了理论模型的正确性。从理论上提出了缩短SLD启动时间和实现陀螺快启动的方法,对光纤陀螺快启动研究具有一定意义。

[1]Lloyd SW,Fan SH.Experimental observation of low noise and low drift in a laser-driven fiber optic gyroscope[J]. Lightwave Technol.,2013,31(13)：2079-2085.

[2]Li C H,Wang W,Zhang J J.FOG quick start-up at low temperature[J].J.Chin.Inert.Technol.(中国惯性技术学报),2007,15(2)：237-240(in Chinese).

[3]Chang JX,Qin B K,Chen SF.Study on the setup time of interferometric fiber optic gyroscope[J].SPIE,2000,4077：44-47.

[4]BurnsW K,Chen C,Moeller R P.Fiber-optic gyroscopes with broad-band sources[J].Lightwave Technol.,1983, 1(1)：98-105.

[5]Romain B,Khalid M,Vincent A,et al.Enhanced spectrum superluminescent diodes fabricated by infrared laser rapid thermal annealing[J].Opt.Laser Technol.,2013,54：401-406.

[6]Zhou Y,Duan L H,Zhang J,et al.1 310 nm polarization-insensitive high power superluminescent diodes fabricated by liquid phase epitaxy[J].Chin.J.Lumin.(发光学报),2015,36(1)：69-74(in Chinese).

[7]Zhang W X.Fiber Optic Gyro and Its Application[M].Beijing：National Defence Industry Press,2008(in Chinese).

[8]Wang G F,He A Z,Li ZH,etal.SLD effecton the performance of fiber optic gyro[J].Transduc.Microsyst.Technol. (传感器与微系统),2006,25(6)：28-33(in Chinese).

[9]Sidney L A C.Drift caused by phasemodulator non-linearities in fiber gyroscopes[J].SPIE,1990,1267：187-191.

[10]Celikel O,San SE.Design details and characterization of all digital closed-loop interferometric fiber optic gyroscope with superluminescent light emitting diode[J].Opt.Rev.,2009,16(1)：35-43.

[11]Niloy K D,Peter PD.Optical properties of a GaAlAs superluminescent diode[J].IEEE J.Quant.Electron.,1983,19 (4)：496-498.

[12]Yin JL,Liu J,Yu W T.Temperature control characteristics of superluminescent diode for IFOG[J].Semicond.Optoelectron.(半导体光电),2010,31(5)：817-820(in Chinese).

[13]Tan F L,Fok SC.Methodology on sizing and selecting thermoelectric cooler from different TECmanufacturers in cooling system design[J].Energy Convers.Manag.,2008,49：1715-1723.

[14]Li JL,Shi Y B,Zhao PF,etal.High precision thermostat system with TEC for laser diode[J].Infrared LaserEng.(红外与激光工程),2014,43(6)：1746-1749(in Chinese).

高洋洋(1992-),男,吉林长春人,硕士研究生,2013年于长春理工大学获得学士学位,主要从事光纤陀螺快启动及光源方面的研究。

E-mail：yangyanggao136@163.com

王夏霄(1977-),男,山西太原人,博士,讲师,2006年于北京航空航天大学获得博士学位,主要从事光纤陀螺和光纤传感方面的研究。

Email：wangxiaxiao@buaa.edu.cn

Start-up M odel of Superlum inescent Light Em itting Diodes Used in Fiber Optic Gyroscope

GAO Yang-yang1,WANG Xia-xiao1*,ZHOUWei-ning1,HUANGWan2,ZHANG Meng3

(1.School of Instrument Science&Optoelectronic Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China; 2.Hongfeng Control Company Limited ofHubei Sanjiang Astronautics,Xiaogan 432000,China; 3.Shandong Power Equipment Co.,Ltd.,Jinan 250000,China) *Corresponding Author,E-mail：wangxiaxiao@buaa.edu.cn

In order to realize the quick start-up of fiber optic gyroscope,the start-up model of the superluminescent light emitting diodes(SLD)was established by analyzing the change principle of drive current and temperature in SLD after power on,and the factors affecting the start-up time of SLD were got.By using high-speed data acquisition card,the start-up time of SLD wasmeasured to be 3-4 s at room temperature,the power fluctuation errorwas4.5%,and thewavelength driftwas 0.92 nm caused by the temperature control system.The experiment resultswere consistentwith the theoreticalmodel established.Themethods to reduce the start-up time of SLD and realize the quick start-up of fiber optic gyroscope were proposed in theoretically.

start-up model;SLD;temperature;output power;wavelength

TN36

A

10.3788/fgxb20153609.1076

1000-7032(2015)09-1076-06

2015-04-27;

2015-07-22