外腔半导体激光器在谐振式光学陀螺中的应用研究

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ＭＡＹｎ —ａ，ＯＧＰｎ，ＷＵＸｅｙｇｉｇｊｎＳＮｅｇｉｕ－ｉｎ
（ｃｏｌｆｎｔｕｎｃｎｅａｄＯｐｏｅｃｒｎｃＥｇｎｅｉｇＢｉａｇＵｉｎｔ－ｅｔｉｎｉｅｒ，ｅｎｎｖｒｉＢｉｎ０１１ＣｉａＩｒＳｅｌｏｎｈｔｊ
（京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，京１０９）北北０１１
摘
要：陀螺是一种高精度的惯性传感器件，为第二代陀螺的谐振式光纤陀螺，作在理论上精度高于第一
代干涉型光学陀螺。但是谐振式光学陀螺对光源有一个苛刻的要求，要光源的调谐范围要宽，宽要需线窄。一般达到要求的光源体积都很大，不利于谐振陀螺的小型化和成品化。基于谐振式陀螺的检测原理，
提出了一种基于外腔半导体激光器的谐振陀螺控制方案，对光源的调制信号进行了分析，出了温度恒提
定，控制电流的控制方案。并对外腔激光器电流特性和谐振陀螺入谷信号进行了分析。
关键词：外腔半导体激光器；振式光学陀螺；型化谐小中图分类号：Ｔ１Ｐ２１文献标识码：Ａ文章编号：１０－７７２１）４０５－３００９８（０１０－０１０
Ａｐｐｉａｉｎｒｓａｃｆｅｔｒａａｉｙｓｍｉｏｕｔｒｌｓｒｌｃｔｏｅｅｒｈｏｘｅｎｌｃｖｔｅｃｎｄｃｏａｅｉｅｏａｐｔｃｌｇｒｓｏｅｎｒｓｎｎｔｏｉａｙｏｃｐ
２１０１年第３Ｏ卷第４期
传感器与微系统（ｒｎｄｃｒｎｃｏｙｔｅｈｏｇｅ）ＴａｓｕｅｄＭｉｓｓｍＴｃｎｌｉｓａｒｅｏ
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外腔半导体激光器在谐振式光学陀螺中的应用研究
马迎建，宋彭，武学英
ｃｖｔｅｃｎｕｔｒｌｓｒａｄｔｅｓｇａｆｅｔｒｇｔｅｖｌｙｏｈｅｏａｔｒｓｏｅａｅａａｙｅ．ａｉｓｍｉｏｄｃｏａｅｎｈｉｎｌｏｎｅｉａｅｆｔｅｒｓｎｎｏｃｐｒｎｌｚｄｙｎｈｌｙｇ

采用F-P光学腔的外腔半导体激光器锁相稳频方法

采用F-P光学腔的外腔半导体激光器锁相稳频方法步明繁;刘志刚;张为波;张萌;洪军【摘要】针对外腔半导体激光器出射光频不稳定的问题,提出了一种将Fabry-Perot(F-P)光学腔与锁相放大器相结合的稳频方法,将激光器出射光频稳定在F-P 光学腔的平均腔长相对应的谐振频率上.信号发生器驱动F-P光学腔的腔长按照正弦规律变化,光电探测器将透过F-P光学腔的光信号转化为电信号,锁相放大器将这一电信号与信号发生器的驱动信号进行混频经低通滤波后得到光学腔谐振信号相位误差.利用这一相位误差信号,通过PID控制器对激光器内腔电流和外腔PZT驱动电压两种不同的反馈方式进行反馈控制,实现稳定的输出光频.理论推导出光学腔谐振信号相位误差与激光器波长变化关系,选用F-P光学腔透射峰值时间间隔τ的标准偏差作为评价频率稳定度指标.通过实验验证,选用外腔PZT驱动电压的反馈方式,能将外腔半导体激光器的光频稳定性提高约80％,该方法具有简单高效的特点,并且可以实现较长时间的频率稳定,也能够适用于不同波长的激光器稳频.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2016(050)010【总页数】7页(P125-131)【关键词】稳频;Fabry-Perot光学腔;锁相;Littman结构【作者】步明繁;刘志刚;张为波;张萌;洪军【作者单位】西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TB96外腔半导体激光器具有转换效率高、线宽窄、体积小、经济性好等特点,广泛应用于精密干涉测量、激光陀螺、大气和环境监测、光通信等领域。

光频稳定性是激光器的一个重要的性能指标,半导体激光器的光频对电流、温度、振动等因素极其敏感,如何提高半导体激光器的光频稳定性一直是外腔激光器研究的热点之一[1-2]。

光纤陀螺技术及其应用

光纤陀螺技术及其应用张伟伟（河南大学物理与电子学院，开封 475001）光纤陀螺是建立在Sagnac 效应基础上的光学干涉仪，主要用来检测外部载体的运动角位移和角速度。

光纤陀螺与机械陀螺和激光陀螺相比具有结构简单，体积小，质量轻，成本低，灵敏度和分辨率高等一系列优点，引起了国内外人们极大的重视和强烈的兴趣。

光纤陀螺现已在航空航天、武器导航、机器人控制、石油钻井及雷达等领域获得了较为广泛的应用。

但是由于光纤陀螺其传感元件光纤线圈对各种物理量极为敏感会产生陀螺噪声，而且本身固有物理结构，光源质量，光学器件，光探测器等一起也会形成复杂噪声源影响光纤陀螺的灵敏度使精度下降。

目前，国内光纤陀螺仪研制水平与国外相比已接近惯性导航系统的中、低精度要求，但大多数未到工程实用阶段，也没有可靠性数据。

因此，对于光纤陀螺我们还需要不断地进行研究，以求研制出满足各行各业需要的实用的光纤陀螺。

1 光纤陀螺基本原理各种类型的光纤陀螺，其基本原理都是利用Sagnac 效应，只是各自所采用的位相或频率解调方式不同，或者对光纤陀螺的噪声补偿方法不同而已。

Sagnac 效应是指当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间，将因光波的惯性运动而产生光程差，从而导致两束相干光波的干涉。

该光程差对应的位相差与旋转角速率之间有一定的内在联系，通过对干涉光强信号的检测和解调，即可确定旋转角速率。

如图1所示为光纤陀螺原理示意图，从A 点入射的光被分束器分成等强的两束光,反射光a 进入光纤线圈沿逆时针方向传播，透射光b 被反射镜反射回后又被分束器反射，进入光纤线圈沿顺时针方向传播。

两束光绕行一周后，又在分束器汇合。

当干涉仪无旋转时，沿相反方向传播的两束光绕行一周的光程相同，即两束光波的光程差为0。

当干涉仪绕着其垂直轴以角速度Ω（设逆时针方向为正方向）旋转时，沿相反方向传播的两束光绕行一周的光程和时间就不再相等，其时间差和光程差分别为：2224()a b R t T T c R π∆=-=Ω-Ω Ω≈∆=∆cR t c L 24π（()22Ω>>R c ）所以光纤环中两束光之间的相移为：Ω=∆=∆λπλπϕc RL 4L 2（R L π2=为光纤环的周长）图1 圆形萨格奈克干涉仪一般情况下，光纤陀螺采用的是多匝光纤线圈（N 匝）的光纤环，两束光绕行N 周再次汇合时的相移应为： Ω=Ω=∆K c RLN λπϕ4（λπc RLN K 4=为光纤陀螺的标度因数）这表明两束光的光程差与输出相移与旋转角速度Ω成正比，所以只要测得光程差或相移就可以求出转动角速度Ω。

光学环形谐振腔的偏振分析

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参考文献
[1] K. Killian, M. Bumendo, W. Holinger. High performance fiber optic gyroscope with noise reduction [J]. SPIE, 1994, 2292: 225-263. [2] S. Ezkiel, R. Balsamo. Passive ring resonator gyroscope [J]. Applied Physics Letters, 1977, 30(9): 478 –480. [3] P. Mottier, P. Pouteau. Solid state optical gyrometer integrated on silicon [J]. Electronics Letters, 1997, 33(23): 1975 –1977. [4] K. Suzuki, K. Takiguchi, K. Hotate. Monolithically integrated resonator microoptic gyro on silicon planar lightwave circuit [J]. Journal of Lightwave Technology, 2000, 18(1): 66-72. [5] Pantazis Mouroulis. Fiber ring resonator with power exchange between polarization modes: experiment [J]. Applied Optics, 1992, 31(12): 2025-2029. [6] 李佳程. 被动式谐振腔光纤陀螺研究 [D]. 上海：上海交通大学，2000. [7] 李佳程，张炎华. 被动式谐振腔光纤陀螺的偏振分析 [J]. 上海交通大学学报，1999，33（10）：1307-1309. [8] 张旭琳，马慧莲，金仲和等. 谐振式光纤陀螺中偏振波动的影响 [J]. 传感技术学报，2003，6（2）：150-154.

光学谐振陀螺调制与反馈信号研究

ａｈｘｅｎｌｃｒｕｔｓｔｅｅｔｒａｉｉｃ．Ｆｉｓｌ，ｔｅｐｉｃｐｅｏｙｏｃｐｎｈｅｅｏｍｅｔｏａｉｕｅｅｔｏｌｎｒｉｌｒｔｙｈｒｎｉｌｆｇｒｓｏｅａｄｔｅｄｖｌｐｎｆｖｒｏｓｄｔｃｉｎｐａｓｗｅｅｓｍｐｙ
０引
言
振频率的锁定，到稳定的谐振频率差，据光学陀螺工得根作原理所讲公式：
ａｆ＝（）１
课题研究目的在于重新设计一种有别于现有闭环陀
螺阶梯波反馈技术的闭环谐振式光学陀螺应用的调幅锯
Ａｂｔａｔｎｔｉａｅ，ａｐｉａｙｏｓｎｌｅｅｔｎｓｓｅｗａｅｃｉｅｔＰａｈｏｅｓｒｃｕｅａｄＦＰｓｒｃ：ＩｈｓｐｐｒｎｏｔｌｒｉａｄｔｃｉｔｕｔｒｎＧＡｃｇｇｏｂｈ
齿波反馈技术，这种技术采用数字处理技术来实现，此用反馈阶梯波进行反馈补偿频率差，制光源的频率实现谐控根据此公式就可以得到陀螺的旋转角速率。下面简
单介绍闭环阶梯波反馈控制技术原理。
根据探测器Ｄ２的输出信号，通过检测电路产生阶梯波对Ｃ路光进行反馈相位调制，Ｗ以补偿输入角速度引起的频移，实现闭环。具体实现原理图如图１示。所
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外腔半导体激光器在谐振式光学陀螺中的应用研究

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采用F-P光学腔的外腔半导体激光器锁相稳频方法

光纤陀螺技术及其应用

光学环形谐振腔的偏振分析

光学谐振陀螺调制与反馈信号研究

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