光电子器件在光纤陀螺中的应用

      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及其它性能。不同种类或不同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。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,低光纤陀螺一般选择工作波长为850nm的光源,而中、高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
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-150 mA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-1 mW。

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的稳定性,则需采用直接的波长控制方法。另外,SLD的输出功率和与光纤的耦合效率都有待进一步提高。

国内44所等单位研制生产的SLD,限于半导体技术,其工作波长均集中在1300nm波长段,尾纤采用单模光纤或保偏光纤,出纤功率为几十至一百多微瓦,在实验室条件下已能基本满足相关的要求,但在工程指标方面,还存在可$&*性和温度特性差等急待解决的问题。

根据以往公开报导的资料,SLD主要用在中、低的军用或民用光纤陀螺的研制中。有关SLD的具体使用情况举例,参见表2[2,3,5,6,7]。

3、光纤激光器[8]
为了研制高性能惯导级光纤陀螺,最近出现了采用掺稀土光纤激光器作为陀螺光源的趋势,尤其是采用掺铒光纤光源,其研制技术实际上是由研制掺铒光纤放大器的技术(EDFA)发展而来,这种光源的优点是：高功率、宽带宽、非偏振发散和高耦合效率。
典型光纤激光器原理见图2。光纤激光器本质上是一个波长转换器,泵浦波长上的光子被介质吸收,形成粒子数反转,在掺杂(如铒)光纤介质中产生受激辐射而输出激光。输出激光的波长由掺杂到纤芯中的稀土元素离子所决定,因为不同稀土元素离子的光谱特性不一样。

大多数稀土元素在玻璃体基质中的增益线宽可达50nm,因此,光纤激光器可作为干涉型光纤陀螺的宽带光源,而且,当干涉型光纤陀螺采用全光纤结构时,光纤激光器作其光源的优势更明显,因为,在全光纤结构的光纤陀螺中,光纤激光器的耦合效率要比非光纤光源的耦合效率大得多。另一方面,通过采取相应压窄线宽的措施,光纤激光器也可以作到窄线宽输出,这使得光纤激光器不但可作为代光纤陀螺(即干涉型光纤陀螺)所需的宽带光源,也可作为第二代光纤陀螺(即谐振型光纤陀螺)所需的窄带光源。

目前,光纤激光器压线宽的方式主要有两种：(1)重掺杂+短腔方式,重掺杂是为了在较短的光纤下使阈值功率下降到可以接受的水平；(2)Fox-Smith 谐振腔方式,Fox-Smith腔是一个复合谐振腔,其优点是在正常掺杂浓度下,既便腔长较长也可得到窄线宽。利用上述方法,在条件并不很苛刻的情形下就可获得几兆量级的单纵模线宽。光纤激光器目前的主要类型见表3。

光纤激光器以其优异的性能吸引了国内外众多科研院所投入到该领域的研发中来。国外这方面的研究机构有英国的南安普顿大学(电子工程系和物理系)、英国的通信研究实验室(BTL)、德国汉堡的技术大学、日本的三菱和美国的斯坦福大学等。国内80年代末、90年代初开始这方面研究,单位有清华、中国科大、上海科技大等高校和信息产业部所属的一些研究单位。但由于国内工业条件和加工技术以及相关器件的制备方面还与国外有明显的差距,所以,整体上讲,国内还没有实用化的产品。 

4、超荧光光纤激光器[8,9]新近提出的超荧光光纤激光器(SFL),为解决干涉型光纤陀螺仪的宽谱光源问题指出了另一个十分重要的方向。超荧光光纤激光器具有许多适合于用作陀螺光源的特点,尤其是具备“时间相干性弱和空间相干性强”的突出特点。
所谓超荧光光纤激光器是指在没有光学谐振腔的条件下,由泵浦光引起的自发发射形成激光的行波放大器。其原理示意图见图3。 

过去由于缺乏光纤形式的稳定激光介质,国内外在这方面的研究并不多见,然而,时至今日,随着单晶光纤、掺杂工作离子的硅光纤以及某些光纤形式的高增益介质的出现,使得对于超荧光光纤激光器进行基础性研究的条件已经具备。

5、超连续宽谱光源
超连续宽谱光源(SC)[10]的特点是：与上面提及的光源相比,它具有更大的谱宽,超连续宽谱光源的谱宽一般大于100nm。超连续宽谱光源的原理示意图见图4。
超连续宽谱光源目前虽然有宽谱的优势,但其信噪比、平坦度、波长稳定性以及功率水平仍有待进一步改善。另外,目前一般用色散渐减-色散平坦光纤(DD-DFF)来充当PM-SC Fiber,而是否能用正常色散-色散平坦光纤(ND-DFF)来替代DD-DFF 以获得更好的性价比则仍是一个有待研究的问题。

二、光纤陀螺中的光电集成芯片
干涉型光纤陀螺的一个发展趋势是光路的集成化,其具体目标是将光纤陀螺中除光源、探测器和光纤环外的其它光路器件集成在一个芯片上,形成所谓的多功能集成光学波导芯片(MIOC)。该芯片以LiNbO3晶体材料为基底,将干涉型光纤陀螺中的近光源端分束(耦合)器、偏振器、近光纤环端分束(耦合)器和电光相位调制器中的一部分或全部集成在一起,大大改善了陀螺的性能指标。

MIOC的优点：(1)将光波导器件引入光纤陀螺,大大缩短了陀螺的装配时间；(2)用电光调制器代替PZT,解决了宽带相位调制器的问题；(3)插入损耗小,驱动电压低,并且与保偏光纤兼容；(4)有利于FOG的批量生产和小型化。MIOC型陀螺是当前国内外干涉型光纤陀螺的方案。MIOC目前存在的缺点是其制造工艺较为复杂、困难。MIOC一般分为单Y型和双Y型两种。

1、单Y型MIOC[11] 
单Y型多功能集成光学波导一般将偏振器、近光纤环端分束(耦合)器和电光相位调制器集成在一起。其功能示意图见图5。

图5中的单Y型MIOC通过Y分支波导实现1:1分束,形成1×2耦合器C,替代分立的光纤定向耦合器；在Y分支前有2-3段Al/MgO膜覆盖区,形成偏振器P,替代分立的光学偏振器；在Y分支的两臂上分别加调制电极,形成两组电光相位调制器PM1和PM2,替代分立的压电陶瓷相位调制器,其特点是效率高、频带宽和频率高。目前,单Y型MIOC较为典型的性能参数见表4。

2、双Y型MIOC
双Y型多功能集成光学波导采用退火质子交换法(APE)在铌酸锂衬底上制作而成,将近光源端分束(耦合)器、偏振器、近光纤环端分束(耦合)器和电光相位调制器全部集成在一起,对实现光纤陀螺的超小型化和高性能闭环处理具有重要意义。双Y型MIOC的功能示意图见图6。

图6中所示的是最简单直观的双Y型MIOC,这也是实验中最初采用的双Y型波导器件。从表面上看,它和光纤陀螺所需的“最小互易性”结构非常类似,但在设计上由于是两个Y分支的基波导相连,增加了器件的长度,因此不利于光纤陀螺的小型化。另外,根据Lefevre.H.C的分析,输入光在个Y分支上被(近似)3dB分光,一半功率沿中间的基波导传播到达第二个分支；另一半功率形成一个非对称模式,辐射进衬底中,并有一部分在第二个分支上重新耦合,使两个臂之间产生一个寄生相位差,该相位差对温漂非常敏感,影响了光纤陀螺的零偏稳定性。对由该双Y型MIOC组成的光纤陀螺的测试结果也表明了这一点,主要表现在陀螺有一个很大的零偏,并且噪声也非常大,使得陀螺很低。当然,除此之外,双Y型MIOC的插入损耗较大造成系统信噪比下降也是其中的一个因素。

目前光纤陀螺中采用的是一种光纤滤波/双Y型MIOC,其功能示意图见图7。

上图的结构特点是：(1)为了避免Y分支上第四个端口(衬底)的辐射,利用一段保偏光纤作为空间模式滤波器连接两个Y分支的基波导；(2)保偏光纤/铌酸锂波导的耦合端面按反射定律抛光成一定的倾角,以减少相干背向反射噪声；(3)两个Y分支在铌酸锂基片上并行排列(方向相反),缩短了器件长度,易于小型化。实际上,光纤滤波/双Y型MIOC和以前采用的单Y型MIOC的尺寸差不多。这种器件的工艺难点是保偏光纤滤波器的偏振主轴与集成光路的TE模之间的对准。光纤滤波/双Y型MIOC的较为典型的性能参数见表5。 

三、光纤陀螺中的光电探测器

光电探测器是光纤陀螺中的关键器件之一,其性能的好坏直接关系到陀螺的高低。光电探测器的任务是将负载了Sagnac效应的光信号转换成便于后续处理的电信号。由于探测器的散粒噪声限制着干涉型光纤陀螺的理论灵敏度,因此,只有选择合适的光电探测器,才不会削弱光纤陀螺的性能。

1、半导体PIN结光电二极管[1,4]

PIN结光电二极管具有很高的量子效率,对于光纤陀螺而言是个理想的选择。比如,在850nm波长上,理想探测器的响应度为0.68A/W,而实用的PIN结光电二极管的响应度可以达到0.55A/W,这意味着其产生的原电子数目非常接近输入光子的数目,电子流具有和光子流的理论值相同的散粒噪声。

PIN结光电二极管是一个工作在反向偏压下的PIN结二极管,其工作原理可用光电效应来解释。PIN结光电二极管的能带图见图8。当PIN结上加有反向偏压时,外加电场的方向和空间电荷区里电场的方向相同,外电场使势垒加强,同时,外加电场将空间电荷区里的载流子基本耗尽,形成了一个耗尽区。当光束入射到PIN结上,且光子能量大于半导体材料的禁带宽度Eg时,可以将电子从价带激发到导带,结果产生一个电子-空穴对。如果光生的电子-空穴对在耗尽区里产生,在电场的作用下,电子将向N区漂移,而空穴将向P区漂移,从而形成光生电流。当入射光功率变化时,光生电流也随之线性变化,从而把光信号转换成电流信号。

目前,对于850nm波长段的光纤陀螺,一般采用硅基PIN结光电二极管；而对于1300nm和1550nm波长段的光纤陀螺,基于InGaAs的PIN结光电二极管则是最合适的选择。

2、雪崩光电二极管[1,4]
雪崩光电二极管(APD)对于返回探测器光功率很低的光纤陀螺特别适用。事实上,APD曾用于实验室阶段的个光纤陀螺实验样机中,这是由于那时的陀螺损耗大,返回功率很低(小于1微瓦)的缘故。APD与PIN结光电二极管相比,原电流的基础噪声至少可下降到后者的1/21/2。采用一种极好的材料硅,对于100倍的雪崩增益,基础噪声可下降到后者的1/31/2,而前放噪声的影响相应地可减少到后者的1/100。
雪崩光电二极管实际上是一个反向偏置电压接近于反向击穿电压的PN结光电二极管。在高的反向偏压下,当输入光子产生一个电子-空穴对时,电荷载流子能从横穿结电场的过程中获取足够的能量,导致一个类似于光电倍增管中的“雪崩”倍增过程。因此,雪崩光电二极管是以一个较高的工作电压为代价获得一个增加的灵敏度。当然,倍增过程也增加电噪声,因此,探测器的噪声水平也会增加。

上面提及的光电倍增管在红外区的量子效率很低,加上其尺寸大、需要高压电源,因此,该器件不适合用作光纤陀螺的光电探测器。就综合性能而言,雪崩光电二极管也可以看作是光电倍增管和PIN结光电二极管之间的一个折衷方案。雪崩光电二极管的一个不利因素是：它的增益与温度有关。这使得以雪崩光电二极管为探测器的光纤陀螺应用到“飞航”器件上的效果不很理想。

四、结束语
目前,光纤通信和集成光学已成为推动光纤陀螺研究向前发展的两大支撑技术。应用在光纤陀螺中的光子器件和光电子器件,绝大部分都是直接来源于上述两大技术领域的研究成果。本文述及的这些光电子器件,在相当程度上决定着光纤陀螺的整体性能。因此,改进光纤陀螺中光电子器件的性能已经成为提高光纤陀螺整体性能的必要前提。

参考文献
[1] Herve C. Lefevre, “The Fiber-Optic Gyroscope”, 1993, Artech House, INC. .
[2] 1996/1997传感器与执行器大全(年卷),电子工业出版社,1997.
[3] 1997/1998传感器与执行器大全(年卷),电子工业出版社,1998.
[4] B. Culshaw J. Dakin, Optical Fiber Sensors, Artech House,Boston and London, 1989. 
[5] 1998/1999传感器与执行器大全(年卷),电子工业出版社,1999.
[6] 1999/2000传感器与执行器大全(年卷),电子工业出版社,2000.
[7] 2000/2001传感器与执行器大全(年卷),电子工业出版社,2001.
[8] 聂秋华,光纤激光器和放大器技术,电子工业出版社,1997.
[9] Liu, K., M. Digonnet, K. Fesler, B. Y. Kim, and H. J. Shaw, “Superfluorescent Single-Mode Nd: Fiber Source at 1060nm,” Proceedings of OFS'88, New Orleans, 1988, pp. FDD5-1-FDD5-4.
[10] Hidehiko Takara, Multiple Optical Carrier Generation from a Supercontiuum Source, Optics&photonics News, March 2002.
[11] 王惠文等,光纤传感技术与应用,国防工业出版社,2001.