高洋洋,王夏霄*,周衛(wèi)寧,黃 宛,張 猛

(1.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191; 2.湖北三江航天紅峰控制有限公司,湖北孝感 432000; 3.山東電力設(shè)備有限公司,山東濟南 250000)

光纖陀螺用超輻射發(fā)光二極管啟動模型研究

高洋洋1,王夏霄1*,周衛(wèi)寧1,黃 宛2,張 猛3

(1.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191; 2.湖北三江航天紅峰控制有限公司,湖北孝感 432000; 3.山東電力設(shè)備有限公司,山東濟南 250000)

為了實現(xiàn)光纖陀螺的快啟動,從超輻射發(fā)光二極管(SLD)發(fā)光機理出發(fā),通過分析光源的驅(qū)動電流和管芯溫度在上電后的變化規(guī)律,建立了SLD的啟動模型,找出了影響SLD啟動時間的因素。用高速數(shù)據(jù)采集卡測得SLD的常溫啟動時間約為3～4 s,由溫控系統(tǒng)系統(tǒng)引起的功率波動誤差為4.5%,波長的漂移量為0.92 nm。實驗測試結(jié)果與建立的理論模型相符,從理論上提出了縮短SLD啟動時間和實現(xiàn)陀螺快啟動的方法。

啟動模型;SLD;溫度;輸出功率;波長

1 引 言

光纖陀螺廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域[1]。隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭武器和慣導(dǎo)系統(tǒng)對快速反應(yīng)的要求越來越高,光纖陀螺的快啟動顯得日趨重要。目前所報道的實現(xiàn)陀螺快啟動的方法主要是對光源采用光控回路來縮短光纖陀螺低溫啟動時間[2],或者通過探測并補償光源、探測器、處理電路的噪聲來實現(xiàn)光纖陀螺的快速啟動[3],但對光纖陀螺啟動時光電信號的變化規(guī)律及影響陀螺性能的機理研究仍屬于空白階段。

超輻射發(fā)光二極管(SLD)因具有高功率、寬光譜、低偏振度而成為光纖陀螺的理想光源[4-6]。由于SLD光源是光纖陀螺光學(xué)元件中唯一的功率有源器件,其啟動速度是最慢的[7],所以光纖陀螺快啟動受SLD影響最大。在SLD啟動的過程中,驅(qū)動電流的上升時間由驅(qū)動電路的積分時間t0決定,光源發(fā)光的同時會伴隨有熱量的產(chǎn)生,導(dǎo)致管芯內(nèi)溫度發(fā)生變化,需要一定的時間才能達到熱平衡狀態(tài)。而溫度的改變將會導(dǎo)致光源的輸出功率、波長、偏振度不穩(wěn)定,進而影響光纖陀螺的標(biāo)度因數(shù)、零漂等輸出特性[8-10],所以陀螺需要預(yù)熱才能開始工作。為了探究SLD啟動過程中的光電信號變化及影響陀螺性能機理和啟動時間的因素,本文建立了SLD的啟動模型并測試了其啟動特性,為光源啟動對陀螺的影響機理研究提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持,找出縮短SLD啟動時間和實現(xiàn)陀螺快啟動的方法。

2 SLD發(fā)光機理

SLD組件由芯片、熱沉、熱敏電阻、TEC制冷器、光路整形器件和尾纖組成,如圖1所示。為了提高光源輸出的穩(wěn)定度,發(fā)光模塊通過熱沉安裝在TEC制冷器上,PID溫控電路通過熱敏電阻獲取熱沉的溫度,并改變制冷電流的大小使溫度穩(wěn)定在25℃。

圖1 SLD組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of SLD assembly structure

SLD為電驅(qū)動PN結(jié)復(fù)合發(fā)光。在電流注入條件下,來自P層的空穴和來自N層的電子在有源層復(fù)合發(fā)光,在寬光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生光的自發(fā)輻射放大,發(fā)光強度取決于激活介質(zhì)的組成和注入電流水平。輸出功率和驅(qū)動電流的關(guān)系為：

其中,I是驅(qū)動電流,Ith是閾值電流。圖2為輸出功率與驅(qū)動電流的理論模型和實驗測試的對比,可以看出,實驗測試結(jié)果與理論模型相符。

圖2 輸出功率與驅(qū)動電流的理論模型和實驗測試對比Fig.2 Comparison between measured and theoretical PI characteristics

SLD將一部分電能轉(zhuǎn)換成光能發(fā)出,同時有一部分在結(jié)區(qū)轉(zhuǎn)換成熱量,導(dǎo)致結(jié)區(qū)溫度升高并改變閾值電流。閾值電流與溫度的關(guān)系[11]為：

其中,Ith0是溫度在T0時的閾值電流。當(dāng)驅(qū)動電流穩(wěn)定時,閾值電流隨溫度升高而增大,輸出功率減小,反之亦然。同時光源波長隨溫度的升高而出現(xiàn)紅移,變化量大約為4×10-4/℃。

3 SLD啟動模型

3.1 驅(qū)動電流

SLD使用恒流源驅(qū)動電路,由于存在積分電路,假設(shè)輸入電壓為階躍信號,驅(qū)動電流隨積分時間t0近似線性增長,因此根據(jù)輸出功率與驅(qū)動電流的近線性關(guān)系,光源的輸出功率在上電瞬間隨積分時間t0近似線性上升。因為驅(qū)動電流的上升時間很短,所以我們主要研究由管芯溫度變化引起的啟動輸出特性。

3.2 溫度

當(dāng)TEC制冷器熱端溫度高于熱沉溫度時,熱沉吸收的熱量[12]可以表示為：

其中,SLD芯片釋放的熱量為QS=V·IS-P/η, V是前置電壓,IS是驅(qū)動電流,η是發(fā)光效率。TEC制冷器熱端輻射溫度為QR=FεσS(T41-T42),其中F是形狀系數(shù)(取最大值1),ε是輻射系數(shù)(取最大值1),σ是玻爾茲曼常數(shù)(5.667×10-8W/(m2·K4)),S是TEC制冷器熱端橫截面積, T1是熱端溫度,T2是冷端溫度?？諝鈱α鳠崃繛镼C=hS(T1-T2),其中h是空氣的熱交換系數(shù),在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,h=21.7W/(m2·℃)。

熱沉的制冷量主要由TEC制冷器提供,可以表示為[13-14]：

其中,QP=αIT2,其中I是制冷電流,α是賽貝克系數(shù),α≈400μV/K。=(-)=KΔT是半導(dǎo)體熱傳導(dǎo)熱量,其中k是半導(dǎo)體材料熱導(dǎo)率, k=0.8～1.5 W/mK,l是半導(dǎo)體長度,K是總熱導(dǎo)。QJ=I2R是制冷電流產(chǎn)生的焦耳熱,其中R是TEC制冷器熱阻。

在穩(wěn)定工作點附近,將焦耳熱近似做線性化處理,I2R/2≈IR。通常情況下,FσS(T-T)＜hS(T1-T2),做近似相等處理,FσS(T-T)≈hS(T1-T2)。將與制冷量無關(guān)的熱量都看作導(dǎo)致溫度偏離控制溫度的固定干擾量,則有：

其中,m是熱沉質(zhì)量,C是熱沉比熱容。

假設(shè)在傳熱過程中,熱沉溫度T與制冷器冷端溫度T2近似相等,并且帕耳帖制冷量中的冷端溫度為固定值,公式(5)可以簡化為：

目前,SLD大部分的溫度控制電路主要包括溫度采集電橋電路、PID溫控電路和功率放大電路。溫控電路的制冷電流為：

表1 SLD組件常數(shù)與參數(shù)Table 1 Constants and parameters of SLD

結(jié)合式(6)、(7)可以得出溫度在穩(wěn)定工作點附近的變化規(guī)律為：

其中,ω是固有震動頻率,γ是衰減系數(shù)。

所以,熱沉溫度T(t)是二階微分方程式(8)的解,初始條件為。熱敏電阻對溫度信號的傳輸有一定的滯后,T′是在TEC制冷器未響應(yīng)前由光源發(fā)熱而產(chǎn)生的溫度偏置量,可以得到方程的解為：

從圖3可以得出,在固有震動頻率ω相同的情況下,衰減系數(shù)γ越大,溫度所需的穩(wěn)定時間越短。

從圖4可以得出,在衰減系數(shù)γ相同的情況下,溫度所需的穩(wěn)定時間不隨固有震動頻率ω變化,但震動頻率ω越大,溫控系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快。

圖3 不同衰減系數(shù)下的溫度變化Fig.3 Temperature changeswith different attenuation coefficient

圖4 不同振動頻率下的溫度變化Fig.4 Temperature changeswith different vibration frequency

因此,可以通過增加衰減系數(shù)γ來縮短SLD的啟動時間。根據(jù)式(9)可得,縮短光源啟動時間的方法包括：減小熱沉厚度來減小熱沉質(zhì)量;熱沉采用低比熱容的材料;增加TEC制冷器的制冷效率。

4 結(jié)果與討論

本文測試了由中電44所生產(chǎn)的中心波長1 310 nm的SLD的啟動特性,額定驅(qū)動電流為100 mA,額定功率為1.33 mW。采用北航研制的光源板對光源進行驅(qū)動,光源板提供100 mA的恒流源、采集光源溫度的電橋電路和TEC制冷器所需的制冷電流。輸出的光信號由PIN光電二極管轉(zhuǎn)化為電信號,經(jīng)放大、濾波電路處理后,用HS4高速數(shù)據(jù)采集卡對電壓信號進行采集。采集的電壓信號與光強為線性關(guān)系,所以可以得到SLD啟動時輸出功率的變化情況。其中,PIN光電二極管的響應(yīng)速度為1.5 GHz,響應(yīng)度為0.85 A/W。HS4的采樣頻率為10 kHz,分辨率為12位,4通道,采用連續(xù)采集方式。采集卡采用超前觸發(fā)方式,即在SLD上電之前開始采集,通過對比上電前后數(shù)據(jù)變化趨勢的不同確定啟動的零時間。為保證測試環(huán)境為25℃,將光源放入溫箱中進行測試;同時通過串聯(lián)電阻的方式,對驅(qū)動電流以及光源內(nèi)部另一閑置的熱敏電阻阻值進行采集,根據(jù)測得的熱敏電阻阻值來確定管芯溫度變化情況。

SLD啟動時的輸出功率和驅(qū)動電流的測試結(jié)果如圖5所示。從測試結(jié)果可以看出,SLD在室溫下啟動時間為3～4 s,由溫度引起的最大功率波動誤差為4.5%。驅(qū)動電流近似線性升高,積分時間約為0.3 s,上電瞬間輸出功率與驅(qū)動電流上升趨勢相同。由于管芯溫度升高,導(dǎo)致當(dāng)驅(qū)動電流達到額定值100 mA時,輸出功率低于額定功率1.33 mW。

圖5 SLD啟動時的輸出功率和驅(qū)動電流的測試結(jié)果Fig.5 Output power and drive current during SLD start-up

圖6 SLD啟動時的輸出功率和溫度的測試結(jié)果Fig.6 Output power and temperature during SLD start-up

光源輸出功率與管芯溫度的測試對比結(jié)果如圖6所示。管芯溫度在上電后由于光源發(fā)光而升高,隨后在TEC制冷器的作用下達到穩(wěn)定工作點,而且輸出功率與溫度變化趨勢相反,溫度最低時,輸出功率最大。

圖7為溫度變化理論模型與實驗測試結(jié)果的對比?？梢钥闯鰷y試結(jié)果與理論模型相符。由于熱敏電阻存在滯后延遲,所以在TEC制冷器響應(yīng)前,光源管芯產(chǎn)生溫度偏置量。實驗測得熱敏電阻的延遲時間t′≈0.2 s,溫度偏置量T′=1.8℃。溫度的最大波動量為1.8℃,所以波長的漂移量最大可達0.92 nm,這將會產(chǎn)生7.20×10-4(720 ppm)的光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)誤差,在全溫環(huán)境下啟動時會更大。理想閉環(huán)光纖陀螺的輸出不受光功率變化的影響,而由SLD偏振度變化引起的偏振誤差變化較小,并且可以通過消偏處理來減小其影響,所以在SLD啟動過程中,由輸出波長變化引起的標(biāo)度因數(shù)誤差占主導(dǎo)因素。上述分析表明,可以通過采集光源管芯溫度對光纖陀螺啟動時的標(biāo)度因數(shù)誤差進行補償來實現(xiàn)光纖陀螺的快啟動。

圖7 溫度震蕩的理論模型和測試結(jié)果對比Fig.7 Comparison between measured and theoretical temperature variation

5 結(jié) 論

通過分析SLD的光電轉(zhuǎn)換機理,建立了SLD的啟動模型,并測試了SLD上電后的輸出功率、驅(qū)動電流、溫度的變化情況,測試結(jié)果驗證了理論模型的正確性。從理論上提出了縮短SLD啟動時間和實現(xiàn)陀螺快啟動的方法,對光纖陀螺快啟動研究具有一定意義。

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高洋洋(1992-),男,吉林長春人,碩士研究生,2013年于長春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事光纖陀螺快啟動及光源方面的研究。

E-mail：yangyanggao136@163.com

王夏霄(1977-),男,山西太原人,博士,講師,2006年于北京航空航天大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事光纖陀螺和光纖傳感方面的研究。

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