光纤陀螺关键技术：宽带光源

光纤陀螺工作原理

  光纤陀螺基本原理光路图如图 1 所示。它 由光源、探测器、耦合器、Y波导和光纤环组成，其实质上是基于 Sagnac 效应工作的环 形干涉仪，即沿闭合光路相向传播的光波返回到起始点干涉后，干涉信号的相位差正比于闭合光路敏感轴的输入角速度。从光路原理图分析来看，从 SLD 光源发出的光束被耦合器和Y波导分为两束，一束进光纤环后顺时针传播，由光纤环出射后回到Y波导下臂。而另一束经Y波导分束后进入光纤环后逆时针传播，由光纤环出射后回到Y波导上臂。 从不同通道来的这两束光回合后产生干涉信号，通过探测器检测干涉信号的强度变化，从而获得相应的角速度变化。

  从图 1 所示的光路结构来说，光纤陀螺的固有响应是一个余弦函数。探测器检测到的光信号强度为：

  式中：I0 为输入光强; φR 为输入角速度引起的Sagnac 相位差。由式(1)中看出，光源在FOG(Fiber-Optic Gyroscope，光纤陀螺)中作为核心光学元件之一起着非常重要的作用，其是为光纤陀螺提供产生 Sagnac 效应所需的合适光信号。光纤陀螺所用光源要求其可靠性高、体积小、寿命长，同时还要求光源具有高功率、低空间相干性(宽谱)和弱时间相关性(波长/功率长期稳定)等。

宽带光源

  目前用于光纤陀螺中的宽带光源主要有两种：超辐射发光二极管(SLD)光源以及放大自发辐射(ASE)光源。 前者是光子自发辐射被单程受激放大的半导体光源，因为 SLD 具有单程放大作用，输出功率可达到 mW 量级，且具有窄的光束发散角、宽输出光谱以及较高的稳定的尾纤输出光功率，从而可以获得较高信噪比的干涉信号。而ASE光源是放大自发辐射光，具有更高的输出功率，更宽的光谱，更高的波长稳定性及功率稳定性，多用于高精度光纤陀螺系统中。以下是ASE光源和SLD光源的典型光谱：

ASE矩形光谱 SLD高斯光谱

SLD 光源简介

  SLD 光源内部结构示意图如图 3 所示。其由 SLD 管芯、热敏电阻、热 沉、半导体制冷器(TEC)、尾纤、外壳等部 件组成。TEC 用来控制和稳定光源的管芯温度， 热敏电阻用来敏感光源管芯温度的变化，热沉 导热系数大，用于散热。

  量子阱 SLD 管芯在正向注入电流的作用 下，来自 p 层的空穴和来自 n 层的电子在发光 层中结合发射出光子，这种自发辐射的光子在给定腔内传播过程中经过受激放大而产生激 光，从而使光谱和发散角变窄，调制带宽增大。 SLD 光源组件工作原理是：在注入电流的驱动 下，SLD 工作中产生的热量通过热沉导出去，为使输出光功率和波长的稳定，通过 TEC 进行 温度控制。管芯输出的光波则通过尾纤耦合输出，通过对光纤进行金属化，以通过金属焊接固定光纤和芯片之间的相对位置，保证输出光功率的稳定。SLD 输出功率的大小将影响 FOG 中光探测器的输出信噪比。

ASE光源简介：

  ASE(放大自发辐射)光源是专为生产和实验室实验设计的。光源的主体部分是增益介质掺铒光纤和高性能的泵浦激光器，独特ATC和APC电路通过控制泵浦激光器的输出保证了输出功率的稳定，通过调节APC，可在一定范围内调节输出功率。

光源主要参数与光纤陀螺性能的关系

1.   光源输出功率对陀螺噪声的影响

  探测器的散粒噪声限制了光纤陀螺测量载体角速度的分辨率，因此为了提高光纤陀螺读出信号的信噪比，就必须提高光纤陀螺光源的输出光功率。光纤陀螺测量的是旋转产生的Sagnac 相位差，相位差的测量是通过检测光功率的变化，并根据相位差和光功率的关系而实现的，因而受到光功率测量极限的限制。在干涉型光纤陀螺中，散粒噪声引起的随机游走与回到探测器的光功率的平方根成反比，回到探测器的光功率大小与光路总损耗和光源输出功率有关。因此可知，光源输出光功率的大小对光纤陀螺性能有很大的影响。SLD 光源和ASE光源的输出光功率均可达到 mW 级别， 完全满足导航级光纤陀螺对光源的要求。