王琪偉，王澤宇，楊 博，周曉娜，徐萬揚(yáng)

(1.北京控制工程研究所，北京 100190；2.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

諧振式光學(xué)陀螺利用環(huán)形諧振腔實(shí)現(xiàn)了多光束干涉，以增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)引起的光學(xué)Sagnac效應(yīng)[1,2]，這使得諧振式光學(xué)陀螺只需要很短的諧振腔長(zhǎng)度就可以達(dá)到與干涉式光學(xué)陀螺相當(dāng)?shù)睦碚摍z測(cè)精度[3-5]，為光學(xué)陀螺的小型化提供了潛在的有利條件。諧振式光學(xué)陀螺是通過檢測(cè)諧振腔中傳輸方向相反的兩束光的諧振頻差來計(jì)算得到系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角速度，這給光源的輸出提出了相對(duì)苛刻的要求：既需要滿足窄線寬、低頻率噪聲等條件[6]，同時(shí)也應(yīng)有足夠的調(diào)諧范圍和調(diào)諧帶寬，用來保證鎖頻控制環(huán)路的精度。

為了適應(yīng)小型化的要求，諧振式光學(xué)陀螺需要采用體積小的半導(dǎo)體激光器作為光源[7]，隨之帶來的就是對(duì)于低噪聲、高帶寬半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的迫切需要，從而滿足諧振式光學(xué)陀螺對(duì)半導(dǎo)體激光器窄線寬、低頻率噪聲和高調(diào)諧速率的需要。

基于上述要求，本文提出了基于雙電流源的混合驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，采用一個(gè)環(huán)路帶寬被大幅度壓縮的大電流恒定電流源和一個(gè)環(huán)路帶寬滿足調(diào)諧要求的小電流壓控電流源并聯(lián)的混合驅(qū)動(dòng)方式，在對(duì)激光器進(jìn)行高速穩(wěn)定調(diào)諧的同時(shí)，保證其具有理想的頻率噪聲和線寬性能，期望解決驅(qū)動(dòng)電流和調(diào)諧電流采用同一電流源提供時(shí)導(dǎo)致的控制精度損失問題，及由高調(diào)諧速率所導(dǎo)致的頻率噪聲和線寬劣化等問題。

1 噪聲模型

常用于半導(dǎo)體激光器電流驅(qū)動(dòng)的壓控電流源結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中N溝道功率金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且與運(yùn)算放大器構(gòu)成具有高電流輸出的射隨電路。根據(jù)運(yùn)放的虛短虛斷條件，壓控電流源的輸出電流可以表示為：

圖1 基于MOSFET的壓控電流源Fig.1 Voltage-controlled current source based on MOSFET

式中，Rs為壓控電流源的控制電阻，與轉(zhuǎn)移電導(dǎo)gm的關(guān)系可以表示為：

圖2給出了壓控電流源的噪聲模型，可能對(duì)輸出電流產(chǎn)生影響的主要噪聲源包括輸入電壓噪聲Vn、濾波電阻的電阻熱噪聲VRF、運(yùn)算放大器電壓噪聲VA以及控制電阻的電阻熱噪聲VRs等等。其中，Vn和VRF會(huì)經(jīng)過由RF和CF組成的低通濾波器后作用于激光器，而剩余的其他噪聲則會(huì)直接作用于激光器，各個(gè)噪聲源相互獨(dú)立。因此，基本電流源在單位帶寬下的電流噪聲可以表示為：

圖2 壓控電流源噪聲模型Fig.2 The noise model of voltage-controlled current source

式中，VRF和VRs為電阻熱噪聲，可以表示為：

式中，Kb為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，R為電阻阻值?？梢罁?jù)上述噪聲模型對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案的輸出噪聲進(jìn)行分析。

2 混合驅(qū)動(dòng)方案

諧振式光學(xué)陀螺用窄線寬半導(dǎo)體激光器需要在恒流源的驅(qū)動(dòng)下工作，同時(shí)鎖頻控制環(huán)路的調(diào)諧電流也會(huì)動(dòng)態(tài)變化。窄線寬半導(dǎo)體激光器正常工作所需要的恒定驅(qū)動(dòng)電流約為150 mA，鎖頻控制所需的調(diào)諧電流約為10 mA?？梢钥吹剑す馄髡９ぷ魉璧暮愣?qū)動(dòng)電流與需要實(shí)時(shí)高速變化的調(diào)諧電流相差了一個(gè)量級(jí)。

在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)方案中[8,9]，通常會(huì)采用一個(gè)電流源提供恒定電流及調(diào)諧電流，如圖3所示。此時(shí)，除了頻率的控制精度不可避免地變差以外，由調(diào)諧速率所決定的高通帶頻率也會(huì)導(dǎo)致電流源噪聲的增加，從而會(huì)使窄線寬激光器的頻率噪聲和線寬指標(biāo)劣化，進(jìn)而影響陀螺的精度。

圖3 傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)方案Fig.3 Traditional semi-conductor laser driver

基于此提出了如圖4所示的雙電流源混合驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。整個(gè)方案由一個(gè)恒定電流源和一個(gè)壓控電流源組成，其中大電流恒定電流源的環(huán)路帶寬被大幅壓縮至100 Hz以下，從而表現(xiàn)出較好的噪聲特性；而小電流壓控電流源的環(huán)路帶寬不低于1 MHz，從而能夠滿足調(diào)諧速率的要求。通過兩個(gè)電流源并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)了輸出噪聲和動(dòng)態(tài)性能的兼顧。

圖4 半導(dǎo)體激光器雙電流源混合驅(qū)動(dòng)方案Fig.4 Hybrid dual current source semi-conductor laser driver

下面根據(jù)第1節(jié)介紹的噪聲模型分別對(duì)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)方案和改進(jìn)的雙電流源混合驅(qū)動(dòng)方案的輸出噪聲進(jìn)行分析。

對(duì)于如圖3所示的傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)方案，當(dāng)采用2 V基準(zhǔn)電壓源時(shí)，為了滿足總輸出電流160 mA的要求，壓控電流源的轉(zhuǎn)移電導(dǎo)gm為0.08 S，控制電阻Rs為12.5 Ω。通常，濾波電阻RF典型值約為1 kΩ，由此可以計(jì)算得到這兩個(gè)電阻的熱噪聲，分別為0.45 nV/Hz1/2和4.1 nV/Hz1/2。數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的量化噪聲則是主要的輸入電壓噪聲，可以表示為：

其中，根據(jù)諧振式光學(xué)陀螺對(duì)于半導(dǎo)體激光器的實(shí)際需求，將電流調(diào)諧帶寬Bi取為1 MHz。同時(shí)，為了滿足調(diào)諧帶寬需求，濾波器帶寬需要與電流調(diào)諧帶寬相等，此時(shí)輸出電流噪聲可表示為：

考慮實(shí)際情況，當(dāng)采用16位DAC作為基準(zhǔn)電壓源時(shí)，此時(shí)DAC的量化噪聲約為8.8 nV/Hz1/2。此外，低噪聲運(yùn)算放大器的電壓噪聲約為1 nV/Hz1/2。，計(jì)算可知傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)方案的輸出電流噪聲約為0.78 μA。

對(duì)于圖4所示的雙電流源驅(qū)動(dòng)方案，可以分為恒定電流源和壓控電流源兩部分。首先分析恒定電流源部分，該部分輸出電流噪聲可以表示為：

同樣采用2 V基準(zhǔn)電壓源時(shí)，為了產(chǎn)生150 mA的恒定偏置電流，轉(zhuǎn)移電導(dǎo)gm為0.075 S，控制電阻Rs為13.3 Ω。與單電源方案不同，恒定電流源不需要考慮調(diào)諧帶寬的要求，因此可以通過壓縮帶寬大幅降低輸入電壓噪聲和濾波電阻熱噪聲的影響，通過將恒定電流源帶寬壓縮至100 Hz，根據(jù)式(7)可以計(jì)算得到其輸出電流噪聲約為0.83 nA。

類似地，壓控電流源的輸出電流噪聲可表示為：

與單電流驅(qū)動(dòng)方案一致，采用16位DAC，為了實(shí)現(xiàn)10 mA的電流調(diào)諧范圍，轉(zhuǎn)移電導(dǎo)gm為0.005 S，控制電阻Rs為200 Ω，根據(jù)式(8)計(jì)算可知其輸出電流噪聲為49.6 nA。

由于兩個(gè)電流源互不相關(guān)，因此雙電流源混合驅(qū)動(dòng)電路的總輸出電流噪聲可表示為：

可以看到，采用雙電流源混合驅(qū)動(dòng)方案后，總輸出電流噪聲明顯降低。根據(jù)諧振腔的自由譜線寬度和掃頻電流范圍，可以得到諧振式光學(xué)陀螺所采用的窄線寬半導(dǎo)體激光器的調(diào)諧系數(shù)約為0.05 Hz/pA，即由驅(qū)動(dòng)電流源所引起的激光器頻率噪聲約為25 Hz/Hz1/2，略小于激光器本身的頻率噪聲。從理論上驗(yàn)證了所提出的基于雙電流源的混合驅(qū)動(dòng)方案可以滿足諧振式光學(xué)陀螺的應(yīng)用需求。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計(jì)搭建了基于雙電流源混合驅(qū)動(dòng)的諧振式光學(xué)陀螺用可調(diào)諧窄線寬激光器驅(qū)動(dòng)電路板，電路板實(shí)物如圖5所示。

圖5 可調(diào)諧窄線寬半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路板Fig.5 The circuit board of tunable narrow linewidth semi-conductor laser driver

為了比較兩種驅(qū)動(dòng)方案的性能，分別對(duì)傳統(tǒng)單電流源驅(qū)動(dòng)和雙電流源混合驅(qū)動(dòng)的激光器頻率噪聲進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可以看到兩種驅(qū)動(dòng)方案在低頻段的頻率噪聲基本一致，但是在高頻段，雙電流源混合驅(qū)動(dòng)方案的頻率噪聲遠(yuǎn)低于單電流源驅(qū)動(dòng)方案，驗(yàn)證了雙電流源混合驅(qū)動(dòng)方案有利于提高可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器輸出光的性能。

圖6 半導(dǎo)體激光器頻率噪聲測(cè)試結(jié)果Fig.6 Frequency noise test results of semi-conductor laser

圖7給出了采用雙電流源混合驅(qū)動(dòng)方案的半導(dǎo)體激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯す馄鞯南鄬?duì)強(qiáng)度噪聲約為-150 dBc/Hz。當(dāng)信號(hào)光電流為1 mA時(shí)，光電流強(qiáng)度噪聲為31 pA/Hz1/2，完全滿足諧振式光學(xué)陀螺的應(yīng)用需要。

圖7 雙電流源混合驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲Fig.7 Relative intensity noise of semi-conductor laser driven by hybrid dual current source

由于諧振式光學(xué)陀螺工作過程中需要對(duì)窄線寬激光器進(jìn)行連續(xù)調(diào)諧，需要對(duì)不同調(diào)諧控制信號(hào)下的激光器線寬進(jìn)行測(cè)試[10]，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。圖中虛線為不施加調(diào)諧信號(hào)時(shí)的激光器線寬，而實(shí)線為施加不同調(diào)諧信號(hào)時(shí)的激光器線寬，調(diào)諧信號(hào)大小由控制DAC輸出的數(shù)字信號(hào)表示。不難看出，與不施加調(diào)諧信號(hào)時(shí)相比，整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)激光器的輸出線寬變化不大，波動(dòng)范圍約為±400 Hz，并且線寬的測(cè)試結(jié)果與所使用的半導(dǎo)體激光器標(biāo)稱值一致，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波導(dǎo)諧振腔的半高全寬，能夠滿足系統(tǒng)的性能要求。

圖8 雙電流源混合驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器的線寬Fig.8 Laser linewidth of semi-conductor laser driven by hybrid dual current source

在完成半導(dǎo)體激光器關(guān)鍵性能測(cè)試的基礎(chǔ)上，測(cè)試了雙電流源混合驅(qū)動(dòng)激光器在諧振式光學(xué)陀螺中的性能。實(shí)驗(yàn)用諧振式光學(xué)陀螺以直徑60 mm的波導(dǎo)諧振腔作為敏感環(huán)，將鎖頻狀態(tài)下共模輸出端的相關(guān)檢測(cè)結(jié)果經(jīng)陀螺信號(hào)輸出端進(jìn)行輸出，獲得系統(tǒng)的鎖頻誤差。在此基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)開環(huán)標(biāo)度因數(shù)將鎖頻誤差轉(zhuǎn)化為等效的角速度誤差輸出。圖9給出了諧振式光學(xué)陀螺鎖頻誤差1小時(shí)的測(cè)試結(jié)果，可以看到陀螺鎖頻誤差沒有明顯的漂移，10 s平滑條件下的鎖頻精度達(dá)到3.72 °/h（約為0.48 Hz），完全能夠滿足諧振式光學(xué)陀螺的檢測(cè)需求。

圖9 諧振式光學(xué)陀螺鎖頻誤差測(cè)試Fig.9 The frequency locking error of resonator optic gyro

4 結(jié) 論

針對(duì)諧振式光學(xué)陀螺對(duì)低噪聲、高帶寬窄線寬激光器驅(qū)動(dòng)的要求，本文提出了基于雙電流源混合驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其頻率噪聲、相對(duì)強(qiáng)度噪聲和線寬進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，激光器輸出頻率噪聲優(yōu)于25 Hz/Hz1/2@10 kHz，在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)線寬小于3.6 kHz，諧振式光學(xué)陀螺的鎖頻精度達(dá)到3.72 °/h（約為0.48 Hz）。測(cè)試結(jié)果表明采用該驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的激光器性能全面滿足陀螺應(yīng)用需求，為諧振式光學(xué)陀螺的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。