一種高斯型ASE光源研究

田 野,楊銀川,魯 勇,劉光亞

(貴州航天控制技術(shù)有限公司設(shè)計研究所，貴陽 550009)

0 引言

光纖陀螺儀的光源必須是寬帶光源，且對平均波長穩(wěn)定性要求高，因而要求整個光譜相對穩(wěn)定。直到20世紀80年代，在半導體激光器工業(yè)技術(shù)發(fā)展的推動下，超輻射發(fā)光二極管(Superluminesent Diode,SLD)在光纖陀螺中獲得應(yīng)用。但對于高精度光纖陀螺來說，SLD光源不再是最理想的光源，已經(jīng)滿足不了高精度光纖陀螺儀對光源的帶寬、波長穩(wěn)定性、輸出功率、壽命等要求[1]。隨著寬帶光通信產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是摻鉺光纖技術(shù)的迅速發(fā)展為慣導級和精密級光纖陀螺提供了重要保障[2-3]。

本文針對高精度光纖陀螺采用1.55μm寬帶摻鉺超熒光光纖(Amplified Spontaneous Emission,ASE)光源進行理論分析，試驗研究光路中摻鉺光纖濃度和長度對ASE光源的輸出光譜和全溫性能的影響，并研制出一種滿足高精度光纖陀螺儀用的高斯型ASE光源。

1 理論基礎(chǔ)

ASE光源理論基礎(chǔ)主要是摻鉺光纖的光放大原理，用波長980nm的半導體激光器泵浦摻鉺光纖能夠提供更高的輸出功率，實現(xiàn)光纖陀螺所需的超熒光輸出[4]。

摻鉺光纖是在制造光纖的過程中，設(shè)法向光纖內(nèi)摻入一定量的三價鉺離子(Er3+)，鉺離子對特定波長的光子敏感，會吸收其能量，使自身的能級發(fā)生變化，它的能級如圖1所示。

圖1 離子能級詳圖Fig.1 Erbium ions energy level in detail

從鉺離子的能級圖可以看出，摻鉺光纖可以有1480nm、980nm、800nm、650nm、514nm等波長的泵浦源，當用以上波長泵浦摻鉺光纖時，處于基態(tài)4I15/2的鉺離子都會被泵浦到高能級，但很快又以非輻射躍遷的形式轉(zhuǎn)移到激光上能態(tài)4I13/2，激光上能態(tài)4I13/2上的鉺離子會以自發(fā)輻射或受激輻射的形式重新躍遷回基態(tài)，從而產(chǎn)生1520～1560nm波段的超熒光或激光輸出。另外，800nm以及小于800nm波長泵浦摻鉺光纖后，都存在強烈的激發(fā)態(tài)吸收(Excited State Absorption，ESA)，導致它們的泵浦效率很低[5]。所以，用波長980nm的半導體激光器泵浦摻鉺光纖能夠提供更高的輸出功率，輸出1520～1560nm波段的超熒光，也就是慣導級高精度光纖陀螺儀所需的ASE光源。

ASE光源的平均波長穩(wěn)定性將會直接影響光纖陀螺的標度因數(shù)穩(wěn)定性，寬的ASE光源譜寬可以降低相干噪聲，ASE光源光功率的全溫穩(wěn)定性又影響了光纖陀螺的全溫性能。

圖2～圖5所示為四種典型的摻鉺光纖光源的結(jié)構(gòu)，包括單通后向結(jié)構(gòu)、單通前向結(jié)構(gòu)、雙通后向結(jié)構(gòu)、雙通前向結(jié)構(gòu)[6-7]。

圖2 單通前向結(jié)構(gòu)Fig.2 Single pass forward structure

圖3 單通后向結(jié)構(gòu)Fig.3 Single pass backward structure

圖4 雙通后向結(jié)構(gòu)Fig.4 Double pass backward structure

圖5 雙通前向結(jié)構(gòu)Fig.5 Double pass forward structure

對于單通前向結(jié)構(gòu)，是將泵浦光直接注入摻鉺光纖中，在摻鉺光纖中沿向前、向后2個方向產(chǎn)生放大的自發(fā)輻射信號。這種結(jié)構(gòu)后向放大的自發(fā)輻射為無用光，只利用前向放大的自發(fā)輻射，輸出光功率很小。另外，泵浦光和光纖陀螺都會產(chǎn)生光反饋，兩種反饋光耦合進摻鉺光纖中都會形成諧振腔，導致輸出光譜變窄。

單通后向結(jié)構(gòu)避免了上述結(jié)構(gòu)的缺點，采用一個波分復用器將泵浦光注入摻鉺光纖中，在摻鉺光纖中沿前向、后向2個方向產(chǎn)生放大的自發(fā)輻射信號。前向的信號為無用光，輸出光相對泵浦光是反向的，可以避免光反饋引起的附加噪聲，由光反饋引起的光穩(wěn)定性影響可以完全忽略。試驗發(fā)現(xiàn)，若選取適當?shù)膿姐s光纖長度，光源的平均波長對大范圍的泵浦功率變化表現(xiàn)出不敏感，呈現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。

雙通后向：同樣在摻鉺光纖中沿向前、向后2個方向產(chǎn)生放大的自發(fā)輻射信號。向前放大的自發(fā)輻射信號經(jīng)反射鏡反射后再次通過摻鉺光纖放大，并且與后向自發(fā)輻射放大信號疊加，因而形成更強的后向輸出功率，經(jīng)波分復用器和隔離器后作為輸出光信號為光纖陀螺儀所用。

雙通前向結(jié)構(gòu)的光源，反射鏡在泵浦光的輸入端，泵浦光經(jīng)波分復用器后注入摻鉺光纖中，沿前向、后向2個方向產(chǎn)生放大的自發(fā)輻射信號。后向的ASE經(jīng)反射鏡反射后再次通過摻鉺光纖放大，并且與前向ASE疊加，因而形成更強的前向輸出功率，經(jīng)隔離器后輸出。

摻鉺光纖光源的輸出功率和譜寬與所采用的光學結(jié)構(gòu)和方案有直接關(guān)系。和單通結(jié)構(gòu)相比，在雙通結(jié)構(gòu)中，信號光多經(jīng)歷了一次放大，所以雙通結(jié)構(gòu)比單通結(jié)構(gòu)具有更高的轉(zhuǎn)換效率。有人對雙通前向結(jié)構(gòu)和雙通后向結(jié)構(gòu)的超熒光摻鉺光纖光源做過詳細比較研究[8]，結(jié)果表明，雙通前向結(jié)構(gòu)具有更好的波長穩(wěn)定性[9]。

因此，本文采用雙通前向光路結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種ASE光源，并研究分析了摻鉺光纖參數(shù)對其性能的影響。

2 試驗研究

設(shè)計雙通前向結(jié)構(gòu)ASE光源，按照圖6所示的組成示意圖裝配ASE光源，其輸出光的光譜類似高斯型。這種類高斯型光源的相干函數(shù)的次相干峰幾乎沒有，是高精度光纖陀螺儀光源的理想選擇。

圖6 高斯型ASE光源組成示意圖Fig.6 Schematic diagram of Gaussian ASE light source

由于光源的熱穩(wěn)定性受鉺離子濃度的影響很大，特別是影響了最佳光纖長度和摻鉺光纖的溫度特性，摻鉺光纖的吸收率與鉺離子的濃度呈正比關(guān)系[10]。在不改變現(xiàn)有泵浦激光器、波分復用器、隔離器、2∶98分光器、光電探測器和FRM等光器件參數(shù)的情況下，分別利用吸收率為27dBm/m、19dBm/m、7.8dBm/m、6.5dBm/m的四種摻鉺光纖。通過改變摻鉺光纖的長度，研究其ASE輸出光全溫光功率、全溫平均波長和全溫光譜帶寬的特性，尋找ASE光源性能最穩(wěn)定時的摻鉺光纖最佳長度，見表1。

表1 最佳光纖長度與吸收率的關(guān)系

試驗表明：隨著鉺離子濃度的增高，所用的最佳摻鉺光纖長度隨之縮短，可以減小盤纖空間，還能節(jié)約成本，但是高濃度的摻鉺光纖光源的溫度特性較差。因此，提高摻鉺光纖中的鉺離子濃度和摻雜分散度及勻度是提高光源性能、降低成本的有效方法。考慮光源溫度特性，在設(shè)計摻鉺光纖光源時可以優(yōu)先考慮中等摻雜的光纖。

選取19dBm/m和7.8dBm/m兩種吸收率摻鉺光纖，記錄不同長度下的光源輸出光譜寬和平均波長，研究ASE光源輸出光光譜平均波長及譜寬與摻鉺光纖長度的關(guān)系，試驗數(shù)據(jù)如圖7～圖10所示。

圖7 光譜寬度與鉺纖長度關(guān)系(19dBm/m)Fig.7 Relationship between spectral width and erbium doped fiber length(19dBm/m)

圖8 光譜寬度與鉺纖長度關(guān)系(7.8dBm/m)Fig.8 Relationship between spectral width and erbium doped fiber length(7.8dBm/m)

圖9 平均波長與19dBm/m摻鉺光纖長度關(guān)系Fig.9 Relationship between mean wavelength and erbium doped fiber length(19dBm/m)

圖10 平均波長與7.8dBm/m摻鉺光纖長度關(guān)系Fig.10 Relationship between mean wavelength and erbium doped fiber length(7.8dBm/m)

通過試驗可以得出：當泵浦光功率保持一定時，光源輸出功率在1560nm附近出現(xiàn)了峰值。隨著摻鉺光纖長度的減短，ASE光源輸出光譜寬逐漸呈增寬的趨勢，光譜平均波長向短波方向移動，當達到最佳光纖長度后再繼續(xù)減短鉺纖長度，ASE輸出光譜特性就變得復雜。1530nm附近的光功率逐漸增加，而1560nm附近的光功率逐漸減小，光譜譜型在1530nm附近出現(xiàn)一個次峰，1538nm處出現(xiàn)了凹陷。對于吸收率為7.8dBm/m的摻鉺光纖長度在15m左右時，現(xiàn)象比較明顯，此時平均波長1558nm，光譜寬度11.3nm。對于19dBm/m吸收率的摻鉺光纖，當長度降到8m左右時，出現(xiàn)了1530nm波長的次波。如圖11所示。

圖11 有次波的ASE光源輸出光光譜Fig.11 Output spectrum of ASE light source with secondary wave

常溫下，當ASE光源的摻鉺光纖取最佳長度時，輸出光特性較好，其他條件都不變的情況下，進行高斯型ASE光源全溫性能試驗，對比兩種吸收率摻鉺光纖的ASE光源特性。測試數(shù)據(jù)顯示：兩種吸收率的摻鉺光纖ASE光源常溫性能相當，但吸收率為7.8dBm/m的ASE光源在高低溫下光譜和輸出光功率變化較大，全溫性能不穩(wěn)定。

綜合以上試驗研究，采用雙通前向ASE光源結(jié)構(gòu)，取19dBm/m吸收率的摻鉺光纖9m，研制的高斯型ASE光源處于國內(nèi)先進技術(shù)水平，并成功應(yīng)用在多個高精度光纖陀螺儀型號上，性能穩(wěn)定可靠。

3 結(jié)論

本文首先介紹了摻鉺光纖輻射1.55μm超熒光原理，理論上分析了四種ASE光源光路結(jié)構(gòu)，最后選擇雙通前向結(jié)構(gòu)，試驗研究了摻鉺光纖的鉺離子濃度及長度對ASE光源的光譜特性和全溫性能的影響。試驗結(jié)果表明，不同的摻雜濃度、光纖長度對ASE光源的輸出特性具有很大的影響。此外，根據(jù)研究結(jié)果研制了高斯型ASE光源，已在多個高精度光纖陀螺儀型號上實現(xiàn)了實際應(yīng)用，性能穩(wěn)定可靠。