陳倚竹，張海濤，鞏馬理，王東生，閆 平

高平均波長穩(wěn)定性超熒光光纖光源

陳倚竹，張海濤*，鞏馬理，王東生，閆 平

（清華大學精密儀器系，北京100084）

光纖陀螺要求其光源具有高功率、寬譜輸出，同時在大溫度范圍內仍具有好的平均波長穩(wěn)定性。為了滿足－45℃～70℃大溫度范圍的應用需求，采用雙程后向抽運、法拉第旋轉反射、帶通濾波等技術手段，對光纖材料和器件進行大溫區(qū)全局優(yōu)化，以改善超熒光光纖光源的平均波長穩(wěn)定性。理論分析了不同中心波長和帶寬的帶通濾波器以及光纖長度等參量對平均波長穩(wěn)定性的改善效果，以及和光譜帶寬的關系。按照設計結果選擇濾波、光纖長度等參量，通過對－45℃～70℃全溫區(qū)范圍進行系統(tǒng)全局優(yōu)化設計，得到輸出功率為32mW，功率穩(wěn)定性為0.65%，光譜帶寬為12.5nm，光源平均波長變化量為23.5×10－6。結果表明，平均波長穩(wěn)定性在0.5×10－6／℃以下的高穩(wěn)定性超熒光光纖光源中，32mW輸出功率非常高；所得的0.2×10－6／℃是115℃大溫差范圍、30mW以上超熒光光纖光源中非常優(yōu)異的平均波長穩(wěn)定性指標，滿足光纖陀螺對光纖光源的要求。

光纖光學；超熒光光纖光源；光纖濾波器；雙程后向結構；平均波長穩(wěn)定性

引 言

為保證零偏穩(wěn)定性，光纖陀螺需要寬譜光源抑制背向散射、偏振交叉耦合及克爾效應等引起的相干噪聲。同時，光纖陀螺需要光源具有高功率以保證探測信號具有較高的信噪比。此外，光纖陀螺還要求光源具有好的平均波長穩(wěn)定性來保證標度因數(shù)穩(wěn)定性［1］。例如，慣導級高精度光纖陀螺要求標度因數(shù)穩(wěn)定性達到10－6，這對寬譜光源的平均波長穩(wěn)定性提出了很高要求。超輻射發(fā)光二極管具有輸出功率高、光譜寬的特點，但熱穩(wěn)定性差，平均波長變化率達400×10－6／℃，只適用于中、低精度的光纖陀螺。摻鉺超熒光光纖光源（superfluorescent fiber source，SFS）輸出功率高、光譜寬，若將工作范圍擴展到－45℃～70℃的全溫區(qū)仍能保證優(yōu)異的平均波長穩(wěn)定性，這將使其在慣導級高精度光纖陀螺中獲得更廣泛的應用。

目前基于雙包層摻雜光纖的超熒光光纖光源輸出功率最高已經(jīng)超過100W［2-3］，但功率越高，越難保證平均波長穩(wěn)定性，目前適合高精度光纖陀螺、平均波長變化率在0.5×10－6／℃［4-8］以下的高穩(wěn)定性超熒光光纖光源，輸出功率最大值只有18mW。這是因為影響SFS的平均波長的素很多：光纖溫度T，抽運功率Pp，抽運波長λp，抽運偏振態(tài)（state of polarization，SOP）和返回光F［9-10］，其功率越高，工作溫區(qū)變化范圍越大，各種因素的控制難度亦將增大。對于摻鉺SFS而言，最后兩項因素的影響可通過在摻鉺SFS中加入法拉第旋轉鏡［11-12］、高隔離度隔離器［9，13］等方法減小至10－6水平。目前，已有在SFS中加入長周期光纖光柵［4］、啁啾光纖光柵［5］、光子禁帶光纖［6］、高斯濾波片［7］以及摻鉺光子晶體光纖［8］等措施來提高平均波長穩(wěn)定性：在正溫度范圍區(qū)間內優(yōu)化光纖光源系統(tǒng)結構，可獲得最低0.08× 10－6／℃的平均波長變化率；在未覆蓋全溫區(qū)的部分正負溫區(qū)范圍，或者只將光纖或濾波器等部分器件置于高低溫環(huán)境中，可獲得最低0.03×10－6／℃的平均波長變化率?？傊?，溫度范圍越小，優(yōu)化的結果越好；隨著工作溫度范圍的擴大，逐漸逼近器件材料的極限工作溫度，此時，即使高低溫區(qū)兩端很小的溫區(qū)范圍擴大，也會造成平均波長穩(wěn)定性的急劇惡化，使系統(tǒng)的優(yōu)化平衡更加困難。同時，只針對部分器件的溫度特性優(yōu)化設計，如只將鉺纖或個別器件置于高低溫箱進行實驗，容易獲得較好的結果。但若將整個SFS置于高低溫環(huán)境中，因為各個因素的溫度變化趨勢并沒有統(tǒng)一的規(guī)律，需要做出更多的平衡優(yōu)化，增加了獲得優(yōu)異平均波長穩(wěn)定性的困難。

作者采用偏振消除、帶通濾波器、雙程后向抽運等技術手段，優(yōu)化整個超熒光光纖光源系統(tǒng)在－45℃～70℃全溫區(qū)范圍的結構參量，獲得輸出功率32mW，光譜帶寬12.5nm，整個SFS系統(tǒng)在115℃溫度范圍平均波長變化量為23.5×10－6，功率穩(wěn)定性為0.65%，這是30mW以上高功率SFS全系統(tǒng)在115℃溫度范圍對應的優(yōu)異的平均波長穩(wěn)定性結果，32mW輸出功率也是平均波長穩(wěn)定性在0.5× 10－6／℃以下的超熒光光纖光源中非常高的功率。

1 帶通濾波器中心波長以及帶寬的選擇

當平均波長變化量相同時，輸出光譜帶寬越寬，光譜相干長度就越短，從而可以抑制背向散射、偏振交叉耦合及克爾效應等引起的相干噪聲，保證光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性。因而在光纖陀螺的實際應用中，通常要求光譜帶寬10nm以上。

超熒光光纖光源平均波長以及光譜帶寬的定義分別如下式所示［2］：

式中，λi為將輸出光譜分割后第i個點處對應的波長，P（λi）為波長λi處的光功率密度，Δλi為光譜分割后第i段的譜寬。

為選擇合適的帶通濾波器中心波長以及帶寬，在此模擬了當鉺纖處于－45℃～70℃溫度范圍時平均波長的變化情況。模擬以速率方程和功率演化方程為主，并考慮了環(huán)境損耗、離子激發(fā)態(tài)吸收效應和離子簇效應［9，14］，如下面幾個式子所示：式中，P+s（z，νs，i）和P－s（z，νs，i）分別表示前向傳播和后向傳播的頻率為νs，i的超熒光在距離抽運輸出端z處光纖處的光功率；Pp（z，νp）表示距離抽運光輸入端z處光纖處的抽運功率；νp表示抽運光頻率；α（νi）表示超熒光在單位長度上傳播時的環(huán)境損耗；α（νp）表示抽運光在單位長度上傳播時的環(huán)境損耗；A0為鉺纖纖芯橫截面面積；As為信號光模場有效面積；Ap為抽運光模場有效面積；Nu（z）為激光上能態(tài)鉺離子密度；Nl（z）為基態(tài)鉺離子密度；Np（z）為抽運激發(fā)態(tài)鉺離子密度；Nab（z）表示鉺離子中離子對數(shù)目；σesa（νp）表示激發(fā)態(tài)（excitedstate absorption，ESA）吸收截面；σe（νs，i）和σa（νs，i）分別為鉺纖在該頻率處的發(fā)射截面和吸收截面；σp，a（νp）為抽運頻率處的吸收截面；h為普朗克常數(shù)；Δν為譜寬；τ為鉺離子在激光上能態(tài)的壽命；τp為鉺離子在抽運激發(fā)態(tài)的壽命。

在－45℃～70℃溫度范圍內，鉺纖發(fā)射截面由Füchtbauer-Landenburg方程從鉺纖的發(fā)射譜中推出，如下式所示：

式中，ε為吸收截面和發(fā)射截面相同時對應波長的光子能量，ν為頻率，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度。

鉺離子有1529nm和1558nm兩個發(fā)射峰，為獲得較高輸出功率，模擬時需要將帶通濾波器中心波長先后設為1529nm和1558nm。由于1529nm峰比1558nm峰窄，模擬1529nm濾波器帶寬分別為5nm，10nm，15nm，20nm；1558nm濾波器帶寬分別為5nm，15nm，30nm。將濾波器置于鉺纖與法拉第旋轉鏡之間。設定抽運功率為120mW，抽運波長為976nm。模擬不同中心波長（central wavelength，CW）和帶寬（bandwidth，BW）濾波器后，得到的平均波長在－45℃～70℃全溫區(qū)的變化量及輸出光譜帶寬隨光纖長度的變化，如圖1及圖2所示。加入1529nm濾波器后，SFS平均波長穩(wěn)定性得到大幅改善，選擇合適的光纖長度，最好可以達到10－6；而1558nm濾波

式中，λ為波長，I（λ）為測得的熒光的功率譜，Δλ為輻射躍遷的帶寬，c為真空中的光速，n為介質的折射率。

Fig.1 Simulation of mean wavelength variation from－45℃to 70℃with bandpass filter against fiber length

Fig.2 Simulation of the bandwidth with bandpass filter against fiber length

吸收截面由McCumber關系式從對應波長的發(fā)射截面推出，如下式所示：器，則不適用于改善此SFS的平均波長穩(wěn)定性，最好的結果也只有1m光纖長度對應的1000×10－6。這是因為SFS輸出光譜中1529nm峰與1558nm峰隨溫度變化趨勢相反，而1558nm峰隨溫度的變化對平均波長變化起主導作用；當加入1558nm濾波器后，1558nm峰變得更強，1529nm峰受到抑制，更不足以彌補1558nm峰引起的平均波長變化，因而加入1558nm濾波器后平均波長穩(wěn)定性反而惡化。但1558nm濾波器適合用于20nm以上大帶寬SFS的產(chǎn)生，而且濾波帶寬越寬，在相同光纖長度條件下，對應的平均波長穩(wěn)定性更好。針對帶寬10nm左右的使用要求，選擇1529nm濾波器，同時可以獲得更優(yōu)異的平均波長穩(wěn)定性。將平均波長變化量在0× 10－6附近時分布曲線局部放大，如圖1中的插圖所示：在加入1529nm濾波器后，平均波長變化量對光纖長度變化的斜率可降到很低，從帶寬20nm時的1.2×10－6／cm降至5nm時的0.5×10－6／cm；這意味加入著1529nm濾波器后降低了光纖最優(yōu)長度的控制精度，10×10－6內的平均波長變化量可以容忍8cm至20cm的光纖長度變化，而對于光纖切割、熔接等光纖處理工藝所能達到長度控制精度來說，幾厘米的光纖長度都是可以滿足的。與1558nm濾波器變化趨勢相反，隨著中心波長1529nm濾波器帶寬減小，平均波長變化量在0×10－6時對光纖長度變化的斜率逐漸降低；低斜率有利于獲得更好的平均波長穩(wěn)定性，但同時窄帶濾波也帶來輸出光譜窄化的不利后果。如圖2超熒光輸出譜寬曲線所示：當濾波器帶寬分別為5nm和10nm時，輸出譜寬分別為4nm和7.5nm，不滿足高精度光纖陀螺的寬譜要求；帶寬15nm和20nm所對應的輸出譜寬分別為8.8nm和9nm，光譜帶寬很接近。綜合考慮帶寬，15nm濾波器比20nm濾波器具有更低的平均波長變化量（為0）對光纖長度變化的斜率，即0.95× 10－6／cm，所以實驗中選擇中心波長1529nm、帶寬15nm濾波器。

2 實驗結果

2.1SFS（無濾波器）的實驗結果

為研究帶通濾波器對平均波長穩(wěn)定性的改善作用，在此先研究了無濾波器時，SFS的平均波長穩(wěn)定性。SFS結構圖如圖3所示，由抽運源（laser diode，LD）、波分復用器（wavelength division multiplexing，WDM）、摻鉺光纖、法拉第旋轉鏡（Faraday rotation mirror，F(xiàn)RM）、雙極隔離器（isolator，ISO）構成。法拉第旋轉鏡FRM消除偏振相關增益引起的平均波長變化；采用雙程后向抽運是因為雙程后向結構SFS抽運效率高，而且輸出平均波長穩(wěn)定性較高。其中，LD抽運波長975.2nm，抽運功率120mW；抽運驅動器可以為LD提供穩(wěn)定的驅動電流及溫度控制，以保證LD輸出具有好的波長及功率穩(wěn)定性。鉺纖在975.2nm的吸收系數(shù)為4.52dB／m。隔離器隔離度為58dB。光源輸出經(jīng)過分束器tap（分光比5∶95）后通過裸纖適配器分別與光功率計（optical power meter，OPM）和光譜儀（optical spectrum analyzer，OSA）連接進行測試，其中，95%功率輸出端接光譜儀測試，5%功率輸出端接光功率計測量。光譜儀為安捷倫公司的Agilent86142B，測量范圍為600nm～ 1700nm，最高掃描精度可達0.01nm；功率計為Santec公司生產(chǎn)的PEM-330，其測量范圍為－30dBm～10dBm。光譜儀及功率計均通過GPIB卡及數(shù)據(jù)線與計算機（personal computer，PC）連接；計算機可以實時記錄輸出平均波長、帶寬以及功率。

Fig.3 Experimental setup of Er-doped SFS without filter

只將鉺纖置于高低溫箱中，溫度范圍為－45℃～70℃，測得的平均波長變化量隨鉺纖長度的變化如圖4所示。從圖4容易看出，隨著光纖長度的變化，平均波長變化量有兩個過零點；但是0×10－6附近的平均波長變化量隨光纖長度變化非?？?，分別為4.2×10－6／cm和4.62×10－6／cm。為獲得20× 10－6以內的平均波長變化量，光纖長度的控制精度需要在4.3cm以內?？紤]光纖切割、熔接等因素，每次光纖盤繞狀態(tài)不易重復等特點，以及實驗成本，對于普通的SFS，實驗中僅通過選擇合適的過零點光纖長度來獲得好的平均波長穩(wěn)定性并不容易。在－45℃～70℃，實驗獲得最小平均波長變化量是光纖長度12m時所對應的95×10－6。

Fig.4 Measured mean wavelength variation of SFS from－45℃to70℃against fiber length without filter

2.2SFS（有濾波器）的實驗結果

加入濾波器后的實驗結構示意圖如圖5所示，其中濾波器的透過譜如圖6所示。此時的系統(tǒng)結構與無濾波器時結構不同，加入濾波器時獲得的最好平均波長穩(wěn)定性對應的鉺纖長度為11.1m。當鉺纖長度11.1m，抽運功率120mW，僅鉺纖置于高低溫箱中時，光路中有無濾波器的平均波長隨溫度的變化如圖7所示。未加入濾波器時，－45℃～70℃間的平均波長變化量為325×10－6；加入濾波器后，－45℃～70℃間的平均波長變化量為26.1×10－6。光路中有無濾波器時輸出光譜如圖8所示。平均波長的變化是由1529nm和1558nm兩波峰增益之差隨溫度的變化引起的；由于光譜的平均波長是以功率譜密度為權重，因而當兩波峰的增益之差發(fā)生變化時，輸出光譜的平均波長也變化。如圖8所示，加入帶通濾波器后，1529nm波峰得到增強，1558nm波峰受到抑制。當溫度變化時，1529nm波峰引起的平均波長變化恰好可以和1558nm波峰引起的平均波長變化相互抵消，因而加入帶通濾波器后的平均波長穩(wěn)定性得到改善。

Fig.5 Experimental setup of Er-doped SFS with bandpass filter

Fig.6 The transmission spectrum of the filter

Fig.7 Measured mean wavelength change against temperature（only 11.1m Er-doped fiber in the temperature chamber）

當光纖長度11.1m、抽運功率120mW、抽運波長975.2nm時，SFS輸出功率為32mW。此時測得的光譜帶寬為12.5nm。圖9為整個SFS置于高低溫箱（溫度范圍－45℃～70℃）時，經(jīng)歷兩次溫度循環(huán)時測得的平均波長隨溫度的變化。從圖9中可以看出，兩次循環(huán)中每個溫度點對應的平均波長基本一致。在115℃溫差范圍內，SFS輸出功率穩(wěn)定性為0.65%，平均波長最大為1531.222nm，最小為1531.186nm，平均波長變化量為23.5×10－6。因為按照整個SFS系統(tǒng)的溫度參量進行優(yōu)化實驗，目的是盡量讓器件間溫度變化對平均波長的影響進行抵消，所以平均波長變化量相對于只將鉺纖置于高低溫箱時的26.1×10－6有所降低。

Fig.8 Measured spectrum of SFS with and without bandpass filter

Fig.9 Measured mean wavelength of the SFS against temperature with bandpass filter

3 結 論

為滿足慣導級光纖陀螺對光纖光源輸出特性的要求，基于雙程后向結構SFS，采用法拉第旋轉鏡以及帶通濾波器等器件，通過在－45℃～70℃全溫區(qū)范圍對整個SFS系統(tǒng)結構的優(yōu)化，以獲得SFS在大溫度范圍高功率輸出、高平均波長穩(wěn)定性。經(jīng)過仿真可知，1529nm中心波長，15nm帶寬帶通濾波器可以大幅改善SFS平均波長穩(wěn)定性。根據(jù)仿真設計結果選擇濾波、光纖長度等參量，在－45℃～70℃全溫區(qū)范圍，光源輸出功率為32mW，功率穩(wěn)定性為0.65%，光譜帶寬為12.5nm，平均波長變化量為23.5×10－6。在已報道的平均波長穩(wěn)定性優(yōu)于0.5×10－6／℃的超熒光光纖光源中，此輸出功率為非常高的功率；平均波長穩(wěn)定性是115℃大溫差范圍、30mW以上高功率超熒光光纖光源中優(yōu)異的平均波長穩(wěn)定性指標，滿足光纖陀螺對光纖光源的要求。

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A superfluorescent fiber source with high mean wavelength stability

CHEN Yizhu，ZHANG Haitao，GONG Mali，WANG Dongsheng，YAN Ping
（Department of Precision Instrument，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Interferometric fiber-optic gyroscopes require the optical sources should have high output power，broad bandwidth，as well as good mean wavelength stability within a large temperature range.To meet the temperature demands from－45℃to 70℃，a bandpass filter as well as a Faraday rotation mirror was incorporated in the double-pass backward Er-doped superfluorescent fiber source，which，together with the optimization of the performance of fiber and other optical components in such a large temperature range，improved the output mean wavelength of the superfluorescent fiber source a lot.The effects of filters with different central wavelengths and bandwidths，as well as fiber length on mean wavelength stability and output bandwidth were modeled.Based on the simulation result about bandpass filters and fiber length，after optimizing the whole superfluorescent fiber source，the output power reached 32mW；the output bandwidth was 12.5nm.From－45℃to 70℃，the mean wavelength variation of the superfluorescent fiber source was controlled to 23.5×10－6，and the output power variation was 0.65%.According to the investigation，among all superfluorescent fiber sources with mean wavelength stability lower than 0.5×10－6／℃，the 32mW output power is pretty high；the thermal coefficient of 0.2×10－6／℃is also an excellent result reported for a whole superfluorescent fiber source with output power above 30mW in the 115℃temperature range，which satisfies the demands of interferometric fiber-optic gyroscopes.

fiber optics；superfluorescent fiber source；fiber filter；double-pass backward configuration；mean wavelength stability

O439

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.015

1001-3806（2014）01-0070-06

國家自然科學基金資助項目（61077034）

陳倚竹（1989-），女，碩士研究生，現(xiàn)主要從事高穩(wěn)定性超熒光光纖光源的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：zhanghaitao＠m(xù)ail.tsinghua.edu.cn

2013-04-07；

2013-04-25