田 野,楊銀川,魯 勇,劉光亞

(貴州航天控制技術有限公司設計研究所，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]。隨著寬帶光通信產業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是摻鉺光纖技術的迅速發(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

ASE光源理論基礎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，設法向光纖內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構，包括單通后向結構、單通前向結構、雙通后向結構、雙通前向結構[6-7]。

圖2 單通前向結構Fig.2 Single pass forward structure

圖3 單通后向結構Fig.3 Single pass backward structure

圖4 雙通后向結構Fig.4 Double pass backward structure

圖5 雙通前向結構Fig.5 Double pass forward structure

對于單通前向結構，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個方向產生放大的自發(fā)輻射信號。這種結構后向放大的自發(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。

單通后向結構避免了上述結構的缺點，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，若選取適當的摻鉺光纖長度，光源的平均波長對大范圍的泵浦功率變化表現出不敏感，呈現出較高的穩(wěn)定性。

雙通后向：同樣在摻鉺光纖中沿向前、向后2個方向產生放大的自發(fā)輻射信號。向前放大的自發(fā)輻射信號經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。

雙通前向結構的光源，反射鏡在泵浦光的輸入端，泵浦光經波分復用器后注入摻鉺光纖中，沿前向、后向2個方向產生放大的自發(fā)輻射信號。后向的ASE經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構和方案有直接關系。和單通結構相比，在雙通結構中，信號光多經歷了一次放大，所以雙通結構比單通結構具有更高的轉換效率。有人對雙通前向結構和雙通后向結構的超熒光摻鉺光纖光源做過詳細比較研究[8]，結果表明，雙通前向結構具有更好的波長穩(wěn)定性[9]。

因此，本文采用雙通前向光路結構，設計了一種ASE光源，并研究分析了摻鉺光纖參數對其性能的影響。

2 試驗研究

設計雙通前向結構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系[10]。在不改變現有泵浦激光器、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系，試驗數據如圖7～圖10所示。

圖7 光譜寬度與鉺纖長度關系(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附近出現一個次峰，1538nm處出現了凹陷。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。測試數據顯示：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光源結構，取19dBm/m吸收率的摻鉺光纖9m，研制的高斯型ASE光源處于國內先進技術水平，并成功應用在多個高精度光纖陀螺儀型號上，性能穩(wěn)定可靠。

3 結論

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光源光路結構，最后選擇雙通前向結構，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，根據研究結果研制了高斯型ASE光源，已在多個高精度光纖陀螺儀型號上實現了實際應用，性能穩(wěn)定可靠。