高平均波长稳定性超荧光光纤光源

陈倚竹，张海涛，巩马理，王东生，闫 平

高平均波长稳定性超荧光光纤光源

陈倚竹，张海涛*，巩马理，王东生，闫 平

（清华大学精密仪器系，北京100084）

光纤陀螺要求其光源具有高功率、宽谱输出，同时在大温度范围内仍具有好的平均波长稳定性。为了满足－45℃～70℃大温度范围的应用需求，采用双程后向抽运、法拉第旋转反射、带通滤波等技术手段，对光纤材料和器件进行大温区全局优化，以改善超荧光光纤光源的平均波长稳定性。理论分析了不同中心波长和带宽的带通滤波器以及光纤长度等参量对平均波长稳定性的改善效果，以及和光谱带宽的关系。按照设计结果选择滤波、光纤长度等参量，通过对－45℃～70℃全温区范围进行系统全局优化设计，得到输出功率为32mW，功率稳定性为0.65%，光谱带宽为12.5nm，光源平均波长变化量为23.5×10－6。结果表明，平均波长稳定性在0.5×10－6／℃以下的高稳定性超荧光光纤光源中，32mW输出功率非常高；所得的0.2×10－6／℃是115℃大温差范围、30mW以上超荧光光纤光源中非常优异的平均波长稳定性指标，满足光纤陀螺对光纤光源的要求。

光纤光学；超荧光光纤光源；光纤滤波器；双程后向结构；平均波长稳定性

引 言

为保证零偏稳定性，光纤陀螺需要宽谱光源抑制背向散射、偏振交叉耦合及克尔效应等引起的相干噪声。同时，光纤陀螺需要光源具有高功率以保证探测信号具有较高的信噪比。此外，光纤陀螺还要求光源具有好的平均波长稳定性来保证标度因数稳定性［1］。例如，惯导级高精度光纤陀螺要求标度因数稳定性达到10－6，这对宽谱光源的平均波长稳定性提出了很高要求。超辐射发光二极管具有输出功率高、光谱宽的特点，但热稳定性差，平均波长变化率达400×10－6／℃，只适用于中、低精度的光纤陀螺。掺铒超荧光光纤光源（superfluorescent fiber source，SFS）输出功率高、光谱宽，若将工作范围扩展到－45℃～70℃的全温区仍能保证优异的平均波长稳定性，这将使其在惯导级高精度光纤陀螺中获得更广泛的应用。

目前基于双包层掺杂光纤的超荧光光纤光源输出功率最高已经超过100W［2-3］，但功率越高，越难保证平均波长稳定性，目前适合高精度光纤陀螺、平均波长变化率在0.5×10－6／℃［4-8］以下的高稳定性超荧光光纤光源，输出功率最大值只有18mW。这是因为影响SFS的平均波长的素很多：光纤温度T，抽运功率Pp，抽运波长λp，抽运偏振态（state of polarization，SOP）和返回光F［9-10］，其功率越高，工作温区变化范围越大，各种因素的控制难度亦将增大。对于掺铒SFS而言，最后两项因素的影响可通过在掺铒SFS中加入法拉第旋转镜［11-12］、高隔离度隔离器［9，13］等方法减小至10－6水平。目前，已有在SFS中加入长周期光纤光栅［4］、啁啾光纤光栅［5］、光子禁带光纤［6］、高斯滤波片［7］以及掺铒光子晶体光纤［8］等措施来提高平均波长稳定性：在正温度范围区间内优化光纤光源系统结构，可获得最低0.08× 10－6／℃的平均波长变化率；在未覆盖全温区的部分正负温区范围，或者只将光纤或滤波器等部分器件置于高低温环境中，可获得最低0.03×10－6／℃的平均波长变化率。总之，温度范围越小，优化的结果越好；随着工作温度范围的扩大，逐渐逼近器件材料的极限工作温度，此时，即使高低温区两端很小的温区范围扩大，也会造成平均波长稳定性的急剧恶化，使系统的优化平衡更加困难。同时，只针对部分器件的温度特性优化设计，如只将铒纤或个别器件置于高低温箱进行实验，容易获得较好的结果。但若将整个SFS置于高低温环境中，因为各个因素的温度变化趋势并没有统一的规律，需要做出更多的平衡优化，增加了获得优异平均波长稳定性的困难。

作者采用偏振消除、带通滤波器、双程后向抽运等技术手段，优化整个超荧光光纤光源系统在－45℃～70℃全温区范围的结构参量，获得输出功率32mW，光谱带宽12.5nm，整个SFS系统在115℃温度范围平均波长变化量为23.5×10－6，功率稳定性为0.65%，这是30mW以上高功率SFS全系统在115℃温度范围对应的优异的平均波长稳定性结果，32mW输出功率也是平均波长稳定性在0.5× 10－6／℃以下的超荧光光纤光源中非常高的功率。

1 带通滤波器中心波长以及带宽的选择

当平均波长变化量相同时，输出光谱带宽越宽，光谱相干长度就越短，从而可以抑制背向散射、偏振交叉耦合及克尔效应等引起的相干噪声，保证光纤陀螺的零偏稳定性。因而在光纤陀螺的实际应用中，通常要求光谱带宽10nm以上。

超荧光光纤光源平均波长以及光谱带宽的定义分别如下式所示［2］：

式中，λi为将输出光谱分割后第i个点处对应的波长，P（λi）为波长λi处的光功率密度，Δλi为光谱分割后第i段的谱宽。

为选择合适的带通滤波器中心波长以及带宽，在此模拟了当铒纤处于－45℃～70℃温度范围时平均波长的变化情况。模拟以速率方程和功率演化方程为主，并考虑了环境损耗、离子激发态吸收效应和离子簇效应［9，14］，如下面几个式子所示：式中，P+s（z，νs，i）和P－s（z，νs，i）分别表示前向传播和后向传播的频率为νs，i的超荧光在距离抽运输出端z处光纤处的光功率；Pp（z，νp）表示距离抽运光输入端z处光纤处的抽运功率；νp表示抽运光频率；α（νi）表示超荧光在单位长度上传播时的环境损耗；α（νp）表示抽运光在单位长度上传播时的环境损耗；A0为铒纤纤芯横截面面积；As为信号光模场有效面积；Ap为抽运光模场有效面积；Nu（z）为激光上能态铒离子密度；Nl（z）为基态铒离子密度；Np（z）为抽运激发态铒离子密度；Nab（z）表示铒离子中离子对数目；σesa（νp）表示激发态（excitedstate absorption，ESA）吸收截面；σe（νs，i）和σa（νs，i）分别为铒纤在该频率处的发射截面和吸收截面；σp，a（νp）为抽运频率处的吸收截面；h为普朗克常数；Δν为谱宽；τ为铒离子在激光上能态的寿命；τp为铒离子在抽运激发态的寿命。

在－45℃～70℃温度范围内，铒纤发射截面由Füchtbauer-Landenburg方程从铒纤的发射谱中推出，如下式所示：

式中，ε为吸收截面和发射截面相同时对应波长的光子能量，ν为频率，k为玻尔兹曼常数，T为温度。

铒离子有1529nm和1558nm两个发射峰，为获得较高输出功率，模拟时需要将带通滤波器中心波长先后设为1529nm和1558nm。由于1529nm峰比1558nm峰窄，模拟1529nm滤波器带宽分别为5nm，10nm，15nm，20nm；1558nm滤波器带宽分别为5nm，15nm，30nm。将滤波器置于铒纤与法拉第旋转镜之间。设定抽运功率为120mW，抽运波长为976nm。模拟不同中心波长（central wavelength，CW）和带宽（bandwidth，BW）滤波器后，得到的平均波长在－45℃～70℃全温区的变化量及输出光谱带宽随光纤长度的变化，如图1及图2所示。加入1529nm滤波器后，SFS平均波长稳定性得到大幅改善，选择合适的光纤长度，最好可以达到10－6；而1558nm滤波

式中，λ为波长，I（λ）为测得的荧光的功率谱，Δλ为辐射跃迁的带宽，c为真空中的光速，n为介质的折射率。

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关系式从对应波长的发射截面推出，如下式所示：器，则不适用于改善此SFS的平均波长稳定性，最好的结果也只有1m光纤长度对应的1000×10－6。这是因为SFS输出光谱中1529nm峰与1558nm峰随温度变化趋势相反，而1558nm峰随温度的变化对平均波长变化起主导作用；当加入1558nm滤波器后，1558nm峰变得更强，1529nm峰受到抑制，更不足以弥补1558nm峰引起的平均波长变化，因而加入1558nm滤波器后平均波长稳定性反而恶化。但1558nm滤波器适合用于20nm以上大带宽SFS的产生，而且滤波带宽越宽，在相同光纤长度条件下，对应的平均波长稳定性更好。针对带宽10nm左右的使用要求，选择1529nm滤波器，同时可以获得更优异的平均波长稳定性。将平均波长变化量在0× 10－6附近时分布曲线局部放大，如图1中的插图所示：在加入1529nm滤波器后，平均波长变化量对光纤长度变化的斜率可降到很低，从带宽20nm时的1.2×10－6／cm降至5nm时的0.5×10－6／cm；这意味加入着1529nm滤波器后降低了光纤最优长度的控制精度，10×10－6内的平均波长变化量可以容忍8cm至20cm的光纤长度变化，而对于光纤切割、熔接等光纤处理工艺所能达到长度控制精度来说，几厘米的光纤长度都是可以满足的。与1558nm滤波器变化趋势相反，随着中心波长1529nm滤波器带宽减小，平均波长变化量在0×10－6时对光纤长度变化的斜率逐渐降低；低斜率有利于获得更好的平均波长稳定性，但同时窄带滤波也带来输出光谱窄化的不利后果。如图2超荧光输出谱宽曲线所示：当滤波器带宽分别为5nm和10nm时，输出谱宽分别为4nm和7.5nm，不满足高精度光纤陀螺的宽谱要求；带宽15nm和20nm所对应的输出谱宽分别为8.8nm和9nm，光谱带宽很接近。综合考虑带宽，15nm滤波器比20nm滤波器具有更低的平均波长变化量（为0）对光纤长度变化的斜率，即0.95× 10－6／cm，所以实验中选择中心波长1529nm、带宽15nm滤波器。

2 实验结果

2.1SFS（无滤波器）的实验结果

为研究带通滤波器对平均波长稳定性的改善作用，在此先研究了无滤波器时，SFS的平均波长稳定性。SFS结构图如图3所示，由抽运源（laser diode，LD）、波分复用器（wavelength division multiplexing，WDM）、掺铒光纤、法拉第旋转镜（Faraday rotation mirror，FRM）、双极隔离器（isolator，ISO）构成。法拉第旋转镜FRM消除偏振相关增益引起的平均波长变化；采用双程后向抽运是因为双程后向结构SFS抽运效率高，而且输出平均波长稳定性较高。其中，LD抽运波长975.2nm，抽运功率120mW；抽运驱动器可以为LD提供稳定的驱动电流及温度控制，以保证LD输出具有好的波长及功率稳定性。铒纤在975.2nm的吸收系数为4.52dB／m。隔离器隔离度为58dB。光源输出经过分束器tap（分光比5∶95）后通过裸纤适配器分别与光功率计（optical power meter，OPM）和光谱仪（optical spectrum analyzer，OSA）连接进行测试，其中，95%功率输出端接光谱仪测试，5%功率输出端接光功率计测量。光谱仪为安捷伦公司的Agilent86142B，测量范围为600nm～ 1700nm，最高扫描精度可达0.01nm；功率计为Santec公司生产的PEM-330，其测量范围为－30dBm～10dBm。光谱仪及功率计均通过GPIB卡及数据线与计算机（personal computer，PC）连接；计算机可以实时记录输出平均波长、带宽以及功率。

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

只将铒纤置于高低温箱中，温度范围为－45℃～70℃，测得的平均波长变化量随铒纤长度的变化如图4所示。从图4容易看出，随着光纤长度的变化，平均波长变化量有两个过零点；但是0×10－6附近的平均波长变化量随光纤长度变化非常快，分别为4.2×10－6／cm和4.62×10－6／cm。为获得20× 10－6以内的平均波长变化量，光纤长度的控制精度需要在4.3cm以内。考虑光纤切割、熔接等因素，每次光纤盘绕状态不易重复等特点，以及实验成本，对于普通的SFS，实验中仅通过选择合适的过零点光纤长度来获得好的平均波长稳定性并不容易。在－45℃～70℃，实验获得最小平均波长变化量是光纤长度12m时所对应的95×10－6。

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

2.2SFS（有滤波器）的实验结果

加入滤波器后的实验结构示意图如图5所示，其中滤波器的透过谱如图6所示。此时的系统结构与无滤波器时结构不同，加入滤波器时获得的最好平均波长稳定性对应的铒纤长度为11.1m。当铒纤长度11.1m，抽运功率120mW，仅铒纤置于高低温箱中时，光路中有无滤波器的平均波长随温度的变化如图7所示。未加入滤波器时，－45℃～70℃间的平均波长变化量为325×10－6；加入滤波器后，－45℃～70℃间的平均波长变化量为26.1×10－6。光路中有无滤波器时输出光谱如图8所示。平均波长的变化是由1529nm和1558nm两波峰增益之差随温度的变化引起的；由于光谱的平均波长是以功率谱密度为权重，因而当两波峰的增益之差发生变化时，输出光谱的平均波长也变化。如图8所示，加入带通滤波器后，1529nm波峰得到增强，1558nm波峰受到抑制。当温度变化时，1529nm波峰引起的平均波长变化恰好可以和1558nm波峰引起的平均波长变化相互抵消，因而加入带通滤波器后的平均波长稳定性得到改善。

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）

当光纤长度11.1m、抽运功率120mW、抽运波长975.2nm时，SFS输出功率为32mW。此时测得的光谱带宽为12.5nm。图9为整个SFS置于高低温箱（温度范围－45℃～70℃）时，经历两次温度循环时测得的平均波长随温度的变化。从图9中可以看出，两次循环中每个温度点对应的平均波长基本一致。在115℃温差范围内，SFS输出功率稳定性为0.65%，平均波长最大为1531.222nm，最小为1531.186nm，平均波长变化量为23.5×10－6。因为按照整个SFS系统的温度参量进行优化实验，目的是尽量让器件间温度变化对平均波长的影响进行抵消，所以平均波长变化量相对于只将铒纤置于高低温箱时的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 结 论

为满足惯导级光纤陀螺对光纤光源输出特性的要求，基于双程后向结构SFS，采用法拉第旋转镜以及带通滤波器等器件，通过在－45℃～70℃全温区范围对整个SFS系统结构的优化，以获得SFS在大温度范围高功率输出、高平均波长稳定性。经过仿真可知，1529nm中心波长，15nm带宽带通滤波器可以大幅改善SFS平均波长稳定性。根据仿真设计结果选择滤波、光纤长度等参量，在－45℃～70℃全温区范围，光源输出功率为32mW，功率稳定性为0.65%，光谱带宽为12.5nm，平均波长变化量为23.5×10－6。在已报道的平均波长稳定性优于0.5×10－6／℃的超荧光光纤光源中，此输出功率为非常高的功率；平均波长稳定性是115℃大温差范围、30mW以上高功率超荧光光纤光源中优异的平均波长稳定性指标，满足光纤陀螺对光纤光源的要求。

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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

国家自然科学基金资助项目（61077034）

陈倚竹（1989-），女，硕士研究生，现主要从事高稳定性超荧光光纤光源的研究。

*通讯联系人。E-mail：zhanghaitao＠mail.tsinghua.edu.cn

2013-04-07；

2013-04-25