双程前向结构掺铒光纤光源的稳定性研究＊

房 鸿，付 宗，吴 旭

（1．西安工业大学 理学院，西安710021；2．深圳大学 电子科学与技术学院，深圳518060）

掺铒光纤光源具有高稳定性、宽光谱，高输出功率等特性，光纤传感器、通讯系统、谱测量方面等方面得到了广泛的应用［1-2］．特别是在光纤传感中，掺铒光纤光源相比于已广泛应用的超辐射发光二极管光源，具有高输出功率可提高信号的信噪比，宽光谱可以更大程度的降低噪声和增加检测带宽，提高平均波长稳定性可以提高检测的灵敏度及准确度［3］，因此掺铒光纤光源是一种用于传感检测中很有发展潜力的宽谱光源［4-5］．但铒离子的吸收谱和发射谱决定了它的输入光谱包含1 530nm和1 560nm两个波峰．在固定的掺铒光纤长度下，改变泵浦功率会使两个峰处的功率谱密度变化，对光谱稳定性和光谱平坦化都有很大影响［6］．此前，双程后向铒纤光源已有了许多研究，得到了高达42．6%的抽运转化效率［7-8］．本文通过实验研究了双程前向结构掺铒宽谱光源，测试了其平均波长稳定性，以期提高宽谱光源的稳定性．

1 实验装置及方法

1．1 实验装置

实验采用如图1所示的双程前向结构掺铒光纤光源．泵浦驱动器驱动980nm半导体激光二极管（Laser Diode，LD）发出泵浦光．泵浦光通过980／1 550nm 波分复用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）激发增益掺铒光纤（Erbium-Doped Fiber，EDF），产生前向和后向的1 550nm超荧光，其中后向超荧光经法拉第旋转反射镜（Faraday Rotator Mirror，FRM）反射后与前向超荧光一起通过光纤隔离器（Isolator，ISO）输出，光源充分利用前向和后向超荧光，相比于单程结构输出功率明显提高．最后光源输出光通过光谱仪和功率计测量光源的光谱信息（平均波长和谱宽）和输出功率．

图1 双程前向掺铒光纤光源实验装置Fig．1 Schematic diagram of double-pass forward erbium-doped fiber-optic source

1．2 实验方法

实验所用的Corning Er1550C3铒纤长度是通过逐步截断的方式分别对10．75m，10．55m，10．25m，10．1m，9．95m，9．75m 等光纤段进行了测试，根据不同长度铒纤，在不同泵浦功率下，光源输出光谱谱型和光光转换效率综合考虑，把铒纤的优化长度确定10．1m，泵浦功率确定在160mW左右．在该条件下，对双程前向掺铒宽谱光源进行稳定性测试．

2 实验结果及分析

2．1 铒纤长度及泵浦功率优化

图2给出了160mW泵浦功率下，掺铒光纤光源的平均波长、光谱带宽和输出功率随铒纤长度的变化曲线，同时也反映出铒纤长度对光源的影响．图2（a）说明铒纤长度缩短，平均波长会往短波长1 530nm方向漂移，长度过长会往长波长1 560 nm方向漂移．图2（b）说明当铒纤长度为9．75m，9．95m，10．10m，10．25m，10．55m 时，在160 mW泵浦功率下，光谱带宽都可以达到27．6nm以上，并且在铒纤长度为10．10m时带宽达到最大，并且随长度缩短或增加，带宽都下降．图2（c）看出铒纤长度在10．10m附近时，在160mW泵浦功率下，光源的输出功率变化非常小，并且输出也最大，说明在10．10m附近铒纤长度对光源输出功率的影响较小．

图2 平均波长、光谱带宽和输出功率随铒纤长度的变化曲线Fig．2 Mean wavelength，spectral width and the output power versus EDF length

泵浦功率对光源的影响主要表现在泵浦功率的大小对光源输出特征参数的影响．图3为铒纤长度分别为9．75m，10．10m，10．55m时，光源输出功率与泵浦功率的关系，可以看出他们基本上呈线性变化，其斜率表示光光转化效率的大小，分别约为37．54%、37．54%和37．8%，另外9．95m 和10．25m铒纤长度下的光源光光转化效率分别为37．78%和37．58%，可见在同一泵浦功率下，他们的光光转化效率相差很小，说明在铒纤长度为9．75m，9．95m，10．10m，10．25m，10．55m 时，铒纤长度对光源的光光转化效率影响较小，但是随着光纤过长和过短都会影响光光转化效率．这是由于光纤较长，其各种损耗影响转化效率，过短增益不足所致．

图3 泵浦功率与输出功率的关系Fig．3 Relationship between pump power and output power

图4～5分别为光源光谱带宽和平均波长随泵浦功率变化的关系图．

图4 泵浦功率与光谱带宽的关系Fig．4 Relationship between pump power and spectral width

从图4～5可以看出不同铒纤长度下，光源光谱带宽、平均波长随泵浦功率变化趋势是一样的．当泵浦功率在141～190mW之间时，不同铒纤长度的光源光谱带宽都大于27．5nm，且当泵浦功率约为160mW时，三个铒纤长度下的光源带宽相差不大，说明这时铒纤长度对光源光谱带宽的影响很小．随着泵浦功率的增加，光源的平均波长往短波方向漂移，但是泵浦功率引起平均波长的变化趋势在明显减小，即曲线的斜率在不断的减小，说明泵浦功率对平均波长影响将逐渐减小．因此，合理选取泵浦功率大小可使泵浦源对光源的影响减小到最小．综合考虑上述因素，确定出双程前向结构掺铒光纤光源用铒纤的优化长度为10．1m，泵浦功率约为160mW．

图5 泵浦功率与平均波长的关系Fig．5 Relationship between pump power and mean wavelength

2．2 光源稳定性测试

以铒纤优化长度10．1m和泵浦功率160 mW，对双程前向掺铒宽谱光源进行稳定性测试．实验环境温度控制在25°C左右．光源输出采用光谱仪和光功率计记录．图6为光源在常温下平均波长的稳定性和输出功率的稳定性．

图6 光源平均波长稳定性和输出功率稳定性Fig．6 Mean wavelength stability and output power stability

从图6可以看出，平均波长在约30min内变化0．005nm（最大波长1 544．769nm，最小波长1 544．764nm），而输出功率需要开机后约12min达到稳定，在启动的时间内光源输出功率变化约为0．035mW．

3 结 论

实验研究了双程前向结构掺铒宽谱光源平均波长和输出功率稳定性，分析了铒纤长度和泵浦功率对光源的平均波长、输出功率和光谱宽度的影响，得到的结论为

1）铒纤长度缩短，平均波长会往短波长1 530 nm方向漂移，长度过长会往长波长1 560nm方向漂移．当铒纤长度为9．75m，9．95m，10．10m，10．25m，10．55m 时，在160mW 泵浦功率下，光谱带宽都可以达到27．5nm以上，并且在铒纤长度为10．10m时带宽达到最大，并且随长度缩短或增加，带宽都下降．在10．10m附近铒纤长度对光源输出功率的影响较小．

2）在铒纤长度为9．75m，9．95m，10．10m，10．25m，10．55m时，铒纤长度对光源的光光转化效率影响较小，但是随着光纤过长和过短都会影响光光转化效率．通过实验，得到铒纤优化长度为10．10m和泵浦优化功率为160mW，光源获得了0．005nm的平均波长稳定性和0．035mW的功率稳定性．

［1］ 米剑，张春熹，李铮，等．掺铒光纤超荧光光源平均波长温度稳定性实验研究［J］．光子学报，2007，36（5）：825．MI Jian，ZHANG Chun-xi，LI Zheng，et al．Experimentally Research on Temperature Stability of the Mean Wavelength of Erbium-Doped Fiber Super Fluorescent Source［J］．Acta Photonica Sinica，2007，36（5）：825．（in Chinese）

［2］ 王秀琳，黄文财，黄晓菁，等．新型中心波长稳定的高效率L波段掺铒光纤超荧光光源［J］．中国激光，2009，36（3）：647．WANG Xiu-lin，HUANG Wen-cai，HUANG Xiaojing，et al．A Novel L-Band Super Fluorescent Fiber Source with Mean Wavelength Stability and High Efficiency［J］．Chinese Journal of Lasers，2009，36（3）：647．（in Chinese）

［3］ 曹毓．宽带光源光谱特性对光纤陀螺性能影响和分析［D］．长沙：国防科学技术大学，2006．CAO Yu．Study on the Effect of Spectrum Characteristic of Broadband Source on the Fiber Optic Gyroscope［D］．Changsha：National University of Defense Technology，2006．（in Chinese）

［4］ PARK H G，DIGONNET M，KINO G．Er-doped Superfluorescent Fiber Source with a± 0．5ppm Long-Term Mean-wavelength Stability［J］．Journal of Lightwave Technology，2003，21（12）：3427．

［5］ WANG A，OU P，FENG L S，et al．High-Stability of Er-Doped Superfluorescent Fiber Source Incorporating Photonic Bandgap Fiber［J］．IEEE Photonics Technology Letters，2009，21（24）：1843．

［6］ 欧攀，曹彬，张春熹，等．超辐射掺铒光纤光源平均波长稳定性分析［J］．激光与光电子学进展，2008，45（5）：26 ．OU Pan，CAO Bin，ZHANG Chun-xi，et al．Analysis of Mean-Wavelength Stability of Er-Doped Super Fluorescent Fiber Sources［J］．Laser ＆ Optoelectronics Progress，2008，45（5）：26．（in Chinese）

［7］ 张力，刘承香，阮双琛，等．高功率高效率掺铒光纤超荧光光源［J］．激光与光电子学进展，2012，49（6）：604．ZHANG Li，LIU Cheng-xiang，RUAN Shuang-chen，et al．High-Power，High Efficiency Erbium-Doped Superfluorescent Fiber Source［J］．Laser ＆ Optoelectronics Progress，2012，49（6）：604．（in Chinese）

［8］ 吴旭，刘承香，阮双琛，等．双程后向结构掺铒光纤光源的实验研究［J］．中国惯性技术学报，2012，20（6）：720．WU Xu，LIU Cheng-xiang，RUAN Shuang-chen，et al．Experimental Investigation on Erbium-doped Fiber Source with Double-Pass Backward Configuration［J］．Journal of Chinese Inertial Technology，2012，20（6）：720．（in Chinese）