一种ASE光源的性能优化方法

一种ASE光源的性能优化方法

牛雨迪,沈庆云,汤枭雄,吉世涛,魏志武

(中国航天科技集团公司第9研究院第16研究所 光纤传感事业部,陕西 西安710100)

摘要为了提高光源的各项性能,设计了一系列实验,用以验证掺铒光纤长度及泵浦源功率对光源性能的影响。采用实验的方法,分析了常温情况下,由不同长度掺铒光纤的变化所导致的ASE光源输出光的光功率、中心波长及谱宽变化,得到了在不同泵浦源功率时,掺铒光纤长度的变化对整机性能的影响,以及出光光功率和谱宽变化的实验曲线,从中发现在光纤长度为22 m时,光源工作性能最佳。这对ASE光源的器件选择及系统优化具有参考价值。实验结果表明,掺铒光纤长度对1 550 nm单通后向出光ASE光源的光源输出功率和谱宽性能均有影响。

关键词光纤陀螺;ASE光源;出光功率;谱宽

收稿日期:2015-03-04

作者简介:牛雨迪(1990—),男,硕士。研究方向:数据挖掘与掺铒光纤光路放大技术。E-mail:penguinniuniu@qq.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.044

中图分类号TN249

An Optimization Scheme of ASE Source

NIU Yudi,SHEN Qingyun,TANG Xiaoxiong,JI Shitao,WEI Zhiwu

(Department of Fiber Sensors,No.16 Institution of Aerospace & Technology Corporation,Xi’an 710100,China)

AbstractIt has been proved that the length of fiber has great contribution to the performance of the 1 550 nm ASE (Amplified Spontaneous Emission) source,both on the output power and spectral width.To improve the performance of the source,a series of experiments is designed,and the result shows that a proper length of fiber can improve the performance of the source.Under normal temperature,we analyze the connection between the length of EDF and output power,center wavelength and spectral width of the ASE source.Finally we derive curve of the ASE source output power and center wavelength under the different EDF length,due to the change of pumping source.The results show that when the fiber is 22 m,the performance of the ASE source is the best.

Keywordsfiber optic gyroscope;ASE source;output power;spectral width

ASE(Amplified Spontaneous Emission)光源是基于掺铒增益光纤放大自发辐射的一种宽谱光源,因其输出具有平均波长高稳定、宽光谱、高输出功率等特性,在光纤陀螺、光纤传感器、通讯 WDM 系统及 DWDM 系统、光谱测量、低相干光学成像等领域内得到了广泛应用。尤其是在干涉式光纤陀螺中,掺铒光纤光源相比于已广泛应用的 SLD 光源,其高输出功率可进一步提高陀螺系统的信噪比,宽光谱和小的光谱纹波特性可更大程度地降低瑞利散射、偏振交叉耦合和克尔效应等引起的相干误差,高平均波长温度稳定性可保证光纤陀螺标度因子的线性度和稳定性,使光纤陀螺的灵敏度和精度进一步提高[1]。因此,掺铒光纤光源被认为是实现干涉式高精度光纤陀螺(0.001(°)/h,<10-6)最具发展潜力的宽谱光源。

ASE光源可应用在各光学领域。尤其是在高精度光纤陀螺中,对于陀螺的精度提升起到了较好的作用。但随着技术条件及外形尺寸的变化,ASE光源的性能会受到不同程度的影响。为了提升ASE光源的性能,国内外许多单位采取了不同的方法。主流的试验方法分为两种,即硬件设计及软件补偿。国内许多家单位均采用软件补偿的方法对光源性能进行优化。该方法的优点是成本低,且方法简便;则缺点是在复杂情况下,软件无法模拟出各种情况,使光源精度下降。目前实验结果最佳的光源是来自北航的产品,其光源在光路部分加入了额外的耦合器,并在电路部分加入了反馈机制,使光源的输出稳定性得到了大幅提升。本文从电路及光路两方面,分析了不同构造的光源对光源输出光功率、光谱的影响,并提出了性能提升方案。

1ASE光源主要参数

ASE光源输出特性主要通过输出带宽、中心波长和输出功率所体现。

输出带宽定义为

(1)

中心波长是以功率谱密度作为加权因子进行加权平均,定义为

(2)

超荧光光源不仅需要有较高的输出功率,还要有良好的波长稳定性。温度是影响波长稳定性的主要因素,中心波长对于温度变化的稳定性可表示为

(3)

其中,T为本征热导数;Pp为泵浦光功率;λp为泵浦光波长。

光源输出功率是光源最主要的指标之一,在不同的应用场合,需要光源提供不同的光功率。在高精度光纤陀螺的应用中,需要将光功率的输出稳定在10～15 mW之间,以满足高精度光纤陀螺的应用需求。

2电路设计

ASE光源是由半导体激光器泵浦得到的,所以半导体激光器的输出性能直接影响着ASE光源的性能。相较于其他泵浦激光器而言,980 nm(LD)在转换效率和噪声抑制方面更具优势。因此,泵浦源使用980 nm的波长。泵浦激光器工作电流的稳定与否,直接关系着激光器输出稳定性能的优劣,从而影响到整个光源的工作状态和性能。在激光器工作时,产生的温度变化也直接影响到激光器的输出波长、阈值电流和输出光功率等参数。因此,文中设计了一套电路,不仅保障了激光器安全稳定地工作,且为其提供了一个纹波小、毛刺少的稳恒电流。

2.1　恒流源电路

半导体激光器在阈值以上的区域,其输出功率P与注入电流I之间有良好的线性关系。注入电流的涨落会导致激光器输出功率的漂移,进而引起ASE光源输出功率的漂移。因此,驱动源的注入电流恒定输出是保证激光器功率稳定输出最基本的要求[2]。

为此,ASE驱动电路使用一套基于单片机控制的980 nm激光器驱动的恒流源电路,其原理框图如图1所示。由半导体激光器的性质决定电路设计时要考虑的电源电压及限流电阻,工作电流要求既能超过阈值电流又不超过允许的最大值。由于电流过大会损坏管子的谐振腔,因此编程时需考虑限流,其目的是保护半导体激光器,避免其受损。

恒流源电路使用2个OPA2277,采取了比较电路的方法。当光源部分电流升高时,比较电路后端电压超出了基准电压,此时会与电路前端形成平衡,使通过激光器的电流趋于平衡。若输入电流不足,运放前段电路会提供额外的电流,使激光器工作在饱和状态。

图1　恒流源原理图

通过单片机程序来控制电路,本电路使用C8051F340单片机作为控制核心[3],通过设定好的程序控制恒流电路,从而得到期望的恒定电流[4]。

2.2　温度控制电路

温度是半导体激光器性能恶化、寿命减少的主要因素。温度升高不仅使输出功率下降,且影响波长的稳定性。为了使激光器输出的光强度稳定,必须设计并安装激光器温度控制电路[5]。

ASE光源使用半导体制冷器(TEC)作为温度控制的执行器件,其利用具有帕尔帖效应的半导体制冷器件,因此体积小、结构简单、易控制。在工作时,一端制冷,另一端制热。所以,可通过改变电流方向来变换制冷或制热。

图2所示为温控电路原理框图。当激光器的温度发生变化时,引起热敏电阻的阻值发生漂移,从而引起热敏电阻两端的电压发生变化,所以经A/D采样送到单片机的电压也会发生变化。在单片机内编写数字PID程序,将读取的单片机内部电压值转化为控制电压输出,经D/A及放大电路,最后作用于TEC(半导体激光器的温度控制系统)。通过改变TEC的电流值实现加热或制冷控制,进而使激光器的温度恒定。

图2　温控原理图

温控电路通过温控芯片ADN8830进行控制。由于激光器工作会产生大量的热能,因此光源工作是一个升温的过程。ADN8830芯片内部设有半导体制冷片。当激光器温度升高时,通过热敏电阻改变ADN8830芯片的输入电压,从而使ADN8830产生反向电流,实现其制冷作用,进而达到温控的目的[6]。

3光路设计

ASE光源使用掺铒光纤作为增益介质,可获取满足要求的输出光。光源主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦激光器(Pump-LD)、光无源器件(包括波长选择耦合器WDM、光隔离器ISO、光滤波器Filter、光纤环形镜FLM等)以及光源模块的控制单元与监控接口等部分组成[7],如图3所示。

图3　光源光路结构图

光纤具有传输信息容量大、中继距离长、不受电磁场干扰等诸多优点,是一种常用的同轴圆柱形光波导材料,其利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内,并引导光波沿着光纤轴线传输。由于放大自发辐射过程中的放大及辐射由铒离子完成,需要在光源内部增加一段掺铒光纤,用于光源对特定中心波长及光谱的选择。另外,还需尽量提高光纤中铒离子的浓度,以达到实现放大自发辐射的目的。但铒离子浓度过高,会形成铒离子对或离子簇,导致浓度猝灭,使得输出功率下降。

最终选择了双程后向结构出光的光路结构,如图3所示。此结构使用一个泵浦源,通过980～1 550 nm波分复用器,将其产生的光注入到掺铒光纤中,使掺铒光纤中产生L波段的ASE荧光[8]。此时,由于C波段的光被掺铒光纤所吸收,因此光源的整体输出功率有所降低,但光源的平坦度和波长稳定性会提升。因此,最终使用此种出光结构作为光源光路设计方案。

4实验结果与分析

由于实验光源的最终目的是为高精度光纤陀螺仪提供光强高、带宽高、输出稳定的光源,因此实验环境采用陀螺的测试指标及试验方法。还由于实验陀螺尚未采用密封设计,因此只考虑常温状态时的变化。在室温情况下(23 ℃),将光源静态放入温箱中,使其静态工作2 h,之后对光源的性能进行考查。

采用截断方法分别对多种不同长度的掺铒光纤做了大量实验。通过改变单片机程序中的参数,从而改变驱动电流,并改变泵浦源的功率。图4所示为不同电流时,泵浦源功率的变化曲线。

图4　泵浦功率与电流的关系

可看出,泵浦源的输出功率与电流成线性关系。输出功率与电流满足关系

P=0.202I-7.022

(4)

为了调节ASE光源的中心波长,并兼顾此时光源输出的光功率及光功率稳定性,可裁减ASE光源掺铒光纤的长度。测试每一掺铒光纤长度时,观察泵浦源功率改变对光源输出所造成的影响,以找到满足光源输出的中心波长(1 550 nm),此时光源输出的光功率最大且稳定性最佳。初始掺铒光纤环长为30 m,每次从掺铒光纤环上截断1 m,最终留下7 m。泵浦功率选择从30 mW调到60 mW。

实验发现,在泵浦源及掺铒光纤长度变化时,ASE光源中心波长漂移较小,始终保持在1 558 nm。图5和图6分别给出了泵浦功率为40 mW,50 mW和60 mW时,不同掺铒光纤长度下光源输出的光功率及3 dB带宽。

图5　泵浦源为40 mW、50 mW和60 mW时 光源输出功率与光纤长度的关系

图6　泵浦源为40 mW、50 mW和60 mW时 光源3 dB带宽与光纤长度的关系

从以上两图可以看出,当掺铒光纤长度<13 m时,3 dB带宽与光源输出功率的平稳性均受到了较大影响。因此,掺铒光纤的长度需>13 m。若不考虑电路功耗,可适当将泵浦源功率提高,并不会对光源造成负面影响。

5结束语

AES光源的驱动电路是数字控制的,以单片机为核心,配合外围的功率采样电路和电流驱动电路,故电路结构简单。在软件控制时,光功率控制精度均在±0.2 mW内,功率在0～8 mW范围内可调,达到了设计要求。通过实验发现,ASE光源受滤波器的影响,在改变泵浦源功率及掺铒光纤长度时,中心波长漂移并不明显。同时,出光功率稳定性及3 dB带宽受到掺铒光纤长度的影响。下一步需要改进PID算法,在电路中加入闭环反馈,提高光源在变温环境中出光功率及中心波长的稳定性。

参考文献

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