小型化集成超荧光光纤光源研究

杜峰，郭文涛，谭满清，焦健，郭小峰

（中国科学院半导体研究所光电子研发中心，北京100083）



小型化集成超荧光光纤光源研究

杜峰，郭文涛，谭满清，焦健，郭小峰

（中国科学院半导体研究所光电子研发中心，北京100083）

对超荧光光纤光源（ASE光源）的原理与结构进行分析。研究了高掺杂ASE光源的团簇效应，并进行结构设计。对输出光谱进行平坦化处理，对影响光源输出光谱稳定性的几个因素进行了定性分析，为研究小型化集成化超荧光光纤光源提供了理论基础。

超荧光光源；LD光源；掺铒光纤；光学滤波器

0　引言

以掺铒光纤的放大自发辐射原理［1］为基础的超荧光光纤光源（SFS）具有优异的输出性能，包括波长稳定性好、输出功率高、宽谱宽和无偏振辐射等优点。通过在光纤中掺入稀土元素可以改变光纤光源的出射波长，掺铒光纤光源（ED-SFS）的出射波长在1550nm附近，位于光纤传输的低损耗窗口，该光源也因此成为光通信乃至光传感领域的重要器件。由于ASE光源的宽带光谱的性质，它可以有效地减少系统的相干背向散射噪声、光纤瑞利散射引起的相位噪声及光学克尔效应引起的相位零漂移［2］，从而代替SLD光源成为光纤陀螺的首选光源［3］。

1　ASE光源的原理与结构分析

超荧光的产生是基于光纤中放大的自发辐射，当掺铒光纤被抽运时，随着抽运光功率的变化，掺铒光纤可处于三种不同的状态：1）当抽运功率较低时，n2＜n1，粒子数正常分布，掺杂光纤中只存在自发辐射荧光。其中，n1为基态能级粒子数，n2为激发态能级粒子数。2）随着抽运功率的增强，当n2＞n1以后，粒子数呈反转分布，由单个粒子独立的自发辐射逐渐变为多个粒子协调一致的受激辐射，当抽运光足够强，在掺杂光纤中特定方向上的“放大的自发辐射”将大大加强，这种加强了的辐射称为“超荧光”。3）若抽运光很强，掺杂光纤中辐射放大增益完全抵消了系统的损耗，将形成自激振荡而产生激光。

根据泵浦光和超荧光传播方向的异同以及光纤两端是否存在反射，超荧光光纤光源具有如图1所示的四种基本结构［4］。其中，平光纤端面为反射性的，斜光纤端面为非反射性的。如果光纤两端面均是非反射性的，则称为单程装置；如果光纤端面中有一端是非反射性的，而另一端是高反的（对超荧光中心波长附近的光有较高的反射率），则称为双程装置。从泵浦端输出的是后向超荧光，而从泵浦端的相对端输出的是前向超荧光。图1（a）所示为单程前向装置（SPF），图1（b）所示为单程后向装置（SPB），图1（c）所示为双程前向装置（DPF），图1（d）所示为双程后向装置（DPB）。

图1　超荧光光源的基本结构Fig.1Fundamental structures of SFS

以上四种基本结构都有各自的优点和不足之处，如表1所示。

表1　四种ASE光源基本结构的特点Table 1Characteristics of four fundamental structures of ASE source

2　高掺杂浓度超荧光光纤光源的设计

传统结构ASE光源所用的铒纤长度都很长，往往都在几米甚至几十米。由于铒纤过长，增大了器件的尺寸，提高了结构的复杂性和成本，限制了超荧光光纤光源的应用。因此，缩短铒纤长度成为新型ASE光源的研究方向。

2.1高掺杂ASE光源的团簇效应

缩短铒纤长度最有效的方法是提高增益光纤的掺杂浓度。高掺杂浓度的铒纤会带来铒离子的团簇现象［5］，影响吸收效率。团簇现象的基本形态是铒离子成对出现，称之为铒离子对。其原因是由于两个铒离子在光线中相隔的距离太近，它们会在受激吸收或受激辐射的时候相互作用，导致在吸收泵浦光之后不辐射出等量的光子，造成了泵浦光的浪费，这个过程被称为谐振上转换，如图2所示。图2中，Ion1、Ion2是铒离子对中的两个铒离子，同时被泵浦到了高能级4I13 2，在正常情况下，两个离子都应该跃迁至4I15 2能级，同时辐射出两个1550nm左右的光子。但由于两个离子的距离太近，一个离子将本身的能量传递给另外一个离子，没有辐射光子就回到了低能级，另外一个光子则被泵浦到了更高的4I9 2能级，由于离子在4I9 2能级极不稳定，寿命很短，大约只有几微秒，会很快非辐射跃迁至4I13 2，然后在一定条件下跃迁回4I15 2能级并辐射出一个光子，如此便浪费了一半泵浦功率。

图2　铒离子谐振上转换过程Fig.2The resonance conversion process of Er3+

通过对Er3+、Yb3+共掺玻璃材料的发光特性和离子间相互作用的研究表明，抑制团簇效应，提高吸收效率的途径有：掺入Yb3+作敏化剂，通过Er3+、Yb3+间的能量传递，提高Er3+上能级布局数；选择合适的掺杂基质，以有效降低离子与基质的多声子弛豫过程、增加稀土离子可溶度、提高Er3+、Yb3+之间的能量传递效率。

2.2高掺杂ASE光源的结构设计

980nm激光管芯出射的泵浦光通过楔形光纤透镜耦合进高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤内，经过Er3+、Yb3+的能级跃迁，形成宽谱超荧光，通过光纤熔接技术将产生的超荧光耦合进普通光纤传输。其中，对高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤的前端面进行镀膜处理，通过膜系设计使得薄膜对980nm处增透（反射率低于1%），对1530nm附近高反（反射率大于90%），这样的设计在保证980nm泵浦功率的同时，通过将1530nm光反射回增益介质实现二次泵浦，这样的结构称为双程前向结构，该结构在超短结构高掺杂ASE光源中的超荧光输出阈值最低，且输出功率要大于双程后向结构。由于铒离子浓度的提高，增益光纤长度可以缩短至厘米量级，如图3所示，可以将整个ASE光源器件集成到一个管壳中。

3　高掺杂浓度ASE光源的输出性能分析

图3　高掺杂ASE光源的集成化设计图Fig.3Integrated design of high doped ASE source

ASE光源的三个性能参数之间往往相互制约。高功率总是伴随着谱宽的变小或者稳定性的下降，而高稳定性的实现总是又以牺牲宽谱宽为代价，高功率、宽谱宽、高稳定性这三方面的优势很难集中于一个光源身上。

3.1光谱的平坦化研究

对于高掺杂的ASE光源，其输出光谱是典型的双峰结构，在1530nm附近和1558nm附近都会出现尖峰，由于铒离子浓度的增加，其输出功率可以得到提高，但其输出光谱中的尖峰会更高，严重影响光谱宽度和平整性，因而需要对ASE光源的输出光谱进行平坦化处理。掺铒光纤光源的输出光谱平坦化处理主要有两种方法：一种是设法改进EDF的材料特性，这种方法技术难度大，制作工艺复杂，开发周期较长［6-7］；另一种方法是在光源输出端接入光源输出谱线增益相反的滤波器［8-9］，通过抵消谱线中增益大的尖峰，达到平坦化的目的。实现增益平坦滤波器的方法有很多，常见的有布拉格光纤光栅（FBG）滤波器、长周期光纤光栅（LPG）［10-11］，电介质薄膜滤光片［12］、马赫-曾德滤波器以及聚合物分散液晶光栅（H-PDLC）及光子晶体光纤光栅（PCFG）等新型滤波器。

目前最常用的是长周期光纤光栅滤波器，其结构简单容易制作，基本原理是将导模中某频段的光耦合到LPFG损耗谱的形状，可以通过改变光栅长度、折射率调制深度等参数有效地加以控制，达到输出光谱平坦化的目的。

3.2提高光源输出稳定性的设计

ASE光源的稳定性是指输出平均光波长在全温范围内的变化率，目前国内制作的ASE光源的波长稳定性可以达到1×10-5/οC，而对于高精度的光纤陀螺需要把稳定性控制在1×10-6/οC以内。对于高掺杂的ASE光源，随着增益光纤的长度可以缩短到厘米量级，能够大大降低其非线性效应，同时降低增益光纤受外界因素的影响，其输出稳定性变得更好。也使得对增益光纤控温成为了可能。超辐射光纤光源平均波长主要受到4个参量的影响，分别是增益光纤的温度变化、抽运功率、抽运波长和光纤输出端面的菲涅尔反射F，可以表示为：

4　结论

本文对掺铒光纤超荧光光源的工作原理进行了深入研究，分别对四种结构进行了对比与分析。采用增益均衡技术，插入增益平坦滤波器技术解决了高掺杂的ASE光源输出光谱的平坦化问题。通过提高铒离子掺杂浓度将增益光纤长度缩短至厘米量级，为实现ASE光源的小型化和集成化提供理论基础。

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Study on the Development andApplication of Super Fluorescent Source

DU Feng，GUO Wen-tao，TAN Man-qing，JIAO Jian，GUO Xiao-feng
（R&D Center for Optoelectronics，Institute of Semiconductors，ChineseAcademy of Science，Beijing 100083）

The basic theory and structures of the super fluorescent fiber source（ASE source）have been analyzed. The cluster effect of high doped ASE source has been studied and the structure has been designed.The flattening process of the output spectrum has been carried out.Qualitatively analyzed several factors that influence the stability of the ASE source output spectrum，all of which lays the foundation for the research on miniaturized and integrated super fluorescent fiber source.

super fluorescent source（SFS）；laser diode source；Er3+doped fiber（EDF）；optical filter

TN929

A

1674-5558（2016）03-01042

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.01.012

杜峰，男，硕士，研究方向为光电传感和传输领域的半导体光电子器件。

2014-12-09