一种高斯型ASE光源研究

田 野,杨银川,鲁 勇,刘光亚

(贵州航天控制技术有限公司设计研究所，贵阳 550009)

0 引言

光纤陀螺仪的光源必须是宽带光源，且对平均波长稳定性要求高，因而要求整个光谱相对稳定。直到20世纪80年代，在半导体激光器工业技术发展的推动下，超辐射发光二极管(Superluminesent Diode,SLD)在光纤陀螺中获得应用。但对于高精度光纤陀螺来说，SLD光源不再是最理想的光源，已经满足不了高精度光纤陀螺仪对光源的带宽、波长稳定性、输出功率、寿命等要求[1]。随着宽带光通信产业的蓬勃发展，特别是掺铒光纤技术的迅速发展为惯导级和精密级光纤陀螺提供了重要保障[2-3]。

本文针对高精度光纤陀螺采用1.55μm宽带掺铒超荧光光纤(Amplified Spontaneous Emission,ASE)光源进行理论分析，试验研究光路中掺铒光纤浓度和长度对ASE光源的输出光谱和全温性能的影响，并研制出一种满足高精度光纤陀螺仪用的高斯型ASE光源。

1 理论基础

ASE光源理论基础主要是掺铒光纤的光放大原理，用波长980nm的半导体激光器泵浦掺铒光纤能够提供更高的输出功率，实现光纤陀螺所需的超荧光输出[4]。

掺铒光纤是在制造光纤的过程中，设法向光纤内掺入一定量的三价铒离子(Er3+)，铒离子对特定波长的光子敏感，会吸收其能量，使自身的能级发生变化，它的能级如图1所示。

图1 离子能级详图Fig.1 Erbium ions energy level in detail

从铒离子的能级图可以看出，掺铒光纤可以有1480nm、980nm、800nm、650nm、514nm等波长的泵浦源，当用以上波长泵浦掺铒光纤时，处于基态4I15/2的铒离子都会被泵浦到高能级，但很快又以非辐射跃迁的形式转移到激光上能态4I13/2，激光上能态4I13/2上的铒离子会以自发辐射或受激辐射的形式重新跃迁回基态，从而产生1520～1560nm波段的超荧光或激光输出。另外，800nm以及小于800nm波长泵浦掺铒光纤后，都存在强烈的激发态吸收(Excited State Absorption，ESA)，导致它们的泵浦效率很低[5]。所以，用波长980nm的半导体激光器泵浦掺铒光纤能够提供更高的输出功率，输出1520～1560nm波段的超荧光，也就是惯导级高精度光纤陀螺仪所需的ASE光源。

ASE光源的平均波长稳定性将会直接影响光纤陀螺的标度因数稳定性，宽的ASE光源谱宽可以降低相干噪声，ASE光源光功率的全温稳定性又影响了光纤陀螺的全温性能。

图2～图5所示为四种典型的掺铒光纤光源的结构，包括单通后向结构、单通前向结构、双通后向结构、双通前向结构[6-7]。

图2 单通前向结构Fig.2 Single pass forward structure

图3 单通后向结构Fig.3 Single pass backward structure

图4 双通后向结构Fig.4 Double pass backward structure

图5 双通前向结构Fig.5 Double pass forward structure

对于单通前向结构，是将泵浦光直接注入掺铒光纤中，在掺铒光纤中沿向前、向后2个方向产生放大的自发辐射信号。这种结构后向放大的自发辐射为无用光，只利用前向放大的自发辐射，输出光功率很小。另外，泵浦光和光纤陀螺都会产生光反馈，两种反馈光耦合进掺铒光纤中都会形成谐振腔，导致输出光谱变窄。

单通后向结构避免了上述结构的缺点，采用一个波分复用器将泵浦光注入掺铒光纤中，在掺铒光纤中沿前向、后向2个方向产生放大的自发辐射信号。前向的信号为无用光，输出光相对泵浦光是反向的，可以避免光反馈引起的附加噪声，由光反馈引起的光稳定性影响可以完全忽略。试验发现，若选取适当的掺铒光纤长度，光源的平均波长对大范围的泵浦功率变化表现出不敏感，呈现出较高的稳定性。

双通后向：同样在掺铒光纤中沿向前、向后2个方向产生放大的自发辐射信号。向前放大的自发辐射信号经反射镜反射后再次通过掺铒光纤放大，并且与后向自发辐射放大信号叠加，因而形成更强的后向输出功率，经波分复用器和隔离器后作为输出光信号为光纤陀螺仪所用。

双通前向结构的光源，反射镜在泵浦光的输入端，泵浦光经波分复用器后注入掺铒光纤中，沿前向、后向2个方向产生放大的自发辐射信号。后向的ASE经反射镜反射后再次通过掺铒光纤放大，并且与前向ASE叠加，因而形成更强的前向输出功率，经隔离器后输出。

掺铒光纤光源的输出功率和谱宽与所采用的光学结构和方案有直接关系。和单通结构相比，在双通结构中，信号光多经历了一次放大，所以双通结构比单通结构具有更高的转换效率。有人对双通前向结构和双通后向结构的超荧光掺铒光纤光源做过详细比较研究[8]，结果表明，双通前向结构具有更好的波长稳定性[9]。

因此，本文采用双通前向光路结构，设计了一种ASE光源，并研究分析了掺铒光纤参数对其性能的影响。

2 试验研究

设计双通前向结构ASE光源，按照图6所示的组成示意图装配ASE光源，其输出光的光谱类似高斯型。这种类高斯型光源的相干函数的次相干峰几乎没有，是高精度光纤陀螺仪光源的理想选择。

图6 高斯型ASE光源组成示意图Fig.6 Schematic diagram of Gaussian ASE light source

由于光源的热稳定性受铒离子浓度的影响很大，特别是影响了最佳光纤长度和掺铒光纤的温度特性，掺铒光纤的吸收率与铒离子的浓度呈正比关系[10]。在不改变现有泵浦激光器、波分复用器、隔离器、2∶98分光器、光电探测器和FRM等光器件参数的情况下，分别利用吸收率为27dBm/m、19dBm/m、7.8dBm/m、6.5dBm/m的四种掺铒光纤。通过改变掺铒光纤的长度，研究其ASE输出光全温光功率、全温平均波长和全温光谱带宽的特性，寻找ASE光源性能最稳定时的掺铒光纤最佳长度，见表1。

表1 最佳光纤长度与吸收率的关系

试验表明：随着铒离子浓度的增高，所用的最佳掺铒光纤长度随之缩短，可以减小盘纤空间，还能节约成本，但是高浓度的掺铒光纤光源的温度特性较差。因此，提高掺铒光纤中的铒离子浓度和掺杂分散度及匀度是提高光源性能、降低成本的有效方法。考虑光源温度特性，在设计掺铒光纤光源时可以优先考虑中等掺杂的光纤。

选取19dBm/m和7.8dBm/m两种吸收率掺铒光纤，记录不同长度下的光源输出光谱宽和平均波长，研究ASE光源输出光光谱平均波长及谱宽与掺铒光纤长度的关系，试验数据如图7～图10所示。

图7 光谱宽度与铒纤长度关系(19dBm/m)Fig.7 Relationship between spectral width and erbium doped fiber length(19dBm/m)

图8 光谱宽度与铒纤长度关系(7.8dBm/m)Fig.8 Relationship between spectral width and erbium doped fiber length(7.8dBm/m)

图9 平均波长与19dBm/m掺铒光纤长度关系Fig.9 Relationship between mean wavelength and erbium doped fiber length(19dBm/m)

图10 平均波长与7.8dBm/m掺铒光纤长度关系Fig.10 Relationship between mean wavelength and erbium doped fiber length(7.8dBm/m)

通过试验可以得出：当泵浦光功率保持一定时，光源输出功率在1560nm附近出现了峰值。随着掺铒光纤长度的减短，ASE光源输出光谱宽逐渐呈增宽的趋势，光谱平均波长向短波方向移动，当达到最佳光纤长度后再继续减短铒纤长度，ASE输出光谱特性就变得复杂。1530nm附近的光功率逐渐增加，而1560nm附近的光功率逐渐减小，光谱谱型在1530nm附近出现一个次峰，1538nm处出现了凹陷。对于吸收率为7.8dBm/m的掺铒光纤长度在15m左右时，现象比较明显，此时平均波长1558nm，光谱宽度11.3nm。对于19dBm/m吸收率的掺铒光纤，当长度降到8m左右时，出现了1530nm波长的次波。如图11所示。

图11 有次波的ASE光源输出光光谱Fig.11 Output spectrum of ASE light source with secondary wave

常温下，当ASE光源的掺铒光纤取最佳长度时，输出光特性较好，其他条件都不变的情况下，进行高斯型ASE光源全温性能试验，对比两种吸收率掺铒光纤的ASE光源特性。测试数据显示：两种吸收率的掺铒光纤ASE光源常温性能相当，但吸收率为7.8dBm/m的ASE光源在高低温下光谱和输出光功率变化较大，全温性能不稳定。

综合以上试验研究，采用双通前向ASE光源结构，取19dBm/m吸收率的掺铒光纤9m，研制的高斯型ASE光源处于国内先进技术水平，并成功应用在多个高精度光纤陀螺仪型号上，性能稳定可靠。

3 结论

本文首先介绍了掺铒光纤辐射1.55μm超荧光原理，理论上分析了四种ASE光源光路结构，最后选择双通前向结构，试验研究了掺铒光纤的铒离子浓度及长度对ASE光源的光谱特性和全温性能的影响。试验结果表明，不同的掺杂浓度、光纤长度对ASE光源的输出特性具有很大的影响。此外，根据研究结果研制了高斯型ASE光源，已在多个高精度光纤陀螺仪型号上实现了实际应用，性能稳定可靠。