高功率低偏振度光纤陀螺光源技术

2020-06-16王万德陈小娟

导航与控制 2020年2期

王万德，陈小娟，杨博

（北京控制工程研究所，北京100190）

0 引言

光纤陀螺光源提供产生Sagnac效应所需的光信号，是光纤陀螺光路的重要组成部分［1］，光纤陀螺用光源是影响光纤陀螺标度因数稳定性的重要因素之一。

光源影响光纤陀螺性能的主要参数有输出光功率、光谱宽度、平均波长等［2］。掺铒光纤光源工作波长在1550nm波段附近，具有输出功率高、宽谱宽、无偏振辐射、波长稳定性好、寿命长等优点，是高精度光纤陀螺的理想光源［3］。本文主要对双程后向结构掺铒光纤光源进行了仿真，并进行常温和全温实验，研究泵浦功率、温度的变化对掺铒光纤光源的平均波长、光谱宽度和偏振度等参数的影响。

1 基本原理与结构

掺铒光纤光源是基于掺铒增益光纤放大自发辐射的一种宽谱光源［4］。掺饵光纤在泵浦光源的作用下，铒离子在吸收980nm或1480nm波长的泵浦光后，铒离子发生能级跃迁形成粒子数反转，在诱导光作用下产生放大的自发辐射形成了超荧光。为实现放大的光输出，必须首先实现粒子数反转，即铒离子Er3+中高能级上的电子数目大于低能级上的电子数目。当电子从上激射态（4I13/2）跃迁到下激射态（4I15/2）即基态时，便会产生1550nm波长附近的放大自发辐射［5］。其中，铒离子的能级如图1所示。

图1 铒离子能级图Fig.1 Energy level diagram of Er3+ ion

掺铒光纤光源主要由泵浦激光器、掺铒光纤、隔离器和波分复用器等器件组成，可分为单程前向、单程后向、双程前向、双程后向四种基本结构［6］。双程结构相比单程结构在掺铒光纤的一端加了反射镜，因而双程结构转换效率较高，实际应用中较为常用。在实际应用中很少使用光谱宽度较窄的双程前向结构的光源，双程后向结构由于泵浦效率高，输出光的功率也较高，光谱宽度和光谱稳定性比其他结构要好，在光纤陀螺中较为常用［7］。双程后向结构光源的光路基本结构如图2所示，仿真和实验时主要针对该结构掺铒光源进行设计和优化。

图2 双程后向结构的掺铒光纤光源Fig.2 Erbium-doped fiber source with double-pass backward structure

2 仿真分析

搭建了如图2所示的双程后向结构的掺铒光纤光源，选取低掺杂浓度的掺铒光纤。由于铒纤长度的选择对双程后向ASE 光源的平均波长及光谱宽度均有影响［8］，因此仿真时掺铒光纤的长度选择分别为4m、10m 和19m。这三种长度在双程后向掺铒光纤光源中较为常用，表1为仿真软件中设置的具体参数。

表1 仿真软件的参数设置Table 1 Parameters used in simulation

仿真得到不同铒纤长度光源的典型谱形，分别如图3、图4和图5所示。根据仿真软件中光谱仪的光谱数据，分别计算铒纤长度为4m、10m和19m的双程后向结构光源在各泵浦功率下的平均波长和光谱宽度。经数据处理后，得到的光源的平均波长、光谱宽度随泵浦功率的变化情况分别如图6和图7所示。

图3 铒纤长度为4m 时光源光谱变化情况Fig.3 Change of spectrum with pump power when fiber length is 4m

图4 铒纤长度为10m 时光源光谱变化情况Fig.4 Change of spectrum with pump power when fiber length is 10m

图5 铒纤长度为19m 时光源光谱变化情况Fig.5 Change of spectrum with pump power when fiber length is 19m

图6 光源平均波长随泵浦功率的变化情况Fig.6 Change of average wavelength with pump power

图7 光源光谱宽度随泵浦功率的变化情况Fig.7 Change of spectrum width with pump power

仿真得到的光源光谱都是明显的双峰结构，计算三种光源的平均波长和光谱宽度随泵浦功率的变化量，如表2 所示。

表2 平均波长、光谱宽度随泵浦功率变化量Table 2 Fluctuation of average wavelength and spectrum width with pump power

对比所有仿真结果可以看出，当光源的掺铒光纤长度为10m 时，光源的平均波长和光谱宽度随泵浦功率的变化量最小，即泵浦功率的变化对光源的平均波长和光谱宽度的影响最小。

3 实验验证

3.1 常温实验

常温实验主要研究驱动电流的改变对光源谱型、平均波长、光谱宽度等性能的影响。搭建光源时选用的掺铒光纤长度分别为4m、10m和19m，泵浦激光器的驱动电流为70mA～180mA，每隔10mA用光功率计测试一次光源的输出功率，同时用光谱仪记录光源的输出光谱。用光谱仪测得实际搭建光源的光谱如图8、图9和图10所示。可以看出，随着驱动电流的增加，铒纤长度为4m的光源在1530nm附近的峰明显升高；铒纤长度为10m的光源在1560nm附近的峰明显升高，最终形成马鞍形的双峰光谱；铒纤长度为19m的光源光谱形状无显著变化。

图8 铒纤长度为4m 时光谱形状随驱动电流的变化情况Fig.8 Change of spectrum with drive current when fiber length is 4m

图9 铒纤长度为10m 时光谱形状随驱动电流的变化情况Fig.9 Change of spectrum with drive current when fiber length is 10m

图10 铒纤长度为19m 时光谱形状随驱动电流的变化情况Fig.10 Change of spectrum with drive current when fiber length is 19m

将光谱仪和功率计测得的数据进行处理，得到三种不同长度的双程后向结构光源输出光谱的输出功率、平均波长和光谱宽度随驱动电流的变化情况，如图11、图12和图13所示。光源的输出功率都随驱动电流的增加而增大，铒纤长度为10m的光源平均波长和光谱宽度随驱动电流变化较大，铒纤长度为4m 和19m 的光源平均波长和光谱宽度随驱动电流变化较小。

图11 输出功率随驱动电流的变化情况Fig.11 Change of output power with drive current

图12 平均波长随驱动电流的变化情况Fig.12 Change of average wavelength with drive current

图13 光谱宽度随驱动电流的变化情况Fig.13 Change of spectrum width with drive current

由于高精度光纤陀螺用掺铒光纤光源输出功率为5mW时，驱动电流在110mA 附近，因此测试了光源的驱动电流为110mA 时的输出性能。当掺铒光纤光源的驱动电流为110mA 时，实际搭建的三种光源测得的主要性能参数如表3所示，用光谱仪测得驱动电流为110mA时的光源光谱如图14所示。

表3 驱动电流为110mA 时光源参数汇总Table 3 Parameters in different Erbium-doped fiber lengths when drive current is 110mA

从表3可以看出，当铒纤长度为4m时，由于铒纤长度较短，光源的输出功率明显大于其他两种长度光源的输出功率，此时的光谱宽度也较宽。从图14可以看出，铒纤长度为4m的光源在1550nm附近的峰较高，而铒纤长度为10m 和19m的光源在1530nm附近的峰较高。

驱动电流在110mA附近有微小波动时，要测试光源的平均波长和光谱宽度随驱动电流的变化情况。实验时，光源的驱动电流设定在105mA～115mA范围内，每隔1mA测试并记录一组数据。根据光谱仪测得的光谱数据计算各驱动电流下光源输出光谱的平均波长和光谱宽度，平均波长随驱动电流的变化情况如图15所示，光谱宽度随驱动电流的变化情况如图16所示。

图14 驱动电流为110mA 时不同铒纤长度的光源光谱Fig.14 Spectrum in different Erbium-doped fiber lengths when drive current is 110mA

图15 驱动电流为105mA～115mA 时平均波长的变化情况Fig.15 Change of average wavelength when drive current is 105mA～115mA

图16 驱动电流为105mA～115mA 时光谱宽度的变化情况Fig.16 Change of spectrum width when drive current is 105mA～115mA

根据测得的各驱动电流下平均波长和光谱宽度，分别计算铒纤长度为4m、10m 和19m 的光源平均波长和光谱宽度随驱动电流的变化量，如表4所示。

表4 平均波长、光谱宽度随驱动电流变化量Table 4 Fluctuation of average wavelength and spectrum width with drive current

对比铒纤长度为4m、10m 和19m 时平均波长和光谱宽度随驱动电流的变化量，当驱动电流在105mA～115mA 范围变化时，铒纤长度为19m 的光源平均波长、光谱宽度随驱动电流的变化量最小，平均波长变化量为9.909×10-6/mA，光谱宽度变化量为0.561%。

3.2 全温实验

光源的输出光谱特性还会随温度改变，在全温状态下分别测试三种光源的输出功率、偏振度、平均波长和光谱宽度等参数随温度的变化情况。实验时，驱动电流设置为110mA，温箱的温度设定为：高温 50℃持续 2h，降温 1h，低温-10℃持续2h。其中，图17为全温状态光源的输出功率随温度的变化情况，图18为全温状态光源的偏振度随温度的变化情况，图19为全温状态光源的平均波长随温度的变化情况，图20为全温状态光源的光谱宽度随温度的变化情况。