高精度光纤陀螺用宽谱ASE 光源的设计及验证

王泽宇，杨 博，李 勇，徐宏杰，陈小娟，赵 博

（1.北京控制工程研究所，北京 100190；2.空间智能控制技术全国重点实验室，北京 100190；3.北京航空航天大学，北京 100191）

现阶段，侦察、测绘等遥感卫星的对地分辨率逐步提高，高精度姿态测量是新型卫星平台实现超高稳定度控制的前提[1,2]。近年来，国内外科研机构已通过多种途径实现了光纤陀螺性能和环境适应性的提升[3-6]，高精度测微敏感器作为卫星姿态测量关键部件，其性能直接决定了系统的控制精度，同时卫星用高精度光纤陀螺还需满足抗辐照等应用要求[7,8]。陀螺的性能优劣与光源的性能是密不可分的。区别于广泛应用于中、低精度光纤陀螺中的SLD 光源，ASE 光源是一种基于自发辐射效应的光源，其中所用的稀土元素能级结构更为稳定，能够提供高精度光纤陀螺研制所需的关键指标，是高精度测微敏感器的核心组件。

在空间应用领域方面，基于介质掺杂的特种光纤在光纤传感及测量方面具有广泛的应用前景。其中，法国的iXblue公司多年来从事宇航用光纤陀螺产品的研制，其产品中ASE 光源方案选用了抗辐照掺铒光纤作为增益介质，并在可靠性设计方面针对泵浦激光器、光栅和隔离器制定了针对性的筛选和鉴定方案进行验证，经多年完善形成了如图1 所示满足空间长寿命需求的ASE 光源，并在Astrix120 和Astrix200 等高精度光纤陀螺产品中得到了推广应用[9]。

图1 空间应用ASE 光源Fig.1 ASE light source applied in space

虽然国内ASE 光源相关的研究起步较晚，但依托于快速发展的通信技术及相关器件工艺，ASE 光源性能得到快速提升。目前，主要参数水平与国外较为接近。然而，真正可以用于高精度光纤陀螺空间应用并能工程化的掺铒光纤光源还是相对较少，国内的大部分光源存在谱宽过窄、或者波长稳定性差等缺点。随着各领域对高精度光纤陀螺的需求逐步增加，对掺铒光纤光源开展相关特性的优化研究具有重要意义。

针对ASE 光源技术在宇航用高精度光纤陀螺产品中的工程化应用研究，北京控制工程研究所开展了光源结构设计、装配工艺优化和批产质量一致性提升等专项工作。同时，为进一步提升现有产品的设计裕度，开展ASE 光源性能进一步优化。基于增益平坦滤波和高斯技术，完成了更大光谱宽度（≥20 nm）ASE光源技术的性能验证。

1 航天器用ASE 光源原理及设计

光源是光纤陀螺的关键部件，陀螺的性能优劣与光源的性能密不可分。广泛应用的SLD 光源可以满足中低精度陀螺的需求。然而，一方面，SLD 光源光束发散角相对较大，与单模光纤耦合效率低，导致其输出功率较低；另一方面，SLD 光源平均波长的全温漂移在400 ppm 量级，温度引起光源波长的漂移会直接导致陀螺标度因数的误差。SLD 光源很难满足高精度光纤陀螺的指标需求。

ASE光源对于提高光纤陀螺的精度和稳定性有很大优势。ASE 光源输出功率高，可以有效提升光纤陀螺输出的信噪比，以获得更好的性能；Er+能级结构更为稳定，平均波长稳定性好，有利于光纤陀螺的标度因数稳定性的提升；光谱宽度更大，可以有效抑制和消除各种光学噪声引入的误差；高斯型光谱更有利于提升标度因数非线性度。

1.1 ASE 光源基本原理

铒离子能级跃迁典型示意图如图2 所示，可以简单看做是由基态能级E0，泵浦能级E1 和激发态能级E2 构成的一个三能级系统。在980 nm 泵浦光的激励下，处于基态能级E0 的铒离子会跃迁到泵浦能级E1，在E1 能级上的铒离子寿命很短，只有几个μs，随后迅速地以无辐射跃迁形式移动到激发态能级E2 上，铒离子在这个能级上的寿命有10 ms 左右。由于停留时间较长，促使在E2 能级上积累了大量的铒离子，最终形成粒子数反转，发生放大的自发辐射并产生超荧光，即激发态能级E2 上的铒离子以自发辐射或受激辐射的形式跃迁回基态能级E0，并随之产生C-L波段，即1520-1600 nm 的光。在实际使用的高浓度且低损耗的较长掺铒光纤中，在光纤的前段激发态中的较高能级跃迁产生C 波段的放大自发辐射光，随着在光纤中的传输，C 波段光又会作为二次泵浦源被后端掺铒光纤再次吸收放大，最终产生L 波段的放大自发辐射光。

图2 铒离子能级跃迁典型示意图Fig.2 Schematic diagram of energy level transition of Er+

1.2 ASE 光源方案设计

ASE 光源功能结构上主要包括三个要素：受激辐射介质即掺铒光纤、泵浦激光器和配套的无源传导光学器件。结合Er+自发辐射谱，本文设计上选用了图3所示的ASE 光源方案，组成上包括泵浦激光器、波分复用器、光纤反射镜、掺铒光纤、光纤隔离器和光纤耦合器六大光学器件。空间应用的特殊环境条件之一是空间辐照。无源器件所用光纤长度较短且无掺杂。因此对于ASE 光源而言，受电离辐照总剂量影响的主要还是掺铒光纤。相关研究指出，掺铒光纤掺杂浓度较高时，掺铒光纤光源的抗辐照能力较强[10]。针对空间应用高精度光纤陀螺对抗辐照性能的特殊需求，设计选择高掺的掺铒光纤。

图3 双程前向光源方案示意图Fig.3 Schematic diagram of dual-pass forward light source scheme

图4 铒离子的自发辐射谱Fig.4 Spontaneous radiation spectrum of Er+

图5 双程前向ASE 光源仿真分析Fig.5 Simulation analysis of dual-pass forward ASE light source

ASE光源的光谱形状是由铒离子的原子能级决定的，如图为铒离子的自发辐射谱，它由1530 nm 的前峰和1560 nm 的后峰组成，1530 nm 处谱宽约6 nm，1560 nm 处谱宽约12 nm。光源在设计时通常选用后峰以获得较宽的谱宽。结合原理分析可知，在实际高掺的掺铒光纤中，随着在光纤中的传输，产生的C 波段光又会作为二次泵浦源被后端掺铒光纤再次吸收放大，最终产生L 波段的放大自发辐射光。即对于如图3所示的前向结构而言，输出光以后峰L 波段光为主。

光源在设计时，通过对光源结构的参数进行优化，可以获得较宽光谱的后峰结构。同时，空间用高精度光纤陀螺对ASE 光源提出了功率高于5 mW 的应用需求，以保证产品在经历辐照总剂量累积导致的功率衰减后仍能高可靠、长寿命地正常工作。结合高精度光纤陀螺对高斯光谱、低纹波和低温度敏感性的工程化需求，对ASE 光源的主要技术指标提出了表1 所示的典型要求。

表1 ASE 光源主要技术指标Tab.1 Main technical indicators of ASE light source

1.3 仿真分析

结合图3 所示的ASE 光源方案和表1 的指标需求，重点对各部分的器件参数进行仿真，以获得高斯光谱、高功率和宽光谱的光源方案。根据表2 中的仿真参数，图给出了不同长度高掺掺铒光纤下ASE 光源的光谱变化趋势。

由图(b)可以看出当铒纤长度较短时，输出光谱包含1530 nm 和1560 nm 两个峰值波长，其中，主峰在1560 nm 处附近，且谱宽较宽；随着铒纤长度的增加，峰值波长逐渐向长波段方向偏移，同时1530 nm 的峰值波长经泵浦后逐渐向后峰跃迁。选择合适的铒纤长度可使得最终ASE 光源的输出光谱为高斯型且峰值波长为1560 nm。

2 工程化验证

2.1 工艺优化

ASE光源在装配时需将掺铒光纤及数个光纤器件紧凑地装配在结构中，盘纤较为复杂，且过程中不可避免地会导致应力分布不均匀。为此，在ASE 光源研制过程中，对装配工艺和结构进行了优化设计，降低应力及装配的复杂性，最终实现了ASE 光源的批量研制，如图6 所示。

图6 ASE 光源组件批量研制Fig.6 Batch production of ASE light source

2.2 性能验证

将装配完毕的三套ASE 光源组件进行了性能测试，如表3 所示，各项指标满足设计需求，同时还分析了输出功率、谱宽及平均波长与驱动电流的关系，如图7 所示，从趋势上可以看出，光功率与驱动电流呈线性关系，通过增加驱动电流能够显著提升光功率；同时，随着驱动电流的增大，光谱和平均波长的波动趋于稳定。

表3 ASE 光源组件主要技术指标实现情况（@130mA）Tab.3 Realization of main technical specifications of ASE light source(@130mA)

图7 ASE 光源组件主要特性随驱动电流的变化曲线Fig.7 Main characteristics of ASE light source vary with driving current

ASE光源的光功率和平均波长与温度存在一定的相关性，根据图8 所示测试方案对光源的光功率、光谱进行在线测试，测试曲线如图9 所示。经分析，表4给出了三只ASE 光源全温指标均满足光功率变化量≤15%、平均波长变化量≤200 ppm 的技术指标要求，可满足空间应用需求。

表4 全温性能测试结果汇总Tab.4 Summary of full-temperature performance test results

图8 全温测试示意图Fig.8 Schematic diagram of total temperature test

图9 ASE 光源全温性能摸底测试Fig.9 Mapping test for full-temperature performance of ASE light source

2.3 环境适应性验证

ASE 光源作为高精度光纤陀螺产品的核心组件，其可靠性直接影响着产品的寿命。为此，针对空间应用的典型环境特点，开展了热循环、热真空试验验证，试验条件如表5 所示，试验过程光功率测试曲线如图10 所示。表6 统计了热循环及热真空试验过程中光功率和平均波长变化量，可以看出各个光源的输出均满足光功率变化量≤15%、平均波长变化量≤200 ppm技术指标要求，裕量充足。图11 给出了环境试验前后，ASE 光源输出功率随驱动电流的变化曲线，可以看出采用优化装配工艺的ASE 光源在经历温度范围-45℃～70℃的热循环及热真空环境的试验前后，性能一致性较好，具有良好的环境适应性。

表5 ASE 光源环境试验条件Tab.5 Environmental test conditions of ASE light source

表6 热试验过程光功率及平均波长变化量汇总表Tab.6 Summary table of changes in output power and mean wavelength during thermal test

图10 热试验各循环高低温功率变化曲线Fig.10 Output power change curve at high and low temperature in each cycle during thermal test

图11 ASE 光源输出光功率与驱动电流的关系曲线(环境试验前后)Fig.11 The curve of output power of ASE light source with different driving current (before and after environmental test)

3 高谱宽ASE 研究进展

3.1 宽谱滤波技术

为了进一步提升ASE 光源的光谱，考虑采用增益平坦滤波器叠加高斯滤波器的设计方法，具体方案如图12 所示。增益平坦滤波是在ASE 光源输出时，通过一个与输出光谱增益谱线相反的插入损耗谱线的滤光片，实现平坦宽谱的产生。根据获得平坦谱型，再利用高斯型滤波器将光谱整形成所需宽度，两种滤波器均可采用介质薄膜滤波技术实现。

图12 滤波器方案示意图（增益平坦与高斯滤波）Fig.12 Schematic diagram of filter scheme (gain flat and gaussian filter)

在光源后峰（1560 nm）为中心的40 nm 宽度内设计GFF 滤波器，实现在该波长范围内的增益平坦。以中心波长1560 nm，谱宽25 nm 设计高斯滤波器。采用高精度光谱仪对光源的输出光谱进行测量，从而得到最终滤波器的参数。掺铒光纤光源的平均波长是依据光源输出功率的功率谱密度进行定义，在光功率谱密度中，根据光谱中每一频率λi分量的功率值P（λi）通过积分可得到光源的总功率输出。基于此，光源的平均波长λ和谱宽 Δλ可分别通过式(1)(2)获取[11]：

根据上述分析，实际测试了双程前向光源方案中掺铒光纤光源的谱型，并据此设计了滤波器的谱形如图13 所示，计算得到光源谱宽大于20 nm，符合设计预期。

图13 滤波器滤波效果谱线Fig.13 Spectral curve of filtering effect

3.2 宽谱光源实现

根据上述分析搭建ASE 光源测试系统，测试隔离器后输出光谱如图14(a)所示；根据宽谱滤波器设计参数，制作样件，滤波器输出光谱如图14(b)。光源输出谱宽由10.63 nm 增大至20.47 nm，实现了宽光谱ASE光源设计预期。

图14 ASE 光源光谱测试Fig.14 Spectral test of ASE light source

理论及实验表明，光源具有高于5 mW 的光功率能够保证产品在辐照环境下衰减后仍能保持正常工作。图15 给出了ASE 输出光功率随驱动电流的变化曲线。

图15 ASE 光源输出功率随驱动电流的变化曲线Fig.15 The curve of output power of ASE light source with different driving current

4 结论与展望

针对高精度光纤陀螺用宽谱ASE 光源工程化的应用需求，本文采用双程前向结构完成了宽谱ASE 光源的结构设计、装配工艺优化、性能指标及可靠性验证，最终实现了功率≥5 mW、谱宽≥10 nm 的高斯型宽谱ASE 光源的批量生产，且在高精度光纤陀螺宇航产品中实现了批量应用。同时，针对未来高精度光纤陀螺性能裕度进一步提升的需求，开展了ASE 光源光谱进一步优化，结合平坦滤波和高斯滤波技术的方式，获得了谱宽≥20 nm 的ASE 光源，有望为高精度陀螺提供更高的精度裕度。