袁悅　周劍　姜潤知

摘要：為優(yōu)化雙程后向結(jié)構(gòu)的摻鉺光源，分析了光纖長度、泵浦功率和溫度的變化對光源平均中心波長的影響，初步確定了摻鉺光纖長度的優(yōu)化范圍，并在全溫度范圍內(nèi)進行實驗驗證。實驗選用的980 nm泵浦源電流為110 mA，摻鉺光纖的長度為12.5 m，該裝置的輸出功率為13.26 mW，光源的平均波長穩(wěn)定性為0.6 ℃-1。通過建立光譜分布優(yōu)化仿真模型，實現(xiàn)輸出光譜的近高斯分布，3 dB帶寬達到32 nm。經(jīng)過優(yōu)化后得到的摻鉺光纖光源具有輸出功率高、平均波長穩(wěn)定性好、輸出光譜呈高斯分布等優(yōu)勢，是高精度光纖陀螺的理想光源。

關(guān)鍵詞：摻鉺光纖光源； 光纖陀螺； 雙程后向； 高斯濾波器

中圖分類號： TN 242 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.004

Abstract：In order to improve the performance of Erbium-doped fiber source with double-pass backward structure， experiments are carried out to analyze the influence of fiber length， pump power and temperature on the average center wavelength and confirm the initial optimization fiber length ranges. Further experiments are done to validate the results. With 110 mA pump power and Erbium-doped fiber of 12.5 m long， highly stable Erbium-doped fiber source with an output power of 13.26 mW and wavelength stability of 0.6 ℃-1 is obtained. Based on a simulation model used to optimize the output spectrum， the output spectrum is nearly Gaussian distribution and the bandwidth is 32 nm. The optical source with high output power， high stability of average wavelength and Gaussian distribution of spectrum after optimization is desirable for fiber optical gyroscope.

Keywords：Erbium-doped fiber source； fiber-optic gyroscope； double-pass backward； Gaussian filter

引 言

光纖陀螺（FOG）與傳統(tǒng)的機電陀螺相比具有檢測靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)范圍寬、可采用集成光路技術(shù)等一系列優(yōu)點，在高精度慣性器件和慣性系統(tǒng)的應(yīng)用中更具優(yōu)勢[1]。對光纖陀螺的研究已經(jīng)成為慣性技術(shù)領(lǐng)域的熱門課題，由于光纖陀螺角速度的檢測精度較大程度取決于光源的性能，因此對光纖陀螺所用寬帶光源的研究是該課題的重要組成部分。高精度慣性導航級的光纖陀螺儀（精度為0.001（°）/h），要求光源的平均中心波長穩(wěn)定性達到1 ℃-1，譜寬大于20 nm，耦合到光纖陀螺的光功率大于10 mW。摻鉺光纖寬帶光源因其輸出功率高、波長穩(wěn)定性好、寬譜、無偏振輻射、壽命長、成本低等優(yōu)點成為高精度光纖陀螺的理想光源。研究發(fā)現(xiàn)，一般輸出功率的要求比較容易滿足，但譜寬和平均中心波長穩(wěn)定性指標比較難以實現(xiàn)。本文對雙程后向結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖光源進行了改進和優(yōu)化，提高了光源的輸出光譜譜寬和平均波長穩(wěn)定性，為光纖陀螺噪聲減小和標度因數(shù)精度提高提供了保障。

1 光源結(jié)構(gòu)分析

摻鉺光纖光源主要由泵浦激光器、光波復(fù)用器（WDM）、摻鉺光纖、光隔離器（ISO）等光器件構(gòu)成。根據(jù)泵浦光和超熒光傳播方向的異同，可將光源分為前向和后向兩種結(jié)構(gòu)，根據(jù)光纖兩端是否存在反射，可將光源分為單程和雙程兩種結(jié)構(gòu)。因此常見的摻鉺光纖光源有四種類型[2]，分別由如圖1（a）～（d）所示。

雙程結(jié)構(gòu)的光源與單程結(jié)構(gòu)的光源相比，在光纖的端面多加了一個反射鏡，輸出包括了前向和后向兩個方向的放大自發(fā)輻射，因此輸出功率比相應(yīng)的單程結(jié)構(gòu)要高，而且可以通過優(yōu)化反射鏡的系數(shù)提高光源的性能。而后向結(jié)構(gòu)與前向結(jié)構(gòu)相比，輸出泵浦光的方向與光的傳播方向相反，光反饋引起的附加噪聲能得到有效抑制，基本不會受到光反饋不穩(wěn)定性的影響[3-4]。因此本文采用性能相對最優(yōu)的雙程后向結(jié)構(gòu)進行分析和進一步的優(yōu)化，選用的摻鉺光纖為武漢烽火銳光科技有限公司的摻鉺光纖SE07025M001004，該光纖的數(shù)值孔徑約0.23，模場直徑為3.6 μm，980 nm處的峰值吸收系數(shù)大于等于4.55 dB/m，1 530 nm處的峰值吸收系數(shù)為7.68 dB/m，鉺離子的摻雜濃度約為9.38×1024個/cm3，抽運源為980 nm半導體激光器。實驗結(jié)構(gòu)圖如圖1（d）所示。

2 實驗優(yōu)化與研究

2.1 提高平均波長穩(wěn)定性

光纖陀螺標度因數(shù)的穩(wěn)定性決定了旋轉(zhuǎn)測量精度，而光纖陀螺的光學標度因數(shù)可由Sagnac相移Φs表示[5]，其和旋轉(zhuǎn)速度Ω的關(guān)系可表示為：

式中：D為光纖陀螺線圈的直徑；L為光纖陀螺線圈的長度；c為真空中的光速；λ—為光源的平均中心波長。

由式（1）可知，光學標度因數(shù)受平均中心波長的穩(wěn)定性的影響，陀螺的旋轉(zhuǎn)測量精度又受到光學標度因數(shù)的影響。因此要提高光纖陀螺的測量精度，必須提高平均中心波長的穩(wěn)定性。將整個光譜上的所有波長的功率加權(quán)平均定義為光源的平均中心波長λ—[6]，即：

式中：第二項表示平均中心波長受偏振態(tài)的影響，目前可通過在輸出端加入偏振控制器得到有效抑制；第三項表示泵浦波長對平均中心波長的影響，采用具有可自適應(yīng)調(diào)節(jié)溫度和輸出電流的泵浦源可解決這個問題；第五項反映平均波長受光反饋的影響，反饋光可通過加入光隔離器來隔離[7]。本文重點討論平均中心波長對溫度和泵浦功率敏感的（式（3）中）第一項和第四項，通過實驗尋找到全溫度范圍內(nèi)平均波長穩(wěn)定性在1 ℃-1以內(nèi)的光纖長度，所用實驗裝置如圖1（d）所示。

實驗選用的光纖長度分別為5 m、7.5 m、10 m、12.5 m、15 m，并分別測量了各種長度的光纖在-30 ℃和60 ℃的環(huán)境下，泵浦電流從70 mA增加到140 mA時平均中心波長的變化情況，圖2為實測曲線，由圖可見，低溫環(huán)境下中心波長隨泵浦功率的波動會比高溫環(huán)境下小。同時，在波長大于5 m的情況下，中心波長均隨泵浦功率的增加而變大。光纖長度為12.5 m時，整個過程中平均波長的變化范圍不超過3 nm，如圖中最粗的兩條線所示，并且在泵浦電流110～120 mA（對應(yīng)980 nm泵浦光功率在37～42 mW）區(qū)間內(nèi)，在-30 ℃和60 ℃下的平均波長有相等點，即平均波長幾乎不隨溫度變化。

為進一步驗證光纖長度為12.5 m時平均中心波長穩(wěn)定性最好的結(jié)論，在全溫度范圍內(nèi)對12.5 m光纖所構(gòu)成光源的溫度穩(wěn)定性進行進一步的驗證。圖3是不同溫度下平均波長隨泵浦激光器驅(qū)動電流的變化情況，從圖中可以看出溫度越高，平均波長隨泵浦激光器驅(qū)動電流（980 nm泵浦光功率）增加越小，在-40 ℃時，平均波長隨電流的變化率最大。但是很明顯，在泵浦激光器驅(qū)動電流110～120 mA時，不同溫度曲線相交，即全溫度范圍（-40～75 ℃，即Δt=115 ℃）內(nèi)，電流為110～120 mA時，平均中心波長變化最小。當泵浦電流為110 mA（功率為37.5 mW）時，-30 ℃時平均中心波長λmax為1 541.249 nm；60 ℃時平均中心波長λmin為1 541.165 nm。由此可得平均中心波長相對變化為：

2.2 輸出光譜近高斯分布

鉺離子的能級結(jié)構(gòu)決定了其發(fā)射截面和吸收截面會隨著波長的變化而變化，從而使摻鉺光纖光源的輸出光譜在1 529 nm和1 558 nm附近形成不對稱的峰形。該不對稱波峰嚴重限制了光源輸出光譜的譜寬和光纖陀螺的噪聲抑制[8]。通?？梢圆捎脙煞N方法使摻鉺光纖的輸出光譜近高斯分布，第一種是優(yōu)化摻鉺光纖的參數(shù)，使兩個峰形減小，但這種方法很難實現(xiàn)；第二種是設(shè)計一個與光源輸出光譜增益程度相反的濾波器，來濾除波峰，如采用長周期光纖光柵濾波器、光學薄膜濾光片、布拉格光纖光柵濾波器等 。本文在雙程后向?qū)嶒灲Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計高斯濾波器來調(diào)節(jié)濾波參數(shù)，實現(xiàn)寬帶光源輸出光譜的動態(tài)調(diào)整。此方法實現(xiàn)更方便，設(shè)計更簡單，成本也更低，在OptiSystem系統(tǒng)中進行仿真，所采用仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。

980 nm泵浦光通過光纖耦合器注入到摻鉺光纖中，后向超熒光直接輸出，前向超熒光經(jīng)過高斯濾波器的濾波、反射鏡反射及濾波器再次濾波，通過摻鉺光纖的再次放大到輸出端輸出，本仿真所用光纖和泵浦源的參數(shù)均與實驗所用保持一致。假設(shè)n2（t）和n1（t）分別表示處于亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)的鉺離子數(shù)目，ge（λ）和ga（λ）分別表示常溫下鉺光纖的發(fā)光和吸收截面，A為增益常數(shù)。設(shè)摻鉺光纖左側(cè)泵浦光源入口處的位置為0，遠離泵浦光源一端的位置為L，摻鉺光纖的任一一段長度用dz表示，超熒光在某一具體位置x處對特定波長的增益g（z，λ）可表示為[9]：

從式（7）可看出，在雙程后向結(jié)構(gòu)中，可針對各個波長對濾波器增益進行調(diào)整，充分保證了調(diào)整輸出光譜形狀的靈活性。在實際的設(shè)計過程中，分別測量同一泵浦功率和光纖長度下，單程前向結(jié)構(gòu)和雙程后向結(jié)構(gòu)的輸出光譜pa（λ）和pb（λ），依據(jù)摻鉺光纖的增益函數(shù)（可從摻鉺光纖參數(shù)目錄里查得）和需要達到的光譜譜形分布，代入式（7），即可求解濾波器在所有波長上的增益值。因此設(shè)計的濾波器增益值會隨激光器光譜的變化而變化，具有很好的靈活性。為減小濾波器的最大增益值，將濾波器的位置從輸出端移至反射鏡之前，使反射光譜經(jīng)過兩次衰減。本文所設(shè)計的高斯濾波器增益譜如圖5所示，未濾波前輸出的光譜如圖6所示，經(jīng)過兩次高斯濾波器濾波的光譜如圖7所示，光譜3 dB帶寬可達到32 nm（1 535～1 567 nm）。

3 結(jié) 論

對比分析了四種摻鉺光纖光源結(jié)構(gòu)，并選取雙程后向結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高精度光纖陀螺中。通過實驗研究了不同泵浦功率、不同光纖長度、不同溫度下中心波長的變化情況，初步獲取優(yōu)化光源的摻鉺光纖長度為12.5 m，泵浦光電流為110 mA，并在全溫度范圍內(nèi)對這一結(jié)果進行了驗證。實驗結(jié)果表明，該參數(shù)能有效降低光源對溫度和輸入功率的敏感度，使平均波長穩(wěn)定性達到了0.6 ℃-1，輸出功率達到13.26 mW。在實驗的基礎(chǔ)上進一步分析輸出光譜譜形對光纖陀螺的影響，進而提出在反射鏡前端放置濾波器，使前向超熒光經(jīng)過兩次濾波，靈活調(diào)整各波長所對應(yīng)的增益，使輸出光譜的3 dB帶寬大于30 nm。該優(yōu)化后的光源是高精度陀螺的理想光源，該光源同樣可用于其他對平均波長穩(wěn)定性和輸出光譜要求高的場合。

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（編輯：劉鐵英）