王萬德，陳小娟，楊 博

（北京控制工程研究所， 北京100190）

0 引言

光纖陀螺光源提供產(chǎn)生Sagnac效應(yīng)所需的光信號，是光纖陀螺光路的重要組成部分［1］，光纖陀螺用光源是影響光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性的重要因素之一。

光源影響光纖陀螺性能的主要參數(shù)有輸出光功率、光譜寬度、平均波長等［2］。摻鉺光纖光源工作波長在1550nm波段附近，具有輸出功率高、寬譜寬、無偏振輻射、波長穩(wěn)定性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是高精度光纖陀螺的理想光源［3］。本文主要對雙程后向結(jié)構(gòu)摻鉺光纖光源進(jìn)行了仿真，并進(jìn)行常溫和全溫實(shí)驗(yàn)，研究泵浦功率、溫度的變化對摻鉺光纖光源的平均波長、光譜寬度和偏振度等參數(shù)的影響。

1 基本原理與結(jié)構(gòu)

摻鉺光纖光源是基于摻鉺增益光纖放大自發(fā)輻射的一種寬譜光源［4］。摻餌光纖在泵浦光源的作用下，鉺離子在吸收980nm或1480nm波長的泵浦光后，鉺離子發(fā)生能級躍遷形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在誘導(dǎo)光作用下產(chǎn)生放大的自發(fā)輻射形成了超熒光。為實(shí)現(xiàn)放大的光輸出，必須首先實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即鉺離子Er3+中高能級上的電子數(shù)目大于低能級上的電子數(shù)目。當(dāng)電子從上激射態(tài)（4I13/2）躍遷到下激射態(tài)（4I15/2）即基態(tài)時(shí)，便會產(chǎn)生1550nm波長附近的放大自發(fā)輻射［5］。其中，鉺離子的能級如圖1所示。

圖1 鉺離子能級圖Fig.1 Energy level diagram of Er3+ ion

摻鉺光纖光源主要由泵浦激光器、摻鉺光纖、隔離器和波分復(fù)用器等器件組成，可分為單程前向、單程后向、雙程前向、雙程后向四種基本結(jié)構(gòu)［6］。雙程結(jié)構(gòu)相比單程結(jié)構(gòu)在摻鉺光纖的一端加了反射鏡，因而雙程結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率較高，實(shí)際應(yīng)用中較為常用。在實(shí)際應(yīng)用中很少使用光譜寬度較窄的雙程前向結(jié)構(gòu)的光源，雙程后向結(jié)構(gòu)由于泵浦效率高，輸出光的功率也較高，光譜寬度和光譜穩(wěn)定性比其他結(jié)構(gòu)要好，在光纖陀螺中較為常用［7］。雙程后向結(jié)構(gòu)光源的光路基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，仿真和實(shí)驗(yàn)時(shí)主要針對該結(jié)構(gòu)摻鉺光源進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

圖2 雙程后向結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖光源Fig.2 Erbium-doped fiber source with double-pass backward structure

2 仿真分析

搭建了如圖2所示的雙程后向結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖光源，選取低摻雜濃度的摻鉺光纖。由于鉺纖長度的選擇對雙程后向ASE 光源的平均波長及光譜寬度均有影響［8］，因此仿真時(shí)摻鉺光纖的長度選擇分別為4m、10m 和19m。這三種長度在雙程后向摻鉺光纖光源中較為常用，表1為仿真軟件中設(shè)置的具體參數(shù)。

表1 仿真軟件的參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameters used in simulation

仿真得到不同鉺纖長度光源的典型譜形，分別如圖3、圖4和圖5所示。根據(jù)仿真軟件中光譜儀的光譜數(shù)據(jù)，分別計(jì)算鉺纖長度為4m、10m和19m的雙程后向結(jié)構(gòu)光源在各泵浦功率下的平均波長和光譜寬度。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，得到的光源的平均波長、光譜寬度隨泵浦功率的變化情況分別如圖6和圖7所示。

圖3 鉺纖長度為4m 時(shí)光源光譜變化情況Fig.3 Change of spectrum with pump power when fiber length is 4m

圖4 鉺纖長度為10m 時(shí)光源光譜變化情況Fig.4 Change of spectrum with pump power when fiber length is 10m

圖5 鉺纖長度為19m 時(shí)光源光譜變化情況Fig.5 Change of spectrum with pump power when fiber length is 19m

圖6 光源平均波長隨泵浦功率的變化情況Fig.6 Change of average wavelength with pump power

圖7 光源光譜寬度隨泵浦功率的變化情況Fig.7 Change of spectrum width with pump power

仿真得到的光源光譜都是明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，計(jì)算三種光源的平均波長和光譜寬度隨泵浦功率的變化量，如表2 所示。

表2 平均波長、光譜寬度隨泵浦功率變化量Table 2 Fluctuation of average wavelength and spectrum width with pump power

對比所有仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)光源的摻鉺光纖長度為10m 時(shí)，光源的平均波長和光譜寬度隨泵浦功率的變化量最小，即泵浦功率的變化對光源的平均波長和光譜寬度的影響最小。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 常溫實(shí)驗(yàn)

常溫實(shí)驗(yàn)主要研究驅(qū)動電流的改變對光源譜型、平均波長、光譜寬度等性能的影響。搭建光源時(shí)選用的摻鉺光纖長度分別為4m、10m和19m，泵浦激光器的驅(qū)動電流為70mA～180mA，每隔10mA用光功率計(jì)測試一次光源的輸出功率，同時(shí)用光譜儀記錄光源的輸出光譜。用光譜儀測得實(shí)際搭建光源的光譜如圖8、圖9和圖10所示?？梢钥闯?，隨著驅(qū)動電流的增加，鉺纖長度為4m的光源在1530nm附近的峰明顯升高；鉺纖長度為10m的光源在1560nm附近的峰明顯升高，最終形成馬鞍形的雙峰光譜；鉺纖長度為19m的光源光譜形狀無顯著變化。

圖8 鉺纖長度為4m 時(shí)光譜形狀隨驅(qū)動電流的變化情況Fig.8 Change of spectrum with drive current when fiber length is 4m

圖9 鉺纖長度為10m 時(shí)光譜形狀隨驅(qū)動電流的變化情況Fig.9 Change of spectrum with drive current when fiber length is 10m

圖10 鉺纖長度為19m 時(shí)光譜形狀隨驅(qū)動電流的變化情況Fig.10 Change of spectrum with drive current when fiber length is 19m

將光譜儀和功率計(jì)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到三種不同長度的雙程后向結(jié)構(gòu)光源輸出光譜的輸出功率、平均波長和光譜寬度隨驅(qū)動電流的變化情況，如圖11、圖12和圖13所示。光源的輸出功率都隨驅(qū)動電流的增加而增大，鉺纖長度為10m的光源平均波長和光譜寬度隨驅(qū)動電流變化較大，鉺纖長度為4m 和19m 的光源平均波長和光譜寬度隨驅(qū)動電流變化較小。

圖11 輸出功率隨驅(qū)動電流的變化情況Fig.11 Change of output power with drive current

圖12 平均波長隨驅(qū)動電流的變化情況Fig.12 Change of average wavelength with drive current

圖13 光譜寬度隨驅(qū)動電流的變化情況Fig.13 Change of spectrum width with drive current

由于高精度光纖陀螺用摻鉺光纖光源輸出功率為5mW時(shí)，驅(qū)動電流在110mA 附近，因此測試了光源的驅(qū)動電流為110mA 時(shí)的輸出性能。當(dāng)摻鉺光纖光源的驅(qū)動電流為110mA 時(shí)，實(shí)際搭建的三種光源測得的主要性能參數(shù)如表3所示，用光譜儀測得驅(qū)動電流為110mA時(shí)的光源光譜如圖14所示。

表3 驅(qū)動電流為110mA 時(shí)光源參數(shù)匯總Table 3 Parameters in different Erbium-doped fiber lengths when drive current is 110mA

從表3可以看出，當(dāng)鉺纖長度為4m時(shí)，由于鉺纖長度較短，光源的輸出功率明顯大于其他兩種長度光源的輸出功率，此時(shí)的光譜寬度也較寬。從圖14可以看出，鉺纖長度為4m的光源在1550nm附近的峰較高，而鉺纖長度為10m 和19m的光源在1530nm附近的峰較高。

驅(qū)動電流在110mA附近有微小波動時(shí)，要測試光源的平均波長和光譜寬度隨驅(qū)動電流的變化情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)，光源的驅(qū)動電流設(shè)定在105mA～115mA范圍內(nèi)，每隔1mA測試并記錄一組數(shù)據(jù)。根據(jù)光譜儀測得的光譜數(shù)據(jù)計(jì)算各驅(qū)動電流下光源輸出光譜的平均波長和光譜寬度，平均波長隨驅(qū)動電流的變化情況如圖15所示，光譜寬度隨驅(qū)動電流的變化情況如圖16所示。

圖14 驅(qū)動電流為110mA 時(shí)不同鉺纖長度的光源光譜Fig.14 Spectrum in different Erbium-doped fiber lengths when drive current is 110mA

圖15 驅(qū)動電流為105mA～115mA 時(shí)平均波長的變化情況Fig.15 Change of average wavelength when drive current is 105mA～115mA

圖16 驅(qū)動電流為105mA～115mA 時(shí)光譜寬度的變化情況Fig.16 Change of spectrum width when drive current is 105mA～115mA

根據(jù)測得的各驅(qū)動電流下平均波長和光譜寬度，分別計(jì)算鉺纖長度為4m、10m 和19m 的光源平均波長和光譜寬度隨驅(qū)動電流的變化量，如表4所示。

表4 平均波長、光譜寬度隨驅(qū)動電流變化量Table 4 Fluctuation of average wavelength and spectrum width with drive current

對比鉺纖長度為4m、10m 和19m 時(shí)平均波長和光譜寬度隨驅(qū)動電流的變化量，當(dāng)驅(qū)動電流在105mA～115mA 范圍變化時(shí)，鉺纖長度為19m 的光源平均波長、光譜寬度隨驅(qū)動電流的變化量最小，平均波長變化量為9.909×10-6/mA，光譜寬度變化量為0.561%。

3.2 全溫實(shí)驗(yàn)

光源的輸出光譜特性還會隨溫度改變，在全溫狀態(tài)下分別測試三種光源的輸出功率、偏振度、平均波長和光譜寬度等參數(shù)隨溫度的變化情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)，驅(qū)動電流設(shè)置為110mA，溫箱的溫度設(shè)定為：高溫 50℃持續(xù) 2h，降溫 1h，低溫-10℃持續(xù)2h。其中，圖17為全溫狀態(tài)光源的輸出功率隨溫度的變化情況，圖18為全溫狀態(tài)光源的偏振度隨溫度的變化情況，圖19為全溫狀態(tài)光源的平均波長隨溫度的變化情況，圖20為全溫狀態(tài)光源的光譜寬度隨溫度的變化情況。

圖17 輸出功率隨溫度的變化情況Fig.17 Change of output power with temperature

圖18 偏振度隨溫度的變化情況Fig.18 Change of polarization with temperature

圖19 平均波長隨溫度的變化情況Fig.19 Change of average wavelength with temperature

圖20 光譜寬度隨溫度的變化情況Fig.20 Change of spectrum width with temperature

計(jì)算三種光源在全溫狀態(tài)下平均波長、光譜寬度、輸出功率、偏振度等參數(shù)隨溫度的變化量，計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 光源參數(shù)隨溫度的變化量匯總Table 5 Fluctuation of parameters with temperature

通過對比發(fā)現(xiàn)，在4m、10m 和19m 這三種長度的光源中，鉺纖長度為19m 的光源平均波長隨溫度的變化量最小，鉺纖長度為4m 的光源光譜寬度隨溫度的變化量最小。

4 結(jié)論

本文對雙程后向ASE光源進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：光源鉺纖長度為19m 時(shí)平均波長和光譜寬度隨驅(qū)動電流的變化量小于鉺纖長度為4m 和10m 時(shí)的變化量；驅(qū)動電流為110mA 時(shí)，

鉺纖長度為19m 時(shí)平均波長隨溫度的變化量小于鉺纖長度為4m 和10m 時(shí)的變化量。綜合來看，鉺纖長度為19m 的光源性能在這三種光源中最好，

驅(qū)動電流為110mA 時(shí)的輸出功率為4.055mW，光譜寬度為16.63nm，偏振度為1.925%，平均波長隨電流的變化量為9.9×10-6/mA，平均波長隨溫度的變化量為5.9×10-6/℃。