用于高精度光纖陀螺的摻鉺光纖寬帶光源的優(yōu)化

袁悅　周劍　姜潤(rùn)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(zhǎng)度、泵浦功率和溫度的變化對(duì)光源平均中心波長(zhǎng)的影響，初步確定了摻鉺光纖長(zhǎng)度的優(yōu)化范圍，并在全溫度范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)選用的980 nm泵浦源電流為110 mA，摻鉺光纖的長(zhǎng)度為12.5 m，該裝置的輸出功率為13.26 mW，光源的平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性為0.6 ℃-1。通過(guò)建立光譜分布優(yōu)化仿真模型，實(shí)現(xiàn)輸出光譜的近高斯分布，3 dB帶寬達(dá)到32 nm。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后得到的摻鉺光纖光源具有輸出功率高、平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性好、輸出光譜呈高斯分布等優(yōu)勢(shì)，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(lèi)號(hào)： TN 242 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)電陀螺相比具有檢測(cè)靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍寬、可采用集成光路技術(shù)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在高精度慣性器件和慣性系統(tǒng)的應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)[1]。對(duì)光纖陀螺的研究已經(jīng)成為慣性技術(shù)領(lǐng)域的熱門(mén)課題，由于光纖陀螺角速度的檢測(cè)精度較大程度取決于光源的性能，因此對(duì)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(dǎo)航級(jí)的光纖陀螺儀（精度為0.001（°）/h），要求光源的平均中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性達(dá)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(zhǎng)穩(wěn)定性好、寬譜、無(wú)偏振輻射、壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)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(zhǎng)穩(wěn)定性指標(biāo)比較難以實(shí)現(xiàn)。本文對(duì)雙程后向結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖光源進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，提高了光源的輸出光譜譜寬和平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性，為光纖陀螺噪聲減小和標(biāo)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(jiàn)的摻鉺光纖光源有四種類(lèi)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(gè)反射鏡，輸出包括了前向和后向兩個(gè)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(guò)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(huì)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(duì)最優(yōu)的雙程后向結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和進(jìn)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(chǎng)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(gè)/cm3，抽運(yùn)源為980 nm半導(dǎo)體激光器。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖如圖1（d）所示。

2 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化與研究

2.1 提高平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性

光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性決定了旋轉(zhuǎn)測(cè)量精度，而光纖陀螺的光學(xué)標(biāo)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(zhǎng)度；c為真空中的光速；λ—為光源的平均中心波長(zhǎng)。

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

式中：第二項(xiàng)表示平均中心波長(zhǎng)受偏振態(tài)的影響，目前可通過(guò)在輸出端加入偏振控制器得到有效抑制；第三項(xiàng)表示泵浦波長(zhǎng)對(duì)平均中心波長(zhǎng)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(gè)問(wèn)題；第五項(xiàng)反映平均波長(zhǎng)受光反饋的影響，反饋光可通過(guò)加入光隔離器來(lái)隔離[7]。本文重點(diǎn)討論平均中心波長(zhǎng)對(duì)溫度和泵浦功率敏感的（式（3）中）第一項(xiàng)和第四項(xiàng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋找到全溫度范圍內(nèi)平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性在1 ℃-1以內(nèi)的光纖長(zhǎng)度，所用實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（d）所示。

實(shí)驗(yàn)選用的光纖長(zhǎng)度分別為5 m、7.5 m、10 m、12.5 m、15 m，并分別測(cè)量了各種長(zhǎng)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(shí)平均中心波長(zhǎng)的變化情況，圖2為實(shí)測(cè)曲線，由圖可見(jiàn)，低溫環(huán)境下中心波長(zhǎng)隨泵浦功率的波動(dòng)會(huì)比高溫環(huán)境下小。同時(shí)，在波長(zhǎng)大于5 m的情況下，中心波長(zhǎng)均隨泵浦功率的增加而變大。光纖長(zhǎng)度為12.5 m時(shí)，整個(gè)過(guò)程中平均波長(zhǎng)的變化范圍不超過(guò)3 nm，如圖中最粗的兩條線所示，并且在泵浦電流110～120 mA（對(duì)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(zhǎng)有相等點(diǎn)，即平均波長(zhǎng)幾乎不隨溫度變化。

為進(jìn)一步驗(yàn)證光纖長(zhǎng)度為12.5 m時(shí)平均中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性最好的結(jié)論，在全溫度范圍內(nèi)對(duì)12.5 m光纖所構(gòu)成光源的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。圖3是不同溫度下平均波長(zhǎng)隨泵浦激光器驅(qū)動(dòng)電流的變化情況，從圖中可以看出溫度越高，平均波長(zhǎng)隨泵浦激光器驅(qū)動(dòng)電流（980 nm泵浦光功率）增加越小，在-40 ℃時(shí)，平均波長(zhǎng)隨電流的變化率最大。但是很明顯，在泵浦激光器驅(qū)動(dòng)電流110～120 mA時(shí)，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(shí)，平均中心波長(zhǎng)變化最小。當(dāng)泵浦電流為110 mA（功率為37.5 mW）時(shí)，-30 ℃時(shí)平均中心波長(zhǎng)λmax為1 541.249 nm；60 ℃時(shí)平均中心波長(zhǎng)λmin為1 541.165 nm。由此可得平均中心波長(zhǎng)相對(duì)變化為：

2.2 輸出光譜近高斯分布

鉺離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定了其發(fā)射截面和吸收截面會(huì)隨著波長(zhǎng)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(duì)稱(chēng)的峰形。該不對(duì)稱(chēng)波峰嚴(yán)重限制了光源輸出光譜的譜寬和光纖陀螺的噪聲抑制[8]。通常可以采用兩種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(gè)峰形減小，但這種方法很難實(shí)現(xiàn)；第二種是設(shè)計(jì)一個(gè)與光源輸出光譜增益程度相反的濾波器，來(lái)濾除波峰，如采用長(zhǎng)周期光纖光柵濾波器、光學(xué)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?yàn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)高斯濾波器來(lái)調(diào)節(jié)濾波參數(shù)，實(shí)現(xiàn)寬帶光源輸出光譜的動(dòng)態(tài)調(diào)整。此方法實(shí)現(xiàn)更方便，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，成本也更低，在OptiSystem系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，所采用仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。

980 nm泵浦光通過(guò)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(guò)高斯濾波器的濾波、反射鏡反射及濾波器再次濾波，通過(guò)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(shí)驗(yàn)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(yuǎn)離泵浦光源一端的位置為L(zhǎng)，摻鉺光纖的任一一段長(zhǎng)度用dz表示，超熒光在某一具體位置x處對(duì)特定波長(zhǎng)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(duì)各個(gè)波長(zhǎng)對(duì)濾波器增益進(jìn)行調(diào)整，充分保證了調(diào)整輸出光譜形狀的靈活性。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，分別測(cè)量同一泵浦功率和光纖長(zhǎng)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(dá)到的光譜譜形分布，代入式（7），即可求解濾波器在所有波長(zhǎng)上的增益值。因此設(shè)計(jì)的濾波器增益值會(huì)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(guò)兩次衰減。本文所設(shè)計(jì)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(guò)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(dá)到32 nm（1 535～1 567 nm）。

3 結(jié) 論

對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同泵浦功率、不同光纖長(zhǎng)度、不同溫度下中心波長(zhǎng)的變化情況，初步獲取優(yōu)化光源的摻鉺光纖長(zhǎng)度為12.5 m，泵浦光電流為110 mA，并在全溫度范圍內(nèi)對(duì)這一結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該參數(shù)能有效降低光源對(duì)溫度和輸入功率的敏感度，使平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性達(dá)到了0.6 ℃-1，輸出功率達(dá)到13.26 mW。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析輸出光譜譜形對(duì)光纖陀螺的影響，進(jìn)而提出在反射鏡前端放置濾波器，使前向超熒光經(jīng)過(guò)兩次濾波，靈活調(diào)整各波長(zhǎng)所對(duì)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(duì)平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性和輸出光譜要求高的場(chǎng)合。

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（編輯：劉鐵英）