一種ASE光源的性能優(yōu)化方法

一種ASE光源的性能優(yōu)化方法

牛雨迪,沈慶云,湯梟雄,吉世濤,魏志武

(中國航天科技集團(tuán)公司第9研究院第16研究所 光纖傳感事業(yè)部,陜西 西安710100)

摘要為了提高光源的各項(xiàng)性能,設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn),用以驗(yàn)證摻鉺光纖長度及泵浦源功率對光源性能的影響。采用實(shí)驗(yàn)的方法,分析了常溫情況下,由不同長度摻鉺光纖的變化所導(dǎo)致的ASE光源輸出光的光功率、中心波長及譜寬變化,得到了在不同泵浦源功率時(shí),摻鉺光纖長度的變化對整機(jī)性能的影響,以及出光光功率和譜寬變化的實(shí)驗(yàn)曲線,從中發(fā)現(xiàn)在光纖長度為22 m時(shí),光源工作性能最佳。這對ASE光源的器件選擇及系統(tǒng)優(yōu)化具有參考價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,摻鉺光纖長度對1 550 nm單通后向出光ASE光源的光源輸出功率和譜寬性能均有影響。

關(guān)鍵詞光纖陀螺;ASE光源;出光功率;譜寬

收稿日期:2015-03-04

作者簡介:牛雨迪(1990—),男,碩士。研究方向:數(shù)據(jù)挖掘與摻鉺光纖光路放大技術(shù)。E-mail:penguinniuniu@qq.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.044

中圖分類號TN249

An Optimization Scheme of ASE Source

NIU Yudi,SHEN Qingyun,TANG Xiaoxiong,JI Shitao,WEI Zhiwu

(Department of Fiber Sensors,No.16 Institution of Aerospace & Technology Corporation,Xi’an 710100,China)

AbstractIt has been proved that the length of fiber has great contribution to the performance of the 1 550 nm ASE (Amplified Spontaneous Emission) source,both on the output power and spectral width.To improve the performance of the source,a series of experiments is designed,and the result shows that a proper length of fiber can improve the performance of the source.Under normal temperature,we analyze the connection between the length of EDF and output power,center wavelength and spectral width of the ASE source.Finally we derive curve of the ASE source output power and center wavelength under the different EDF length,due to the change of pumping source.The results show that when the fiber is 22 m,the performance of the ASE source is the best.

Keywordsfiber optic gyroscope;ASE source;output power;spectral width

ASE(Amplified Spontaneous Emission)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,因其輸出具有平均波長高穩(wěn)定、寬光譜、高輸出功率等特性,在光纖陀螺、光纖傳感器、通訊 WDM 系統(tǒng)及 DWDM 系統(tǒng)、光譜測量、低相干光學(xué)成像等領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。尤其是在干涉式光纖陀螺中,摻鉺光纖光源相比于已廣泛應(yīng)用的 SLD 光源,其高輸出功率可進(jìn)一步提高陀螺系統(tǒng)的信噪比,寬光譜和小的光譜紋波特性可更大程度地降低瑞利散射、偏振交叉耦合和克爾效應(yīng)等引起的相干誤差,高平均波長溫度穩(wěn)定性可保證光纖陀螺標(biāo)度因子的線性度和穩(wěn)定性,使光纖陀螺的靈敏度和精度進(jìn)一步提高[1]。因此,摻鉺光纖光源被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)干涉式高精度光纖陀螺(0.001(°)/h,<10-6)最具發(fā)展?jié)摿Φ膶捵V光源。

ASE光源可應(yīng)用在各光學(xué)領(lǐng)域。尤其是在高精度光纖陀螺中,對于陀螺的精度提升起到了較好的作用。但隨著技術(shù)條件及外形尺寸的變化,ASE光源的性能會受到不同程度的影響。為了提升ASE光源的性能,國內(nèi)外許多單位采取了不同的方法。主流的試驗(yàn)方法分為兩種,即硬件設(shè)計(jì)及軟件補(bǔ)償。國內(nèi)許多家單位均采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▽庠葱阅苓M(jìn)行優(yōu)化。該方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低,且方法簡便;則缺點(diǎn)是在復(fù)雜情況下,軟件無法模擬出各種情況,使光源精度下降。目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果最佳的光源是來自北航的產(chǎn)品,其光源在光路部分加入了額外的耦合器,并在電路部分加入了反饋機(jī)制,使光源的輸出穩(wěn)定性得到了大幅提升。本文從電路及光路兩方面,分析了不同構(gòu)造的光源對光源輸出光功率、光譜的影響,并提出了性能提升方案。

1ASE光源主要參數(shù)

ASE光源輸出特性主要通過輸出帶寬、中心波長和輸出功率所體現(xiàn)。

輸出帶寬定義為

(1)

中心波長是以功率譜密度作為加權(quán)因子進(jìn)行加權(quán)平均,定義為

(2)

超熒光光源不僅需要有較高的輸出功率,還要有良好的波長穩(wěn)定性。溫度是影響波長穩(wěn)定性的主要因素,中心波長對于溫度變化的穩(wěn)定性可表示為

(3)

其中,T為本征熱導(dǎo)數(shù);Pp為泵浦光功率;λp為泵浦光波長。

光源輸出功率是光源最主要的指標(biāo)之一,在不同的應(yīng)用場合,需要光源提供不同的光功率。在高精度光纖陀螺的應(yīng)用中,需要將光功率的輸出穩(wěn)定在10～15 mW之間,以滿足高精度光纖陀螺的應(yīng)用需求。

2電路設(shè)計(jì)

ASE光源是由半導(dǎo)體激光器泵浦得到的,所以半導(dǎo)體激光器的輸出性能直接影響著ASE光源的性能。相較于其他泵浦激光器而言,980 nm(LD)在轉(zhuǎn)換效率和噪聲抑制方面更具優(yōu)勢。因此,泵浦源使用980 nm的波長。泵浦激光器工作電流的穩(wěn)定與否,直接關(guān)系著激光器輸出穩(wěn)定性能的優(yōu)劣,從而影響到整個(gè)光源的工作狀態(tài)和性能。在激光器工作時(shí),產(chǎn)生的溫度變化也直接影響到激光器的輸出波長、閾值電流和輸出光功率等參數(shù)。因此,文中設(shè)計(jì)了一套電路,不僅保障了激光器安全穩(wěn)定地工作,且為其提供了一個(gè)紋波小、毛刺少的穩(wěn)恒電流。

2.1　恒流源電路

半導(dǎo)體激光器在閾值以上的區(qū)域,其輸出功率P與注入電流I之間有良好的線性關(guān)系。注入電流的漲落會導(dǎo)致激光器輸出功率的漂移,進(jìn)而引起ASE光源輸出功率的漂移。因此,驅(qū)動源的注入電流恒定輸出是保證激光器功率穩(wěn)定輸出最基本的要求[2]。

為此,ASE驅(qū)動電路使用一套基于單片機(jī)控制的980 nm激光器驅(qū)動的恒流源電路,其原理框圖如圖1所示。由半導(dǎo)體激光器的性質(zhì)決定電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的電源電壓及限流電阻,工作電流要求既能超過閾值電流又不超過允許的最大值。由于電流過大會損壞管子的諧振腔,因此編程時(shí)需考慮限流,其目的是保護(hù)半導(dǎo)體激光器,避免其受損。

恒流源電路使用2個(gè)OPA2277,采取了比較電路的方法。當(dāng)光源部分電流升高時(shí),比較電路后端電壓超出了基準(zhǔn)電壓,此時(shí)會與電路前端形成平衡,使通過激光器的電流趨于平衡。若輸入電流不足,運(yùn)放前段電路會提供額外的電流,使激光器工作在飽和狀態(tài)。

圖1　恒流源原理圖

通過單片機(jī)程序來控制電路,本電路使用C8051F340單片機(jī)作為控制核心[3],通過設(shè)定好的程序控制恒流電路,從而得到期望的恒定電流[4]。

2.2　溫度控制電路

溫度是半導(dǎo)體激光器性能惡化、壽命減少的主要因素。溫度升高不僅使輸出功率下降,且影響波長的穩(wěn)定性。為了使激光器輸出的光強(qiáng)度穩(wěn)定,必須設(shè)計(jì)并安裝激光器溫度控制電路[5]。

ASE光源使用半導(dǎo)體制冷器(TEC)作為溫度控制的執(zhí)行器件,其利用具有帕爾帖效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器件,因此體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易控制。在工作時(shí),一端制冷,另一端制熱。所以,可通過改變電流方向來變換制冷或制熱。

圖2所示為溫控電路原理框圖。當(dāng)激光器的溫度發(fā)生變化時(shí),引起熱敏電阻的阻值發(fā)生漂移,從而引起熱敏電阻兩端的電壓發(fā)生變化,所以經(jīng)A/D采樣送到單片機(jī)的電壓也會發(fā)生變化。在單片機(jī)內(nèi)編寫數(shù)字PID程序,將讀取的單片機(jī)內(nèi)部電壓值轉(zhuǎn)化為控制電壓輸出,經(jīng)D/A及放大電路,最后作用于TEC(半導(dǎo)體激光器的溫度控制系統(tǒng))。通過改變TEC的電流值實(shí)現(xiàn)加熱或制冷控制,進(jìn)而使激光器的溫度恒定。

圖2　溫控原理圖

溫控電路通過溫控芯片ADN8830進(jìn)行控制。由于激光器工作會產(chǎn)生大量的熱能,因此光源工作是一個(gè)升溫的過程。ADN8830芯片內(nèi)部設(shè)有半導(dǎo)體制冷片。當(dāng)激光器溫度升高時(shí),通過熱敏電阻改變ADN8830芯片的輸入電壓,從而使ADN8830產(chǎn)生反向電流,實(shí)現(xiàn)其制冷作用,進(jìn)而達(dá)到溫控的目的[6]。

3光路設(shè)計(jì)

ASE光源使用摻鉺光纖作為增益介質(zhì),可獲取滿足要求的輸出光。光源主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦激光器(Pump-LD)、光無源器件(包括波長選擇耦合器WDM、光隔離器ISO、光濾波器Filter、光纖環(huán)形鏡FLM等)以及光源模塊的控制單元與監(jiān)控接口等部分組成[7],如圖3所示。

圖3　光源光路結(jié)構(gòu)圖

光纖具有傳輸信息容量大、中繼距離長、不受電磁場干擾等諸多優(yōu)點(diǎn),是一種常用的同軸圓柱形光波導(dǎo)材料,其利用光的全反射原理將光波能量約束在其界面內(nèi),并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線傳輸。由于放大自發(fā)輻射過程中的放大及輻射由鉺離子完成,需要在光源內(nèi)部增加一段摻鉺光纖,用于光源對特定中心波長及光譜的選擇。另外,還需盡量提高光纖中鉺離子的濃度,以達(dá)到實(shí)現(xiàn)放大自發(fā)輻射的目的。但鉺離子濃度過高,會形成鉺離子對或離子簇,導(dǎo)致濃度猝滅,使得輸出功率下降。

最終選擇了雙程后向結(jié)構(gòu)出光的光路結(jié)構(gòu),如圖3所示。此結(jié)構(gòu)使用一個(gè)泵浦源,通過980～1 550 nm波分復(fù)用器,將其產(chǎn)生的光注入到摻鉺光纖中,使摻鉺光纖中產(chǎn)生L波段的ASE熒光[8]。此時(shí),由于C波段的光被摻鉺光纖所吸收,因此光源的整體輸出功率有所降低,但光源的平坦度和波長穩(wěn)定性會提升。因此,最終使用此種出光結(jié)構(gòu)作為光源光路設(shè)計(jì)方案。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于實(shí)驗(yàn)光源的最終目的是為高精度光纖陀螺儀提供光強(qiáng)高、帶寬高、輸出穩(wěn)定的光源,因此實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用陀螺的測試指標(biāo)及試驗(yàn)方法。還由于實(shí)驗(yàn)陀螺尚未采用密封設(shè)計(jì),因此只考慮常溫狀態(tài)時(shí)的變化。在室溫情況下(23 ℃),將光源靜態(tài)放入溫箱中,使其靜態(tài)工作2 h,之后對光源的性能進(jìn)行考查。

采用截?cái)喾椒ǚ謩e對多種不同長度的摻鉺光纖做了大量實(shí)驗(yàn)。通過改變單片機(jī)程序中的參數(shù),從而改變驅(qū)動電流,并改變泵浦源的功率。圖4所示為不同電流時(shí),泵浦源功率的變化曲線。

圖4　泵浦功率與電流的關(guān)系

可看出,泵浦源的輸出功率與電流成線性關(guān)系。輸出功率與電流滿足關(guān)系

P=0.202I-7.022

(4)

為了調(diào)節(jié)ASE光源的中心波長,并兼顧此時(shí)光源輸出的光功率及光功率穩(wěn)定性,可裁減ASE光源摻鉺光纖的長度。測試每一摻鉺光纖長度時(shí),觀察泵浦源功率改變對光源輸出所造成的影響,以找到滿足光源輸出的中心波長(1 550 nm),此時(shí)光源輸出的光功率最大且穩(wěn)定性最佳。初始摻鉺光纖環(huán)長為30 m,每次從摻鉺光纖環(huán)上截?cái)? m,最終留下7 m。泵浦功率選擇從30 mW調(diào)到60 mW。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在泵浦源及摻鉺光纖長度變化時(shí),ASE光源中心波長漂移較小,始終保持在1 558 nm。圖5和圖6分別給出了泵浦功率為40 mW,50 mW和60 mW時(shí),不同摻鉺光纖長度下光源輸出的光功率及3 dB帶寬。

圖5　泵浦源為40 mW、50 mW和60 mW時(shí) 光源輸出功率與光纖長度的關(guān)系

圖6　泵浦源為40 mW、50 mW和60 mW時(shí) 光源3 dB帶寬與光纖長度的關(guān)系

從以上兩圖可以看出,當(dāng)摻鉺光纖長度<13 m時(shí),3 dB帶寬與光源輸出功率的平穩(wěn)性均受到了較大影響。因此,摻鉺光纖的長度需>13 m。若不考慮電路功耗,可適當(dāng)將泵浦源功率提高,并不會對光源造成負(fù)面影響。

5結(jié)束語

AES光源的驅(qū)動電路是數(shù)字控制的,以單片機(jī)為核心,配合外圍的功率采樣電路和電流驅(qū)動電路,故電路結(jié)構(gòu)簡單。在軟件控制時(shí),光功率控制精度均在±0.2 mW內(nèi),功率在0～8 mW范圍內(nèi)可調(diào),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),ASE光源受濾波器的影響,在改變泵浦源功率及摻鉺光纖長度時(shí),中心波長漂移并不明顯。同時(shí),出光功率穩(wěn)定性及3 dB帶寬受到摻鉺光纖長度的影響。下一步需要改進(jìn)PID算法,在電路中加入閉環(huán)反饋,提高光源在變溫環(huán)境中出光功率及中心波長的穩(wěn)定性。

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