摻鉺光纖超熒光光源外部增益平坦技術(shù)的研究

李麗+賈振安

摘要： 為滿足光纖布拉格光柵傳感和波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)對光源光譜平坦度與帶寬的要求，利用外部增益平坦技術(shù)實(shí)現(xiàn)摻鉺光纖超熒光光源輸出光譜的平坦化。介紹了三種常見的外部增益平坦技術(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)對平坦結(jié)果進(jìn)行比較，由此得出采用長周期光柵增益平坦濾波器是一較好的選擇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，平坦波段范圍內(nèi)（1 525～1 540 nm）的光譜不平坦度小于±1.1 dB，整個(gè)C波段光譜的3 dB帶寬為39.125 nm。

關(guān)鍵詞： 超熒光光源； 增益平坦濾波器； 長周期光柵； 馬赫曾德爾干涉儀

中圖分類號： TN 253 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.03.011

Study on gain flattening for erbium-doped superfluorescent light source

LI Li1， JIA Zhenan2

（1.School of Information Engineering， Xizang Minzu University， Xianyang 712082， China；

2.Ministry of Education Key Laboratory of Photoelectricity Gas-oil Logging and

Detecting， Xian Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract： In order to satisfy the demands for the spectral bandwidth and flatness of light source in the fiber Bragg grating sensing and wavelength division multiplexing（WDM） fiber optic communication system，the output spectrum of amplified spontaneous emission（ASE） needs to be flattened by using the gain filtering technique.Three technologies of gain flattening filter are described in the paper.The experimental results using the described gain flattening filter were compared.The long period fiber grating（LPFG） gain flattening filter is a better choice.Experiments show that with the LPFG gain flattening filter，the flatness of the spectra from 1 525 nm to 1 540 nm is less than ±1.1 dB，and the linewidth is 39.125 nm with a power ripple of 3 dB.

Keywords： superfluorescent source； gain flattening filter； long period fiber grating； Mach-Zehnder interferometer

引 言

摻鉺光纖寬帶光源由于溫度穩(wěn)定性好、相干度低，目前已經(jīng)被認(rèn)為是很有潛力、很有前途的寬帶光源，因其優(yōu)良的特性，在光纖陀螺、摻鉺光纖放大器（EDFA）測量、光纖傳感、光譜測試等很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。由于摻鉺光纖超熒光光源增益譜線1 532 nm波長附近本征峰的存在，導(dǎo)致了輸出光譜的不平坦，使得其在光纖陀螺光纖傳感系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)中的可應(yīng)用帶寬受到限制，因此有必要對寬帶光源的輸出光譜進(jìn)行平坦化處理。

目前實(shí)現(xiàn)摻鉺光纖超熒光光源平坦的主要方法可以概括為兩類：其一是內(nèi)部均衡法[4-5]，其二是外部均衡法[6-9]。內(nèi)部均衡法是通過對光纖光源所用增益光纖的結(jié)構(gòu)、基質(zhì)材料、摻雜濃度的改變以及光源結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參量（主要是指泵浦功率和光纖長度）的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)光源平坦的方法，這類方法大多只能實(shí)現(xiàn)對光源平坦度的優(yōu)化，很難實(shí)現(xiàn)消除1 532 nm波長附近的本征峰，所以本文主要研究外部均衡法。外部均衡法的指導(dǎo)思想是，在光路中使用損耗特性與光源的增益特性相反的各種增益均衡濾波器件來削弱增益的不均勻性。本文對長周期光纖光柵（LPFG）、馬赫曾德爾干涉儀（MZI）型濾波器及光纖環(huán)形鏡（FLM）實(shí)現(xiàn)摻鉺光纖寬帶光源平坦的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，并分析各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)所用光源簡介

實(shí)驗(yàn)搭建簡單單級單程后向C波段放大的自發(fā)輻射（ASE）寬帶光源結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括摻鉺光纖（EDF）、泵浦激光器（Pump LD）、波分復(fù)用器（WDM）、隔離器（ISO）。其中WDM可以將Pump LD產(chǎn)生的泵浦光合路于摻鉺光纖中，摻鉺光纖中的鉺離子吸收泵浦光后，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)輻射形成超熒光。ISO限制光只能單方向傳輸，因此可以消除因光來回反射而振蕩形成的激光，同時(shí)可以提高光源輸出的穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)中選擇的摻鉺光纖鉺離子含量約為2.889×1019個(gè)/cm3，截止波長為853.5 nm，在1 200 nm處的本底損耗≤50 dB/km，980 nm處的峰值吸收系數(shù)為4.5 dB/m，1 480 nm處的峰值吸收系數(shù)為2.8 dB/m，數(shù)值孔徑≥0.2，模場直徑為6.68 μm，長度為7 m。采用980 nm激光二極管作泵浦光源，中心波長為979.04 nm，閾值電流為27.8 mA。利用Anritsu MS9710C多功能光譜儀（最小分辨率為0.05 nm，測量范圍為600～1 750 nm）采樣得到的C波段光譜，如圖2所示。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)：1 525～1 540 nm波段的光譜有一個(gè)波峰，1 540～1 560 nm波段的光譜比較平坦，所以只需對波長范圍為1 525～1 540 nm的波峰進(jìn)行平坦化處理。

2 光譜增益平坦化實(shí)驗(yàn)對比研究

2.1 長周期光柵

LPFG利用光纖內(nèi)同向傳輸模式之間的耦合，把正向傳輸?shù)幕Ｄ芰坑羞x擇性地耦合到其他正向傳輸?shù)哪Ｊ街?，?shí)現(xiàn)選擇性損耗。應(yīng)用LPFG濾波器可以使摻鉺光纖光源增益曲線實(shí)現(xiàn)在一段波長范圍內(nèi)的衰減，其波長選擇范圍可達(dá)幾百微米。

采用目標(biāo)濾波譜的計(jì)算方法[10]，根據(jù)圖2所示的光源輸出光譜，在MATLAB環(huán)境中計(jì)算出目標(biāo)長周期光柵透射譜即增益補(bǔ)償譜，如圖3所示。利用這種方法計(jì)算出的目標(biāo)LPFG透射譜，最大限度地減小了LPFG濾波器引入的損耗以及平坦后光譜在選定波長范圍邊界處的不連續(xù)的程度。

根據(jù)計(jì)算的目標(biāo)LPFG透射譜，購置參數(shù)與之接近的LPFG，其透射譜如4圖所示。強(qiáng)度帶寬為12 nm，峰值損耗為6.4 dB，插入損耗為0.6 dB。

將此LPFG接入C波段摻鉺光纖超熒光光源中，再將其另一端與光譜儀連接，測得平坦后的光譜圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，利用LPFG實(shí)現(xiàn)了較好的平坦效果，1 532 nm波長附近的波峰基本被濾平，被平坦波段范圍內(nèi)（1 525～1 540 nm）的光譜不平坦度<±1.1 dB，整個(gè)C波段光譜的3 dB帶寬為39.125 nm。輸出功率較加入LPFG之前減小了1.49 dB，其中除了LPFG本身的插入損耗外，跳線的連接損耗也會使功率有所減小?？傊?，利用LPFG較好地實(shí)現(xiàn)了對C波段超熒光光源的平坦。

2.2 級聯(lián)馬赫曾德爾干涉儀型濾波器

級聯(lián)MZI的工作原理如下：耦合器將光場分為兩路，然后分別經(jīng)過不同干涉臂產(chǎn)生相位延遲，逐級形成多光束干涉，最后累積的干涉效應(yīng)會在輸出端得到，配置適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)（包括耦合系數(shù)、相移因子和干涉臂長差）就可以實(shí)現(xiàn)較好的光學(xué)濾波性能。

首先根據(jù)目標(biāo)濾波譜的計(jì)算方法，在MATLAB環(huán)境中計(jì)算出理想濾波器的透過譜，如圖3所示，然后利用Least Pth-norm算法計(jì)算出理想濾波器傳輸函數(shù)系數(shù)[11]，最后利用AMPSO算法[12-13]，通過使級聯(lián)MZI實(shí)際傳輸函數(shù)系數(shù)逼近理想系數(shù)，計(jì)算出MZI各個(gè)耦合器的耦合系數(shù)為[9.448 7 3.233 8 10.410 0 15.492 0 1.184 0 3.295 3 2.624 3 6.729 8]，從而實(shí)現(xiàn)了級聯(lián)MZI型光濾波器的設(shè)計(jì)。將其連入已搭建的ASE寬帶光源的光路中，利用光譜儀采樣得到平坦后的C波段光譜，如圖6所示。

從圖6中可以看出1 532 nm附近的波峰被明顯抑制，從而有效地實(shí)現(xiàn)了ASE寬帶光源增益平坦的目標(biāo)。被平坦波段范圍內(nèi)（1 525～1 540 nm）的光譜不平坦度<±0.73 dB，整個(gè)C波段光譜的3 dB帶寬為36.344 nm。

2.3 光纖環(huán)形鏡

利用FLM實(shí)現(xiàn)增益平坦控制，其基本思想是：將增益峰值波長（C波段的1 532 nm）作為FLM的可控反射（透射）波長，通過調(diào)節(jié)偏振控制器改變該波長的反射率（透射率），從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)衰減，達(dá)到平坦C波段增益的目的。本文利用過耦合器替代普通耦合器構(gòu)成FLM，這種FLM不僅可以調(diào)節(jié)反射率的大小，而且FLM的反射率會隨波長的變化而改變[14]，因此，利用過耦合器構(gòu)成的FLM可以作為一種平坦濾波器。

首先根據(jù)C波段ASE光譜（圖2），計(jì)算出目標(biāo)濾波譜，然后通過遍歷若干組（θ1，θ2，θ3）值，使FLM反射譜與目標(biāo)濾波譜無限逼近，同時(shí)確定對應(yīng)的耦合系數(shù)參量ω，φ。

當(dāng)θ1=π/3，θ2=π/4，θ3=π/4時(shí)，光纖環(huán)形鏡的反射譜與目標(biāo)濾波譜最接近，此時(shí)計(jì)算得到ω=0.157，φ=1.65π。根據(jù)計(jì)算出的參數(shù)購置過耦合器，制成光纖環(huán)形鏡。利用超熒光半導(dǎo)體激光二極管（SLD）寬帶光源（波長范圍為1.5～1.6 μm）對FLM進(jìn)行檢測。SLD寬帶光源通過光纖環(huán)形鏡后，在反射端測得的反射譜在1 532 nm附近有一個(gè)凹陷，它的強(qiáng)度帶寬約為20 nm，峰值損耗為7 dB，如圖7所示。改變偏振控制器的狀態(tài)，可以改變反射譜的位置和深度。

保持偏振控制器的狀態(tài)不動，將光纖環(huán)形鏡接入C波段ASE光源中，利用光譜儀采樣得到平坦后的光譜圖，如圖8所示。

這種FLM對C波段的ASE的本征峰有一定的平坦作用，但是沒有完全壓平1 532 nm波長附近的波峰，而且光源經(jīng)過光纖環(huán)形鏡后功率損耗較大。究其原因是使用的過耦合器的參數(shù)與計(jì)算得到的參數(shù)有一定差距，這直接影響了平坦效果，同時(shí)過耦合器的插入損耗較大，而且偏振控制器的熔接損耗也較大。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：馬赫曾德爾干涉儀型濾波器法可以快速、有效地完成摻鉺光纖超熒光光源寬帶光源平坦濾波器的設(shè)計(jì)，平坦效果也比較理想，但穩(wěn)定度較差；使用過耦合器構(gòu)成的光纖環(huán)形鏡在很大程度上改善了整個(gè)C波段光譜的平坦度，但平坦效果的優(yōu)劣直接依賴于過耦合器的性能，如果過耦合器的耦合比與波長變化曲線不能接近模擬計(jì)算的曲線，就不能很好地達(dá)到平坦C波段光譜目的，只能在一定程度上改善整個(gè)光譜的平坦度；設(shè)計(jì)的長周期光柵可以實(shí)現(xiàn)較好的平坦效果，且平坦前后光譜的損耗較小。

綜上所述，長周期光纖光柵具有結(jié)構(gòu)簡單、附加損耗小、帶寬大、后向反射小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室長期測試，輸出光譜具有較高的穩(wěn)定性，其輸出光譜功率的穩(wěn)定性在0.1 dB以內(nèi)，因此長周期光柵是摻鉺光纖光源增益平坦的理想元件。

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