基于影響鉍鉺共摻光纖測量熒光特性因素的研究?

（昆明船舶設(shè)備研究試驗中心 昆明 650051）

1 引言

信息高速公路模式的建立使得現(xiàn)代社會能快速交換數(shù)據(jù)，這種模式的核心是光纖通信。具體表現(xiàn)在商用用戶數(shù)量增加以及水下環(huán)境通信的需要，應該考慮容量和帶寬。摻雜鉺離子的光纖制成的光纖器件限制了1530nm～1610nm的工作頻帶，然而鉍和鉺元素共摻的光纖在1000nm～1600nm范圍內(nèi)為放大器和激光的發(fā)展提供了潛在的活性物質(zhì)。此外，它還可以為大容量光學傳感器的研究、光譜測量和光學信息處理做出貢獻。目前有一些測量方法能夠測量熒光中心[1～3]。然而，有一些變量可能會不同程度影響測量熒光特性的準確性，比如浦源，SMF1550單模光纖彎曲程度，接入BEDF長度，實驗室溫度，匹配油的添加。因此為了減少系統(tǒng)測量誤差，研究條件變量對熒光特性產(chǎn)生的影響尤為重要。

本文仿真在標準大氣壓與溫度實驗室環(huán)境下，在SMF1550單模光纖中接入部分鉍鉺共摻光纖，輸入不同的泵浦源功率，設(shè)定并分析三種變量環(huán)境下SMF1550單模光纖彎曲程度，BEDF長度以及匹配油的添加對測量BEDF熒光特性的影響。

2 影響測量發(fā)射和吸收譜的因素

2.1 彎曲路徑對光纖傳輸?shù)挠绊?/h3>

光纖彎曲可以分為微觀彎曲和宏觀彎曲兩類，這兩類彎曲均會導致信號功率衰減，影響信號傳輸階段的性能。微觀彎曲是縱向擾動到波導的結(jié)果而宏觀彎曲是肉眼可見彎曲現(xiàn)象，會造成光泄漏[4]。關(guān)于兩者彎曲度隨功率譜密度變化的曲線可參照圖1。

圖1 宏觀彎曲和微觀彎曲的區(qū)別

2.2 路徑長度對光纖傳輸?shù)挠绊?/h3>

在不同光纖發(fā)生耦合時，傳輸損耗不能被忽略。距離損耗的單位是dB/km，K.C.Kao和G.A.HocKham指出光纖損耗不是固有的，而是由材料雜質(zhì)引起的，當光纖純度過高時，距離傳輸損耗將被減少到20dB/km。離子濃度與傳輸損耗有直接關(guān)系，長度不是唯一的決定性因素[5～6]。當 SMF1550和BEDF光纖耦合時，BEDF長度越長，熒光強度（發(fā)射譜）越強。從圖2中可以看出，采用980nm激光源和背向浦結(jié)構(gòu)，當BEDF長度接近26cm，熒光強度達到最強。當BEDF接入長度從26cm處開始持續(xù)增加的情況下，熒光強度不變[7～9]。因此為得到最強熒光強度，26cm是最佳長度當使用980nm激光源和背向浦結(jié)構(gòu)，這將為BEDF激光源和放大器性能的提高提供相應的參考。

2.3 匹配油對光纖傳輸?shù)淖饔?/h3>

使用光纖熔接機將兩根不同的光纖進行連接或者耦合，將匹配油添加到連接處，可以降低兩根光纖核心連接處的損耗。通常來說，匹配油的折射率是在1.462而工作溫度是在-50℃～180℃之間，匹配油的原理是減少光纖端面之間低折射率空隙引起的菲涅爾反射[10]?？捎糜诠饫w測試和永久的連接。此外對于光纖連接器的回波損耗也是有效的。匹配油也能用于MT-RJ之間的連接[11～12]。

3 試驗總體設(shè)計

試驗所需設(shè)備：

1）SMF1550彎曲直徑：1.1cm，4.9cm，不彎曲；

2）OSA頻譜分析儀；

3）激光源：980nm

4）有無匹配油；

5）BEDF長度9.5cm，24cm，100cm；

6）泵浦結(jié)構(gòu)：背向。

將980nm激光源（發(fā)射功率源）與OSA共同接入WDM，將1m長的SMF1550單模光纖彎曲不同程度接入WDM（實際上SMF1550長度損耗可以忽略不計），然后使用熔接機連接SMF1550和BEDF光纖，連接處，添加定量匹配油，最后將BEDF輸出端接入功率計。其中，OSA用來觀測BEDF熒光曲線以及中心峰值，功率計用來顯示BEDF輸出端剩余功率，設(shè)計原理圖請參照圖3。

圖2 路徑傳輸長度對熒光強度影響

4 單模光纖SMF1550彎曲對測量結(jié)果的影響

BEDF光纖分別選擇9.5cm和24cm，不添加匹配油，從下圖可以看出，剩余功率（測量功率）隨著泵浦功率增加而增加，在彎曲半徑較小處有較為緩慢增長，通過比較斜率，彎曲4.9cm和1.1cm的情況下，剩余功率衰減幅度基本相同。為直觀顯示不同彎曲度對測量結(jié)果的影響，現(xiàn)統(tǒng)一做歸一化處理，以平直光纖為歸一化參照標準，定義相對增益系數(shù)曲率（Relative Gain Factor Curve，RGFC）：

式中，P（d），P（∞）分別為單模光纖SMF1550彎曲固定直徑下和不彎曲下的剩余功率，當RGFC越大，表示彎曲對測量剩余功率結(jié)果的影響越大；反之，越小。當RGFC接近100%，BEDF彎曲基本對剩余功率基本沒有影響，可以忽略。從圖4中可以看出RGFC小于100%，說明剩余功率隨直徑減小而減小，在泵浦功率位于130mA～200mA處，彎曲對結(jié)果的影響基本穩(wěn)定。在50mAmA～250mA的泵浦發(fā)射功率下，當d=1.1cm，彎曲對剩余功率有最大10%的影響；當d=4.9cm，有最大12%的影響。

圖3 實驗設(shè)計原理圖

圖4 SMF1550彎曲對功率影響百分比

從實驗結(jié)果可以看出，熒光強度隨著泵浦功率增加而增加，在1190.8nm處峰值是由鉍離子引起，1535.8nm處峰值是由鉺離子引起，隨著泵浦功率增加，中心波長處的峰值不會改變，1000nm～1600nm波長范圍內(nèi)的熒光強度增速放緩趨于飽和。

從圖5可以看出，隨著泵浦功率增加，中心波長處的峰值不會改變，1000nm～1600nm波長范圍內(nèi)的熒光強度增速放緩趨于飽和。當單模光纖彎曲到4.9cm時基本對熒光強度測量沒有影響，當光纖彎曲到1.1cm時對熒光強度有較大影響。

圖5 SMF1550彎曲對熒光特性影響百分比

5 BEDF長度改變對測量結(jié)果的影響

BEDF光纖長度選擇9.5cm，SMF1550單模光纖直徑選擇4.9cm，不添加匹配油，剩余功率（測量功率）隨著泵浦功率增加而增加，當BEDF長度越長，剩余功率越低，增長較為緩慢，為直觀顯示不同長度BEDF對測量結(jié)果的影響，現(xiàn)統(tǒng)一做歸一化處理，以100cm光纖為歸一化參照標準，為直觀顯示不同彎曲度對測量結(jié)果的影響，現(xiàn)定義相對增益系數(shù)曲率（Relative Gain Factor Curve，RGFC）：

式中，P（L）（L取9.5cm，24cm，100cm），P（100cm）分別為BEDF光纖固定長度和長度為100cm下的剩余功率，當RGFC越大，表示長度越長對測量剩余功率結(jié)果的影響越大。從圖6中可以看出，當RGFC接近0時，BEDF長度接近100cm。

圖6 BEDF長度變化對功率特性影響百分比

同樣為直觀顯示不同彎曲度對熒光特性測量結(jié)果的影響，現(xiàn)統(tǒng)一做歸一化處理，以平直光纖為歸一化參照標準，定義相對增益系數(shù)曲率（Relative Gain Factor Curve，RGFC）：

式中，I（d），I（∞）分別為單模光纖SMF1550彎曲固定直徑下和不彎曲下的熒光強度，當RGFC越大，表示彎曲對測量熒光特性的影響越大；反之，越小。當RGFC接近100%，BEDF彎曲基本對熒光強度基本沒有影響，可以忽略。從圖7中可以看出，在峰值1190.8nm處，當單模光纖彎曲直徑等于1.1cm或4.9cm時，RGFC接近于100%隨著泵浦功率增加，所以彎曲的影響基本可以被忽略；在峰值1535.8nm處，當單模光纖彎曲直徑等于d=4.9cm，RGFC接近100%，但是當單模光纖彎曲直徑減少到1.1cm時，RGFC下降至50%說明1cm的彎曲半徑對熒光特性輕度的影響較大。

圖7 BEDF長度變化對熒光強度特性影響百分比

6 匹配油添加對測量結(jié)果的影響

BEDF光纖長度分別選擇9.5cm和100cm，不彎曲拉直SMF1550光纖，分別添加匹配油和不添加匹配油。為直觀顯示匹配油對測量結(jié)果的影響，現(xiàn)統(tǒng)一做歸一化處理，以無匹配油為歸一化參照標準，同樣定義相對增益系數(shù)曲率（Relative Gain Factor Curve，RGFC）：

圖8 匹配油添加對功率特性影響百分比

當RGFC1或RGFC2接近100%時，添加匹配油對功率和熒光強度的的影響可以被忽略。隨著泵浦功率增加，中心波長處的峰值不會改變，當匹配油添加到BEDF光纖和SMF1550單模光纖連接處，熒光峰值并未發(fā)生改變，所以，在實際測量中匹配油的作用可以被忽略。

圖9 匹配油添加對熒光特性影響百分比

7 結(jié)語

本實驗目標是找到影響熒光特性和浦功率變量，并且評估影響的范圍大小。在本次實驗中，BEDF長度，單模SMF1550彎曲程度，匹配油的添加對熒光特性和浦功率吸收有不同程度影響，當采用背向浦結(jié)構(gòu)和980nm浦功率源。在BEDF長度為9.5cm和100cm時，沒有任何彎曲的情況下，在實際測量中，匹配油的添加基本可以被忽略，因為最大只有3%的影響對剩余功率（浦吸收），對熒光特性（發(fā)射譜）最大只有3.5%的影響。在BEDF接入長度為9.5cm、24cm、100cm并且不添加任何匹配油情況下，SMF1550彎曲直徑小于1.1cm時的影響應該被考慮，因為最大有對剩余功率10%的影響以及80%的影響對熒光特性。在SMF1550彎曲直徑在1.1cm和4.9cm沒有匹配油時，BEDF長度越長，熒光強度（發(fā)射譜）越強，剩余功率（浦吸收）越少，剩余功率將增加最大137%；BEDF長度從100cm下降到9.5cm時，當BEDF長度為從100cm減少到9.5cm時，熒光強度衰減到30%。因此，為了減少實際測量的誤差，SMF1550彎曲直徑在與BEDF光纖連接時，彎曲直徑不應該小于1.1cm，匹配油的添加因素可以被忽略。除此之外，BEDF長度的改變對浦功率和吸收熒光強度有直接和明顯的影響。