高精度光纖陀螺用寬譜ASE 光源的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

王澤宇，楊 博，李 勇，徐宏杰，陳小娟，趙 博

（1.北京控制工程研究所，北京 100190；2.空間智能控制技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

現(xiàn)階段，偵察、測繪等遙感衛(wèi)星的對地分辨率逐步提高，高精度姿態(tài)測量是新型衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)超高穩(wěn)定度控制的前提[1,2]。近年來，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)已通過多種途徑實(shí)現(xiàn)了光纖陀螺性能和環(huán)境適應(yīng)性的提升[3-6]，高精度測微敏感器作為衛(wèi)星姿態(tài)測量關(guān)鍵部件，其性能直接決定了系統(tǒng)的控制精度，同時(shí)衛(wèi)星用高精度光纖陀螺還需滿足抗輻照等應(yīng)用要求[7,8]。陀螺的性能優(yōu)劣與光源的性能是密不可分的。區(qū)別于廣泛應(yīng)用于中、低精度光纖陀螺中的SLD 光源，ASE 光源是一種基于自發(fā)輻射效應(yīng)的光源，其中所用的稀土元素能級(jí)結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，能夠提供高精度光纖陀螺研制所需的關(guān)鍵指標(biāo)，是高精度測微敏感器的核心組件。

在空間應(yīng)用領(lǐng)域方面，基于介質(zhì)摻雜的特種光纖在光纖傳感及測量方面具有廣泛的應(yīng)用前景。其中，法國的iXblue公司多年來從事宇航用光纖陀螺產(chǎn)品的研制，其產(chǎn)品中ASE 光源方案選用了抗輻照摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，并在可靠性設(shè)計(jì)方面針對泵浦激光器、光柵和隔離器制定了針對性的篩選和鑒定方案進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)多年完善形成了如圖1 所示滿足空間長壽命需求的ASE 光源，并在Astrix120 和Astrix200 等高精度光纖陀螺產(chǎn)品中得到了推廣應(yīng)用[9]。

圖1 空間應(yīng)用ASE 光源Fig.1 ASE light source applied in space

雖然國內(nèi)ASE 光源相關(guān)的研究起步較晚，但依托于快速發(fā)展的通信技術(shù)及相關(guān)器件工藝，ASE 光源性能得到快速提升。目前，主要參數(shù)水平與國外較為接近。然而，真正可以用于高精度光纖陀螺空間應(yīng)用并能工程化的摻鉺光纖光源還是相對較少，國內(nèi)的大部分光源存在譜寬過窄、或者波長穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。隨著各領(lǐng)域?qū)Ω呔裙饫w陀螺的需求逐步增加，對摻鉺光纖光源開展相關(guān)特性的優(yōu)化研究具有重要意義。

針對ASE 光源技術(shù)在宇航用高精度光纖陀螺產(chǎn)品中的工程化應(yīng)用研究，北京控制工程研究所開展了光源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配工藝優(yōu)化和批產(chǎn)質(zhì)量一致性提升等專項(xiàng)工作。同時(shí)，為進(jìn)一步提升現(xiàn)有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)裕度，開展ASE 光源性能進(jìn)一步優(yōu)化?；谠鲆嫫教篂V波和高斯技術(shù)，完成了更大光譜寬度（≥20 nm）ASE光源技術(shù)的性能驗(yàn)證。

1 航天器用ASE 光源原理及設(shè)計(jì)

光源是光纖陀螺的關(guān)鍵部件，陀螺的性能優(yōu)劣與光源的性能密不可分。廣泛應(yīng)用的SLD 光源可以滿足中低精度陀螺的需求。然而，一方面，SLD 光源光束發(fā)散角相對較大，與單模光纖耦合效率低，導(dǎo)致其輸出功率較低；另一方面，SLD 光源平均波長的全溫漂移在400 ppm 量級(jí)，溫度引起光源波長的漂移會(huì)直接導(dǎo)致陀螺標(biāo)度因數(shù)的誤差。SLD 光源很難滿足高精度光纖陀螺的指標(biāo)需求。

ASE光源對于提高光纖陀螺的精度和穩(wěn)定性有很大優(yōu)勢。ASE 光源輸出功率高，可以有效提升光纖陀螺輸出的信噪比，以獲得更好的性能；Er+能級(jí)結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，平均波長穩(wěn)定性好，有利于光纖陀螺的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性的提升；光譜寬度更大，可以有效抑制和消除各種光學(xué)噪聲引入的誤差；高斯型光譜更有利于提升標(biāo)度因數(shù)非線性度。

1.1 ASE 光源基本原理

鉺離子能級(jí)躍遷典型示意圖如圖2 所示，可以簡單看做是由基態(tài)能級(jí)E0，泵浦能級(jí)E1 和激發(fā)態(tài)能級(jí)E2 構(gòu)成的一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)。在980 nm 泵浦光的激勵(lì)下，處于基態(tài)能級(jí)E0 的鉺離子會(huì)躍遷到泵浦能級(jí)E1，在E1 能級(jí)上的鉺離子壽命很短，只有幾個(gè)μs，隨后迅速地以無輻射躍遷形式移動(dòng)到激發(fā)態(tài)能級(jí)E2 上，鉺離子在這個(gè)能級(jí)上的壽命有10 ms 左右。由于停留時(shí)間較長，促使在E2 能級(jí)上積累了大量的鉺離子，最終形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，發(fā)生放大的自發(fā)輻射并產(chǎn)生超熒光，即激發(fā)態(tài)能級(jí)E2 上的鉺離子以自發(fā)輻射或受激輻射的形式躍遷回基態(tài)能級(jí)E0，并隨之產(chǎn)生C-L波段，即1520-1600 nm 的光。在實(shí)際使用的高濃度且低損耗的較長摻鉺光纖中，在光纖的前段激發(fā)態(tài)中的較高能級(jí)躍遷產(chǎn)生C 波段的放大自發(fā)輻射光，隨著在光纖中的傳輸，C 波段光又會(huì)作為二次泵浦源被后端摻鉺光纖再次吸收放大，最終產(chǎn)生L 波段的放大自發(fā)輻射光。

圖2 鉺離子能級(jí)躍遷典型示意圖Fig.2 Schematic diagram of energy level transition of Er+

1.2 ASE 光源方案設(shè)計(jì)

ASE 光源功能結(jié)構(gòu)上主要包括三個(gè)要素：受激輻射介質(zhì)即摻鉺光纖、泵浦激光器和配套的無源傳導(dǎo)光學(xué)器件。結(jié)合Er+自發(fā)輻射譜，本文設(shè)計(jì)上選用了圖3所示的ASE 光源方案，組成上包括泵浦激光器、波分復(fù)用器、光纖反射鏡、摻鉺光纖、光纖隔離器和光纖耦合器六大光學(xué)器件?？臻g應(yīng)用的特殊環(huán)境條件之一是空間輻照。無源器件所用光纖長度較短且無摻雜。因此對于ASE 光源而言，受電離輻照總劑量影響的主要還是摻鉺光纖。相關(guān)研究指出，摻鉺光纖摻雜濃度較高時(shí)，摻鉺光纖光源的抗輻照能力較強(qiáng)[10]。針對空間應(yīng)用高精度光纖陀螺對抗輻照性能的特殊需求，設(shè)計(jì)選擇高摻的摻鉺光纖。

圖3 雙程前向光源方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of dual-pass forward light source scheme

圖4 鉺離子的自發(fā)輻射譜Fig.4 Spontaneous radiation spectrum of Er+

圖5 雙程前向ASE 光源仿真分析Fig.5 Simulation analysis of dual-pass forward ASE light source

ASE光源的光譜形狀是由鉺離子的原子能級(jí)決定的，如圖為鉺離子的自發(fā)輻射譜，它由1530 nm 的前峰和1560 nm 的后峰組成，1530 nm 處譜寬約6 nm，1560 nm 處譜寬約12 nm。光源在設(shè)計(jì)時(shí)通常選用后峰以獲得較寬的譜寬。結(jié)合原理分析可知，在實(shí)際高摻的摻鉺光纖中，隨著在光纖中的傳輸，產(chǎn)生的C 波段光又會(huì)作為二次泵浦源被后端摻鉺光纖再次吸收放大，最終產(chǎn)生L 波段的放大自發(fā)輻射光。即對于如圖3所示的前向結(jié)構(gòu)而言，輸出光以后峰L 波段光為主。

光源在設(shè)計(jì)時(shí)，通過對光源結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以獲得較寬光譜的后峰結(jié)構(gòu)。同時(shí)，空間用高精度光纖陀螺對ASE 光源提出了功率高于5 mW 的應(yīng)用需求，以保證產(chǎn)品在經(jīng)歷輻照總劑量累積導(dǎo)致的功率衰減后仍能高可靠、長壽命地正常工作。結(jié)合高精度光纖陀螺對高斯光譜、低紋波和低溫度敏感性的工程化需求，對ASE 光源的主要技術(shù)指標(biāo)提出了表1 所示的典型要求。

表1 ASE 光源主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indicators of ASE light source

1.3 仿真分析

結(jié)合圖3 所示的ASE 光源方案和表1 的指標(biāo)需求，重點(diǎn)對各部分的器件參數(shù)進(jìn)行仿真，以獲得高斯光譜、高功率和寬光譜的光源方案。根據(jù)表2 中的仿真參數(shù)，圖給出了不同長度高摻摻鉺光纖下ASE 光源的光譜變化趨勢。

由圖(b)可以看出當(dāng)鉺纖長度較短時(shí)，輸出光譜包含1530 nm 和1560 nm 兩個(gè)峰值波長，其中，主峰在1560 nm 處附近，且譜寬較寬；隨著鉺纖長度的增加，峰值波長逐漸向長波段方向偏移，同時(shí)1530 nm 的峰值波長經(jīng)泵浦后逐漸向后峰躍遷。選擇合適的鉺纖長度可使得最終ASE 光源的輸出光譜為高斯型且峰值波長為1560 nm。

2 工程化驗(yàn)證

2.1 工藝優(yōu)化

ASE光源在裝配時(shí)需將摻鉺光纖及數(shù)個(gè)光纖器件緊湊地裝配在結(jié)構(gòu)中，盤纖較為復(fù)雜，且過程中不可避免地會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻。為此，在ASE 光源研制過程中，對裝配工藝和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低應(yīng)力及裝配的復(fù)雜性，最終實(shí)現(xiàn)了ASE 光源的批量研制，如圖6 所示。

圖6 ASE 光源組件批量研制Fig.6 Batch production of ASE light source

2.2 性能驗(yàn)證

將裝配完畢的三套ASE 光源組件進(jìn)行了性能測試，如表3 所示，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)需求，同時(shí)還分析了輸出功率、譜寬及平均波長與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系，如圖7 所示，從趨勢上可以看出，光功率與驅(qū)動(dòng)電流呈線性關(guān)系，通過增加驅(qū)動(dòng)電流能夠顯著提升光功率；同時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大，光譜和平均波長的波動(dòng)趨于穩(wěn)定。

表3 ASE 光源組件主要技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況（@130mA）Tab.3 Realization of main technical specifications of ASE light source(@130mA)

圖7 ASE 光源組件主要特性隨驅(qū)動(dòng)電流的變化曲線Fig.7 Main characteristics of ASE light source vary with driving current

ASE光源的光功率和平均波長與溫度存在一定的相關(guān)性，根據(jù)圖8 所示測試方案對光源的光功率、光譜進(jìn)行在線測試，測試曲線如圖9 所示。經(jīng)分析，表4給出了三只ASE 光源全溫指標(biāo)均滿足光功率變化量≤15%、平均波長變化量≤200 ppm 的技術(shù)指標(biāo)要求，可滿足空間應(yīng)用需求。

表4 全溫性能測試結(jié)果匯總Tab.4 Summary of full-temperature performance test results

圖8 全溫測試示意圖Fig.8 Schematic diagram of total temperature test

圖9 ASE 光源全溫性能摸底測試Fig.9 Mapping test for full-temperature performance of ASE light source

2.3 環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

ASE 光源作為高精度光纖陀螺產(chǎn)品的核心組件，其可靠性直接影響著產(chǎn)品的壽命。為此，針對空間應(yīng)用的典型環(huán)境特點(diǎn)，開展了熱循環(huán)、熱真空試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)條件如表5 所示，試驗(yàn)過程光功率測試曲線如圖10 所示。表6 統(tǒng)計(jì)了熱循環(huán)及熱真空試驗(yàn)過程中光功率和平均波長變化量，可以看出各個(gè)光源的輸出均滿足光功率變化量≤15%、平均波長變化量≤200 ppm技術(shù)指標(biāo)要求，裕量充足。圖11 給出了環(huán)境試驗(yàn)前后，ASE 光源輸出功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化曲線，可以看出采用優(yōu)化裝配工藝的ASE 光源在經(jīng)歷溫度范圍-45℃～70℃的熱循環(huán)及熱真空環(huán)境的試驗(yàn)前后，性能一致性較好，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。

表5 ASE 光源環(huán)境試驗(yàn)條件Tab.5 Environmental test conditions of ASE light source

表6 熱試驗(yàn)過程光功率及平均波長變化量匯總表Tab.6 Summary table of changes in output power and mean wavelength during thermal test

圖10 熱試驗(yàn)各循環(huán)高低溫功率變化曲線Fig.10 Output power change curve at high and low temperature in each cycle during thermal test

圖11 ASE 光源輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系曲線(環(huán)境試驗(yàn)前后)Fig.11 The curve of output power of ASE light source with different driving current (before and after environmental test)

3 高譜寬ASE 研究進(jìn)展

3.1 寬譜濾波技術(shù)

為了進(jìn)一步提升ASE 光源的光譜，考慮采用增益平坦濾波器疊加高斯濾波器的設(shè)計(jì)方法，具體方案如圖12 所示。增益平坦濾波是在ASE 光源輸出時(shí)，通過一個(gè)與輸出光譜增益譜線相反的插入損耗譜線的濾光片，實(shí)現(xiàn)平坦寬譜的產(chǎn)生。根據(jù)獲得平坦譜型，再利用高斯型濾波器將光譜整形成所需寬度，兩種濾波器均可采用介質(zhì)薄膜濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖12 濾波器方案示意圖（增益平坦與高斯濾波）Fig.12 Schematic diagram of filter scheme (gain flat and gaussian filter)

在光源后峰（1560 nm）為中心的40 nm 寬度內(nèi)設(shè)計(jì)GFF 濾波器，實(shí)現(xiàn)在該波長范圍內(nèi)的增益平坦。以中心波長1560 nm，譜寬25 nm 設(shè)計(jì)高斯濾波器。采用高精度光譜儀對光源的輸出光譜進(jìn)行測量，從而得到最終濾波器的參數(shù)。摻鉺光纖光源的平均波長是依據(jù)光源輸出功率的功率譜密度進(jìn)行定義，在光功率譜密度中，根據(jù)光譜中每一頻率λi分量的功率值P（λi）通過積分可得到光源的總功率輸出。基于此，光源的平均波長λ和譜寬 Δλ可分別通過式(1)(2)獲取[11]：

根據(jù)上述分析，實(shí)際測試了雙程前向光源方案中摻鉺光纖光源的譜型，并據(jù)此設(shè)計(jì)了濾波器的譜形如圖13 所示，計(jì)算得到光源譜寬大于20 nm，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖13 濾波器濾波效果譜線Fig.13 Spectral curve of filtering effect

3.2 寬譜光源實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述分析搭建ASE 光源測試系統(tǒng)，測試隔離器后輸出光譜如圖14(a)所示；根據(jù)寬譜濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)，制作樣件，濾波器輸出光譜如圖14(b)。光源輸出譜寬由10.63 nm 增大至20.47 nm，實(shí)現(xiàn)了寬光譜ASE光源設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖14 ASE 光源光譜測試Fig.14 Spectral test of ASE light source

理論及實(shí)驗(yàn)表明，光源具有高于5 mW 的光功率能夠保證產(chǎn)品在輻照環(huán)境下衰減后仍能保持正常工作。圖15 給出了ASE 輸出光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化曲線。

圖15 ASE 光源輸出功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化曲線Fig.15 The curve of output power of ASE light source with different driving current

4 結(jié)論與展望

針對高精度光纖陀螺用寬譜ASE 光源工程化的應(yīng)用需求，本文采用雙程前向結(jié)構(gòu)完成了寬譜ASE 光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配工藝優(yōu)化、性能指標(biāo)及可靠性驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)了功率≥5 mW、譜寬≥10 nm 的高斯型寬譜ASE 光源的批量生產(chǎn)，且在高精度光纖陀螺宇航產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用。同時(shí)，針對未來高精度光纖陀螺性能裕度進(jìn)一步提升的需求，開展了ASE 光源光譜進(jìn)一步優(yōu)化，結(jié)合平坦濾波和高斯濾波技術(shù)的方式，獲得了譜寬≥20 nm 的ASE 光源，有望為高精度陀螺提供更高的精度裕度。