CN101201249A - 具有平均波长稳定性的宽谱光纤光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有平均波长稳定性的宽谱光纤光源，包括有泵浦光源(1)、宽谱光纤光栅(2)、掺铒光纤(3)、光纤隔离器(4)，泵浦光源(1)的尾纤与宽谱光纤光栅(2)的光纤(205)的一端熔接，光纤(205)的另一端与掺铒光纤(3)的一端熔接，掺铒光纤(3)的另一端与光纤隔离器(4)的入纤熔接；泵浦光源(1)出射的泵浦光(11)经过宽谱光纤光栅(2)注入掺铒光纤(3)中，宽谱光纤光栅(2)对于泵浦光(11)完全透过，对于掺铒光纤(3)的自发辐射波段具有选择性的反射。本发明超辐射光纤光源在全温范围－50℃～70℃内平均波长为0.1～0.2ppm/℃，输出功率超过10mW。本发明宽谱光纤光源在结构上无需采用光纤波分复用器、增益平坦滤波器等器件，因而采用器件少，结构简单，对于超辐射光纤光源输出没有滤波损耗，光－光转换效率高，输出功率大。

Description

具有平均波长稳定性的宽谱光纤光源

技术领域

本发明涉及一种适用于高精度干涉型光纤陀螺的光纤光源，更特别地说，是指一种能够保持全温范围(-50℃～70℃)内平均波长稳定的超辐射光纤光源，特别适用于作为干涉型高精度光纤陀螺的光源。

背景技术

采用宽谱光源是干涉型光纤陀螺技术取得突破的关键。光纤陀螺中的各种光路噪声和非互易现象均可通过采用宽谱光源来降低或消除，包括瑞利散射噪声、各种反射光造成的非互易、偏振串扰非互易、Kerr非线性效应。主要利用的是宽谱光源的短时间相干特性，使得各种非互易性光波失去了与主波之间的相干性，大大减小了由它们引起的强度噪声和非互易相位移动。

光纤陀螺中常用的光源有超辐射发光二极管(super luminescent diode，简称SLD)和超辐射光纤光源(superfluorescent fiber source，简称SFS)。在零漂低于0.01°/h、标度稳定性小于10ppm的高精度光纤陀螺中，目前普遍采用超辐射光纤光源，因为它具有更稳定的平均波长，可以达到10ppm的长期稳定性，同时还具有更高的输出功率。

超辐射光纤光源的出现与光通信的发展密不可分。目前常用的超辐射光纤光源采用掺铒光纤作为增益介质，它直接来自于光通信中的掺铒光纤放大器(ErbiumDoped Fiber Amplifier，EDFA)技术。

EDFA可以在一定的波长范围内(1525～1565nm)实现光波信号的直接放大：信号光与波长较其为短的光(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的铒离子吸收而使其跃迁至更高能级，在信号光的激励下通过能级间的跃迁发射出与信号光同频的光波，信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。只要泵浦光功率足够强，光纤中就会有足够的而离子激发到上能级形成粒子数反转，信号光通过时就能得到放大。在通信领域，EDFA中存在的放大自发辐射(ASE)光是主要噪声来源，而宽谱光源恰恰是利用了EDFA中的ASE光，在没有信号光的情况下，该自发辐射光经过单程或双程的放大传输，输出成所需要的宽谱光，从而成为超辐射光纤光源。

为了获得高性能的超辐射光纤光源，人们研究了多级放大结构、SLD和EDFA结合的结构等。为了获得宽光谱，人们一般采用滤波或改变SFS结构参数的方法，借用光通信中的C+L波段EDFA技术，人们也推出了C+L波段的超辐射光纤光源，主要靠双级双泵浦并选择超长的掺铒光纤获得L波段的超荧光放大。SFS平均波长稳定性问题一直是研究的重点，因为它直接影响了高精度光纤陀螺的标度因子的稳定性。人们从光源结构、偏振控制、光栅滤波补偿等方面研究了不同SFS的平均波长稳定特性，在全温范围内，SFS的平均波长温度稳定性仍是个难以解决的难题。

发明内容

为了解决全温范围(-50℃～70℃)内光纤光源的中心波长稳定性的问题，本发明提出了一种采用宽谱光纤光栅作为对特定波长的光进行反射，反射光被掺铒光纤放大、以及光纤隔离器隔离后输出单峰的宽谱光。此单峰宽谱光具有全温范围内平均波长为0.1～0.2ppm/℃。将此种光源应用到高精度光纤陀螺中能够有效地提高光纤陀螺的全温标度因子的稳定性。

本发明的光纤光源由半导体激光器泵浦源、光纤光栅及其温度补偿封装、掺铒光纤和光隔离器组成。泵浦光源输出光经过光纤光栅注入掺铒光纤，光纤光栅对于掺铒光纤的自发辐射波段具有选择性的反射，对于泵浦光完全透过。光纤光栅的温度补偿封装用于调整光纤光栅反射谱随温度的变化。光隔离器用于输出自发辐射光，并且阻止反馈光进入掺铒光纤，避免形成谐振腔而产生激光。本结构的超辐射光纤光源无需采用光纤波分复用器(WDM)(即泵浦光源1与宽谱光纤光栅2之间省略了WDM)、增益平坦滤波器(在光隔离器4输出端之后无此器件)等器件，具有结构简单、转换效率高、输出功率大、平均波长稳定性好等特点，特别适用于高精度光纤陀螺。

附图说明

图1是本发明宽谱光纤光源的结构框图。

图2是泵浦光经光纤光栅、掺铒光纤后输出1530nm放大的自发辐射光的流向示意图。

图3是宽谱光纤光栅的外部结构图。

图3A是基座、光纤与调节组件的装配结构图。

图3B是铝夹块的结构图。

图3C是调节块的结构图。

图4是普通超辐射光纤光源的光谱随温度变化曲线。

图5是本发明光纤光源的光谱随温度变化曲线。

图中：1.泵浦光源        11.泵浦光     12.C光        13.E光2.宽谱光纤光栅 201.长套管   202.短套管    203.A锥形管   204.B锥形管205.光纤      206.基座      261.B圆柱段   262.A圆柱段   263.调节段264.凹槽      265.左调节面  266.右调节面  207.铝夹块    271.T形头272.弧形槽    273.调节臂    208.调节块    281.A端头     282.B端头283.安装面    284.外侧面    285.外侧面    209.A调节螺钉 210.B调节螺钉3.掺铒光纤    31.A光        32.B光        33.F光        34.D光4.光纤隔离器

具体实施方式

本发明是一种适用于高精度干涉型光纤陀螺的超辐射宽谱光纤光源，是一种应用简单结构设计实现转换效率高、输出功率大、平均波长稳定性好，其中平均波长稳定性可以达到0.1～0.2 ppm/℃，输出功率超过10 mW。

请参见图1、图3所示，本发明是一种适用于高精度干涉型光纤陀螺的、具有平均波长稳定性的超辐射宽谱光纤光源，泵浦光源1的尾纤与宽谱光纤光栅2的光纤205的一端熔接，光纤205的另一端与掺铒光纤3的一端熔接，掺铒光纤3的另一端与光纤隔离器4的入纤熔接。泵浦光源1出射的泵浦光11经过宽谱光纤光栅2注入掺铒光纤3中，宽谱光纤光栅2对于泵浦光11完全透过，对于掺铒光纤3的自发辐射波段具有选择性的反射(光的反射方式参见图2所示)。宽谱光纤光栅2的封装结构采用双金属片或者具有负膨胀系数的材料加工，将光纤205固定于其中，用于补偿光纤光栅反射谱随温度的变化。光隔离器4用于阻止反馈光进入掺铒光纤3，避免形成谐振腔而产生激光，另一方面光隔离器4可以阻止剩余的E光13(剩余的泵浦光)进入光纤陀螺光路，而F光33可以经过这个光隔离器4输出进入高精度光纤陀螺光路。

在本发明中，泵浦光源1可以采用980nm半导体激光器，也可以是波长为1480nm的半导体激光器。

请参见图2所示的泵浦光11经宽谱光纤光栅2、掺铒光纤3后输出F光33(即1530nm放大的自发辐射光)的流向示意。泵浦光11经宽谱光纤光栅2进入掺铒光纤3后成为C光12(C光是指在掺铒光纤3中传输的泵浦光)，C光12在掺铒光纤3传输过程中被铒离子吸收，使得铒离子由基态跃迁到激发态，通过铒离子从激发态到基态的自发辐射跃迁产生1525nm～1565nm的自发辐射光，其中，1530nm附近的自发辐射光称为A光31，1560nm附近的自发辐射光称为D光34(D光34没有被宽谱光纤光栅2反射)。A光31被宽谱光纤光栅2反射后形成正向的1530nm附近的自发辐射光(即B光32)，B光32在掺铒光纤3中传输的过程中，逐渐被放大最后形成出射的F光33(是指放大后的1530nm自发辐射光)；在输出端还有一部分没有被吸收的E光13(是指剩余的部分泵谱光)。

在本发明中，光纤光栅2对于掺铒光纤3的自发辐射波段具有选择性的反射，从而降低掺铒光纤本征温度特性对于超辐射光纤光平均波长的影响。掺铒光纤的本征温度特性来自铒离子能级结构随温度的变化，掺铒光纤中的铒离子可以看作三能级结构，低能级的铒离子吸收一定的泵浦能量会跃迁到高能级，这两个能级由于Stark分裂都存在均匀或非均匀的展宽，当温度改变时，这两个能级的上层粒子数改变较大，导致自发辐射谱线随温度发生变化。对于普通的超辐射光纤光源，一般情况下有1530nm和1560nm附近的两个本征峰存在，而且两个本征峰随着温度变化为此消彼长的关系，因此当环境温度变化时，超辐射光纤光源的平均波长变化很大，远远超过了高精度光纤陀螺标度因数稳定性的要求。而通过光纤光栅对于掺铒光纤的自发辐射波段具有选择性的反射，可以抑制其中的一个本征峰，大大提高超辐射光纤光源的平均波长稳定性。

请参见图3、图3A、图3B和图3C所示，宽谱光纤光栅2的基座206的A圆柱段262外部套接有长套管201，长套管201的另一端螺纹连接有A锥形管203；基座206的B圆柱段261外部套接有短套管202，短套管202另一端螺纹连接有B锥形管204；光纤205顺次穿过A锥形管203、基座206的凹槽264、铝夹块207的弧形槽272；调节块208安装在位于基座206的调节段263内，铝夹块207安装在基座206的凹槽264内，且调节臂273卡合在调节块208的A端头281与B端头282之间的安装面283上，T形头271顶紧在调节段263的端面。A调节螺钉209的一端穿过左调节面265上的通孔后顶紧在调节块208的A端头281的侧面285上；B调节螺钉210的一端穿过右调节面266上的通孔后顶紧在调节块208的B端头282的侧面284上。在本发明中，对于光纤205的夹紧与松驰，可以从外部通过调节A调节螺钉209、B调节螺钉210来实现，其操作方便，同时也避免了因折卸仪器造成的器件损坏。

本发明具有平均波长稳定性的宽谱光纤光源目的在于：解决高精度光纤陀螺标度因子稳定性需要。对于高精度光纤陀螺，其萨格赖克相移Δφ与陀螺转速Ω的关系为 $\mathrm{\Δ\φ}=\mathrm{\&Kgr;\Ω}=\frac{2\mathrm{\πLD}}{\mathrm{\λc}}\mathrm{\Ω},$ 其中K是标度因子，L是光纤环长度，D是光纤环直径，c是真空中的光速，λ是光源的平均波长。可以看出标度因子与光纤光源的平均波长成反比。因此光纤光源的平均波长直接影响光纤陀螺的标度因子稳定性。高精度光纤陀螺的长时间平均波长稳定性要求在1 ppm，因此也要求光纤光源的长时间平均波长稳定性达到1 ppm。考虑到光源整体的温控精度，则要求全温范围内平均波长稳定性达到0.1 ppm/℃。普通结构的宽谱光源平均波长稳定性随温度的变化在3～10ppm/℃。本发明可以是宽谱光源平均波长稳定性随温度的变化在0.1～0.5ppm/℃，输出功率超过10mW，满足高精度光纤陀螺的需要。请参见图4、图5，本发明通过具有选择性反射谱的光纤光栅结构，可以将图4的普通超辐射光纤光源输出光谱转换成为图5的近高斯形状的高稳定性超辐射光纤光源的光谱。

在本发明中，采用一简单的外部骨架设计，可以使光纤光栅的温度补偿封装能够调节光纤光栅反射谱随温度的变化，使其对超辐射光纤光源输出谱与温度对掺铒光纤自发辐射谱的作用相反，从而在一定程度上抵消温度对掺铒光纤自发辐射谱的影响。

本发明设计的宽谱光纤光源结构无需采用光纤波分复用器(WDM)、增益平坦滤波器等器件，具有结构简单、转换效率高、输出功率大、平均波长稳定性好等特点，因而采用器件少，结构简单，对于超辐射光纤光源输出没有滤波损耗，光-光转换效率高，输出功率大，可以达到十毫瓦以上。特别适用于高精度干涉型光纤陀螺。

Claims (4)

1.一种具有平均波长稳定性的宽谱光纤光源，其特征在于：包括有泵浦光源(1)、宽谱光纤光栅(2)、掺铒光纤(3)、光纤隔离器(4)，泵浦光源(1)的尾纤与宽谱光纤光栅(2)的光纤(205)的一端熔接，光纤(205)的另一端与掺铒光纤(3)的一端熔接，掺铒光纤(3)的另一端与光纤隔离器(4)的入纤熔接；泵浦光源(1)出射的泵浦光(11)经过宽谱光纤光栅(2)注入掺铒光纤(3)中，宽谱光纤光栅(2)对于泵浦光(11)完全透过，对于掺铒光纤(3)的自发辐射波段具有选择性的反射；

所述宽谱光纤光栅(2)的基座(206)的A圆柱段(262)外部套接有长套管(201)，长套管(201)的另一端螺纹连接有A锥形管(203)；基座(206)的B圆柱段(261)外部套接有短套管(202)，短套管(202)另一端螺纹连接有B锥形管(204)；光纤(205)顺次穿过A锥形管(203)、基座(206)的凹槽(264)、铝夹块(207)的弧形槽(272)；调节块(208)安装在位于基座(206)的调节段(263)内，铝夹块(207)安装在基座(206)的凹槽(264)内，且调节臂(273)卡合在调节块(208)的A端头(281)与B端头(282)之间的安装面(283)上，T形头(271)顶紧在调节段(263)的端面；A调节螺钉(209)的一端穿过左调节面(265)上的通孔后顶紧在调节块(208)的A端头(281)的外侧面(285)上；B调节螺钉(210)的一端穿过右调节面(266)上的通孔后顶紧在调节块(208)的B端头(282)的外侧面(284)上。

2.根据权利要求1所述的具有平均波长稳定性的宽谱光纤光源，其特征在于：宽谱光纤光栅(2)的封装结构采用双金属片或者具有负膨胀系数的材料加工。

3.根据权利要求1所述的具有平均波长稳定性的宽谱光纤光源，其特征在于：泵浦光源(1)采用980nm半导体激光器，或者是波长为1480nm的半导体激光器。

4.根据权利要求1所述的具有平均波长稳定性的宽谱光纤光源，其特征在于：宽谱光源平均波长为0.1～0.2 ppm/℃，输出功率超过10mW。

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