CN102620828B - 一种宽谱超荧光光纤光源的平均波长稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽谱超荧光光纤光源的平均波长稳定方法。本发明是让宽谱超荧光光纤光源经过用于平均波长随温度呈抛物线型变化的光源滤波器后，即可得到平均波长稳定的光源光谱。该光源滤波器包括正温度系数长周期光纤光栅、负温度系数长周期光纤光栅、光纤线圈、光纤光栅固定槽和滤波器保护外壳。在滤波器保护外壳内依次设置有正温度系数长周期光纤光栅、光纤线圈和负温度系数长周期光纤光栅。本发明采用正、负温度系数长周期光纤光栅作为滤波器，对平均波长随温度呈抛物线型变化的超荧光光源进行稳定，结构简单，相比采用双金属片温度补偿进行平均波长稳定的方法，工艺更成熟，制作难度小。

Description

一种宽谱超荧光光纤光源的平均波长稳定方法

技术领域

本发明属于光源产生领域，涉及一种对宽谱超荧光光源进行平均波长稳定的方法，具体地讲，是指一种能够对平均波长随温度呈现抛物线型变化的宽谱超荧光光源进行平均波长稳定的方法，适用于优化干涉型高精度光纤陀螺的光源及其它干涉型传感器的光源。

背景技术

作为干涉型光纤传感器的关键器件，宽谱光源的性能很大程度上决定了传感系统的性能，特别是对于高精度干涉型光纤陀螺，高性能的宽谱光源必不可少。常见的宽谱光源包括半导体LED、半导体SLD和超荧光光纤光源。LED光源有较宽的光谱，但能量较低，通常不超过150μw；SLD光源能提供较宽的光谱和较高的输出功率，但由于光纤陀螺等传感系统通常工作在复杂的外界环境下，环境因素对SLD输出光功率和平均波长等参数的影响较大，如温度对SLD平均波长的影响达到300～500 ppm/℃，无法满足零漂低于0.01 °/h，全温范围内标度稳定性小于10 ppm的惯性导航级光纤陀螺的要求。因此，从九十年代起，人们转向另一种宽谱光源——超荧光光纤光源的研究，以寻求平均波长更加稳定的宽谱光源。其中，超荧光掺铒光纤光源的研究比较成熟。

超荧光掺铒光纤光源利用掺铒光纤放大自发辐射(ASE)的原理实现宽谱超荧光输出，与其它宽谱光源相比，具有如下优点：

1.输出功率高，通常大于10 mW；

2.光源谱宽大，大于25 nm；

3.平均波长稳定性好，比SLD低1~2个数量级，通常为1~10 ppm/℃；

4.输出耦合效率高；

5.成本较低。

因此，在光纤陀螺等传感系统中，采用超荧光掺铒光纤光源代替半导体SLD光源是更好的选择。但对零漂低于0.01°/h，全温范围内标度稳定性小于10 ppm的高精度光纤陀螺而言，要求光源的平均波长稳定性在全温范围内小于10 ppm，即光源的平均波长稳定性需达到0.1 ppm/℃这一数量级，普通超荧光掺铒光纤光源本身的平均波长随温度变化的稳定性仍然较难达到该指标。

为了进一步改善超荧光掺铒光纤光源的平均波长稳定性，使其能够应用于高精度干涉型光纤陀螺或其它干涉型传感器，人们提出了一些提高超荧光光源的平均波长稳定性的方法。专利号为200710177485.1的专利《具有平均波长稳定性的宽谱光纤光源》公开了一种利用啁啾光纤光栅，将超荧光光源的平均波长从3~10 ppm/℃降低至0.1~0.5 ppm/℃的方法。H. J. Patrick等人在论文《Erbium-doped superfluorescent fibre source with long-period fibre grating wavelength stabilisation》中提出利用长周期光纤光栅光谱的中心波长随温度上升而增大的特性，对超荧光光源的随温度变化近似线性递增的平均波长曲线进行补偿，将平均波长的温度系数从6.2 ppm/℃降低至0.05 ppm/℃（经过线性拟合）。但是当超荧光光源的平均波长温度响应曲线为非近似线性时，如抛物线型响应，则该方法将无法获得较好的补偿效果。A. Wang等人在论文《High-Stability Er-Doped Superfluorescent Fiber Source Incorporating Photonic Bandgap Fiber》中提出利用光子带隙光纤和双金属片制作一个带温度补偿的滤波器，实现对平均波长温度响应曲线为抛物线型的超荧光光源进行补偿，将平均波长变化从1 ppm/℃降低至0.1 ppm/℃，降低一个数量级。由于光子带隙光纤和双金属片均需要特殊设计，该方法显得相对复杂。

由于作为核心部件的超荧光光纤光源的平均波长稳定性直接决定了高精度光纤陀螺标度因子的稳定性，因此超荧光光纤光源的平均波长稳定性问题一直以来都是研究的重点。目前，人们已经从光源结构、偏振控制、光栅滤波补偿等不同方面研究了超荧光光纤光源的平均波长稳定性，但对温度范围，实现较高的平均波长稳定性仍不是个简单的问题。

发明内容

为了解决超荧光光纤光源的平均波长随温度变化呈现抛物线型变化的问题，本发明提出了一种采用一个中心波长随着温度上升而线性增大的长周期光纤光栅（正温度系数长周期光纤光栅）和一个中心波长随着温度上升而线性减小的长周期光纤光栅（负温度系数长周期光纤光栅）串联而成的特殊滤波器，直接连接到超荧光光纤光源的输出尾纤上进行滤波，实现平均波长随温度呈现抛物线型变化的超荧光光纤光源平均波长稳定的方法。经计算，滤波后的超荧光光纤光源在0~45℃范围内，平均波长波动可由原来的5ppm/℃减小至0.5ppm/℃，适用于高精度光纤陀螺，能有效提高其标度因子的稳定性。

本发明所采取的技术方案为：

一种宽谱超荧光光纤光源的平均波长稳定方法是：宽谱超荧光光纤光源经过用于平均波长随温度呈抛物线型变化的光源滤波器后，即可得到平均波长稳定的光源光谱。

所述的光源滤波器包括正温度系数长周期光纤光栅、负温度系数长周期光纤光栅、光纤线圈、光纤光栅固定槽和滤波器保护外壳。

在滤波器保护外壳内依次设置有正温度系数长周期光纤光栅、光纤线圈和负温度系数长周期光纤光栅，正温度系数长周期光纤光栅的一端与第一尾纤连接，另一端与光纤线圈的一端连接；光纤线圈的另一端与负温度系数长周期光纤光栅的一端连接，负温度系数长周期光纤光栅的另一端与第二尾纤连接。

所述的正温度系数长周期光纤光栅、负温度系数长周期光纤光栅由光纤光栅固定槽固定。

本发明的有益效果是：（1）本发明采用正、负温度系数长周期光纤光栅作为滤波器，对平均波长随温度呈抛物线型变化的超荧光光源进行稳定，结构简单，相比采用双金属片温度补偿进行平均波长稳定的方法，工艺更成熟，制作难度小。（2）本发明所提供的方法，对平均波长波动为5 ppm/℃的超荧光光纤光源，能有效降低至0.5 ppm/℃，在不对光源内部进行改动的情况下使其适用于高精度光纤陀螺或其它干涉型传感系统。

附图说明

图1是本发明的实验装置示意图；

图2是用于平均波长稳定的滤波器的结构图；

图3是长周期光纤光栅的透射谱随温度上升时对光源光谱进行滤波的示意图；

图4是超荧光光纤光源未经滤波时输出的光谱随温度变化图；

图5是理论计算超荧光光纤光源经滤波后输出的光谱随温度变化图；

图6是超荧光光纤光源滤波前后平均波长随温度变化的对比图；

图7是计算所得的正温度系数长周期光纤光栅透射谱随温度变化图；

图8是计算所得的负温度系数长周期光纤光栅透射谱随温度变化图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的实验装置示意图，包括超荧光光纤光源1，本发明提出的滤波器2，经滤波后的荧光输出3。滤波器2的输入端直接与超荧光光纤光源1的输出端连接，经滤波后的荧光输出3从滤波器2的输出端输出。

如图2所示，是用于平均波长稳定的滤波器的结构图，包括正温度系数长周期光纤光栅201，负温度系数长周期光纤光栅202，正温度系数长周期光纤光栅的固定槽203和204，负温度系数长周期光纤光栅的固定槽205和206，用于绕光纤的椭圆柱207，光纤线圈208，输入端尾纤209，输出端尾纤210，用于粘贴固定槽、绕光纤椭圆柱的底板211和滤波器保护外壳212。

所述正温度系数长周期光纤光栅201，其中心波长随温度上升而增大，主要作用于超荧光光纤光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递减区间（包括抛物线开口向上和开口向下两种情况），使平均波长随温度上升而增大。优选地，正温度系数长周期光纤光栅可以采用紫外曝光方式在Corning SMF-28光纤上制作而成，典型的温度系数为0.05 nm/℃。

所述负温度系数长周期光纤光栅202，其中心波长随温度上升而减小，主要作用于超荧光光纤光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递增区间（包括抛物线开口向上和开口向下两种情况），使平均波长随温度上升而减小。优选地，负温度系数长周期光纤光栅可以采用紫外曝光方式在Fibercore PS1250/1500光敏光纤上制作而成，典型的温度系数为-0.45 nm/℃。

所述光纤线圈采用普通单模光纤在椭圆柱上绕若干圈，用于连接正温度系数长周期光纤光栅和负温度系数长周期光纤光栅，去除两个光栅之间光波的耦合，不构成马赫-曾德尔干涉仪，实现长周期光纤光栅各自有效滤波。优选地，光纤线圈采用Corning SMF-28光纤，总长度为30 cm，线圈最小直径为1.5 cm。

光纤光栅固定槽203、204、205、206和椭圆柱207，采用铝质材料加工后，用环氧树脂胶粘贴固定于底板211上。滤波器保护外壳212可通过螺丝与底板211紧固。

正温度系数长周期光纤光栅201两端分别通过环氧树脂胶固定于光纤光栅固定槽203和204上。固定时光栅201保持平直，但不绷紧，以减小固定槽203、204和底板211热胀冷缩时对光栅201的影响。

负温度系数长周期光纤光栅202两端分别通过环氧树脂胶固定于光纤光栅固定槽205和206上。固定时光栅202保持平直，但不绷紧，以减小固定槽205、206和底板211热胀冷缩时对光栅202的影响。

如图3所示，为正温度系数长周期光纤光栅201和负温度系数长周期光纤光栅202随着温度上升时对超荧光光纤光源进行滤波的示意图。温度上升时，正温度系数长周期光纤光栅201的透射谱向长波方向移动，滤除光源光谱左侧功率，使其平均波长向长波方向移动；负温度系数长周期光纤光栅202的透射谱向短波方向移动，滤除光源光谱右侧功率，使其平均波长向短波方向移动。温度下降时则相反。

如图4所示，为某一普通超荧光光纤光源1在0~45℃范围内输出的光谱随温度变化图。在不对超荧光光纤光源1进行滤波的情况下，其平均波长变化曲线如图6“滤波前”的曲线所示，平均波长的波动达到5 ppm/℃，且随着温度变化呈现近似抛物线型变化。

平均波长随温度变化呈现近似抛物线型变化的超荧光光纤光源，利用波长随温度单调变化的滤波器（如只有一个长周期光纤光栅）无法很好实现平均波长稳定。因此，本发明提出了一种采用一个正温度系数长周期光纤光栅和一个负温度系数长周期光纤光栅串联而成的特殊滤波器，实现超荧光光纤光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化方法。经理论计算和仿真，发现该方法能有效地将平均波长的波动降低一个数量级。仿真过程包括以下步骤：

1.在一定的范围内，每隔一定温度记录超荧光光纤光源的输出光谱。优选地，在0~45℃范围内，每隔5℃记录某一普通超荧光光纤光源的输出光谱（波长范围为：1525nm~1570nm），如图4所示。根据光谱平均波长的计算公式

                                           （1）

其中为波长处的归一化功率密度，则图4的平均波长随温度的变化如图6“滤波前”的曲线所示，平均波长随温度呈现近似抛物线型变化。

2.利用计算机程序，生成一系列中心波长相同，深度不同但间隔相等的普通长周期光纤光栅光谱。优选地，生成长周期光纤光栅光谱时，中心波长选定在1525nm，深度间隔5%，在5%~99.9%范围内共生成20个不同深度的长周期光纤光栅光谱。

3.经正温度系数长周期光纤光栅和负温度系数长周期光纤光栅分别滤波后的光谱，由公式

                （2）

表达。其中，是滤波前不同温度下的光谱，是正温度系数长周期光纤光栅在不同温度、不同初始波长（在25℃条件下）、不同深度下的透射谱，是负温度系数长周期光纤光栅在不同温度、不同初始波长（在25℃条件下）、不同深度下的透射谱。

优选地，正温度系数长周期光纤光栅的温度系数设为0.05 nm/℃，负温度系数长周期光纤光栅的温度系数设为-0.45 nm/℃。正、负温度系数长周期光纤光栅的初始波长选择范围为1525nm±20nm，波长间隔为1nm。因此，根据步骤2得到的一系列不同深度的光谱，按照公式（2），将步骤1得到的不同温度下的光谱，分别乘以不同温度、不同初始波长、不同深度的正温度系数长周期光纤光栅光谱，再乘以不同温度、不同初始波长、不同深度的负温度系数长周期光纤光栅光谱，并根据公式（1）计算出该条件下的平均波长，同时将计算所得的平均波长存储于一个五维的数据表格中。由于滤波器的插入损耗对平均波长计算没有影响，计算程序中不考虑滤波器的插入损耗。

4.在五维的平均波长数据表格中，寻找出温度变化范围内平均波长波动幅值最小的一组平均波长数值，并逆向推导出此时正温度系数长周期光纤光栅的初始波长、深度和负温度系数长周期光纤光栅的初始波长、深度。根据以上的优选条件，步骤1得到的在0~45℃范围内的光谱，经正温度系数长周期光纤光栅和负温度系数长周期光纤光栅组成的滤波器滤波后，输出光谱如图5所示，其平均波长随温度的变化如图6“滤波后”的曲线所示，变得相对平坦，不再呈现近似抛物线型变化。滤波后的平均波长波动降低至0.5 ppm/℃，较滤波前降低一个数量级。同时求得正温度系数长周期光纤光栅的初始波长=1532 nm、深度=95%，负温度系数长周期光纤光栅的初始波长=1530 nm、深度=35%。这四个参数可以为实际制作正、负温度系数长周期光纤光栅提供重要的参考。所求的正、负温度系数长周期光纤光栅的光谱随温度变化情况分别如图7、图8所示。

优选地，所述仿真过程中的计算程序，采用Matlab语言编写，操作方便，运算速度快。

近似地，当某一超荧光光纤光源的平均波长随温度呈抛物线型变化，但开口方向向上（与图6“滤波前”的抛物线开口方向相反）时，同样可以采用本发明所述的滤波器进行滤波，实现平均波长稳定。在该情况下，正温度系数长周期光纤光栅的初始波长和负温度系数长周期光纤光栅的初始波长应该设置在光源光谱的长波处，以图4的光谱为例，初始波长应该设置在1570 nm附近。

本发明的上述描述仅为示例性的属性，因此没有偏离本发明要旨的各种变形理应在本发明的范围之内。这些变形不应被视为偏离本发明的精神和范围。

Claims (1)

1.一种宽谱超荧光光纤光源的平均波长稳定方法，宽谱超荧光光纤光源经过用于平均波长随温度呈抛物线型变化的光源滤波器后，即可得到平均波长稳定的光源光谱，其特征在于：

所述的光源滤波器包括正温度系数长周期光纤光栅、负温度系数长周期光纤光栅、光纤线圈、光纤光栅固定槽和滤波器保护外壳；

在滤波器保护外壳内依次设置有正温度系数长周期光纤光栅、光纤线圈和负温度系数长周期光纤光栅，正温度系数长周期光纤光栅的一端与第一尾纤连接，另一端与光纤线圈的一端连接；光纤线圈的另一端与负温度系数长周期光纤光栅的一端连接，负温度系数长周期光纤光栅的另一端与第二尾纤连接；

所述的正温度系数长周期光纤光栅、负温度系数长周期光纤光栅由光纤光栅固定槽固定；

所述正温度系数长周期光纤光栅的中心波长随温度上升而增大，作用于超荧光光纤光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递减区间；

所述负温度系数长周期光纤光栅的中心波长随温度上升而减小，作用于超荧光光纤光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递增区间。