CN103872569B - 稳定掺铒光纤光源波长和功率的方法、装置及相应的光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种稳定掺铒光纤光源波长和功率的方法、装置及相应的光源，通过控制抽运源的驱动电流，补偿由温度引起的掺铒光纤光源平均波长变化，同时在光源隔离器后连接一个分光探测器和电控的可变光衰减器，利用分光探测器检测输出光功率的变化，将变化量反馈给单片机，用单片机控制可变光衰减器来实现光功率的稳定性，既满足了宽谱光源对高平均波长稳定性的要求，又保证了光源输出功率稳定性的要求。本发明提出的方案可以在全温范围内适用。

Description

稳定掺铒光纤光源波长和功率的方法、装置及相应的光源

技术领域：

本发明属于光纤陀螺及光纤传感技术领域，特别涉及一种同时满足掺铒光纤光源平均波长稳定及功率稳定的方法及装置，同时涉及采用探测输出光信号并反馈控制技术的宽带掺铒光纤光源。适用于干涉型高精度光纤陀螺及其它干涉型传感器用的光源。

背景技术：

宽谱光源在干涉型光纤陀螺及干涉型光纤传感器中抑制背向反射及散射、偏振耦合、法拉第效应、克尔效应等引起的误差方面有先天的优势。常见的宽谱光源由LED光源、SLD光源以及掺杂稀土元素的光纤光源。LED光源虽然有较宽的光谱，但其与光纤耦合效率较低难以满足实际需要。SLD光源具有光谱宽，功率高，与光纤耦合效率高等优点，但是其平均波长稳定性通常为400ppm/℃，不能满足全温范围内标度稳定性小于30ppm的惯导级光纤陀螺的要求。因此，从上世纪九十年代起，人们开始转向另一种宽谱光源——超荧光光纤光源的研究。

宽带掺铒光纤光源是一种在SiO₂基质中掺杂稀土元素铒，通过抽运掺杂光纤获得放大的自发辐射的一种宽带光源。由于稀土元素的原子结构的特点，使得利用掺杂稀土元素获得的超荧光的宽带光纤光源，相对于传统的SLD光源拥有带宽宽，输出功率高以及平均波长稳定性好等优越的性能，在光纤陀螺、光纤传感等众多领域有着广泛的应用。

目前掺铒光纤光源的平均波长稳定性为3～4ppm/℃，远优于SLD光源的指标，因此在对波长稳定性要求高的应用中（如中高精度光纤陀螺）掺铒光纤光源得到了广泛的应用。但要满足惯导级的光纤陀螺的要求，必须进一步提高光源平均波长稳定性，这对掺铒光纤光源提出了新挑战。

影响掺铒光纤光源平均波长稳定性的因素包括外界温度场T、泵浦功率P、泵浦波长λp、抽运光的偏振态SOP_P等。平均波长λ受这些因素的影响可表示为：

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\∂T}=\frac{\∂\mathrm{\λ}}{\∂T}+\frac{\∂\mathrm{\λ}}{\∂P}\frac{\∂P}{\∂T}+\frac{\∂\mathrm{\λ}}{\∂\mathrm{\λp}}\frac{\∂\mathrm{\λp}}{\∂T}+\frac{\∂\mathrm{\λ}}{\∂\mathrm{SO}{P}_P}\frac{\∂{\mathrm{SOP}}_P}{\∂T}---\left(1\right)$

通常，提高掺铒光纤平均波长稳定性的方法是通过合理优化结构或者补偿的方法抑制以上因素对平均波长稳定性的影响。目前，针对如何提高掺铒光纤光源平均波长稳定性，很多方案见诸于文献报道中。例如Patrick等利用长周期光纤光栅的透射谱具有负温度系数的特点来抑制平均波长随温度增大的情况；Zatta等采用双极结构，通过选择合适的两级掺铒光纤长度和抽运光比例，以消除中心波长随温度变化的本征热系数项；Falquier等在双程结构的光源上用法拉第旋转镜来作为反射镜来抑制抽运光偏振态变化对平均波长稳定性的影响，此外，Falquier等还通过在抽运源后以及光源后加Lyot消偏器（使用两段保偏光纤45°对轴熔接）来抑制抽运光偏振态变化对平均波长稳定性的影响；王秀琳等提出一种双向双程结构，通过调节前向和后向抽运光功率之比来抑制抽运光功率对平均波长稳定性的影响。

高精度光纤陀螺等领域往往除了要求光源平均波长稳定性好以外，还会要求光源光功率稳定性高，这对掺铒光纤光源提出了更高的要求。

通常稳定光源光功率的方法是通过监测光源输出光功率的变化情况来反馈调节泵源的驱动电流，这样做虽然光源光功率稳定性可以提高，但往往由于泵源驱动电流的变化会导致光源平均波长稳定性变差，这两者很难兼顾。

发明内容：

本发明旨在一定程度上解决掺铒光纤光源的平均波长和功率稳定性问题，提供一种稳定掺铒光纤光源波长和功率的方法、装置以及相应做出改进的光源。

本发明所提供的关于上述方法和装置的技术方案，建立于以下理论：从影响波长稳定性的因素可以看出，平均波长稳定性受外界温度场T、抽运源功率P、泵浦波长λp、抽运光的偏振态SOP_P等的影响。这些因素里边，抽运源功率P是人为可控的，因为它对应于驱动电流，只要我们改变驱动电流，就可以用来改变抽运源功率P，补偿环境温度对平均波长的影响。可是由于抽运源的驱动电流改变，光源输出光功率也相应被改变，因此还需要采取措施避免由此带来的功率不稳定。

因此，一种稳定掺铒光纤光源波长和功率的方法的技术方案是：通过控制抽运源的驱动电流，补偿由温度引起的掺铒光纤光源平均波长变化，同时在光源隔离器后连接一个分光探测器和电控的可变光衰减器，利用分光探测器检测输出光功率的变化，将变化量反馈给单片机，用单片机控制可变光衰减器来实现光功率的稳定，既满足了宽谱光源对平均波长稳定性的要求，又保证了光源功率稳定性的要求。

具体如下：

1）先在抽运源抽运电流（即驱动电流）为一稳定值的情况下（100mA，也可以取其它值），测量掺铒光纤光源在-45～70℃温度范围内平均波长随温度的变化，建立光源平均波长随温度的变化曲线。

2）对第1）步得到的光源平均波长随温度变化曲线进行分段线性拟合，建立平均波长随温度变化的模型。

3）测量在常温下（25℃，也可以取接近值）掺铒光纤光源平均波长随抽运源抽运电流的变化，建立掺铒光纤光源平均波长随抽运源驱动电流的变化曲线，如图3所示。

4）利用第2）步得到的线性拟合模型，用第3）步的结果补偿第2）步的平均波长变化量。基本方法是：取与第1）步对应的驱动电流（如100mA）和与第3）步对应的温度（如25℃）下的光源平均波长为基准，通过软件编程控制单片机工作来控制抽运源的驱动电流：当光源平均波长变大或变小时，相应的将抽运源驱动电流调小或调大，使光源平均波长始终趋于基准值。

5）在做上述第1）～4）步的同时，在光源隔离器后连接一个分光探测器和电控的可变光衰减器，利用分光探测器检测光源输出光功率的变化，将变化量反馈给单片机，由单片机控制可变光衰减器来实现光功率的稳定。

本发明还提供一种稳定掺铒光纤光源波长和功率的装置：包括抽运源、波分复用器、掺铒光纤、滤波器、光隔离器、分光探测器、电控可变光衰减器、单片机、ADC、DAC、温度传感器；实现的光波流向为：抽运源发出的980nm的光经过波分复用器后进入掺铒光纤，产生波长为1550nm的自发辐射光，1550nm的光顺序通过滤波器、光隔离器后进入分光探测器，分光探测器将进入的光分成两部分，一部分光（一般为10%）用于产生反映光强变化的电信号，反馈的电信号传递给ADC，转换为数字信号进入单片机，单片机根据反馈电信号输出相应的驱动电压码值给DAC转换为驱动电压来驱动可变光衰减器，同时将温度传感器探测到的温度信息传递给ADC，转换为数字信号进入单片机，单片机根据温度信息输出相应的驱动电流码值给DAC转换为驱动电流，驱动抽运源。另一部分光（一般为90%）被输出进入可变光衰减器，然后输出。

本发明还提供一种掺铒光纤光源，其特征是：在顺序连接的掺铒光纤→滤波器→光隔离器之后，连接一分光探测器和一可变光衰减器，分光探测器将一小部分光作为检测信号送入到控制器，大部分光送入可变光衰减器。

本发明的优点是：本发明提出的方案可以在全温范围内达到很高的平均波长稳定性及光功率稳定性，满足某些应用领域对宽谱光源高平均波长稳定性的要求及高光源输出功率稳定性的要求。

通过软件编程控制单片机工作来控制抽运源的驱动电流，从而控制光源平均波长的变化，提高光源平均波长稳定性。同时利用单片机控制可变光衰减器，将光功率稳定在一个固定值来稳定光源输出光功率。

通过该装置实现的光源具有全温范围内波长变化小，功率稳定性高的优点。

附图说明：

图1为本发明所采用的实验装置示意图。

图2为典型的掺铒光纤光源全温范围内波长随温度的变化曲线。

图3为典型的掺铒光纤光源平均波长随抽运源驱动电流的变化曲线。

图4为典型的电控可变光衰减器输出光功率与驱动电压的关系曲线。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对上述方案进行详细的说明，但本发明的保护范围并不限于所给实施例。

本发明利用图1给出的实施例装置进行补偿校准，但并不限于这种装置。根据图1所示，装置包括抽运源01，波分复用器02，掺铒光纤03，滤波器04，光隔离器05，分光探测器06，电控可变光衰减器07，单片机及ADC和DAC的集成器08，温度传感器09。图中，进入单片机及ADC和DAC集成器08的箭头指向表示信息流，出集成器的箭头指向表示控制流。ADC指模数变换器，DAC指数模变换器，此处单片机没有特殊要求，ADC和DAC需满足控制精度。

抽运源01、波分复用器02、掺铒光纤03、滤波器04、光隔离器05、分光探测器06、电控可变光衰减器07，均为带尾纤的光学器件，使用熔接机单模熔接将其按图1方式连接以实现下述光波流向：抽运源01发出的980nm的光经过波分复用器02后进入掺铒光纤03，产生波长为1550nm的自发辐射光，1550nm的光通过波分复用器02进入滤波器04，这种光源结构称为单程后向结构。滤波器04发出来的光经过光隔离器05后进入分光探测器06，分光探测器06将进入的光分成两部分，一部分光（一般为10%）用于探测产生反映光强变化的电信号进入单片机及ADC和DAC的集成器08来控制可变光衰减器07，同时单片机及ADC和DAC的集成器08根据温度传感器09探测到的温度（温度传感器放置于光源中靠近掺铒光纤处，与ADC相连，有的温度传感器直接产生数字信号，可以直接与单片机相连），输出相应的驱动电流驱动抽运源01；另一部分光（一般为90%）被输出进入可变光衰减器07，然后输出。

用于控制抽运源驱动电流和电控可变光衰减器的单片机，可以通过编程并连接ADC和DAC来控制外接器件，也可以使用FPGA或DSP等芯片。

用于控制光功率的电控可变光衰减器，需要满足的要求是可以使在其中传输的光功率连续可调。其原理可以基于MEMS技术的转动反射镜来调节通过衰减器的光功率，也可以是基于给磁光晶体或电光晶体加合适的电压来调节通过晶体的光功率。

基于上述装置，进行补偿调试的步骤是：

1、将图1所有器件放入温箱，在全温度范围内测量掺铒光纤光源（以下简称光源）平均波长随温度的变化情况（驱动电流为100mA），建立光源平均波长随温度的变化曲线，如图2所示。将全温范围内光源平均波长随温度的变化情况进行分段直线拟合（拟合模型为y=aT+b）。以25℃、100mA驱动电流下光源平均波长为基准，计算每段直线每个温度点的拟合值与基准的差值Δ₁。

2、将光源放置常温（25℃）下，记录光源平均波长随驱动电流的变化情况，建立掺铒光纤光源平均波长随抽运源驱动电流的变化曲线，如图3所示。调节抽运源的驱动电流，间隔0.1mA调节驱动电流，用光谱仪记录该驱动电流下的光源平均波长。以100mA驱动电流下的平均波长为基准，计算基准较其它驱动电流下平均波长的差值Δ₂。

3、根据Δ₁的值选择数值相近的Δ₂的值，即可确定各温度点对应的驱动电流值，将驱动电流值与对应的温度做成数据库后存入单片机，通过温度传感器09测量光源所处的环境温度，反馈到单片机及ADC和DAC的集成器中，单片机采用查表的方式在全温范围内改变抽运源的驱动电流，从而稳定输出光平均波长。

4、由于第3步改变抽运源驱动电流，因此光源输出光功率也被改变，利用分光探测器06检测输出光功率，由ADC采样产生反馈量D，假设将光源功率目标稳定在P_out，将P_out对应的反馈量D₀存入单片机，单片机将每次反馈量D与D₀相比较，由DAC输出控制信号驱动可变光衰减器07使两者一致，来实现光功率的稳定。典型的电控可变光衰减器输出光功率与驱动电压的关系如图4所示。

本发明中以掺铒光纤光源的单程后向结构为例，也可适用于其它掺铒光纤光源结构。

Claims (1)

1.一种稳定掺铒光纤光源波长和功率的方法，其特征在于：通过稳定掺铒光纤光源波长和功率的装置来实现，其中所述装置包括顺序熔接的抽运源、波分复用器、掺铒光纤，波分复用器输出端头熔接滤波器，滤波器输出端顺序熔接光隔离器、分光探测器，分光探测器一分支输出端熔接由单片机及ADC、DAC构成的集成器，另一分支输出端熔接电控可变光衰减器；一温度传感器，置于光源的附近，向所述集成器发送温度信号；所述集成器控制连接所述抽运源和电控可变光衰减器，实现的光波流向为：抽运源发出的980nm的光经过波分复用器后进入掺铒光纤，产生波长为1550nm的自发辐射光，1550nm的光顺序通过滤波器、光隔离器后进入分光探测器，分光探测器将进入的光分成两部分，10％的光用于产生反映光强变化的电信号，反馈的电信号传递给ADC，转换为数字信号进入单片机，单片机根据反馈电信号输出相应的驱动电压码值给DAC转换为驱动电压来驱动可变光衰减器，同时将温度传感器探测到的温度信息传递给ADC，转换为数字信号进入单片机，单片机根据温度信息输出相应的驱动电流码值给DAC转换为驱动电流，驱动抽运源，90％的光被输出进入可变光衰减器，然后输出；

用于控制抽运源驱动电流和电控可变光衰减器的单片机，可以通过编程并连接ADC和DAC来控制外接器件，也可以使用FPGA或DSP芯片；

用于控制光功率的电控可变光衰减器，需要满足的要求是可以使在其中传输的光功率连续可调，其原理可以基于MEMS技术的转动反射镜来调节通过衰减器的光功率，也可以是基于给磁光晶体或电光晶体加合适的电压来调节通过晶体的光功率；

基于所述装置，进行补偿调试的步骤是：

(1)将所述装置的所有器件放入温箱，在-45～70℃温度范围内测量掺铒光纤光源平均波长随温度的变化情况，驱动电流为100mA，建立光源平均波长随温度的变化曲线，将-45～70℃温度范围内光源平均波长随温度的变化情况进行分段直线拟合，以25℃、100mA驱动电流下光源平均波长为基准，计算每段直线每个温度点的拟合值与基准的差值Δ₁；

(2)将光源放置在25℃下，记录光源平均波长随驱动电流的变化情况，建立掺铒光纤光源平均波长随抽运源驱动电流的变化曲线，调节抽运源的驱动电流，间隔0.1mA调节驱动电流，用光谱仪记录该驱动电流下的光源平均波长，以100mA驱动电流下的平均波长为基准，计算基准较其它驱动电流下平均波长的差值Δ₂；

(3)根据Δ₁的值选择数值相近的Δ₂的值，即可确定各温度点对应的驱动电流值，将驱动电流值与对应的温度做成数据库后存入单片机，通过温度传感器测量光源所处的环境温度，反馈到单片机及ADC和DAC的集成器中，单片机采用查表的方式在-45～70℃温度范围内改变抽运源的驱动电流，从而稳定输出光平均波长；

(4)由于第(3)步改变抽运源驱动电流，因此光源输出光功率也被改变，利用分光探测器检测输出光功率，由ADC采样产生反馈量D，假设将光源功率目标稳定在P_out，将P_out对应的反馈量D₀存入单片机，单片机将每次反馈量D与D₀相比较，由DAC输出控制信号驱动可变光衰减器使两者一致，来实现光功率的稳定。