CN104659646B - 一种实现掺铒光纤光源平均波长全温稳定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现掺铒光纤光源平均波长全温稳定的方法，该方法首先在全温度范围内测量平均波长分别随增益铒纤温度的变化及铒纤滤波器温度的变化数据值；其次建立光源平均波长随增益铒纤温度和铒纤滤波器温度变化的拟合模型；再次将铒纤滤波器置于温控装置内进行温度控制，光源其他部件置于环境中，温度传感器探测增益铒纤温度和铒纤滤波器温度；最后由温度传感器探测温度值，根据拟合模型，通过温控装置实时反馈调节铒纤滤波器温度，以补偿环境温度变化造成的光源平均波长变化，从而实现光纤光源平均波长的全温稳定。本发明方法光源结构参量的优化可以灵活设计，温度控制装置温控精度要求较低，能实现光源在全温范围内的高平均波长稳定性。

Description

一种实现掺铒光纤光源平均波长全温稳定的方法

技术领域

本发明应用于光纤陀螺领域，特别地涉及一种光纤陀螺用掺铒光纤光源的平均波长全温稳定的方法。

背景技术

高精度光纤陀螺用光源要求具有较高的稳定的尾纤输出光功率以获得具有较高信噪比的干涉信号，稳定的平均波长稳定性以实现标度因数的稳定性，近高斯型的光滑光谱以减小寄生干涉等。然而当前掺铒光纤光源的研究仍然存在诸多待解决的问题：首选是未经优化的光纤光源的铒纤本征温度稳定性较差，怎样得到具有全温范围内高平均波长稳定性的光源是目前掺铒光纤光源的重点和难点。其次掺铒光纤光源输出光谱一般是具有1530nm和1560nm波段的双峰谱型，如何通过光学参数的设计以及适当的光谱滤波技术得到具有较小纹波的稳定近高斯光谱也是光源目前重点需要解决的问题。

影响掺铒光纤光源的平均波长稳定性的因素主要是泵浦源(包括泵浦波长、泵浦功率、泵浦光偏振态)、信号光反馈和铒纤温度。光纤光源早期的研究重点都是泵浦源(包括泵浦波长、泵浦功率、泵浦光偏振态)、信号光反馈对平均波长稳定性的影响。通过对泵浦源进行温度和驱动电流的控制，使用光纤光栅稳定泵浦波长，并选择合适的光源结构和铒纤长度，使用隔离器，在常温下光源平均波长的稳定性已经能够达到1ppm量级。然而铒纤温度变化对光源平均波长稳定性的影响至今是一个尚未解决的难点，也是最难解决的问题。

铒纤本征温度系数不仅与铒纤本身特性有关，也与铒纤长度、泵浦功率和光源结构等光源参数有关。没有经过优化的铒纤本征温度系数一般在-3～+10ppm/℃左右。在高精度光纤陀螺的某些实际应用中温度变化超过100℃，即使只有1ppm/℃的本征温度系数也会在全温范围内带来100ppm的平均波长变化。因此铒纤温度对掺铒光纤光源平均波长的影响最大，也最难控制，需要对掺铒光纤光源的结构参量进行优化或者采用其他的温度控制及补偿技术，这是掺铒光纤光源的研究重难点。

减小铒纤本征温度系数的技术方案主要是使用各种滤波器进行补偿、采用多级结构、采用新型的掺铒光子晶体光纤技术以及对光源进行温度控制与补偿等技术手段。分析表明，铒纤本征温度特性变差主要是由于光源输出的双峰光谱之间的竞争导致的，若通过技术手段消除光源双峰光谱中的一个峰，得到单峰输出光谱，再进行光源结构参量优化，则可以得到具有高平均波长稳定性的单峰输出光谱。在单程后向结构光源输出端接一段无源掺铒光纤，便是这样一种技术手段，但这种光源即使经过优化，本征温度系数仍然有～1ppm/℃，在全温范围内平均波长的变化要小于10ppm也比较困难。

发明内容

为了解决当前光纤陀螺用掺铒光纤光源研究中存在的问题，本发明旨在提供一种实现掺铒光纤光源平均波长全温稳定的方法，即一种基于铒纤滤波器温度控制的平均波长全温稳定方法。

本发明平均波长全温稳定方法基于如下理论：一种单程后向结构光源输出端接一段无源掺铒光纤，其中单程后向光路中的掺铒光纤为增益铒纤，无源掺铒光纤为铒纤滤波器。研究表明，这种光路结构的光源，其输出平均波长随环境温度的变化而呈抛物线型变化，但是当对增益铒纤和铒纤滤波器分别进行温度控制时，研究发现光源输出平均波长随增益铒纤的温度变化而呈正相关变化，随铒纤滤波器的温度变化而呈负相关变化。因此当环境温度变化时，可以根据增益铒纤温度的变化情况，对铒纤滤波器进行温度控制以消除环境温度变化造成的平均波长不稳定性。

本发明一种基于铒纤滤波器温度控制的平均波长全温稳定方法，包括以下步骤：

(1)在单程后向结构掺铒光纤光源的输出端口接一段无源掺铒光纤作为铒纤滤波器，在无源掺铒光纤的输出端接光隔离器；在一固定泵浦功率条件下，将光源中的增益铒纤及铒纤滤波器分别放置在各自温箱内，在-40℃～+60℃的温度范围内，测量增益光纤和铒纤滤波器分别在各自不同温度点时，光隔离器输出端的光源输出平均波长；

(2)在铒纤滤波器的每个温度点上对光源输出平均波长随增益铒纤温度T₁变化进行正相关拟合，得到一簇正相关拟合曲线；在增益光纤的每个温度点上对平均波长随铒纤滤波器温度T₂变化进行负相关拟合，得到一簇负相关拟合曲线；通过两簇拟合曲线建立光源平均波长随温度变化的拟合模型；

(3)将铒纤滤波器置于温度控制装置内进行温度控制，光源其他部件置于外部环境中，第一温度探测器探测增益铒纤的温度T₁，第二温度探测器探测铒纤滤波器的温度T₂；

(4)根据步骤2建立得到的拟合模型，通过温度控制装置实时反馈调节铒纤滤波器温度，以此补偿环境温度变化造成的光源平均波长变化，从而实现光纤光源平均波长的全温稳定。

进一步地，所述步骤2中，所述拟合模型的公式如下：

其中，λ表示光源输出平均波长，T₁为增益铒纤温度，T₂为铒纤滤波器温度，为模型系数，K由步骤1测得的数据进行最小二乘法拟合得到。

本发明的有益效果：本发明控制方法简单灵活，光源结构参量的优化可以灵活设计，温度控制装置温控精度要求较低，可以进行实时反馈温度控制，能实现光源在全温范围内的高平均波长稳定性。

附图说明

图1为本发明的方案实现结构示意图；

图2为本发明光源方案中没有温控措施时光源输出平均波长随环境温度而呈抛物线型变化的曲线；

图3中(a)为本发明光源方案中输出平均波长随增益铒纤温度呈正相关变化的曲线；(b)为本发明光源方案中输出平均波长随铒纤滤波器温度呈负相关变化的曲线；

图4为实现平均波长全温稳定时铒纤滤波器控制温度随增益铒纤温度的变化曲线及其差值曲线；

图5为铒纤滤波器温控精度在±0.5℃时平均波长全温变化曲线；

图中，增益铒纤1、波分复用器2、泵浦激光器3、铒纤滤波器4、光隔离器5、第一温度探测器6、第二温度探测器7、温度控制装置8、温度处理单元9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明方法实现方案结构示意图。图中，增益铒纤1、980nm/1550nm波分复用器2、980nm泵浦激光器3、铒纤滤波器4、光隔离器5、第一温度探测器6、第二温度探测器7、温度控制装置8、温度处理单元9。其中，增益铒纤1、980nm/1550nm波分复用器2、980nm泵浦激光器3、铒纤滤波器4和光隔离器5构成光纤光源光路部分；980nm泵浦激光器3与980nm/1550nm波分复用器2的A端口相连，980nm/1550nm波分复用器2的B端口与铒纤滤波器4的一端连接，铒纤滤波器4的另一端与光隔离器5的一端连接，光隔离器5的另一端为光源输出端，980nm/1550nm波分复用器2的C端与增益铒纤1的一端连接，增益铒纤1的另一端打成环结以形成损耗端。第一温度探测器6探测增益铒纤温度T₁，第二温度探测器7探测铒纤滤波器温度T₂，温度处理单元9根据温度探测数值T₁和T₂，通过温度控制装置8实时反馈调节铒纤滤波器4的温度。

本发明一种基于铒纤滤波器温度控制的平均波长全温稳定方法，具体步骤如下：

(1)在单程后向结构掺铒光纤光源的输出端口接一段无源掺铒光纤作为铒纤滤波器4，在无源掺铒光纤的输出端接光隔离器5；在一固定泵浦功率条件下，将光源中的增益铒纤1及铒纤滤波器4分别放置在各自温箱内，在-40℃～+60℃的温度范围内，测量增益光纤1和铒纤滤波器4分别在各自不同温度点时，光隔离器5输出端的光源输出平均波长。

如图2所示为所述光源方案的一种实施例中当泵浦激光器3的功率为80mW、增益铒纤1长度为7m、铒纤滤波器4长度为4m时，没有温控措施时光源输出平均波长随环境温度呈抛物线型变化的曲线；图3(a)为铒纤滤波器4处于不同的恒定温度环境下，输出平均波长随增益铒纤1温度呈正相关变化的曲线；图3(b)为增益铒纤1处于不同的恒定温度环境下，输出平均波长随铒纤滤波器4温度呈负相关变化的曲线。实施例中增益光纤1和铒纤滤波器4分别在各自不同温度点时，光隔离器5输出端的光源输出平均波长的具体数据如下表所示：

(2)在铒纤滤波器4的每个温度点上对光源输出平均波长随增益铒纤1温度T₁变化进行正相关拟合，得到一簇正相关拟合曲线；在增益光纤1的每个温度点上对平均波长随铒纤滤波器温度T₂变化进行负相关拟合，得到一簇负相关拟合曲线；通过两簇拟合曲线建立光源平均波长随温度变化的拟合模型；拟合模型如下：

其中，λ表示光源输出平均波长，T₁为增益铒纤温度，T₂为铒纤滤波器温度，为模型系数。此为三次多项式拟合模型，由实测数据根据最小二乘法可以得到拟合模型中的拟合系数K。与实测数据相比，此模型建立的平均波长随温度变化的拟合误差在0.5ppm以内。

(3)将铒纤滤波器4置于温度控制装置8内进行温度控制，光源其他部件置于外部环境中，第一温度探测器6探测增益铒纤1的温度T₁，第二温度探测器7探测铒纤滤波器4的温度T₂；

(4)根据步骤2建立得到的拟合模型，通过温度控制装置8实时反馈调节铒纤滤波器4温度，以此补偿环境温度变化造成的光源平均波长变化，从而实现光纤光源平均波长的全温稳定。

在本实施例中，当将室温20℃时的平均波长值设为平均波长的恒定参考值时，得到如图4所示的实现平均波长全温稳定时铒纤滤波器4的控制温度随增益铒纤1温度的变化曲线及其差值曲线。由于平均波长随增益铒纤1的温度变化呈正相关变化，随铒纤滤波器4的温度变化呈负相关变化，因此当增益铒纤1在-40℃～+60℃的全温范围内变化时，为维持平均波长的稳定，铒纤滤波器4的控制温度在增益铒纤1的实时温度附近。图4显示铒纤滤波器4的控制温度与增益铒纤1的实时温度差值最大只在10℃左右，这有利于温度控制装置8的进行温度的实时反馈补偿。图5显示铒纤滤波器4温控精度在±0.5℃时平均波长全温变化曲线，由图可知，当温度控制装置8的温度控制精度在±0.5℃时，光源平均波长的全温变化在±5ppm以内，这满足高精度光纤陀螺用光纤光源全温范围平均波长变化小于10ppm的要求。

Claims (2)

1.一种实现掺铒光纤光源平均波长全温稳定的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在单程后向结构掺铒光纤光源的输出端口接一段无源掺铒光纤作为铒纤滤波器(4)，在无源掺铒光纤的输出端接光隔离器(5)；在一固定泵浦功率条件下，将光源中的增益铒纤(1)及铒纤滤波器(4)分别放置在各自温箱内，在-40℃～+60℃的温度范围内，测量增益光纤(1)和铒纤滤波器(4)分别在各自不同温度点时，光隔离器(5)输出端的光源输出平均波长；

(2)在铒纤滤波器(4)的每个温度点上对光源输出平均波长随增益铒纤(1)温度T₁变化进行正相关拟合，得到一簇正相关拟合曲线；在增益光纤(1)的每个温度点上对平均波长随铒纤滤波器温度T₂变化进行负相关拟合，得到一簇负相关拟合曲线；通过两簇拟合曲线建立光源平均波长随温度变化的拟合模型；

(3)将铒纤滤波器(4)置于温度控制装置(8)内进行温度控制，光源其他部件置于外部环境中，第一温度探测器(6)探测增益铒纤(1)的温度T₁，第二温度探测器(7)探测铒纤滤波器(4)的温度T₂；

(4)根据步骤(2)建立得到的拟合模型，通过温度控制装置(8)实时反馈调节铒纤滤波器(4)温度，以此补偿环境温度变化造成的光源平均波长变化，从而实现光纤光源平均波长的全温稳定。

2.根据权利要求1所述实现掺铒光纤光源平均波长全温稳定的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述拟合模型的公式如下：

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其中，λ表示光源输出平均波长，T₁为增益铒纤温度，T₂为铒纤滤波器温度，为模型系数，K由步骤(1)测得的数据进行最小二乘法拟合得到。