CN106384930A - 一种高精度光纤陀螺用Er3+ Yb3+共掺光纤光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度光纤陀螺用Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤光源，它包括泵浦激光器、波分复用器WDM、Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤、光纤反射镜、光纤隔离器和光纤滤波器。本发明的优点是：解决现有技术Er³⁺离子对泵浦光的吸收有限，造成掺铒光纤光源功率不高的问题，提出一种基于Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤的宽带光源技术方案，为高精度光纤陀螺用Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤光源。

Description

一种高精度光纤陀螺用Er3+ Yb3+共掺光纤光源

技术领域

本发明涉及一种稀土掺杂光纤光源，具体涉及一种高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，属于光纤陀螺技术领域。

背景技术

光纤陀螺作为一种全固态惯性仪表，具有潜在精度高、使用寿命长、动态范围大等特点，被认为是21世纪惯性测量与制导领域的主流仪表之一，特别是在高精度应用领域，光纤陀螺将成为最主要的惯性仪表。

宽带光纤光源是高精度光纤陀螺的一项关键技术，目前，国内外广泛采用基于掺铒光纤自发辐射原理的超荧光光纤光源。相比于传统光纤陀螺用SLD光源，掺铒光纤光源具有输出功率高、平均波长稳定性好、寿命长等特点。

光源功率是高精度光纤陀螺用光纤光源的一项重要指标，提高光源功率可以有效提高光纤陀螺的信噪比。掺铒光纤是以石英光纤作为基质材料，并在纤芯中掺入一定浓度的Er³⁺，泵浦光激励Er³⁺发生能级反转，自发辐射超荧光。但是，因为Er³⁺对泵浦光的吸收效率有限，制约了光纤光源功率的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是为解决Er³⁺离子对泵浦光的吸收有限，造成掺铒光纤光源功率不高的问题，提出一种基于Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤的宽带光源技术方案，为高精度光纤陀螺用Er^{3 +} /Yb³⁺共掺光纤光源。

本发明的技术方案是：一种高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，它包括泵浦激光器、波分复用器WDM、Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤、光纤反射镜、光纤隔离器和光纤滤波器。

进一步的技术方案是：所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，它为双通后向结构：向前的自发辐射信号经光纤反射镜后再次通过Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤并与后向自发辐射信号叠加，形成更强的后向输出功率。

所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其泵浦激光器为980nm泵浦激光器，为Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源提供泵浦光信号，激发Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤自发辐射光信号。

所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其光纤反射镜在980nm处的反射率小于等于5%，用于确保泵浦光信号不再反射回泵浦激光器，以免造成激光器损伤和输出光信号的不稳定。

所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其波分复用器选用的工作波长为980nm/1550nm，用于将980nm泵浦光耦合输入Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中激发1550nm的信号光，将Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中产生的1550nm的光耦合输出，作为Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源的输出信号。

所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其光纤隔离器加在信号输出端上，用于防止1550nm的光从波分复用器中反射回Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中形成激射，从而引入强度噪声和相位噪声。

所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其光纤滤波器为高斯型光纤滤波器，用于对光源光谱进行整形，将Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源光谱变换成高斯型光谱。

所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中，Yb³⁺是作为一种敏化离子，用于增大吸收截面，提高泵浦光吸收效率，将其吸收的泵浦能量传递给Er³⁺。

结合本发明的结构、工作原理对本发明的效果作说明如下：

高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，包括980nm泵浦激光器，980nm/1550nm波分复用器WDM，Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤，光纤反射镜，光纤隔离器和光纤滤波器。光纤光源采用双通后向结构，泵浦光经波分复用器后注入Er³⁺ /Yb³⁺掺光纤中。Yb³⁺ 作为一种敏化离子，与Er³⁺共同掺入石英光纤材料中作为能量传递介质。Yb³⁺吸收泵浦光子的能量后，把能量传递给受主离子Er³⁺ ，由于其吸收截面很大，处于基态的粒子被激发到高能级的效率很高。Yb³⁺离子并不直接发生能级跃迁，仅仅是最为一个能量传递工具，通过交叉弛豫将高能级上的粒子转移到与Er³⁺ 能量相近的能级上去，使Er³⁺ 相关能级上的粒子急剧增加。另一方面，由于敏化剂的掺杂浓度可以是其他掺杂离子的几十倍，因而大大提高了对泵浦光的吸收效率。Er³⁺ 在吸收泵浦光后发生能级跃迁，分别沿前后两个方向产生放大的自发辐射信号。向前的自发辐射经光纤反射镜反射后再次通过Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤放大并与后向自发辐射叠加，形成功率更强的后向输出光，经光纤隔离器和光纤滤波器后输出。

相对于目前高精度光纤陀螺领域常用的掺铒光纤光源，Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤比单掺铒光纤对泵浦光的吸收效率更高。在相同的泵浦功率和光纤长度下，光纤光源输出功率提升显著。将其应用在光纤陀螺上，可大幅提高光纤陀螺的信噪比，降低角度随机游走系数，提升光纤陀螺的零偏稳定性。

说明书附图

图1为本发明Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源结构示意图；

图2为本发明Er3+、Yb3+在SiO2中的吸收谱；

图3为本发明Er3+/Yb3+共掺光纤的吸收及发射谱；

图4为本发明Er3+-Yb3+系统能级结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源作进一步说明如下。

如图1所示为一种高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源结构框架示意图，它包括泵浦激光器、波分复用器WDM、Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤、光纤反射镜、光纤隔离器和光纤滤波器。所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，它为双通后向结构：向前的自发辐射信号经光纤反射镜后再次通过Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤并与后向自发辐射信号叠加，形成更强的后向输出功率。所述的泵浦激光器为980nm泵浦激光器，具有噪声低、发光效率高、易于波分复用等特点，其主要功能是为Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源提供泵浦光信号，激发Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤自发辐射光信号。所述的光纤反射镜在980nm处的反射率小于等于5%，选为5%，也可为4%，或3%，或2.5%，或1%，用于确保泵浦光信号不再反射回泵浦激光器，以免造成激光器损伤和输出光信号的不稳定。所述的波分复用器选用的工作波长为980nm/1550nm，用于将980nm泵浦光耦合输入Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中激发1550nm的信号光，将Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中产生的1550nm的光耦合输出，作为Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源的输出信号。所述的光纤隔离器加在信号输出端上，用于防止1550nm的光从波分复用器中反射回Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中形成激射，从而引入强度噪声和相位噪声。其主要作用是让光在光路中单向传播，阻止光路中反射光沿原路的反向传播。所述的光纤滤波器为高斯型光纤滤波器，用于对光源光谱进行整形，将Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源光谱变换成高斯型光谱。所述的Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中，Yb³⁺是作为一种敏化离子，用于增大吸收截面，提高泵浦光吸收效率，将其吸收的泵浦能量传递给Er³⁺。

光纤光源采用双通后向结构，泵浦光经波分复用器后注入Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中，分别沿前后两个方向产生放大的自发辐射信号。向前的自发辐射经光纤反射镜反射后再次通过Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤放大并与后向自发辐射叠加，形成功率更强的后向输出光，经光纤隔离器和光纤滤波器后输出。

Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中，Yb³⁺掺入后与Er³⁺形成Yb³⁺-Er³⁺离子对, Yb³⁺主要起作敏化作用，Yb³⁺离子吸收泵浦光子的能量后，把能量传递给受主离子Er³⁺，由于其吸收截面较大，处于基态的离子被激发到高能级上的效率很高。如图2所示是Er³⁺、Yb³⁺ 在SiO₂中的吸收谱线。要实现放大的自发辐射，Er³⁺、Yb³⁺须达到一定的掺杂浓度水平，使得Yb³⁺能均匀地包围Er³⁺形成Yb³⁺-Er³⁺离子对，确保Yb³⁺把从泵浦吸收到的能量通过离子对充分高效地转移给Er³⁺，使Er³⁺达到粒子数反转，如图3所示为Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤的吸收及发射谱。

泵浦光进入到Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤后并不直接激发粒子到Er³⁺上能级，Yb³⁺掺入与Er³⁺形成Yb³⁺-Er³⁺离子对，而Yb³⁺离子起着吸收800～1100nm附近的泵浦光的作用。当泵浦光射入时，Yb³⁺在基态吸收大部分泵浦光后，从基态²F_7/2被激发到²F_5/2，被激发的Yb³⁺把吸收到的能量通过Yb³⁺-Er³⁺离子对转移给基态⁴I_15/2的Er³⁺。基态Er³⁺获得这些能量后，再把能量几乎都传给Er³⁺的激发态⁴I_11/2，⁴I_11/2能级寿命极短(～0.1us)，致使Er³⁺很快以非辐射方式由泵浦态弛豫到亚稳态⁴I_13/2，同时Er³⁺也有小部分回传给Yb³⁺。而亚稳态载流子有较长的寿命(～11ms)，所以，Er³⁺可以在⁴I_13/2上停留，形成粒子数反转。在源源不断地泵浦下，亚稳态上的粒子数逐渐累积，从而实现粒子数反转分布。

Yb³⁺粒子在1000nm附近具有较大的峰值吸收截面，可以吸收980～1060nm泵浦光，因此，光纤对泵浦光的吸收能力较单掺Er³⁺的光纤提高了两个数量级。又因为Yb³⁺为二级能级系统，保证了Yb³⁺之间不会发生能量转换。Yb³⁺和Er³⁺能级之间的相对失配量不会超过0.5%，所以Yb³⁺到Er³⁺的能量转移效率很高。可见，Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤中的Yb³⁺离子为Er³⁺离子提供了一种高效的间接泵浦方式，使泵浦光得以有效吸收和转移。

Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤的性质，使其成为高精度光纤陀螺用宽带光纤光源的理想增益介质。基于Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤的自辐射光源具有输出功率高、宽光谱、波长稳定性好等特点，将特别适用于高精度光纤陀螺领域。

本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。

Claims (8)

1.一种高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其特征在于，它包括泵浦激光器、波分复用器WDM、Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤、光纤反射镜、光纤隔离器和光纤滤波器。

2.根据权利要求1所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其特征在于，所述的光源为双通后向结构：向前的自发辐射信号经光纤反射镜后再次通过Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤并与后向自发辐射信号叠加，形成更强的后向输出功率。

3.根据权利要求1或2所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其特征在于，泵浦激光器为980nm泵浦激光器，为Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源提供泵浦光信号，激发Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤自发辐射光信号。

4.根据权利要求1或2所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其特征在于，所述光纤反射镜在980nm处的反射率小于等于5%，用于确保泵浦光信号不再反射回泵浦激光器，以免造成激光器损伤和输出光信号的不稳定。

5.根据权利要求1或2所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其特征在于，波分复用器选用的工作波长为980nm/1550nm，用于将980nm泵浦光耦合输入Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中激发1550nm的信号光，将Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中产生的1550nm的光耦合输出，作为Er^{3 +} /Yb³⁺共掺光纤光源的输出信号。

6.根据权利要求5所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其特征在于，光纤隔离器加在信号输出端上，用于防止1550nm的光从波分复用器中反射回Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中形成激射，从而引入强度噪声和相位噪声。

7.根据权利要求1或2所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其特征在于，光纤滤波器为高斯型光纤滤波器，用于对光源光谱进行整形，将Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源光谱变换成高斯型光谱。

8.根据权利要求1或2所述的高精度光纤陀螺用Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤光源，其特征在于，Er³⁺ /Yb³⁺共掺光纤中，Yb³⁺是作为一种敏化离子，用于增大吸收截面，提高泵浦光吸收效率，将其吸收的泵浦能量传递给Er³⁺。