CN113375655B - 一种基于soa的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源。该宽谱光源由一个双程后向结构掺铒光纤光源和SOA组成，包括980nm激光器、波分复用器、掺铒光纤、可调衰减器、法拉第旋转镜、光纤隔离器、半导体光放大器SOA。为获得最大限度的降噪效果，从两个方面进行优化设计：RIN(相对强度噪声)抑制和输出光谱展宽。一方面，精确调节SOA和泵浦激光器的注入电流使得SOA工作在“深度饱和状态”；另一方面，优化光路损耗系数使光源具有“最大输出谱宽”。与相同谱型掺铒光纤光源相比，该宽谱光源具有超低的相对强度噪声特性，结构简单、便于集成，对战略级高精度光纤陀螺的应用具有重要意义。

Description

一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源
技术领域
本发明涉及一种宽谱光纤光源，更特别是一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源。
背景技术
随着高精度惯性导航和制导系统对光纤陀螺的要求越来越高，研制战略级高精度光纤陀螺具有重要的理论意义和军事意义。
在应用于高精度光纤陀螺系统的各种光源中，宽谱光源可以有效减小背向瑞散射、背向反射、偏振交叉耦合、克尔效应以及各种环境噪声所带来的系统相干误差，是高精度光纤陀螺的首选光源。然而，随着国内外对光纤陀螺研究的不断深入，宽谱光源的相对强度噪声成为限制高精度光纤陀螺最小检测灵敏度的主要原因。为了降低光源相对强度噪声对陀螺精度的影响，国内外学者提出RIN电路相减、RIN光路相减、谐振腔降噪和双光源提供干涉光等方法。虽然这些方法在一定程度上降低了光源相对强度噪声对陀螺的影响，然而复杂的电路和光路系统严重限制了这些方法在光纤陀螺中的实际应用。
SOA是一种半导体器件，快速发展于20世纪90年代末，随着量子阱、超晶格技术的发展，特别是应变量子阱技术的日趋成熟，人们对SOA进行了大量的研究工作，充分利用其体积小、非线性系数高、器件工艺成熟、能够实现光子集成等诸多优点，在基于SOA的很多领域取得了十分丰富的研究成果。研究表明，利用SOA的非线性使其工作在“深度饱和状态”，可以降低光源的相对强度噪声。然而，实际工程应用中发现，SOA在C波段表现出很大的增益不均。当宽谱光输入工作在“深度饱和状态”下的SOA，由于光载流子拍频作用，输出光谱表现为在长波段增益变大，在短波段增益减小。特别是将SOA应用在掺铒光纤光源的降噪过程中，这种增益不均的现象会直接影响光源谱宽，进而影响光源相对强度噪声特性。因此，实际应用过程中必须优化掺铒光纤光源的光学参数与SOA增益特性相匹配，以获得最大的降噪效果。
发明内容
本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源；该宽谱光源由一个双程后向结构掺铒光纤光源和SOA组成，为获得最大限度的降噪效果，从两个方面进行优化设计：RIN抑制和输出光谱展宽。
本发明的技术方案是：
一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源，包括泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、可调衰减器、法拉第旋转镜、光纤隔离器、半导体光放大器SOA；泵浦激光器的尾纤与波分复用器的第一接头熔接；波分复用器的第二接头与光纤隔离器的第一接头熔接，波分复用器的第三接头与掺铒光纤的第一接头熔接；掺铒光纤的第二接头与可调衰减器的第一接头熔接，可调衰减器的第二接头与法拉第旋转镜的接头熔接；光纤隔离器的第二接头与半导体光放大器SOA的第一接头熔接，半导体光放大器SOA的第二接头为光输出端，用于输出稳定的低噪声宽谱光。
还包括对光源进行RIN抑制方面设计，具体设计方法如下：
首先令半导体光放大器SOA注入电流为300mA；
然后将泵浦激光器注入电流由小到大调节，用光功率计监测光源输出光功率；随着泵浦激光器注入电流逐渐增大至I1＝170mA，半导体光放大器SOA进入“深度饱和状态”，光源输出光功率不再随泵浦激光器注入电流增大而变化；
最后将泵浦激光器注入电流设定为I2＝200mA。
还包括对光源进行输出光谱展宽方面设计，具体设计方法如下。
首先将可调衰减器衰减系数由小到大调节，用光谱仪监测半导体光放大器SOA输出光谱特性；随着可调衰减器衰减系数逐渐增大至A1＝2.1dB，半导体光放大器SOA输出光谱中1530nm波段处功率谱密度与1560nm波段处功率谱密度相同；
最后将可调衰减器衰减系数设定为A1。
所述半导体光放大器SOA采用INPHENIX公司1550nm波段定制大功率半导体光放大器。
所述掺铒光纤选择Fibercore的M12光纤，掺铒光纤长度为2.5m，掺铒光纤将泵浦激光器发出的980nm泵浦光转换为1550nm超荧光；光纤在980nm和1550nm吸收损耗为11.5dB/m和18.7dB/m。
所述泵浦激光器选择武汉光迅PL974-B8-C-2-SM-6型激光器。
所述可调衰减器选择光电公司VOA-C1550-SM型自制衰减器，工作波段为1550nm波段，损耗系数由0.2dB到30dB可调。
所述的法拉第旋转镜用来将前向ASE超荧光经由可调衰减器返回进掺铒光纤，提高光源的输出功率。
所述的光纤隔离器保证稳定的信号光单向传输的同时消除反馈光对光源系统的影响，输出稳定的宽谱光。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源，为获得最大限度的降噪效果，光源从两个方面进行优化设计：RIN抑制和输出光谱展宽。
①泵浦激光器的注入电流根据SOA的工作电流调节，使得SOA工作在“深度饱和状态”以获得最大的RIN抑制效果。该“深度饱和状态”的特征需为：SOA(7)输出光功率不再随输入光功率增大而变化。
②根据SOA的增益特性优化掺铒光纤的长度和可调衰减器的损耗系数，使光源具有“最大输出谱宽”。该“最大输出谱宽”的特征需为：SOA(7)输出光谱1530nm波段处功率谱密度与1560nm波段处功率谱密度相同。
与相同谱型掺铒光纤光源相比，该光源相对强度噪声大约降低8.4dB。将该光源应用在高精度光纤陀螺系统，陀螺随机游走系数大约降低31.5％。该宽谱光源具有超低的相对强度噪声特性，结构简单、便于集成，对战略级高精度光纤陀螺的应用具有重要意义。
附图说明
图1是本发明一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源的结构图。
图2是本发明一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源SOA前后的光谱。
图3是本发明一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源SOA前后光谱的相对强度噪声特性。
图4是本发明一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源SOA前后光谱应用于相同高精度光纤陀螺系统的输出。
图5是本发明一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源SOA前后光谱应用于相同高精度光纤陀螺系统的随机游走曲线。
具体实施方式
为使本发明的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
本发明的一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源是一种适用于战略级高精度光纤陀螺的宽谱光源。
如图1所示，本发明的一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源的结构图，包括泵浦激光器1、波分复用器2、掺铒光纤3、可调衰减器4、法拉第旋转镜5、光纤隔离器6、半导体光放大器7；泵浦激光器1的尾纤与波分复用器2的第一接头21熔接；波分复用器2的第二接头22与光纤隔离器6的第一接头61熔接，波分复用器2的第三接头23与掺铒光纤3的第一接头31熔接；掺铒光纤3的第二接头32与可调衰减器4的第一接头41熔接，可调衰减器4的第二接头42与法拉第旋转镜5的接头51熔接；光纤隔离器6的第二接头62与半导体光放大器7的第一接头71熔接，半导体光放大器7的第二接头72为光输出端，用于输出稳定的低噪声宽谱光。
(一)泵浦激光器1
在本发明中，泵浦激光器1用于输出980nm激光，该泵浦激光器1泵浦铒离子在前后两个方向产生1550nm波段向超荧光。该泵浦激光器1为武汉光迅的PL974-B8-C-2-SM-6型泵浦激光器，工作波长为974.2nm。
(二)波分复用器2
在本发明中，波分复用器2一方面把980nm激光耦合进掺铒光纤3，另一方面把掺铒光纤3所产生的1550nm波段自发辐射超荧光传输给光纤隔离器6。
(三)掺铒光纤3
在本发明中，所述的掺铒光纤3为Fibercore的M12光纤，用来将980nm泵浦光转换为1550nm超荧光。光纤在980nm和1550nm吸收损耗为11.5dB/m和18.7dB/m，掺铒光纤3长度根据陀螺对光源光功率需求及半导体光放大器7的输出特性进行优化设计，最终确定为2.5m。
(四)可调衰减器4
在本发明中，所述的可调衰减器4为光电公司自制VOA-C1550-SM型衰减器，工作波段为1550nm波段，损耗系数由0.2dB到30dB可调，超低噪声宽谱光源中最终衰减系数根据半导体光放大器7的增益特性优化设计。
(五)法拉第旋转镜5
在本发明中，所述的法拉第旋转镜5为光电公司自制，用来将前向ASE超荧光经由可调衰减器4返回进掺铒光纤3。
(六)光纤隔离器6
在本发明中，光纤隔离器6保证稳定的信号光单向传输的同时消除反馈光对光源系统的影响，降低掺铒光纤的放大噪声，输出稳定的宽谱光。
(七)半导体光放大器7
在本发明中，所述的半导体光放大器7为INPHENIX公司1550nm波段定制器件，工作在“深度饱和状态”，用来抑制掺铒光纤光源相对强度噪声。
在本发明中，各个光学器件均采用尾纤熔接方式连接。
本发明一种基于半导体光放大器的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源。该宽谱光源由一个双程后向结构掺铒光纤光源和半导体光放大器7组成，为获得最大限度的降噪效果，从两个方面进行优化设计：RIN抑制和输出光谱展宽。一方面，精确调节半导体光放大器7和泵浦激光器1的注入电流使得半导体光放大器7工作在“深度饱和状态”；该“深度饱和状态”的特征需为：半导体光放大器7输出光功率不再随输入光功率增大而变化。另一方面，优化可调衰减器损耗系数使光源具有“最大输出谱宽”；该“最大输出谱宽”的特征需为：半导体光放大器7输出光谱1530nm波段处功率谱密度与1560nm波段处功率谱密度相同。该宽谱光源具有超低相对强度噪声，结构简单、便于集成。
如图2所示，本发明一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源SOA前后的光谱。
超低噪声宽谱光源系统中，根据陀螺对光源功率的需求，固定半导体光放大器7注入电流为300mA，掺铒光纤3长度为2.5m，由小到大逐步调节泵浦激光器1的注入电流并监测光源输出光功率。当泵浦激光器1的注入电流调节至170mA时光源输出功率不会随注入电流的增加而增加。为确保整个优化设计过程中半导体光放大器7始终工作在深度饱和状态，本发明设定泵浦激光器1的注入电流为200mA。
随后，调节可调衰减器4的损耗系数，利用光谱仪监测光源输出光谱。当光源输出光谱1530nm波段和1560nm波段光功率谱密度相等时，输出谱型如图2中SOA后光谱所示，谱宽达到最大38.6nm。此时，半导体光放大器7输入谱型如图2中SOA前光谱所示，光谱宽度为33.2nm。可调衰减器4损耗系数为2.1dB。
如图3所示，本发明一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源SOA前后光谱的相对强度噪声特性。
利用RIN测试装置测试了图2中SOA前后光谱的相对强度噪声特性。SOA前光谱的相对强度噪声约为-126.1dB，如图中噪声曲线1所示；SOA后光谱的相对强度噪声约为-134.5dB，如图中噪声曲线2所示。经过半导体光放大器7后，光源相对强度噪声大约降低8.4dB。
SOA前光谱宽度为33.2nm，SOA后光谱宽度为38.6nm。考虑到半导体光放大器7在C波段增益不均导致的光谱的展宽作用，理论计算SOA后光谱相对强度噪声约为-126.9dB，如图中噪声曲线3所示。这意味8.4dB噪声衰减中大约0.8dB来自光谱展宽作用，大约7.6dB来自半导体光放大器7的RIN抑制作用。
该RIN抑制作用一般被认为由工作在“深度饱和状态”下的SOA对光的非线性效应产生，原理如下。宽谱光源RIN由下式计算：
Figure BDA0003060914910000071
其中，
Figure BDA0003060914910000072
为光功率波动项，P为光功率直流项。当SOA注入电流固定，导带电荷密度随着输入光功率P增大而减小，而光功率波动
Figure BDA0003060914910000073
也随着导带电荷密度而减小。当输入光功率P足够大，光功率波动
Figure BDA0003060914910000074
与光功率P大约呈线性关系。因此，当SOA注入电流固定，RIN随着输入光功率P的增大而减小。
图4是本发明一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源SOA前后光谱应用于相同高精度光纤陀螺系统的输出。高精度光纤陀螺系统中陀螺参数为：光纤环长度4500m，光纤环直径20cm，陀螺调制深度7π/8。
图4(a)为将SOA前光谱应用在高精度光纤陀螺系统中陀螺输出；图4(b)为将SOA后光谱应用在高精度光纤陀螺系统中陀螺输出。
图5是本发明一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源SOA前后光谱应用于相同高精度光纤陀螺系统的随机游走曲线。
图5(a)为将SOA前光谱应用在高精度光纤陀螺系统中陀螺输出的Allan方差曲线，陀螺随机游走(ARW)为10.12×10-5o/h1/2；图5(b)为将SOA后光谱应用在高精度光纤陀螺系统中陀螺输出的Allan方差曲线，陀螺随机游走为6.93×10-5o/h1/2。陀螺随机游走系数大约降低31.5％。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，实施方式中的参数及附图仅是说明实施方式的示意图，并非对本发明形成限制。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源，其特征在于：包括泵浦激光器（1）、波分复用器（2）、掺铒光纤（3）、可调衰减器（4）、法拉第旋转镜（5）、光纤隔离器（6）、半导体光放大器SOA（7）；泵浦激光器（1）的尾纤与波分复用器（2）的第一接头（21）熔接；波分复用器（2）的第二接头（22）与光纤隔离器（6）的第一接头（61）熔接，波分复用器（2）的第三接头（23）与掺铒光纤（3）的第一接头（31）熔接；掺铒光纤（3）的第二接头（32）与可调衰减器（4）的第一接头（41）熔接，可调衰减器（4）的第二接头（42）与法拉第旋转镜（5）的接头（51）熔接；光纤隔离器（6）的第二接头（62）与半导体光放大器SOA（7）的第一接头（71）熔接，半导体光放大器SOA（7）的第二接头（72）为光输出端，用于输出稳定的低噪声宽谱光;
对光源进行RIN抑制方面设计，具体设计方法如下：
首先令半导体光放大器SOA（7）注入电流为300mA；
然后将泵浦激光器（1）注入电流由小到大调节，用光功率计监测光源输出光功率；随着泵浦激光器（1）注入电流逐渐增大至I1=170mA，半导体光放大器SOA（7）进入“深度饱和状态”，光源输出光功率不再随泵浦激光器（1）注入电流增大而变化；
最后将泵浦激光器（1）注入电流设定为I2=200mA；
对光源进行输出光谱展宽方面设计，具体设计方法如下：
首先将可调衰减器（4）衰减系数由小到大调节，用光谱仪监测半导体光放大器SOA（7）输出光谱特性；随着可调衰减器（4）衰减系数逐渐增大至A1=2.1dB，半导体光放大器SOA（7）输出光谱中1530nm波段处功率谱密度与1560nm波段处功率谱密度相同；
最后将可调衰减器（4）衰减系数设定为A1。
2.根据权利要求 1所述的一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源，其特征在于：所述半导体光放大器SOA（7）采用INPHENIX公司1550nm波段定制大功率半导体光放大器。
3.根据权利要求 1所述的一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源，其特征在于：所述掺铒光纤（3）选择Fibercore的M12光纤，掺铒光纤（3）长度为2.5m，掺铒光纤（3）将泵浦激光器（1）发出的980nm泵浦光转换为1550nm超荧光；光纤在980nm和1550nm吸收损耗为11.5dB/m和18.7dB/m。
4.根据权利要求 1所述的一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源，其特征在于：所述泵浦激光器（1）选择武汉光迅PL974-B8-C-2-SM-6型激光器。
5.根据权利要求 1所述的一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源，其特征在于：所述可调衰减器（4）选择光电公司VOA-C1550-SM型自制衰减器，工作波段为1550nm波段，损耗系数由0.2dB到30dB可调。
6.根据权利要求 1所述的一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源，其特征在于：所述的法拉第旋转镜（5）用来将前向ASE超荧光经由可调衰减器（4）返回进掺铒光纤（3），提高光源的输出功率。
7.根据权利要求 1所述的一种基于SOA的光纤陀螺用超低噪声宽谱光源，其特征在于：所述的光纤隔离器（6）保证稳定的信号光单向传输的同时消除反馈光对光源系统的影响，输出稳定的宽谱光。
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