CN1748122A - 高度稳定的宽波段光源及其适用的稳定方法 - Google Patents

高度稳定的宽波段光源及其适用的稳定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高度稳定的宽波段光源，其包括：具有特定发射光谱的半导体光源(1)；具有特定带通滤波函数和预定带宽的光滤波器(4、5；4a)；耦合元件(3；10)，所述半导体光源(1)和所述光滤波器(4，5；4a)的光发射馈送到所述耦合元件(3；10)，且在所述耦合元件的输出端(11)实现所述宽波段光源的光发射。所述宽波段光源的光发射光谱由所述半导体光源(1)的发射光谱和所述光滤波器(4，5；4a)的带通滤波函数的发射光谱构成。所述光滤波器(4，5；4a)的波长通过这样的方式针对温度进行稳定，使得所述宽波段光源的光发射光谱本质上仅由所述光滤波器(4，5；4a)的滤波函数决定。

Description

高度稳定的宽波段光源及其适用的稳定方法
技术领域
本发明涉及一种尤其用于导航系统的基于半导体光源和光滤波器的高度稳定的宽波段光源。
背景技术
光纤陀螺仪已经在中等精确度的导航系统中使用了很多年，迄今为止其在惯性导航系统(INS)中的应用受到了大于每百万100单位(ppm)的低比例因子精确度的限制，这样的低比例因子精确度主要是由于光源的波长稳定性导致。
公知高度稳定的超荧光光源具有每摄氏度每百万(ppm)0.05单位(0.05ppm/℃)的残留波长不精确度。不过，这些光源非常昂贵，而且仅用在少量的高精度INS系统中。
超发光二极管(SLD)是半导体光源的廉价替代品，不过具有两个重要的缺点。
第一，波长对温度的依赖性大约为|dX/dT|＝400ppm/℃，第二，这样的半导体光源会老化，造成不良的波长漂移，从而整体上造成精确度和稳定性不佳。
使用布拉格光栅用于改善铒掺杂的超发光光纤光源的波长稳定性，在例如N.Cerre等在Proc.OFS 1997中的文章“Fiber Bragg Grating for Use WithinHigh-Accuracy Fiber Optic Gyroscope”一文中有所描述。在这种特定的环境中，虽然固有地利用了光栅良好的稳定性和低温依赖性，但是当与诸如SLD的半导体光源结合使用时，仅仅由此而能获得的效果是不够的。
发明内容
因此，本发明基于消除上述缺点这一目的，并提供了一种宽波段光源，它在其整个光谱中具有高的波长稳定性。特别地，旨在部分地或全部地通过应用到光滤波器的滤波功能来决定波长稳定性。
这一目的是通过分别具有专利权利要求1和11的特征的宽波段光源，还通过根据专利权利要求20的方法实现的。
因此本发明提供了一种高度稳定的宽波段光源，其特征在于：具有特定发射光谱的半导体光源；具有特定带通滤波函数和给定带宽的光滤波器；耦合元件，所述半导体光源和所述光滤波器的光发射馈入该耦合元件，且在所述耦合元件的输出实现宽波段光源的光发射，所述宽波段光源的光发射光谱由所述半导体光源和所述光滤波器的带通滤波函数的发射光谱构成；并且，所述光滤波器的波长通过这样的方式进行温度稳定(temperature-stabilized)，使得所述宽波段光源的光发射光谱本质上仅由所述光滤波器的滤波功能决定。
在一个优选示范性实施例中，这样的半导体光源具有控制装置，该控制装置为所述光滤波器的波长的温度稳定提供了滤波功能，其发射光谱为高斯型的，特别地，用于所述光滤波器的波长的无源温度稳定的所述滤波功能提供了一种高斯滤波器，该高斯滤波器的光谱幅度在所述半导体光源的发射光谱的光谱幅度下方。
此外，用于所述光滤波器的波长的有源温度稳定的所述控制装置优选地提供所述光滤波器的温度特性曲线的校淮。
为此目的，为所述光滤波器分配一温度传感器，将所述温度传感器的信号馈送给所述控制装置，用于所述光滤波器的波长的温度稳定。
作为一种替换，所述光滤波器可以包括两个工作在反射模式下的完全相同的光纤布拉格光栅，其中一个将其光发射直接馈送到耦合元件，而另一个将其光发射通过光延迟线馈送到耦合元件。
在这种情况下，所述耦合元件优选为光纤陀螺仪，且如此选择所述光延迟线的长度，使得后者产生的第二相干峰不和光纤陀螺仪中的其他光路相关。
根据本发明的第二优选示范性实施例，高度稳定的宽波段光源特征在于：具有特定发射光谱的半导体光源；两个具有预定带通滤波函数和特定带宽的光滤波器；耦合元件，所述半导体光源和所述光滤波器的光发射馈入该耦合元件，且在其输出端实现宽波段光源的光发射，所述宽波段光源的光发射光谱由所述半导体光源和所述光滤波器的带通滤波函数的发射光谱构成；并且，所述光滤波器的波长通过这样的方式进行稳定，使得所述宽波段光源的光发射光谱本质上仅由所述光滤波器的滤波功能决定。
在这种情况下，所述光滤波器的带宽有所交迭，并提供两个光探测器，其中之一在每种情况下都被分配到每个光滤波器并探测由所述光滤波器传输的光谱，且将它馈送到除法器，在除法器中对光谱进行比较，在这种情况下所述除法器可以是数字信号处理器或对数压缩放大器，在其中实现所馈送的两个光谱的商形成。
此外，本发明的第二优选示范性实施例还提供了一种控制装置，该控制装置接收所述除法器的输出信号并以如此方式利用反馈控制半导体光源的波长，使得通过两个光探测器所探测到的强度保持相同。
优选地，在这种情况下，所述半导体光源是一种超发光二极管，所述光滤波器是一种工作在反射模式下的光纤布拉格光栅，所述耦合元件是一种2×2耦合器，且在光源和所述耦合元件之间布置光隔离器。
专利权利要求18涉及一种用于高度稳定宽波段光源的对应方法。
附图说明
以下根据示范性实施例参照附图更加详细地描述本发明和有益的实施例变体，在附图中：
图1示出了根据第一示范性实施例的宽波段光源布置，该实施例具有两个光纤布拉格光栅和形式为2×2耦合器的耦合元件；
图2示出了根据第一示范性实施例的宽波段光源布置，该实施例具有光纤布拉格光栅和形式为光环行器的耦合元件；
图3示出了用作半导体光源的超发光二极管的发射光谱，其上叠加了工作在反射模式下的光纤布拉格光栅的带通滤波函数；
图4示出了发生在宽波段光源输出端的根据图3的光谱叠加所得的总光谱；
图5示出了用于稳定宽波段光源的波长的高斯滤波器的光谱和超发光二极管的波长谱；
图6示出了根据第二示范性实施例的宽波段光源的布置；以及
图7示出了根据第二示范性实施例的图示，该实施例具有两个光纤布拉格光栅的宽带滤波器的波长谱叠加超发光二极管的发射光谱。
具体实施方式
图1示出了根据第一示范性实施例的宽波段光源的布置，该实施例具有两个光纤布拉格光栅和耦合元件。
在这一示范性实施例中，所用的半导体光源是超发光二极管1，其光发射通过光隔离器2输出到耦合元件3的输入端。在每种情况下，耦合元件3的其他两个输入端分别连接到光纤布拉格光栅4和5，光栅4和5具有大带宽，工作在反射模式下。
因此，需要例如2×2耦合器等作为耦合元件3。就原理而论，图1所示的示范性实施例可以仅用一根光纤布拉格光栅实现，当使用2×2耦合器时产生了大约6dB的额外损失。
为了避免这些损耗，有可能使用两根完全相同的光纤布拉格光栅，即第一光纤布拉格光栅4和第二光纤布拉格光栅5，通过光延迟线6对它们解耦，以防止可能的干涉。利用延迟线6，由第二光纤布拉格光栅5提供的光反射充当着整个光源的第二相干峰，其具有与第一光纤布拉格光栅4的光反射同样的强度。因此，优选如此选择光延迟线6的长度，使得第二相干峰不和光纤陀螺仪中的其他光路相关。光隔离器2的使用是可选的，不过在此类实施例中是方便的。
此外，在根据图1的构造的情况下，在每种情况下都分别为每根光纤布拉格光栅4和5分别分配温度传感器7和8，温度传感器7和8的输出信号被输出到控制装置9。控制装置9连同温度传感器7和8的功能将在下面结合起来描述。
图2示出了根据第一示范性实施例的宽波段光源的可选布置，该实施例仅有一根光纤布拉格光栅4和光环行器10以代替耦合器3。在这种情况下避免了由耦合器3产生的附加损耗，使得不需要如在图1所示的布置中由第二光纤布拉格光栅5进行相应的补偿。在这种情况下光隔离器2的使用也是可选的，且未在图2中示出。
在图1和2所示的两个示范性实施例中，耦合元件3，即，尤其是光环行器10，具有输出端11，通过该输出端11输出光发射，即，所得到的宽波段光源的光发射的全部光谱。
在当前的条件下，光环行器是耦合元件的最好的解决方案。滤波器整个反射的光谱被传送到“自由”输出端。在光源的方向没有送出任何光。这意味着不需要光隔离器来保护光源。不过，目前光环行器仍然非常昂贵，因此至多用在实验室装置的光纤陀螺仪中。
如图3所示，这一所得的总体光谱由半导体光源1的高斯型发射光谱和光纤布拉格光栅4和5或光纤布拉格光栅4a的带通滤波函数构成。举例来说，图3所示的高斯分布的半值宽度为50nm，其上叠加了宽度为20nm的滤波函数或分裂函数，因此它精确地落在了高斯光谱的平坦(顶点)区域。
所得的总光谱在图4中示出，宽波段光源的所得总光谱下的积分占半导体光源1的光谱的高斯函数下的积分的大约22％。就当前可用的半导体光源，例如优选使用的超发光二极管，所得的光强仍然足以用在光纤陀螺仪中；对于例如矩形滤波函数没有限制，相反还可能使用其他滤波函数，诸如sinc滤波器。
具体地说，在这种情况下分别使用的滤波器形式取决于所用的半导体光源1，对于滤波器的选择有两个因素是关键的：第一是在反射中能够获得的最大强度，即滤波器宽度和反射系数，第二，当半导体光源1的波长发生变化时所得滤波器波长可能的最小变化。
不过，作为第一个提到的情况造成的强度较低的缺点至少可以通过相对简单地增加光功率而得到部分补偿，后面提到的情况更加难以处理。
考虑到此，如图5所示的光谱位于半导体光源1的输出光谱下方的高斯滤波器是最佳的。
此外，需要提供光纤布拉格光栅4和5或光纤布拉格光栅4a的波长的最大稳定性。此类光栅的布拉格波长的热灵敏度和温度灵敏度由石英的热光效应和该材料的线性热膨胀决定。热灵敏度依赖于波长，在室温下大约为每开尔文每百万10个单位(10ppm/K)，朝温度更高或更低稍微变化。
为了改善这一数值，最初无源地，即无热地稳定光纤布拉格光栅，然后获得直至0.5ppm/K的残留灵敏度。通过对这样无源稳定的光栅的温度特性建模，在整个温度范围内获得了大约每百万一个单位(1ppm)的布拉格波长残余不确定度。
在模拟中有可能表明，根据所用滤波器的类型，有可能实现半导体光源1的波长对温度的依赖从大约400ppm/K改善到大约100ppm/K。在这种情况下，如上所述，证明使用高斯滤波器是特别有利的，高斯滤波器的光谱位于半导体光源1的高斯分布光谱的下方。通常一般可以实现此类滤波器，因为光学高斯滤波器具有比SLD的光谱更窄的带宽，而且能够以大约至多0.8的小反射系数进行制造。
在这种情况下，如果半导体光源1的光谱没有变化到过度大的范围，即在冷却的光源的情况中能够容易实现的最大为2000ppm，那么在半导体光源1的光谱和光纤布拉格光栅4和5或4a的光谱之间就不会出现重叠。因此，半导体光源1或整个布置的光发射的波长稳定性仅仅决定于基于光纤布拉格光栅的滤波器。
如果利用根据图1和2的一个或多个温度传感器7、8或7a以及控制装置9，此类光纤布拉格光栅的温度特性曲线进一步进行校准和有源地热稳定，就可以在整个温度范围内实现小于1ppm的残留波长不确定度。
又一需要考虑的问题是半导体光源1的老化，老化的结果是半导体光源1的波长谱在其使用寿命过程中在光发射期间可能会变化。不过，通过使用根据所述的本发明和示范性实施例的光纤布拉格光栅或滤波器，显著地减慢了这种老化，因为所得的总输出光谱主要决定于上述的滤波功能，且在半导体光源1老化期间，所得的矩心(centroid)波长和半导体光源1本身老化的矩心波长相比变到了少得多的范围。举例来说，当使用如上所述的高斯滤波器时，正常老化，即所发生的3nm的波长偏移，相当于大约3700ppm，无论如何都不会对所得的整个光谱造成影响。
当不能使用高斯滤波器时，可以使用如图6所示的根据本发明第二示范性实施例的替代方案。通过举例示出的基本布置对应于图1的布置，因此用同样的参考标记表示相同或类似的组件。
与图1所示的布置比较起来，第二示范性实施例使用了两个光纤布拉格光栅4、5，它们的光谱以图7所示的方式相重叠。这样合成滤波器的带宽就大于单根光纤布拉格光栅4、5的带宽。由光纤布拉格光栅4、5所分别传输的光谱通过分别分配给光纤布拉格光栅4、5的两个光探测器12和13来探测，并馈送给除法器14，例如数字信号处理器或对数压缩放大器，并通过商形成在除法器14中进行比较。
这样的布置获得了由光探测器12(I1)和13(I2)输出的强度I1和I2的商I1/I2和波长的变化之间范围达到1000ppm的线性特性曲线，如图7以简化方式所示的那样。
作为替换，通过改变珀耳帖(Peltier)温度使得由光探测器12、13所探测的强度I1和I2保持相同，可以将所述强度的商I1/I2固定为1，并可以通过例如电子闭环控制单元的控制装置9利用反馈使半导体光源1的波长偏移。
在仿真中，可以显示，如果总的滤波器宽度得到了最大化，例如35mm，那么就实现了最高灵敏度，如图7所示。在这种情况下光谱重叠的范围起到了第二重要的作用，但是不能武断地降低电子分辨率，从而能够判定不到50ppm的偏移或能够困难地对其补偿。不过，在本示范性实施例的情况下，补偿半导体光源1的老化的可能性仍然是有利的。
根据本发明的高度稳定的宽波段光源不仅适于在光纤陀螺仪应用，而且适于用在白光干涉仪、光学相干层析成像、光纤布拉格传感器(温度、应变、压力、振动等)、电流和电压传感器、光纤组件计量等中。

Claims (20)

1.一种高度稳定的宽波段光源，
其特征在于：
-具有特定发射光谱的半导体光源(1)；
-具有特定带通滤波函数和给定带宽的光滤波器(4、5；4a)；
-耦合元件(3；10)，所述半导体光源(1)和所述光滤波器(4，5；4a)的光发射馈送到所述耦合元件(3；10)，且在所述耦合元件的输出端(11)实现所述宽波段光源的光发射，
所述宽波段光源的光发射光谱由所述半导体光源(1)的发射光谱和所述光滤波器(4，5；4a)的带通滤波函数构成；且
所述光滤波器(4，5；4a)的波长通过这样的方式进行温度稳定，使得所述宽波段光源的光发射光谱本质上仅由所述光滤波器(4，5；4a)的滤波函数决定。
2.如权利要求1所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于控制装置(9)，它为所述光滤波器(4，5；4a)的波长的温度稳定提供滤波函数。
3.如权利要求2所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，所述半导体光源(1)的发射光谱是高斯型的，且所述控制装置(9)的滤波函数为所述光滤波器(4，5；4a)的波长的无源温度稳定提供了一种高斯滤波器，其光谱幅度位于所述半导体光源(1)的发射光谱的以下。
4.如权利要求2或3所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，所述控制装置(9)为所述光滤波器(4，5；4a)的波长的有源温度稳定提供所述光滤波器(4，5；5a)的温度特性曲线的校准。
5.如权利要求2所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，为所述光滤波器(4，5；4a)分配温度传感器(7，8；7a)，所述温度传感器的信号输出馈送给控制装置(9)，用于为所述光滤波器(4，5；4a)的波长的温度稳定。
6.如前述权利要求之一所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，所述光滤波器(4，5)包括两个运转在反射模式的完全相同的光纤布拉格光栅(4，5)，其中一根将其光发射直接馈送到所述耦合元件(3；10)，另一根将其光发射通过光延迟线(6)馈送到所述耦合元件(3；10)。
7.如前述权利要求之一所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，所述耦合元件是光环行器(10)。
8.如前述权利要求1到6之一所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，所述耦合元件是光纤陀螺仪。
9.如前述权利要求1到6之一所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于所述耦合元件是干涉仪。
10.如权利要求7到9之一所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，如此选择所述光延迟线(6)的长度，使得由所述光延迟线产生的第二相干峰不和所述光纤陀螺仪(10)中的其他光路相关。
11.一种高度稳定的宽波段光源，
其特征在于：
-具有特定发射光谱的半导体光源(1)；
-两个具有特定带通滤波函数和预定带宽的光滤波器(4，5)；
-耦合元件(3)，所述半导体光源(1)和所述光滤波器(4，5)的光发射施加到所述耦合元件(3)，且在其输出端(11)实现所述宽波段光源的光发射，
所述宽波段光源的光发射光谱由所述半导体光源(1)的发射光谱和所述光滤波器(4，5)的带通滤波函数构成；且
所述光滤波器(4，5)的波长通过这样的方式进行稳定，使得所述宽波段光源的光发射光谱本质上仅由所述光滤波器(4，5)的滤波函数决定。
12.如权利要求11所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，所述光滤波器(4，5)的带宽重叠。
13.如权利要求11所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，两个光探测器(12，13)，其中之一在每种情况下被分配到每个光滤波器(4，5)，并探测由所分配的光滤波器(4，5)传输的光谱且将其馈送到除法器(14)，在所述除法器中对所探测的光谱进行比较。
14.如权利要求13所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，所述除法器(14)是数字信号处理器或对数压缩放大器，其中为所馈送的两个光谱的强度实现商的形成。
15.如权利要求13所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，控制装置(9)，它接收所述除法器(14)的输出信号并以这样的方式用反馈控制所述半导体光源(1)的波长，使得所述两个光探测器(12，13)所探测的强度(I1，I2)保持是同样的。
16.如前述权利要求之一所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，所述半导体光源是超发光二极管(1)。
17.如前述权利要求之一所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，所述光滤波器是在反射模式下工作的光纤布拉格光栅(4，5；4a)。
18.如前述权利要求之一所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，所述耦合元件是2×2耦合器(3)。
19.如前述权利要求之一所述的高度稳定的宽波段光源，其特征在于，在所述半导体光源(1)和所述耦合元件(3；10)之间设置光隔离器(2)。
20.一种用于稳定宽波段光源的方法，
其特征在于如下步骤：
-利用具有特定发射光谱的半导体光源(1)发射光；
-利用至少一个具有特定带通滤波函数和特定带宽的光滤波器(4，5；4a)发射光；
-在耦合元件(3；10)中耦合所发射的光，所述半导体光源(1)和所述光滤波器(4，5；4a)的光发射馈送到所述耦合元件(3；10)，且在所述耦合元件(3；10)的输出端(11)实现所述宽波段光源的光发射，
所述宽波段光源的光发射光谱由所述半导体光源(1)的发射光谱和所述光滤波器(4，5；4a)的带通滤波函数构成；且
所述光滤波器(4，5；4a)的波长通过这样的方式进行稳定，使得所述宽波段光源的光发射光谱本质上仅由所述光滤波器(4，5；4a)的滤波函数决定。
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