TW201525418A - 光源設備及光纖陀螺儀等應用 - Google Patents

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Abstract

一種光源設備，其輸出的光束幾乎不被溫度所影響。所述光源設備為單通後向或雙通後向的系統架構，其可以具有溫度補償帶通反射裝置，以補償溫度對光束之中心波長的影響。甚至，所述光源設備可以具有高通濾波元件設置於所述光源設備之波長多工器與光隔離器之間，以再更進一步地補償溫度對光束之中心波長的影響。溫度補償帶通反射裝置的主要反射之光束的特定頻帶範圍及高通濾波元件的主要抑制之光束的頻帶均為自發放大放射元件被激發放大之光束的頻帶內，且高通濾波元件主要吸收溫度補償帶通反射裝置之特定頻帶範圍外的光束。

Description

光源設備及光纖陀螺儀等應用
本發明係關於一種光源設備，且特別是關於可以選用無溫控之泵激光源(coolerless pump light source)的寬頻光源設備(頻寬>5奈米)以及使用所述光源設備的光纖陀螺儀(fiber optic gyroscope，FOG)與遙測、通訊與感測領域等應用。
泵激光源設備是一種光學應用領域中常見的元件，其通過將受激輻射而產生的光進行放大，以產生一個功率較高、單色性較好且發散度較小的光束。泵激光源設備容易受到溫度的影響，導致於其所產生的光束的中心波長及其峰值會隨著溫度而飄移。為了減少溫度對泵激光源設備所產生的光束的中心波長及其峰值所造成的影響，目前有人提出一種熱電控制的溫控(thermoelectric cooler，TEC)泵激光源設備。熱電控制的溫控泵激光源設備具有受電流控制的電路，以藉此控制其溫度。然而，此熱電控制的溫控泵激光源設備之電路需要額外設計與供電。
於高性能太空航空應用中，泵激光源設備是光纖陀螺儀所必要的元件之一。光纖陀螺儀的功能實現是基於光束通過長達數百至數千米(meter)的光纖線圈後的干涉。兩光束從同一光纖的兩端同時射入光線中。由於塞格尼克效應(Sagnac effect)，在存在轉動對(正轉與反轉)情況下，其中一光束的光程要比另一光束的光程要略短，使兩光束間存在相位差，且所述相位差可以通過干涉儀測 得，以藉此獲得轉動的角速度分量。光纖陀螺儀的陀螺儀比例因子(scale factor)會與泵激光源設備所提供之寬頻的光束之中心波長成正比，因此光纖陀螺儀對於泵激光源設備的平均波長穩定性有一定的要求，亦即，其不允許泵激光源設備所產生的光束的中心波長及其峰值容易受到溫度的影響。除光纖陀螺儀外，波長穩定的寬頻光源也適用於光纖感測、遙測、與通訊等應用上。
本發明實施例提供一種光源設備，且光源設備包括複數段光纖、溫控或無溫控泵激光源、分波多工器(wavelength division multiplexer，WDM)、光隔離器(optical isolator)、自發放大放射(amplified spontaneous emission，ASE)元件與溫度補償帶通反射裝置。溫控或無溫控泵激光源用以提供中心波長約為第一頻帶的第一光束。分波多工器的第一端透過至少一段光纖連接至泵激光源，自其第一端接收第一光束，用以允許中心波長約為第一頻帶的第一光束自其第一端通過至其共通端，以及允許中心波長約為第二頻帶的第二光束自其共通端通過至其第二端。光隔離器為單向導通元件，其第一端透過至少一段光纖連接分波多工器的第二端，自其第一端接收來自於分波多工器之第二端的第二光束，並允許第二光束自其第一端通過至其第二端。自發放大放射元件的第一端透過至少一段光纖連接至分波多工器的共通端，自其第一端接收之中心波長約為第一頻帶的第一光束後發生自發放大放射現象，以產生第三光束至其第二端。溫度補償帶通反射裝置的第一端透過至少一段光纖連接至自發放大放射元件的第二端，且其第二端連接至少一段光纖，其第一端接收來自於自發放大放射元件之第二端的第三光束，並反射中心波長為特定頻帶範圍的第三光束至其第一端，以及允許中心波長為特定頻帶範圍之外的第三光束自其第一端通過至其第二端。自發放大放射元件自其第二端接收來自於溫度補償帶通反射裝置之第一端的第四光束，以產生 第二光束至其第一端。
於本發明其中一個實施例中，上述光源設備可以作為光纖陀螺儀中的寬頻光源設備(無溫控寬頻光源波長穩定模組)，且此光纖陀螺儀包括複數段光纖、上述光源設備、3dB耦合器、光檢測模組、多功能積光元件或模組(包括Y型分光器、極化器與相位調變器)與光纖線圈，其中3dB耦合器的第一端透過至少一段光纖連接至光源設備，3dB耦合器的第二端透過至少一段光纖連接至光檢測模組，3dB耦合器的第三端透過至少一段光纖連接至多功能積光元件或模組的輸入端。多功能積光元件或模組的第一輸出端透過至少一段光纖連接至光纖線圈的第一端，且多功能積光元件或模組的第二輸出端透過至少一段光纖連接至光纖線圈的第二端。
綜上所述，相較於先前技術的光源設備，本發明實施例所提供的光源設備在選用無溫控之泵激光源的情況下，在大溫度範圍內仍可以具有較高的平均波長穩定性。本發明較佳實施例所提供之光源設備的波長穩定度高，故可以應用於光纖陀螺儀中，尤其是需節省耗電功率的太空級光纖陀螺儀，甚至上述光源設備還能夠用於遙測、通訊與感測領域等應用之中。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
10、30、50、70、80、901‧‧‧光源設備
11、31、51、71、81‧‧‧光學頻譜分析器
101、301、501、701、701’、801‧‧‧泵激光源
102、302、502、702、702’、802‧‧‧分波多工器
103‧‧‧摻鉺光纖
303、503、703、703’、803‧‧‧溫度補償摻鉺光纖
104、20、304、504、704、804‧‧‧溫度補償光纖布拉格光柵
804’‧‧‧泵激反射光纖光柵
105‧‧‧光循環器
106、305、506、706、806‧‧‧光隔離器
505、705、805‧‧‧光纖吸收體
DP‧‧‧光纖斷點
201、21‧‧‧積層板
2011、211‧‧‧單層片
2012、212‧‧‧疊層
202‧‧‧光纖布拉格光柵
203‧‧‧光纖
C40、C41、C60、C61‧‧‧曲線
90‧‧‧光纖陀螺儀
902‧‧‧3dB耦合器
903‧‧‧光纖線圈
904‧‧‧光檢測模組
905‧‧‧多功能積光元件或模組
9051‧‧‧極化器
9052‧‧‧Y型分光器
9053‧‧‧相位調變器
圖1是本發明實施例之光源設備的系統示意圖。
圖2A是本發明實施例之溫度補償光纖布拉格光柵的示意圖。
圖2B是本發明實施例之積層板的示意圖。
圖3是圖1實施例之光源設備輸出的光束的頻譜圖。
圖4是圖1實施例之光源設備輸出的光束之平均中心波長於不同溫度的曲線圖。
圖5是本發明另一實施例之光源設備的系統示意圖。
圖6是圖5實施例之光源設備輸出的光束之平均中心波長於不同溫度的曲線圖。
圖7是圖5實施例之光源設備輸出的光束之頻寬與功率於不同溫度的曲線圖。
圖8是本發明另一實施例之光源設備的系統示意圖。
圖9是圖8實施例之光源設備輸出的光束的頻譜圖。
圖10是圖8實施例之光源設備輸出的光束之平均中心波長於不同溫度的曲線圖。
圖11是本發明另一實施例之光源設備的系統示意圖。
圖12是本發明另一實施例之光源設備的系統示意圖。
圖13是本發明實施例的光纖陀螺儀的系統示意圖。
在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。
應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「或」視實際情況可能包括相關聯之列出項目中之任一者或者多者之所有組合。
本發明實施提供一種光源設備，且所述光源設備在選用無溫 控的泵激光源時，其所輸出的光束仍幾乎不被溫度所影響，且其輸出的光束甚至為寬頻(頻寬>5奈米)的光束，亦即所述光源設備甚至可以是無溫控寬頻光源波長穩定模組。
本發明實施例的光源設備可為單通後向或雙通後向的系統架構，其中「後向」係指其溫控或無溫控泵激光源所提供的光束之行經方向與光源設備所輸出之光束的行經方向相反，「單通」係指僅有溫控或無溫控泵激光源所射出的光束使自發放大放射元件發生自發放大放射現象，「雙通」係指溫控或無溫控泵激光源所射出的光束與此光束透過反射面所反射之光束使自發放大放射元件發生兩次自發放大放射現象。
光源設備具有溫度補償帶通反射裝置，且所述溫度補償帶通反射裝置可以反射特定頻帶範圍的光束，其中此處溫度補償帶通反射裝置的「帶通」係指反射端輸出特定頻帶範圍的光束。因為溫度補償帶通反射裝置具有溫度補償的效果，故所述特定頻帶範圍(例如1540奈米至1560奈米)並不會受到溫度的影響而有變動，亦即可以補償溫度對光源設備所輸出的光束之中心波長的影響。在本發明的實施例中，溫度補償帶通反射裝置可以是溫度補償光柵，例如溫度補償光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，FBG)，其具有碳纖維複合材料，故能補償溫度對特定頻帶範圍的影響。甚至，所述光源設備可以具有高通濾波元件設置於所述光源設備之波長多工器與光隔離器之間，所述高通濾波元件可以僅特定頻帶範圍的光束通過，且可以有效地抑制特定頻帶範圍之外的光束(例如抑制1530奈米波段的光束)。高通濾波元件例如可以是光纖吸收體，且可以具有溫度補償效果(亦即可以為溫度補償高通濾波元件)，其例如為具有碳纖維複合材料的溫度補償光纖吸收體。由於高通濾波元件可以有效地抑制特定頻帶範圍之外的光束，故可以再更進一步地補償溫度對光源設備輸出之光束之中心波長的影響。
更精確地說，自發放大放射元件、溫度補償帶通反射裝置與高通濾波元件的頻帶與頻寬具有特殊相互關係。溫度補償帶通反射裝置的主要反射之光束的特定頻帶範圍(例如1550奈米波段)及高通濾波元件的主要抑制之光束的頻帶(例如1530奈米波段)均為自發放大放射元件被激發放大之光束的超螢光寬頻帶內，且高通濾波元件主要吸收溫度補償帶通反射裝置之特定頻帶範圍外的光束。
簡言之，本發明實施例的光源設備係用了具有溫度補償之無溫控的多種被動元件來穩定輸出光束之中心波長，使光束之中心波長不受到溫度的影響而飄移。
在本發明其中一個實施例中，所述光源設備在攝氏-26度至攝氏65度之間，其較佳的波長穩定性指數可達0.55ppm/℃，其長時間停留在特定溫度區間內的平均波長穩定性指數較佳地可達1.3ppm/℃。一般來說，高性能太空航空應用中之光纖陀螺儀要求光源設備的波長穩定性指數須達2.5ppm/℃，因此，本發明實施例中所述光源設備可以作為高性能太空航空應用中之光纖陀螺儀的超螢光光纖光源(super-fluorescent fiber source，SFS)。
〔光源設備的實施例〕
請參照圖1，圖1是圖1是本發明實施例之光源設備的系統示意圖。無溫控光源設備10包括複數段光纖、泵激光源101、分波多工器102、自發放大放射元件103、溫度補償光纖布拉格光柵104、光循環器(optical circulator，OC)105與光隔離器106。於此實施例中，光源設備10為一個後向雙通的系統架構，且使用光循環器105作為反射面。光源設備10用以輸出一個幾乎不受溫度影響的光束，且在本發明實施例中，可以透過至少一段光纖將光學頻譜分析器(optical spectrum analyzer，OSA)11連接光源設備10，以觀察光源設備10所輸出的光束的功率與頻譜。
分波多工器102的第一端透過至少一段光纖連接至泵激光源 101的一端，分波多工器102的第二端透過至少一段光纖連接至光隔離器106的第一端，且分波多工器102的共通端透過至少一段光纖連接至摻鉺光纖103的第一端。溫度補償光纖布拉格光柵104的第一端透過至少一段光纖連接摻鉺光纖103的第二端，且溫度補償光纖布拉格光柵104的第一端透過至少一段光纖連接至光循環器105的第二端。光循環器105的第一端透過至少一段光纖連接至光循環器105的第三端，且光隔離器106的第二端透過至少一段光纖連接至欲接收光源設備10所產生之光束的元件。
泵激光源101較佳地可以是無溫控的泵激光源，例如無溫控的雷射光源。泵激光源101用以提供中心波長約為第一頻帶λ1的光束，λ1例如為800奈米範圍、980奈米範圍或1480奈米範圍，且本發明並不限制λ1的波長。另外，本發明亦不限制泵激光源101是否為無溫控的雷射光源，泵激光源101亦可以選用溫控的雷射光源。
分波多工器102的第一端所允許通過之光束的中心波長對應於泵激光源101所產生之光束的中心波長為第一頻帶λ1。分波多工器102的第一端接收泵激光源101提供的光束，且其僅讓中心波長約為第一頻帶λ1的光束自其第一端通過至其共通端。
摻鉺光纖103用以作為自發放大放射元件使用，在接收到中心波長為第二頻帶λ2之外的光束(例如中心波長為第一頻帶λ1的光束)時，會發生自發放大放射現象。摻鉺光纖103的第一端自分波多工器102的共通端接收中心波長約為第一頻帶λ1的光束，以激發鉺離子，使自發放大放射(amplified spontaneous emission，ASE)的現象發生，從而產生放大後的光束，且此光束為寬頻的光束。在此請注意，雖然本發明使用摻鉺光纖103作為自發放大放射元件，但本發明並不限制於此，其他得以作為自發放大放射元件的裝置或元件等皆可以用以取代摻餌光纖103。
溫度補償光纖布拉格光柵104用以溫度補償帶通反射裝置， 亦即實現溫度補償光柵。溫度補償光纖布拉格光柵104可以是一個溫度補償寬頻光柵，但本發明並不限制溫度補償光纖布拉格光柵104是否為寬頻的溫度補償光柵。溫度補償光纖布拉格光柵104用以反射中心波長約為特定頻帶範圍λ3±△λ的光束，並允許中心波長為特定頻帶範圍λ3±△λ之外的光束自其第一端通過至其第二端，或者其第二端通過至其第一端。
當光束從溫度補償光纖布拉格光柵104的第一端進入時，溫度補償光纖布拉格光柵104會將中心波長約為特定頻帶範圍λ3±△λ的光束反射出其第一端，而允許中心波長為特定頻帶範圍λ3±△λ之外的光束自其第一端通過至其第二端；當光束從溫度補償光纖布拉格光柵104的第二端進入時，溫度補償光纖布拉格光柵104會將中心波長約為特定頻帶範圍λ3±△λ的光束反射出其第二端，而允許中心波長為特定頻帶範圍λ3±△λ之外的光束通過至其第一端。換言之，溫度補償光纖布拉格光柵104如前所述，係作為溫度補償帶通反射裝置，以反射中心波長為特定頻帶範圍內的光束。
於本發明實施例中，λ3例如為1550奈米，而△λ例如為5奈米以上，例如為10，亦即，溫度補償光纖布拉格光柵104反射中心波長為1540奈米至1560奈米的光束，而僅讓中心波長為1540奈米至1560奈米之外的光束通過。然而，本發明並不限制λ3與△λ的數值，舉例來說，λ3+△λ與λ3-△λ的波長可以分別為1570奈米與1530奈米(亦即C頻帶)、1610奈米與1570奈米(亦即L頻帶)或1610奈米與1530奈米(亦即C與L頻帶)。
溫度補償光纖布拉格光柵104可以具有碳纖維複合材料，以補償溫度對光源設備10輸出之光束之中心波長之影響，其中補償的效果相關於溫度補償光纖布拉格光柵104之疊層之纖維走向與單層片(lamina)之纖維走向之間的角度，所述角度例如為53、67.5或90度，且較佳地為90度。
光循環器105的第二端自溫度補償光纖布拉格光柵104的第 二端接收中心波長為特定頻帶範圍λ3±△λ之外的光束與中心波長為特定頻帶範圍λ3±△λ的光束，也就是接收溫度補償光纖布拉格光柵104之第一端所反射與其第二端透射至第一端的光束，並且將此光束送至其第三端。光循環器105的第一端接收其第三端所接收的光束，並將此光束送至其第二端。簡單地說，於此實施例中，光循環器105係作為一個反射面。另外，光循環器105允許通過之光束的中心波長約為第四頻帶λ4，其中λ4例如為1530奈米範圍。
接著，溫度補償光纖布拉格光柵104的第二端自光循環器105的第二端接收光束，並且讓中心波長為特定頻帶範圍λ3±△λ之外的光束通過至其第一端。摻鉺光纖103的第二端自溫度補償光纖布拉格光柵104的第一端接收光束，由於度補償光纖布拉格光柵104由其第二端通過至其第一端的光束有中心波長為第二波長λ2之外的光束，因此會使得摻鉺光纖103再次發生自發放大放射的現象，而對此光束進行放大。分波多工器102的共通端自摻鉺光纖103的第一端接收放大後之光束，並且讓中心波長約為第二頻帶λ2的光束通過至其第二端，其中λ2例如為1550奈米，但本發明並不限制第二頻帶λ2的波長。
光隔離器106為單向導通元件，其第一端自分波多工器102的第二端接收中心波長約為第二頻帶λ2的光束並且將此光束輸出至其第二端。
在此請注意，雖然於本實施例中，反射面採用光循環器105來實現，但本發明並不限制於此。於本發明實施例中，反射面亦可以改用反射鏡、光耦合器或法拉第旋轉鏡來實現，其中反射面可以被設計為一個寬頻的反射面，但本發明並不限制反射面是否為寬頻的反射面。另外，本發明亦不限制反射面為主動式或被動式部份反射或全反射的反射面。除此之外，光源設備10的實施方式並非用以限制本發明，舉例來說，摻鉺光纖103可以改用溫度 補償摻鉺光纖取代，甚至可以在分波多工器102與光隔離器106之間額外地設置溫度補償光纖吸收體(作為高通濾波元件使用)，以更進一步地補償光源設備10所輸出的光束之中心波長受到溫度的影響。
具有碳纖維複合材料的溫度補償光纖布拉格光柵104的詳細內容如下所述。請參照圖2A，圖2A是本發明實施例之溫度補償光纖布拉格光柵的示意圖。溫度補償光纖布拉格光柵20包括積層板(laminate)201、光纖布拉格光柵202與光纖203。積層板201包括單層片2011與疊層2012，單層片201位於疊層2012之上，且單層片201與疊層2012係由碳纖維復合材料所製成，例如環氧樹脂碳纖維複合材料。光纖布拉格光柵202連接光纖203，且光纖布拉格光柵202與光纖203係貼黏於單層片201的上表面。換言之，溫度補償光纖布拉格光柵20係僅對光纖布拉格光柵的進行溫度補償202，而未對其連接的光纖203進行補償。
積層板201的詳細內容描述如下。請參照圖2B，圖2B是本發明實施例之積層板的示意圖。積層板21的單層片211之纖維走向與積層板21的疊層212的纖維走向之間具有角度，而這個角度會影響其補償效果。於此實施例中，單層片211之纖維走向與疊層212的纖維走向之間的角度為90度，但本發明並不限制單層片211之纖維走向與疊層212的纖維走向之間的角度。
接著，請參照圖3，圖3是圖1實施例之光源設備輸出的光束的頻譜圖。雖然圖1的光循環器105可以提升波長穩定性，但當光循環器105允許通過之光束的中心波長為第四頻帶λ4，且第四頻帶λ41530奈米範圍時，光束極易受到溫度的影響，因此，如同圖3所示，圖1實施例之光源設備10輸出的光束之頻寬亦會受到溫度影響，且整體輸出功率也會因此而有不穩定的現象。
接著，請參照圖4，圖4是圖1實施例之光源設備輸出的光束之平均中心波長於不同溫度的曲線圖。於圖4中，當圖1實施例 之光源設備10在攝氏0度至攝氏65度的環境下操作時，其平均波長穩定性指數可達3.04ppm/℃。雖然，圖1實施例之光源設備10的頻寬與平均波長穩定性指數無法用於高性能太空航空應用中之光纖陀螺儀，其相較於傳統的無溫控光源設備來說，已有一定程度改善。
〔光源設備的另一實施例〕
接著，介紹光源設備的另一實施例如下。請參照圖5，圖5是本發明另一實施例之光源設備的系統示意圖。相較於圖1實施例之光源設備10，圖5實施例的光源設備30不具有光循環器，故與溫度補償光纖布拉格光柵304之第二端連接的光纖之其中一端DP為光纖斷點(fiber termination)，而使光源設備30形成一個單通後向的系統架構。
另外，為了進一步地提升波長穩定性，圖5實施例的光源設備30採用溫度補償摻鉺光纖303，亦即自發放大放射元件可以具有溫度補償功能，其產生之光束之中心波長的頻帶不會因為溫度改變而有所飄移。溫度補償摻鉺光纖303具有碳纖維複合材料，溫度補償摻鉺光纖303的摻鉺光纖貼黏於如圖2B之積層板21的單層片211的上表面。
另外，圖5中的泵激光源301、分波多工器302、溫度補償光纖布拉格光柵304、光隔離器305與光學頻譜分析器31則分別相同於圖1中的泵激光源101、分波多工器102、溫度補償光纖布拉格光柵104、光隔離器106與光學頻譜分析器11，故在此並不贅述。
接著，請參照圖6，圖6是圖5實施例之光源設備輸出的光束之平均中心波長於不同溫度的曲線圖。於圖6中，當圖5實施例之光源設備30在攝氏-10度至攝氏65度的環境下操作時，其平均波長穩定性指數可達2.19ppm/℃，亦即，圖5實施例之光源設備30已經可用於高性能太空航空應用中之光纖陀螺儀。
接著，請參照圖7，圖7是圖5實施例之光源設備輸出的光束之頻寬與功率於不同溫度的曲線圖。於圖7中，曲線C40用以表示圖5實施例之光源設備30輸出的光束於不同溫度之頻寬，而曲線C41用以表示圖5實施例之光源設備30輸出的光束於不同溫度之功率。由圖7可知圖5實施例之光源設備30在攝氏-10度至攝氏65度的環境下，其輸出之光束的3dB頻寬皆可達約16奈米，且其輸出之光束的功率變化不大，其中最大功率與最低功率分別為10.82dBm與9.85dBm，且分別是在攝氏10度與65度時。
〔光源設備的另一實施例〕
接著，介紹光源設備的再一實施例如下。請參照圖8，圖8是本發明另一實施例之光源設備的系統示意圖。相較於圖5實施例之光源設備30，圖8實施例的光源設備50額外具有光纖吸收體505作為高通濾波元件使用，其中分波多工器502的第二端透過至少一段光纖連接至光纖吸收體505的第一端，且光隔離器506的第一端透過至少一段光纖連接至光纖吸收體505的第二端。
於此實施例中，光纖吸收體505更可以改用為溫度補償摻鉺光纖吸收體取代，亦即高通濾波元件可以具有溫度補償功能，其主要抑制之光束的頻帶不會因為溫度改變而有所飄移。另外，光纖吸收體亦同樣地具有碳纖維複合材料，光纖吸收體的光纖吸收體貼黏於如圖2B之積層板21的單層片211的上表面。光纖吸收體505具有濾波與穩定輸出特性的效果，因此可以有效地抑制中心波長約為第四頻帶λ4(例如，1530奈米)的光束與增加平均波長穩定性。換言之，溫度補償光纖吸收體505對於中心波長約為第四頻帶λ4之光束的吸收量會大於中心波長約為第二頻帶λ2(例如，1550奈米)之光束的吸收量。
另外，圖8中的泵激光源501、分波多工器502、溫度補償摻鉺光纖503、溫度補償光纖布拉格光柵504、光隔離器506與光學頻譜分析器51則分別相同於圖5中的泵激光源301、分波多工器 302、溫度補償摻鉺光纖303、溫度補償光纖布拉格光柵304、光隔離器305與光學頻譜分析器31，故在此並不贅述。
接著，請參照圖9，圖9是圖8實施例之光源設備輸出的光束的頻譜圖。於圖9中，曲線C60表示圖8實施例之光源設備50(具有溫度補償光纖吸收體505)所輸出之光束的頻譜，且曲線C61表示圖5實施例之無溫控泵激光源30(不具有溫度補償光纖吸收體)所輸出之光束的頻譜。如前所述，溫度補償光纖吸收體505可以有效地抑制中心波長約為第四頻帶λ4(例如，1530奈米)的光束但卻允許中心波長約為第二頻帶λ2(例如，1550奈米)的光束通過，因此，如圖9所示，光束中1530奈米範圍的頻帶的功率被抑制約11.4dB。雖然，光束的功率有略微地下降，但是其3dB頻寬依然可達15~16奈米左右。
接著，請參照圖10，圖10是圖8實施例之光源設備輸出的光束之平均中心波長於不同溫度的曲線圖。於圖10中，當圖8實施例之光源設備50在攝氏-10度至攝氏65度的環境下操作時，其平均波長穩定性指數可達0.67ppm/℃，亦即，圖8實施例之光源設備50已經可用於高性能太空航空應用中之光纖陀螺儀。
〔光源設備的另一實施例〕
接著，介紹光源設備的另一實施例如下。請參照圖11，圖11是本發明另一實施例之光源設備的系統示意圖。相較於圖8實施例之光源設備50，圖11實施例的光源設備70額外具有泵激光源701、溫度補償摻鉺光纖703’與分波多工器702’。溫度補償摻鉺光纖703’的第一端透過至少一段光纖連接至分波多工器702的共通端，溫度補償摻鉺光纖703’的第一端透過至少一段光纖連接至分波多工器702’的第二端。溫度補償摻鉺光纖703的第一端透過至少一段光纖連接至分波多工器702’的共通端，而分波多工器702’的第一端透過至少一段光纖連接至泵激光源701’。
於此實施例中，泵激光源701、分波多工器702、溫度補償摻 鉺光纖703、溫度補償光纖布拉格光柵704、光纖吸收體705、光隔離器706與光學頻譜分析器71分別相同於圖8實施例中的泵激光源501、分波多工器502、溫度補償摻鉺光纖503、溫度補償光纖布拉格光柵504、光纖吸收體505、光隔離器506與光學頻譜分析器51，故不再贅述。
泵激光源701’提供中心波長約為第五頻帶λ’1的光束。溫度補償摻鉺光纖703’的作用與溫度補償摻鉺光纖703相同。分波多工器702’的第一端接收中心波長約為第五頻帶λ’1的光束，並且允許中心波長約為第五頻帶λ’1的光束通過至其共通端，分波多工器702’的共通端接收溫度補償摻鉺光纖703所放大的光束，並且允許中心波長約為第六頻帶λ’2的光束自其共通端通過至其第二端。第五頻帶λ’1與第六頻帶λ’2的波長可以分別與第一頻帶λ1與第二頻帶λ2的波長相同，以增加放大光束的效果；或者第五頻帶λ’1與第六頻帶λ’2的波長可以分別與第一頻帶λ1與第二頻帶λ2的波長略有差異，且透過第二頻帶λ2的波長與第六頻帶λ’2的波長的不同，上述光源設備70還能實現波段選擇的效果。
〔光源設備的另一實施例〕
接著，介紹光源設備的另一實施例如下。請參照圖12，圖12是本發明另一實施例之光源設備的系統示意圖。相較於圖8實施例之光源設備50，圖11實施例的光源設備80額外具有泵激反射光纖光柵(pump reflector fiber grating)804’。泵激反射光纖光柵柵804’位於溫度光纖補償光柵804與光纖斷點DP之間，亦即，泵激反射光纖光柵804’的第一端透過至少一段光纖連接至溫度補償光纖布拉格光纖804的第二端，而溫度補償光纖布拉格光柵804’的第二端透過至少一段光纖連接至光纖斷點DP。
於此實施例中，泵激光源801、分波多工器802、溫度補償摻鉺光纖803、溫度補償光纖布拉格光柵804、光纖吸收體805、光隔離器806與光學頻譜分析器81分別相同於圖8實施例中的泵激 光源501、分波多工器502、溫度補償摻鉺光纖503、溫度補償光纖布拉格光柵504、光纖吸收體505、光隔離器506與光學頻譜分析器51，故不再贅述。
泵激反射光纖光柵804’亦可以改用溫度補償泵激反射光纖光柵來取代。溫度補償泵激反射光纖光柵同樣地具有碳纖維複合材料，溫度補償光纖布拉格光柵的光泵激反射光纖光柵貼黏於如圖2B之積層板21的單層片211的上表面。當光束從泵激反射光纖光柵804’的第一端進入時，泵激反射光纖光柵804’會將中心波長約為另一特定頻帶範圍λ’3±△λ’的光束反射出其第一端，而允許中心波長為另一特定頻帶範圍λ’3±△λ’之外的光束自其第一端通過至其第二端；當光束從泵激反射光纖光柵804’的第二端進入時，泵激反射光纖光柵804’會將中心波長約為另一特定頻帶範圍λ’3±△λ’的光束反射出其第二端，而允許中心波長為另一特定頻帶範圍λ3±△λ之外的光束通過至其第一端。換言之，泵激反射光纖光柵804’的作用等同於一個帶通反射裝置，其用以反射中心波長約為另一特定頻帶範圍λ’3±△λ’的光束的光束。
於此實施例中，λ’3與△λ’的波長可以分別相同於λ3與△λ的波長，以使泵激反射光纖光柵804’反射中心波長為特定頻帶範圍之外的光束，進而使得光束的殘餘功率可再次被利用，泵激反射光纖光柵804’反射的光束經過溫度補償摻鉺光纖503，並再次使溫度補償摻鉺光纖503發生自發放大放射現象，並再次地產生放大後的光束。然而，本發明並不限制實施例中λ’3與△λ’的波長，λ’3與△λ’的波長可以不相同於λ3與△λ的波長，進而實現波段選擇的效果。
〔光纖陀螺儀的實施例〕
如前所述，本發明實施例的光源設備可以用於光纖陀螺儀，以下將介紹光纖陀螺儀的實施例。請參照圖13，圖13是本發明實施例的光纖陀螺儀的系統示意圖。光纖陀螺儀90包括複數段光 纖、光源設備901、3dB耦合器902、光纖線圈903、光檢測模組904與多功能積光元件或模組905，其中光檢測模組904包括光檢測器與光放大器，多功能積光元件或模組905包括極化器9051、Y型分光器9052與相位調變器9053。3dB耦合器902的第一端透過至少一段光纖連接至光源設備901，3dB耦合器902的第二端透過至少一段光纖連接至檢測模組904，3dB耦合器902的第三端透過至少一段光纖連接至多功能積光元件或模組905的輸入端。多功能積光元件或模組905的第一輸出端透過至少一段光纖連接至光纖線圈903的第一端，且多功能積光元件或模組905的第二輸出端透過至少一段光纖連接至光纖線圈903的第二端。
值得一提的是，光源設備901可以是本發明實施例中的光源設備。另外，此領域具有通常知識者，可以根據現有技術理解光纖陀螺儀90的細節操作原理，故在此不贅述。
〔實施例的可能功效〕
根據以上所述，相較於先前技術的無溫控光源設備，本發明實施例所提供的光源設備在選用無溫控之泵激光源的情況下，在大溫度範圍內仍可以具有較高的平均波長穩定性。本發明較佳實施例所提供之光源設備的波長穩定度高，故可以應用於光纖陀螺儀中，尤其是需節省耗電功率的太空級光纖陀螺儀，甚至上述光源設備還能夠用於遙測、通訊與感測領域等應用之中。
以上所述，僅為本發明最佳之具體實施例，惟本發明之特徵並不侷限於此，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾，皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
50‧‧‧光源設備
51‧‧‧光學頻譜分析器
501‧‧‧泵激光源
502‧‧‧分波多工器
503‧‧‧溫度補償摻鉺光纖
504‧‧‧溫度補償光纖布拉格光柵
505‧‧‧光纖吸收體
506‧‧‧光隔離器
DP‧‧‧光纖斷點

Claims (11)

  1. 一種光源設備，包括：複數段光纖；一溫控或非溫控泵激光源，用以提供一中心波長約為一第一頻帶的一第一光束；一分波多工器，具有一第一端、一第二端與一共通端，其該第一端透過至少一段該光纖連接至該泵激光源，其自該第一端接收該第一光束，用以允許該中心波長約為該第一頻帶的該第一光束自其該第一端通過至其該共通端，以及允許一中心波長約為一第二頻帶的一第二光束自其該共通端通過至其該第二端；一光隔離器，為一單向導通元件，具有一第一端與一第二端，其該第一端透過至少一段該光纖連接該分波多工器的該第二端，其自該第一端接收來自於該分波多工器之該第二端的第二光束，並允許第二光束自其該第一端通過至其該第二端；一自發放大放射元件，具有一第一端與一第二端，其該第一端透過至少一段該光纖連接至該分波多工器的該共通端，用以自其第一端接收之該中心波長約為該第一頻帶的該第一光束後發生一自發放大放射現象，以產生一第三光束至其該第二端；以及一溫度補償帶通反射裝置，具有一第一端與一第二端，其該第一端透過至少一段該光纖連接至該自發放大放射元件的該第二端，且其該第二端連接至少一段該光纖，其該第一端用以接收來自於該自發放大放射元件之該第二端的該第三光束，並反射一中心波長為一特定頻帶範圍的該第三光束至其該第一端，以及允許該中心波長為該特定頻帶範圍外的該第三光束自該第一端通過至其該第二端；其中該自發放大放射元件自其該第二端接收來自於該度補償帶通反射裝置之該第一端的一第四光束，以產生該第二光束至其該第一端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光源設備，其中該溫度補償帶通反射裝置為一溫度補償光纖布拉格光柵。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光源設備，其中該自發放大放射元件為一摻鉺光纖或一溫度補償摻鉺光纖。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光源設備，更包括：一高通濾波元件，其具有一第一端與一第二端，自其該第一端接收該中心波長約為該第二頻帶的該第二光束，並對該第二光束進行高通濾波後輸出至其該第二端，以抑制該中心波長為該特定頻帶範圍之外的該第二光束；其中該光隔離器的該第一端透過至少一段該高通濾波元件連接該分波多工器的該第二端，該高通濾波元件的該第一端透過至少一段該光纖連接該分波多工器的該第二端，且該高通濾波元件的該第二端透過至少一段該光纖連接該光隔離器的該第一端。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光源設備，其中該高通濾波元件為一光纖吸收體或一溫度補償光纖吸收體。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光源設備，其中該特定波長範圍為1540奈米至1560奈米，該第一頻帶為800奈米範圍、980奈米範圍、或1480奈米範圍，且該第二頻帶為1550奈米範圍。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所述之光源設備，其中該溫度補償帶通反射裝置的該第二端所連接的該段光纖具有一光纖斷點或一反射面，該反射面為一主動式或被動式部份反射或全反射的反射面。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光源設備，更包括：一光循環器，具有一第一端、一第二端與一第三端，其該第一端透過至少一段該光纖連接至其該第三端，其該第二端透過至少一段該光纖連接至該溫度補償帶通反射裝置的該第二端，用以接收來自於該溫度補償帶通反射裝置的該第二端之該中心波長為特定頻帶範圍之外的該第二光束，並反射該中心波長為特定頻帶 範圍的該第二光束；其中該溫度補償帶通反射裝置的該第二端用以自該光循環器接收該中心波長為該特定頻帶範圍外的該第二光束，並反射該中心波長為特定頻帶範圍的該第二光束，以及允許該中心波長為該特定頻帶範圍之外的該第二光束自其該第二端通過至其該第一端。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之光源設備，更包括：一另一溫控或非溫控泵激光源，用以提供一中心波長約為一第三頻帶的一第五光束；一另一分波多工器，具有一第一端、一第二端與一共通端，其該第一端透過至少一段該光纖連接至該另一溫控或非溫控泵激光源，其該共通端透過至少一段該光纖連接至該自發放大放射元件；以及一另一自發放大放射元件，具有一第一端與一第二端，其該第一端透過至少一段該光纖連接至該分波多工器的該第一端，其該第二端透過至少一段該光纖連接至該另一分波多工器的該第二端。
  10. 如申請專利範圍第3項所述之光源設備，更包括：一泵激反射光纖光柵，具有一第一端與一第二端，其該第一端透過至少一段該光纖連接至該溫度補償帶通反射裝置的該第二端，且其該第二端連接至少一段該光纖，其該第一端用以接收來自於該溫度補償帶通反射裝置之第二端的該中心波長為該特定頻帶範圍之外的該第二光束，並反射一中心波長為一另一特定頻帶範圍的該第二光束，以及允許該中心波長為該另一特定頻帶範圍外的該第二光束自該第一端通過至其該第二端。
  11. 一種光纖陀螺儀，包括：複數段光纖；如請求項1所述的光源設備； 一3dB耦合器，具有一第一至第四端；一光檢測模組；一多功能積光元件或模組，具有一輸入端、第一輸出端及第二輸出端，且包括一Y型分光器、一極化器與一相位調變器；以及一光纖線圈，具有一第一端與一第二端；其中該3dB耦合器的該第一端透過至少一段該光纖連接至該光源設備，該3dB耦合器的該第二端透過至少一段該光纖連接至該光檢測模組，該3dB耦合器的該第三端透過至少一段該光纖連接至多功能積光元件或模組的該輸入端，該多功能積光元件或模組的該第一輸出端透過至少一段該光纖連接至該光纖線圈的該第一端，且該多功能積光元件或模組的該第二輸出端透過至少一段該光纖連接至該光纖線圈的該第二端。
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