高精度掺饵光子晶体光纤光源制备

0 引言

高精度导航级惯性的光纤陀螺（Fiber optic gyroscope，FOG），对所用光源的特性有着非常严格的要求，即光源必须是宽频带、高功率，平均波长具有较高的稳定性。光源的高输出功率可以提高陀螺系统的信噪比，宽光谱可以降低瑞利散射、偏振交叉耦合和克尔效应等引起的相干误差，高的平均波长稳定性可以保证光纤陀螺标度因子的线性度和稳定性，大大提高光纤陀螺的灵敏度及精度。

传统的掺铒光纤光源结构一般采用单程、双程或者双级结构。本文在理论分析的基础上，并结合大量的实验，确定了一种使用双程前向结构的光子晶体光纤光源。通过优化铒纤长度，调整合适的泵浦功率，得到了一种高功率、宽频带、高波长稳定性的超荧光光源。

1 影响光源平均波长的因素

2 光源的光路和电路优化

由式（1）～（3）可知，对双程前向结构光源稳定性的改进就主要体现在对铒纤长度的优化与泵浦功率大小的选择上。

2.1 光路优化

超荧光掺铒光纤光源的结构有单程前向、单程后向、双程前向、双程后向四种结构，所采用的光学结构对输出结果有较大的影响。这里我们设计了图 1 所示的带法拉第反射镜的双程前向光路：其中泵浦源输出中心波长 974.4nm 的光；经 980nm/1550nm 波分复用器耦合进掺铒光子晶体光纤（PCF）中，波分复用器后端加入法拉第旋转镜（Faraday rotator mirror，FM），使得泵浦光和后向光被反射后再次通过增益光纤，提高输出功率，输出光经隔离器（ISO）后连接1：9 的分光器（OS）。

与传统双程前向光路相比，我们在光路中加入了分光探测器，以实时监测经铒纤自激辐射产生的超荧光信号。分光器将 10% 的光信号转化为电信号，反馈到温控电路模块，形成完成的闭环回路，从而大大提高了泵浦功率的稳定性。

图1 双程前向掺铒光子晶体光纤光源的结构原理图

2.2 电路优化

由式（3），若要提高光源稳定性，则必须对泵浦源进行温控，将激光器的温度保持在一定范围内；同时要求光源较高的波长与功率稳定性，又必须对泵浦源进行恒流源控制。因此，相应的电路模块，需具备驱动、温控和温度补偿功能。为此，详细设计了恒流、温控和功率反馈电路。如图2，给出了电路模块原理图。

图2 恒流、温控和功率反馈电路模块

由铒纤产生的自激辐射光，经隔离器滤波，进入分光器后，其中 90% 的ASE 光直接作为宽带光源输出光，剩下 10% 的光转化为电流信号，经PIN 管采样，将信号发送到单片机；同时，封装在光路结构内部的铂电阻，实时采集相关的温度信号，也发送到单片机；接着单片机将信号反馈给泵浦源供电电路，而形成一个闭环控制，实现泵浦源在不同环境温度下，输出光功率的高稳定性，进而提高了光源出光的稳定性。

3 测试结果

采用截断方式对多种不同长度的高掺杂型掺铒光子晶体光纤做了大量的实验，主要根据所需光谱谱型以及光光转换效率，把铒纤的长度初步确定在 3.3m～4.0m 之间。得到的光源，光谱宽，高斯波形好，同时出光功率大，光光转换效率较高。为了确定最终的最优长度，我们从4.0m 往下逐步截断，对 4.0m、3.9m、3.8m、3.7m、3.6m、3.5m、3.4m、3.3m 共八组长度的光纤，系统测试了每组长度的全温（ （-40^∘C～60^∘C ）温漂特性。

图 3 给出了 8 组铒纤长度的平均中心波长，可见随着铒纤长度减小，平均中心波长从1559.8nm 左右减小到 1557.8nm 左右。图 4 给出了- 40^∘C～60^∘C 的全温温漂随铒纤长度的变化关系，铒纤长度3.8m 附近全温温漂系数最低。图5 则给出了泵浦功率为 50mW⋅70mW 和 100mW ，相应铒纤长度下的功率漂移情况，铒纤长度 3.6m 附近全温温漂系数最低。

经过多次实验筛选，挑选稳定性最好的光路系统，确定铒纤长度为 3.8m， 980nm 泵浦源功率为 70mW ，经验证得到了稳定性较好的若干组光源。下图 5 给出的是该光源低温 （-40^∘C） ）、常温（20℃）与高温（60℃）下的典型光谱图。图6 则给出了该光源平均中心波长和功率随温度变化的曲线。

测试时，用光谱仪记录 1530nm～1590nm 带宽范围的宽带光数据。从- 40^∘C～+60^∘C ，每隔10℃，用功率计记录该温度点的光源功率，得到光源功率大于 18.7mW ，并结合光谱图算出相应 3dB 带宽为 18.8nm 。

4 结 语

本文设计了一种双程前向光纤晶体光纤光源，通过对光纤的长度和泵浦功率的优化，在铒纤长度为 3.8m ，泵浦功率为 70mW 时得到输出光功率高于 15mW ，波长稳定度为 0.634ppm/^∘C ，3dB 带宽达到 18.8nm ，为高精度光纤陀螺仪提供稳定度高的荧光光源。

参考文献

[1] H. G. Park， M. Digonnet， G. Kino. Er-Doped superfluorescent fiber source with a ±0.5ppm long-term mean-wavelength stability. [J]. Lightwave Technol，2003， 21：3427～3433 .

[2] L. A. Wang， C. D. Su. Modeling of a double-pass backward er-doped superfluorescent fiber source for fiber-optic gyroscope applications. [J]. Lightwave Technol， 1999， 17：2307～2315.

[3] P. Ou， B. Cao， et al. Er-doped superfluorescent fiber source with enhanced mean-wavelength stability using chirped fiber grating. [J].Electron.Lett，2008，44： 187～189 .

作者简介：张凡明，女，出生年月：1982-12，民族：汉，籍贯： ，学历：硕士研究生，当前职称：工程师，研究方向：光电传感。