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摘 要： 摘要：與寬譜光纖光源相比，高斯型譜摻鉺光纖光源更適合應用在高精度光纖陀螺中。理論分析了譜型調整的影響因素，采用雙級單泵浦光源結構，當優化兩級鉺纖長度分別為18m和20m、泵浦功率為50mW時，在無外部濾波器情況下獲得了全溫-40℃~+60℃內的平均波長穩定
摘要：與寬譜光纖光源相比，高斯型譜摻鉺光纖光源更適合應用在高精度光纖陀螺中。理論分析了譜型調整的影響因素，采用雙級單泵浦光源結構，當優化兩級鉺纖長度分別為18m和20m、泵浦功率為50mW時，在無外部濾波器情況下獲得了全溫-40℃~+60℃內的平均波長穩定性為105ppm的高斯型譜光源。在此基礎上，組裝了干涉式光纖陀螺樣機，測得靜態條件下零偏穩定性為0.0334°h，通過Allan方差分析得到隨機游走系數為0.00052。
關鍵詞：摻鉺光纖光源;高斯型譜;光纖陀螺;Allan方差
0引言
摻鉺光纖光源(EDFS)也被稱為放大自發輻射光源，由于其具有輸出功率高、譜寬寬、平均波長穩定性好和易與單模光纖耦合等優點，在波分復用(WDM)通信、摻鉺光纖放大器(EDFA)和光纖傳感等領域獲得了廣泛應用，尤其是在高精度光纖陀螺(FOG)的應用中，已經成為其首選光源[1]。
由于摻鉺光纖的自然熒光譜中包含了1530nm和1560nm附近的兩個非對稱的波峰，嚴重地限制了光譜寬度，不利于光纖陀螺對噪聲的抑制。同時，環境溫度變化會改變雙峰的功率譜密度，對光譜的穩定性和平坦化將產生很大影響。在實際應用中，為了獲得穩定的平均波長和寬的譜寬，通常將光譜整型為高斯譜或平坦譜。高斯型譜光譜與平坦型光譜相比，雖然犧牲了部分譜寬，但為單峰譜形，環境溫度變化對其功率譜密度的影響相對較小，可以更好地保證光源的平均波長穩定性。因此，高斯型譜摻鉺光纖光源更適合應用在高精度光纖陀螺中[2]。
目前的一些研究工作主要是采用外部濾波器來實現高斯型譜光譜輸出，而匹配的濾波器很難精確制造并且價格昂貴，同時將濾波器熔接在光源輸出端會產生大的功率損耗，本文采用雙級單泵浦光源結構，在不附加任何外部濾波器的情況下，通過優化鉺纖長度和泵浦功率，獲得穩定的高斯型譜光譜輸出。
1摻鉺光纖光源譜型調整的原理
由于鉺離子特殊的吸收截面和發射截面，使得作為EDFS增益介質的鉺纖在同一長度處對于不同波長光波產生的增益值是不同的，可以由式(1)表示[3]：
2光路結構及實驗裝置
選用雙級單泵浦光路結構實現高斯型譜光譜輸出，光源結構如圖1所示。泵浦源輸出的974nm泵浦光被980nm耦合器1分成功率相等的兩束光波，然后這兩束光波分別經980/1550nm波分復用器WDM1和WDM2耦合進入摻鉺光纖EDF1和EDF2中。在WDM1的1550nm端口后熔接反射率約為95%的法拉第旋轉反射鏡(FRM)，使EDF1產生的后向超熒光被反射后再次注入鉺纖中得到充分吸收，這樣可以提高光源輸出功率和改變輸出譜形。EDF1輸出的前向超熒光經隔離器ISO1注入EDF2中，可以避免后級鉺纖輸出的前向超熒光對前級鉺纖光譜產生干擾。在WDM2的1550nm輸出端加入隔離器ISO2可以避免來自光源外部的光波對光源產生干擾。ISO2的輸出端熔接分光比為2∶98的1550nm耦合器2，其中2%的端口用于泵浦源功率反饋控制，98%的端口作為光源的輸出端。為了實時記錄光源的平均波長、譜寬和輸出功率等數據，光源輸出的超熒光經分光比為5∶5的耦合器3分別輸入到光譜儀(OSA)和光功率計(PM)中，然后經通用接口總線(GPIB)卡與計算機連接。
實驗中，泵浦源選用JDSU26-7402-180型，實測峰值波長為974.2nm，最大輸出功率為180mW，采用實驗室自主設計的控制電路對泵浦源進行恒流與恒溫控制;兩段摻鉺光纖都選用NufernEDFC-980-HP型，數值孔徑為0.23，纖芯直徑為3.2μm，包層直徑為125μm;光源通過祼光纖適配器分別與光譜儀和功率計連接，其中光譜儀選用ADVANTESTQ8384型，波長精度為20pm(1550nm波段)，實驗中設置掃描范圍為1500~1600nm，分辨率為0.5nm，功率計選用EXFOPM-1600型，每20s采集一次數據。
3光譜特性仿真分析針
對圖1所示光路結構，本文首先采用光學軟件Optisystem研究鉺纖長度、泵浦功率和泵浦波長對摻鉺光纖光源輸出譜型的影響。
圖2是在泵浦功率為50mW、EDF2長度為5m、EDF1長度分別為8m、12m、16m和20m時的仿真譜型。可以看出，在EDF1長度較短(8m)時，光譜中最高增益峰位于1530nm附近;隨著EDF1長度的增加，最高增益峰逐漸向長波長方向移動。當EDF1長度達到12m時，左、右兩側的增益峰高度幾乎相等;而當EDF1長度增加到16m時，最高增益峰則位于1560nm附近。這是由于當EDF1較長時，其前端產生的短波長范圍內的超熒光被EDF1后端的鉺離子吸收，而后端的鉺離子重新輻射的超熒光則主要集中在長波長范圍內。因此，EDF1的長度可以調節1560nm附近的波峰，其長度越長，1560nm附近的波峰越顯著。圖3是泵浦功率為50mW、EDF1長度為16m、EDF2長度分別為8m、12m、16m和18m時的仿真譜型。可以看出，隨著EDF2長度的增加，1530nm附近的增益峰逐漸被吸收;當EDF2長度達到18m時，1530nm附近的波峰完全被吸收。這是因為在雙級雙向泵浦配置下，較長的EDF2一方面作為增益介質用于輻射長波長范圍內的超熒光，同時也充當了光纖濾波器，利用其自身在1530nm附近的吸收峰來吸收鉺纖自然熒光譜中的左側增益峰。因此，EDF2的長度可以調節1530nm附近的波峰，其長度越長，對左側增益峰的濾除效果越好。
圖4是EDF1長度為16m、EDF2長度為18m、泵浦功率分別為50mW、60mW和70mW時的仿真譜型。可以看出，隨著泵浦功率的增加，輸出功率逐漸增加，但光譜輪廓基本不變。另外，采用50mW泵浦功率時，可獲得約10mW的光功率輸出，即滿足三軸一體化光纖陀螺對所用光源的輸出功率要求。
4光源實驗研究
仿真結果表明，泵浦功率和泵浦波長對高斯型譜調整的影響并不顯著，因此在實驗中主要通過調節鉺纖長度來實現高斯譜輸出。在實驗中設置泵浦功率為50mW，當兩級鉺纖長度分別為18m和20m時，輸出譜型如圖5所示，對圖5所示的功率譜密度積分運算，測得光源輸出功率為9.8mW，半峰值全寬FWHM為10.6nm，平均波長為1560.2nm。可以看出，輸出光譜為單峰譜，1530nm附近的增益峰被完全吸收，實現了高斯型譜光譜輸出。
本文首先對光源進行1h常溫測試，測試時室內溫度在20℃~25℃之間變化，結果如圖6所示。經計算，光源平均波長變化為3.205ppm，譜寬變化為0.049%，輸出功率變化為0.584%，光源在常溫下具有較好的穩定性。
在光源的變溫實驗中，溫箱選用ESPEC型，溫度變化范圍設置為-40℃~+60℃，從室溫(約25℃)開始升溫，升溫和降溫速率分別為1℃/min，在-40℃和+60℃溫度點上分別恒溫2h。將光源整體(電路和光路)放置在溫控箱中，在全溫范圍內測試光源的穩定性。圖7為變溫實驗中溫控箱的溫度歷程設定曲線示意圖。
圖8為光源的輸出功率、FWHM譜寬和平均波長在變溫條件下隨時間的變化情況。圖8(a)中光源的輸出功率變化情況與圖7中設定溫度的變化呈負相關關系，溫度升高時功率降低，溫度下降時功率升高，在全溫測試中功率最小值約為9.62mW，最大值約為10.01mW，功率全溫穩定性約為4.07%。圖8(b)中FWHM譜寬的變化曲線與溫度的變化呈正相關關系，譜寬隨溫度的升高而變寬，隨溫度的降低而變窄，在高溫階段可獲得最大譜寬值為10.51nm，在低溫階段可獲得其最小值為10.43nm，全溫穩定性約為0.80%，小于1%。圖8(c)給出了平均波長在全溫范圍內的變化曲線，總體變化趨勢與溫度呈負相關關系，在高溫階段平均波長最小值為1559.47nm，在低溫階段其最大值約為1559.64nm，全溫穩定性約為105ppm。該光源具有較好的熱穩定性，滿足高精度IFOG對所用光源的要求。
基于上述研究，本文組裝了三軸一體化光纖陀螺測試樣機并在室溫下進行靜態性能實驗，采樣間隔時間為1s，總采樣時間約為9h。以z軸陀螺的輸出作為研究對象，x、y兩軸情況與z軸類似。圖9(a)為陀螺零偏測試結果，計算得到其零偏穩定性為0.0334°h。圖9(b)是以圖9(a)數據為輸入擬合得到的Allan方差曲線，得到隨機游走系數(RWC)為0.00052°姨h，這對光源的應用性能給出了很好的衡量。
5結束語
本文設計了一種雙級單泵浦高斯型譜摻鉺光纖光源，通過對兩級鉺纖長度進行優化，不附加任何外部濾波器即可獲得穩定的高斯型譜光譜輸出。在泵浦功率為50mW，兩級鉺纖長度分別為18m和20m時，光源輸出功率為9.8mW，FWHM為10.6nm，平均波長為1560.2nm，光源整體在全溫-40℃~+60℃內的平均波長穩定性為105ppm。本文采用該光源組裝光纖陀螺樣機進行了靜態試驗，結果零偏穩定性為0.0334°h，RWC為0.00052°姨h，為高斯型摻鉺光纖光源在光纖陀螺中的應用提供了參考。
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