摘要：与宽谱光纤光源相比，高斯型谱掺铒光纤光源更适合应用在高精度光纤陀螺中。理论分析了谱型调整的影响因素，采用双级单泵浦光源结构，当优化两级铒纤长度分别为18m和20m、泵浦功率为50mW时，在无外部滤波器情况下获得了全温-40℃~+60℃内的平均波长稳定性为105ppm的高斯型谱光源。在此基础上，组装了干涉式光纤陀螺样机，测得静态条件下零偏稳定性为0.0334°h，通过Allan方差分析得到随机游走系数为0.00052。
关键词：掺铒光纤光源;高斯型谱;光纤陀螺;Allan方差
0引言
掺铒光纤光源(EDFS)也被称为放大自发辐射光源，由于其具有输出功率高、谱宽宽、平均波长稳定性好和易与单模光纤耦合等优点，在波分复用(WDM)通信、掺铒光纤放大器(EDFA)和光纤传感等领域获得了广泛应用，尤其是在高精度光纤陀螺(FOG)的应用中，已经成为其首选光源[1]。
由于掺铒光纤的自然荧光谱中包含了1530nm和1560nm附近的两个非对称的波峰，严重地限制了光谱宽度，不利于光纤陀螺对噪声的抑制。同时，环境温度变化会改变双峰的功率谱密度，对光谱的稳定性和平坦化将产生很大影响。在实际应用中，为了获得稳定的平均波长和宽的谱宽，通常将光谱整型为高斯谱或平坦谱。高斯型谱光谱与平坦型光谱相比，虽然牺牲了部分谱宽，但为单峰谱形，环境温度变化对其功率谱密度的影响相对较小，可以更好地保证光源的平均波长稳定性。因此，高斯型谱掺铒光纤光源更适合应用在高精度光纤陀螺中[2]。
目前的一些研究工作主要是采用外部滤波器来实现高斯型谱光谱输出，而匹配的滤波器很难精确制造并且价格昂贵，同时将滤波器熔接在光源输出端会产生大的功率损耗，本文采用双级单泵浦光源结构，在不附加任何外部滤波器的情况下，通过优化铒纤长度和泵浦功率，获得稳定的高斯型谱光谱输出。
1掺铒光纤光源谱型调整的原理
由于铒离子特殊的吸收截面和发射截面，使得作为EDFS增益介质的铒纤在同一长度处对于不同波长光波产生的增益值是不同的，可以由式(1)表示[3]：
2光路结构及实验装置
选用双级单泵浦光路结构实现高斯型谱光谱输出，光源结构如图1所示。泵浦源输出的974nm泵浦光被980nm耦合器1分成功率相等的两束光波，然后这两束光波分别经980/1550nm波分复用器WDM1和WDM2耦合进入掺铒光纤EDF1和EDF2中。在WDM1的1550nm端口后熔接反射率约为95%的法拉第旋转反射镜(FRM)，使EDF1产生的后向超荧光被反射后再次注入铒纤中得到充分吸收，这样可以提高光源输出功率和改变输出谱形。EDF1输出的前向超荧光经隔离器ISO1注入EDF2中，可以避免后级铒纤输出的前向超荧光对前级铒纤光谱产生干扰。在WDM2的1550nm输出端加入隔离器ISO2可以避免来自光源外部的光波对光源产生干扰。ISO2的输出端熔接分光比为2∶98的1550nm耦合器2，其中2%的端口用于泵浦源功率反馈控制，98%的端口作为光源的输出端。为了实时记录光源的平均波长、谱宽和输出功率等数据，光源输出的超荧光经分光比为5∶5的耦合器3分别输入到光谱仪(OSA)和光功率计(PM)中，然后经通用接口总线(GPIB)卡与计算机连接。
实验中，泵浦源选用JDSU26-7402-180型，实测峰值波长为974.2nm，最大输出功率为180mW，采用实验室自主设计的控制电路对泵浦源进行恒流与恒温控制;两段掺铒光纤都选用NufernEDFC-980-HP型，数值孔径为0.23，纤芯直径为3.2μm，包层直径为125μm;光源通过祼光纤适配器分别与光谱仪和功率计连接，其中光谱仪选用ADVANTESTQ8384型，波长精度为20pm(1550nm波段)，实验中设置扫描范围为1500~1600nm，分辨率为0.5nm，功率计选用EXFOPM-1600型，每20s采集一次数据。
3光谱特性仿真分析针
对图1所示光路结构，本文首先采用光学软件Optisystem研究铒纤长度、泵浦功率和泵浦波长对掺铒光纤光源输出谱型的影响。
图2是在泵浦功率为50mW、EDF2长度为5m、EDF1长度分别为8m、12m、16m和20m时的仿真谱型。可以看出，在EDF1长度较短(8m)时，光谱中最高增益峰位于1530nm附近;随着EDF1长度的增加，最高增益峰逐渐向长波长方向移动。当EDF1长度达到12m时，左、右两侧的增益峰高度几乎相等;而当EDF1长度增加到16m时，最高增益峰则位于1560nm附近。这是由于当EDF1较长时，其前端产生的短波长范围内的超荧光被EDF1后端的铒离子吸收，而后端的铒离子重新辐射的超荧光则主要集中在长波长范围内。因此，EDF1的长度可以调节1560nm附近的波峰，其长度越长，1560nm附近的波峰越显著。图3是泵浦功率为50mW、EDF1长度为16m、EDF2长度分别为8m、12m、16m和18m时的仿真谱型。可以看出，随着EDF2长度的增加，1530nm附近的增益峰逐渐被吸收;当EDF2长度达到18m时，1530nm附近的波峰完全被吸收。这是因为在双级双向泵浦配置下，较长的EDF2一方面作为增益介质用于辐射长波长范围内的超荧光，同时也充当了光纤滤波器，利用其自身在1530nm附近的吸收峰来吸收铒纤自然荧光谱中的左侧增益峰。因此，EDF2的长度可以调节1530nm附近的波峰，其长度越长，对左侧增益峰的滤除效果越好。
图4是EDF1长度为16m、EDF2长度为18m、泵浦功率分别为50mW、60mW和70mW时的仿真谱型。可以看出，随着泵浦功率的增加，输出功率逐渐增加，但光谱轮廓基本不变。另外，采用50mW泵浦功率时，可获得约10mW的光功率输出，即满足三轴一体化光纤陀螺对所用光源的输出功率要求。
4光源实验研究
仿真结果表明，泵浦功率和泵浦波长对高斯型谱调整的影响并不显著，因此在实验中主要通过调节铒纤长度来实现高斯谱输出。在实验中设置泵浦功率为50mW，当两级铒纤长度分别为18m和20m时，输出谱型如图5所示，对图5所示的功率谱密度积分运算，测得光源输出功率为9.8mW，半峰值全宽FWHM为10.6nm，平均波长为1560.2nm。可以看出，输出光谱为单峰谱，1530nm附近的增益峰被完全吸收，实现了高斯型谱光谱输出。
本文首先对光源进行1h常温测试，测试时室内温度在20℃~25℃之间变化，结果如图6所示。经计算，光源平均波长变化为3.205ppm，谱宽变化为0.049%，输出功率变化为0.584%，光源在常温下具有较好的稳定性。
在光源的变温实验中，温箱选用ESPEC型，温度变化范围设置为-40℃~+60℃，从室温(约25℃)开始升温，升温和降温速率分别为1℃/min，在-40℃和+60℃温度点上分别恒温2h。将光源整体(电路和光路)放置在温控箱中，在全温范围内测试光源的稳定性。图7为变温实验中温控箱的温度历程设定曲线示意图。
图8为光源的输出功率、FWHM谱宽和平均波长在变温条件下随时间的变化情况。图8(a)中光源的输出功率变化情况与图7中设定温度的变化呈负相关关系，温度升高时功率降低，温度下降时功率升高，在全温测试中功率最小值约为9.62mW，最大值约为10.01mW，功率全温稳定性约为4.07%。图8(b)中FWHM谱宽的变化曲线与温度的变化呈正相关关系，谱宽随温度的升高而变宽，随温度的降低而变窄，在高温阶段可获得最大谱宽值为10.51nm，在低温阶段可获得其最小值为10.43nm，全温稳定性约为0.80%，小于1%。图8(c)给出了平均波长在全温范围内的变化曲线，总体变化趋势与温度呈负相关关系，在高温阶段平均波长最小值为1559.47nm，在低温阶段其最大值约为1559.64nm，全温稳定性约为105ppm。该光源具有较好的热稳定性，满足高精度IFOG对所用光源的要求。
基于上述研究，本文组装了三轴一体化光纤陀螺测试样机并在室温下进行静态性能实验，采样间隔时间为1s，总采样时间约为9h。以z轴陀螺的输出作为研究对象，x、y两轴情况与z轴类似。图9(a)为陀螺零偏测试结果，计算得到其零偏稳定性为0.0334°h。图9(b)是以图9(a)数据为输入拟合得到的Allan方差曲线，得到随机游走系数(RWC)为0.00052°姨h，这对光源的应用性能给出了很好的衡量。
5结束语
本文设计了一种双级单泵浦高斯型谱掺铒光纤光源，通过对两级铒纤长度进行优化，不附加任何外部滤波器即可获得稳定的高斯型谱光谱输出。在泵浦功率为50mW，两级铒纤长度分别为18m和20m时，光源输出功率为9.8mW，FWHM为10.6nm，平均波长为1560.2nm，光源整体在全温-40℃~+60℃内的平均波长稳定性为105ppm。本文采用该光源组装光纤陀螺样机进行了静态试验，结果零偏稳定性为0.0334°h，RWC为0.00052°姨h，为高斯型掺铒光纤光源在光纤陀螺中的应用提供了参考。
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