專利名稱：一種寬譜超熒光光纖光源的平均波長穩(wěn)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光源產(chǎn)生領(lǐng)域，涉及一種對寬譜超熒光光源進行平均波長穩(wěn)定的方法，具體地講，是指一種能夠?qū)ζ骄ㄩL隨溫度呈現(xiàn)拋物線型變化的寬譜超熒光光源進行平均波長穩(wěn)定的方法，適用于優(yōu)化干涉型高精度光纖陀螺的光源及其它干涉型傳感器的光源。
背景技術(shù)：
作為干涉型光纖傳感器的關(guān)鍵器件，寬譜光源的性能很大程度上決定了傳感系統(tǒng)的性能，特別是對于高精度干涉型光纖陀螺，高性能的寬譜光源必不可少。常見的寬譜光源包括半導體LED、半導體SLD和超熒光光纖光源。LED光源有較寬的光譜，但能量較低，通常不超過150 μ w ;SLD光源能提供較寬的光譜和較高的輸出功率，但由于光纖陀螺等傳感系統(tǒng)通常工作在復雜的外界環(huán)境下，環(huán)境因素對SLD輸出光功率和平均波長等參數(shù)的影響較大，如溫度對SLD平均波長的影響達到300 500 ppm/°C，無法滿足零漂低于O. 01 ° /h，全溫范圍內(nèi)標度穩(wěn)定性小于10 ppm的慣性導航級光纖陀螺的要求。因此，從九十年代起，人們轉(zhuǎn)向另一種寬譜光源——超熒光光纖光源的研究，以尋求平均波長更加穩(wěn)定的寬譜光源。其中，超突光摻鉺光纖光源的研究比較成熟。超熒光摻鉺光纖光源利用摻鉺光纖放大自發(fā)輻射(ASE)的原理實現(xiàn)寬譜超熒光輸出，與其它寬譜光源相比，具有如下優(yōu)點
1.輸出功率高，通常大于10mff ；
2.光源譜寬大，大于25nm ；
3.平均波長穩(wěn)定性好，比SLD低f2個數(shù)量級，通常為f 10 ppm/°C ；
4.輸出耦合效率高；
5.成本較低。因此，在光纖陀螺等傳感系統(tǒng)中，采用超熒光摻鉺光纖光源代替半導體SLD光源是更好的選擇。但對零漂低于O. 01° /h，全溫范圍內(nèi)標度穩(wěn)定性小于10 ppm的高精度光纖陀螺而言，要求光源的平均波長穩(wěn)定性在全溫范圍內(nèi)小于10 ppm，即光源的平均波長穩(wěn)定性需達到O. I ppm/°C這一數(shù)量級，普通超熒光摻鉺光纖光源本身的平均波長隨溫度變化的穩(wěn)定性仍然較難達到該指標。為了進一步改善超熒光摻鉺光纖光源的平均波長穩(wěn)定性，使其能夠應(yīng)用于高精度干涉型光纖陀螺或其它干涉型傳感器，人們提出了一些提高超熒光光源的平均波長穩(wěn)定性的方法。專利號為200710177485. I的專利《具有平均波長穩(wěn)定性的寬譜光纖光源》公開了一種利用啁啾光纖光柵，將超熒光光源的平均波長從:TlO !11/1降低至0.廣0.5 ppm/°C的方法。H. J. Patrick 等人在論文〈〈Erbium-doped superfluorescent fibre sourcewith long-period fibre grating wavelength stabilisation))中提出利用長周期光纖光柵光譜的中心波長隨溫度上升而增大的特性，對超熒光光源的隨溫度變化近似線性遞增的平均波長曲線進行補償，將平均波長的溫度系數(shù)從6. 2 ppm/°C降低至0.05 ppm/°C (經(jīng)過線性擬合)。但是當超熒光光源的平均波長溫度響應(yīng)曲線為非近似線性時，如拋物線型響應(yīng)，則該方法將無法獲得較好的補償效果。A. Wang等人在論文《High-StabiIity Er-DopedSuperfluorescent Fiber Source Incorporating Photonic Bandgap Fiber))中提出利用光子帶隙光纖和雙金屬片制作一個帶溫度補償?shù)臑V波器，實現(xiàn)對平均波長溫度響應(yīng)曲線為拋物線型的超熒光光源進行補償，將平均波長變化從I 111/1降低至0.1 ppm/°C，降低一個數(shù)量級。由于光子帶隙光纖和雙金屬片均需要特殊設(shè)計，該方法顯得相對復雜。由于作為核心部件的超熒光光纖光源的平均波長穩(wěn)定性直接決定了高精度光纖陀螺標度因子的穩(wěn)定性，因此超熒光光纖光源的平均波長穩(wěn)定性問題一直以來都是研究的重點。目前，人們已經(jīng)從光源結(jié)構(gòu)、偏振控制、光柵濾波補償?shù)炔煌矫嫜芯苛顺瑹晒夤饫w光源的平均波長穩(wěn)定性，但對溫度范圍，實現(xiàn)較高的平均波長穩(wěn)定性仍不是個簡單的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決超熒光光纖光源的平均波長隨溫度變化呈現(xiàn)拋物線型變化的問題，本發(fā)明提出了一種采用一個中心波長隨著溫度上升而線性增大的長周期光纖光柵(正溫度系數(shù)長周期光纖光柵)和一個中心波長隨著溫度上升而線性減小的長周期光纖光柵(負溫度系數(shù)長周期光纖光柵)串聯(lián)而成的特殊濾波器，直接連接到超熒光光纖光源的輸出尾纖上進行濾波，實現(xiàn)平均波長隨溫度呈現(xiàn)拋物線型變化的超熒光光纖光源平均波長穩(wěn)定的方法。經(jīng)計算，濾波后的超熒光光纖光源在(T45°C范圍內(nèi)，平均波長波動可由原來的5ppm/°C減小至O. 5ppm/°C，適用于高精度光纖陀螺，能有效提高其標度因子的穩(wěn)定性。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為
一種寬譜超熒光光纖光源的平均波長穩(wěn)定方法是寬譜超熒光光纖光源經(jīng)過用于平均波長隨溫度呈拋物線型變化的光源濾波器后，即可得到平均波長穩(wěn)定的光源光譜。所述的光源濾波器包括正溫度系數(shù)長周期光纖光柵、負溫度系數(shù)長周期光纖光柵、光纖線圈、光纖光柵固定槽和濾波器保護外殼。在濾波器保護外殼內(nèi)依次設(shè)置有正溫度系數(shù)長周期光纖光柵、光纖線圈和負溫度系數(shù)長周期光纖光柵，正溫度系數(shù)長周期光纖光柵的一端與第一尾纖連接，另一端與光纖線圈的一端連接；光纖線圈的另一端與負溫度系數(shù)長周期光纖光柵的一端連接，負溫度系數(shù)長周期光纖光柵的另一端與第二尾纖連接。所述的正溫度系數(shù)長周期光纖光柵、負溫度系數(shù)長周期光纖光柵由光纖光柵固定槽固定。本發(fā)明的有益效果是(1)本發(fā)明采用正、負溫度系數(shù)長周期光纖光柵作為濾波器，對平均波長隨溫度呈拋物線型變化的超熒光光源進行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，相比采用雙金屬片溫度補償進行平均波長穩(wěn)定的方法，工藝更成熟，制作難度小。(2)本發(fā)明所提供的方法，對平均波長波動為5 111/1的超熒光光纖光源，能有效降低至0.5 ppm/°C，在不對光源內(nèi)部進行改動的情況下使其適用于高精度光纖陀螺或其它干涉型傳感系統(tǒng)。


圖I是本發(fā)明的實驗裝置示意圖；
圖2是用于平均波長穩(wěn)定的濾波器的結(jié)構(gòu)圖；圖3是長周期光纖光柵的透射譜隨溫度上升時對光源光譜進行濾波的示意 圖4是超熒光光纖光源未經(jīng)濾波時輸出的光譜隨溫度變化 圖5是理論計算超熒光光纖光源經(jīng)濾波后輸出的光譜隨溫度變化 圖6是超熒光光纖光源濾波前后平均波長隨溫度變化的對比 圖7是計算所得的正溫度系數(shù)長周期光纖光柵透射譜隨溫度變化 圖8是計算所得的負溫度系數(shù)長周期光纖光柵透射譜隨溫度變化圖。
具體實施例方式如圖I所示，為本發(fā)明的實驗裝置示意圖，包括超熒光光纖光源1，本發(fā)明提出的 濾波器2,經(jīng)濾波后的突光輸出3。濾波器2的輸入端直接與超突光光纖光源I的輸出端連接，經(jīng)濾波后的突光輸出3從濾波器2的輸出端輸出。如圖2所示，是用于平均波長穩(wěn)定的濾波器的結(jié)構(gòu)圖，包括正溫度系數(shù)長周期光纖光柵201,負溫度系數(shù)長周期光纖光柵202,正溫度系數(shù)長周期光纖光柵的固定槽203和204，負溫度系數(shù)長周期光纖光柵的固定槽205和206，用于繞光纖的橢圓柱207，光纖線圈208,輸入端尾纖209,輸出端尾纖210,用于粘貼固定槽、繞光纖橢圓柱的底板211和濾波器保護外殼212。所述正溫度系數(shù)長周期光纖光柵201，其中心波長隨溫度上升而增大，主要作用于超熒光光纖光源的平均波長隨溫度呈現(xiàn)拋物線型變化時的遞減區(qū)間(包括拋物線開口向上和開口向下兩種情況)，使平均波長隨溫度上升而增大。優(yōu)選地，正溫度系數(shù)長周期光纖光柵可以米用紫外曝光方式在Corning SMF-28光纖上制作而成，典型的溫度系數(shù)為O. 05nm/°C ο所述負溫度系數(shù)長周期光纖光柵202，其中心波長隨溫度上升而減小，主要作用于超熒光光纖光源的平均波長隨溫度呈現(xiàn)拋物線型變化時的遞增區(qū)間(包括拋物線開口向上和開口向下兩種情況)，使平均波長隨溫度上升而減小。優(yōu)選地，負溫度系數(shù)長周期光纖光柵可以采用紫外曝光方式在Fibercore PS1250/1500光敏光纖上制作而成，典型的溫度系數(shù)為-O. 45 nm/°C。所述光纖線圈采用普通單模光纖在橢圓柱上繞若干圈，用于連接正溫度系數(shù)長周期光纖光柵和負溫度系數(shù)長周期光纖光柵，去除兩個光柵之間光波的耦合，不構(gòu)成馬赫-曾德爾干涉儀，實現(xiàn)長周期光纖光柵各自有效濾波。優(yōu)選地，光纖線圈采用CorningSMF-28光纖，總長度為30 cm，線圈最小直徑為1.5 cm。光纖光柵固定槽203、204、205、206和橢圓柱207，采用鋁質(zhì)材料加工后，用環(huán)氧樹脂膠粘貼固定于底板211上。濾波器保護外殼212可通過螺絲與底板211緊固。正溫度系數(shù)長周期光纖光柵201兩端分別通過環(huán)氧樹脂膠固定于光纖光柵固定槽203和204上。固定時光柵201保持平直，但不繃緊，以減小固定槽203、204和底板211熱脹冷縮時對光柵201的影響。負溫度系數(shù)長周期光纖光柵202兩端分別通過環(huán)氧樹脂膠固定于光纖光柵固定槽205和206上。固定時光柵202保持平直，但不繃緊，以減小固定槽205、206和底板211熱脹冷縮時對光柵202的影響。如圖3所示，為正溫度系數(shù)長周期光纖光柵201和負溫度系數(shù)長周期光纖光柵202隨著溫度上升時對超熒光光纖光源進行濾波的示意圖。溫度上升時，正溫度系數(shù)長周期光纖光柵201的透射譜向長波方向移動，濾除光源光譜左側(cè)功率，使其平均波長向長波方向移動；負溫度系數(shù)長周期光纖光柵202的透射譜向短波方向移動，濾除光源光譜右側(cè)功率，使其平均波長向短波方向移動。溫度下降時則相反。如圖4所示，為某一普通超熒光光纖光源I在(T45°C范圍內(nèi)輸出的光譜隨溫度變化圖。在不對超熒光光纖光源I進行濾波的情況下，其平均波長變化曲線如圖6 “濾波前”的曲線所示，平均波長的波動達到5 ppm/°C，且隨著溫度變化呈現(xiàn)近似拋物線型變化。平均波長隨溫度變化呈現(xiàn)近似拋物線型變化的超熒光光纖光源，利用波長隨溫度單調(diào)變化的濾波器(如只有一個長周期光纖光柵)無法很好實現(xiàn)平均波長穩(wěn)定。因此，本發(fā)明提出了一種采用一個正溫度系數(shù)長周期光纖光柵和一個負溫度系數(shù)長周期光纖光柵串聯(lián)而成的特殊濾波器，實現(xiàn)超熒光光纖光源的平均波長隨溫度呈現(xiàn)拋物線型變化方法。經(jīng)理論計算和仿真，發(fā)現(xiàn)該方法能有效地將平均波長的波動降低一個數(shù)量級。仿真過程包括以下步驟
I.在一定的范圍內(nèi)，每隔一定溫度記錄超突光光纖光源的輸出光譜。優(yōu)選地，在(T45°C范圍內(nèi)，每隔5°C記錄某一普通超熒光光纖光源的輸出光譜(波長范圍為1525nnTl570nm)，如圖4所示。根據(jù)光譜平均波長的計算公式
權(quán)利要求
1.一種寬譜超突光光纖光源的平均波長穩(wěn)定方法，其特征在于寬譜超突光光纖光源經(jīng)過用于平均波長隨溫度呈拋物線型變化的光源濾波器后，即可得到平均波長穩(wěn)定的光源光譜； 所述的光源濾波器包括正溫度系數(shù)長周期光纖光柵、負溫度系數(shù)長周期光纖光柵、光纖線圈、光纖光柵固定槽和濾波器保護外殼； 在濾波器保護外殼內(nèi)依次設(shè)置有正溫度系數(shù)長周期光纖光柵、光纖線圈和負溫度系數(shù)長周期光纖光柵，正溫度系數(shù)長周期光纖光柵的一端與第一尾纖連接，另一端與光纖線圈的一端連接；光纖線圈的另一端與負溫度系數(shù)長周期光纖光柵的一端連接，負溫度系數(shù)長周期光纖光柵的另一端與第二尾纖連接； 所述的正溫度系數(shù)長周期光纖光柵、負溫度系數(shù)長周期光纖光柵由光纖光柵固定槽固定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種寬譜超熒光光纖光源的平均波長穩(wěn)定方法。本發(fā)明是讓寬譜超熒光光纖光源經(jīng)過用于平均波長隨溫度呈拋物線型變化的光源濾波器后，即可得到平均波長穩(wěn)定的光源光譜。該光源濾波器包括正溫度系數(shù)長周期光纖光柵、負溫度系數(shù)長周期光纖光柵、光纖線圈、光纖光柵固定槽和濾波器保護外殼。在濾波器保護外殼內(nèi)依次設(shè)置有正溫度系數(shù)長周期光纖光柵、光纖線圈和負溫度系數(shù)長周期光纖光柵。本發(fā)明采用正、負溫度系數(shù)長周期光纖光柵作為濾波器，對平均波長隨溫度呈拋物線型變化的超熒光光源進行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，相比采用雙金屬片溫度補償進行平均波長穩(wěn)定的方法，工藝更成熟，制作難度小。
文檔編號G01J3/28GK102620828SQ20121009646
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者張業(yè)斌, 張阿平, 白銀冰, 高少銳 申請人:浙江大學