具有高平均波长稳定性的掺Er全固光子带隙光纤光源

摘要

一种具有高平均波长稳定性的掺Er全固光子带隙光纤光源，包括980nm泵浦激光器、波分复用器、掺Er全固光子带隙光纤、光纤法拉第旋镜和光隔离器，掺Er全固光子带隙光纤包括芯子和包层，在掺Er全固光子带隙光纤的芯子横截面上，以掺Er的石英玻璃为对称中心，掺Ge石英玻璃和纯石英周期性分布并呈正六边形网格状，正六边形网格的节点为掺Ge石英玻璃，除最外层节点外，每个正六边形网格节点周围均由纯石英包围。本发明通过掺Er全固光子带隙光纤的设置，使得其纤芯能够传导980nm泵浦光且抑制1530nm发射谱，从而获得受温度影响小的1560nm宽带光源，实验证明，本发明光纤光源在全温(-40～70℃)下的平均波长稳定性为20ppm以内，室温(25±0.5℃)下11小时的平均波长稳定性在1ppm以内。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感器，具体地指一种应用于光纤传感器的具有高平均波长稳定性的掺Er全固光子带隙光纤光源。

背景技术

目前，高精度光纤陀螺仪(FOG)是国际上许多国家及科研机构追逐的高新技术。现有高精度光纤陀螺仪的主要技术瓶颈之一，在于难以实现其所需的具有高平均波长稳定性的宽带光源。一般来说，对于1‰度的高精度光纤陀螺仪来说，需要光源的平均波长稳定度在10ppm以内，而Er离子发射吸收截面随温度变化的基本性质导致目前一般的掺Er光纤光源在全温(-40～70°)范围内，平均波长稳定度在100～1000ppm之间，难以满足应用的需求。人们采用的一个最直接的技术改进方案是利用各类光纤光栅或者光子晶体光纤对最后输出的光谱进行平均波长的补偿，不过，温度补偿器件本身的可靠性等问题会将不稳定性引入整个系统，导致实际中陀螺光源的制作工程化十分困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种具有高平均波长稳定性的掺Er全固光子带隙光纤光源，能够通过调节Er离子的自发辐射谱，限制其平均波长随温度变化，从而提高整个光纤光源的温度稳定性。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种具有高平均波长稳定性的掺Er全固光子带隙光纤光源，包括980nm泵浦激光器、波分复用器、掺Er全固光子带隙光纤、光纤法拉第旋镜和光隔离器，其特别之处在于：所述掺Er全固光子带隙光纤包括芯子和包层，在掺Er全固光子带隙光纤的芯子横截面上，以掺Er的石英玻璃为对称中心，掺Ge石英玻璃和纯石英周期性分布并呈正六边形网格状，正六边形网格的节点为掺Ge石英玻璃，除最外层节点外，每个正六边形网格节点周围均由纯石英包围。

上述技术方案中，所述掺Er全固光子带隙光纤的一端通过波分复用器分别与用作泵浦源的980nm泵浦激光器和用于消除偏振的光纤法拉第旋镜连接，另一端与光隔离器连接，用于光信号的隔离。

上述技术方案中，所述掺Er全固光子带隙光纤的一端与用于消除偏振的光纤法拉第旋镜连接，另一端通过波分复用器分别与用作泵浦源的980nm泵浦激光器和用于光信号隔离的光隔离器连接。

上述技术方案中，所述光纤法拉第旋镜上还设有高斯型通光膜片，用于稳定光波的平均波长变化。

上述技术方案中，所述光隔离器的隔离度大于或等于55dB。

上述技术方案中，所述掺Er全固光子带隙光纤的长度为0.1～10m。

本发明的有益效果在于：通过掺Er全固光子带隙光纤的设置，使得其纤芯能够传导980nm泵浦光且抑制1530nm发射谱，从而获得受温度影响小的1560nm宽带光源，实验证明，本发明光纤光源在全温(-40～70℃)下的平均波长稳定性为20ppm以内，室温(25±0.5℃)下11小时的平均波长稳定性在1ppm以内；光纤法拉第旋镜的设置，能够将入射偏振光旋转90°以消灭系统的偏振特性，使得整个光源的偏振度几乎为零，保证光源系统的偏振稳定性，并降低由偏振带来的功率及平均波长的扰动，实验证明，本发明光纤光源输出光偏振度小于0.1dB，功率在全温(-40～70℃)下的变化量小于3％、在室温(25±0.5℃)下的变化量小于1％；高隔离度的光隔离器隔离了可能从后面系统中反射(或者散射)回来的光以保证光源系统的功率稳定性，以及降低由反馈光造成的平均波长的扰动。

附图说明

图1a为本发明一个实施例的结构示意图；

图1b为本发明另一个实施例的结构示意图；

图2为本发明中一种掺Er全固光子带隙光纤的预制棒截面图；

图3为图2所示预制棒拉制成的掺Er全固光子带隙光纤的通光示意图；

图4为图1所示光纤光源的输出光谱的相对光强图；

图中：1-980nm泵浦激光器，2-光纤法拉第旋镜，3-波分复用器，4-掺Er全固光子带隙光纤(其中：4.1-掺Er石英棒、4.2-掺Ge石英棒、4.3-移除的石英棒，4.4-填充石英棒，4.5-纯石英棒)，5-光隔离器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

实施例1

如图1a所示，本发明的一种具有高平均波长稳定性的掺Er全固光子带隙光纤光源，包括980nm泵浦激光器1、980nm/1550nm的波分复用器3、掺Er全固光子带隙光纤4、光纤法拉第旋镜2和光隔离器5，980nm泵浦激光器1与980nm/1550nm波分复用器3的980nm输入端相连，光纤法拉第旋镜2则与波分复用器3的1550nm端相连，波分复用器3的光纤端与长度约1m的掺Er全固光子带隙光纤4的一端连接，掺Er全固光子带隙光纤4的另一端连接高隔离度(隔离度≥55dB)的光隔离器5。

其中，掺Er全固光子带隙光纤4可以通过改良的堆积拉制方法获得，其堆积后的预制棒如图2所示，先利用掺Ge石英棒4.2和纯石英棒4.5周期性堆积形成正六边形网格的掺Ge高折射率芯子结构，即在堆积成的正六边形网格中，每一节点上均为掺Ge石英棒4.2，除最外层节点外，每一节点周围均包覆纯石英棒4.5，其中，最外层的部分纯石英棒4.5移除后(图2中移除的石英棒4.3)，用直径较小的填充石英棒4.4填充，使堆积后横截面的轮廓为圆；然后，用掺Er石英棒4.1替换对称中心处的掺Ge石英棒4.2，形成掺Er全固光子带隙光纤4的芯子，芯子外覆包层后送入拉丝塔，并最终拉制成光纤。本实施例中的掺Er全固光子带隙光纤4的掺Er浓度为数千ppm，折射率接近纯石英，掺Ge浓度为1000ppm。该掺Er全固光子带隙光纤4的通光光谱如图3所示，其芯子可以传导980nm的泵浦光，同时，Er离子受温度变化影响大的1530nm发射谱传输损耗大，能够被极大的抑制，而此光纤主要的Er离子发射谱集中在1560nm的发射峰附近。由于Er离子1560nm的发射峰的吸收和发射截面随温度变化较小，从而利用此掺Er全固光子带隙光纤4可以得到波长更为稳定的掺Er宽带光源。

本实施例的工作原理为：980nm泵浦激光器1发出980nm泵浦光，经波分复用器3后进入掺Er全固光子带隙光纤4，激发Er离子的自发辐射谱，一部分辐射谱直接经光隔离器5输出，另一部分经波分复用器3进入光纤法拉第旋镜2，光纤法拉第旋镜2将入射偏振光旋转90°以消灭系统的偏振特性，其上的高斯型通光膜片，可进一步稳定光波的平均波长变化，经光纤法拉第旋镜2反射的光经波分复用器3进入掺Er全固光子带隙光纤4信号放大后，再经光隔离器5输出。利用光谱分析仪测得的相对光强如图4所示，本光纤光源输出的主要是波长稳定在1560nm附近的光。

实施例2

本实施例的其它结构与实施例1相同，区别仅在于光学器件的连接方式和掺Er全固光子带隙光纤4的设计参数。本实施例中，980nm泵浦激光器1与980nm/1550nm波分复用器3的980nm输入端相连，980nm/1550nm波分复用器3的1550nm端与光隔离器5相连，长度约7m的掺Er全固光子带隙光纤4的一端连接波分复用器3的光纤端、另一端与光纤法拉第旋镜2连接。本实施例的中的掺Er全固光子带隙光纤4中的掺Ge浓度为200ppm。

本实施例的工作原理为：980nm泵浦激光器1发出980nm泵浦光，经波分复用器3后进入掺Er全固光子带隙光纤4，激发Er离子的自发辐射谱，一部分辐射谱依次经波分复用器3和光隔离器5输出，另一部分进入光纤法拉第旋镜2，光纤法拉第旋镜2将入射偏振光旋转90°以消灭系统的偏振特性，其上的高斯型通光膜片，可进一步稳定光波的平均波长变化，经光纤法拉第旋镜2反射的光进入掺Er全固光子带隙光纤4信号放大，再经波分复用器3和光隔离器5输出。

本发明无需任何平均波长补偿系统，即能够输出全温(-40～70℃)下平均波长稳定性在20ppm以内、偏振度小于0.1dB、功率稳定性在3％以内的光谱，满足高精度光纤陀螺仪的要求。

本发明的核心在于通过设置掺Er全固光子带隙光纤4，获得平均波长受温度影响小的1560nm辐射谱。所以，其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：掺Er全固光子带隙光纤4的长度不限于实施例所述，根据掺Ge浓度，其长度可以在0.1～10m的范围内变化；光纤中从对称中心向外延伸的六边形网格的层数也可根据需要调整等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。