超荧光光纤光源及其超荧光的产生方法

摘要

本发明提出了一种超荧光光纤光源及其超荧光的产生方法，该超荧光光纤光源包括：多个LD泵浦源，用于输出激光，其中，所述超荧光光纤光源的工作温度范围划分为多个工作温区，每个所述LD泵浦源输出的泵浦波长与一个所述工作温区相匹配；多个LD驱动电源，分别为所述多个LD泵浦源提供驱动电流；泵浦合束器，与每个所述LD泵浦源的输出端连接，用于对输出激光进行耦合并注入至增益介质；所述增益介质，用于吸收所述泵浦合束器注入的所述激光，以激发产生超荧光并且放大，放大的所述超荧光的一部分经所述泵浦合束器耦合后输出。这种温区切换式泵浦方式减弱了环境温度变化对LD泵浦源的泵浦波长和泵浦功率的影响，大大减弱了对LD泵浦源温控的苛刻要求。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤陀螺领域，特别涉及一种超荧光光纤光源及其超荧光的产生方法。

背景技术

光纤陀螺在应用过程中，很容易受到光纤环中背向散射、偏振耦合效应以及克尔效应 等引起的相干误差以及噪声的影响。为抑制此类误差及噪声的干扰，光纤陀螺需要采用宽 谱光源。而对于精密级应用的光纤陀螺，其零偏稳定性需要在0.001°/h，标度因数稳定性要 求在10^-6以下，这要求光源不仅具有较宽的输出光谱，还要有较好的平均波长稳定性。作 为一种低相干性宽带光源，超荧光光纤光源输出光谱较宽，且具有较好的平均波长稳定性， 因而成为精密级光纤陀螺较为理想的光源选择。

为实现超荧光光纤光源高的平均波长稳定性，需要对增益光纤的长度、泵浦功率、泵 浦波长以及光源结构等进行优化。其中，当环境温度变化时，LD（laser diode，激光二极 管）的泵浦波长也随之发生变化。对于同一LD泵浦源而言，当温度升高时，LD泵浦源的 泵浦波长向长波漂移；当温度降低时，LD泵浦源的泵浦波长向短波长漂移。当泵浦波长变 化时，增益光纤对于泵浦功率的吸收也会随之改变，从而影响沿光纤分布的粒子数反转以 及最终输出的光谱形状及超荧光的平均波长。同时，当泵浦功率变化时，由于增益饱和的 作用，也会影响最终输出光谱的形状。因而，现有的超荧光光纤光源，需要对LD泵浦源 进行严格的温度控制和电流控制，以尽量减小泵浦波长及泵浦功率变化对输出超荧光的平 均波长的影响。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是降低环境温度变化对LD泵 浦功率和泵浦波长的影响，解决现有的超荧光光纤光源需要对LD泵浦源进行严格的温度 控制的缺陷。

为达到上述目的，本发明一方面提出了一种超荧光光纤光源，包括：多个LD泵浦 源，用于输出激光，其中，所述超荧光光纤光源的工作温度范围划分为多个工作温区，每 个所述LD泵浦源输出的泵浦波长与一个所述工作温区相匹配；多个LD驱动电源，分 别为所述多个LD泵浦源提供驱动电流；泵浦合束器，与每个所述LD泵浦源的输出端 连接，用于对输出激光进行耦合并注入至增益介质；所述增益介质，用于吸收所述泵浦合 束器注入的所述激光，以激发产生超荧光并且放大，放大的所述超荧光的一部分经所述泵 浦合束器耦合后输出。

在本发明的一个实施例中，根据所述超荧光光纤光源所处的工作温区，选择与所处的 工作温区对应的一个所述LD泵浦源独立工作。

在本发明的一个实施例中，根据所述超荧光光纤光源所处的工作温区，选择多个所述 LD泵浦源共同工作，其中，与所处的工作温区对应的一个所述LD泵浦源的泵浦功率在 总泵浦功率中的比重大于其余各个所述LD泵浦源的泵浦功率在所述总泵浦功率中的 比重。

在本发明的一个实施例中，所述超荧光光纤光源还包括反射控制端，所述反射控制端 与所述增益介质的输出端连接，用于将放大的所述超荧光的另一部分反射至所述增益介质 继续放大后经所述泵浦合束器耦合后输出。

在本发明的一个实施例中，所述反射控制端包括：法拉第旋转镜、反射镜和光纤光栅 中的一种或多种的组合。

在本发明的一个实施例中，所述超荧光光纤光源还包括：隔离器，所述隔离器与所述 泵浦合束器的荧光输出端连接，用于阻挡由所述泵浦合束器的荧光输出端输出的所述超荧 光回馈射入所述泵浦合束器。

在本发明的一个实施例中，所述超荧光光纤光源还包括：光谱探头，与所述泵浦合束 器的荧光输出端或所述隔离器的输出端连接，用于采集输出的所述超荧光的光谱信息；数 字控制模块，连接在所述光谱探头的输出端和每个所述LD驱动电源之间，根据输出的所 述超荧光的平均波长随所述超荧光光纤光源所处的温度的变化情况，对每个所述LD驱动 电源的驱动电流进行闭环控制，通过设置合适的泵浦功率以弥补温度变化对所述超荧光光 纤光源的平均波长的影响。

在本发明的一个实施例中，所述数字控制模块包括：比较单元，用于比较在不同工 作温度状况下采集的所述光谱信息以得到比较结果；控制单元，用于根据所述比较结果对 每个所述LD驱动电源的驱动电流进行闭环控制。

本发明另一方面还提出了超荧光的产生方法，包括以下步骤：S01：将超荧光光纤光 源的工作温度范围划分为多个工作温区；S02：设置多个LD泵浦源，使每个所述LD泵 浦源输出的泵浦波长与一个所述工作温区相匹配；S03：根据所述超荧光光纤光源所处 的工作温区，选择至少一个所述LD泵浦源输出激光，其中，所选择的至少一个所述LD 泵浦源中包括与所处的工作温区对应的一个所述LD泵浦源，并且该LD泵浦源的泵浦 功率在总泵浦功率中的比重大于其余各个所述LD泵浦源的泵浦功率在所述总泵浦功 率中的比重；S04：所述激光经泵浦合束器耦合后注入至增益介质；S05：所述增益介质 吸收所述激光，激发产生超荧光并且放大；S06：放大的所述超荧光的一部分经所述泵浦 合束器耦合后输出。

在本发明的一个实施例中，放大的所述超荧光的另一部分经反射控制端反射至所述增 益介质继续放大后经所述泵浦合束器耦合后输出。

在本发明的一个实施例中，所述反射控制端包括：法拉第旋转镜、反射镜和光纤光栅 中的一种或多种的组合。

在本发明的一个实施例中，步骤S06之后包括：所述超荧光经隔离器输出，以避免所 述超荧光回馈射入所述泵浦合束器。

在本发明的一个实施例中，所述方法还包括：采集输出的所述超荧光的光谱信息；比 较在不同工作温度状况下采集的所述光谱信息以得到比较结果；根据所述比较结果，对每 个所述LD驱动电源的驱动电流进行闭环控制，通过设置合适的泵浦功率以弥补温度变化 对输出的所述超荧光的平均波长的影响。

本发明实施例提供一种超荧光光纤光源及其超荧光的产生方法，与现有的超荧光光纤 光源及超荧光光纤产生方法相比，具有以下优点：

1、将超荧光光纤光源的工作温度范围划分为多个工作温区，根据LD泵浦源的泵浦波 长随温度变化的规律，设置多个LD泵浦源，使每个LD泵浦源输出的泵浦波长与一个 工作温区相匹配，进而通过温区切换方式选择与环境温度对应的LD泵浦源工作，从而减 弱环境温度变化对泵浦波长的影响，进而减弱泵浦波长变化对输出超荧光的平均波长的影 响；

2、根据环境温度，采用多个LD泵浦源进行功率组合，通过调整各LD泵浦源功率所 占权重，以获得高的平均波长稳定性，在实现高的平均波长稳定性上具有更大的灵活性；

3、当环境温度变化时，根据超荧光光纤光源输出超荧光的平均波长的变化情况，通过 闭环反馈控制调整各LD泵浦源的泵浦功率，从而弥补温度变化对输出超荧光的平均波长 的影响；

4、温区切换式泵浦方式减弱了环境温度变化对LD泵浦源的泵浦波长和泵浦功率的影 响，不需要将LD泵浦源在整个工作温度范围内控制到某一温度点，只需要将适合各工作 温区工作的LD泵浦源的温度控制在该温区即可，从而大大减弱了对LD泵浦源温控的 苛刻要求。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明 显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的超荧光光纤光源的结构示意图；

图2为本发明实施例的超荧光的产生方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、 “下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为 了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的 方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、 “相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接， 或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中 间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可 以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另 有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1为本发明实施例的超荧光光纤光源的结构示意图，如图1所示，该超荧光光纤光 源包括：多个LD泵浦源、多个LD驱动电源9、泵浦合束器5、增益介质6。其中多个 LD驱动电源9分别为多个LD泵浦源提供驱动电流。

在本实施例中，将超荧光光纤光源的工作温度范围划分为4个工作温区，故需要设置 4个LD泵浦源，用于输出激光，分别记为1、2、3、4。每个LD泵浦源输出的泵浦波长 与一个工作温区相匹配。所述匹配的含义是：根据LD泵浦源的泵浦波长随温度升高而 增加的变化规律，在较高的工作温区匹配较短的泵浦波长，反之，在较低的工作温区 匹配较长的泵浦波长，从而使泵浦波长在温度变化时仍稳定在某一数值或范围内，从而 减弱环境温度变化对泵浦波长的影响，进而减弱泵浦波长变化对输出超荧光的平均波长的 影响。在本实施例中，4个LD泵浦源可以同时接入光路中，针对不同的工作温区，切换 与所处的工作温区对应的一个LD泵浦源独立工作。可选地，多个LD泵浦源通过功率 组合共同工作，但是根据超荧光光纤光源所处的工作温区，设置合适的比重，使与所处的 工作温区对应的LD泵浦源的泵浦功率在总泵浦功率中的比重大于其余各个LD泵浦源 的泵浦功率在总泵浦功率中的比重，即，适合该温区工作的LD泵浦源的泵浦功率在所 需要的总泵浦功率中占有优势比重，从而既可以获得高的平均波长稳定性，又使在实现高 的平均波长稳定性上具有更大的灵活性。

泵浦合束器5，与每个LD泵浦源的输出端连接，用于对输出激光进行耦合并注入 至增益介质6。

增益介质6，用于吸收泵浦合束器5注入的激光，以激发产生超荧光并且放大，放大 的超荧光的一部分经泵浦合束器5耦合后输出。在本实施例中，增益介质6由稀土掺杂增 益光纤构成，增益粒子在增益光纤横截面上的掺杂方式可以为平顶掺杂、平顶部分掺杂或 渐变式掺杂。由于增益介质6产生的超荧光在输出时为双向传播，沿其中一个方向传播的 部分超荧光输入至泵浦合束器5耦合后输出，而沿另一方向传播的部分超荧光则散逸。可 选地，如果需要这部分散逸的超荧光，则可以在超荧光光纤光源中设置反射控制端7，反 射控制端7与增益介质6的输出端连接，用于将沿另一方向传播的部分超荧光反射至增益 介质6继续放大后经泵浦合束器5耦合后输出。反射控制端7可以包括：法拉第旋转镜、 反射镜和光纤光栅中的一种或多种的组合。

在本发明一个优选的实施例中，该超荧光光纤光源还包括隔离器8，隔离器8与泵浦 合束器5的荧光输出端连接，用于阻挡由泵浦合束器5的荧光输出端输出的超荧光回馈射 入泵浦合束器5，以避免超荧光回波对输出超荧光的平均波长稳定性的影响。

根据本发明实施例的超荧光光纤光源，可以采用前向泵浦、后向泵浦以及双向泵浦方 式。

在本发明的一个优选的实施例中，该超荧光光纤光源还包括：光谱探头10和数字控 制模块11。其中，光谱探头10与隔离器8的输出端连接，如果没有设置隔离器8则直接 与泵浦合束器5的荧光输出端连接，用于采集输出的超荧光的光谱信息。数字控制模块11 连接在光谱探头10的输出端和每个LD驱动电源9之间，与LD驱动电源9、LD泵浦源、 泵浦合束器5、增益介质6、泵浦合束器5、隔离器8、光谱探头10组成闭环，即每个LD 泵浦源对应一个闭环。当环境温度变化时，数字控制模块11根据输出的超荧光的平均波 长随超荧光光纤光源所处的环境温度的变化情况，进行闭环反馈控制，通过精确调整各LD 驱动电源的驱动电流，进而改变各LD泵浦源的泵浦功率，从而改变最终输出超荧光的光 谱特性，以弥补温度变化对超荧光光纤光源的平均波长的影响。具体地，数字控制模块 11可以包括：比较单元，用于比较在不同工作温度状况下采集的光谱信息以得到比较结 果；控制单元，用于根据比较结果对各个LD驱动电源的驱动电流进行闭环控制。

本发明实施例进一步提供上述超荧光光纤光源的产生超荧光的方法，图2为根据本发 明实施例的超荧光光纤的产生方法的流程图。该方法包括以下步骤：

步骤S01：将超荧光光纤光源的工作温度范围划分为多个工作温区；

步骤S02：设置多个激光二极管泵浦源，使每个LD泵浦源输出的泵浦波长与一个 工作温区相匹配；

步骤S03：根据超荧光光纤光源所处的工作温区，选择至少一个LD泵浦源输出激光， 其中，所选择的至少一个LD泵浦源中包括与所处的工作温区对应的一个LD泵浦源， 并且该LD泵浦源的泵浦功率在总泵浦功率中的比重大于其余各个LD泵浦源的泵浦功 率在总泵浦功率中的比重；

步骤S04：激光经泵浦合束器耦合后注入至增益介质；

步骤S05：增益介质吸收激光，激发产生超荧光并且放大；

步骤S06：放大的超荧光的一部分经泵浦合束器耦合后输出。

由于增益介质产生的超荧光在输出时为双向传播，沿其中一个方向传播的部分超荧光 输入至泵浦合束器耦合后输出，而沿另一方向传播的部分超荧光则散逸。可选地，如果需 要这部分散逸的超荧光，则可以在超荧光光纤光源中设置反射控制端，放大的超荧光的另 一部分经反射控制端反射至增益介质继续放大后经泵浦合束器耦合后输出。反射控制端可 以包括：法拉第旋转镜、反射镜和光纤光栅中的一种或多种的组合。

在本发明的一个实施例中，步骤S06之后包括：超荧光经隔离器输出，以避免超荧光 回馈射入泵浦合束器，对输出超荧光的平均波长稳定性产生影响。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括：采集输出的超荧光的光谱信息；比较在不 同工作温度状况下采集的光谱信息以得到比较结果；根据比较结果，对每个所述LD驱动 电源的驱动电流进行闭环控制，进而改变各LD泵浦源的泵浦功率，从而改变最终输出超 荧光的光谱特性，以弥补温度变化对输出超荧光的平均波长的影响。

本发明实施例提供一种超荧光光纤光源及其超荧光的产生方法，通过设置与不同工作 温区匹配的多个LD泵浦源，这种温区切换式泵浦方式减弱了环境温度变化对LD泵浦源 的泵浦波长和泵浦功率的影响，不需要将LD泵浦源在整个工作温度范围内控制到某一温 度点，只需要将适合各工作温区工作的LD泵浦源的温度控制在该温区即可，从而大大 减弱了对LD泵浦源温控的苛刻要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、 “具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上 述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结 构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、 替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。