專利名稱：帶有光譜濾波的穩(wěn)定光纖ase光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖放大自發(fā)發(fā)射(ASE)光源業(yè)界熟知光纖ASE光源。ASE光源被用于幫助為多種應(yīng)用提供寬帶(例如，相當(dāng)于10至30納米)、單空間模式光束。例如，ASE被用于提供激光，作為光纖陀螺儀的輸入。對(duì)于超熒光光纖源的舉例描述，請(qǐng)參見由Emmanuel Desurvire和J.R.Simpson所著、IEEE出版的1989年5月第7卷第5號(hào)題為“摻鉺單模光纖中的放大自發(fā)發(fā)射”一文。
ASE光源通常包括一段單模光纖，其纖心摻有稀土元素三價(jià)離子。比如，釹(Nd3+)和鉺(Er3+)就是可能摻入單模光纖纖心以使纖心可以作為激光媒體的稀土元素。
所述光纖在一端接收泵激輸入信號(hào)。泵激信號(hào)通常是一具有特定波長λp的激光信號(hào)。光纖纖心內(nèi)的離子吸收波長為λp處的輸入激光輻射以使離子外層的電子被激發(fā)到離子的更高能級(jí)。在向光纖的一端輸入足夠高的泵激功率時(shí)，產(chǎn)生了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(就是離子內(nèi)處于激發(fā)態(tài)的電子比處于基態(tài)的電子更多)，引起沿光纖長度的顯著的熒光。眾所周知，此熒光(即不同波長λp的光子發(fā)射)歸因于電子從激發(fā)態(tài)自發(fā)返回基態(tài)以使在從激發(fā)態(tài)向基態(tài)的躍遷中，發(fā)射出波長為λp的光子。從光纖中發(fā)射出的波長為λp的光，與通常的激光一樣，為具有高度方向性的光。然而，此發(fā)射與普通激光器(即包括光諧振器)發(fā)射的光主要的區(qū)別在于由超熒光光纖源發(fā)射出的光的光譜含量通常很寬(在10至30納米之間)。因此，由光纖輸出的光學(xué)信號(hào)通常波度為15納米。此原理為激光物理界熟知，并進(jìn)行了多年的在光纖中摻釹、摻鉺及摻加其他稀土元素的實(shí)驗(yàn)與理論研究。
由ASE光纖光源發(fā)射出的光具有多種用途。例如，在一種應(yīng)用中，ASE光源的輸出被饋入光纖陀螺儀。由于本專業(yè)的技術(shù)人員周知的原因，光纖陀螺儀應(yīng)以高度穩(wěn)定的寬帶源操作。在現(xiàn)在已知的幾種寬帶源中，超熒光光纖源，特別是以摻鉺光纖制造的超熒光光纖源，是唯一可以滿足慣性導(dǎo)航漸變光纖陀螺儀的嚴(yán)格要求的光纖光源。摻鉺光纖源產(chǎn)生的寬闊的帶寬，和低泵激功率要求及摻鉺光纖光源的卓越波長穩(wěn)定度，是在光纖陀螺儀中使用此光源的主要原因。
在摻鉺光纖中，超熒光光纖源的發(fā)射是雙向的。就是，在鉺離子中由返回基態(tài)的電子發(fā)射出的光通常在光纖的兩端發(fā)射出。如在屬于Kalman等的美國專利No.5,185,749中所述，對(duì)于足夠長度的摻鉺光纖，在相反方向傳播的光線(即在泵激信號(hào)傳播相對(duì)的方向)，具有很高的量子效率。因而，它有益于實(shí)現(xiàn)鉺光源，以使從ASE摻鉺光源發(fā)射的光從所述光纖泵激輸入端發(fā)射(即在傳播的逆向)。
ASE光源通常以兩種配置之一實(shí)現(xiàn)。在第一種被稱為單程ASE光源的配置中，超熒光光源輸出能量在兩個(gè)方向發(fā)射，其中之一不被利用。在第二種被稱為雙程ASE光源的配置中，在光纖的一端放置了一個(gè)反射器，反射所述超熒光光源信號(hào)，以使超熒光信號(hào)通過光纖被傳送兩次。由于光纖顯示出信號(hào)波長增益，所述信號(hào)被放大。雙程配置的優(yōu)點(diǎn)之一為它產(chǎn)生了更強(qiáng)的信號(hào)。雙程ASE光源配置也僅在一個(gè)端口(即在一個(gè)方向)產(chǎn)生輸出。此配置的一個(gè)缺點(diǎn)在于必須保持很低的反饋以防止激光作用(比如用光隔離器)。
對(duì)于光纖陀螺儀應(yīng)用，光源性能表現(xiàn)的一個(gè)主要度量是光源平均波長的穩(wěn)定度(例如見屬于Kalman等的美國專利No.5,355,216)。如業(yè)界所知，光源平均波長的穩(wěn)定度直接導(dǎo)致傳感器轉(zhuǎn)換因子誤差的穩(wěn)定度。所述轉(zhuǎn)換因子誤差對(duì)決定測量陀螺儀旋轉(zhuǎn)的精確值至關(guān)重要。目前已有平均波長穩(wěn)定度降至百萬分之幾的光源，假設(shè)有合理的系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定度，如泵激波長、泵激功率、溫度、反饋等。然而，對(duì)一些應(yīng)用需要平均波長穩(wěn)定度小于百萬分之一。
本發(fā)明的一個(gè)方面是包括摻有稀土元素雜質(zhì)的光學(xué)傳播纖維的穩(wěn)定、放大自發(fā)發(fā)射(ASE)光源。泵激光源將光能注入所述光纖，以激發(fā)光學(xué)信號(hào)由所述光纖發(fā)射。所述光學(xué)信號(hào)具有光譜形狀和平均波長。在沿所述光纖的一個(gè)位置放置一光譜濾波器，用來改變所述光學(xué)信號(hào)的光譜形狀，以便相對(duì)于工作參數(shù)穩(wěn)定所述光學(xué)信號(hào)的平均波長。在一實(shí)施例中，所述工作參數(shù)是泵激波長。另一實(shí)施例中，所述工作參數(shù)是泵激功率。在另一實(shí)施例中，所述工作參數(shù)是反饋。再一實(shí)施例中，所述工作參數(shù)是溫度。
本發(fā)明的另一方面是一種產(chǎn)生穩(wěn)定的放大自發(fā)發(fā)射的方法。所述方法包括從泵激光源向摻有稀土元素雜質(zhì)的光學(xué)纖維中注入泵激功率的步驟。所述泵激光線在光纖中傳播，激發(fā)從光纖中發(fā)射光學(xué)信號(hào)。所述光學(xué)信號(hào)具有光譜形狀和平均波長。所述方法還包括利用一沿光纖放置的光譜濾波器改變所述光學(xué)信號(hào)的光譜形狀，從而相對(duì)于工作參數(shù)穩(wěn)定所述光纖的平均波長。在一個(gè)實(shí)施例中，所述工作參數(shù)為泵激波長。在另一實(shí)施例中，所述工作參數(shù)是泵激功率。在另一實(shí)施例中，所述工作參數(shù)是反饋。再一個(gè)實(shí)施例中，所述工作參數(shù)是溫度。


圖1顯示了由一常規(guī)ASE光源發(fā)射光線的能譜密度與發(fā)射光波長的關(guān)系曲線。
圖2A說明在ASE光源的遠(yuǎn)端附近放置光譜濾波器的效果。
圖2B說明在ASE光源的中間附近放置光譜濾波器的效果。
圖2C說明在ASE光源輸入端附近放置光譜濾波器的效果。
圖3說明采用所述光譜濾波器以改變所述ASE光源輸出的所述信號(hào)的光譜密度特性的方法。
圖4A和4B圖示說明沒有使用光譜濾波器(4A)和使用具有所述最佳實(shí)施例的特性的光譜濾波器時(shí)(4B)的情況下，平均輸出波長的穩(wěn)定特性與泵激功率的關(guān)系曲線。
圖5A和5B圖示說明沒有使用光譜濾波器(5A)和使用具有所述最佳實(shí)施例的特性的光譜濾波器時(shí)(5B)的情況下，平均輸出波長的穩(wěn)定特性與泵激波長的關(guān)系曲線。
圖6A和6B圖示說明沒有使用光譜濾波器(6A)和使用具有所述最佳實(shí)施例的特性的光譜濾波器時(shí)(6B)的情況下，平均輸波長的穩(wěn)定特性與反饋的關(guān)系曲線。
圖7A概要說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中在所述光源和光纖陀螺傳感系統(tǒng)之間，使用帶有隔離器的單程配置。
圖7B概要說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中在所述光源和光纖陀螺傳感系統(tǒng)之間，使用帶有隔離器的雙程ASE光源配置。
圖7C概要說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中在所述光源和光纖陀螺傳感系統(tǒng)之間，采用單程配置，而無隔離器。
圖7D概要說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中單程ASE光源向所述光纖陀螺感系統(tǒng)提供輸入信號(hào)，而在所述ASE光源的遠(yuǎn)端產(chǎn)生所述傳感器的輸出信號(hào)。
圖8說明可由適當(dāng)選擇濾波器特性，進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆绞健?br> 圖9說明用于本發(fā)明最佳實(shí)施例的光譜濾波器的濾波器特性的具體描繪值。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，提供了其平均波長相對(duì)于主要系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)定度達(dá)到小于百萬分之一的ASE光源。為實(shí)現(xiàn)百萬分之幾的穩(wěn)定的測量，工作參數(shù)對(duì)平均波長的曲線斜率被歸一化(除以將要測量穩(wěn)定度的工作點(diǎn)的參數(shù)值)，并乘以100萬。此新光源包括了穩(wěn)定ASE光源的全光纖光譜濾波器。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，所述光譜濾波器是長周期(long-period)光柵。長周期光柵選擇性地將光纖的主傳輸模式的光與所述光纖的包層模式相耦合。光柵具有很高的波長依賴性，且因此可被用作光譜濾波器。
依靠調(diào)整所述光纖特性和ASE光纖長度及沿光纖的濾波器位置，可以找到相對(duì)于泵激功率和反饋(比如來自光纖陀螺儀)的穩(wěn)定的平均波長工作點(diǎn)?？梢赃_(dá)到相對(duì)于泵激波長的更高的平均波長穩(wěn)定度。根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，可以相應(yīng)于合理的工作點(diǎn)設(shè)置那些穩(wěn)定點(diǎn)(比如合理的泵激功率、合理的泵激波長、合理的反饋電平等)。圖1和3說明由調(diào)整所述光纖特性，用以穩(wěn)定輸出信號(hào)的平均波長的最佳實(shí)施例的操作法，而圖2A-2C則說明調(diào)整沿所述ASE光纖長度方向的濾波器位置的結(jié)果。
圖1說明了典型的ASE摻鉺光纖光源的能譜密度與波長的關(guān)系曲線。由圖1的曲線可見，由此光源發(fā)射出的光線的能譜密度具兩個(gè)突起的峰值。第一峰值100出現(xiàn)在1560納米左右，而第二峰值110出現(xiàn)在1535納米附近。人們發(fā)現(xiàn)具有圖1所示的輸出信號(hào)特性的ASE摻鉺光纖光源，在百萬分之幾的平均波長范圍內(nèi)(比如說，λs±λs*3*10-6)相當(dāng)穩(wěn)定。然而，以具有此光譜特性的光源，到目前為止還無法獲得小于百萬分之幾的平均波長穩(wěn)定度。
本發(fā)明的發(fā)明者認(rèn)識(shí)到，通過削弱摻鉺ASE輸出信號(hào)中的一個(gè)峰值(即在1535納米的峰值或在1560納米的峰值)，輸出信號(hào)的平均波長的穩(wěn)定可以顯著提高(比如說，在原光源穩(wěn)定度十倍的數(shù)量級(jí))。此穩(wěn)定度增長的一個(gè)可能原因是，削弱一個(gè)峰值(最好是在1535納米的峰值)，所述100和110峰值并不相互“競爭”。就是說，在ASE光纖內(nèi)產(chǎn)生并由之放大的光子自然地傾向于在兩個(gè)峰值100和110之一附近發(fā)射。關(guān)鍵工作參數(shù)的變化可以使光子偏向于在一個(gè)峰值附近發(fā)射，而不在另一個(gè)峰值附近發(fā)射，以致于可以觀察到能譜密度從一個(gè)峰值向另一個(gè)峰值遷移。此遷移破壞了輸出信號(hào)的平均波長的穩(wěn)定度。因而，利用削弱100、110峰值之一，只有一個(gè)峰值留下來。在單峰值光譜分布中，不會(huì)出現(xiàn)能譜密度從一個(gè)峰值到另一個(gè)峰值的顯著遷移。因而，當(dāng)100、110峰值之一被削弱時(shí)，多數(shù)光子穩(wěn)定地留在剩下的單峰值附近。
圖3描述了一種方法，利用此方法在1535納米的峰值以陷波濾波器削弱，以達(dá)到更穩(wěn)定的ASE光源輸出。第一曲線300描述了濾波前ASE光源的輸出。所述曲線300與圖1中描述的曲線基本相似。曲線310代表在沿所述光纖ASE光源長度方向的一些點(diǎn)有陷波濾波器的光譜頻特性。請(qǐng)注意Y軸以負(fù)分貝代表衰減。也就是以較小的沿Y軸的圖2A-2C概要說明了在沿ASE光纖光源長度方向的不同位置放置光譜濾波器時(shí)，ASE光纖光源的光譜輸出結(jié)果。在圖2A描述的第一種情況中，由帶有端210，215的光纖205組成的ASE光源200，包括在所述光纖205的端215附近的光譜濾波220。泵激光線從泵激源225輸入所述光纖的與所述光譜濾波器220所處位置相反的端210。由于所述ASE光纖光源200包括足夠長度的摻鉺光纖，以利用反向傳播信號(hào)的高量子效率，所以，由所述光纖源200輸出的信號(hào)的大部分，由所述光纖205的泵激輸入端210提供。
在圖2A中所述ASE光源200輸出的光譜密度與波長的關(guān)系曲線由曲線228表示。由所述曲線228的特性可以看出，由ASE光纖光源200的信號(hào)輸出顯示了很小的能量損失，及很小的光譜變化。就是說，所述曲線228與圖1中的所述曲線及圖3中的曲線300有基本上相同的光譜特性，其中在1535納米和1560納米波長處均可見突起的峰值。因而，可從圖2中看到，將所述光譜濾波器220向所述光纖205的端215移動(dòng)，并不引起所述ASE光源200的輸出信號(hào)穩(wěn)定度的明顯改善。
圖2C顯示了包括帶有端270，275的光纖265的ASE光源260，后者包括在所述光纖265的端270附近的光譜濾波器280。泵激光線由泵激光源285輸入至靠近所述光譜濾波器280位置的所述光纖的端270。由于所述ASE光纖光源260包括足夠長度的摻鉺光纖，以利用反向傳播信號(hào)的高量子效率，所以，由所述光纖源260輸出的信號(hào)的大部分，由所述光纖265的泵激輸入端270提供。
圖2C中的曲線288代表所述ASE光纖光源260輸出信號(hào)的能譜密度與波長的關(guān)系曲線。由所述曲線288的特性可以看出，雖然所述ASE光源260的光譜輸出被大大改變，以削弱在1535納米波長處的峰值，但是，由于在所述光纖265的泵激輸入端270附近放置了所述光譜濾波器280，所述輸出信號(hào)的總能量也被大大減小。因而，伴隨顯著的光譜變化而來的穩(wěn)定度的改善，被輸出信號(hào)能量的顯著減小而抵消。
圖2B概要說明了包括帶有端240，245的光纖235的ASE光源230，后者包括在所述光纖235的中部的光譜濾波器250。泵激光線由泵激光源255輸入至所述光纖235的端240。由于所述ASE光纖光源230包括足夠長度的摻鉺光纖，以利用反向傳播信號(hào)的高量子效率，所以，由所述光纖源230輸出的信號(hào)的大部分，由所述光纖235的泵激輸入端240提供。
曲線258代表所述ASE光纖光源230輸出信號(hào)的能譜密度與波長的關(guān)系曲線。由圖2的所述曲線258可以看出，在所述光纖235中部放有光譜濾波器250的所述ASE光源230的光譜輸出，呈現(xiàn)出很大光譜變化，而無輸出信號(hào)的顯著能量損失。因此，在1535納米處的峰值被大大削弱，而輸出信號(hào)的總能量幾乎保持不變。因此，在光纖235中部放有光譜濾波器250的所述ASE光纖光源230，在穩(wěn)定所述ASE光纖光源230輸出的平均波長上有很大的優(yōu)勢。
在所述光纖235的中部放有光譜濾波器250的實(shí)施例中，小能量損失的原因在于，1535納米波長峰值附近的光線被削弱，因而沒有使經(jīng)過濾波器250后在所述光纖235中的增益飽和，而允許在1560納米波長峰值附近的光線有更大增益。就是說，在1535納米峰值附近被激發(fā)發(fā)射光線的離子越少，反而在所述光纖235中經(jīng)過濾波器250后，在1560納米峰值附近受激發(fā)發(fā)射光線的離子越多。就是說，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并沒像在1535納米波長峰值處光線沒有被過濾和被減弱時(shí)那樣，被在1535納米峰值附近衰減的光線耗盡，以致于在1560納米處可有更多的離子產(chǎn)生光子。因此，根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，所述ASE光纖光源230的端240提供的輸出信號(hào)，被在1560納米波長處更強(qiáng)地放大，而在1535納米波長處被削弱。需要注意的是對(duì)于向前傳播的信號(hào)情況類似(為簡化對(duì)最佳實(shí)施例的說明而未顯示出來)。這說明了所述最佳實(shí)施例的一個(gè)主要概念。換句話說，用光譜濾波器削弱波長峰值之一，不但減小了該波長峰值附近的能量，也增大了在另一波長峰值處提供的增益(即為能量)。
需要注意的是所述光譜濾波器250的優(yōu)化位置隨幾個(gè)參數(shù)而變。比如說，平均波長相對(duì)于反饋電平的穩(wěn)定度對(duì)所述濾波器的位置非常敏感。隨著所述濾波器250被移向所述光纖235的泵激端240，出現(xiàn)穩(wěn)定工作點(diǎn)的反饋電平增大。如果所述濾波器太靠近光纖端240，對(duì)反饋電平?jīng)]有穩(wěn)定的工作點(diǎn)存在。這是選擇適當(dāng)?shù)臑V波器位置的一個(gè)方法。與此同時(shí)，將所述濾波器250移向所述光纖235的泵激端240，因?yàn)樵诘捅眉すβ氏碌谋眉すβ实牟▌?dòng)(對(duì)于240dB的總光纖小信號(hào)衰減為10至20mW)，會(huì)降低平均波長的穩(wěn)定度。實(shí)際上，所述濾波器250的位置應(yīng)在光纖235的30dB至120dB小信號(hào)衰減點(diǎn)之間；然而，特定的應(yīng)用會(huì)要求在光纖235的0dB至200dB小信號(hào)衰減點(diǎn)之間安放所述濾波器250。
為斷定所述光纖235的稱之為小信號(hào)衰減的特性，可采用數(shù)種技術(shù)。一種技術(shù)為將低功率光學(xué)信號(hào)傳入所述光纖的一端。如果此測試信號(hào)的波長在泵吸收頻帶或信號(hào)吸收頻帶附近(此處所討論的結(jié)果基于在鉺的發(fā)射波長1.53微米的測試信號(hào))。在此測試階段，此低功率信號(hào)是唯一通過所述光纖傳播的信號(hào)(即沒有其他信號(hào)被引入光纖)。還有，所述信號(hào)的能量應(yīng)足夠的低，以確保所述信號(hào)不飽和(即事實(shí)上沒有粒子數(shù)反轉(zhuǎn))。
對(duì)于摻鉺光纖，人們發(fā)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的衰減直接與所述光纖的長度成正比，以致于人們只需測量一米后的衰減。例如，在測試信號(hào)波長處的衰減為3dB/米，那么100米的光纖就形成300dB光纖衰減。
這里需要注意的是，雖然所述測試信號(hào)沿所選光纖長度可能被大大衰減，但是，實(shí)際上，通常操作功率下的所述泵激信號(hào)(在20mW左右)不會(huì)衰減到象所述測試信號(hào)沿同樣長度光纖那樣的程度。這是因?yàn)樗霰眯盘?hào)具有更大的功率，且在靠近所述泵激輸入的區(qū)域使所述光纖飽和，以致于在所述光纖端泵激信號(hào)的實(shí)際衰減可能僅在25dB或30dB的數(shù)量級(jí)。在此衰減的泵激信號(hào)就以λs發(fā)射的信號(hào)光線而言仍然足夠大，因?yàn)樗龉饫w對(duì)在光纖遠(yuǎn)端發(fā)射的光子有20-40dB的增益。因而，即使光纖的長度長到足于對(duì)所述測試信號(hào)產(chǎn)生，比如說，300dB的衰減，但是，顯著地短于此長度的長度會(huì)影響所述濾波器250的放置，因?yàn)榕c泵激功率相聯(lián)系的影響比所述測試信號(hào)功率高得多。
根據(jù)此定位所述濾波器250優(yōu)化位置的方法，人們預(yù)定固定的小信號(hào)衰減點(diǎn)(即利用低功率測試信號(hào)的衰減測出的點(diǎn))作為超過一定長度的所有光纖的優(yōu)化點(diǎn)。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，小信號(hào)衰減為3dB/米(在1530納米)的77米單模光纖，包括放置在36.75dB點(diǎn)(即距輸出端12.25米)濾波器。所述濾波器的光譜特性相應(yīng)于圖9中的表示。對(duì)于此光纖，對(duì)于優(yōu)化的泵激功率的模擬(modeled)穩(wěn)定工作點(diǎn)在15mW附近，優(yōu)化的反饋的模擬(modeled)穩(wěn)定工作點(diǎn)在-20dB附近，優(yōu)化的泵激波長的模擬(modeled)工作點(diǎn)在1470納米附近。對(duì)于大多數(shù)ASE光源應(yīng)用，那些工作點(diǎn)中的每一點(diǎn)均為合理工作點(diǎn)。所述模擬光纖的纖芯直徑為3-4微米。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，當(dāng)此光纖作為ASE光源被使用時(shí)，此光源的穩(wěn)定度比常規(guī)光源的穩(wěn)定度大大提高。
圖4A和4B說明了本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，通過隨泵激功率而變地提高平均波長穩(wěn)定度而可以獲得的好處。如圖4A所示，曲線400代表平均波長的變化(以納米為單位)與泵激功率的關(guān)系曲線。所述曲線400代表當(dāng)沒有在ASE光纖光源中放置光譜濾波器時(shí)(以使輸出光譜未被濾波，如圖1所示)，平均波長的變化。由圖4A中的曲線400可以看出，泵激功率5mW的變化，可以導(dǎo)致平均波長將近0.1納米的變化，即使在所述未經(jīng)濾波的ASE光源的穩(wěn)定工作點(diǎn)附近。還有，所述曲線400泵激功率在15mW工作點(diǎn)處的切線，相應(yīng)于每mW百萬分之13的穩(wěn)定度。
然而，根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，在沿所述光纖235的適當(dāng)位置放置具有適當(dāng)特性的光譜濾波器，所述平均波長的隨泵激功率而變的穩(wěn)定度將大大提高。例如，在圖4B中的曲線450代表在光纖光源230中平均波長變化與泵激功率的關(guān)系，其中沿所述光纖235長度方向適當(dāng)?shù)胤胖霉庾V濾波器250(比如在36.75dB點(diǎn))。由圖4B可見，在所述曲線450的穩(wěn)定點(diǎn)附近5mW的泵激功率變化，引致的平均波長變化遠(yuǎn)小于0.1納米。因而，在所述光源230中放入光譜濾波器250，在泵激功率中相等的變化引致了平均波長很小的變化。
利用本發(fā)明的方法除增加了可獲得的穩(wěn)定度外，更值得一提的是出現(xiàn)穩(wěn)定的平均波長的工作點(diǎn)可根據(jù)特定系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的不同而不同。這與常規(guī)未濾波光源相反，未濾波光源中存在單穩(wěn)定工作點(diǎn)，它也許出現(xiàn)在合理的工作點(diǎn)，也許不出現(xiàn)在合理的工作點(diǎn)。例如，如果穩(wěn)定的工作點(diǎn)出現(xiàn)在100mW的泵激功率處，此工作點(diǎn)因?yàn)榇吮眉すβ蔬^高而在大多數(shù)應(yīng)用中無法使用。在決定平均波長隨泵激功率而變的穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，改變所述光纖235的總長度會(huì)引起所述穩(wěn)定工作點(diǎn)的調(diào)整，以使所想要的穩(wěn)定點(diǎn)可由調(diào)節(jié)光纖長度而設(shè)定。例如，對(duì)本文描述的最佳實(shí)施例，光纖長度的增加引起出現(xiàn)穩(wěn)定工作點(diǎn)的功率電平的提高。
以類似的方法，平均波長隨泵激波長而變的穩(wěn)定的工作點(diǎn)可由使所述濾波器光譜的形狀不同而調(diào)整，而平均波長隨反饋電平而變的穩(wěn)定工作點(diǎn)可由使所述濾波器沿光纖235長度方向的位置不同而調(diào)整。溫度的穩(wěn)定度也可由使所述濾波器光譜形狀不同而調(diào)整。比如，在一個(gè)實(shí)施例中，可以這樣調(diào)整濾波器特性，使得陷波凹口最深的部分在比1535納米處峰值稍高的波長。這樣，當(dāng)所述濾波器250延伸(因此將陷波凹口移向?yàn)V波器外更高的波長)，凹口的峰值(即在1535納米)增長。衡當(dāng)鉺在升高的溫度下膨脹時(shí)，它起使也要向更長的波長遷移的所述加強(qiáng)的峰值平衡的作用。
圖5A和5B圖示說明了在所述ASE光源230中引入光譜濾波器250而達(dá)到提高平均波長隨泵激波長而變的穩(wěn)定度。圖5A中描述的第一曲線500代表了在沒有所述光譜濾波器250時(shí)，平均輸出信號(hào)波長隨泵激波長的變化。在1470納米的操作泵激波長，泵激波長±1納米(即從1469納米到1471納米)的變化，引起了平均波長約0.07納米(相應(yīng)于每納米百萬分之13)的變化。在圖5B中的曲線550，代表了有所述光譜濾波器250的情況下，平均波長隨泵激波長的變化。如圖5B所示，從1469納米到1471納米泵激波長的變化，沒有引起平均波長的凈變化。這是因?yàn)橐呀?jīng)這樣設(shè)置所述1470納米的泵激波長(即利用適當(dāng)改變所述濾波器光譜)以使在1470納米的兩側(cè)相等的變化，基本上沒有引起平均波長變化。當(dāng)然，值得一提的是在1470納米和1471納米之間的變化引起了平均波長的一些小變化，它因所述曲線在1470納米點(diǎn)附近的平坦的形狀而幾乎可以忽略。因此，可以看出加入具有適當(dāng)預(yù)定光譜特性的光譜濾波器250，可以達(dá)到平均波長對(duì)泵激波長的非常高的穩(wěn)定度。
圖6A和6B圖形說明了在沿所述光纖長度方向放置光譜濾波器250而達(dá)到提高平均波長對(duì)反饋電平的穩(wěn)定度。如圖6A中所示，曲線600代表了所述輸出信號(hào)的平均波長對(duì)ASE光源內(nèi)因光纖陀螺儀或其他產(chǎn)生反饋的裝置而產(chǎn)生的反饋電平的變化。在-20分貝反饋的最佳工作點(diǎn)，±5分貝的變化(即從-25分貝到-15分貝)引起平均波長大約0.7納米的變化(Δλ)。還有，曲線600在-20dB工作點(diǎn)的切線，相應(yīng)于大約每分貝百萬分之45的穩(wěn)定度。在圖6B中的曲線650代表了放置了所述濾波器250時(shí)平均波長對(duì)反饋電平的變化。如圖6B中所示，從-25分貝到-15分貝的反饋?zhàn)兓瘺]有引起平均波長的變化。這是因?yàn)樵O(shè)置了-20分貝點(diǎn)(即利用適當(dāng)改變所述濾波器250沿光纖235長度方向的位置)以使在-20分貝的兩側(cè)相等的變化，基本上沒有引起平均波長的變化。當(dāng)然，值得一提的是在-25分貝和-20分貝之間的變化引起了平均波長的一些小變化，它因所述曲線在-20分貝的平坦的形狀而幾乎可以忽略。因此，可以看出在沿光纖235的適當(dāng)位置加入所述光譜濾波器250，可以達(dá)到平均波長對(duì)反饋的非常高的穩(wěn)定度。
在圖4A、4B、5A、5B、6A和6B中描述的結(jié)果基于已被實(shí)際實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的計(jì)算機(jī)模擬，確保了計(jì)算機(jī)模擬的精確性。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，可以利用可從Lucent Technologies得到的OASIX模型算法，來執(zhí)行所要的模擬以達(dá)到所選應(yīng)用中優(yōu)化的光纖長度、濾波器特性和濾波器位置。此模型和實(shí)驗(yàn)中改善了的穩(wěn)定度的結(jié)果如下表I中所述。
表I穩(wěn)定度比較
沒有進(jìn)行平均波長穩(wěn)定度對(duì)溫度的計(jì)算機(jī)模擬；然而，定量分析表明可以調(diào)整所述濾波器250的光譜特性，采用類似的方法提高就溫度而言的平均波長穩(wěn)定度。特別是，隨著溫度提高，在所述光纖235中產(chǎn)生的膨脹，引起形成濾波器的長周期光柵膨脹，使得所述濾波器250的光譜特性相應(yīng)于溫度而變化。相應(yīng)的變化出現(xiàn)在由ASE光源20提供所述輸出信號(hào)的光譜特性中，以致于有可能設(shè)置所述濾波器特性以使濾波器特性的變化抵銷所述ASE光源230的光譜特性的變化。
例如，隨著溫度升高通常可以觀察到的一種效應(yīng)是在1560納米附近的峰值100向更長的波長的遷移，以致于隨著溫度升高所述平均波長趨于增加。然而，如果濾波器被適當(dāng)設(shè)置，濾波特性中的遷移引致較小的被削弱的峰值110的衰減。因而，即使峰值100的波長增大(向右遷移)，峰值110密度的增加會(huì)導(dǎo)致凈平均波長不改變。在圖8中說明了此效應(yīng)。
如圖8中所說明的，曲線810代表采用所述最佳實(shí)施例的陷波濾波器的ASE光源輸出光線的光譜分布。曲線820代表隨著溫度的上升同一ASE光源的光譜分布。如上所述，當(dāng)溫度升高時(shí)，所述濾波器光柵與光纖一起膨脹。因此，所述濾波器可減弱更長波長的光線。它增加了在1535納米處的光線的隆起，因?yàn)樗鱿莶V波器最深的部分被從1535納米處移開。與此同時(shí)，1560納米處的峰值遷移向更長的波長，以致于此凈效應(yīng)將均衡平均波長。謹(jǐn)慎地選擇所述陷波濾波器的光譜形狀，在1535納米峰值處增長的速率可被控制，以將平均波長基本精確保持于常數(shù)值。可選擇具有特定溫度系數(shù)的所述濾波器以抵消摻鉺光纖的溫度系數(shù)。例如，見Justin Judkins等于1996年2月PD1-1《光纖通信》上的“對(duì)溫度不敏感的長周期光柵”。
圖9說明了在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中所述濾波器250中的光譜特性。圖9中曲線描述了濾波器衰減(單位為分貝)與波長(單位為納米)的關(guān)系。由圖9的曲線900可見，在大約1533納米處出現(xiàn)最大濾波器衰減，衰減為-20分貝。陷波的帶寬從1515納米附近擴(kuò)展到1555納米，大約有40納米的總帶寬。具有圖9所述光譜特性的濾波器有效地削弱了中心位置1535納米的峰值110，但并未顯著削弱于1560納米處的峰值100。因此，具有曲線900所定義的特性的濾波器250從所述ASE光源230產(chǎn)生基本上是單峰值的輸出。
圖7A-7D說明四種可以通過添加提高光源穩(wěn)定度的光譜濾波器而得到改進(jìn)的光源配置。圖7A描述了具有隔離器的一種單程光源配置；圖7B描述了具有隔離器的一種雙程光源配置；圖7C說明了沒有隔離器而具有從所述傳感器反饋(比如說光纖陀螺儀線圈)的一種單程光源配置；而圖7D說明光纖放大器光源(FAS)。在圖7D中描述的FAS與帶有反饋的單程光源一樣，除了所述傳感器反饋信號(hào)由所述光源放大以產(chǎn)生所述傳感器輸出信號(hào)。
更具體地說，圖7A描述了包括帶有作為光譜濾波器放置在所述光纖705內(nèi)的長周期光柵710的摻鉺光纖705的ASE光源700。泵激光源715將泵激光線通過輸入端720輸入所述光纖705。所述光纖705的第二端725被傾角拋光以不反射而形成所述ASE光源700的單程配置。光線被在所述ASE光源700中在反向放大，且從所述光纖705的第一端720發(fā)射。所述光線通過隔離器730，并且，作為光纖陀螺儀傳感系統(tǒng)732的輸入信號(hào)。所述光纖陀螺儀732的輸出通過耦合器734在傳感器的輸出端被探測。值得一提的是由于有所述隔離器730，所述反饋電平被顯著降低以致于通常不需要相對(duì)于此參數(shù)的穩(wěn)定所述平均波長。因而，此配置比沒有采用隔離器的配置提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性。
圖7B顯示了包括包括帶有作為光譜濾波器放置在所述摻鉺光纖738內(nèi)的長周期光柵740的摻鉺光纖705的ASE光源735。泵激光源742將泵激光線通過輸入端或端口744耦合進(jìn)所述摻鉺光纖738。所述光纖738的第二端745包括反射鏡，后者反射信號(hào)光線以形成所述ASE光源735的一種雙程配置。光線從所述ASE光源735通過端口744發(fā)射并通過隔離器747傳到光纖陀螺傳感系統(tǒng)749的輸入端。所述傳感系統(tǒng)749的輸出通過耦合器750被耦合進(jìn)輸出探測器。在一個(gè)實(shí)施例中，采用此配置導(dǎo)致更淺的陷波濾波器要求，且所述濾波器740的位置被移離輸出端744。值得一提的是因?yàn)橛辛怂龈綦x器747，反饋電平被顯著降低以致于通常不需要相對(duì)于此參數(shù)的穩(wěn)定所述平均波長。因而，此配置比沒有采用隔離器的配置提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性。
圖7C概要描述包括摻鉺光纖758的ASE光源755，在所述光纖758中放置了作為光譜濾波器的長周期光柵762。泵激光源762通過輸入端口764將光線注入光纖758。所述光纖758的第二端765被傾角拋光以不反射而形成所述ASE光源755的單程配置。從所述光纖758的端部764在反向傳播方向發(fā)射的光線，在沒有通過隔離器的情況下進(jìn)入陀螺儀傳感器系統(tǒng)770。因而，通常在所述ASE光源755中感受到來自所述陀螺儀的反饋，而所述光譜濾波器760幫助穩(wěn)定ASE光源755的隨來自所述傳感器的反饋而變的平均波長。如圖7C中所示，所述傳感器的輸出通過耦合器722被探測。
圖7D概要說明包括帶有作為光譜濾波器沿所述光纖778長度方向放置的長周期光柵780的摻鉺光纖780的ASE光源775。泵激光源782將泵激光線注入所述光纖778的第一端784。所述光纖778的第二端785被傾角拋光以不反射。因而，所述ASE光源775是以單程配置而構(gòu)成的。來自所述ASE光源775的光線被在反向傳播方面輸出(即從所述光纖778的端部784)以作為光纖陀螺儀傳感器系統(tǒng)790的輸入信號(hào)。來自從傳感器的輸出被從ASE光源775的端部785取得，使得所述ASE光源775構(gòu)成FAS光源，因此從傳感器系統(tǒng)出來的光線沿所述摻鉺光纖778被放大。當(dāng)然，值得一提的是從所述傳感器系統(tǒng)790出來的被放大的光線產(chǎn)生顯著反饋，且所述濾波器780的位置和光譜特性在有高反饋時(shí)像在FAS配置中的那樣，將大大穩(wěn)定所述ASE光源775的平均波長。
雖然以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，本專業(yè)的普通技術(shù)人員將從本文描述的實(shí)施例中明白，不背離本發(fā)明的精神和本質(zhì)特性，可做明顯的修改。例如，在所述ASE光源中可以采用不同長度的摻有稀土元素的光纖和不同的摻雜物。還有，采用的光譜濾波器可以包括其他類型的光譜濾波器而不是一種成形于光纖中的長周期光柵濾波器。因而，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)根據(jù)下面所附的權(quán)利要求書來闡明。
權(quán)利要求
1.一種穩(wěn)定的放大自發(fā)發(fā)射(ASE)光源，其特征在于包括摻有稀土元素的光學(xué)傳播纖維；將光能注入所述光纖以激發(fā)來自所述光纖的光學(xué)信號(hào)發(fā)射的泵激光源，所述光學(xué)信號(hào)具有光譜形狀和平均波長；沿所述光纖放置于適當(dāng)位置以改變所述光學(xué)信號(hào)的光譜形狀，以穩(wěn)定所述光學(xué)信號(hào)的隨工作參數(shù)而變的所述平均波長。
2.權(quán)利要求1中的穩(wěn)定的ASE光源，其特征在于所述工作參數(shù)為泵激波長。
3.權(quán)利要求1中的穩(wěn)定的ASE光源，其特征在于所述工作參數(shù)為泵激功率。
4.權(quán)利要求1中的穩(wěn)定的ASE光源，其特征在于所述工作參數(shù)為反饋。
5.權(quán)利要求1中的穩(wěn)定的ASE光源，其特征在于所述工作參數(shù)為溫度。
6.權(quán)利要求1中的穩(wěn)定的ASE光源，其特征在于所述工作參數(shù)包括泵激波長和泵激功率。
7.權(quán)利要求1中的穩(wěn)定的ASE光源，其特征在于所述工作參數(shù)為泵激波長和反饋。
8.權(quán)利要求1中的穩(wěn)定的ASE光源，其特征在于所述工作參數(shù)為泵激功率和反饋。
9.權(quán)利要求1中的穩(wěn)定的ASE光源，其特征在于所述工作參數(shù)為泵激波長、泵激功率和反饋。
10.權(quán)利要求1中的穩(wěn)定的ASE光源，其特征在于所述工作參數(shù)為泵激波長、泵激功率、反饋和溫度。
11.一種產(chǎn)生穩(wěn)定的放大自發(fā)發(fā)射的方法，其特征在于包括以下步驟將從泵激光源發(fā)出的泵激光線注入摻有稀土元素的光纖，所述泵激光線在所述光纖中傳播且從所述光纖激發(fā)光學(xué)信號(hào)的發(fā)射，所述光學(xué)信號(hào)具有光譜形狀和平均波長；以及利用沿所述光纖放置于適當(dāng)位置的光譜濾波器改變所述光學(xué)信號(hào)的光譜形狀以由此穩(wěn)定從所述光纖中發(fā)出的所述光學(xué)信號(hào)的隨工作參數(shù)而變的所述平均波長。
12.權(quán)利要求11中定義的方法，其特征在于所述工作參數(shù)為泵激波長。
13.權(quán)利要求11中定義的方法，其特征在于所述工作參數(shù)為泵激功率。
14.權(quán)利要求11中定義的方法，其特征在于所述工作參數(shù)為反饋。
15.權(quán)利要求11中定義的方法，其特征在于所述工作參數(shù)為溫度。
16.權(quán)利要求11中定義的方法，其特征在于所述工作參數(shù)為泵激波長和泵激功率。
17.權(quán)利要求11中定義的方法，其特征在于所述工作參數(shù)為泵激波長和反饋。
18.權(quán)利要求11中定義的方法，其特征在于所述工作參數(shù)為泵激功率和反饋。
19.權(quán)利要求11中定義的方法，其特征在于所述工作參數(shù)包括泵激波長、泵激功率和反饋。
20.權(quán)利要求11中定義的方法，其特征在于所述工作參數(shù)包括泵激波長、泵激功率、反饋和溫度。
21.權(quán)利要求11中定義的方法，其特征在于沿所述光纖的所述位置被選擇以為所述平均波長對(duì)所述工作參數(shù)提供優(yōu)化的穩(wěn)定度
22.一種為光纖放大自發(fā)發(fā)射光源提供穩(wěn)定的工作點(diǎn)的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟將從泵激光源發(fā)出的泵激光線注入摻有稀土元素的光纖，所述泵激光線在所述光纖中傳播且從所述光纖激發(fā)光學(xué)信號(hào)的發(fā)射，所述光學(xué)信號(hào)具有光譜形狀和平均波長；為光譜濾波器選擇衰減特性；以及將所述光譜濾波器定位于所述光纖的選定的位置以提供從所述光纖中發(fā)出的所述光學(xué)信號(hào)的就選擇的參數(shù)而言的所述平均波長的穩(wěn)定的工作點(diǎn)。
23.權(quán)利要求22中定義的方法，其特征在于所述選擇的參數(shù)為泵激波長。
24.權(quán)利要求22中定義的方法，其特征在于所述選擇的參數(shù)為泵激功率。
25.權(quán)利要求22中定義的方法，其特征在于所述選擇的參數(shù)為反饋。
26.權(quán)利要求22中定義的方法，其特征在于所述選擇的參數(shù)為溫度。
27.權(quán)利要求22中定義的方法，其特征在于所述選擇的參數(shù)為泵激波長和泵激功率。
28.權(quán)利要求22中定義的方法，其特征在于所述選擇的參數(shù)為泵激波長和反饋。
29.權(quán)利要求22中定義的方法，其特征在于所述選擇的參數(shù)為泵激功率和反饋。
30.權(quán)利要求22中定義的方法，其特征在于所述選擇的參數(shù)包括泵激波長、泵激功率和反饋。
31.權(quán)利要求22中定義的方法，其特征在于所述選擇的參數(shù)包括泵激波長、泵激功率、反饋和溫度。
全文摘要
包括有光譜濾波器的光纖放大自發(fā)發(fā)射光源顯示了平均波長相對(duì)于數(shù)種工作因素的穩(wěn)定度的改善,所述工作因數(shù)包括泵激波長、泵激功率、反饋和溫度。通過調(diào)整濾波器的光譜特性,和摻有稀土元素的光纖的長度,設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的ASE光源,從而提供關(guān)于平均波長相對(duì)于所需工作參數(shù)的穩(wěn)定的工作點(diǎn)。在許多情況下,所述光源顯示了平均波長穩(wěn)定度比現(xiàn)有光源提高超過1個(gè)數(shù)量級(jí)。
文檔編號(hào)H01S3/06GK1184944SQ9710879
公開日1998年6月17日 申請(qǐng)日期1997年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月13日
發(fā)明者J·L·瓦格納, C·W·霍吉森, F·達(dá)里奧 申請(qǐng)人:萊蘭斯坦福初級(jí)大學(xué)評(píng)議會(huì)