CN1184944A - 带有光谱滤波的稳定光纤ase光源 - Google Patents
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Abstract
包括有光谱滤波器的光纤放大自发发射光源显示了平均波长相对于数种工作因素的稳定度的改善,所述工作因数包括泵激波长、泵激功率、反馈和温度。通过调整滤波器的光谱特性,和掺有稀土元素的光纤的长度,设计了稳定的ASE光源,从而提供关于平均波长相对于所需工作参数的稳定的工作点。在许多情况下,所述光源显示了平均波长稳定度比现有光源提高超过1个数量级。
Description
本发明涉及光纤放大自发发射(ASE)光源
业界熟知光纤ASE光源。ASE光源被用于帮助为多种应用提供宽带(例如，相当于10至30纳米)、单空间模式光束。例如，ASE被用于提供激光，作为光纤陀螺仪的输入。对于超荧光光纤源的举例描述，请参见由Emmanuel Desurvire和J.R.Simpson所著、IEEE出版的1989年5月第7卷第5号题为“掺铒单模光纤中的放大自发发射”一文。
ASE光源通常包括一段单模光纤，其纤心掺有稀土元素三价离子。比如，钕(Nd3+)和铒(Er3+)就是可能掺入单模光纤纤心以使纤心可以作为激光媒体的稀土元素。
所述光纤在一端接收泵激输入信号。泵激信号通常是一具有特定波长λp的激光信号。光纤纤心内的离子吸收波长为λp处的输入激光辐射以使离子外层的电子被激发到离子的更高能级。在向光纤的一端输入足够高的泵激功率时，产生了粒子数反转(就是离子内处于激发态的电子比处于基态的电子更多)，引起沿光纤长度的显著的荧光。众所周知，此荧光(即不同波长λp的光子发射)归因于电子从激发态自发返回基态以使在从激发态向基态的跃迁中，发射出波长为λp的光子。从光纤中发射出的波长为λp的光，与通常的激光一样，为具有高度方向性的光。然而，此发射与普通激光器(即包括光谐振器)发射的光主要的区别在于由超荧光光纤源发射出的光的光谱含量通常很宽(在10至30纳米之间)。因此，由光纤输出的光学信号通常波度为15纳米。此原理为激光物理界熟知，并进行了多年的在光纤中掺钕、掺铒及掺加其他稀土元素的实验与理论研究。
由ASE光纤光源发射出的光具有多种用途。例如，在一种应用中，ASE光源的输出被馈入光纤陀螺仪。由于本专业的技术人员周知的原因，光纤陀螺仪应以高度稳定的宽带源操作。在现在已知的几种宽带源中，超荧光光纤源，特别是以掺铒光纤制造的超荧光光纤源，是唯一可以满足惯性导航渐变光纤陀螺仪的严格要求的光纤光源。掺铒光纤源产生的宽阔的带宽，和低泵激功率要求及掺铒光纤光源的卓越波长稳定度，是在光纤陀螺仪中使用此光源的主要原因。
在掺铒光纤中，超荧光光纤源的发射是双向的。就是，在铒离子中由返回基态的电子发射出的光通常在光纤的两端发射出。如在属于Kalman等的美国专利No.5,185,749中所述，对于足够长度的掺铒光纤，在相反方向传播的光线(即在泵激信号传播相对的方向)，具有很高的量子效率。因而，它有益于实现铒光源，以使从ASE掺铒光源发射的光从所述光纤泵激输入端发射(即在传播的逆向)。
ASE光源通常以两种配置之一实现。在第一种被称为单程ASE光源的配置中，超荧光光源输出能量在两个方向发射，其中之一不被利用。在第二种被称为双程ASE光源的配置中，在光纤的一端放置了一个反射器，反射所述超荧光光源信号，以使超荧光信号通过光纤被传送两次。由于光纤显示出信号波长增益，所述信号被放大。双程配置的优点之一为它产生了更强的信号。双程ASE光源配置也仅在一个端口(即在一个方向)产生输出。此配置的一个缺点在于必须保持很低的反馈以防止激光作用(比如用光隔离器)。
对于光纤陀螺仪应用，光源性能表现的一个主要度量是光源平均波长的稳定度(例如见属于Kalman等的美国专利No.5,355,216)。如业界所知，光源平均波长的稳定度直接导致传感器转换因子误差的稳定度。所述转换因子误差对决定测量陀螺仪旋转的精确值至关重要。目前已有平均波长稳定度降至百万分之几的光源，假设有合理的***参数稳定度，如泵激波长、泵激功率、温度、反馈等。然而，对一些应用需要平均波长稳定度小于百万分之一。
本发明的一个方面是包括掺有稀土元素杂质的光学传播纤维的稳定、放大自发发射(ASE)光源。泵激光源将光能注入所述光纤，以激发光学信号由所述光纤发射。所述光学信号具有光谱形状和平均波长。在沿所述光纤的一个位置放置一光谱滤波器，用来改变所述光学信号的光谱形状，以便相对于工作参数稳定所述光学信号的平均波长。在一实施例中，所述工作参数是泵激波长。另一实施例中，所述工作参数是泵激功率。在另一实施例中，所述工作参数是反馈。再一实施例中，所述工作参数是温度。
本发明的另一方面是一种产生稳定的放大自发发射的方法。所述方法包括从泵激光源向掺有稀土元素杂质的光学纤维中注入泵激功率的步骤。所述泵激光线在光纤中传播，激发从光纤中发射光学信号。所述光学信号具有光谱形状和平均波长。所述方法还包括利用一沿光纤放置的光谱滤波器改变所述光学信号的光谱形状，从而相对于工作参数稳定所述光纤的平均波长。在一个实施例中，所述工作参数为泵激波长。在另一实施例中，所述工作参数是泵激功率。在另一实施例中，所述工作参数是反馈。再一个实施例中，所述工作参数是温度。
图1显示了由一常规ASE光源发射光线的能谱密度与发射光波长的关系曲线。
图2A说明在ASE光源的远端附近放置光谱滤波器的效果。
图2B说明在ASE光源的中间附近放置光谱滤波器的效果。
图2C说明在ASE光源输入端附近放置光谱滤波器的效果。
图3说明采用所述光谱滤波器以改变所述ASE光源输出的所述信号的光谱密度特性的方法。
图4A和4B图示说明没有使用光谱滤波器(4A)和使用具有所述最佳实施例的特性的光谱滤波器时(4B)的情况下，平均输出波长的稳定特性与泵激功率的关系曲线。
图5A和5B图示说明没有使用光谱滤波器(5A)和使用具有所述最佳实施例的特性的光谱滤波器时(5B)的情况下，平均输出波长的稳定特性与泵激波长的关系曲线。
图6A和6B图示说明没有使用光谱滤波器(6A)和使用具有所述最佳实施例的特性的光谱滤波器时(6B)的情况下，平均输波长的稳定特性与反馈的关系曲线。
图7A概要说明本发明的一个实施例，其中在所述光源和光纤陀螺传感***之间，使用带有隔离器的单程配置。
图7B概要说明本发明的实施例，其中在所述光源和光纤陀螺传感***之间，使用带有隔离器的双程ASE光源配置。
图7C概要说明本发明的一个实施例，其中在所述光源和光纤陀螺传感***之间，采用单程配置，而无隔离器。
图7D概要说明本发明的一个实施例，其中单程ASE光源向所述光纤陀螺感***提供输入信号，而在所述ASE光源的远端产生所述传感器的输出信号。
图8说明可由适当选择滤波器特性，进行温度补偿的方式。
图9说明用于本发明最佳实施例的光谱滤波器的滤波器特性的具体描绘值。
在本发明的最佳实施例中，提供了其平均波长相对于主要***参数的稳定度达到小于百万分之一的ASE光源。为实现百万分之几的稳定的测量，工作参数对平均波长的曲线斜率被归一化(除以将要测量稳定度的工作点的参数值)，并乘以100万。此新光源包括了稳定ASE光源的全光纤光谱滤波器。在一个最佳实施例中，所述光谱滤波器是长周期(long-period)光栅。长周期光栅选择性地将光纤的主传输模式的光与所述光纤的包层模式相耦合。光栅具有很高的波长依赖性，且因此可被用作光谱滤波器。
依靠调整所述光纤特性和ASE光纤长度及沿光纤的滤波器位置，可以找到相对于泵激功率和反馈(比如来自光纤陀螺仪)的稳定的平均波长工作点。可以达到相对于泵激波长的更高的平均波长稳定度。根据本发明的最佳实施例，可以相应于合理的工作点设置那些稳定点(比如合理的泵激功率、合理的泵激波长、合理的反馈电平等)。图1和3说明由调整所述光纤特性，用以稳定输出信号的平均波长的最佳实施例的操作法，而图2A-2C则说明调整沿所述ASE光纤长度方向的滤波器位置的结果。
图1说明了典型的ASE掺铒光纤光源的能谱密度与波长的关系曲线。由图1的曲线可见，由此光源发射出的光线的能谱密度具两个突起的峰值。第一峰值100出现在1560纳米左右，而第二峰值110出现在1535纳米附近。人们发现具有图1所示的输出信号特性的ASE掺铒光纤光源，在百万分之几的平均波长范围内(比如说，λs±λs *3*10-6)相当稳定。然而，以具有此光谱特性的光源，到目前为止还无法获得小于百万分之几的平均波长稳定度。
本发明的发明者认识到，通过削弱掺铒ASE输出信号中的一个峰值(即在1535纳米的峰值或在1560纳米的峰值)，输出信号的平均波长的稳定可以显著提高(比如说，在原光源稳定度十倍的数量级)。此稳定度增长的一个可能原因是，削弱一个峰值(最好是在1535纳米的峰值)，所述100和110峰值并不相互“竞争”。就是说，在ASE光纤内产生并由之放大的光子自然地倾向于在两个峰值100和110之一附近发射。关键工作参数的变化可以使光子偏向于在一个峰值附近发射，而不在另一个峰值附近发射，以致于可以观察到能谱密度从一个峰值向另一个峰值迁移。此迁移破坏了输出信号的平均波长的稳定度。因而，利用削弱100、110峰值之一，只有一个峰值留下来。在单峰值光谱分布中，不会出现能谱密度从一个峰值到另一个峰值的显著迁移。因而，当100、110峰值之一被削弱时，多数光子稳定地留在剩下的单峰值附近。
图3描述了一种方法，利用此方法在1535纳米的峰值以陷波滤波器削弱，以达到更稳定的ASE光源输出。第一曲线300描述了滤波前ASE光源的输出。所述曲线300与图1中描述的曲线基本相似。曲线310代表在沿所述光纤ASE光源长度方向的一些点有陷波滤波器的光谱频特性。请注意Y轴以负分贝代表衰减。也就是以较小的沿Y轴的
图2A-2C概要说明了在沿ASE光纤光源长度方向的不同位置放置光谱滤波器时，ASE光纤光源的光谱输出结果。在图2A描述的第一种情况中，由带有端210，215的光纤205组成的ASE光源200，包括在所述光纤205的端215附近的光谱滤波220。泵激光线从泵激源225输入所述光纤的与所述光谱滤波器220所处位置相反的端210。由于所述ASE光纤光源200包括足够长度的掺铒光纤，以利用反向传播信号的高量子效率，所以，由所述光纤源200输出的信号的大部分，由所述光纤205的泵激输入端210提供。
在图2A中所述ASE光源200输出的光谱密度与波长的关系曲线由曲线228表示。由所述曲线228的特性可以看出，由ASE光纤光源200的信号输出显示了很小的能量损失，及很小的光谱变化。就是说，所述曲线228与图1中的所述曲线及图3中的曲线300有基本上相同的光谱特性，其中在1535纳米和1560纳米波长处均可见突起的峰值。因而，可从图2中看到，将所述光谱滤波器220向所述光纤205的端215移动，并不引起所述ASE光源200的输出信号稳定度的明显改善。
图2C显示了包括带有端270，275的光纤265的ASE光源260，后者包括在所述光纤265的端270附近的光谱滤波器280。泵激光线由泵激光源285输入至靠近所述光谱滤波器280位置的所述光纤的端270。由于所述ASE光纤光源260包括足够长度的掺铒光纤，以利用反向传播信号的高量子效率，所以，由所述光纤源260输出的信号的大部分，由所述光纤265的泵激输入端270提供。
图2C中的曲线288代表所述ASE光纤光源260输出信号的能谱密度与波长的关系曲线。由所述曲线288的特性可以看出，虽然所述ASE光源260的光谱输出被大大改变，以削弱在1535纳米波长处的峰值，但是，由于在所述光纤265的泵激输入端270附近放置了所述光谱滤波器280，所述输出信号的总能量也被大大减小。因而，伴随显著的光谱变化而来的稳定度的改善，被输出信号能量的显著减小而抵消。
图2B概要说明了包括带有端240，245的光纤235的ASE光源230，后者包括在所述光纤235的中部的光谱滤波器250。泵激光线由泵激光源255输入至所述光纤235的端240。由于所述ASE光纤光源230包括足够长度的掺铒光纤，以利用反向传播信号的高量子效率，所以，由所述光纤源230输出的信号的大部分，由所述光纤235的泵激输入端240提供。
曲线258代表所述ASE光纤光源230输出信号的能谱密度与波长的关系曲线。由图2的所述曲线258可以看出，在所述光纤235中部放有光谱滤波器250的所述ASE光源230的光谱输出，呈现出很大光谱变化，而无输出信号的显著能量损失。因此，在1535纳米处的峰值被大大削弱，而输出信号的总能量几乎保持不变。因此，在光纤235中部放有光谱滤波器250的所述ASE光纤光源230，在稳定所述ASE光纤光源230输出的平均波长上有很大的优势。
在所述光纤235的中部放有光谱滤波器250的实施例中，小能量损失的原因在于，1535纳米波长峰值附近的光线被削弱，因而没有使经过滤波器250后在所述光纤235中的增益饱和，而允许在1560纳米波长峰值附近的光线有更大增益。就是说，在1535纳米峰值附近被激发发射光线的离子越少，反而在所述光纤235中经过滤波器250后，在1560纳米峰值附近受激发发射光线的离子越多。就是说，粒子数反转并没像在1535纳米波长峰值处光线没有被过滤和被减弱时那样，被在1535纳米峰值附近衰减的光线耗尽，以致于在1560纳米处可有更多的离子产生光子。因此，根据本发明的最佳实施例，所述ASE光纤光源230的端240提供的输出信号，被在1560纳米波长处更强地放大，而在1535纳米波长处被削弱。需要注意的是对于向前传播的信号情况类似(为简化对最佳实施例的说明而未显示出来)。这说明了所述最佳实施例的一个主要概念。换句话说，用光谱滤波器削弱波长峰值之一，不但减小了该波长峰值附近的能量，也增大了在另一波长峰值处提供的增益(即为能量)。
需要注意的是所述光谱滤波器250的优化位置随几个参数而变。比如说，平均波长相对于反馈电平的稳定度对所述滤波器的位置非常敏感。随着所述滤波器250被移向所述光纤235的泵激端240，出现稳定工作点的反馈电平增大。如果所述滤波器太靠近光纤端240，对反馈电平没有稳定的工作点存在。这是选择适当的滤波器位置的一个方法。与此同时，将所述滤波器250移向所述光纤235的泵激端240，因为在低泵激功率下的泵激功率的波动(对于240dB的总光纤小信号衰减为10至20mW)，会降低平均波长的稳定度。实际上，所述滤波器250的位置应在光纤235的30dB至120dB小信号衰减点之间；然而，特定的应用会要求在光纤235的0dB至200dB小信号衰减点之间安放所述滤波器250。
为断定所述光纤235的称之为小信号衰减的特性，可采用数种技术。一种技术为将低功率光学信号传入所述光纤的一端。如果此测试信号的波长在泵吸收频带或信号吸收频带附近(此处所讨论的结果基于在铒的发射波长1.53微米的测试信号)。在此测试阶段，此低功率信号是唯一通过所述光纤传播的信号(即没有其他信号被引入光纤)。还有，所述信号的能量应足够的低，以确保所述信号不饱和(即事实上没有粒子数反转)。
对于掺铒光纤，人们发现对小信号的衰减直接与所述光纤的长度成正比，以致于人们只需测量一米后的衰减。例如，在测试信号波长处的衰减为3dB/米，那么100米的光纤就形成300dB光纤衰减。
这里需要注意的是，虽然所述测试信号沿所选光纤长度可能被大大衰减，但是，实际上，通常操作功率下的所述泵激信号(在20mW左右)不会衰减到象所述测试信号沿同样长度光纤那样的程度。这是因为所述泵信号具有更大的功率，且在靠近所述泵激输入的区域使所述光纤饱和，以致于在所述光纤端泵激信号的实际衰减可能仅在25dB或30dB的数量级。在此衰减的泵激信号就以λs发射的信号光线而言仍然足够大，因为所述光纤对在光纤远端发射的光子有20-40dB的增益。因而，即使光纤的长度长到足于对所述测试信号产生，比如说，300dB的衰减，但是，显著地短于此长度的长度会影响所述滤波器250的放置，因为与泵激功率相联系的影响比所述测试信号功率高得多。
根据此定位所述滤波器250优化位置的方法，人们预定固定的小信号衰减点(即利用低功率测试信号的衰减测出的点)作为超过一定长度的所有光纤的优化点。
在一个最佳实施例中，小信号衰减为3dB/米(在1530纳米)的77米单模光纤，包括放置在36.75dB点(即距输出端12.25米)滤波器。所述滤波器的光谱特性相应于图9中的表示。对于此光纤，对于优化的泵激功率的模拟(modeled)稳定工作点在15mW附近，优化的反馈的模拟(modeled)稳定工作点在-20dB附近，优化的泵激波长的模拟(modeled)工作点在1470纳米附近。对于大多数ASE光源应用，那些工作点中的每一点均为合理工作点。所述模拟光纤的纤芯直径为3-4微米。在实验结果中，当此光纤作为ASE光源被使用时，此光源的稳定度比常规光源的稳定度大大提高。
图4A和4B说明了本发明的最佳实施例中，通过随泵激功率而变地提高平均波长稳定度而可以获得的好处。如图4A所示，曲线400代表平均波长的变化(以纳米为单位)与泵激功率的关系曲线。所述曲线400代表当没有在ASE光纤光源中放置光谱滤波器时(以使输出光谱未被滤波，如图1所示)，平均波长的变化。由图4A中的曲线400可以看出，泵激功率5mW的变化，可以导致平均波长将近0.1纳米的变化，即使在所述未经滤波的ASE光源的稳定工作点附近。还有，所述曲线400泵激功率在15mW工作点处的切线，相应于每mW百万分之13的稳定度。
然而，根据本发明的最佳实施例，在沿所述光纤235的适当位置放置具有适当特性的光谱滤波器，所述平均波长的随泵激功率而变的稳定度将大大提高。例如，在图4B中的曲线450代表在光纤光源230中平均波长变化与泵激功率的关系，其中沿所述光纤235长度方向适当地放置光谱滤波器250(比如在36.75dB点)。由图4B可见，在所述曲线450的稳定点附近5mW的泵激功率变化，引致的平均波长变化远小于0.1纳米。因而，在所述光源230中放入光谱滤波器250，在泵激功率中相等的变化引致了平均波长很小的变化。
利用本发明的方法除增加了可获得的稳定度外，更值得一提的是出现稳定的平均波长的工作点可根据特定***设计参数的不同而不同。这与常规未滤波光源相反，未滤波光源中存在单稳定工作点，它也许出现在合理的工作点，也许不出现在合理的工作点。例如，如果稳定的工作点出现在100mW的泵激功率处，此工作点因为此泵激功率过高而在大多数应用中无法使用。在决定平均波长随泵激功率而变的稳定点时，改变所述光纤235的总长度会引起所述稳定工作点的调整，以使所想要的稳定点可由调节光纤长度而设定。例如，对本文描述的最佳实施例，光纤长度的增加引起出现稳定工作点的功率电平的提高。
以类似的方法，平均波长随泵激波长而变的稳定的工作点可由使所述滤波器光谱的形状不同而调整，而平均波长随反馈电平而变的稳定工作点可由使所述滤波器沿光纤235长度方向的位置不同而调整。温度的稳定度也可由使所述滤波器光谱形状不同而调整。比如，在一个实施例中，可以这样调整滤波器特性，使得陷波凹口最深的部分在比1535纳米处峰值稍高的波长。这样，当所述滤波器250延伸(因此将陷波凹口移向滤波器外更高的波长)，凹口的峰值(即在1535纳米)增长。衡当铒在升高的温度下膨胀时，它起使也要向更长的波长迁移的所述加强的峰值平衡的作用。
图5A和5B图示说明了在所述ASE光源230中引入光谱滤波器250而达到提高平均波长随泵激波长而变的稳定度。图5A中描述的第一曲线500代表了在没有所述光谱滤波器250时，平均输出信号波长随泵激波长的变化。在1470纳米的操作泵激波长，泵激波长±1纳米(即从1469纳米到1471纳米)的变化，引起了平均波长约0.07纳米(相应于每纳米百万分之13)的变化。在图5B中的曲线550，代表了有所述光谱滤波器250的情况下，平均波长随泵激波长的变化。如图5B所示，从1469纳米到1471纳米泵激波长的变化，没有引起平均波长的净变化。这是因为已经这样设置所述1470纳米的泵激波长(即利用适当改变所述滤波器光谱)以使在1470纳米的两侧相等的变化，基本上没有引起平均波长变化。当然，值得一提的是在1470纳米和1471纳米之间的变化引起了平均波长的一些小变化，它因所述曲线在1470纳米点附近的平坦的形状而几乎可以忽略。因此，可以看出加入具有适当预定光谱特性的光谱滤波器250，可以达到平均波长对泵激波长的非常高的稳定度。
图6A和6B图形说明了在沿所述光纤长度方向放置光谱滤波器250而达到提高平均波长对反馈电平的稳定度。如图6A中所示，曲线600代表了所述输出信号的平均波长对ASE光源内因光纤陀螺仪或其他产生反馈的装置而产生的反馈电平的变化。在-20分贝反馈的最佳工作点，±5分贝的变化(即从-25分贝到-15分贝)引起平均波长大约0.7纳米的变化(Δλ)。还有，曲线600在-20dB工作点的切线，相应于大约每分贝百万分之45的稳定度。在图6B中的曲线650代表了放置了所述滤波器250时平均波长对反馈电平的变化。如图6B中所示，从-25分贝到-15分贝的反馈变化没有引起平均波长的变化。这是因为设置了-20分贝点(即利用适当改变所述滤波器250沿光纤235长度方向的位置)以使在-20分贝的两侧相等的变化，基本上没有引起平均波长的变化。当然，值得一提的是在-25分贝和-20分贝之间的变化引起了平均波长的一些小变化，它因所述曲线在-20分贝的平坦的形状而几乎可以忽略。因此，可以看出在沿光纤235的适当位置加入所述光谱滤波器250，可以达到平均波长对反馈的非常高的稳定度。
在图4A、4B、5A、5B、6A和6B中描述的结果基于已被实际实验所证实的计算机模拟，确保了计算机模拟的精确性。在一个最佳实施例中，可以利用可从Lucent Technologies得到的OASIX模型算法，来执行所要的模拟以达到所选应用中优化的光纤长度、滤波器特性和滤波器位置。此模型和实验中改善了的稳定度的结果如下表I中所述。
表I稳定度比较
| 未滤滤 | 滤波 | |
| 泵激功率 | 13 ppm/mW | 0 ppm/mW |
| 泵激波长 | 23 ppm/nm | 0 ppm/nm |
| 反馈 | 45 ppm/dB | 0 ppm/dB |
没有进行平均波长稳定度对温度的计算机模拟；然而，定量分析表明可以调整所述滤波器250的光谱特性，采用类似的方法提高就温度而言的平均波长稳定度。特别是，随着温度提高，在所述光纤235中产生的膨胀，引起形成滤波器的长周期光栅膨胀，使得所述滤波器250的光谱特性相应于温度而变化。相应的变化出现在由ASE光源20提供所述输出信号的光谱特性中，以致于有可能设置所述滤波器特性以使滤波器特性的变化抵销所述ASE光源230的光谱特性的变化。
例如，随着温度升高通常可以观察到的一种效应是在1560纳米附近的峰值100向更长的波长的迁移，以致于随着温度升高所述平均波长趋于增加。然而，如果滤波器被适当设置，滤波特性中的迁移引致较小的被削弱的峰值110的衰减。因而，即使峰值100的波长增大(向右迁移)，峰值110密度的增加会导致净平均波长不改变。在图8中说明了此效应。
如图8中所说明的，曲线810代表采用所述最佳实施例的陷波滤波器的ASE光源输出光线的光谱分布。曲线820代表随着温度的上升同一ASE光源的光谱分布。如上所述，当温度升高时，所述滤波器光栅与光纤一起膨胀。因此，所述滤波器可减弱更长波长的光线。它增加了在1535纳米处的光线的***，因为所述陷波滤波器最深的部分被从1535纳米处移开。与此同时，1560纳米处的峰值迁移向更长的波长，以致于此净效应将均衡平均波长。谨慎地选择所述陷波滤波器的光谱形状，在1535纳米峰值处增长的速率可被控制，以将平均波长基本精确保持于常数值。可选择具有特定温度系数的所述滤波器以抵消掺铒光纤的温度系数。例如，见Justin Judkins等于1996年2月PD1-1《光纤通信》上的“对温度不敏感的长周期光栅”。
图9说明了在本发明的最佳实施例中所述滤波器250中的光谱特性。图9中曲线描述了滤波器衰减(单位为分贝)与波长(单位为纳米)的关系。由图9的曲线900可见，在大约1533纳米处出现最大滤波器衰减，衰减为-20分贝。陷波的带宽从1515纳米附近扩展到1555纳米，大约有40纳米的总带宽。具有图9所述光谱特性的滤波器有效地削弱了中心位置1535纳米的峰值110，但并未显著削弱于1560纳米处的峰值100。因此，具有曲线900所定义的特性的滤波器250从所述ASE光源230产生基本上是单峰值的输出。
图7A-7D说明四种可以通过添加提高光源稳定度的光谱滤波器而得到改进的光源配置。图7A描述了具有隔离器的一种单程光源配置；图7B描述了具有隔离器的一种双程光源配置；图7C说明了没有隔离器而具有从所述传感器反馈(比如说光纤陀螺仪线圈)的一种单程光源配置；而图7D说明光纤放大器光源(FAS)。在图7D中描述的FAS与带有反馈的单程光源一样，除了所述传感器反馈信号由所述光源放大以产生所述传感器输出信号。
更具体地说，图7A描述了包括带有作为光谱滤波器放置在所述光纤705内的长周期光栅710的掺铒光纤705的ASE光源700。泵激光源715将泵激光线通过输入端720输入所述光纤705。所述光纤705的第二端725被倾角抛光以不反射而形成所述ASE光源700的单程配置。光线被在所述ASE光源700中在反向放大，且从所述光纤705的第一端720发射。所述光线通过隔离器730，并且，作为光纤陀螺仪传感***732的输入信号。所述光纤陀螺仪732的输出通过耦合器734在传感器的输出端被探测。值得一提的是由于有所述隔离器730，所述反馈电平被显著降低以致于通常不需要相对于此参数的稳定所述平均波长。因而，此配置比没有采用隔离器的配置提供了更大的设计灵活性。
图7B显示了包括包括带有作为光谱滤波器放置在所述掺铒光纤738内的长周期光栅740的掺铒光纤705的ASE光源735。泵激光源742将泵激光线通过输入端或端口744耦合进所述掺铒光纤738。所述光纤738的第二端745包括反射镜，后者反射信号光线以形成所述ASE光源735的一种双程配置。光线从所述ASE光源735通过端口744发射并通过隔离器747传到光纤陀螺传感***749的输入端。所述传感***749的输出通过耦合器750被耦合进输出探测器。在一个实施例中，采用此配置导致更浅的陷波滤波器要求，且所述滤波器740的位置被移离输出端744。值得一提的是因为有了所述隔离器747，反馈电平被显著降低以致于通常不需要相对于此参数的稳定所述平均波长。因而，此配置比没有采用隔离器的配置提供了更大的设计灵活性。
图7C概要描述包括掺铒光纤758的ASE光源755，在所述光纤758中放置了作为光谱滤波器的长周期光栅762。泵激光源762通过输入端口764将光线注入光纤758。所述光纤758的第二端765被倾角抛光以不反射而形成所述ASE光源755的单程配置。从所述光纤758的端部764在反向传播方向发射的光线，在没有通过隔离器的情况下进入陀螺仪传感器***770。因而，通常在所述ASE光源755中感受到来自所述陀螺仪的反馈，而所述光谱滤波器760帮助稳定ASE光源755的随来自所述传感器的反馈而变的平均波长。如图7C中所示，所述传感器的输出通过耦合器722被探测。
图7D概要说明包括带有作为光谱滤波器沿所述光纤778长度方向放置的长周期光栅780的掺铒光纤780的ASE光源775。泵激光源782将泵激光线注入所述光纤778的第一端784。所述光纤778的第二端785被倾角抛光以不反射。因而，所述ASE光源775是以单程配置而构成的。来自所述ASE光源775的光线被在反向传播方面输出(即从所述光纤778的端部784)以作为光纤陀螺仪传感器***790的输入信号。来自从传感器的输出被从ASE光源775的端部785取得，使得所述ASE光源775构成FAS光源，因此从传感器***出来的光线沿所述掺铒光纤778被放大。当然，值得一提的是从所述传感器***790出来的被放大的光线产生显著反馈，且所述滤波器780的位置和光谱特性在有高反馈时像在FAS配置中的那样，将大大稳定所述ASE光源775的平均波长。
虽然以上详细描述了本发明的最佳实施例，本专业的普通技术人员将从本文描述的实施例中明白，不背离本发明的精神和本质特性，可做明显的修改。例如，在所述ASE光源中可以采用不同长度的掺有稀土元素的光纤和不同的掺杂物。还有，采用的光谱滤波器可以包括其他类型的光谱滤波器而不是一种成形于光纤中的长周期光栅滤波器。因而，本发明的范围应当根据下面所附的权利要求书来阐明。
Claims (31)
1.一种稳定的放大自发发射(ASE)光源，其特征在于包括：
掺有稀土元素的光学传播纤维；
将光能注入所述光纤以激发来自所述光纤的光学信号发射的泵激光源，所述光学信号具有光谱形状和平均波长；
沿所述光纤放置于适当位置以改变所述光学信号的光谱形状，以稳定所述光学信号的随工作参数而变的所述平均波长。
2.权利要求1中的稳定的ASE光源，其特征在于所述工作参数为泵激波长。
3.权利要求1中的稳定的ASE光源，其特征在于所述工作参数为泵激功率。
4.权利要求1中的稳定的ASE光源，其特征在于所述工作参数为反馈。
5.权利要求1中的稳定的ASE光源，其特征在于所述工作参数为温度。
6.权利要求1中的稳定的ASE光源，其特征在于所述工作参数包括泵激波长和泵激功率。
7.权利要求1中的稳定的ASE光源，其特征在于所述工作参数为泵激波长和反馈。
8.权利要求1中的稳定的ASE光源，其特征在于所述工作参数为泵激功率和反馈。
9.权利要求1中的稳定的ASE光源，其特征在于所述工作参数为泵激波长、泵激功率和反馈。
10.权利要求1中的稳定的ASE光源，其特征在于所述工作参数为泵激波长、泵激功率、反馈和温度。
11.一种产生稳定的放大自发发射的方法，其特征在于包括以下步骤：
将从泵激光源发出的泵激光线注入掺有稀土元素的光纤，所述泵激光线在所述光纤中传播且从所述光纤激发光学信号的发射，所述光学信号具有光谱形状和平均波长；以及
利用沿所述光纤放置于适当位置的光谱滤波器改变所述光学信号的光谱形状以由此稳定从所述光纤中发出的所述光学信号的随工作参数而变的所述平均波长。
12.权利要求11中定义的方法，其特征在于所述工作参数为泵激波长。
13.权利要求11中定义的方法，其特征在于所述工作参数为泵激功率。
14.权利要求11中定义的方法，其特征在于所述工作参数为反馈。
15.权利要求11中定义的方法，其特征在于所述工作参数为温度。
16.权利要求11中定义的方法，其特征在于所述工作参数为泵激波长和泵激功率。
17.权利要求11中定义的方法，其特征在于所述工作参数为泵激波长和反馈。
18.权利要求11中定义的方法，其特征在于所述工作参数为泵激功率和反馈。
19.权利要求11中定义的方法，其特征在于所述工作参数包括泵激波长、泵激功率和反馈。
20.权利要求11中定义的方法，其特征在于所述工作参数包括泵激波长、泵激功率、反馈和温度。
21.权利要求11中定义的方法，其特征在于沿所述光纤的所述位置被选择以为所述平均波长对所述工作参数提供优化的稳定度
22.一种为光纤放大自发发射光源提供稳定的工作点的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
将从泵激光源发出的泵激光线注入掺有稀土元素的光纤，所述泵激光线在所述光纤中传播且从所述光纤激发光学信号的发射，所述光学信号具有光谱形状和平均波长；
为光谱滤波器选择衰减特性；以及
将所述光谱滤波器定位于所述光纤的选定的位置以提供从所述光纤中发出的所述光学信号的就选择的参数而言的所述平均波长的稳定的工作点。
23.权利要求22中定义的方法，其特征在于所述选择的参数为泵激波长。
24.权利要求22中定义的方法，其特征在于所述选择的参数为泵激功率。
25.权利要求22中定义的方法，其特征在于所述选择的参数为反馈。
26.权利要求22中定义的方法，其特征在于所述选择的参数为温度。
27.权利要求22中定义的方法，其特征在于所述选择的参数为泵激波长和泵激功率。
28.权利要求22中定义的方法，其特征在于所述选择的参数为泵激波长和反馈。
29.权利要求22中定义的方法，其特征在于所述选择的参数为泵激功率和反馈。
30.权利要求22中定义的方法，其特征在于所述选择的参数包括泵激波长、泵激功率和反馈。
31.权利要求22中定义的方法，其特征在于所述选择的参数包括泵激波长、泵激功率、反馈和温度。
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| PB01 | Publication | ||
| C01 | Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |