杜峰，郭文濤，譚滿清，焦健，郭小峰

（中國科學院半導體研究所光電子研發(fā)中心，北京100083）

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小型化集成超熒光光纖光源研究

杜峰，郭文濤，譚滿清，焦健，郭小峰

（中國科學院半導體研究所光電子研發(fā)中心，北京100083）

對超熒光光纖光源（ASE光源）的原理與結(jié)構(gòu)進行分析。研究了高摻雜ASE光源的團簇效應，并進行結(jié)構(gòu)設計。對輸出光譜進行平坦化處理，對影響光源輸出光譜穩(wěn)定性的幾個因素進行了定性分析，為研究小型化集成化超熒光光纖光源提供了理論基礎。

超熒光光源；LD光源；摻鉺光纖；光學濾波器

0　引言

以摻鉺光纖的放大自發(fā)輻射原理［1］為基礎的超熒光光纖光源（SFS）具有優(yōu)異的輸出性能，包括波長穩(wěn)定性好、輸出功率高、寬譜寬和無偏振輻射等優(yōu)點。通過在光纖中摻入稀土元素可以改變光纖光源的出射波長，摻鉺光纖光源（ED-SFS）的出射波長在1550nm附近，位于光纖傳輸?shù)牡蛽p耗窗口，該光源也因此成為光通信乃至光傳感領域的重要器件。由于ASE光源的寬帶光譜的性質(zhì)，它可以有效地減少系統(tǒng)的相干背向散射噪聲、光纖瑞利散射引起的相位噪聲及光學克爾效應引起的相位零漂移［2］，從而代替SLD光源成為光纖陀螺的首選光源［3］。

1　ASE光源的原理與結(jié)構(gòu)分析

超熒光的產(chǎn)生是基于光纖中放大的自發(fā)輻射，當摻鉺光纖被抽運時，隨著抽運光功率的變化，摻鉺光纖可處于三種不同的狀態(tài)：1）當抽運功率較低時，n2＜n1，粒子數(shù)正常分布，摻雜光纖中只存在自發(fā)輻射熒光。其中，n1為基態(tài)能級粒子數(shù)，n2為激發(fā)態(tài)能級粒子數(shù)。2）隨著抽運功率的增強，當n2＞n1以后，粒子數(shù)呈反轉(zhuǎn)分布，由單個粒子獨立的自發(fā)輻射逐漸變?yōu)槎鄠€粒子協(xié)調(diào)一致的受激輻射，當抽運光足夠強，在摻雜光纖中特定方向上的“放大的自發(fā)輻射”將大大加強，這種加強了的輻射稱為“超熒光”。3）若抽運光很強，摻雜光纖中輻射放大增益完全抵消了系統(tǒng)的損耗，將形成自激振蕩而產(chǎn)生激光。

根據(jù)泵浦光和超熒光傳播方向的異同以及光纖兩端是否存在反射，超熒光光纖光源具有如圖1所示的四種基本結(jié)構(gòu)［4］。其中，平光纖端面為反射性的，斜光纖端面為非反射性的。如果光纖兩端面均是非反射性的，則稱為單程裝置；如果光纖端面中有一端是非反射性的，而另一端是高反的（對超熒光中心波長附近的光有較高的反射率），則稱為雙程裝置。從泵浦端輸出的是后向超熒光，而從泵浦端的相對端輸出的是前向超熒光。圖1（a）所示為單程前向裝置（SPF），圖1（b）所示為單程后向裝置（SPB），圖1（c）所示為雙程前向裝置（DPF），圖1（d）所示為雙程后向裝置（DPB）。

圖1　超熒光光源的基本結(jié)構(gòu)Fig.1Fundamental structures of SFS

以上四種基本結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)點和不足之處，如表1所示。

表1　四種ASE光源基本結(jié)構(gòu)的特點Table 1Characteristics of four fundamental structures of ASE source

2　高摻雜濃度超熒光光纖光源的設計

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)ASE光源所用的鉺纖長度都很長，往往都在幾米甚至幾十米。由于鉺纖過長，增大了器件的尺寸，提高了結(jié)構(gòu)的復雜性和成本，限制了超熒光光纖光源的應用。因此，縮短鉺纖長度成為新型ASE光源的研究方向。

2.1高摻雜ASE光源的團簇效應

縮短鉺纖長度最有效的方法是提高增益光纖的摻雜濃度。高摻雜濃度的鉺纖會帶來鉺離子的團簇現(xiàn)象［5］，影響吸收效率。團簇現(xiàn)象的基本形態(tài)是鉺離子成對出現(xiàn)，稱之為鉺離子對。其原因是由于兩個鉺離子在光線中相隔的距離太近，它們會在受激吸收或受激輻射的時候相互作用，導致在吸收泵浦光之后不輻射出等量的光子，造成了泵浦光的浪費，這個過程被稱為諧振上轉(zhuǎn)換，如圖2所示。圖2中，Ion1、Ion2是鉺離子對中的兩個鉺離子，同時被泵浦到了高能級4I13 2，在正常情況下，兩個離子都應該躍遷至4I15 2能級，同時輻射出兩個1550nm左右的光子。但由于兩個離子的距離太近，一個離子將本身的能量傳遞給另外一個離子，沒有輻射光子就回到了低能級，另外一個光子則被泵浦到了更高的4I9 2能級，由于離子在4I9 2能級極不穩(wěn)定，壽命很短，大約只有幾微秒，會很快非輻射躍遷至4I13 2，然后在一定條件下躍遷回4I15 2能級并輻射出一個光子，如此便浪費了一半泵浦功率。

圖2　鉺離子諧振上轉(zhuǎn)換過程Fig.2The resonance conversion process of Er3+

通過對Er3+、Yb3+共摻玻璃材料的發(fā)光特性和離子間相互作用的研究表明，抑制團簇效應，提高吸收效率的途徑有：摻入Yb3+作敏化劑，通過Er3+、Yb3+間的能量傳遞，提高Er3+上能級布局數(shù)；選擇合適的摻雜基質(zhì)，以有效降低離子與基質(zhì)的多聲子弛豫過程、增加稀土離子可溶度、提高Er3+、Yb3+之間的能量傳遞效率。

2.2高摻雜ASE光源的結(jié)構(gòu)設計

980nm激光管芯出射的泵浦光通過楔形光纖透鏡耦合進高摻雜的鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖內(nèi)，經(jīng)過Er3+、Yb3+的能級躍遷，形成寬譜超熒光，通過光纖熔接技術(shù)將產(chǎn)生的超熒光耦合進普通光纖傳輸。其中，對高摻雜的鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖的前端面進行鍍膜處理，通過膜系設計使得薄膜對980nm處增透（反射率低于1%），對1530nm附近高反（反射率大于90%），這樣的設計在保證980nm泵浦功率的同時，通過將1530nm光反射回增益介質(zhì)實現(xiàn)二次泵浦，這樣的結(jié)構(gòu)稱為雙程前向結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在超短結(jié)構(gòu)高摻雜ASE光源中的超熒光輸出閾值最低，且輸出功率要大于雙程后向結(jié)構(gòu)。由于鉺離子濃度的提高，增益光纖長度可以縮短至厘米量級，如圖3所示，可以將整個ASE光源器件集成到一個管殼中。

3　高摻雜濃度ASE光源的輸出性能分析

圖3　高摻雜ASE光源的集成化設計圖Fig.3Integrated design of high doped ASE source

ASE光源的三個性能參數(shù)之間往往相互制約。高功率總是伴隨著譜寬的變小或者穩(wěn)定性的下降，而高穩(wěn)定性的實現(xiàn)總是又以犧牲寬譜寬為代價，高功率、寬譜寬、高穩(wěn)定性這三方面的優(yōu)勢很難集中于一個光源身上。

3.1光譜的平坦化研究

對于高摻雜的ASE光源，其輸出光譜是典型的雙峰結(jié)構(gòu)，在1530nm附近和1558nm附近都會出現(xiàn)尖峰，由于鉺離子濃度的增加，其輸出功率可以得到提高，但其輸出光譜中的尖峰會更高，嚴重影響光譜寬度和平整性，因而需要對ASE光源的輸出光譜進行平坦化處理。摻鉺光纖光源的輸出光譜平坦化處理主要有兩種方法：一種是設法改進EDF的材料特性，這種方法技術(shù)難度大，制作工藝復雜，開發(fā)周期較長［6-7］；另一種方法是在光源輸出端接入光源輸出譜線增益相反的濾波器［8-9］，通過抵消譜線中增益大的尖峰，達到平坦化的目的。實現(xiàn)增益平坦濾波器的方法有很多，常見的有布拉格光纖光柵（FBG）濾波器、長周期光纖光柵（LPG）［10-11］，電介質(zhì)薄膜濾光片［12］、馬赫-曾德濾波器以及聚合物分散液晶光柵（H-PDLC）及光子晶體光纖光柵（PCFG）等新型濾波器。

目前最常用的是長周期光纖光柵濾波器，其結(jié)構(gòu)簡單容易制作，基本原理是將導模中某頻段的光耦合到LPFG損耗譜的形狀，可以通過改變光柵長度、折射率調(diào)制深度等參數(shù)有效地加以控制，達到輸出光譜平坦化的目的。

3.2提高光源輸出穩(wěn)定性的設計

ASE光源的穩(wěn)定性是指輸出平均光波長在全溫范圍內(nèi)的變化率，目前國內(nèi)制作的ASE光源的波長穩(wěn)定性可以達到1×10-5/οC，而對于高精度的光纖陀螺需要把穩(wěn)定性控制在1×10-6/οC以內(nèi)。對于高摻雜的ASE光源，隨著增益光纖的長度可以縮短到厘米量級，能夠大大降低其非線性效應，同時降低增益光纖受外界因素的影響，其輸出穩(wěn)定性變得更好。也使得對增益光纖控溫成為了可能。超輻射光纖光源平均波長主要受到4個參量的影響，分別是增益光纖的溫度變化、抽運功率、抽運波長和光纖輸出端面的菲涅爾反射F，可以表示為：

4　結(jié)論

本文對摻鉺光纖超熒光光源的工作原理進行了深入研究，分別對四種結(jié)構(gòu)進行了對比與分析。采用增益均衡技術(shù)，插入增益平坦濾波器技術(shù)解決了高摻雜的ASE光源輸出光譜的平坦化問題。通過提高鉺離子摻雜濃度將增益光纖長度縮短至厘米量級，為實現(xiàn)ASE光源的小型化和集成化提供理論基礎。

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Study on the Development andApplication of Super Fluorescent Source

DU Feng，GUO Wen-tao，TAN Man-qing，JIAO Jian，GUO Xiao-feng
（R&D Center for Optoelectronics，Institute of Semiconductors，ChineseAcademy of Science，Beijing 100083）

The basic theory and structures of the super fluorescent fiber source（ASE source）have been analyzed. The cluster effect of high doped ASE source has been studied and the structure has been designed.The flattening process of the output spectrum has been carried out.Qualitatively analyzed several factors that influence the stability of the ASE source output spectrum，all of which lays the foundation for the research on miniaturized and integrated super fluorescent fiber source.

super fluorescent source（SFS）；laser diode source；Er3+doped fiber（EDF）；optical filter

TN929

A

1674-5558（2016）03-01042

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.01.012

杜峰，男，碩士，研究方向為光電傳感和傳輸領域的半導體光電子器件。

2014-12-09