平均波长随温度呈正相关的掺铒超荧光光纤光源及电路的制作方法

本发明涉及一种光源及电路，尤其涉及一种平均波长随温度呈正相关的掺铒超荧光光纤光源及电路，属于光纤传感领域。

背景技术：

掺铒超荧光光纤光源作为光纤陀螺的源头部件，光源的输出性能直接影响光纤陀螺的输出性能，最终影响整个惯性导航系统的精度，因此光源的设计对整个惯导系统都极其重要。目前用在光纤陀螺上的光源主要是掺铒超荧光光纤光源，该光源是一种强激发状态下的放大自发辐射光源，具有较好的平均波长热稳定性和功率稳定性，光谱平坦且宽度较宽，可以减小光纤陀螺光路系统中不必要的光学噪声。光纤陀螺的标度因数是评价光纤陀螺性能的一个重要指标，标度因数误差的大小直接影响陀螺的导航精度。同时，光纤陀螺的标度因数受光源平均波长影响，标度因数与平均波长的关系可以表示为：

其中，k为陀螺的光学标度因数，c为真空中光速，l和d分别为光纤环的总长度和直径，为光源的平均波长。与标度因数误差有关的光纤环面积s和光源的平均波长变化可以由下式给出：

考虑到硅的热膨胀性，光纤环应该有着每摄氏度百万分之一的变化，且光纤环面积s的相对变化是其周长的两倍。而在实际中，由于聚合物涂层的膨胀使光纤处于拉伸应力状态下，因此存在额外的长度增加。对于80/165μm的光纤而言，光纤长度总的变化约为4-5ppm/℃，则面积的温度相关性可以表示为：

众所周知，δs是与δt的变化呈温度正相关，由上式可知标度因数温度误差可以通过一个平均波长随温度呈正相关变化的光源来消除。

中高精度光纤陀螺要求光源的平均波长热稳定性小于几ppm/℃，通过选择合适的光路结构和光源电路模块可以实现中高精度陀螺用光源的输出特性要求，增益平坦滤波器作为掺铒光纤光源中的一个光无源器件起到至关重要的作用。由于增益平坦器制作工艺和制作材质的差异，不同类型的增益平坦器(如电解质薄膜滤光片类型)熔接到掺铒光纤光源光路中，在进行光源的温度性能测试时会呈现出不同的光源平均波长温度相关性变化。传统的掺铒光纤光源采用电解质薄膜滤光片类型增益平坦滤波器，虽然两种带不同类型增益平坦器的光源平均波长在全温过程条件下的变化量相同，约为2ppm/℃。但传统带电解质薄膜滤光片类型滤波器的光源表现为平均波长随温度呈负相关变化的变化趋势。

技术实现要素：

本发明的目的是为了很大程度上消除光纤陀螺的标度因数温度误差而提供一种平均波长随温度呈正相关的掺铒超荧光光纤光源及电路。

本发明的目的是这样实现的：

一种平均波长随温度呈正相关的掺铒超荧光光纤光源，包括泵浦源光路结构；所述泵浦源光路结构包括泵浦二极管、波分复用器、掺饵光纤、法拉第旋转镜、耦合器、隔离器和增益平坦滤波器；所述泵浦二极管、波分复用器、掺饵光纤、法拉第旋转镜依次连接，所述隔离器、增益平坦滤波器、耦合器依次连接，所述波分复用器与隔离器连接，所述耦合器与泵浦二极管连接；所述增益平坦滤波器的平均波长随温度呈正相关变化。

本发明还包括这样一些特征：

1.所述增益平坦滤波器为啁啾光栅滤波片类型滤波器；

一种平均波长随温度呈正相关的掺铒超荧光光纤光源电路，其特征是，包括电源模块、温度控制模块、ld驱动模块、反馈控制模块、系统控制模块和泵浦源；

所述电源模块分别于温度控制模块、ld驱动模块、反馈控制模块、系统控制模块连接，ld驱动模块与泵浦源连接，泵浦源通过反馈控制模块与系统控制模块连接，系统控制模块通过温度控制模块与ld驱动模块连接，系统控制模块与ld驱动模块直接连接。

所述电源模块提供±5和+3.3v三种供电电压；

所述ld驱动模块采用恒流源供电形式，并通过大功率三极管和场效应管作为开关进行电流的闭合与断开；

其特征是，所述反馈控制模块通过pi控制算法进行输出光功率的稳定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

光源的平均波长热稳定性大小是长期以来关注的重点，但是在变温条件下，光源平均波长的温度相关性也是研究的一个重点，不同温度相关性的光源对光纤陀螺的动态性能——标度因数温度误差产生不同的影响。本发明旨在设计一种平均波长随温度呈正相关变化的光源，平均波长热稳定性好、光谱平坦且光谱较宽，具有一定的开拓意义，为光纤陀螺变温标度因数的深入研究奠定了基础。

附图说明

图1是掺铒光纤光源电路模块图；

图2是掺铒光纤光源光路结构图；

图3是本发明采用的温度曲线图；

图4是带电解质薄膜滤光片类型的负相关掺铒光纤光源平均波长变化图；

图5是带啁啾光栅滤波片类型滤波器的正相关掺铒光纤光源输出光谱图；

图6是带啁啾光栅滤波片类型滤波器的正相关掺铒光纤光源平均波长变化图；

图7是正相关性光源和负相关性光源的效果对比。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的是设计一种平均波长随温度呈正相关的掺铒超荧光光纤光源，提出了一种利用增益平坦滤波器类型改变平坦型掺铒光纤光源温度相关性的方法，该方法通过设计光路结构、电路模块，并选择啁啾光栅滤波片类型的增益平坦滤波器来得到正相关性的掺铒超荧光光纤光源。本发明提出的这种能得到平均波长随温度呈正相关变化光源的方法，不仅得到较高的平均波长热稳定性和较宽的光谱输出，最重要的是可以很大程度上减小光纤陀螺在-40℃～+60℃全温范围内的标度因数误差。

本发明包括以下几个步骤：

步骤一：正相关光源光路的搭建

根据仿真后的结果进行掺铒光纤光源光路系统的搭建，光路结构选择双程后向结构，其中包括输出波长980nm输出功率60mw的泵浦二极管、980/1550nm的波分复用器、光隔离器、法拉第旋转镜、光隔离器、光电探测器，将光路器件按照如图2所示设计的结构依次进行光纤的熔接，并将啁啾光栅滤波片类型滤波器焊接到隔离器与耦合器之间，形成平均波长随温度呈正相关变化光源的光路结构；

步骤二：正相关光源电路的搭建

设计光源电路部分，采用stm32作为总控制器进行光源电路温控模块、ld驱动模块、反馈控制模块等重要模块的控制。光源电路部分的调试顺序分别为：1电源模块调试，电源模块是其他任何一个模块正常工作的基础；2温度控制模块调试，温度控制模块是ld驱动模块正常工作的基础，也是光源系统正常工作的最重要的环节；3ld驱动模块调试，ld驱动模块是光源能正常输出光的必要条件；4反馈控制模块调试，反馈控制模块是光源输出光功率稳定的保障；对光源系统每个模块分别进行调试完成后，将光源光路和电路安装到带有热沉的金属外壳内进行固定，并预留出一段尾纤以便后续的性能测试；

步骤三：将步骤一和步骤二搭建成型的掺铒光纤光源进行温度性能测试

温度性能测试即为带啁啾光栅滤波片类型滤波器的掺铒光纤光源温度性能测试，光源温度性能测试主要包括：平均波长热稳定性、功率稳定性、光谱输出带宽、光谱平坦度。对于本发明设计到的主要测试为光源平均波长热稳定性测试。光源温度性能测试过程中设置的温度范围为-40℃～+60℃百摄氏度全温范围。光源尾纤连接光谱仪的输入端口，通过gpib接口将光谱仪采集到的光谱数据实时的发送到计算机内，并有光谱接收数据软件进行接收。

步骤四：将步骤三采集到的变温光谱数据通过作图软件进行处理，画出平均波长随温度的变化曲线，观察温度变化趋势并计算出百摄氏度范围内光源输出光的平均波长热稳定性，得到平均波长随温度呈正相关变化的光源。

所述步骤一具体为：设计并完成光纤陀螺用平坦型掺铒光纤光源的光路和电路部分，光路部分选择双程后向结构，其中包括输出波长980nm，输出功率60mw的泵浦二极管、980/1550nm波分复用器、隔离器、法拉第旋转镜、掺铒光纤和增益平坦滤波器；电路部分选择stm32作为光源电路总控制器，还包括温度控制模块、泵浦二极管驱动模块、反馈控制模块、系统检测模块等；步骤2：将光路部分和电路部分分别进行光纤熔接和焊接，并将其安装到带有热沉的机械壳体内；所述步骤二具体为：步骤1：根据合理的制作工艺和制作材质，选取啁啾光栅滤波片类型增益平坦滤波器，增益平坦滤波器用来平坦光源输出光谱，减小光纤陀螺中的光学相干噪声；步骤2：制作带啁啾光栅滤波片类型增益平坦滤波器的掺铒超荧光纤光源，以便后续的温度性能测试。所述步骤三具体为：步骤1：将带有一定长度输出端尾纤的掺铒光纤光源放入高低温温箱内，设置温箱温度历程；步骤2：启动光谱分析仪，使用外接+5v直流电源给光源供电，通过gpib接口实时接收输出光谱信息，并发送到计算机上。所述步骤四具体为：步骤1：利用作图软件画出带啁啾光栅滤波片类型增益平坦滤波器的掺铒光纤光源平均波长在整个温度历程中的变化曲线；步骤2：观察光源在全温历程下的平均波长变化趋势，并计算光源在变温过程中的平均波长热稳定性；步骤3：得到平均波长随温度呈正相关变化的光源。

本发明为一种平均波长随温度呈正相关变化的掺铒超荧光光纤光源，技术方案具体如下：

请参阅图1，为本发明提供的掺铒光纤光源电路结构图，如图所示，掺铒光线光源电路部分由stm32控制单元模块、电源模块、温度控制模块、ld驱动模块、反馈控制模块和光电集成模块泵浦源这几部分组成。stm32控制单元作为温控、驱动、反馈等模块的总控制器；电源模块为电路中各个模块分别提供±5和+3.3v三种供电电压；温度控制模块采用lt公司ltc2053和ltc1923芯片共同进行光源的温度控制，控制精度为0.0001℃；ld驱动模块采用恒流源供电形式，并通过大功率三极管和场效应管作为开关进行电流的闭合与断开；反馈控制模块通过pi控制算法进行输出光功率的稳定；温控模块中的负温度系数热敏电阻、热电制冷器和ld驱动中的发光二极管都集成在光电集成模块泵浦源中进行合理的模块封装。

参阅图2，为本发明提供的掺铒光纤光源光路结构图，如图所示，光路采用双程后向结构，980nm的泵浦光由光电集成模块泵浦源发出，经过980/1550nm的波分复用器后到达增益介质掺铒光纤进行泵浦，位于低能级的铒离子吸收980nm的泵浦光跃迁到高能级，并自发放大辐射产生1550nm的超荧光，一部分超荧光经过波分复用器的1550nm端口输出，另一部分超荧光经过法拉第旋转镜反射后，再一次经过掺铒管线进行二次泵浦，这样可以大大提高铒离子的泵浦效率。其中光隔离器可以防止光源内部形成激光并消除光纤陀螺反馈信号引起的光波不稳定；增益平坦滤波器吸收1530和1560nm处的能量，平坦光输出谱型。

本发明采用的温度曲线图如图3所示，带电解质薄膜滤光片类型的掺铒光纤光源平均波长变化如图4所示，带啁啾光栅滤波片类型滤波器的掺铒光纤光源输出光谱图和平均波长变化图如图5、图6所示。

具体试验过程操作如下所示：

步骤一：设置高低温温箱温度，请参阅图3，温度由常温升高至温度最高点+60℃并保温两小时，保温过程为了使光源内部的温度均匀，随后以1℃/min的速率降至-40℃，该降温过程持续100分钟，在温度最低点-40℃同样保持两小时，最后以同样的速率进行升温，至温度最高点+60℃后保持两小时。整个温度历程经历了一次升温和一次降温过程，可以更充分的证明变温过程的可靠性。

步骤二：将带啁啾光栅滤波片类型滤波器的掺铒光纤光源放入温箱内，并将光源尾纤引出。光源采用外接+5v直流电源供电，设置该电源的最大输出电流为1a，以免电路故障引起的电流突变对光源造成的影响。如图所示采用advantest公司的q8384型号光谱仪进行光谱的采集，设置光谱的波长范围1520nm-1570nm，并通过gpib接口将光谱数据实时的发送到计算机的数据接收上位机内，以便后续的数据处理。

步骤三：步骤二中带啁啾光栅滤波片类型滤波器的掺铒光纤光源完成温度性能实验后，进行输出光谱的数据处理，画出光源在常温下的光谱输出，如图5所示。平均波长是光谱设置1520nm-1570nm范围内，每个波长点对应的功率谱密度的加权平均，即其中p(λi)为每个波长点λi对应的功率谱密度，画出平均波长在整个温度历程中的变化趋势，如图6所示，观察平均波长的温度相关性变化，并计算出百摄氏度平均波长的热稳定性大小，即其中分别为平均波长在整个温度历程中的最大值与最小值，保存数据；

步骤四：进行带电解质薄膜滤光片类型的掺铒光纤光源温度性能测试，测试条件和测试装置如步骤一和步骤二所示，数据处理方法参考步骤三。

采用本发明提出的一种利用增益平坦滤波器类型差异改变平坦型掺铒光纤光源温度相关性的方法，更加明确了影响掺铒光纤光源温度相关性变化的重要光路器件。带电解质薄膜滤光片类型的掺铒光纤光源表现出随温度呈负相关变化趋势，如图4所示，平均波长热稳定性为2.07ppm/℃。如图5、图6所示，带啁啾光栅滤波片类型滤波器的掺铒光纤光源表现出随温度呈正相关变化的趋势，且光源平均波长热稳定性大小为1.98ppm/℃，谱宽为37.57nm，都满足光纤陀螺用掺铒超荧光光源的要求(平均波长热稳定性、谱宽)。最后，我们得到平均波长随温度呈正相关变化的光源，基于前面的理论分析，该正相关光源对光纤陀螺的标度因数误差补偿具有一定的优势，为今后光纤陀螺的动态性能分析研究起到一定的开拓性影响。

以上所述的具体实施方式与具体实验过程操作用来解释说明本发明，仅为本发明提出的较佳的实施例而已，而不是对本发明进行限制，应当指出，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等等，均应该包含在本发明的保护范围之内。对于本技术领域的人员来说，在不脱离本发明方法的前提下，还可以提出若干的改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

综上所述：本发明公开了一种平均波长随温度呈正相关的掺铒超荧光光纤光源。掺铒光纤光源由于其较好的平均波长稳定性、较宽的输出光谱，被广泛应用到光纤陀螺领域，光源的平均波长温度相关性直接影响光纤陀螺标度因数的温度补偿效果。本文旨在设计一款平均波长随温度呈正相关的掺铒超荧光光纤光源，即通过设计光路结构、电路模块，并改变光路结构中无源光器件的类型得到正相关的掺铒超荧光光纤光源，包括步骤：(1)掺铒光纤光源的电路模块设计；(2)光源的光路结构设计；(3)增益平坦滤波器类型的选择；(4)光源的温度性能测试。本发明提出的方法可以得到平均波长随温度呈正相关变化的掺铒光纤光源，光源输出光平均波长稳定性高、谱型平坦，最重要的是为光纤陀螺的标度因数温度补偿奠定了很好的基础。