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高精度光纤干涉仪非线性广谱光源技术研究

王伟1、冯文帅2、李明飞3、王雪峰3

（1.中国航天科技集团公司 北京 100048；2.北京航天时代光电技术有限公司 北京 100094；3.北京航天控制仪器研究所 北京 100039）

摘要：光纤干涉仪用于高精度角速度测量的精度提高与所选光源的性能密切相关。 分析了光源的谱宽和谱形对高精度光纤干涉仪的影响机理，提出了一种非线性光纤四波混频技术方案。 建立了单/双泵浦四波混频产生宽谱源的理论模型，定量分析了非线性系数、长度、色散抖动和泵浦功率变化对非线性光纤谱宽和光谱平坦度的影响. 研究结果表明，基于四波混频的宽光谱光源技术可大幅提高光纤干涉仪的光源功率、光谱宽度和平坦度，可显着提高光纤干涉仪的角速度测量精度.

关键词: 光纤干涉仪, 非线性光学, 四波混频, 宽带光源

高精度光纤干涉仪非线性宽光谱光源技术研究

王伟1、冯文帅2、李明飞3、王雪峰3

(1. 中国航天科技集团公司 北京 100048;2. 北京航天时代光电技术有限公司 北京 100094;3. 北京航天控制设备研究所 北京 100039)

摘要：为提高与所选光源性能密切相关的高精度角速度测量光纤干涉仪的精度，研究了高精度光纤干涉仪所用光源的光谱宽度和光源类型的影响机理。本文对此进行了分析。 提出了一种非线性光纤四波混频技术方案，建立了单/双泵浦四波混频产生宽谱源的理论模型。

定量分析了非线性光纤的非线性系数、长度、色散抖动和泵浦功率变化对光源光谱宽度和光谱平坦度的影响。 结果表明，基于四波混频的宽光谱光源技术可大幅提高光纤干涉仪的光源功率、光谱宽度和平坦度，可显着提高光纤干涉仪的角速度测量精度。

关键词: 光纤干涉仪, 非线性光学, 四波混频(FWM), 宽光谱源

0 前言

光纤陀螺仪是一种典型的用于角速度测量的光纤干涉仪。 其发展过程中使用的光源最早是氦氖激光器和半导体激光器[1]。 20世纪90年代以来，为提高光纤陀螺的精度和工程应用水平，广泛采用SLD光源、掺铒光纤光源等宽光谱光源作为光源。 要求。 目前，以掺铒光纤光源为主的宽光谱光源的应用，大大提高了光纤陀螺的角速度测量精度，具有输出功率高、谱宽宽（通常大于15nm）、稳定等特点。光谱。 在高精度光纤陀螺的各种噪声中，相对强度噪声占90%以上。 这种噪声与光源的光谱宽度成反比。 如何进一步增加光源的谱宽是降低相对强度噪声、提高陀螺精度的关键。

在提高高精度光纤陀螺精度方面，增加光路尺寸（光纤环的长度和平均直径）是提高精度的主要技术手段之一。 但随着光纤环路长度的增加，光纤衰减问题尤为突出。 目前，国内外报道的最高精度光纤陀螺的偏置稳定度已达到10-6(°)/h的水平[2]，主要应用于世界时精密测量等领域。 通过高精度测量地球自转角速度，进而精确计算地球自转周期，考虑到其体积通常较大（接近或达到米级），其应用通常仅限于对地球自转周期的测量地球自转角速度，下面定义大光纤陀螺为用于地球自转角速度测量的光纤干涉仪（简称光纤干涉仪），本应用背景中光纤干涉仪的光纤环长可达20公里以上。 因此，光纤干涉仪在实现高精度的同时，还需要解决光源功率放大的问题。

光纤参量放大器（FOPA）作为一种兼具广谱和参量放大的技术，将使宽光谱和大功率光源成为可能。 FOPA技术的一大特点是基于四波混频（FWM）原理，通过高功率激光泵浦非线性光纤实现波长转换和展宽，为不同波段的光谱输送能量。 FOPA技术具有信号增益与光纤长度、泵浦功率和光纤非线性系数的乘积呈指数关系的特点。 增益波长由泵浦光波长决定，理论上它可以放大任何波长的信号。 它对信号的比特率和调制格式完全透明，具有大带宽和高相位灵敏度的特点，可以工作在光通信范围内的全波段。 相敏FOPA可以实现0dB的自发辐射噪声放大，在放大信号的同时可以进行波长转换。 它被认为是最适合未来超长距离密集波分复用系统和全光网络的最有前途的光放大技术。 受到众多研究者的青睐[3]。

FOPA利用100m~1000m的光纤可为光通信系统提供10dB~30dB的增益，特别适用于集中式光信号放大和全光信号处理。 由于FOPA不依赖于不同能级之间的能量传递，它可以提供比光纤拉曼放大器和掺铒光纤放大器（EDFA）更宽更平坦的增益带宽和更快的响应速度。 FOPA的高效四波混频取决于光波之间的相对相位关系，即需要满足相位匹配条件。 因此，相敏FOPA仅与掺铒光纤放大自发辐射源（Amplified Spontaneous Emission，ASE）的噪声一样好。 放大与信号同相的分量和衰减与信号相反相位的分量的特性使得 FOPA 具有许多潜在的用途，例如脉冲整形、量子噪声抑制、孤子相互作用等。 FOPA 过程基于克尔效应的增益在光纤中也是一个非线性相互作用过程，其固有的增益响应时间与拉曼放大器[3]处于同一数量级，达到几个飞秒（fs）。 这使得 FOPA 成为超快全光处理、归零代码生成、光时分复用、透明全光波长转换、全光限幅、全光采样等的理想选择。

该论文课题组曾提出利用非线性效应提高干涉仪精度的研究思路，并给出了非线性干涉仪的具体实现方案[4-5]。 基于以上思路，针对高精度光纤干涉仪提出了一种基于FOPA技术的非线性宽带光源。 目前，光纤陀螺的宽光谱光源多为超发光二极管（SLD）和掺铒光纤光源。 这两个光源是非平面光源，它们的输出是类高斯分布的。 有效宽度一般为30nm。 功率在20dBm以内，ASE光源功率过大，容易形成受激辐射，失去自发辐射的特性。 目前公开报道的非线性效应产生的谱宽指数如表1所示[6]。

FOPA增益谱是目前报道的同类光源中谱宽最宽的光源，功率提升在技术上容易实现，而ASE在功率和谱宽上难以实现重大突破和 SLD 光源。 因此，基于四波混频原理的非线性光纤参量放大技术可应用于宽光谱光源，有望进一步提高光纤干涉仪的角速度测量精度。

1 非线性宽带光源对光纤干涉仪性能影响分析

1.1 光源的谱宽和功率对光纤干涉仪性能的影响

光纤干涉仪的精度性能主要取决于光纤干涉仪的检测噪声，一般可以用角度随机游动系数来表征。 光纤干涉仪的角随机游动主要由两部分组成，即光路干涉信号的信噪比和信号处理引入的噪声。 光路噪声包括光电探测器的热噪声、光电转换的散粒噪声以及光源拍频引起的相对强度噪声[7-8]； 信号处理过程的噪声取决于信号处理电路中多个环节的参数，包括运算放大器的输入电流和输入电压噪声、A/D采样转换产生的噪声、D/A的量化噪声转换器，以及输出数据的量化噪声。 电路中的各种噪声比光纤干涉仪的光噪声小1～3个数量级，对光纤干涉仪的影响很小。 因此光纤光谱仪 工作原理，精度极限主要由光纤干涉仪的光路噪声决定[9]。

光路噪声包括：光电探测器的热噪声、光电转换的散粒噪声和光源拍频引起的相对强度噪声，其随机游走可表示为

1.2 光源光谱类型对光纤干涉仪性能的影响

光源的光谱类型影响其光谱宽度和平均波长的稳定性，进而对光纤干涉仪的标度因子性能影响较大。 通常，光纤干涉仪的平均波长可以表示为

光源的光谱类型包括高斯光谱、马鞍光谱、平光谱等。光源的光谱类型直接影响光波的相干函数，光谱类型不同其相干函数也不同。

除了光源的光谱宽度会影响光纤干涉仪的精度性能外，光谱的不对称性还会在光纤干涉仪中引入与光谱和转速相关的误差项[9]，使得在干涉仪中传播的两束光，它们之间的相位差并不是严格线性的，即光谱的不对称性影响了陀螺仪的非线性指标。

综上所述，光纤干涉仪理想的光源光谱应该是对称且平坦的大功率宽光谱光源。

1.3 基于非线性宽光谱光源的干涉仪精度提升技术方案

光源的相对强度噪声是影响高精度非线性光纤干涉仪随机游走的最重要因素之一。 如 1.1 节所述，光源的相对强度噪声与光谱宽度有关。 谱宽越宽，相对强度噪声越小。

本文提出的利用非线性光源提高光纤干涉仪精度的方案如图1所示，采用基于非线性效应的宽光谱光源代替普通ASE光源，实现宽光谱、大增益系数，平坦度高，降低相对强度噪声和比例因子非线性，可以大大提高光纤干涉仪的角速度测量精度。

2 基于单/双泵浦四波混频的非线性宽光谱光源技术研究

2.1 单/双泵四波混频效果概述

在光纤参量放大技术中，四波混频的原理是利用光纤的三阶非线性效应，将高功率泵浦光的波长转换成上下两个不同的波段，并传输能量到不同波段的光谱，使四波混频可以产生广谱光源。

四波混频过程源于介质中束缚电子对电磁场的非线性响应，主要取决于光纤中的三阶极化率。 在实现四波混频的实验中，可以分为单泵浦和双泵浦四波混频两种方式。当只用单一波长的光进行泵浦时，即泵浦的频率光处于简并态，称为单泵浦四波混频，其研究由产生信号波和闲散波的三个泵浦波组成[10]，波相互作用可表示为

2.2 单泵浦四波混频宽带光源技术研究

从图3可以看出，当泵浦功率从1.5W降低到1.0W时，单泵浦四波混频光源的增益下降了3dB左右，但增益谱的变化很小。 这表明相对于泵浦波长的变化，功率变化对单泵浦四波混频增益谱的影响较小，其增益谱更为稳定。

综上所述，对于单泵浦四波混频光源，需要精确调整泵浦波长以获得更大的光谱宽度和更好的平坦度。 当泵浦光波长恒定且HNLF零色散波长不漂移时，增加泵浦光功率可以实现具有高增益光谱的宽光谱光源。

2.3 双泵浦四波混频宽带光源技术研究

通过优化双泵浦光参数，调整光源泵浦功率为P1=P2=0.8W，优化双泵浦光波长。 不同零色散波长（1549.2nm~1550.8nm）下的仿真结果如图5所示。结果表明，增大泵浦功率P和优化双泵浦光的波长可以增加增益带宽，提高增益参量放大，提高增益谱的平坦度。

理论和仿真结果表明，双泵浦方案相对于单泵浦方案的优势在于可调参数更多，可以根据光源光谱的不同增益要求进行定制。 通过合理设计两个泵浦的频率，可以获得较宽且平坦的增益谱，而单泵浦方案无法通过上述优化解决光纤中的零色散漂移问题。

3 基于单/双泵浦四波混频的宽光谱光源实验研究

3.1 单泵浦FWM宽谱光源实验研究

根据上述理论，对单泵四波混合方案进行了实验验证，搭建了单泵四波混合实验系统。 如图6所示，采用可调谐激光器TLS-1作为泵浦光输入到EDFA，光功率放大到2000mW，然后注入零色散点1550nm的HNLF，观察输出从 HNLF 的出口端用高分辨率光谱仪得到的光信号增益谱。

本实验方案中，非线性光纤长度为305m，衰减系数为0.878dB/km，模场直径为3.79μm，色散系数为-0.293ps/(nm·km)@1550nm，色散斜率为0.017ps/(nm2km)@1550nm； 光谱仪分辨率为0.02nm，有效测量范围为1525nm~1560nm； 泵浦激光器TLS-1的波长在1525nm~1560nm可调，调节精度0.02nm。 在C波段扫描可调谐激光器TLS-1，波长为1534nm时，光谱仪观测实验结果如图7所示。

图 7 显示了单泵浦四波混合非线性光源的光谱输出。 与1534nm泵浦光信号的输入光谱相比，信号在1530nm~1570nm波段展宽，整个C波段产生超过20dB的平坦增益，实现了大功率非线性宽光谱光源。

通过实验研究发现，与普通ASE光源相比，单泵浦四波混频光源的光功率可放大10dB以上，其光谱宽度更宽，光谱平坦度更高. 通过对单泵浦四波混频光源参数的进一步优化匹配，在光谱宽度、相对强度噪声和光谱平坦度参数等方面可明显优于ASE光源，在应用中具有良好的应用前景光纤干涉仪。

3.2 双泵浦FWM宽谱光源实验研究

为了验证双泵四波混频方案的有效性，搭建了双泵四波混频实验系统。 如图8所示，两路可调谐泵浦激光器作为种子光输入EDFA，光功率放大至500mW～1000mW，然后射入工作波长为1550nm的HNLF，调节泵浦激光器的波长满足相位匹配条件是通过光谱仪观察双泵浦四波混频信号的增益谱。

双泵浦四波混频实验中，HNLF长度为305m，衰减系数为0.878dB/km，模场直径为3.79μm，HNLF色散系数为-0.293ps/(nm·km)@1550nm ，色散斜率为0.017ps/(nm2·km)@1550nm； 光谱仪分辨率为0.02nm，有效测量范围为1525nm~1560nm； 实验中两台泵浦激光器TLS-1和TLS-2的波长在1525nm~1560nm范围内可调光纤光谱仪 工作原理，调节精度优于0.02nm。 为了满足相位匹配条件，将两个泵浦激光器TLS-1和TLS-2调整在C波段1550nm波长的对称点附近。

当泵浦激光器TLS-1的波长设置在1546nm附近，泵浦激光器TLS-2的波长设置在1553nm附近时，两种泵浦光的中心波长接近HNLF的零色散点（1550nm） . 然后将两束泵浦光同时射入HNLF，在HNLF出口端用光谱仪观察输出光信号。 双泵四波混频实验结果如图9所示。

图9中出现了四个波峰，对于输入双泵浦光，输出信号产生明显的四波混频现象。 但是，高平坦度增益谱与理论模拟仍有一定差距。 主要原因是选用的HNLF是非保偏光纤，长度短，非线性系数小。 未来仍需进一步优化。

通过调整两台泵浦激光器TLS-1和TLS-2的波长、功率等参数，可以获得不同光谱类型的输出光信号。 当泵浦光功率设置为P1=525mW和P2=600mW，泵浦光波长为λ1=1534nm和λ2=1556nm时，对应的四波混频增益谱如图10所示。

从图10可以看出，在双泵浦FWM中，泵浦光的波长和功率会影响增益谱的增益和谱形，在1546nm和1554nm处会产生一个类似“方波”的峰，而在1540nm~1570nm处也有增益，但双泵浦方案的光谱平坦度低于单泵浦方案，因此仍需进一步优化参数以获得更平坦的增益光谱。

为了使双泵浦四波混频仿真结果达到图5所示的光谱宽度和平坦度，需要重点解决泵浦光源波长抖动、泵浦光源功率稳定性、非线性等问题。系数参数匹配。

4。结论

针对光纤干涉仪精度受光源光谱宽度和形状影响的问题，提出了一种适用于高精度光纤干涉仪的四波混频非线性宽光谱光源设计方法，并进行了出理论分析和实验验证。 研究结果表明，基于非线性效应的单泵浦四波混频宽带光源可实现100nm以上的谱宽，增益因子比ASE光源高10dB以上，实现了大功率宽带光源输出，单泵浦实验结果得到的平坦增益谱覆盖整个C波段，其平坦度优于ASE光源； 双泵浦四波混频宽带光源可根据光源光谱的不同增益要求定制。 ，可以获得相对宽且平坦的增益谱。 单/双泵浦四波混频宽光谱光源技术的突破，可大幅提高光纤干涉仪的角速度测量精度，为世界时的自主可控精密测量奠定基础。

《航控》创办于2002年，经国家新闻出版广电总局批准成立。 由中国航天科技集团公司管理，北京航天控制仪器研究所主办。 它反映了惯性技术在海、陆、空、天和民用领域的发展。 事态学术期刊（CN11-5804，ISSN 1674-5558）。 《导航与控制》2013年入选中国科技核心期刊，发表惯性导航、控制、惯性仪器及其相关领域和延伸的论文。 是导航与控制、仪器制造技术领域的专业技术期刊。

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