光纖陀螺用超寬譜光源的鉍/鉛共摻光纖的制備與光譜特性*

文建湘，陳麗君，王 騫，龐拂飛，陳振宜，王廷云

(1.上海大學 上海先進通信與數據科學研究院·上海·200444;2.特種光纖與光接入網省部共建國家重點實驗室培育基地/特種光纖與先進通信國際合作聯合實驗室·上海·200444)

0 前 言

隨著人們對光纖陀螺 (Fiber-optic gyroscope，FOG)相關技術的深刻認識，出現了各種用于光纖陀螺的光源。最早在陀螺儀中使用的光源是激光二極管，它提供了相對較高的功率，但其輸出光譜很窄。相反，表面光發射二極管可提供寬光譜，但其輸出功率較小。為了同時獲得高功率和寬光譜，超輻射二極管應運而生，但其光譜穩定性差，平均波長的溫度漂移約為40nm，因此很難滿足高精度光纖陀螺的應用要求[1-4]。超熒光光纖光源同樣是一種低相干性的寬帶光源，它基于摻雜光纖放大的自發輻射，具有較好的溫度穩定性，相比寬帶光源 (SLD)可提高兩個數量級，輸出功率較高，壽命較長。但是，該類光纖光源的光譜很不對稱，一般需采用平坦技術對其加以優化。在上世紀90年代，國際上便將摻雜光纖應用于寬帶光源。目前，摻雜光纖已經可以滿足高精度陀螺的應用要求，而經過平坦化濾波后的摻雜光纖光源則提供了較大的譜寬和功率，因此，業界開始研究基于摻鉺光纖的光源。由于摻鉺光纖在不同波長的增益和損耗不一致，導致摻鉺光纖光源的輸出光譜不對稱。而不同特性的光譜特性，如光譜形狀、紋波特性和不對稱特性等，均對光纖陀螺的各項噪聲造成了較大影響。因此，需要對光譜進行平坦化處理[5-7]。目前，主要采用兩種途徑來實現平坦化處理:一種是通過改進鉺材料的共摻特性來調整輸出光譜的形狀;另一種是利用濾波器補償增益光譜的差異，以達到平坦化的目的。目前，大多采用光譜平坦方式，而本文主要從摻雜材料的角度進行研究。

2001年，Fujimoto等人首次報道了摻鉍石英材料的寬帶發光特性，進而引發了國、內外研究人員的廣泛研究[8]。通過改變基質材料、泵浦波長等條件，摻鉍材料發射的熒光已經可以覆蓋整個低損耗石英通信窗口[9-10]。鉺離子是一種被使用最為廣泛的增益發光材料，其與鉍離子的共摻有望提高發光效率，解決在鉺離子單摻材料中出現的發光帶寬受限問題。目前，鉍/鉺共摻材料已經引起了國內、外學者的廣泛研究。日本學者Kuwada等人通過研究鉍/鉺共摻石英材料，發現了1100～1600nm的超寬帶發光現象[11]。彭明營等人在鍺酸鹽玻璃中摻雜不同濃度的鉍離子和鉺離子，并觀察發光譜的變化[12]。新南威爾士大學主要研究鉍/鉺共摻光纖的特性，證明了對多波長同時泵浦可以制成寬帶發光源，并推斷鉍離子和鉺子之間可能存在能量轉移[13-14]。其他一些文獻也對鉍/鉺共摻材料的寬帶發光特性進行了研究[15-18]。這些文獻報道的鉍/鉺共摻材料具有超寬譜特性，可被應用于光纖陀螺的光源，而針對鉍/鉛共摻石英光纖的研究甚少。

本文通過ALD法制備鉍/鉛共摻石英光纖，并測量了其吸收特性;選用980nm的激光器作為泵浦源，分析了鉍/鉛共摻石英光纖的超寬譜熒光特性，以及泵浦方式、泵浦系統與光纖長度的關系;同時，還研究了其發射光譜衰減曲線的特性。

1 超寬譜有源石英光纖的制備

本論文所使用的鉛/鉍共摻石英光纖制備過程主要分為以下四個步驟:第一步，采用MCVD工藝，在石英基管內壁沉積SiO2疏松層;第二步，利用ALD摻雜技術，在石英基管內壁的SiO2疏松層沉積Bi2O3、Pb O和Al2O3等材料;第三步，摻雜后的石英基管再利用MCVD工藝沉積SiO2和GeO2芯層，經玻璃化、收棒后形成光纖預制棒;最后，將預制棒拉絲成光纖。本工藝采用常規拉絲機拉制光纖，其實際光纖幾何參數為:纖芯直徑約為10.0μm，包層直徑約為118.0μm。利用光纖分析儀分析測試光纖端面的相對折射率分布，結果如圖1所示，纖芯與包層的折射率差約為1.0%。由于光纖纖芯中心摻雜離子濃度較高，導致芯層折射率分布較高。

圖1 有源光纖端面芯包層折射率分布圖 (右上角為光纖端面)Fig.1 Refractive index profile of the active fiber end face(the upper right corner is the cross section of the optical fiber)

2 超寬譜有源石英光纖的吸收光譜特性

光纖損耗是光纖傳輸在單位長度內的光功率衰減，是光纖性能分析的重要參數。光纖損耗的來源有吸收損耗、散射損耗和其他損耗。其中，吸收損耗主要是由于摻雜離子和雜質離子引起的。吸收光譜主要研究的是物質對不同波長的光的吸收以及吸收的程度。對于摻雜光纖，在確定吸收光譜后，可以根據吸收峰的位置選擇合適波段的泵浦源，進而測量光纖的熒光光譜。本文采用常規截斷法進行吸收光譜測試，測試原理如圖2所示。首先，選擇長度為L1的待測光纖，依次連接白光光源、待測光纖和光譜儀，測試整段光纖的通光性，并將輸出透射光功率譜記作譜A;然后，保持輸入條件不變，在離光源輸入端約L2長度處將光纖截斷，直接連接至光譜儀，測量光纖尾端輸出的光功率譜，記作譜B。將兩條譜線在光譜儀上直接相減，即B-A，并將其近似為被測光纖在(L1-L2)長度時的吸收強度。若是光纖吸收強度過大，則減小光纖長度直至輸出透射光譜平滑，再重復上述試驗步驟。同時，從摻雜光纖的均勻性考慮，為了減小實驗誤差，選用的樣品也均來自于同一段光纖。

圖2 吸收光譜測試裝置圖Fig.2 System for testing absorption spectrum

為了得到精確的測量結果，選用的信號源輸出光譜需要具備超寬帶、平坦性和穩定性等特點，故實驗光源應采用功率大小合適的寬帶白光光源。

鉍/鉛共摻石英光纖樣品的吸收光譜如圖3所示。圖中各個吸收峰及其對應的歸一化吸收強度分別為:692nm(119dB/m)、800nm(10.0dB/m)、1010nm(12.5d B/m)、1377nm(3.5d B/m)。其中，700nm、800nm為鉍離子典型的吸收峰[8]，日本Fujimoto和俄羅斯Dianov等人報導的摻鉍材料吸收峰與本文的結果基本一致。1377nm處的吸收峰由羥基離子 (OH-)引起，強度約3d B。而700nm附近的吸收強度是所有吸收峰中最強的，結合文獻報道[19]，推測此吸收峰可能是由引入的鉛離子帶來的可見光區域的強吸收，而且由于濃度較高導致吸收強度顯著增加。同時，原子層沉積制備技術對鉍/鉛共摻石英光纖的吸收性能也有一定程度的影響。比如，如果羥基峰較強，且制備過程在高溫環境中進行，光纖內部則不易形成高價鉍離子。因此，每步工藝條件均會影響摻雜材料的價態結構和摻雜光纖的光譜特性。

圖3 鉍/鉛共摻有源光纖的吸收光譜圖Fig.3 Absorption spectra of the Bi/Pb co-doped active fiber

3 超寬譜有源石英光纖的熒光光譜特性

通過分析光纖樣品的吸收光譜，選取不同的泵浦源測試熒光光譜。熒光光譜能夠反映光纖的發光性質，由此決定光纖的應用領域。根據泵浦光和熒光傳播方向的不同，可采用兩種泵浦方式:正向泵浦和反向泵浦。正向泵浦結構 (Single Pass Forward，SPF)即泵浦源與光譜儀位于待測光纖的兩端，其結構簡單，易于實現，利用了光纖的前向放大的自發輻射光。其缺點是當光纖長度過長時，由于光纖自身的損耗，輸出端的熒光強度可能大大降低，并且正向泵浦易導致因泵浦源輸出功率高而對光譜儀造成的直接損壞;反向泵浦結構 (Single Pass Backward，SPB)是泵浦源與光譜儀位置在光纖的同一側，泵浦光經耦合器傳輸入待測光纖，在待測光纖內部引起變化，依據光路可逆原理，在反向端的光譜儀則可以檢測到激發產生的熒光。其結構也相對簡單，利用了光纖的后向放大的自發輻射光，可以大大降低光反饋引起的附加噪聲，對光譜儀具有一定的保護作用。本文選用反向泵浦法測量熒光光譜的特性，可以避免正向泵浦損壞儀器的可能，同時也避免了光反饋產生的不必要的附加噪聲，可測到效果較好的熒光光譜線。另外，為防止泵浦光在光纖端面發生反射，對測試儀器造成不必要的損傷，在熒光光譜測試過程中需將光纖端面浸入甘油中。同時，對光纖端面不做切平處理，也可有效降低端面反射的影響。其實驗結構如圖4所示。采用反向泵浦測量裝置，光譜儀直接輸出得到的光譜并未考慮耦合器或波分復用器 (WDM)的插入損耗影響，由于不同器件的傳輸性能不同，會對測試結果帶來較大影響。本文研究了不同器件 (980/1310nm、 WDM，980/1550nm、 WDM，980/1310nm、WDM，以及980/1550 nm、WDM)及不同泵浦方式對熒光光譜測試性能的影響，并進行了比較。

圖4 熒光光譜測試原理示意圖Fig.4 Principle schematic diagram of fluorescence spectrum measurement

3.1 測試系統對熒光特性測量的影響

特取長度為5.0m的鉍/鉛共摻石英光纖作為待測光纖，并在泵浦波長為980nm、泵浦功率為20m W的激發條件下進行測量，分別比較正向泵浦和反向泵浦的差異，以及耦合器件的選擇對熒光光譜的影響，測試結果如圖5所示。圖中黑色的曲線為正向泵浦的測試結果。結果顯示，譜形不夠平坦，有兩個明顯的峰型，且在1400nm處存在一個凹陷。紅色曲線和藍色曲線都是反向泵浦的結果，區別是耦合器的選擇不同。可以看出，藍色曲線位于紅色曲線上方，強度稍大，光譜形狀在900-1400 nm范圍內相似，而在1400-1700nm處，由于980/1550nm WDM在此波段的傳輸損耗較低，紅色曲線略強于藍色曲線。綜合考慮熒光光譜強度、光譜形狀，980/1310nm WDM更適合充分展現鉍/鉛共摻石英光纖的熒光特性。如沒有特殊說明，本論文測量的熒光光譜均由反向泵浦結構連接980/1310nm WDM獲得。

3.2 光纖長度對熒光光譜特性的影響

圖5 不同結構和不同耦合器件對有源光纖熒光光譜的影響Fig.5 Effects on the fluorescence spectra of the active fibers of different systems and couplers

研究待測光纖的長度對熒光譜的影響時，選取了1.8m，5.0m，13.0m和23.0m這4個長度的光纖，以研究變化規律，結果如圖6所示。結果顯示，除了1.8m長度之外、其他3個長度的光纖在整個熒光區域的譜形幾乎重疊，強度相差不到1d B，而1.8m長度的光纖的強度明顯減弱，峰值處降低大約3dB，譜形相差不大。從理論上看，泵浦光沿著光纖的傳輸會因為光纖吸收而損耗，以至于光纖末端的粒子數由于泵浦強度太弱而不足以被激發到激發態上。反向熒光譜的幅度一開始會逐漸增加，并趨于飽和狀態，而當光纖長度越來越長時，輸出端的后向熒光對總的熒光譜的貢獻越來越小，甚至會呈現出逐漸減弱的趨勢。此處，光纖長度增加反而導致強度增大，推測是由于光纖自身摻雜濃度不高，增益離子已經達到全部反轉程度，且在達到5 m之后，熒光峰值強度已經達到飽和。此后，考慮到泵浦效率的最大化和光纖長度等因素，對980nm泵浦下的光纖長度選擇5m較為適宜。

圖6 不同長度鉛/鉍共摻石英光纖的熒光光譜Fig.6 Fluorescence spectra of the Pb/Bi co-doped fiber with different fiber lengths

3.3 泵浦波長對熒光光譜特性的影響

除了選擇合適的光耦合器件，為了充分研究鉛/鉍共摻石英光纖的發光特性，分別選擇830nm、980nm和1064nm的3種不同泵浦波長的泵浦源進行研究。選擇不同的泵浦源，會激發不同位置的熒光峰，即對應不同的發光中心。將泵浦功率都設置為30m W，得到的熒光光譜如圖7所示。可以看出，不同泵浦波長的鉛/鉍共摻光纖得到的近紅外發光譜的形狀明顯不同。其中，由980nm和1064nm激發產生的熒光譜譜形近似，峰位均位于1150nm附近，對應圖中的黑色和藍色曲線。在采用830nm泵浦時，得到的熒光譜如圖中紅色曲線所示，熒光范圍主要為1400～650nm，在1440nm處有明顯熒光峰。

在830nm的激發條件下，可以產生覆蓋1110～1650nm的寬帶近紅外發光，熒光峰位于1440nm處，3 dB的帶寬約為200nm，得到的后向的放大自發輻射 (ASE)如圖中紅色曲線所示。將此寬帶熒光進行高斯分峰擬合，可以得到2個小高斯熒光峰，分別位于1140nm和1420nm處，其中1420nm處的熒光峰明顯強于另一個。根據其他相關報道，830nm的激光器激發了至少一個鉍相關的活性中心，主要是鉍-硅相關發光中心 (BAC-Si)，這是由P1到P0的輻射躍遷引起的。同時，對應的吸收峰也可以歸為硅相關的鉍活性中心。在1100～1350nm區域，熒光強度稍有減弱，但是譜形相當平坦，波動小，適合制備超寬帶熒光光譜光源。

圖7 不同泵浦波長激發鉛/鉍共摻石英光纖熒光光譜對比圖Fig.7 Fluorescence spectra of the Pb/Bi co-doped fiber excited by different pump wavelengths

光纖中摻雜的鉍離子具有多重價態 (包括Bi5+、Bi3+、Bi2+和Bi+)，且其近紅外發光機理尚不明確，因此不確定近紅外發光由何種價態的離子產生，也不確定近紅外發光由單一價態離子或是多重價態離子產生。同時，各個價態離子的能級結構也不能確定。此外，在光纖中共存的鉛離子和鉍離子，由于其能級結構類似，可能存在著某些能量轉移、共同耦合等作用，共同產生熒光。

3.4 有源光纖超寬帶熒光光譜特性

選擇不同的泵浦源，會激發不同位置的熒光峰，即對應不同的發光中心。基于泵浦源單泵下產生的寬帶熒光，發現該共摻光纖可作為超寬帶熒光光源的良好材料，因此設計了一個雙泵浦結構，將發光中心激發到最佳狀態，達到獲得超寬帶熒光光譜的目的。在使用980nm激光器測試后向熒光系統的基礎上，在光纖另一端連接830nm激光器，如圖8結構所示。考慮到發光中心的獨立性和不同的熒光效率，需要調節泵浦源的功率比，使輸出光譜足夠平坦;選取最優的光纖長度，才能使有源離子在2個泵浦源同時開啟時達到合適的粒子數反轉，發射出寬帶的熒光。

圖8 基于雙泵浦結構有源光纖的光譜特性測試系統Fig.8 Spectral characteristic measurement system based on double pumping active fiber

根據大量實驗調試，最終確定光纖長度為1m，且不斷調節2個泵浦源的功率比。當980nm和830nm泵浦源的功率比值為1:2時，能夠輸出超寬帶熒光光源，如圖9所示。經過雙泵，超寬帶熒光光譜范圍為1000～1700nm，相比單泵光譜大大拓寬，10dB帶寬達到了650nm。光譜平坦良好，可滿足超寬帶平坦光源的需要，同時雙泵浦結構簡單緊湊，成本較低，在制作光纖傳感產品(如光學相干斷層掃描和光纖陀螺儀)，有廣泛的應用場景。

圖9 雙泵浦結構激發有源光纖的超寬譜發光特性Fig.9 Ultra-wide spectral luminescence properties of the active fiber excited by double pumping

4 結 論

本文主要研究鉍/鉛共摻石英光纖的制備和分析光譜特性。首先，利用ALD摻雜技術結合MCVD工藝制備出鉛/鉍共摻石英光纖，光纖的芯包層折射率差約為1.0%，在800nm處有鉍離子典型的吸收峰，在700nm和1000nm處為鉛離子和鉍離子共同作用的吸收峰;經過雙泵，超寬帶熒光光譜范圍為1000～1700 nm，10dB帶寬達到650nm。整個光譜平坦良好，可以滿足超寬帶平坦光源的需要。同時，雙泵結構簡單緊湊，成本較低，在光纖傳感領域 (如光纖陀螺儀、光學相干斷層掃描、醫學成像等)中將有非常廣泛的應用。