光纤陀螺用超宽谱光源的铋/铅共掺光纤的制备与光谱特性*

文建湘，陈丽君，王 骞，庞拂飞，陈振宜，王廷云

(1.上海大学 上海先进通信与数据科学研究院·上海·200444;2.特种光纤与光接入网省部共建国家重点实验室培育基地/特种光纤与先进通信国际合作联合实验室·上海·200444)

0 前 言

随着人们对光纤陀螺 (Fiber-optic gyroscope，FOG)相关技术的深刻认识，出现了各种用于光纤陀螺的光源。最早在陀螺仪中使用的光源是激光二极管，它提供了相对较高的功率，但其输出光谱很窄。相反，表面光发射二极管可提供宽光谱，但其输出功率较小。为了同时获得高功率和宽光谱，超辐射二极管应运而生，但其光谱稳定性差，平均波长的温度漂移约为40nm，因此很难满足高精度光纤陀螺的应用要求[1-4]。超荧光光纤光源同样是一种低相干性的宽带光源，它基于掺杂光纤放大的自发辐射，具有较好的温度稳定性，相比宽带光源 (SLD)可提高两个数量级，输出功率较高，寿命较长。但是，该类光纤光源的光谱很不对称，一般需采用平坦技术对其加以优化。在上世纪90年代，国际上便将掺杂光纤应用于宽带光源。目前，掺杂光纤已经可以满足高精度陀螺的应用要求，而经过平坦化滤波后的掺杂光纤光源则提供了较大的谱宽和功率，因此，业界开始研究基于掺铒光纤的光源。由于掺铒光纤在不同波长的增益和损耗不一致，导致掺铒光纤光源的输出光谱不对称。而不同特性的光谱特性，如光谱形状、纹波特性和不对称特性等，均对光纤陀螺的各项噪声造成了较大影响。因此，需要对光谱进行平坦化处理[5-7]。目前，主要采用两种途径来实现平坦化处理:一种是通过改进铒材料的共掺特性来调整输出光谱的形状;另一种是利用滤波器补偿增益光谱的差异，以达到平坦化的目的。目前，大多采用光谱平坦方式，而本文主要从掺杂材料的角度进行研究。

2001年，Fujimoto等人首次报道了掺铋石英材料的宽带发光特性，进而引发了国、内外研究人员的广泛研究[8]。通过改变基质材料、泵浦波长等条件，掺铋材料发射的荧光已经可以覆盖整个低损耗石英通信窗口[9-10]。铒离子是一种被使用最为广泛的增益发光材料，其与铋离子的共掺有望提高发光效率，解决在铒离子单掺材料中出现的发光带宽受限问题。目前，铋/铒共掺材料已经引起了国内、外学者的广泛研究。日本学者Kuwada等人通过研究铋/铒共掺石英材料，发现了1100～1600nm的超宽带发光现象[11]。彭明营等人在锗酸盐玻璃中掺杂不同浓度的铋离子和铒离子，并观察发光谱的变化[12]。新南威尔士大学主要研究铋/铒共掺光纤的特性，证明了对多波长同时泵浦可以制成宽带发光源，并推断铋离子和铒子之间可能存在能量转移[13-14]。其他一些文献也对铋/铒共掺材料的宽带发光特性进行了研究[15-18]。这些文献报道的铋/铒共掺材料具有超宽谱特性，可被应用于光纤陀螺的光源，而针对铋/铅共掺石英光纤的研究甚少。

本文通过ALD法制备铋/铅共掺石英光纤，并测量了其吸收特性;选用980nm的激光器作为泵浦源，分析了铋/铅共掺石英光纤的超宽谱荧光特性，以及泵浦方式、泵浦系统与光纤长度的关系;同时，还研究了其发射光谱衰减曲线的特性。

1 超宽谱有源石英光纤的制备

本论文所使用的铅/铋共掺石英光纤制备过程主要分为以下四个步骤:第一步，采用MCVD工艺，在石英基管内壁沉积SiO2疏松层;第二步，利用ALD掺杂技术，在石英基管内壁的SiO2疏松层沉积Bi2O3、Pb O和Al2O3等材料;第三步，掺杂后的石英基管再利用MCVD工艺沉积SiO2和GeO2芯层，经玻璃化、收棒后形成光纤预制棒;最后，将预制棒拉丝成光纤。本工艺采用常规拉丝机拉制光纤，其实际光纤几何参数为:纤芯直径约为10.0μm，包层直径约为118.0μm。利用光纤分析仪分析测试光纤端面的相对折射率分布，结果如图1所示，纤芯与包层的折射率差约为1.0%。由于光纤纤芯中心掺杂离子浓度较高，导致芯层折射率分布较高。

图1 有源光纤端面芯包层折射率分布图 (右上角为光纤端面)Fig.1 Refractive index profile of the active fiber end face(the upper right corner is the cross section of the optical fiber)

2 超宽谱有源石英光纤的吸收光谱特性

光纤损耗是光纤传输在单位长度内的光功率衰减，是光纤性能分析的重要参数。光纤损耗的来源有吸收损耗、散射损耗和其他损耗。其中，吸收损耗主要是由于掺杂离子和杂质离子引起的。吸收光谱主要研究的是物质对不同波长的光的吸收以及吸收的程度。对于掺杂光纤，在确定吸收光谱后，可以根据吸收峰的位置选择合适波段的泵浦源，进而测量光纤的荧光光谱。本文采用常规截断法进行吸收光谱测试，测试原理如图2所示。首先，选择长度为L1的待测光纤，依次连接白光光源、待测光纤和光谱仪，测试整段光纤的通光性，并将输出透射光功率谱记作谱A;然后，保持输入条件不变，在离光源输入端约L2长度处将光纤截断，直接连接至光谱仪，测量光纤尾端输出的光功率谱，记作谱B。将两条谱线在光谱仪上直接相减，即B-A，并将其近似为被测光纤在(L1-L2)长度时的吸收强度。若是光纤吸收强度过大，则减小光纤长度直至输出透射光谱平滑，再重复上述试验步骤。同时，从掺杂光纤的均匀性考虑，为了减小实验误差，选用的样品也均来自于同一段光纤。

图2 吸收光谱测试装置图Fig.2 System for testing absorption spectrum

为了得到精确的测量结果，选用的信号源输出光谱需要具备超宽带、平坦性和稳定性等特点，故实验光源应采用功率大小合适的宽带白光光源。

铋/铅共掺石英光纤样品的吸收光谱如图3所示。图中各个吸收峰及其对应的归一化吸收强度分别为:692nm(119dB/m)、800nm(10.0dB/m)、1010nm(12.5d B/m)、1377nm(3.5d B/m)。其中，700nm、800nm为铋离子典型的吸收峰[8]，日本Fujimoto和俄罗斯Dianov等人报导的掺铋材料吸收峰与本文的结果基本一致。1377nm处的吸收峰由羟基离子 (OH-)引起，强度约3d B。而700nm附近的吸收强度是所有吸收峰中最强的，结合文献报道[19]，推测此吸收峰可能是由引入的铅离子带来的可见光区域的强吸收，而且由于浓度较高导致吸收强度显著增加。同时，原子层沉积制备技术对铋/铅共掺石英光纤的吸收性能也有一定程度的影响。比如，如果羟基峰较强，且制备过程在高温环境中进行，光纤内部则不易形成高价铋离子。因此，每步工艺条件均会影响掺杂材料的价态结构和掺杂光纤的光谱特性。

图3 铋/铅共掺有源光纤的吸收光谱图Fig.3 Absorption spectra of the Bi/Pb co-doped active fiber

3 超宽谱有源石英光纤的荧光光谱特性

通过分析光纤样品的吸收光谱，选取不同的泵浦源测试荧光光谱。荧光光谱能够反映光纤的发光性质，由此决定光纤的应用领域。根据泵浦光和荧光传播方向的不同，可采用两种泵浦方式:正向泵浦和反向泵浦。正向泵浦结构 (Single Pass Forward，SPF)即泵浦源与光谱仪位于待测光纤的两端，其结构简单，易于实现，利用了光纤的前向放大的自发辐射光。其缺点是当光纤长度过长时，由于光纤自身的损耗，输出端的荧光强度可能大大降低，并且正向泵浦易导致因泵浦源输出功率高而对光谱仪造成的直接损坏;反向泵浦结构 (Single Pass Backward，SPB)是泵浦源与光谱仪位置在光纤的同一侧，泵浦光经耦合器传输入待测光纤，在待测光纤内部引起变化，依据光路可逆原理，在反向端的光谱仪则可以检测到激发产生的荧光。其结构也相对简单，利用了光纤的后向放大的自发辐射光，可以大大降低光反馈引起的附加噪声，对光谱仪具有一定的保护作用。本文选用反向泵浦法测量荧光光谱的特性，可以避免正向泵浦损坏仪器的可能，同时也避免了光反馈产生的不必要的附加噪声，可测到效果较好的荧光光谱线。另外，为防止泵浦光在光纤端面发生反射，对测试仪器造成不必要的损伤，在荧光光谱测试过程中需将光纤端面浸入甘油中。同时，对光纤端面不做切平处理，也可有效降低端面反射的影响。其实验结构如图4所示。采用反向泵浦测量装置，光谱仪直接输出得到的光谱并未考虑耦合器或波分复用器 (WDM)的插入损耗影响，由于不同器件的传输性能不同，会对测试结果带来较大影响。本文研究了不同器件 (980/1310nm、 WDM，980/1550nm、 WDM，980/1310nm、WDM，以及980/1550 nm、WDM)及不同泵浦方式对荧光光谱测试性能的影响，并进行了比较。

图4 荧光光谱测试原理示意图Fig.4 Principle schematic diagram of fluorescence spectrum measurement

3.1 测试系统对荧光特性测量的影响

特取长度为5.0m的铋/铅共掺石英光纤作为待测光纤，并在泵浦波长为980nm、泵浦功率为20m W的激发条件下进行测量，分别比较正向泵浦和反向泵浦的差异，以及耦合器件的选择对荧光光谱的影响，测试结果如图5所示。图中黑色的曲线为正向泵浦的测试结果。结果显示，谱形不够平坦，有两个明显的峰型，且在1400nm处存在一个凹陷。红色曲线和蓝色曲线都是反向泵浦的结果，区别是耦合器的选择不同。可以看出，蓝色曲线位于红色曲线上方，强度稍大，光谱形状在900-1400 nm范围内相似，而在1400-1700nm处，由于980/1550nm WDM在此波段的传输损耗较低，红色曲线略强于蓝色曲线。综合考虑荧光光谱强度、光谱形状，980/1310nm WDM更适合充分展现铋/铅共掺石英光纤的荧光特性。如没有特殊说明，本论文测量的荧光光谱均由反向泵浦结构连接980/1310nm WDM获得。

3.2 光纤长度对荧光光谱特性的影响

图5 不同结构和不同耦合器件对有源光纤荧光光谱的影响Fig.5 Effects on the fluorescence spectra of the active fibers of different systems and couplers

研究待测光纤的长度对荧光谱的影响时，选取了1.8m，5.0m，13.0m和23.0m这4个长度的光纤，以研究变化规律，结果如图6所示。结果显示，除了1.8m长度之外、其他3个长度的光纤在整个荧光区域的谱形几乎重叠，强度相差不到1d B，而1.8m长度的光纤的强度明显减弱，峰值处降低大约3dB，谱形相差不大。从理论上看，泵浦光沿着光纤的传输会因为光纤吸收而损耗，以至于光纤末端的粒子数由于泵浦强度太弱而不足以被激发到激发态上。反向荧光谱的幅度一开始会逐渐增加，并趋于饱和状态，而当光纤长度越来越长时，输出端的后向荧光对总的荧光谱的贡献越来越小，甚至会呈现出逐渐减弱的趋势。此处，光纤长度增加反而导致强度增大，推测是由于光纤自身掺杂浓度不高，增益离子已经达到全部反转程度，且在达到5 m之后，荧光峰值强度已经达到饱和。此后，考虑到泵浦效率的最大化和光纤长度等因素，对980nm泵浦下的光纤长度选择5m较为适宜。

图6 不同长度铅/铋共掺石英光纤的荧光光谱Fig.6 Fluorescence spectra of the Pb/Bi co-doped fiber with different fiber lengths

3.3 泵浦波长对荧光光谱特性的影响

除了选择合适的光耦合器件，为了充分研究铅/铋共掺石英光纤的发光特性，分别选择830nm、980nm和1064nm的3种不同泵浦波长的泵浦源进行研究。选择不同的泵浦源，会激发不同位置的荧光峰，即对应不同的发光中心。将泵浦功率都设置为30m W，得到的荧光光谱如图7所示。可以看出，不同泵浦波长的铅/铋共掺光纤得到的近红外发光谱的形状明显不同。其中，由980nm和1064nm激发产生的荧光谱谱形近似，峰位均位于1150nm附近，对应图中的黑色和蓝色曲线。在采用830nm泵浦时，得到的荧光谱如图中红色曲线所示，荧光范围主要为1400～650nm，在1440nm处有明显荧光峰。

在830nm的激发条件下，可以产生覆盖1110～1650nm的宽带近红外发光，荧光峰位于1440nm处，3 dB的带宽约为200nm，得到的后向的放大自发辐射 (ASE)如图中红色曲线所示。将此宽带荧光进行高斯分峰拟合，可以得到2个小高斯荧光峰，分别位于1140nm和1420nm处，其中1420nm处的荧光峰明显强于另一个。根据其他相关报道，830nm的激光器激发了至少一个铋相关的活性中心，主要是铋-硅相关发光中心 (BAC-Si)，这是由P1到P0的辐射跃迁引起的。同时，对应的吸收峰也可以归为硅相关的铋活性中心。在1100～1350nm区域，荧光强度稍有减弱，但是谱形相当平坦，波动小，适合制备超宽带荧光光谱光源。

图7 不同泵浦波长激发铅/铋共掺石英光纤荧光光谱对比图Fig.7 Fluorescence spectra of the Pb/Bi co-doped fiber excited by different pump wavelengths

光纤中掺杂的铋离子具有多重价态 (包括Bi5+、Bi3+、Bi2+和Bi+)，且其近红外发光机理尚不明确，因此不确定近红外发光由何种价态的离子产生，也不确定近红外发光由单一价态离子或是多重价态离子产生。同时，各个价态离子的能级结构也不能确定。此外，在光纤中共存的铅离子和铋离子，由于其能级结构类似，可能存在着某些能量转移、共同耦合等作用，共同产生荧光。

3.4 有源光纤超宽带荧光光谱特性

选择不同的泵浦源，会激发不同位置的荧光峰，即对应不同的发光中心。基于泵浦源单泵下产生的宽带荧光，发现该共掺光纤可作为超宽带荧光光源的良好材料，因此设计了一个双泵浦结构，将发光中心激发到最佳状态，达到获得超宽带荧光光谱的目的。在使用980nm激光器测试后向荧光系统的基础上，在光纤另一端连接830nm激光器，如图8结构所示。考虑到发光中心的独立性和不同的荧光效率，需要调节泵浦源的功率比，使输出光谱足够平坦;选取最优的光纤长度，才能使有源离子在2个泵浦源同时开启时达到合适的粒子数反转，发射出宽带的荧光。

图8 基于双泵浦结构有源光纤的光谱特性测试系统Fig.8 Spectral characteristic measurement system based on double pumping active fiber

根据大量实验调试，最终确定光纤长度为1m，且不断调节2个泵浦源的功率比。当980nm和830nm泵浦源的功率比值为1:2时，能够输出超宽带荧光光源，如图9所示。经过双泵，超宽带荧光光谱范围为1000～1700nm，相比单泵光谱大大拓宽，10dB带宽达到了650nm。光谱平坦良好，可满足超宽带平坦光源的需要，同时双泵浦结构简单紧凑，成本较低，在制作光纤传感产品(如光学相干断层扫描和光纤陀螺仪)，有广泛的应用场景。

图9 双泵浦结构激发有源光纤的超宽谱发光特性Fig.9 Ultra-wide spectral luminescence properties of the active fiber excited by double pumping

4 结 论

本文主要研究铋/铅共掺石英光纤的制备和分析光谱特性。首先，利用ALD掺杂技术结合MCVD工艺制备出铅/铋共掺石英光纤，光纤的芯包层折射率差约为1.0%，在800nm处有铋离子典型的吸收峰，在700nm和1000nm处为铅离子和铋离子共同作用的吸收峰;经过双泵，超宽带荧光光谱范围为1000～1700 nm，10dB带宽达到650nm。整个光谱平坦良好，可以满足超宽带平坦光源的需要。同时，双泵结构简单紧凑，成本较低，在光纤传感领域 (如光纤陀螺仪、光学相干断层扫描、医学成像等)中将有非常广泛的应用。