ASE寬帶光源

原理、參數(shù)及測(cè)量方法詳解

光纖ASE寬帶光源是在生產(chǎn)測(cè)試、科研實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用的一類光源，本文對(duì)C+L波段摻鉺光纖ASE寬帶光源產(chǎn)品的性能指標(biāo)和主要參數(shù)的測(cè)試方法嘗試做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

n                      工作原理

摻鉺光纖產(chǎn)生的ASE寬帶光是短波長(zhǎng)激光泵浦摻鉺光纖產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射光。如下示意圖，被泵浦的稀土離子在上下能級(jí)間躍遷產(chǎn)生自發(fā)輻射光，并在受激輻射過(guò)程中被放大，這一過(guò)程不斷重復(fù)，泵浦充足的條件下甚至可以達(dá)到相當(dāng)高的輸出功率。(ASE=Amplified Spontaneous Emission，被放大的自發(fā)輻射光)

在光纖激光器和光纖放大器中ASE輻射光作為噪聲光普遍存在，ASE光通常會(huì)與信號(hào)波長(zhǎng)激光競(jìng)爭(zhēng)增益，引起激光波長(zhǎng)有效功率下降、激光信噪比降低、偏振度降低等。所以在光纖激光器和光纖放大器中希望盡量減少出現(xiàn)ASE光，設(shè)計(jì)光纖激光和放大器時(shí)會(huì)通過(guò)優(yōu)化光路結(jié)構(gòu)盡可能地降低ASE光的功率占比。但ASE光作為光源本身也具有一些特點(diǎn)，例如光譜范圍寬、光譜平坦、相干性低、偏振度低等等，這些特性是激光光源不具備的。而且光纖ASE光源由于是單模鉺光纖中產(chǎn)生，可以和普通單模光纖幾乎無(wú)損耗地耦合。因此在某些場(chǎng)合這種ASE寬帶光源也有重要應(yīng)用，例如光纖陀螺、光纖傳感、OCT成像、光通信通道功率補(bǔ)償?shù)取?/span>

在實(shí)際的C+L波段光纖ASE寬帶光源產(chǎn)品中通常采用摻鉺離子石英光纖作為工作物質(zhì)，980nm波段的半導(dǎo)體激光器作為激勵(lì)泵浦，產(chǎn)生C波段的自發(fā)輻射，并伴隨受激輻射過(guò)程而被放大。由于摻鉺光纖具有一定的長(zhǎng)度，C波段的輻射光在其中傳輸時(shí)被其他鉺離子吸收并再次輻射，使輻射波長(zhǎng)向更長(zhǎng)的波段轉(zhuǎn)移，這些輻射又會(huì)再次經(jīng)歷受激輻射被放大，最終得到覆蓋C波段或L波段的ASE寬帶光譜。通過(guò)不同的光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以分別得到C、L、C+L等不同波段光譜的ASE光源產(chǎn)品。

上面是測(cè)試摻Er光纖ASE輻射光譜的光路，isolator是光纖隔離器，WDM是980/1550nm的光纖波分器。974nm泵浦LD提供泵浦激光，通過(guò)WDM耦合激勵(lì)一段單模摻Er光纖，發(fā)出的后向ASE光和前向ASE光并分別通過(guò)兩個(gè)Isolator輸出。同一泵浦功率下，測(cè)得的后向ASE光譜(綠色線)和前向ASE光譜(藍(lán)色線)如圖，可以看出摻鉺光纖直接發(fā)出的ASE輻射光譜并不平坦，不同波長(zhǎng)之間的功率密度差異可以達(dá)到10dB以上，兩個(gè)方向的ASE光譜也不相同。 所以在光纖ASE寬帶光源產(chǎn)品中，需采用光譜平坦化手段(濾波器)實(shí)現(xiàn)平坦的輸出光譜。

n                      C+L波段

單模石英光纖的低衰耗波長(zhǎng)區(qū)域1260nm～1625nm適合用做長(zhǎng)距離光纖通信，被劃分為6個(gè)波段，分別為O、E、S、C、L、U波段(見(jiàn)下表)。C+L波段是通信波段C波段和L波段在一起的簡(jiǎn)稱，C和L波段分別覆蓋1530-1565nm和1565-1625nm波段。

脈銳光電的C+L波段光纖ASE寬帶光源產(chǎn)品光譜覆蓋范圍為1528~1603nm@3dB, 1525~1610nm@10dB。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并未完整覆蓋L波段的1565-1625nm波段，這是由于受限于Er光纖在超過(guò)1610nm長(zhǎng)波波段的增益較弱，目前市面上的C+L波段ASE寬帶光源產(chǎn)品基本都在相同的波長(zhǎng)范圍。

C+L波段光纖ASE寬帶光源主要參數(shù)指標(biāo)有：光譜寬度和光譜平坦度、光譜功率密度及穩(wěn)定性、輸出光功率及穩(wěn)定性、功率調(diào)節(jié)范圍、光譜紋波、偏振消光比。這些參數(shù)指標(biāo)和測(cè)量方法分別簡(jiǎn)要介紹。

n                      光譜寬度和光譜平坦度

脈銳光電的C+L波段ASE光源具有良好的光譜平坦度，該光源的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)光譜寬度≥75nm，光譜平坦度≤3dB，見(jiàn)圖。

C+L波段ASE寬帶光源 (功率100mW)

PN:ASE-CL-100-SM-B/SN:2311-56.2

測(cè)量方法：光譜儀測(cè)量3dB寬度， 如果顯示寬度≥75nm則可認(rèn)為光譜寬度和平坦度合格。

(橫河光譜儀在ANALYSIS-SPEC WIDTH-THRESH菜單中選擇，算法閾值設(shè)置為3dB)

n                      光譜功率密度及穩(wěn)定性

寬帶光源光譜范圍較寬，所以多數(shù)客戶會(huì)關(guān)注單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)的功率，也就是光譜功率密度。用光譜儀測(cè)量ASE寬帶光源光譜功率密度時(shí)，縱坐標(biāo)單位不應(yīng)設(shè)置在dBm、mW、μW等絕對(duì)功率單位上，而應(yīng)設(shè)置為dBm/nm或μW/nm、mW/nm，以表示功率譜密度(每nm范圍上的功率數(shù))，功率譜密度在波長(zhǎng)坐標(biāo)上的積分等于總光功率。(橫河光譜儀在Level菜單中選擇)

不同功率型號(hào)的功率與光譜密度大致對(duì)應(yīng)如下：

常有用戶收到ASE光源后，發(fā)現(xiàn)自己實(shí)測(cè)的光譜強(qiáng)度(光譜功率密度)與我們產(chǎn)品測(cè)試報(bào)告上的光譜功率相比要低很多，實(shí)際上因?yàn)橛脩舭芽v坐標(biāo)單位設(shè)置在了dBm單位，改為dBm/nm單位后即正常。

對(duì)光譜測(cè)量保持一段時(shí)間，可得到在該時(shí)間段內(nèi)的光譜密度隨時(shí)間的穩(wěn)定性(右下圖橫坐標(biāo)波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)功率波動(dòng))，該圖描述了每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的功率波動(dòng)。脈銳光電的C+L波動(dòng)ASE寬帶光源光譜密度隨時(shí)間波動(dòng)的平均值通常≤0.02dB@90min。

如上圖，這臺(tái)100mW的ASE寬帶臺(tái)式光源(PN:ASE-CL-100-T-SM-B，SN:24040901，測(cè)試時(shí)功率設(shè)置在50mW)在3個(gè)小時(shí)的測(cè)試過(guò)程中，譜密度波動(dòng)平均值0.00229dB，譜密度波動(dòng)最大的波長(zhǎng)是1528.18nm(波動(dòng)-0.009dB), 譜密度波動(dòng)最小的波長(zhǎng)是1528.148nm(波動(dòng)0dB)。

如上圖，這臺(tái)100mW的ASE寬帶模塊光源(PN:ASE-CL-100-T-SM-M，SN:24051101，測(cè)試時(shí)功率設(shè)置在50mW)在90分鐘的測(cè)試過(guò)程中，譜密度波動(dòng)平均值0.0097dB，譜密度波動(dòng)最小的波長(zhǎng)是1533.168nm(波動(dòng)-0.003dB), 譜密度波動(dòng)最大的波長(zhǎng)是1568.044nm(波動(dòng)0.032dB)。

n                      輸出光功率及穩(wěn)定性

功率測(cè)量可以采用帶有光纖FC接口的光功率計(jì)，注意選擇合適的波長(zhǎng)和功率范圍。

測(cè)量方法： 我們默認(rèn)采用積分球光電二極管功率探頭Thorlabs S146C直接測(cè)量(*波長(zhǎng)響應(yīng)范圍900 - 1650 nm，功率范圍10 µW - 20 W，功率分辨率10 nW )，并維持測(cè)量一段時(shí)間，對(duì)這段時(shí)間內(nèi)的功率波動(dòng)做統(tǒng)計(jì)分析。

脈銳光電C+L波段 ASE寬帶光源標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)產(chǎn)品在室溫下功率穩(wěn)定性為：

功率波動(dòng)峰峰值≤0.5%@60min；功率波動(dòng)RMS值≤0.1%@60min。

以下是一臺(tái)ASE臺(tái)式光源 (ASE-CL-100-SM-B SN：2311-56.2-1)在25℃環(huán)境下90分鐘內(nèi)的功率穩(wěn)定性實(shí)測(cè)和功率波動(dòng)的分析。橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是輸出光總功率(雙縱坐標(biāo)單位分別是mW和dBm)，此圖描述輸出光總功率在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的波動(dòng)。

下圖是縱坐標(biāo)放大后的細(xì)節(jié)。

以下是C+L波動(dòng)ASE模塊光源(ASE-CL-100-T-SM-M  SN：24051101)在90分鐘內(nèi)的功率測(cè)試。橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是輸出光總功率(雙縱坐標(biāo)單位分別是mW和dBm)，此圖描述輸出光總功率在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的波動(dòng)。

下圖是縱坐標(biāo)放大后的細(xì)節(jié)。

n                      功率調(diào)節(jié)范圍

可調(diào)功率型號(hào)的ASE光源默認(rèn)調(diào)節(jié)范圍1mW~100%功率，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)1mW；調(diào)節(jié)時(shí)總輸出功率和功率譜密度會(huì)相應(yīng)變化，但光譜范圍、形狀、平坦度不變化。

下圖是一臺(tái)功率可調(diào)ASE寬帶光源模塊(ASE-CL-100-T-SM-M  SN 24051101)不同功率輸出的光譜，曲線從下到上依次是1、10、20、30、40、50mW功率時(shí)的光譜。

n                      光譜紋波

ASE光源的光譜紋波是光譜細(xì)節(jié)上的起伏和隨機(jī)變化，與Er離子能帶精細(xì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，單位為dB，一般不超過(guò)0.1dB (光譜儀波長(zhǎng)分辨率≤0.01nm時(shí))。如果測(cè)試發(fā)現(xiàn)紋波過(guò)大，則提示光源或者測(cè)量光纖鏈路中可能存在異常。

光譜顯示的紋波強(qiáng)弱與光譜儀設(shè)置的分辨率有關(guān)，波長(zhǎng)分辨率≥0.02nm或縱坐標(biāo)單位較大時(shí)，光譜紋波幾乎不可見(jiàn)(上圖)，當(dāng)縱坐標(biāo)單位設(shè)為0.1dB/D，且分辨率提高到0.01nm時(shí)，光譜紋波變得非常明顯(下圖) 。(ASE-CL-100-T-SM-M,SN 24051101)

掃描范圍縮小到0.5nm可以看見(jiàn)更多細(xì)節(jié)，可以看見(jiàn)紋波具有一定的周期性，調(diào)制的幅度約0.1dB，隨時(shí)間呈現(xiàn)隨機(jī)變化。

n                      偏振消光比PER

PER=Polarization Extinction Ratio，偏振消光比。

摻鉺光纖發(fā)出的ASE輻射光本身的偏振度非常低，屬于自然偏振光，或稱為非偏振光(各方向的偏振都有，幅度相等，各方向偏振分量無(wú)相位關(guān)聯(lián))。可以通過(guò)起偏裝置轉(zhuǎn)換成其他偏振光。

輸出光纖類型可以選擇單模光纖輸出型號(hào)，也可選擇保偏光纖輸出型號(hào)，分別適合于不同應(yīng)用。

單模型號(hào)的輸出光為非偏振光，偏振消光比PER<0.2dB，屬于低偏振寬帶光源。

保偏型號(hào)的輸出光為線偏振光，偏消光比振PER>23dB，屬于高偏振寬帶光源。

測(cè)量方法： 測(cè)試時(shí)使用旋轉(zhuǎn)檢偏器的方案，緩慢檢偏器360°，用光功率計(jì)測(cè)量檢偏器后光功率，記錄下最大值Imax和最小值Imin, 得到偏振消光比PER=10log10(Imax÷Imin),單位dB。

n                      時(shí)間特性和頻率特性

ASE光源輸出信號(hào)不是激光，實(shí)際上由于其自發(fā)輻射特性使其相當(dāng)于噪聲信號(hào)，可以作為一個(gè)理想的噪聲源使用。下圖是經(jīng)光電探測(cè)器和示波器采集的ASE光源輸出信號(hào)，如果用頻譜儀觀察，可以看見(jiàn)其頻譜是比較平坦的噪聲譜。

n                       脈銳光電C+L波段ASE寬帶光源產(chǎn)品完整指標(biāo)

n                      型號(hào)信息

例如

ASE-CL-100-T-SM-B參數(shù)是：ASE光源/C+L波段/功率1-100mW可調(diào)/單模光纖輸出/臺(tái)式；

ASE-CL-10-SM-B參數(shù)是：ASE光源/C+L波段/功率10mW不可調(diào)/單模光纖輸出/臺(tái)式；

n                      臺(tái)式和模塊區(qū)別

同一型號(hào)光源產(chǎn)品有臺(tái)式和模塊兩種產(chǎn)品形式，分別以型號(hào)末尾字母B(Bench-top，臺(tái)式)和M(Module，模塊)區(qū)分。兩者在光學(xué)性能上相同，在適用場(chǎng)合、控制顯示等方面所區(qū)別，具體如下：

n                      模塊尺寸  

125(W)×150(D)×20(H)mm，(M20模塊)