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宽带光源作为光学系统的最前端光源，在光纤传感系统、光谱分析系统等技术领域均具有广泛的应用[1-3]。目前，宽带光源一般利用超辐射发光二极管(super luminescent diode，SLD)[4-6]或有源光纤的放大自发辐射[7-9]来实现。随着各种有源光纤及其应用技术的发展，基于掺铒光纤放大自发辐射(amplified spontaneous emission，ASE)的宽带光源获得了研究者的重点关注[10-12]。转换效率、可用光谱宽度和平坦度是人们关注的宽带光源性能的核心参数[13]。掺铒光纤宽带ASE光源在C波段或C+L波段的输出光谱，整体上在1530 nm附近光强较高，而在1560 nm附近强度大约降低3~4倍，光谱呈现单峰结构，严重降低了光源的带宽和平坦度，不利于实际应用[14-16]。
中国科技大学QIAN教授团队针对ASE光谱单峰结构所造成的频谱过窄现象，提出了单程/后向抽运结构，利用输出端所加0.8 m未抽运的掺铒光纤吸收1530 nm附近的荧光，尖峰被抑制，带宽获得了展宽[17]。基于此思想，各种结构相继被提出[10, 18-19]。WANG提出双程结构，采用两级掺铒光纤，其中第1级掺铒光纤被前向抽运、第2级掺铒光纤未被抽运[18]。HE等人抽运两级掺铒光纤，10%抽运光用来后向调控C波段，90%抽运光用来前向调控L波段，光谱综合后获得平坦度的提高[19]。燕山大学CHEN等人采用前向抽运，调节单级掺铒光纤的长度使之略长于饱和长度，获得了平坦度优化的ASE光谱[10]。但是，在上述几种前向结构中，ASE宽带光和多余的980 nm抽运光混合输出。
在掺铒光纤的前、后两个方向上，ASE均有宽带光输出。单程结构只利用了掺铒光纤中单个方向上的自发辐射，本文作者利用光纤型反射镜构建双程结构，以降低抽运功率和提高光源转换效率；同时，采用后向抽运结构，消除ASE光源输出中的980 nm抽运光; 此外，在输出端外接一段未抽运的掺铒光纤，用以吸收C波段的峰和抬高L波段的功率，最终获得同时提高抽运效率和增加可用带宽的ASE宽带光源。数值仿真了不同掺铒光纤长度和光纤反射镜不同反射系数时ASE光源的输出光谱；在此基础上，数值分析和实验研究了外接的未抽运光纤长度对输出光谱带宽的优化效果。本文中的研究结果可为提高基于掺铒光纤的ASE宽带光源的性能提供参考。
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抽运掺杂有金属铒离子Er3+的有源光纤，其放大自发辐射[20]光的谱宽较宽，可作为宽带光源使用。根据金属铒离子Er3+的能级分布[20]，如图 1所示，主要有3个能级。其中，能级最低的4I15/2为基态；4I13/2为第一激发态，处于亚稳态；能级最高的4I11/2为第2激发态，处于激发态，寿命很短仅几个微秒。4I15/2、4I13/2和4I11/2三者形成了经典的三能级结构。在980 nm抽运光的激发下，位于基态的铒离子吸收能量，从4I15/2基态被抽运到4I11/2激发态上；之后，激发态上的铒离子又迅速通过无辐射过程到达了亚稳态4I13/2。亚稳态上铒离子的能级寿命长，易和基态上铒离子数量形成粒子数反转。当Er3+的3个能级发生Stark裂变时，4I15/2、4I13/2和4I11/2分别变成为8个、7个和6个子能级。在4I13/2和4I15/2所有子能级中的相对高能级之间，粒子跃迁生成C波段ASE；同时，子能级中的相对低能级之间，粒子跃迁生成L波段ASE。总之，4I15/2到4I13/2能级之间粒子跃迁所对应的增益谱，其带宽较宽，因此能够辐射输出宽带光。
Figure 1. Energy levels of Er3+[20]
掺铒光纤中位于基态的铒离子被980 nm激光抽运后，产生了宽带的放大自发辐射。掺铒光纤长度较长时，对于980 nm抽运源而言，足够多的铒离子可以被抽运至高能级。在掺铒光纤的近端，C波段ASE光强较大，L波段ASE光强较小。随着近端铒纤的ASE在掺铒光纤中的传输，远端掺铒光纤中的铒离子持续被近端的ASE抽运，产生了L波段的光功率持续增加和抬升的效果。综合980 nm激光和掺铒光纤前端ASE的共同抽运作用，C波段和L波段之间的增益落差降低，达到提高ASE光谱的平坦度和拓展可用带宽的目的。此时，如果增加抽运光功率，更多的铒离子将被抽运至高能级，掺铒光纤中的二次吸收过程被削弱，呈现出C波段光强逐渐增强的现象，随之光谱平坦度降低、可用带宽减小。为了拓宽掺铒光纤ASE光源的带宽，需要对光源的结构进行分析和优化设计。
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后向抽运、双程的掺铒光纤ASE宽带光源结构如图 2所示，包括光纤环反射镜(fiber loop mirror, FLM)、掺铒光纤Er3+-doped fiber、波分复用器(wavelength di-vision multiplex, WDM)、980 nm抽运激光器和光隔离器。掺铒光纤相关参数如下：截止波长941 nm、模场直径5.8 μm、1530 nm处波长吸收系数7.11 dB/km、1200 nm波长吸收系数11.2 dB/km。980 nm激光抽运掺铒光纤时，同时产生前向和后向的自发辐射光。光纤环反射镜将前向ASE反射回到掺铒光纤中，在掺铒光纤中再次用来抽运，提高了ASE光谱在L波段上的功率，从而改善ASE光谱的平坦度和可用带宽。光隔离器消除端面反射的影响，提高光源的输出稳定性。
Figure 2. Structure of ASE wide-bandwidth optical source
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作为核心元件，掺铒光纤的长度影响ASE宽带光源的输出谱。对比研究掺铒光纤的长度从1 m~9 m时输出光谱的变化，如图 3a~图 3c所示。
Figure 3. ASE output spectrum with different Er3+-doped fiber length
对比发现，当掺铒光纤长度L=1 m较短时，光纤中的铒离子总数较少，输出光功率较低，C波段和L波段之间光功率落差大。随着光纤长度的增加(L为3 m~5 m)，光谱在1530 nm附近增益增加，在1530 nm附近出现尖峰。这是因为掺铒光纤吸收980 nm抽运光后，首先在掺铒光纤的近端产生C波段的ASE；由于光谱在1530 nm处的增益大，ASE光谱在前半部分功率上升快，结果造成整个光谱的平坦性降低。
在掺铒光纤长度由5 m增加到9 m的过程中，C波段ASE作为二次抽运源，抬升了L波段的光强。同时，掺铒光纤中的铒粒子总数大于饱和数，这些多余的铒纤吸收C波段光，位于1530 nm附近的波峰逐渐衰弱，光谱整体趋于平坦。随着铒纤继续加长，1530 nm处的尖峰继续被削低，而1560 nm附近持续被抬高，光谱呈现前低后高的形状。光谱对比如图 3d所示，变化过程为前高后低、平坦、前低后高。
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根据图 2，光纤反射镜将掺铒光纤中C波段ASE反射回到掺铒光纤中，进行二次吸收放大，抬升光谱的L波段部分，有效改善光谱的带宽。为了深入研究反射镜系数对于ASE光谱的影响，本文中以6 m掺铒光纤为对象，光纤反射镜的反射系数分别为1%、33%、66%以及99%，对应的宽带光源ASE输出谱如图 4所示。
Figure 4. ASE output spectrum with different reflect coefficients of the reflect mirror
从图 4中可以看出，当反射镜系数为1%时，光谱呈现出掺铒光纤ASE的经典谱形，光谱的带宽较低。随着反射系数的增加，较多的前向ASE光再次返回掺铒光纤，L波段的光功率逐渐上升。整体上，ASE光谱的C波段部分几乎没有变化，但后部L波段部分持续升高，即增加反射镜的反射系数，可以提高ASE宽带光源的光谱平坦度和增加可用带宽。此外，对着反射系数的提高，宽带光源的输出光强也在增加，对应提高了宽带光源的转换效率。
2.1. 掺铒光纤长度对光谱的影响
2.2. 光纤反射镜对光谱的影响
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根据第2节中双程、后向抽运的掺铒光纤ASE宽带光源仿真结果，为了进一步优化ASE光源的光谱带宽，利用掺铒光纤的吸收和发射特性，在光源的输出端接上一段未抽运的掺铒光纤，利用该掺铒光纤的不同长度来调控宽带光源的输出光谱，该装置如图 5所示。
Figure 5. Optimized ASE structure
实验中以6 m长掺铒光纤为研究对象，其抽运功率设置为1 W，光纤反射镜系数设置为99%。在光隔离器输出端口，加入不同长度的未抽运掺铒光纤，探究其长度对宽带光源的影响。当未抽运铒纤的长度从1 m逐步增加至6 m时，对应得到的ASE光源光谱图如图 6a所示，对应的带宽变化如图 6b所示。
Figure 6. a—ASE spectrum of optimized structure b—the improved bandwidth
从图 6中可以看出，随着外接未抽运掺铒光纤长度的增加，输出光强逐渐增加，但1560 nm附近的光强比1530 nm附近的光强增加得快，因此呈现出前高后低、平坦、前低后高的变化过程。当未抽运掺铒光纤长度从1 m逐步增加至6 m时，其3 dB带宽依次为49.09 nm、51.10 nm、44.08 nm、39.07 nm、38.07 nm和26.05 nm, 如表 1所示。可以看出，未抽运掺铒光纤长度为2 m时，光谱平坦度最好，带宽为51.10 nm。
length of unpumped fiber/m 3 dB linewidth/nm 1 49.09 2 51.10 3 44.08 4 39.07 5 38.07 6 26.05 Table 1. Optimized 3 dB bandwidth of ASE spectra with different unpumped Er3+-doped fiber length
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为了验证该装置的优化效果，搭建如图 5所示的ASE光源系统。掺铒光纤和未抽运掺铒光纤的长度分别为6 m和2 m(Nufern，EDFC-980-HA)，FLM(上海瀚宇光纤通信有限公司)提供前向ASE的光反馈，光隔离器(上海瀚宇光纤通信有限公司)保证输出光的单向传输，在光源输出端利用光谱仪(Yokoga-wa公司，AQ6370C，分辨率0.02 nm)测量光谱。有、无外接2 m未抽运光纤的光谱实验结果对比如图 7a和图 7b所示。此时，位于1530 nm附近的峰被明显削弱，这是由于外接掺铒光纤的吸收特性，有效吸收位于1530 nm处的高峰，从而增加了光谱整体3 dB带宽。未优化前宽带光源线宽为5.96 nm，优化后该光源的3 dB线宽为50.31 nm，增加了44 nm。
Figure 7. a—the optimized spectrum of ASE source b—the unoptimized spectrum of ASE source
需要说明的是，本文中所用双程后向抽运方案虽然提高了ASE光源的带宽，未抽运2 m长掺铒光纤抑制了1530 nm附近尖峰抬升了L波段，但是，有源光纤和无源光纤的接头损耗、以及掺铒光纤宽带输出进入未抽运掺铒光纤时发射谱与吸收谱之间的关系[19]，最终造成了1520 nm~1560 nm范围内ASE宽带光源输出功率整体下降，这和参考文献[17]中报道的结果一致。30 mW的980 nm光源抽运时，ASE宽带光源输出功率为4.13 mW，转换效率为14%。实现高平坦度、宽带宽大功率ASE宽带光源输出，需要额外增加一个980 nm光源前向抽运掺铒光纤，并结合抽运光纤和未抽运光纤之间的长度关系，优化调整两个抽运光源的功率比例，获得C波段和L波段的功率匹配，同时获得较高的光源输出功率。
3.1. 仿真研究
3.2. 实验研究
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以双程、后向抽运结构的掺铒光纤ASE宽带光源装置为研究对象，研究了核心掺铒光纤长度和反射镜反射系数对ASE光源的影响，在此基础上进一步分析外接未抽运掺铒光纤长度对ASE宽带光源输出的优化效果。当抽运功率一定且充足的时候，随着光纤长度的增加，光能量逐渐从C波段过渡到L波段，光谱在6 m时平坦性最优；较大反射系数的光纤反射镜能够有效地提升光谱平坦度。在光源的输出端外接一段未抽运掺铒光纤进一步优化ASE输出光谱，当该光纤长度为2 m时，3 dB带宽最大50.31 nm，对比未优化时带宽增加44 nm。上述研究结果表明，采用外接2 m未抽运光纤优化后的ASE宽带光源能够满足光纤传感等系统的宽带宽需求。
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