ASE寬帶光源

原理、參數及測量方法詳解

光纖ASE寬帶光源是在生產測試、科研實驗中廣泛應用的一類光源，本文對C+L波段摻鉺光纖ASE寬帶光源產品的性能指標和主要參數的測試方法嘗試做簡要說明。

n                      工作原理

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

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光通常會與信號波長激光競爭增益，引起激光波長有效功率下降、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ASE光，設計光纖激光和放大器時會通過優化光路結構盡可能地降低ASE光的功率占比。但ASE光作為光源本身也具有一些特點，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生，可以和普通單模光纖幾乎無損耗地耦合。因此在某些場合這種ASE寬帶光源也有重要應用，例如光纖陀螺、光纖傳感、OCT成像、光通信通道功率補償等。

在實際的C+L波段光纖ASE寬帶光源產品中通常采用摻鉺離子石英光纖作為工作物質，980nm波段的半導體激光器作為激勵泵浦，產生C波段的自發輻射，并伴隨受激輻射過程而被放大。由于摻鉺光纖具有一定的長度，C波段的輻射光在其中傳輸時被其他鉺離子吸收并再次輻射，使輻射波長向更長的波段轉移，這些輻射又會再次經歷受激輻射被放大，最終得到覆蓋C波段或L波段的ASE寬帶光譜。通過不同的光路結構設計可以分別得到C、L、C+L等不同波段光譜的ASE光源產品。

上面是測試摻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WDM耦合激勵一段單模摻Er光纖，發出的后向ASE光和前向ASE光并分別通過兩個Isolator輸出。同一泵浦功率下，測得的后向ASE光譜(綠色線)和前向ASE光譜(藍色線)如圖，可以看出摻鉺光纖直接發出的ASE輻射光譜并不平坦，不同波長之間的功率密度差異可以達到10dB以上，兩個方向的ASE光譜也不相同。 所以在光纖ASE寬帶光源產品中，需采用光譜平坦化手段(濾波器)實現平坦的輸出光譜。

n                      C+L波段

單模石英光纖的低衰耗波長區域1260nm～1625nm適合用做長距離光纖通信，被劃分為6個波段，分別為O、E、S、C、L、U波段(見下表)。C+L波段是通信波段C波段和L波段在一起的簡稱，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寬帶光源產品光譜覆蓋范圍為1528~1603nm@3dB, 1525~1610nm@10dB。嚴格來說并未完整覆蓋L波段的1565-1625nm波段，這是由于受限于Er光纖在超過1610nm長波波段的增益較弱，目前市面上的C+L波段ASE寬帶光源產品基本都在相同的波長范圍。

C+L波段光纖ASE寬帶光源主要參數指標有：光譜寬度和光譜平坦度、光譜功率密度及穩定性、輸出光功率及穩定性、功率調節范圍、光譜紋波、偏振消光比。這些參數指標和測量方法分別簡要介紹。

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，該光源的標準型號光譜寬度≥75nm，光譜平坦度≤3dB，見圖。

C+L波段ASE寬帶光源 (功率100mW)

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

測量方法：光譜儀測量3dB寬度， 如果顯示寬度≥75nm則可認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，算法閾值設置為3dB)

n                      光譜功率密度及穩定性

寬帶光源光譜范圍較寬，所以多數客戶會關注單位波長范圍內的功率，也就是光譜功率密度。用光譜儀測量ASE寬帶光源光譜功率密度時，縱坐標單位不應設置在dBm、mW、μW等絕對功率單位上，而應設置為dBm/nm或μW/nm、mW/nm，以表示功率譜密度(每nm范圍上的功率數)，功率譜密度在波長坐標上的積分等于總光功率。(橫河光譜儀在Level菜單中選擇)

不同功率型號的功率與光譜密度大致對應如下：

常有用戶收到ASE光源后，發現自己實測的光譜強度(光譜功率密度)與我們產品測試報告上的光譜功率相比要低很多，實際上因為用戶把縱坐標單位設置在了dBm單位，改為dBm/nm單位后即正常。

對光譜測量保持一段時間，可得到在該時間段內的光譜密度隨時間的穩定性(右下圖橫坐標波長，縱坐標功率波動)，該圖描述了每個波長點在測量時間段內的功率波動。脈銳光電的C+L波動ASE寬帶光源光譜密度隨時間波動的平均值通常≤0.02dB@90min。

如上圖，這臺100mW的ASE寬帶臺式光源(PN:ASE-CL-100-T-SM-B，SN:24040901，測試時功率設置在50mW)在3個小時的測試過程中，譜密度波動平均值0.00229dB，譜密度波動最大的波長是1528.18nm(波動-0.009dB), 譜密度波動最小的波長是1528.148nm(波動0dB)。

如上圖，這臺100mW的ASE寬帶模塊光源(PN:ASE-CL-100-T-SM-M，SN:24051101，測試時功率設置在50mW)在90分鐘的測試過程中，譜密度波動平均值0.0097dB，譜密度波動最小的波長是1533.168nm(波動-0.003dB), 譜密度波動最大的波長是1568.044nm(波動0.032dB)。

n                      輸出光功率及穩定性

功率測量可以采用帶有光纖FC接口的光功率計，注意選擇合適的波長和功率范圍。

測量方法： 我們默認采用積分球光電二極管功率探頭Thorlabs S146C直接測量(*波長響應范圍900 - 1650 nm，功率范圍10 µW - 20 W，功率分辨率10 nW )，并維持測量一段時間，對這段時間內的功率波動做統計分析。

脈銳光電C+L波段 ASE寬帶光源標準型號產品在室溫下功率穩定性為：

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

以下是一臺ASE臺式光源 (ASE-CL-100-SM-B SN：2311-56.2-1)在25℃環境下90分鐘內的功率穩定性實測和功率波動的分析。橫坐標是時間，縱坐標是輸出光總功率(雙縱坐標單位分別是mW和dBm)，此圖描述輸出光總功率在測量時間段內的波動。

下圖是縱坐標放大后的細節。

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

下圖是縱坐標放大后的細節。

n                      功率調節范圍

可調功率型號的ASE光源默認調節范圍1mW~100%功率，調節步長1mW；調節時總輸出功率和功率譜密度會相應變化，但光譜范圍、形狀、平坦度不變化。

下圖是一臺功率可調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功率時的光譜。

n                      光譜紋波

ASE光源的光譜紋波是光譜細節上的起伏和隨機變化，與Er離子能帶精細結構有關，單位為dB，一般不超過0.1dB (光譜儀波長分辨率≤0.01nm時)。如果測試發現紋波過大，則提示光源或者測量光纖鏈路中可能存在異常。

光譜顯示的紋波強弱與光譜儀設置的分辨率有關，波長分辨率≥0.02nm或縱坐標單位較大時，光譜紋波幾乎不可見(上圖)，當縱坐標單位設為0.1dB/D，且分辨率提高到0.01nm時，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可以看見更多細節，可以看見紋波具有一定的周期性，調制的幅度約0.1dB，隨時間呈現隨機變化。

n                      偏振消光比PER

PER=Polarization Extinction Ratio，偏振消光比。

摻鉺光纖發出的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，各方向偏振分量無相位關聯)。可以通過起偏裝置轉換成其他偏振光。

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

單模型號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。

測量方法： 測試時使用旋轉檢偏器的方案，緩慢檢偏器360°，用光功率計測量檢偏器后光功率，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                      時間特性和頻率特性

ASE光源輸出信號不是激光，實際上由于其自發輻射特性使其相當于噪聲信號，可以作為一個理想的噪聲源使用。下圖是經光電探測器和示波器采集的ASE光源輸出信號，如果用頻譜儀觀察，可以看見其頻譜是比較平坦的噪聲譜。

n                       脈銳光電C+L波段ASE寬帶光源產品完整指標

n                      型號信息

例如

ASE-CL-100-T-SM-B參數是：ASE光源/C+L波段/功率1-100mW可調/單模光纖輸出/臺式；

ASE-CL-10-SM-B參數是：ASE光源/C+L波段/功率10mW不可調/單模光纖輸出/臺式；

n                      臺式和模塊區別

同一型號光源產品有臺式和模塊兩種產品形式，分別以型號末尾字母B(Bench-top，臺式)和M(Module，模塊)區分。兩者在光學性能上相同，在適用場合、控制顯示等方面所區別，具體如下：

n                      模塊尺寸  

125(W)×150(D)×20(H)mm，(M20模塊)