ASE宽带光源 原理、参数及测量方法详解

ASE宽带光源

原理、参数及测量方法详解

光纤ASE宽带光源是在生产测试、科研实验中广泛应用的一类光源，本文对C+L波段掺铒光纤ASE宽带光源产品的性能指标和主要参数的测试方法尝试做简要说明。

n                      工作原理

掺铒光纤产生的ASE宽带光是短波长激光泵浦掺铒光纤产生的放大自发辐射光。如下示意图，被泵浦的稀土离子在上下能级间跃迁产生自发辐射光，并在受激辐射过程中被放大，这一过程不断重复，泵浦充足的条件下甚至可以达到相当高的输出功率。(ASE=Amplified Spontaneous Emission，被放大的自发辐射光)

在光纤激光器和光纤放大器中ASE辐射光作为噪声光普遍存在，ASE光通常会与信号波长激光竞争增益，引起激光波长有效功率下降、激光信噪比降低、偏振度降低等。所以在光纤激光器和光纤放大器中希望尽量减少出现ASE光，设计光纤激光和放大器时会通过优化光路结构尽可能地降低ASE光的功率占比。但ASE光作为光源本身也具有一些特点，例如光谱范围宽、光谱平坦、相干性低、偏振度低等等，这些特性是激光光源不具备的。而且光纤ASE光源由于是单模铒光纤中产生，可以和普通单模光纤几乎无损耗地耦合。因此在某些场合这种ASE宽带光源也有重要应用，例如光纤陀螺、光纤传感、OCT成像、光通信通道功率补偿等。

在实际的C+L波段光纤ASE宽带光源产品中通常采用掺铒离子石英光纤作为工作物质，980nm波段的半导体激光器作为激励泵浦，产生C波段的自发辐射，并伴随受激辐射过程而被放大。由于掺铒光纤具有一定的长度，C波段的辐射光在其中传输时被其他铒离子吸收并再次辐射，使辐射波长向更长的波段转移，这些辐射又会再次经历受激辐射被放大，最终得到覆盖C波段或L波段的ASE宽带光谱。通过不同的光路结构设计可以分别得到C、L、C+L等不同波段光谱的ASE光源产品。

上面是测试掺Er光纤ASE辐射光谱的光路，isolator是光纤隔离器，WDM是980/1550nm的光纤波分器。974nm泵浦LD提供泵浦激光，通过WDM耦合激励一段单模掺Er光纤，发出的后向ASE光和前向ASE光并分别通过两个Isolator输出。同一泵浦功率下，测得的后向ASE光谱(绿色线)和前向ASE光谱(蓝色线)如图，可以看出掺铒光纤直接发出的ASE辐射光谱并不平坦，不同波长之间的功率密度差异可以达到10dB以上，两个方向的ASE光谱也不相同。 所以在光纤ASE宽带光源产品中，需采用光谱平坦化手段(滤波器)实现平坦的输出光谱。

n                      C+L波段

单模石英光纤的低衰耗波长区域1260nm～1625nm适合用做长距离光纤通信，被划分为6个波段，分别为O、E、S、C、L、U波段(见下表)。C+L波段是通信波段C波段和L波段在一起的简称，C和L波段分别覆盖1530-1565nm和1565-1625nm波段。

脉锐光电的C+L波段光纤ASE宽带光源产品光谱覆盖范围为1528~1603nm@3dB, 1525~1610nm@10dB。严格来说并未完整覆盖L波段的1565-1625nm波段，这是由于受限于Er光纤在超过1610nm长波波段的增益较弱，目前市面上的C+L波段ASE宽带光源产品基本都在相同的波长范围。

C+L波段光纤ASE宽带光源主要参数指标有：光谱宽度和光谱平坦度、光谱功率密度及稳定性、输出光功率及稳定性、功率调节范围、光谱纹波、偏振消光比。这些参数指标和测量方法分别简要介绍。

n                      光谱宽度和光谱平坦度

脉锐光电的C+L波段ASE光源具有良好的光谱平坦度，该光源的标准型号光谱宽度≥75nm，光谱平坦度≤3dB，见图。

C+L波段ASE宽带光源 (功率100mW)

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

测量方法：光谱仪测量3dB宽度， 如果显示宽度≥75nm则可认为光谱宽度和平坦度合格。

(横河光谱仪在ANALYSIS-SPEC WIDTH-THRESH菜单中选择，算法阈值设置为3dB)

n                      光谱功率密度及稳定性

宽带光源光谱范围较宽，所以多数客户会关注单位波长范围内的功率，也就是光谱功率密度。用光谱仪测量ASE宽带光源光谱功率密度时，纵坐标单位不应设置在dBm、mW、μW等绝对功率单位上，而应设置为dBm/nm或μW/nm、mW/nm，以表示功率谱密度(每nm范围上的功率数)，功率谱密度在波长坐标上的积分等于总光功率。(横河光谱仪在Level菜单中选择)

不同功率型号的功率与光谱密度大致对应如下：

常有用户收到ASE光源后，发现自己实测的光谱强度(光谱功率密度)与我们产品测试报告上的光谱功率相比要低很多，实际上因为用户把纵坐标单位设置在了dBm单位，改为dBm/nm单位后即正常。

对光谱测量保持一段时间，可得到在该时间段内的光谱密度随时间的稳定性(右下图横坐标波长，纵坐标功率波动)，该图描述了每个波长点在测量时间段内的功率波动。脉锐光电的C+L波动ASE宽带光源光谱密度随时间波动的平均值通常≤0.02dB@90min。

如上图，这台100mW的ASE宽带台式光源(PN:ASE-CL-100-T-SM-B，SN:24040901，测试时功率设置在50mW)在3个小时的测试过程中，谱密度波动平均值0.00229dB，谱密度波动最大的波长是1528.18nm(波动-0.009dB), 谱密度波动最小的波长是1528.148nm(波动0dB)。

如上图，这台100mW的ASE宽带模块光源(PN:ASE-CL-100-T-SM-M，SN:24051101，测试时功率设置在50mW)在90分钟的测试过程中，谱密度波动平均值0.0097dB，谱密度波动最小的波长是1533.168nm(波动-0.003dB), 谱密度波动最大的波长是1568.044nm(波动0.032dB)。

n                      输出光功率及稳定性

功率测量可以采用带有光纤FC接口的光功率计，注意选择合适的波长和功率范围。

测量方法： 我们默认采用积分球光电二极管功率探头Thorlabs S146C直接测量(*波长响应范围900 - 1650 nm，功率范围10 µW - 20 W，功率分辨率10 nW )，并维持测量一段时间，对这段时间内的功率波动做统计分析。

脉锐光电C+L波段 ASE宽带光源标准型号产品在室温下功率稳定性为：

功率波动峰峰值≤0.5%@60min；功率波动RMS值≤0.1%@60min。

以下是一台ASE台式光源 (ASE-CL-100-SM-B SN：2311-56.2-1)在25℃环境下90分钟内的功率稳定性实测和功率波动的分析。横坐标是时间，纵坐标是输出光总功率(双纵坐标单位分别是mW和dBm)，此图描述输出光总功率在测量时间段内的波动。

下图是纵坐标放大后的细节。

以下是C+L波动ASE模块光源(ASE-CL-100-T-SM-M  SN：24051101)在90分钟内的功率测试。横坐标是时间，纵坐标是输出光总功率(双纵坐标单位分别是mW和dBm)，此图描述输出光总功率在测量时间段内的波动。

下图是纵坐标放大后的细节。

n                      功率调节范围

可调功率型号的ASE光源默认调节范围1mW~100%功率，调节步长1mW；调节时总输出功率和功率谱密度会相应变化，但光谱范围、形状、平坦度不变化。

下图是一台功率可调ASE宽带光源模块(ASE-CL-100-T-SM-M  SN 24051101)不同功率输出的光谱，曲线从下到上依次是1、10、20、30、40、50mW功率时的光谱。

n                      光谱纹波

ASE光源的光谱纹波是光谱细节上的起伏和随机变化，与Er离子能带精细结构有关，单位为dB，一般不超过0.1dB (光谱仪波长分辨率≤0.01nm时)。如果测试发现纹波过大，则提示光源或者测量光纤链路中可能存在异常。

光谱显示的纹波强弱与光谱仪设置的分辨率有关，波长分辨率≥0.02nm或纵坐标单位较大时，光谱纹波几乎不可见(上图)，当纵坐标单位设为0.1dB/D，且分辨率提高到0.01nm时，光谱纹波变得非常明显(下图) 。(ASE-CL-100-T-SM-M,SN 24051101)

扫描范围缩小到0.5nm可以看见更多细节，可以看见纹波具有一定的周期性，调制的幅度约0.1dB，随时间呈现随机变化。

n                      偏振消光比PER

PER=Polarization Extinction Ratio，偏振消光比。

掺铒光纤发出的ASE辐射光本身的偏振度非常低，属于自然偏振光，或称为非偏振光(各方向的偏振都有，幅度相等，各方向偏振分量无相位关联)。可以通过起偏装置转换成其他偏振光。

输出光纤类型可以选择单模光纤输出型号，也可选择保偏光纤输出型号，分别适合于不同应用。

单模型号的输出光为非偏振光，偏振消光比PER<0.2dB，属于低偏振宽带光源。

保偏型号的输出光为线偏振光，偏消光比振PER>23dB，属于高偏振宽带光源。

测量方法： 测试时使用旋转检偏器的方案，缓慢检偏器360°，用光功率计测量检偏器后光功率，记录下最大值Imax和最小值Imin, 得到偏振消光比PER=10log10(Imax÷Imin),单位dB。

n                      时间特性和频率特性

ASE光源输出信号不是激光，实际上由于其自发辐射特性使其相当于噪声信号，可以作为一个理想的噪声源使用。下图是经光电探测器和示波器采集的ASE光源输出信号，如果用频谱仪观察，可以看见其频谱是比较平坦的噪声谱。

n                       脉锐光电C+L波段ASE宽带光源产品完整指标

n                      型号信息

例如

ASE-CL-100-T-SM-B参数是：ASE光源/C+L波段/功率1-100mW可调/单模光纤输出/台式；

ASE-CL-10-SM-B参数是：ASE光源/C+L波段/功率10mW不可调/单模光纤输出/台式；

n                      台式和模块区别

同一型号光源产品有台式和模块两种产品形式，分别以型号末尾字母B(Bench-top，台式)和M(Module，模块)区分。两者在光学性能上相同，在适用场合、控制显示等方面所区别，具体如下：

n                      模块尺寸  

125(W)×150(D)×20(H)mm，(M20模块)