（昆明船舶设备研究试验中心 昆明 650051）

1 引言

信息高速公路模式的建立使得现代社会能快速交换数据，这种模式的核心是光纤通信。具体表现在商用用户数量增加以及水下环境通信的需要，应该考虑容量和带宽。掺杂铒离子的光纤制成的光纤器件限制了1530nm～1610nm的工作频带，然而铋和铒元素共掺的光纤在1000nm～1600nm范围内为放大器和激光的发展提供了潜在的活性物质。此外，它还可以为大容量光学传感器的研究、光谱测量和光学信息处理做出贡献。目前有一些测量方法能够测量荧光中心[1～3]。然而，有一些变量可能会不同程度影响测量荧光特性的准确性，比如浦源，SMF1550单模光纤弯曲程度，接入BEDF长度，实验室温度，匹配油的添加。因此为了减少系统测量误差，研究条件变量对荧光特性产生的影响尤为重要。

本文仿真在标准大气压与温度实验室环境下，在SMF1550单模光纤中接入部分铋铒共掺光纤，输入不同的泵浦源功率，设定并分析三种变量环境下SMF1550单模光纤弯曲程度，BEDF长度以及匹配油的添加对测量BEDF荧光特性的影响。

2 影响测量发射和吸收谱的因素

2.1 弯曲路径对光纤传输的影响

光纤弯曲可以分为微观弯曲和宏观弯曲两类，这两类弯曲均会导致信号功率衰减，影响信号传输阶段的性能。微观弯曲是纵向扰动到波导的结果而宏观弯曲是肉眼可见弯曲现象，会造成光泄漏[4]。关于两者弯曲度随功率谱密度变化的曲线可参照图1。

图1 宏观弯曲和微观弯曲的区别

2.2 路径长度对光纤传输的影响

在不同光纤发生耦合时，传输损耗不能被忽略。距离损耗的单位是dB/km，K.C.Kao和G.A.HocKham指出光纤损耗不是固有的，而是由材料杂质引起的，当光纤纯度过高时，距离传输损耗将被减少到20dB/km。离子浓度与传输损耗有直接关系，长度不是唯一的决定性因素[5～6]。当 SMF1550和BEDF光纤耦合时，BEDF长度越长，荧光强度（发射谱）越强。从图2中可以看出，采用980nm激光源和背向浦结构，当BEDF长度接近26cm，荧光强度达到最强。当BEDF接入长度从26cm处开始持续增加的情况下，荧光强度不变[7～9]。因此为得到最强荧光强度，26cm是最佳长度当使用980nm激光源和背向浦结构，这将为BEDF激光源和放大器性能的提高提供相应的参考。

2.3 匹配油对光纤传输的作用

使用光纤熔接机将两根不同的光纤进行连接或者耦合，将匹配油添加到连接处，可以降低两根光纤核心连接处的损耗。通常来说，匹配油的折射率是在1.462而工作温度是在-50℃～180℃之间，匹配油的原理是减少光纤端面之间低折射率空隙引起的菲涅尔反射[10]。可用于光纤测试和永久的连接。此外对于光纤连接器的回波损耗也是有效的。匹配油也能用于MT-RJ之间的连接[11～12]。

3 试验总体设计

试验所需设备：

1）SMF1550弯曲直径：1.1cm，4.9cm，不弯曲；

2）OSA频谱分析仪；

3）激光源：980nm

4）有无匹配油；

5）BEDF长度9.5cm，24cm，100cm；

6）泵浦结构：背向。

将980nm激光源（发射功率源）与OSA共同接入WDM，将1m长的SMF1550单模光纤弯曲不同程度接入WDM（实际上SMF1550长度损耗可以忽略不计），然后使用熔接机连接SMF1550和BEDF光纤，连接处，添加定量匹配油，最后将BEDF输出端接入功率计。其中，OSA用来观测BEDF荧光曲线以及中心峰值，功率计用来显示BEDF输出端剩余功率，设计原理图请参照图3。

图2 路径传输长度对荧光强度影响

4 单模光纤SMF1550弯曲对测量结果的影响

BEDF光纤分别选择9.5cm和24cm，不添加匹配油，从下图可以看出，剩余功率（测量功率）随着泵浦功率增加而增加，在弯曲半径较小处有较为缓慢增长，通过比较斜率，弯曲4.9cm和1.1cm的情况下，剩余功率衰减幅度基本相同。为直观显示不同弯曲度对测量结果的影响，现统一做归一化处理，以平直光纤为归一化参照标准，定义相对增益系数曲率（Relative Gain Factor Curve，RGFC）：

式中，P（d），P（∞）分别为单模光纤SMF1550弯曲固定直径下和不弯曲下的剩余功率，当RGFC越大，表示弯曲对测量剩余功率结果的影响越大；反之，越小。当RGFC接近100%，BEDF弯曲基本对剩余功率基本没有影响，可以忽略。从图4中可以看出RGFC小于100%，说明剩余功率随直径减小而减小，在泵浦功率位于130mA～200mA处，弯曲对结果的影响基本稳定。在50mAmA～250mA的泵浦发射功率下，当d=1.1cm，弯曲对剩余功率有最大10%的影响；当d=4.9cm，有最大12%的影响。

图3 实验设计原理图

图4 SMF1550弯曲对功率影响百分比

从实验结果可以看出，荧光强度随着泵浦功率增加而增加，在1190.8nm处峰值是由铋离子引起，1535.8nm处峰值是由铒离子引起，随着泵浦功率增加，中心波长处的峰值不会改变，1000nm～1600nm波长范围内的荧光强度增速放缓趋于饱和。

从图5可以看出，随着泵浦功率增加，中心波长处的峰值不会改变，1000nm～1600nm波长范围内的荧光强度增速放缓趋于饱和。当单模光纤弯曲到4.9cm时基本对荧光强度测量没有影响，当光纤弯曲到1.1cm时对荧光强度有较大影响。

图5 SMF1550弯曲对荧光特性影响百分比

5 BEDF长度改变对测量结果的影响

BEDF光纤长度选择9.5cm，SMF1550单模光纤直径选择4.9cm，不添加匹配油，剩余功率（测量功率）随着泵浦功率增加而增加，当BEDF长度越长，剩余功率越低，增长较为缓慢，为直观显示不同长度BEDF对测量结果的影响，现统一做归一化处理，以100cm光纤为归一化参照标准，为直观显示不同弯曲度对测量结果的影响，现定义相对增益系数曲率（Relative Gain Factor Curve，RGFC）：

式中，P（L）（L取9.5cm，24cm，100cm），P（100cm）分别为BEDF光纤固定长度和长度为100cm下的剩余功率，当RGFC越大，表示长度越长对测量剩余功率结果的影响越大。从图6中可以看出，当RGFC接近0时，BEDF长度接近100cm。

图6 BEDF长度变化对功率特性影响百分比

同样为直观显示不同弯曲度对荧光特性测量结果的影响，现统一做归一化处理，以平直光纤为归一化参照标准，定义相对增益系数曲率（Relative Gain Factor Curve，RGFC）：

式中，I（d），I（∞）分别为单模光纤SMF1550弯曲固定直径下和不弯曲下的荧光强度，当RGFC越大，表示弯曲对测量荧光特性的影响越大；反之，越小。当RGFC接近100%，BEDF弯曲基本对荧光强度基本没有影响，可以忽略。从图7中可以看出，在峰值1190.8nm处，当单模光纤弯曲直径等于1.1cm或4.9cm时，RGFC接近于100%随着泵浦功率增加，所以弯曲的影响基本可以被忽略；在峰值1535.8nm处，当单模光纤弯曲直径等于d=4.9cm，RGFC接近100%，但是当单模光纤弯曲直径减少到1.1cm时，RGFC下降至50%说明1cm的弯曲半径对荧光特性轻度的影响较大。

图7 BEDF长度变化对荧光强度特性影响百分比

6 匹配油添加对测量结果的影响

BEDF光纤长度分别选择9.5cm和100cm，不弯曲拉直SMF1550光纤，分别添加匹配油和不添加匹配油。为直观显示匹配油对测量结果的影响，现统一做归一化处理，以无匹配油为归一化参照标准，同样定义相对增益系数曲率（Relative Gain Factor Curve，RGFC）：

图8 匹配油添加对功率特性影响百分比

当RGFC1或RGFC2接近100%时，添加匹配油对功率和荧光强度的的影响可以被忽略。随着泵浦功率增加，中心波长处的峰值不会改变，当匹配油添加到BEDF光纤和SMF1550单模光纤连接处，荧光峰值并未发生改变，所以，在实际测量中匹配油的作用可以被忽略。

图9 匹配油添加对荧光特性影响百分比

7 结语

本实验目标是找到影响荧光特性和浦功率变量，并且评估影响的范围大小。在本次实验中，BEDF长度，单模SMF1550弯曲程度，匹配油的添加对荧光特性和浦功率吸收有不同程度影响，当采用背向浦结构和980nm浦功率源。在BEDF长度为9.5cm和100cm时，没有任何弯曲的情况下，在实际测量中，匹配油的添加基本可以被忽略，因为最大只有3%的影响对剩余功率（浦吸收），对荧光特性（发射谱）最大只有3.5%的影响。在BEDF接入长度为9.5cm、24cm、100cm并且不添加任何匹配油情况下，SMF1550弯曲直径小于1.1cm时的影响应该被考虑，因为最大有对剩余功率10%的影响以及80%的影响对荧光特性。在SMF1550弯曲直径在1.1cm和4.9cm没有匹配油时，BEDF长度越长，荧光强度（发射谱）越强，剩余功率（浦吸收）越少，剩余功率将增加最大137%；BEDF长度从100cm下降到9.5cm时，当BEDF长度为从100cm减少到9.5cm时，荧光强度衰减到30%。因此，为了减少实际测量的误差，SMF1550弯曲直径在与BEDF光纤连接时，弯曲直径不应该小于1.1cm，匹配油的添加因素可以被忽略。除此之外，BEDF长度的改变对浦功率和吸收荧光强度有直接和明显的影响。