CN100368925C

CN100368925C - 专用于光学相干层析术的受激辐射光放大宽带光纤光源

Info

Publication number: CN100368925C
Application number: CNB2005100157047A
Authority: CN
Inventors: 周大川; 梁艳梅; 孟凡勇; 朱晓农
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: CN1758129A

Abstract

本发明涉及一种专用于光学相干层析(OCT)成像的宽带光纤光源，特别是能产生单高斯峰光谱的光纤光源的设计和制作，属于光纤传感技术领域。该光源包括：980nm半导体泵浦激光二极管，1480nm半导体泵浦激光二极管，波分复用耦合器(WDM)，光耦合器，铒掺杂光纤，光隔离器和光纤光栅等。其关键技术是在进入不同级的波分复用器前，选择合适分束比的光耦合器，并采用多级长周期光纤光栅对铒离子自发光谱进行调整，使输出的宽带光谱接近单高斯峰光谱；同时采用了光控和温控器来控制激光二极管的输出以提高功率的稳定性。该发明结构简单、成本廉价、操作方便、能在常温下稳定工作。

Description

专用于光学相干层析术的受激辐射光放大宽带光纤光源

技术领域

本发明涉及一种掺铒光纤宽带光源，特别是能产生单高斯峰谱型和输出功率稳定的专用于光学相干层析术的受激辐射光放大宽带光纤光源，是光纤传感领域的一种新设计，属于光纤传感技术领域。

背景技术

由于光学相干层析术(Optical Coherence Tomography，简称OCT)具有高分辨、无损伤、快速、便携和易于与许多实用临床仪器接口等显著特点，受到了国际生物医学光子学领域和医学成像领域的高度重视。其中的关键部件---光源在研制中需要考虑波长、时间相干性、空间相干性、谱型、功率和稳定性等。其中，波长需要根据应用来选择合理的范围，对于生物样品，波长范围一般在600～1800nm之间。为了提高分辨率，要求光源具有低时间相干性和高空间相干性，其光谱宽度(3dB带宽)决定了时间相干性的大小，带宽越宽，分辨率越高。除了波长和谱宽外，光源另一个关键的参数是光源功率谱的谱型。由于在光学相干层析术中，光源光谱的逆傅立叶变换是其自相关函数，它的实部表示深度点扩散函数。在光学相干层析术中，希望该函数的大小随着远离其中心点而快速下降，并且不能有旁瓣峰。为了减小旁瓣峰，希望光源的谱型为高斯型。

目前，在OCT中采用的光源主要有：超级发光二极管(superluminescent diode，SLD)、放大的自发辐射(amplified spontaneous emission，ASE)光源及克尔透镜锁模掺钛蓝宝石激光器。克尔透镜锁模掺钛蓝宝石激光器具有带宽宽(可以达到几个微米)、功率高的优点，它的缺点是成本高、维护复杂、对环境要求高。在分辨率要求不是很高的情况下，为了实现便携式，OCT一般采用SLD或自发辐射光源。

采用SLD或ASE时，为了获得宽的带宽常常采用合成光源，即把具有临近光谱带的两个或三个光源综合起来，使之产生大的带宽。这时光源的谱型往往会出现纹波，即不是单一谱峰的波形，在它的自相关函数的包络中就会出现旁瓣峰。

SLD的缺点是寿命较短、波长稳定性差，而且功率比较小，一般在10mw以下，而且当其功率提高时，往往会产生调制峰，变成多模，使得谱型变坏。

由于固有的宽辐射谱和用半导体激光器泵浦容易获得高的输出功率而使得基于掺铒光纤放大(EDFA)的自发辐射光源(ASE)可以用于光学相干层析系统中。目前，在宽带掺铒光纤激光器的研制中，一般是把C-波段和L-波段的EDFA串联或并联，主要是用于光通讯中，考虑的是其谱峰的平坦性。而对于光学相干层析术的应用，希望其谱型为高斯谱。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、高功率、宽带、峰型尽可能接近单高斯谱、输出功率稳定的专用于光学相干层析术的受激辐射光放大宽带光纤光源。

本发明的技术方案：

这种专用于光学相干层析术的受激辐射光放大宽带光纤光源，它包括：980nm半导体泵浦激光二极管LD(1)、1480nm半导体泵浦激光二极管LD(2)、第一光控器(3)和第二光控器(4)、第一温控器(5)和第二温控器(6)、第一光耦合器(7)和第二光耦合器(8)、终端金属镀膜光纤(9)、第一980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(11)和第二980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(13)、第一1480nm/1590nm波分复用器WDM(15)和第二1480nm/1590nm波分复用器WDM(17)、第一掺铒光纤(10)、第二掺铒光纤(12)、第三掺铒光纤(14)和第四掺铒光纤(16)、光隔离器(18)和三级长周期光纤光栅(19)；其特征在于：其中第一光控器(3)和第一温控器(5)分别接980nm半导体泵浦激光二极管(1)的光功率控制端和温度控制端；980nm半导体泵浦激光二极管(1)的输出接第一光耦合器(7)的端口(c)；第一光耦合器(7)的端口(a)和(b)分别接第一980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(11)和第二980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(13)的端口(b)；第一980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(11)的端口(a)和第二980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(13)的端口(c)之间接第二掺铒光纤(12)；第一980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(11)的端口(c)接第一掺铒光纤(10)的一端；第一掺铒光纤(10)的另一端接终端金属镀膜光纤(9)；第二980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(13)的端口(a)接第三掺铒光纤(14)的一端；第三掺铒光纤(14)的另一端接第一1480nm/1590nm波分复用器WDM(15)的端口(c)；第二光控器(4)和第二温控器(6)分别接1480nm半导体泵浦激光二极管(2)的光功率控制端和温度控制端；1480nm半导体泵浦激光二极管(2)的输出接第二光耦合器(8)的端口(c)；第二光耦合器(8)的端口(a)和(b)分别接第一1480nm/1590nm波分复用器WDM(15)和第二1480nm/1590nm波分复用器WDM(17)的端口(b)；第一1480nm/1590nm波分复用器WDM(15)的端口(a)和第二1480nm/1590nm波分复用器WDM(17)的端口(c)之间接第四掺铒光纤(16)；第二1480nm/1590nm波分复用器WDM(17)的端口(a)接光隔离器(18)的一端；光隔离器(18)的另一端与三级长周期光纤光栅(19)相连接。

本发明的有益效果：本发明通过980nm·LD和1480nm LD对掺铒光纤基态原子的激发后，使铒离子激发到高能态，处于高能态的饵离子自发辐射回基态，产生宽带光谱，使该输出的光源实现了中心波长在1560nm，带宽大于75nm的宽带光谱。由于采用了合适分束比的光耦合器，并采用多级长周期光纤光栅对铒离子自发光谱进行调整，使输出的宽带光谱接近单高斯峰光谱；同时采用了光控器和温控器来控制激光二极管的输出提高了功率的稳定性。

用该发明得到的OCT深度点扩散函数中的旁瓣峰大大减小，改善了光学相干层析术的有效分辨率。该发明结构简单、成本廉价、操作方便、能在常温下稳定工作。

附图说明

图1是本发明的宽带光纤激光器结构组成示意图。

图中：1.980nm半导体泵浦激光二极管2.1480nm半导体泵浦激光二极管3.第一光控器4.第二光控器5.第一温控器6.第二温控器7.第一光耦合器8.第二光耦合器9.终端金属镀膜光纤10.第一掺铒光纤11.第一980nm/1550nm波分复用耦合器(WDM)12.第二掺铒光纤13.第二980nm/1550nm波分复用耦合器(WDM)14.第三掺铒光纤15.第一1480nm/1590nm波分复用耦合器(WDM)16.第四掺铒光纤17.第二1480nm/1590nm波分复用耦合器(WDM)18.光隔离器19.光纤光栅。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的具体说明：

这种专用于光学相干层析术的受激辐射光放大宽带光纤光源，它包括：980nm半导体泵浦激光二极管LD 1、1480nm半导体泵浦激光二极管LD 2、两个光控器3和4、两个温控器5和6、两个光耦合器7和8、终端金属镀膜光纤9、波分复用耦合器WDM 11和13、波分复用耦合器WDM 15和17、掺铒光纤10、12、14和16、光隔离器18和光纤光栅19；其特点在于：其中980nm半导体泵浦激光二极管1的输出接光耦合器7的端口c；光耦合器7的端口a和b分别接WDM 11和13的端口b；WDM 11端口a和WDM 13的端口c之间接掺铒光纤12；WDM 11的端口c接掺铒光纤10的一端；掺铒光纤10的另一端接终端金属镀膜光纤9；WDM 13的端口a接掺铒光纤14的一端；掺铒光纤14的另一端接WDM 15的端口c；1480nm半导体泵浦激光二极管2的输出接光耦合器8的端口c；光耦合器8的端口a和b分别接WDM 15和17的端口b；WDM 15的端口a和17的端口c之间接掺铒光纤16；WDM 17的端口a接光隔离器18的一端；光隔离器18的另一端与光纤光栅19相连接。

光纤光栅19是三级长周期光纤光栅。

从980nm半导体泵浦激光二极管1的输出的光在进入波分复用耦合器WDM 11和13之前增加了光耦合器7。

从1480nm半导体泵浦激光二极管2输出的光在进入波分复用耦合器WDM 15和17之前要经过光耦合器8。

光控器3和4分别控制980nm半导体泵浦激光二极管1和1480nm半导体泵浦激光二极管2输出光的功率。

选择长度合适的掺铒光纤10、12、14、和16，由泵浦光激励，作为增益介质。

980nmLD的泵浦光从WDM输入掺铒光纤，泵浦光在掺铒光纤中被吸收，产生并放大C波段自发辐射光。在掺铒光纤10的另一端接终端金属镀膜光纤10，其光反射面对980nm和1550nm的光均反射，从而可以使980nm的泵浦光在光纤中得到充分吸收，以提高泵浦效率，增大自发辐射的光功率。同样，1480nmLD的泵浦光使掺铒光纤产生L波段自发辐射光。

采甲三个直接串接的用线性腔(3×10mm钢管)封装的长周期光纤光栅，它们分别在1530nm和1567nm处衰减光谱，使输出光的光谱平坦化，消除其中的调制谱峰。

使用了合适分束比的光耦合器7和8，使得光在传输通道内互补，调整光的谱型，同时，增加光功率的稳定性。

作为前向和后向泵浦源的980nmLD 1和1480nmLD 2的控制端分别接光控器3和4温控器5和6。光控器3和4可以对泵浦源输出功率的精确控制。温控器5和温控器6控制泵浦源的工作温度，减小温度变化对泵浦源输出波长和功率稳定性的影响，并防止温度过高影响泵浦源的使用寿命。

由于掺铒光纤产生的自发辐射光无方向性，会引起功率、波长的不稳定，产生噪声，因此在输出端放置了光隔离器。其作用是衰减返回的光，以避免引起光源工作的不稳定，产生频率的漂移和幅度的变化。

Claims

1.一种专用于光学相干层析术的受激辐射光放大宽带光纤光源，它包括：980nm半导体泵浦激光二极管LD(1)、1480nm半导体泵浦激光二极管LD(2)、第一光控器(3)和第二光控器(4)、第一温控器(5)和第二温控器(6)、第一光耦合器(7)和第二光耦合器(8)、终端金属镀膜光纤(9)、第一980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(11)和第二980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(13)、第一1480nm/1590nm波分复用器WDM(15)和第二1480nm/1590nm波分复用器WDM(17)、第一掺铒光纤(10)、第二掺铒光纤(12)、第三掺铒光纤(14)和第四掺铒光纤(16)、光隔离器(18)和三级长周期光纤光栅(19)；其特征在于：其中第一光控器(3)和第一温控器(5)分别接980nm半导体泵浦激光二极管(1)的光功率控制端和温度控制端；980nm半导体泵浦激光二极管(1)的输出接第一光耦合器(7)的端口(c)；第一光耦合器(7)的端口(a)和(b)分别接第一980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(11)和第二980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(13)的端口(b)；第一980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(11)的端口(a)和第二980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(13)的端口(c)之间接第二掺铒光纤(12)；第一980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(11)的端口(c)接第一掺铒光纤(10)的一端；第一掺铒光纤(10)的另一端接终端金属镀膜光纤(9)；第二980nm/1550nm波分复用耦合器WDM(13)的端口(a)接第三掺铒光纤(14)的一端；第三掺铒光纤(14)的另一端接第一1480nm/1590nm波分复用器WDM(15)的端口(c)；第二光控器(4)和第二温控器(6)分别接1480nm半导体泵浦激光二极管(2)的光功率控制端和温度控制端；1480nm半导体泵浦激光二极管(2)的输出接第二光耦合器(8)的端口(c)；第二光耦合器(8)的端口(a)和(b)分别接第一1480nm/1590nm波分复用器WDM(15)和第二1480nm/1590nm波分复用器WDM(17)的端口(b)；第一1480nm/1590nm波分复用器WDM(15)的端口(a)和第二1480nm/1590nm波分复用器WDM(17)的端口(c)之间接第四掺铒光纤(16)；第二1480nm/1590nm波分复用器WDM(17)的端口(a)接光隔离器(18)的一端；光隔离器(18)的另一端与三级长周期光纤光栅(19)相连接。

2.根据权利要求书1中所述的专用于光学相干层析术的受激辐射光放大宽带光纤光源，其特征在于：第一掺铒光纤(10)、第二掺铒光纤(12)、第三掺铒光纤(14)和第四掺铒光纤(16)作为增益介质。

3.根据权利要求书1所述的专用于光学相干层析术的受激辐射光放大宽带光纤光源，其特征在于：光纤光栅(19)是三级长周期光纤光栅。