CN105720466B - 光纤阵列放大器 - Google Patents

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Abstract

光纤阵列放大器，属于激光技术与光纤光学领域。本发明主要包括耦合透镜、二向色镜、光纤阵列、泵浦源、光滤波器和光探测器。本发明利用掺杂稀土元素的光纤阵列作为增益介质实现对信号光的增强，具有高分辨率、高功率的特点。相对于传统的光纤放大器，具有成像分辨率高的特点。该结构设计简单、结构紧凑、能有效提高成像系统或通信系统的信号强度。

Description

光纤阵列放大器
技术领域
本发明公开了一种增强成像系统或通信系统信号强度的光纤阵列放大器，属于激光技术与光纤光学领域。
背景技术
光纤通讯技术自问世以来在全世界范围内得到飞速的发展，现今光纤通信已经成为通信网络的核心模块之一，光纤放大器因其具有增益高、带宽宽,能补偿光纤线路中光信号的衰减，能实现大容量信号长距离传输的特点在光纤通信网络中发挥着重要的作用。
目前图像增强的应用已经渗透到医学诊断、航空航天、军事侦察、指纹识别、卫星图片的处理等领域。例如对内窥镜图像进行增强，使医生更容易看清病变区域细节。
光纤放大器技术就是在光纤的纤芯中掺入能产生激光增益的稀土元素，通过泵浦源的激励，使通过的光信号得到放大。
发明内容
为了解决阵列式信号光放大的问题，发明采用一种基于掺杂稀土元素的光纤阵列作为放大器增益介质，并设计光纤阵列的二维排布形状实现光信号放大的方案实现阵列信号的高强度和高稳定性的信号输出，并且该光纤阵列激光放大器结构紧凑、体积小、成本低。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种增强成像系统或通信系统信号强度的双向泵浦光纤阵列放大器，其特征在于，主要包括泵浦源、耦合透镜、二向色镜、光纤阵列、光滤波器和光探测器，在光纤阵列(3)的一端，包括第一耦合透镜(1)、第一二向色镜(2)和第一泵浦源(7)；在光纤阵列(3)的另一端，包括第二二向色镜(4)、光滤波器(5)、第二耦合透镜(6)、第二泵浦源(8)和探测器(9)；在双向泵浦光纤阵列放大器中，输入的信号光经第一耦合透镜(1)耦合入第一二向色镜(2)，通过第一二向色镜(2)透射到光纤阵列(3)对应的一端上，第一泵浦源(7)发出的泵浦光经第一二向色镜(2)反射到光纤阵列(3)上，同时光纤阵列另一端的第二泵浦源(8)发出的泵浦光经第二二向色镜(4)也反射到光纤阵列(3)的对应的另一端上，信号光和两泵浦光通过光纤阵列(3)后的输出光透射出第二二向色镜(4)，并经光滤波器(5)会聚到第二耦合透镜(6)，继而由探测器(9)探测到放大的光信号，其中二向色镜是为了使泵浦光耦合入光纤阵列并且把剩余泵浦光从阵列输出光去除。
一种增强成像系统或通信系统信号强度的同向泵浦光纤阵列放大器，其特征在于，主要包括泵浦源、耦合透镜、二向色镜、光纤阵列、光滤波器和光探测器，在光纤阵列(3)的一端，包括第一耦合透镜(1)、第一二向色镜(2)和第一泵浦源(7)；在光纤阵列(3)的另一端，光滤波器(5)、第二耦合透镜(6)、第二泵浦源(8)和探测器(9)；输入的信号光经第一耦合透镜(1)耦合入二向色镜(2)，通过第一二向色镜(2)透射到光纤阵列(3)对应的一端上，同时第一泵浦源(7)发出的泵浦激光也经第一二向色镜(2)反射到光纤阵列(3)对应的一端上，上述的信号光和泵浦光通过光纤阵列(3)后得到放大，再经过光滤波器(5)并经第二耦合透镜(6)进行聚焦，后由光探测器(9)接收到放大的光信号，此为同向泵浦光纤阵列放大器。
进一步上述增强成像系统或通信系统信号强度的同向泵浦光纤阵列放大器，在光滤波器(5)和第二耦合透镜(6)之间还设有第二二向色镜(4)。
一种增强成像系统或通信系统信号强度的反向泵浦光纤阵列放大器，其特征在于，主要包括泵浦源、耦合透镜、二向色镜、光纤阵列、光滤波器和光探测器，在光纤阵列(3)的一端为第一耦合透镜(1)；在光纤阵列(3)的另一端，包括第二二向色镜(4)、光滤波器(5)、第二耦合透镜(6)、第一泵浦源(7)和探测器(9)输入的信号光经第一耦合透镜(1)耦合进入光纤阵列(3)的一端，第一泵浦源(7)发出的泵浦激光经第二二向色镜(4)反射进入光纤阵列(3)对应的另一端，光纤阵列(3)耦合输出光透射出第二二向色镜(4)后会聚到光滤波器(5)，再由第二耦合透镜(6)聚焦到光探测器(9)上，探测到放大的光信号。
进一步，上述一种增强成像系统或通信系统信号强度的反向泵浦光纤阵列放大器，在第一耦合透镜(1)和光纤阵列(3)之间还设有第一二向色镜(2)。
本发明所述的泵浦源是气体激光器、半导体激光器、固体激光器或光纤激光器，泵浦光的中心波长范围为：400nm—2100nm。
光纤阵列(3)中光纤套壳内的双包层光纤的排布为矩形、圆形、三角形等任意形状；光纤数量大于2。
所述的双包层光纤的内包层的形状可以为圆形、方形、六边形、八边形或D形等。
所述的光纤阵列中的光纤纤芯是掺有稀土元素的光纤或光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素可以是镨(Pr)、钕(Nd)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)中的一种或几种。
所述的耦合透镜是单个透镜或透镜组。
光纤阵列中光纤包层之间的空隙用树脂或玻璃材料作为填充层。
光纤阵列中的光纤可以替换为多模光纤，多模光纤相比于单模光纤有更大的模面积，可以把相对较低的光功率传播为更大的功率信号，并且多摸光纤可以降低光纤阵列的复杂性。
本发明第一、第二二色镜对信号光的透射率至少为80％，对泵浦光的反射率至少为80％。
本发明成像系统或通信系统信号增强的光纤阵列放大器，属于激光技术与光纤光学领域。本发明主要包括耦合透镜、二向色镜、光纤阵列、泵浦源、光滤波器和光探测器。本发明利用掺杂稀土元素的光纤阵列作为增益介质实现对信号光的增强，具有高分辨率、高功率的特点。相对于传统的光纤放大器，具有成像分辨率高的特点。该结构设计简单、结构紧凑、能有效提高成像系统或通信系统的信号强度。和现有技术相比，本发明具有如下优益效果：可以实现阵列式信号光的放大。本发明通过掺杂增益光纤的光纤阵列作为增益介质增加了输出信号的增益强度，实现了高强度和高稳定性的信号输出。本发明结构简单、操作容易、成本低廉，放大增益高,光纤阵列的结构增加结构稳定性，同时减小激光器的体积。
附图说明
图1为实例1增强成像系统或通信系统信号强度的双向泵浦光纤阵列放大器
图2为实例2增强成像系统或通信系统信号强度的同向泵浦光纤阵列放大器
图3为实例3增强成像系统或通信系统信号强度的同向泵浦光纤阵列放大器
图4为实例4增强成像系统或通信系统信号强度的反向泵浦光纤阵列放大器
图5为实例5增强成像系统或通信系统信号强度的反向泵浦光纤阵列放大器
图中：1、第一耦合透镜；2、第一二向色镜；3、光纤阵列；4、第二二向色镜、5、光滤波器；6、第二耦合透镜；7、第一泵浦源；8、第二泵浦源；9、光探测器。
具体实施方式
下面结合图示对本发明做进一步说明，但不仅局限于以下几种实施案例。
实施例1
信号光的中心波长为2000nm信号光通过耦合第一透镜(1)进行聚焦，其中耦合透镜可以为单个透镜或透镜组。经过聚焦后的信号光投射在第一二向色镜(2)上；第一泵浦源(7)选用中心波长为793nm的光纤耦合输出的半导体激光二极管，泵浦激光投射在第一二向色镜(2)上；其中二向色镜对信号光的透射率为99％，对泵浦光的反射率为99％。同时第一泵浦源(8)发射的泵浦光经第二二向色镜(4)反射到光纤阵列(3)，光纤阵列中的光纤排布成圆形，相邻光纤位置关系为三角形，其光纤为剥去涂覆层的双包层光纤，内包层形状为八边形型。其耦合输出光透射出第二二向色镜(4)后会聚到光滤波器(5)，再由第二透镜(6)聚焦到光探测器(9)上，探测到放大的光信号。
实施例2
信号光为中心波长为1064nm信号光通过第一耦合透镜(1)进聚焦，其中耦合透镜可以为单个透镜或透镜组。经过聚焦后的信号光投射在第一二向色镜(2)上；第一泵浦源(7)选用中心波长为975nm的光纤耦合输出的半导体激光二极管，泵浦激光投射在第一二向色镜(2)上；其中二向色镜对信号光的透射率为99％，对泵浦光的反射率为99％。经过二向色镜(2)后的出射光汇聚在光纤阵列(3)上。光纤阵列中的光纤排布成矩形，相邻光纤位置关系为方形，其光纤为剥去涂覆层的双包层光纤，内包层形状为八边形，再经过光滤波器(5)滤除剩余泵浦光，并经第二耦合透镜(6)进行聚焦，后由光探测器(9)接收到放大的光信号。
实施例3
信号光为中心波长为1550nm信号光通过第一耦合透镜(1)进聚焦，其中耦合透镜可以为单个透镜或透镜组。经过聚焦后的信号光投射在第一二向色镜(2)上；第一泵浦源(7)选用中心波长为980nm的光纤耦合输出的半导体激光二极管，泵浦激光投射在二向色镜上；其中第一二向色镜(2)对信号光的透射率为99％，对泵浦光的反射率为99％。经过第一二向色镜(2)后的出射光汇聚在光纤阵列(3)上。光纤阵列中的光纤排布成圆形，相邻光纤位置关系为三角形，其光纤为剥去涂覆层的双包层光纤，纤芯形状为六边形，经过光滤波器(6)消除杂波，再经过第二二向色镜(4)去除泵浦光，继而第二透镜(6)将输出光聚焦到光探测器(9)上，接收放大的光信号。
实施例4
信号光为中心波长为1064nm信号光通过第一耦合透镜(1)聚焦，其中耦合透镜可以为单个透镜或透镜组。经过聚焦后的信号光经光纤阵列(3)进行增益，光纤阵列(3)中的光纤排布成六边形，相邻光纤位置关系为三角形，其光纤为剥去涂覆层的双包层光纤，内包层形状为八边形。出射光投射在第一二向色镜(2)上，第一泵浦源(7)选用中心波长为940nm的光纤耦合输出的半导体激光二极管，泵浦激光投射在二向色镜上；其中二向色镜对信号光的透射率为99％，对泵浦光的反射率为99％。其耦合输出光透射出二向色镜后会聚到光滤波器(5)，再由第二透镜(6)聚焦到光探测器(9)上，探测到放大的光信号。
实施例5
信号光为中心波长为1064nm信号光通过第一耦合透镜(1)聚焦，其中聚焦透镜可以为单个透镜或透镜组。经过聚焦后的信号透射第一二向色镜(2)在光纤阵列(3)中进行增益，光纤阵列中的光纤排布成八边形，相邻光纤位置关系为三角形，其光纤为剥去涂覆层的双包层光纤，内包层形状为D型。出射光投射在第二二向色镜(4)上，泵浦源(7)选用中心波长为915nm的光纤耦合输出的半导体激光二极管，泵浦激光投射在二向色镜(4)上，经反射的部分泵浦光进入光纤阵列(3)后经二向色镜(2)去除。其中二色镜对信号光的透射率为99％，对泵浦光的反射率为99％。其信号光透射出二向色镜后会聚到光滤波器(5)，再由第二透镜(6)聚焦到光探测器(9)上，探测到放大的光信号。

Claims (10)

1.一种增强成像系统或通信系统信号强度的双向泵浦光纤阵列放大器，其特征在于，主要包括泵浦源、耦合透镜、二向色镜、光纤阵列、光滤波器和光探测器，在光纤阵列(3)的一端，包括第一耦合透镜(1)、第一二向色镜(2)和第一泵浦源(7)；在光纤阵列(3)的另一端，包括第二二向色镜(4)、光滤波器(5)、第二耦合透镜(6)、第二泵浦源(8)和探测器(9)；在双向泵浦光纤阵列放大器中，输入的信号光经第一耦合透镜(1)耦合入第一二向色镜(2)，通过第一二向色镜(2)透射到光纤阵列(3)对应的一端上，第一泵浦源(7)发出的泵浦光经第一二向色镜(2)反射到光纤阵列(3)上，同时光纤阵列另一端的第二泵浦源(8)发出的泵浦光经第二二向色镜(4)也反射到光纤阵列(3)的对应的另一端上，信号光和两泵浦光通过光纤阵列(3)后的输出光透射出第二二向色镜(4)，并经光滤波器(5)会聚到第二耦合透镜(6)，继而由探测器(9)探测到放大的光信号；
输入的信号光为阵列式信号光。
2.一种增强成像系统或通信系统信号强度的同向泵浦光纤阵列放大器，其特征在于，主要包括泵浦源、耦合透镜、第一二向色镜、光纤阵列、光滤波器和光探测器，在光纤阵列(3)的一端包括第一耦合透镜(1)、第一二向色镜(2)和第一泵浦源(7)；在光纤阵列(3)的另一端包括光滤波器(5)、第二耦合透镜(6)和探测器(9)；输入的信号光经第一耦合透镜(1)耦合入第一二向色镜(2)，通过第一二向色镜(2)透射到光纤阵列(3)对应的一端上，同时第一泵浦源(7)发出的泵浦激光也经第一二向色镜(2)反射到光纤阵列(3)对应的一端上，上述的信号光和泵浦光通过光纤阵列(3)后得到放大，再经过光滤波器(5)并经第二耦合透镜(6)进行聚焦，后由光探测器(9)接收到放大的光信号，此为同向泵浦光纤阵列放大器；输入的信号光为阵列式信号光。
3.按照权利要求2所述的一种增强成像系统或通信系统信号强度的同向泵浦光纤阵列放大器，其特征在于，在光滤波器(5)和第二耦合透镜(6)之间还设有第二二向色镜(4)。
4.一种增强成像系统或通信系统信号强度的反向泵浦光纤阵列放大器，其特征在于，主要包括泵浦源、耦合透镜、二向色镜、光纤阵列、光滤波器和光探测器，在光纤阵列(3)的一端为第一耦合透镜(1)；在光纤阵列(3)的另一端，包括第二二向色镜(4)、光滤波器(5)、第二耦合透镜(6)、第一泵浦源(7)和探测器(9)；
输入的信号光经第一耦合透镜(1)耦合进入光纤阵列(3)的一端，第一泵浦源(7)发出的泵浦激光经第二二向色镜(4)反射进入光纤阵列(3)对应的另一端，光纤阵列(3)耦合输出光透射出第二二向色镜(4)后会聚到光滤波器(5)，再由第二耦合透镜(6)聚焦到光探测器(9)上，探测到放大的光信号；输入的信号光为阵列式信号光。
5.按照权利要求4所述的一种增强成像系统或通信系统信号强度的反向泵浦光纤阵列放大器，其特征在于，在第一耦合透镜(1)和光纤阵列(3)之间还设有第一二向色镜(2)。
6.按照权利要求1-5任一项所述的放大器，其特征在于，泵浦源是气体激光器、半导体激光器、固体激光器或光纤激光器，泵浦光的中心波长范围为：400nm—2100nm。
7.按照权利要求1-5任一项所述的放大器，其特征在于，光纤阵列(3)中光纤套壳内的双包层光纤的排布为矩形、圆形或三角形；光纤数量大于2；双包层光纤的内包层的形状为圆形、方形、六边形、八边形或D形；光纤阵列中的光纤纤芯是掺有稀土元素的光纤或光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素可以是镨(Pr)、钕(Nd)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)中的一种或几种；光纤阵列中光纤包层之间的空隙用树脂或玻璃材料作为填充层。
8.按照权利要求1-5任一项所述的放大器，其特征在于，所述的耦合透镜是单个透镜或透镜组。
9.按照权利要求1-5任一项所述的放大器，其特征在于，第一二向色镜、第二二向色镜对信号光的透射率至少为80％，对泵浦光的反射率至少为80％。
10.按照权利要求1-5任一项所述的放大器，其特征在于，光纤阵列中的光纤为多模光纤。
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