CN117498142A - 一种光信号放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光信号放大装置，包括：光信号发生器，被配置为输出种子光；第一窄带泵浦源，被配置为输出第一窄带泵浦光束；第二窄带泵浦源，被配置为输出第二窄带泵浦光束；掺磷硅基光纤，被配置为接收所述第一窄带泵浦光束、第二窄带泵浦光束和种子光，其中，第一窄带泵浦光束基于非线性效应激发掺磷硅基光纤中的第一元素，引起种子光的第一拉曼放大；第二窄带泵浦光束基于非线性效应激发掺磷硅基光纤中的第二元素，引起种子光的第二拉曼放大。本发明还提供了另一种结构的光信号放大装置。本发明提供的光信号放大装置放大效果更好，适配范围广。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种光信号放大装置。
背景技术
激光技术在量子光学、激光雷达、相干光学通信、高精度光学传感、光学测量和精密光谱学等研究领域有着重要的应用价值，在光通信中，信息通过光纤或其他光介质以光信号的形式传送，虽然光纤通信中损耗较低，但在长距离传输中，依旧需要对光信号进行放大处理。
在拉曼光谱中，激发原子或分子的光子能量与散射出的光子能量具有一定的频率差值，该频率差与激发原子或分子的振动能量相对应。拉曼放大器基于拉曼效应，使输入光信号在光纤中传输时，与光纤中的介质分子相互作用发生拉曼散射而产生频移，并以该频率为中心进行光放大，从而实现光信号的放大。因此，拉曼放大器具有波长可调、损耗低的特点，是在光信号处理
拉曼放大器是一种低损耗且灵活可调的常用光学放大器，其利用拉曼散射原理实现光学放大。现有技术中的拉曼放大器中，通常使用一个泵浦光源来激发其中的一种元素来获取拉曼放大的结果，但该方法放大效果较差；进一步的，现有技术中亦有方案提出使用一个宽波长范围的泵浦光源来同时激发光纤中多个元素的拉曼放大，但宽波长范围的泵浦光能量密度低，导致放大效果依旧较差，无法满足光通信的要求。
基于以上，本申请提供了解决以上技术问题的技术方案。
发明内容
针对现有技术中拉曼放大器放大效率较差的场景，本发明提供了一种光信号放大装置，包括：
光信号发生器，被配置为输出种子光，所述种子光频率为F；
第一窄带泵浦源，被配置为输出第一窄带泵浦光束，所述第一窄带泵浦光束频率为F1；
第二窄带泵浦源，被配置为输出第二窄带泵浦光束，所述第二窄带泵浦光束频率为F2；
掺磷硅基光纤，被配置为接收所述第一窄带泵浦光束、第二窄带泵浦光束和种子光，其中，
第一窄带泵浦光束基于非线性效应激发掺磷硅基光纤中的第一元素，引起种子光的第一拉曼放大；
第二窄带泵浦光束基于非线性效应激发掺磷硅基光纤中的第二元素，引起种子光的第二拉曼放大。
在本发明的一个具体实施方式中，所述第一元素为硅元素，所述第二元素为磷元素。
在本发明的一个具体实施方式中，所述第一窄带泵浦光束频率F1的表达式为F1＝F+FSi±2THz，所述第二窄带泵浦光束频率F2的表达式为F2＝F+FP±0.5THz，其中，FSi＝13.2THz，FP＝39.6THz。
在本发明的一个具体实施方式中，还包括：
所述光信号发生器、第一窄带泵浦源以及第二窄带泵浦源位于所述掺磷硅基光纤的同一端侧。
在本发明的一个具体实施方式中，还包括：
所述光信号发生器位于所述掺磷硅基光纤的一端侧，所述第一窄带泵浦源、第二窄带泵浦源位于所述掺磷硅基光纤的另一端侧。
在本发明的一个具体实施方式中，所述光信号发生器与所述第一窄带泵浦源位于所述掺磷硅基光纤的同一端侧，所述第二窄带泵浦源位于所述掺磷硅基光纤的另一端侧。
在本发明的一个具体实施方式中，所述光信号发生器与所述第二窄带泵浦源位于所述掺磷硅基光纤的同一端侧，所述第一窄带泵浦源位于所述掺磷硅基光纤的另一端侧。
在本发明的一个具体实施方式中，还包括波分复用模块，所述波分复用模块中包括若干个波分复用器，所述波分复用模块用于将若干个不同波长的输入光信号耦合到所述掺磷硅基光纤中。
本发明还提供一种光信号放大装置，包括：
光信号发生器，被配置为输出种子光，所述种子光频率为F；
窄带泵浦源，被配置为输出窄带泵浦光束；
若干个频移种子光发生器，用于发出频移种子光；
掺磷硅基光纤，被配置为接收所述窄带泵浦光束、种子光和频移种子光，
其中，
窄带泵浦光束基于非线性效应激发掺磷硅基光纤中的第一元素与第二元素，引起种子光的拉曼放大。
在本发明的一个具体实施方式中，所述第一元素为硅元素，所述第二元素为磷元素。
在本发明的一个具体实施方式中，频移激光发生器数量为2，分别用于发出一级频移种子光和二级频移种子光；
其中，
Fa＝F+FSi，Fb＝F+2FSi，Fa为一级频移种子光的频率，Fb为二级频移种子光的频率，其中，FSi＝13.2THz。
本发明能够带来以下至少一种有益效果：
1、本发明方案中设置了两个窄带泵浦光源窄波长的泵浦光能量密度更大，分别使用两个窄波长的泵浦光分别激发掺磷硅基光纤中的两种元素，使得对应的增益谱的宽度更窄，放大效果更好，能够适配多种情形。
2、本发明还设置了一种级联式的光信号放大装置，利用磷的拉曼增益频移为硅的拉曼增益频移的三倍的特点，通过注入多级频移种子光，进一步强化放大效果。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1为掺磷硅基光纤的增益谱示意图；
图2为实施例一中光信号放大装置的一种结构示意图；
图3为实施例一中光信号放大装置的另一种结构示意图；
图4为实施例一中光信号放大装置的另一种结构示意图；
图5为实施例一中光信号放大装置的另一种结构示意图；
图6为实施例二中光信号放大装置的结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的各个方面进行进一步详述。
除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明中。
以下对术语进行说明。
除非另有明确的规定和限定，本发明中所述的“或”，包含了“和”的关系。所述“和”相当于布尔逻辑运算符“AND”，所述“或”相当于布尔逻辑运算符“OR”，而“AND”是“OR”的子集。
本发明中，术语“含有”、“包含”或“包括”表示各种成分可一起应用于本发明的混合物或组合物中。因此，术语“主要由...组成”包含在术语“含有”、“包含”或“包括”中。
除非另有明确的规定和限定，本发明的术语“相连”、“连通”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中介媒介间相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
例如，如果一个元件(或部件)被称为在另一个元件上、与另一个元件耦合或者与另一个元件连接，那么所述一个元件可以直接地在所述另一个元件上形成、与之耦合或者与之连接，或者在它们之间可以有一个或多个介于中间的元件。相反，如果在此使用表述“直接在......上”、“直接与......耦合”和“直接与......连接”，那么表示没有介于中间的元件。用来说明元件之间的关系的其他词语应该被类似地解释，例如“在......之间”和“直接在......之间”、“附着”和“直接附着”、“相邻”和“直接相邻”等等。
另外需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。可以理解到，在此，这些术语用来描述如在附图中所示的一个元件、层或区域相对于另一个元件、层或区域的关系。除了在附图中描述的取向之外，这些术语应该也包含装置的其他取向。
本发明的其它方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。例如，在附图中的元件的厚度可以为了清楚性起见而被夸张。
实施例一
针对现有技术中拉曼放大器放大效率无法满足光通信传输要求的技术空白，如附图本发明提供了一种光信号放大装置，包括：
光信号发生器1，被配置为输出种子光，所述种子光频率为F。
具体的，种子光为需要被放大的光信号，种子光为激光。
第一窄带泵浦源2，被配置为输出第一窄带泵浦光束，所述第一窄带泵浦光束频率为F1。
第二窄带泵浦源3，被配置为输出第二窄带泵浦光束，所述第二窄带泵浦光束频率为F2。
具体的，泵浦光是可以把发光原子或分子提升升到高能级的光。
掺磷硅基光纤4，被配置为接收所述第一窄带泵浦光束、第二窄带泵浦光束和种子光。
具体的，掺磷硅基光纤可以为磷酸盐光纤、多组分光纤或氟化物光纤等。更具体的，掺磷硅基光纤也可以选用商用型号CJPDF-SM-5/125，优选的，掺磷硅基光纤长度为150m。
应当理解，上述仅为示例，包括但不限于的光纤型号及长度，只要不对本发明的发明目的产生限制任何形式的增加或删减都应当被包含在本发明的主旨内。
参见附图1示出的掺磷硅基光纤的增益谱，增益谱的横轴单位为cm-1，代表波数，频率(Hz)＝波数(m-1)*光速。第一窄带泵浦光束与第二窄带泵浦光束分别用于激发增益谱中的两个峰值，具体的，第一窄带泵浦光束基于非线性效应激发掺磷硅基光纤中的第一元素，引起种子光的第一拉曼放大；第二窄带泵浦光束基于非线性效应激发掺磷硅基光纤中的第二元素，引起种子光的第二拉曼放大。
在一个优选的实施例中，所述第一元素为硅元素，即，第一窄带泵浦光束基于非线性效应激发掺磷硅基光纤中的硅元素，F1＝F+FSi±2THz。其中，FSi＝13.2THz。
在一个优选的实施例中，所述第二元素为磷元素，即，第二窄带泵浦光束基于非线性效应激发掺磷硅基光纤中的磷元素，F2＝F+FP±0.5THz。其中，FP＝39.6THz。
在一个优选的实施例中，所述光信号放大装置还包括波分复用模块5，所述波分复用模块中包括若干个波分复用器，所述波分复用模块5用于将若干个不同波长的输入光信号耦合到所述掺磷硅基光纤4中。
在一个优选的实施例中，如附图2所示，所述光信号发生器1、第一窄带泵浦源2以及第二窄带泵浦源3位于所述掺磷硅基光纤4的同一端侧，波分复用模块5中包含一个波分复用器，位于光信号发生器与掺磷硅基光纤4之间，用于将种子光与第一窄带泵浦光束、第二窄带泵浦光束耦合到掺磷硅基光纤4中。
在一个优选的实施例中，如附图3所示，所述光信号发生器1位于所述掺磷硅基光纤4的一端侧，第一窄带泵浦源2与第二窄带泵浦源3位于所述掺磷硅基光纤4的另一端侧，波分复用模块5中包含一个波分复用器，位于第一窄带泵浦源2、第二窄带泵浦源3与掺磷硅基光纤4之间，用于将第一、第二窄带泵浦光束耦合到掺磷硅基光纤4中。
在一个优选的实施例中，如附图4所示，所述光信号发生器1与所述第一窄带泵浦源2位于所述掺磷硅基光纤的同一端侧，所述第二窄带泵浦源3位于所述掺磷硅基光纤4的另一端侧，波分复用模块5中包含两个波分复用器，第一波分复用器用于将种子光与第一窄带泵浦光束耦合到掺磷硅基光纤4中，第二波分复用器用于将第二窄带泵浦光束耦合到掺磷硅基光纤4中。
在一个优选的实施例中，所述光信号发生器1与所述第二窄带泵浦源3位于所述掺磷硅基光纤4的同一端侧，所述第一窄带泵浦源2位于所述掺磷硅基光纤4的另一端侧。
本发明提出的光信号放大装置可以根据实际需要灵活调整结构，能够适用于多种需要对种子光进行放大处理的场景，兼容性能强。
更具体而言，在实际运用中，种子光选用波长为1240.0nm的激光，即激光频率为241.77THz，种子光功率为20mW，第一窄带泵浦光束选用波长为1184.4nm的激光，第二窄带泵浦光束选用波长为1064.0nm的激光，第一、第二窄带泵浦光束功率为10W。由于拉曼增益谱有一定的宽度，第一窄带泵浦光束频率为254.97THz±2THz，第二窄带泵浦光束频率为281.37THz±0.5THz。
此时，测得放大后激光输出功率为13W；若仅输入第一窄带泵浦光束，放大后激光输出功率为5W；若仅输入第二窄带泵浦光束，放大后激光输出功率为3W。
此外，若种子光选用波长为1178.0nm的激光，即激光频率为254.49THz，种子光功率为15mW，第一窄带泵浦光束选用波长为1119.9nm的激光，第二窄带泵浦光束选用波长为1018.0nm的激光，第一、第二窄带泵浦光束功率为12W。由于拉曼增益谱有一定的宽度，第一窄带泵浦光束频率为267.69THz±2THz，第二窄带泵浦光束频率为294.09THz±0.5THz。
此时，测得放大后激光输出功率为16W；若仅输入第一窄带泵浦光束，放大后激光输出功率为6W；若仅输入第二窄带泵浦光束，放大后激光输出功率为4W。
可见，本发明提出的光信号放大装置相比仅输入单泵浦光束的的放大效果更好，能够满足光通信的需求。
本实施例中涉及的波长，均是激光在真空中测得的波长。
应当理解的是，尽管术语“第一”、“第二”等等可以在此用来说明不同的元件，但是这些结构不应被这些术语限制。这些术语仅仅用来将一个结构与另一个结构区分开。因此，第一窄带泵浦源可以被称为第二窄带泵浦源，而不背离本发明构思的教导。
实施例二
参见附图5，为本发明的另一个具体实施方式的光信号放大装置的示意图。光信号放大装置中包括：
光信号发生器1，被配置为输出种子光，所述种子光频率为F；
窄带泵浦源6，被配置为输出窄带泵浦光束；
若干个频移种子光发生器，用于发出频移种子光；
掺磷硅基光纤4，被配置为接收所述窄带泵浦光束、种子光和频移种子光。
具体的，掺磷硅基光纤可以为磷酸盐光纤、多组分光纤或氟化物光纤等。更具体的，掺磷硅基光纤也可以选用商用型号CJPDF-SM-5/125，优选的，掺磷硅基光纤长度为160m。
应当理解，上述仅为示例，包括但不限于的光纤型号及长度，只要不对本发明的发明目的产生限制任何形式的增加或删减都应当被包含在本发明的主旨内。
窄带泵浦光束基于非线性效应激发掺磷硅基光纤中的第一元素与第二元素，引起种子光的拉曼放大。
在一个优选的实施例中，所述第一元素为硅元素，所述第二元素为磷元素。
在一个优选的实施例中，频移激光发生器数量为2，第一频移激光发生器7用于发出一级频移种子光，第二频移激光发生器8用于发出二级频移种子光；由于磷的拉曼增益频移(39.6THz)为硅的拉曼增益频移(13.2THz)的三倍的特点，本实施例基于级联原理加入了一级频移种子光和二级频移种子光实现了针对种子光的多次放大，其中，Fa＝F+FSi，Fb＝F+2FSi，Fa为一级频移种子光的频率，Fb为二级频移种子光的频率，FSi＝13.2THz。
本实施例中的光信号放大装置通过增加的一级频移种子光和二级频移种子光，进一步强化了光信号放大装置的放大效果，放大性能更强。
在一个优选的实施例中，所述光信号放大装置还包括波分复用模块5，所述波分复用模块5用于将种子光、窄带泵浦光束、一级频移种子光和二级频移种子光耦合到所述掺磷硅基光纤4中。
更具体而言，在实际运用中，种子光选用波长为1176.2nm的激光，即激光频率为254.89THz，种子光功率为15mW，窄带泵浦光束选用波长为1018.0nm的激光，窄带泵浦光束功率为20W。由于拉曼增益谱有一定的宽度，窄带泵浦光束频率为294.49THz±0.5THz。一级频移种子光波长为1065.8nm，频率为281.29THz，二级频移种子光波长为1118.3nm，频率为268.09THz，一级、二级频移种子光波长均为10mW。
此时，测得放大后激光输出功率为12W；若未输入一级、二级频移种子光，放大后激光输出功率仅为10W。
可见，本实施例提出的级联式光信号放大装置的放大性能更加优秀，能够适配更多的应用场景。
需要注意的是，本发明的每个具体实施方式的单个或多个技术特征可以和其他实施方式的单个或多个技术特征进行组合，这些组合都属于本发明的保护范围。
本实施例中涉及的波长，均是激光在真空中测得的波长。
应当理解的是，尽管术语“第一”、“第二”等等可以在此用来说明不同的元件，但是这些结构不应被这些术语限制。这些术语仅仅用来将一个结构与另一个结构区分开。因此，第一频移种子光发生器可以被称为第二频移种子光发生器，而不背离本发明构思的教导。
综上，本发明提出的光信号放大装置获得了如下效果：
1、本发明方案中设置了两个窄带泵浦光源窄波长的泵浦光能量密度更大，分别使用两个窄波长的泵浦光分别激发掺磷硅基光纤中的两种元素，使得对应的增益谱的宽度更窄，放大效果更好。
2、本发明还设置了一种级联式的光信号放大装置，利用磷的拉曼增益频移为硅的拉曼增益频移的三倍的特点，通过注入多级频移种子光，进一步强化放大效果。
基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (11)
1.一种光信号放大装置，其特征在于，包括：
光信号发生器，被配置为输出种子光，所述种子光频率为F；
第一窄带泵浦源，被配置为输出第一窄带泵浦光束，所述第一窄带泵浦光束频率为F1；
第二窄带泵浦源，被配置为输出第二窄带泵浦光束，所述第二窄带泵浦光束频率为F2；
掺磷硅基光纤，被配置为接收所述第一窄带泵浦光束、第二窄带泵浦光束和种子光，其中，
第一窄带泵浦光束基于非线性效应激发掺磷硅基光纤中的第一元素，引起种子光的第一拉曼放大；
第二窄带泵浦光束基于非线性效应激发掺磷硅基光纤中的第二元素，引起种子光的第二拉曼放大。
2.根据权利要求1所述的光信号放大装置，其特征在于，所述第一元素为硅元素，所述第二元素为磷元素。
3.根据权利要求2所述的光信号放大装置，其特征在于，所述第一窄带泵浦光束频率F1的表达式为F1＝F+FSi±2THz，所述第二窄带泵浦光束频率F2的表达式为F2＝F+FP±0.5THz，其中，FSi＝13.2THz，FP＝39.6THz。
4.根据权利要求3所述的光信号放大装置，其特征在于，所述光信号发生器、第一窄带泵浦源以及第二窄带泵浦源位于所述掺磷硅基光纤的同一端侧。
5.根据权利要求3所述的光信号放大装置，其特征在于，所述光信号发生器位于所述掺磷硅基光纤的一端侧，所述第一窄带泵浦源、第二窄带泵浦源位于所述掺磷硅基光纤的另一端侧。
6.根据权利要求3所述的光信号放大装置，其特征在于，所述光信号发生器与所述第一窄带泵浦源位于所述掺磷硅基光纤的同一端侧，所述第二窄带泵浦源位于所述掺磷硅基光纤的另一端侧。
7.根据权利要求3所述的光信号放大装置，其特征在于，所述光信号发生器与所述第二窄带泵浦源位于所述掺磷硅基光纤的同一端侧，所述第一窄带泵浦源位于所述掺磷硅基光纤的另一端侧。
8.根据权利要求4-6中任一项所述的光信号放大装置，其特征在于，还包括波分复用模块，所述波分复用模块中包括若干个波分复用器，所述波分复用模块用于将若干个不同波长的输入光信号耦合到所述掺磷硅基光纤中。
9.一种光信号放大装置，其特征在于，包括：
光信号发生器，被配置为输出种子光，所述种子光频率为F；
窄带泵浦源，被配置为输出窄带泵浦光束；
若干个频移种子光发生器，用于发出频移种子光；
掺磷硅基光纤，被配置为接收所述窄带泵浦光束、种子光和频移种子光，
其中，
窄带泵浦光束基于非线性效应激发掺磷硅基光纤中的第一元素与第二元素，引起种子光的拉曼放大。
10.根据权利要求8所述的激光放大装置，其特征在于，包括：
所述第一元素为硅元素，所述第二元素为磷元素。
11.根据权利要求8所述的激光放大装置，其特征在于，频移激光发生器数量为2，分别用于发出一级频移种子光和二级频移种子光；
其中，Fa＝F+FSi，Fb＝F+2FSi，Fa为一级频移种子光的频率，Fb为二级频移种子光的频率，其中，FSi＝13.2THz。
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