一种铒镱共掺双包层双环形的少模增益光纤

1.本发明属于模分复用技术领域，更具体地，涉及一种铒镱共掺双包层双环形的少模增益光纤。


背景技术：

2.随着大数据、云服务和物联网的发展，人们对现有通信网络的容量需求呈现指数型增长。然而，现有单模光纤通信系统的传输容量已经趋近香农极限，因此，开发新的信息传输维度来满足日益增长的容量需求变得十分迫切。在单模光纤的其他复用维度如：时分复用、偏振复用、正交频分复用、波分复用等被充分利用的基础上，空分复用在大容量光纤通信系统中得到广泛关注并迅速发展。
3.空分复用技术包括芯分复用和模分复用，芯分复用是指利用多芯光纤的每一个纤芯作为独立的传输通道进行信号的传输；而模分复用技术是利用少模光纤传输少量空间模式，将不同信道的信号加载到每一个模式上，利用模式的正交性，进行信号的传输。基于少模光纤的空分复用传输系统可以实现多个信道同时传输，使得传输容量成倍增长。采用少模光纤作为传输线的空分复用技术要实现长距离传输，少模掺铒光纤放大器是补偿少模传输系统传输损耗的关键器件。然而，在光放大的过程中，每个信号模式光场、泵浦光场、以及铒离子分布三者在光纤横截面上的重叠不一致，导致不同的模式在少模光纤中放大所获得增益不相同，高差分模态增益会导致传输受限，因此在少模掺铒光纤放大器中最小化差分模态增益至关重要。
4.现有的减小少模掺铒光纤放大器差分模态增益的方法主要有两种：(1)调控泵浦模式配比。改变泵浦的模式，调整功率配比减小每个信号模式光场、泵浦光场以及铒离子分布三者的重叠因子的差异，实现模式间的增益均衡，但是这种方式只是通过改变泵浦光强的信息，均衡增益能力有限。(2)设计少模增益光纤的掺杂离子分布及折射率剖面。通过设计少模掺铒光纤的铒离子分布以及铒离子浓度，降低模式间重叠因子的差异；通过设计折射率剖面，可以调整光纤各种模式的模场分布，增大信号光与泵浦光的重叠积分因子，实现模式间的增益均衡。这种方式通过设计特殊结构的光纤来均衡模式间的增益，具有更好的效果。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铒镱共掺双包层双环形的少模增益光纤，其目的在于通过设计环形掺杂光纤，可以有效地降低各模式的重叠因子差异，解决现有技术无法在保证少模掺铒光纤放大器增益的同时降低差分模态增益的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种铒镱共掺双包层双环形的少模增益光纤，由内而外包括：纤芯1-2、内环1-1、内包层1-4和外包层1-5，且内包层1-4中间设有外环1-3；其中，
7.纤芯1-2、内环1-1、外环1-3和外包层1-5的横截面均为圆形；内包层1-4的横截面为不规则多边形；
8.纤芯1-2由掺杂离子的石英材料制作；内环1-1和外环1-3掺杂有稀土离子，稀土离子包括铒离子和镱离子；
9.折射率从纤芯1-2到与内包层1-4的交界处逐渐减小，在内包层1-4内保持不变，外包层1-5的折射率低于内包层1-4的折射率。
10.在其中一个实施例中，内包层1-4的横截面为“d”形、偏心圆形或“梅花”形。
11.在其中一个实施例中，外环1-3的内径大于或等于内环1-1的外径；外环1-3的外径小于或等于内包层1-4对应内切圆的半径；外环1-3的宽度能够调节。
12.在其中一个实施例中，纤芯1-2的直径低于20微米。
13.在其中一个实施例中，内环1-1的内径为纤芯1-2半径的0.48倍，内包层1-4的直径在125微米左右。
14.在其中一个实施例中，当少模增益光纤作为增益介质时，利用多模泵浦光源对其进行包层泵浦。
15.在其中一个实施例中，泵浦方式采用前向泵浦或后向泵浦。
16.按照本发明的另一方面，提供了一种少模掺铒光纤放大器，包括：
17.信号光提供装置，用于提供信号光；
18.多模泵浦光源，出射泵浦光；
19.合束器，用于将信号光和泵浦光进行合束得到耦合光；
20.上述少模增益光纤，设置在耦合光的出射光路上，用于对耦合光进行放大得到放大光；
21.光谱探测装置，设置在放大光的传输光路上，用于采集放大光的光斑，并测量其功率。
22.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
23.(1)能够解决现有少模光纤在实现多个模式同时放大的情况下难以实现增益均衡的缺点：在少模掺铒光纤放大器进行光放大的过程中，每个信号模式光场、泵浦光场、以及铒离子分布三者在光纤横截面上的重叠不一致，导致不同的模式在少模光纤中放大所获得增益不相同，高差分模态增益会导致传输受限。现有的减小少模掺铒光纤放大器差分模态增益的方法主要有两种：一是通过调控泵浦模式配比，二是设计少模增益光纤的掺杂离子分布及折射率剖面。本发明通过设计环形掺杂光纤，可以有效地降低各模式的重叠因子差异大的问题，能够在一定程度上均衡增益。
24.(2)环形掺杂光纤在一定程度上可以降低差分模态增益，但由于只在环形区域内掺杂，极大地降低了增益光纤的稀土离子含量，因此环形区域内的一定的铒离子浓度使得少模掺铒光纤放大器的增益降低，而一味的提高掺铒光纤中的铒离子浓度会产生“团簇”现象。本发明设计了铒镱双包层双环形的增益光纤，一方面通过引入镱离子来提高铒离子的掺杂含量进而提高各个模式的增益，另一方面通过在内包层中加入一个外环，对信号模式的消逝场尾部进行利用，进一步提高增益。
附图说明
25.图1是本发明一实施例提供的铒镱共掺双包层双环形的少模光纤的截面图；
26.图2是本发明一实施例提供的铒镱共掺双包层双环形的少模光纤的折射率分布图及掺杂离子浓度图；
27.图3是本发明一实施例提供的铒镱共掺双包层双环形的少模光纤用于少模掺铒光纤放大器的结构示意图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.本发明提供了一种铒镱共掺双包层双环形的少模增益光纤，如图1所示，其截面示意图如图1所示，少模增益光纤由内而外包括：纤芯1-2、内环1-1、内包层1-4和外包层1-5，且内包层1-4中间设有外环1-3；其中，纤芯1-2、内环1-1、外环1-3和外包层1-5的横截面均为圆形；内包层1-4的横截面为不规则多边形；纤芯1-2由掺杂离子的石英材料制作；内环1-1和外环1-3掺杂有稀土离子，稀土离子包括铒离子和镱离子；折射率从纤芯1-2到与内包层1-4的交界处逐渐减小，在内包层1-4内保持不变，外包层1-5的折射率低于内包层1-4的折射率。
30.本发明提供了一种铒镱共掺双包层双环形的少模增益光纤包括内环1-1、纤芯1-2、外环1-3、内包层1-4和外包层1-5，纤芯1-2包裹住内环1-1，外环1-3处于纤芯1-2之外、内包层1-4之内，外包层1-5包裹住内包层1-4，整体构成双包层双环形少模增益光纤。其中，纤芯1-2、内环1-1、外环1-3、外包层1-5的横截面为圆形，内包层1-4的横截面为“d”形、偏心圆形或多边形，本专利以“d”形为例。内环1-1的外径内切于纤芯1-2，外环1-3的内径大于纤芯1-2的半径，外环1-3的外径不大于内包层1-4的内切圆半径。少模增益光纤的折射率分布为渐变折射率分布，双环内的掺杂稀土离子为铒离子和镱离子。
31.其中，在根据实际应用的光纤设计中，纤芯1-2的直径不大于20微米，内环1-1的内径为纤芯1-2半径的0.48倍，外环1-3的内径大于纤芯1-2的半径，外环1-3的外径不大于内包层1-4的内切圆半径，外环1-3的宽度可进行适当的优化调节；内包层1-4的直径在125微米左右，外包层1-5的直径大于内包层1-4直径。增益光纤采用掺杂离子的石英材料制作，只在双环内进行稀土离子掺杂，掺杂的稀土离子为铒离子和镱离子，掺杂离子的浓度可进行适当的优化调节。图2是本发明一种铒镱共掺双包层双环形的少模光纤的折射率分布图及掺杂离子浓度图。
32.在其中一个实施例中，内包层1-4的横截面为“d”形、偏心圆形或“梅花”形。
33.在其中一个实施例中，外环1-3的内径大于或等于内环1-1的外径；外环1-3的外径小于或等于内包层1-4对应内切圆的半径；外环1-3的宽度能够调节。
34.在其中一个实施例中，纤芯1-2的直径低于20微米。
35.在其中一个实施例中，内环1-1的内径为纤芯1-2半径的0.48倍，内包层1-4的直径在125微米左右。
36.在其中一个实施例中，当少模增益光纤作为增益介质时，利用多模泵浦光源对其进行包层泵浦。在其中一个实施例中，泵浦方式采用前向泵浦或后向泵浦。
37.具体的，使用本发明一种铒镱共掺双包层双环形的少模光纤作为增益介质时，需要使用多模泵浦光源对其进行包层泵浦，泵浦方式可以为前向泵浦，也可以为后向泵浦。
38.按照本发明的另一方面，提供了一种少模掺铒光纤放大器，包括：
39.信号光提供装置，用于提供信号光；
40.多模泵浦光源，出射泵浦光；
41.合束器，用于将信号光和泵浦光进行合束得到耦合光；
42.上述少模增益光纤，设置在耦合光的出射光路上，用于对耦合光进行放大得到放大光；
43.光谱探测装置，设置在放大光的传输光路上，用于采集放大光的光斑，并测量其功率。
44.具体的，本发明还提供一种铒镱共掺双包层双环形的少模光纤用于少模掺铒光纤放大器的结构示意图，其结构如图3所示，包括铒镱共掺双包层双环形的少模光纤1，信号光源2、可调谐衰减器3、偏振控制器4、光学隔离器5、模式选择光子灯笼6、合束器7、多模泵浦光源8、电荷耦合器照相机9、光谱仪10、fc/apc端口的多模跳线11。其中，模式选择光子灯笼6包括六个信号模式输入臂、一个信号输出臂；合束器7的一端包括一个泵浦输入臂、一个信号输入臂，另外一端是一个信号输出臂。
45.种子光由信号光源2提供；可调谐衰减器3对信号光功率进行调节，控制每个信号模式的输入功率；偏振控制器4用于确保转换的信号模式纯度；在光学隔离器之后，信号基模lp01耦合到模式选择光子灯笼的一个输入分支(lp01、lp11a、lp11b、lp21a、lp21b或lp02)，该分支将信号转换为其支持的模式；泵浦光由多模泵浦光源提供；而后，合束器7对信号光和泵浦光进行耦合，一起输入到本发明的一种铒镱共掺双包层双环形的少模光纤中进行放大，少模光纤的尾端熔接fc/apc端口的多模跳线，便于接入光谱仪测量输出功率。使用电荷耦合器照相机采集光斑。
46.其中的铒镱共掺双包层双环形的少模光纤1使用实施例1中的铒镱共掺双包层双环形的少模光纤，即：该铒镱共掺双包层双环形的少模光纤包括内环1-1、纤芯1-2、外环1-3、内包层1-4和外包层1-5，纤芯1-2包裹住内环1-1，外环1-3处于纤芯1-2之外、内包层1-4之内，外包层1-5包裹住内包层1-4，整体构成双包层双环形少模增益光纤。更进一步地，纤芯1-2、内环1-1、外环1-3、外包层1-5的横截面为圆形，内包层1-4的横截面为“d”形、偏心圆形或多边形。内环1-1的外径内切于纤芯1-2，外环1-3的内径大于纤芯1-2的半径，外环1-3的外径不大于内包层1-4的内切圆半径。内环1-1的内径为纤芯1-2半径的0.48倍，纤芯1-2的直径不大于20微米。外环1-3的内径大于纤芯1-2的半径，外环1-3的外径不大于内包层1-4的内切圆半径，外环1-3的宽度可进行适当的优化调节；内包层1-4的直径在125微米左右；外包层1-5的直径大于内包层1-4直径。增益光纤的折射率分布为渐变折射率分布，即在纤芯1-2内，折射率从纤芯1-2中心到纤芯1-2与内包层1-4的交界处逐渐减小，在内包层1-4中恒定不变，外包层1-5的折射率低于内包层1-4的折射率。增益光纤采用掺杂离子的石英材料制作，只在双环内进行稀土离子掺杂，掺杂的稀土离子为铒离子和镱离子，掺杂离子的浓度可进行适当的优化调节。
47.由于本实施例的放大器使用了上述铒镱共掺双包层双环形的少模光纤，其纤芯1-2内的环形结构掺杂，能够在一定程度上均衡增益；其内包层1-4中的掺杂外环1-3，可以对信号模式的消逝场尾部进行利用，有利于提高环形光纤的增益；而在双环形掺杂区域中引入镱离子有利于提高铒离子的掺杂浓度，可以进一步地提高放大器的增益。
48.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。