CN109445034B - 少模波分复用耦合器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种少模波分复用耦合器，包括：单模纤芯，用于以基模传输泵浦光；少模纤芯，用于传输不同模式的信号光；光纤包层，用于将所述单模纤芯和所述少模纤芯包裹在内部；其中，所述少模纤芯设置在所述光纤包层的中心，所述单模纤芯分布在所述少模纤芯的周围，使泵浦光和信号光能够耦合到所述少模光纤中。本申请设计的少模波分复用耦合器能够将泵浦光与信号光耦合到少模纤芯中，为信号光提供增益；该方案与自由空间器件耦合的方案相比，具有效率高，稳定性高且体积小的优点。

Description

少模波分复用耦合器
技术领域
本申请涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种应用于少模光纤放大器的少模波分复用耦合器。
背景技术
近年来来，光纤通信技术取得了迅猛发展。低损耗光纤的制造，波分复用技术与掺铒光纤放大技术的成功，将光纤通信系统的容量提高到了前所未有的程度。然而，现代社会日益增长的通信需求给光纤通信技术提出了更高的要求，开发新的复用技术以提升系统容量成为当下研究的热点。基于少模光纤的模分复用(Mode-Division Multiplexing，MDM)技术，是解决系统容量问题的有效方案之一。
能够同时完成多模式放大的少模光纤放大器是模分复用系统中的关键模块，而波分复用(Wavelength-Division Multiplexing，WDM)耦合器是少模光纤放大器中将泵浦光和信号光合束的关键器件。因此，研制用于少模掺铒光纤放大器(FMEDFA)的波分复用耦合器，是基于少模光纤的模分复用技术中的关键问题。
相关技术中，在单模光纤放大器(激光器)中，泵光注入是通过WDM器件实现的。但在少模光纤放大器中，WDM器件的制作较为复杂，往往采用更为简易的体器件空间光耦合方法。这种方法虽然能够实现耦合，但对光学器件的定位精度要求高，并且由于光波在自由空间中的传输损耗较大，结构松散，难以实现系统的小型化，稳定性低。
此外，还有采用基于光子灯笼的耦合方法，将多根单模光纤熔融拉制成多芯光纤，从而实现多束光纤的功率合并。这种方法虽然能够完成少模光纤放大器中信号光与泵浦光的合束，但制造成本高，工艺复杂且难以控制，设计上也有很大困难。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种少模波分复用耦合器。
根据本申请的实施例，提供一种少模波分复用耦合器，包括：
单模纤芯，用于以基模传输泵浦光；
少模纤芯，用于传输不同模式的信号光；
光纤包层，用于将所述单模纤芯和所述少模纤芯包裹在内部；
其中，所述少模纤芯设置在所述光纤包层的中心，所述单模纤芯分布在所述少模纤芯的周围，使泵浦光和信号光能够耦合到所述少模光纤中。
进一步地，所述单模纤芯的数量为多个，环绕分布在所述少模纤芯的周围。
进一步地，所述单模纤芯的数量为四个，包括第一单模纤芯、第二单模纤芯、第三单模纤芯和第四单模纤芯。
进一步地，第一单模纤芯的半径为2.863微米，第二单模纤芯的半径为2.401微米，第三单模纤芯的半径为1.956微米，第四单模纤芯的半径为1.831微米。
进一步地，所述少模纤芯的半径大于所述单模纤芯的半径。
进一步地，所述少模纤芯的半径不小于7.841微米。
进一步地，所述少模纤芯的半径为8.5微米。
进一步地，所述单模纤芯的中心到所述少模纤芯的中心的长度为纤芯间距；
该耦合器的长度与所述纤芯间距正相关。
进一步地，该耦合器的长度不小于46毫米。
进一步地，所述泵浦光的波长为980纳米，所述信号光的光波长为1550纳米。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请设计的少模波分复用耦合器能够将泵浦光与信号光耦合到少模纤芯中，为信号光提供增益。该方案与自由空间器件耦合的方案相比，具有效率高，稳定性高且体积小的优点。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种少模波分复用耦合器的横截面的结构示意图。
图2是通信波长和泵浦波长下单模光纤和少模光纤模式有效折射率随纤芯半径的变化曲线图。
图3是不同纤芯间距下各单模纤芯与少模纤芯的耦合长度的关系曲线图。
图中：101-第一单模纤芯；102-第二单模纤芯；103-第三单模纤芯；104-第四单模纤芯；2-少模纤芯；3-光纤包层。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的例子。
图1是根据一示例性实施例示出的一种少模波分复用耦合器的横截面的结构示意图。该耦合器包括：
单模纤芯，用于以基模传输泵浦光；
少模纤芯2，用于传输不同模式的信号光；
光纤包层3，用于将所述单模纤芯和所述少模纤芯2包裹在内部；
其中，所述少模纤芯2设置在所述光纤包层3的中心，所述单模纤芯分布在所述少模纤芯2的周围，使泵浦光和信号光能够耦合到所述少模光纤中。
本申请设计的少模波分复用耦合器能够将泵浦光与信号光耦合到少模纤芯2中，为信号光提供增益。该方案与自由空间器件耦合的方案相比，具有效率高，稳定性高且体积小的优点。
一些实施例中，所述单模纤芯的数量为多个，环绕分布在所述少模纤芯2的周围。
一些实施例中，所述单模纤芯的数量为四个，包括第一单模纤芯101、第二单模纤芯102、第三单模纤芯103和第四单模纤芯104。
一些实施例中，第一单模纤芯101的半径为2.863微米，第二单模纤芯102的半径为2.401微米，第三单模纤芯103的半径为1.956微米，第四单模纤芯104的半径为1.831微米。
一些实施例中，所述少模纤芯2的半径大于所述单模纤芯的半径。
一些实施例中，所述少模纤芯2的半径不小于7.841微米。
一些实施例中，所述少模纤芯2的半径为8.5微米。
一些实施例中，所述单模纤芯的中心到所述少模纤芯2的中心的长度为纤芯间距；该耦合器的长度与所述纤芯间距正相关。
一些实施例中，该耦合器的长度不小于46毫米。
一些实施例中，所述泵浦光的波长为980纳米，所述信号光的光波长为1550纳米。
为进一步详述本专利，结合该方案的设计原理及过程进行拓展说明。
本申请的多芯光纤形式的耦合器，用于将980nm的泵光由单模光纤泵入少模光纤中的各个模式。本申请使用的模型如图1所示，圆形的主体为光纤包层3，纤芯101～104均为单模纤芯，泵浦光在其中以基模传输，并分别耦合到少模纤芯2中的LP01，LP11，LP21，LP02模式；同时，少模纤芯2中传输不同模式的信号光，这样就能够将泵浦光和信号光耦合到少模光纤中，实现模式增益。这种方法的优点在于，通过对泵入不同模式的光强调谐，少模纤芯2中的不同模式的信号可以获得不同的增益，这是实现少模光纤放大模式增益均衡的有效方案。
显然，在图1所示的模型中，需要确定的参数有纤芯的半径a0～a4(a0为少模纤芯2的半径，a1～a4分别为单模纤芯101～104的半径)以及单模纤芯101～104分别与少模纤芯2之间的间距d1～d4。下面对这些参数对偶合效果的影响逐步分析，并确定出理想的设计参数。
参照图2，图中给出了基于光纤模式理论的单模纤芯与少模纤芯2在泵浦光和信号光波长下的模式有效折射率与纤芯半径的关系曲线。在耦合器的设计中，信号光波长下，少模纤芯2仍须支持四个模式，图2(a)中可以看到LP02模的截止纤芯半径为7.841。为了保证少模纤芯2仍支持四个模式，少模纤芯2的半径需要大于这个临界值。本申请的实施例中，可以选取少模纤芯2半径a0＝8.5μm。
当在单模纤芯中激励基模时，为使少模纤芯2中仅有目标模式被激励，应当使单模纤芯中基模的传播常数与少模纤芯2中目标模式的传播常数相等，即使两者满足相位匹配条件，因此少模纤芯2与单模纤芯101～104的半径a0～a4受到彼此的制约，当确定了少模纤芯2的半径a0时，单模纤芯101～104的半径也就随之确定了。图2(b)给出了少模纤芯2半径为8.5μm时LP01,LP11,LP21,LP02四个模式的有效模式折射率，令单模纤芯的有效模式折射率与之相等，即可求得单模纤芯101～104的纤芯半径a1～a4。得到的结果列在表1中。这样就通过相位匹配条件确定了单模纤芯与少模纤芯2的纤芯半径。在此情况下，由单模纤芯激励的泵浦光可以无损地耦合到少模纤芯2的对应模式中。
表1单模纤芯半径选取
Figure BDA0001934670810000051
此时，耦合器的设计仅余纤芯间距与耦合长度未确定。这里分别考虑单模纤芯101～104与少模纤芯2之间的模式耦合。每一单模纤芯与少模纤芯2的模式耦合需满足如下条件：
(1)将980nm光波耦合到少模纤芯2的目标模式中；
(2)少模纤芯2中1550nm光波的四个线偏振模式仍然从少模纤芯2中输出。
其中条件(1)容易满足，因为当两模式的相位匹配条件满足时耦合效率为1，若其余模式的耦合效率低于10％，则可认为模式耦合是纯净的。要降低其余模式的耦合效率，只需减小耦合系数即可。耦合系数与纤芯间距负相关，因此增大耦合间距即可满足条件(1)。
对于条件(2)，情况较为复杂：为了避免少模纤芯2中的四个信号模式发生串扰，最多允许一个模式耦合到单模纤芯中，按实现条件(1)同样的做法，增大纤芯间距以减小其余模式的耦合效率，最终只允许一个模式发生耦合。特别地，条件(1)和条件(2)应当在同一纤芯间距下被满足，这个条件能够保证在耦合区末端，980nm光波全部耦合到少模光纤内同时单模光纤中不包含1550nm光波成分。
下面根据上述分析，分别对泵浦光波长和信号光波长下耦合器的参数d1～d4对耦合效果的影响进行模拟分析。
在平行光纤组成的结构中，若两模式满足相位匹配条件，则这两个模式能够实现完全耦合。如上文所述，通过选取单模纤芯101～104的纤芯直径，使其中的基模分别与少模纤芯2中的LP01,LP11,LP21,LP02模满足相位匹配条件。因此当泵浦光由单模纤芯101～104的基模激励时，这些能量将无损地耦合到少模纤芯2的四个对应模式中。耦合长度与纤芯间距d1～d4相关。
运用耦合模理论，可以得到单模纤芯101～104与少模纤芯2的耦合长度随纤芯间距d1～d4的变化关系，结果如图3所示，a,b,c,d分别对应单模纤芯101～104。可以看到，随着纤芯间距的增大，耦合长度都随之增大，这是符合直观预期的：纤芯之间的距离越大，单模纤芯101～104中的模场对少模纤芯2的影响越小，模式耦合就越困难，因此所需要的耦合长度就越长；此外，在相同纤芯间距下，单模纤芯101～104耦合到少模纤芯2的耦合长度也是不同的，相同纤芯间距下，LP21,LP02模的耦合长度较LP01,LP11模的耦合长度小，这是由于高阶模式的模场面积较大，因此模式之间的耦合系数较大，模式的耦合较为容易。
参照图3，在一些实施例中，耦合长度(即耦合器的长度)为46毫米的情况下，纤芯间距d1应当小于17微米，d2应当小于16.5微米，d3应当小于18微米，d4应当小于18微米。具体取值可以根据实验检测后确定。
从上述结果出发，可以通过控制纤芯间距d1～d4的取值控制耦合长度，从而得到不同的耦合器设计方案。特别需要注意的是，在本申请的设计中，需要在同样的长度上将全部泵浦光输入到少模纤芯2，也就是说，单模纤芯101～104的耦合长度应当是相等的。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种少模波分复用耦合器，其特征在于，包括：
单模纤芯，用于以基模传输泵浦光；
少模纤芯，用于传输不同模式的信号光；
光纤包层，用于将所述单模纤芯和所述少模纤芯包裹在内部；
其中，所述少模纤芯设置在所述光纤包层的中心，所述单模纤芯分布在所述少模纤芯的周围，使泵浦光和信号光能够耦合到所述少模光纤中；
所述单模纤芯的数量为多个，环绕分布在所述少模纤芯的周围；所述单模纤芯的有效折射率与少模纤芯在不同模式下的有效折射率相等，用于将泵光由单模光纤泵入少模纤芯中的各个模式；当单模纤芯中激励基模时，少模纤芯中仅有目标模式被激励。
2.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于：所述单模纤芯的数量为四个，包括第一单模纤芯、第二单模纤芯、第三单模纤芯和第四单模纤芯。
3.根据权利要求2所述的耦合器，其特征在于：第一单模纤芯的半径为2.863微米，第二单模纤芯的半径为2.401微米，第三单模纤芯的半径为1.956微米，第四单模纤芯的半径为1.831微米。
4.根据权利要求1-3任一项所述的耦合器，其特征在于：所述少模纤芯的半径大于所述单模纤芯的半径。
5.根据权利要求4所述的耦合器，其特征在于：所述少模纤芯的半径不小于7.841微米。
6.根据权利要求5所述的耦合器，其特征在于，所述少模纤芯的半径为8.5微米。
7.根据权利要求1-3、5-6任一项所述的耦合器，其特征在于：所述单模纤芯的中心到所述少模纤芯的中心的长度为纤芯间距；该耦合器的长度与所述纤芯间距正相关。
8.根据权利要求7所述的耦合器，其特征在于：该耦合器的长度不小于46毫米。
9.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于：所述泵浦光的波长为980纳米，所述信号光的光波长为1550纳米。
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