CN111211471B - 光纤放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光纤放大器，包括：泵浦激光器，信号泵浦合束器，以及少模掺杂光纤；其中，泵浦激光器用于输出泵浦光；信号泵浦合束器用于将输入的少模信号光与泵浦光耦合入少模掺杂光纤中；少模掺杂光纤的纤芯的折射率沿横截面半径方向呈渐变分布，纤芯沿轴向刻有周期性光栅，光栅的周期满足相位匹配条件。本发明的光纤放大器实现光信号模式间的强耦合与共放大，从而减小模群间的差分增益。

Description

光纤放大器
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种光纤放大器。
背景技术
随着通信容量需求的迅速增长，出现了基于少模光纤(Few Mode Fiber，FMF)和多芯光纤(Multi-core Fiber，MCF)的空分复用(Spatial Division Multiplexing，SDM)技术，使用SDM技术的长距离传输系统中，需要SDM光纤放大器实现不同空间信道的同时放大。
如图1所示，为一种实现少模光传输不同空间信道同时放大的方案。利用多个单模掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)实现。具体的，先将少模光纤输入的模式复用信号解复用成多个单模信号，然后分别用单模EDFA放大。放大后的多路信号再复用进输出的少模光纤。这种少模信号放大方法，需要经过“解复用”、“放大”、“复用”三步，一方面增加了系统的复杂度和成本，另一方面引入额外的插损及模间串扰，随着传输距离的增加，模间串扰不断积累，每个模式上信号的信噪比不断恶化，很难支持长距传输。
另外，目前还有少模掺铒光纤放大器(Few Mode Erbium-Doped FiberAmplifier，FM-EDFA)等。相较于上述多通道单模EDFA，FM-EDFA成本较低，但其各模式间的增益不均衡，模式增益差(Differential Mode Gain，DMG)较大，且不同模式间的放大噪声系数(Noise Figure，NF)差异较大，造成各模式信号的传输性能不一致，不利于长距离传输。
发明内容
本发明实施例提供一种光纤放大器，实现信号模式间的强耦合与共放大，从而减小模式群间的差分增益。
第一方面，本发明实施例提供了一种光纤放大器，包括：泵浦激光器，信号泵浦合束器，以及少模掺杂光纤；其中：泵浦激光器用于输出泵浦光；信号泵浦合束器用于将输入的少模信号光与泵浦光耦合入少模掺杂光纤中；少模掺杂光纤的纤芯的折射率沿横截面半径方向呈渐变分布，纤芯沿轴向刻有周期性光栅，光栅的周期满足相位匹配条件。少模掺杂光纤的周期性光栅的使用，使得光信号模式间强耦合与共放大，从而减小模式群间的差分增益。
在一个可能的设计中，光栅的周期满足相位匹配条件具体包括：多个光栅的周期分别与少模信号光的相邻模群间的有效折射率差的乘积等于少模信号光的波长；少模信号光的相邻模群为：信号光包含的多个模群按照对应的有效折射率依次排列后两个相邻的模群。这种模式强耦合的方式对折射率渐变的少模光纤普遍适用，增大了应用的广泛性。
在又一个可能的设计中，少模掺杂光纤的纤芯的折射率沿横截面半径方向渐变分布使得相邻模群间的有效折射率差相等，多个光栅的周期相等。这种特性使得所有相邻模群具有相同有效折射率差，因而可采用刻写具有单一周期结构的光栅，这样降低了光栅的要求，减小了制造成本。
在又一个可能的设计中，少模掺杂光纤的纤芯区域掺杂有稀土元素离子。实现了不同波长信号的放大增益。
在又一个可能的设计中，纤芯区域掺杂有稀土元素离子包括均匀掺杂和分层掺杂。
在又一个可能的设计中，少模掺杂光纤的纤芯采用掺有二氧化锗的二氧化硅材料，包层采用二氧化硅材料；或者纤芯采用二氧化硅材料，包层采用掺氟化物的二氧化硅。从而实现模群间折射率差相等。
在又一个可能的设计中，少模掺杂光纤的纤芯外围还包括内包层、沟槽层、外包层，沟槽层的折射率小于内包层和外包层的折射率。这种方式等效降低了包层折射率，会起到限制光场的作用，使得各个模式更加聚集于纤芯内部，降低与包层模之间的耦合，减小弯曲损耗。
在又一个可能的设计中，少模掺杂光纤的纤芯外围多个空气孔。空气孔在限制光场方面效果更优。
在又一个可能的设计中，少模掺杂光纤包括多个纤芯，采用纤芯泵浦方式，泵浦光打入每个纤芯。从而有效的实现泵浦光与信号光的光场重叠，达到增益的提高与各纤芯增益的均衡。
在又一个可能的设计中，少模掺杂光纤包括多个纤芯，采用包层泵浦方式，包层中包括泵浦区域，泵浦光打入泵浦区域。包层泵浦方式结构简单，同时也能实现各纤芯的增益均衡，
在又一个可能的设计中，光纤放大器还包括分束器，用于分离少模掺杂光纤输出的信号光和泵浦光，并把分离出的泵浦光输入进信号泵浦合束器。这样实现了对泵浦光充分的利用，进一步提高各模式信号光的增益。
在又一个可能的设计中，光纤放大器还包括第一隔离器和第二隔离器，第一隔离器与信号泵浦合束器的输入端连接，第二隔离器与少模掺杂光纤的输出端连接。这样防止反向散射光进入光纤链路，提高了光信号传输质量。
本发明实施例提供的上述技术方案，通过放大器中使用刻有周期性光栅的少模掺杂光纤，使得光信号模式间实现强耦合与共放大，从而减小模式群间的差分增益和噪声系数差异，有利于光信号的长途传输。
附图说明
图1为现有技术的一种光纤放大器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种空分复用光纤放大器的结构示意图；
图3a为本发明实施例提供的一种光纤放大器内的少模掺杂光纤结构示意图；
图3b为本发明实施例提供的一种少模掺杂光纤的截面折射率分布示意图；
图4a为本发明实施例提供的另一种光纤放大器内的少模掺杂光纤结构示意图；
图4b为本发明实施例提供的另一种少模掺杂光纤的截面折射率分布示意图；
图5为本发明实施例提供的掺杂纤芯的横截面结构示意图；
图6为本发明实施例提供的掺铒光纤模型示意图；
图7为本发明实施例提供的均匀掺杂下DMG随耦合强度和耦合点数变化曲线图；
图8为本发明实施例提供的均匀掺杂下DMG随耦合强度和耦合点数等高线图；
图9为本发明实施例提供的DMG随分层掺杂参数b、c的变化关系二维图；
图10为本发明实施例提供的分层掺杂下DMG随耦合强度和耦合点数等高线图；
图11a为本发明实施例提供的一种沟槽辅助型的光纤的横截面的结构示意图；
图11b为本发明实施例提供的沟槽辅助型光纤沿径向的截面折射率分布示意图；
图12为本发明实施例提供的一种空气孔辅助型的光纤的横截面结构示意图；
图13为本发明实施例提供的3芯光纤的横截面的结构示意图；
图14为本发明实施例提供的7芯光纤的横截面的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供一种强耦合空分复用光纤放大器，如图2所示，包括：两个光隔离器201，泵浦激光器202，信号泵浦合束器203，以及少模掺杂光纤204。其中，两个光隔离器201分别在光纤放大器的输入端和输出端，用于防止反向散射光进入光纤链路影响光信号传输质量；泵浦激光器202用于输出泵浦光；信号泵浦合束器203用于将输入端的少模信号光与泵浦光耦合进入输出端；少模掺杂光纤204用于实现信号模式间的强耦合与共放大，从而减小模群间的差分增益。
图2中，进入光纤放大器的信号光包含M个模群，M为大于等于2的整数。模群是指在光纤中传播常数一致的多个模式组成的群，一个模群中的多个模式的速率相等。例如输入的信号光包括4个模群LP01、LP11、LP21、LP02，每个模群上承载不同的信息。信号光通过光隔离器201后，经信号泵浦合束器203与泵浦光同时耦合进少模掺杂光纤204。在少模掺杂光纤204中，纤芯区域掺杂了一定浓度的稀土元素离子。离子在泵浦光的作用下由低能级跃迁到高能级上，处于激发态，而高能级粒子在入射信号光作用下回到基态时发射与信号光频率相同的光子，使信号光得以放大，且信号光中每个模群获得相同的增益。少模掺杂光纤204放大后的信号光再经光隔离器输出。
少模掺杂光纤的增益谱范围由纤芯区域掺杂离子的类型决定。例如，掺杂镱离子Yb3+，对应的增益波段范围为970nm-1200nm。其他稀土元素离子和对应的增益谱范围包括：镨离子Pr3+(放大1300nm附近波段)，钕离子Nd3+(放大1300nm附近波段)，铒离子Er3+(放大1520nm-1625nm波段)，铋离子Bi3+(放大1300nm-1380nm波段)，铥离子Tm3+(放大1450nm-1520nm波段、1900nm-2000nm波段)。
少模光纤放大器中还可以包括循环泵浦结构，用于收集残余泵浦光能量，并对其循环利用，从而大大提高泵浦光利用率，提高信号光放大增益。如图2所示，205为信号泵浦分束器。经过少模掺杂光纤204放大的少模信号光与残余的泵浦光进入部件205，在信号泵浦分束器内完成信号光与泵浦光的分离，放大的信号光进入下一段传输链路中，残余的泵浦光与泵浦激光器202发出的泵浦光一同输入信号泵浦合束器203，进行新一轮的放大。这样实现了对泵浦光充分的利用，进一步提高各模式信号光的增益。
为了增强光纤中各模式的空间信道耦合，本发明实施例中，光纤放大器内的少模掺杂光纤的纤芯刻有光栅。如图3a所示，为本发明实施例提供的光纤放大器内的一种少模掺杂光纤示意图，中间为纤芯，纤芯的外面为包层。沿着少模掺杂光纤的轴向方向，分布式刻写多个周期性光栅。光栅周期需满足的相位匹配条件说明如下。
少模掺杂光纤的纤芯折射率沿径向渐变。图3b为少模掺杂光纤的截面折射率分布示意图，其中Δ为纤芯中心与包层材料的折射率差(一般Δ∈[0.001,0.030])，R为纤芯半径(一般R∈[2,35]um)，α为渐变折射率指数(α∈[1,∞])。设光纤支持M个模群传输，不同的模群有不同的有效折射率。将不同模群的有效折射率排列，最大的排在前面，为第一模群，其余的依有效折射率递减顺序排列。相邻模群间的有效折射率差设为Δn，例如，Δn1为第一模群与第二模群之间的有效折射率差，Δn2为第二模群与第三模群之间的有效折射率差，Δnm为第m模群与m+1模群之间的有效折射率差。一般Δnm∈[1*10-5,8*10-3]，m为1到(M-1)。
与上述光纤折射率的特性相匹配，沿着光纤的轴向方向，分布式刻写多个周期性光栅，使光纤折射率分布呈周期性变化。如图3a所示，与上述M-1个相邻模群间的有效折射率差对应，光纤上至少刻有M-1段周期性光栅，其中Λ1为第一段光栅周期，Λ2为第二段光栅周期，Λm为第m段光栅周期。光栅的周期需满足相位匹配条件，即与相邻模群间的有效折射率差的乘积等于少模信号光的波长。也就是说，光栅周期Λm为：Λm＝λ/Δnm，其中λ为光波波长。这样特定相邻模群间会产生最强耦合，放大少模信号光时，相邻模群一起放大，从而使得模群间的放大增益差大幅减小。
例如，对于4个模群的情况，在光纤上刻写光栅后，相邻模群间，包括：LP01和LP11，LP11和LP21，LP21和LP02之间的耦合程度将大大增强。
上述少模掺杂光纤上刻写周期性光栅的方式如下：采用二氧化碳(CO2)激光在少模掺杂光纤上逐点刻写周期性光栅。CO2激光器发出的激光经显微物镜聚焦于少模掺杂光纤的纤芯，激光与光纤接触的位置由于热效应引入折射率变化。少模掺杂光纤被固定在高精度的三维移动平台上，通过三维移动平台控制光纤按一定的步进速度移动，逐点曝光，直至完成整个光栅的刻写。根据光栅刻写周期和占空比确定光纤步进速度和激光能量及曝光时间。
图3对应的实施例，模式强耦合的方式对折射率渐变的少模光纤普遍适用。在模群数目M较大的情况下，会有M-1个相邻模群有效折射率差，相应的，需在光纤上刻写对应的M-1个长周期性光栅，提高了对光栅的要求，增加了制造成本。
如图4a所示，为本发明实施例提供的光纤放大器内的另一种少模掺杂光纤示意图。在这个实施例中，设计使得少模掺杂光纤的纤芯中，相邻模群有效折射率差相等，则根据前述公式Λm＝λ/Δnm，各段光栅的周期也相同。
图4b所示为本实施例的少模掺杂光纤的截面折射率分布示意图，其中纤芯的折射率渐变分布曲线满足：n(r)2＝n1 2(1-2Δ(r/R)α)。其中，r为纤芯中某一径向位置，n(r)为该径向位置r处的折射率，n1为纤芯中心的折射率，Δ＝Δ1+Δ2，Δ1为纤芯中心与包层材料的折射率差，Δ2为沟槽底部与包层的折射率差，R为纤芯的半径，α为渐变折射率指数，α＝2时纤芯的折射率分布曲线呈抛物线型。针对多个模群在纤芯区域的光场分布，通过设计以下光纤参数：n1，Δ1、Δ2，R和α等，使得各相邻模群的有效折射率差Δnm相等。
与上述光纤折射率的特性相匹配，沿着光纤的轴向方向，分布式刻写多个周期性光栅，使光纤折射率分布呈周期性变化。如图4a所示，由于M-1个相邻模群间的有效折射率差Δnm相等，在光纤上刻写周期性光栅时，光栅周期Λ只要满足相位匹配条件：Λ＝λ/Δnm，其中λ为光波波长。这样相邻模群间会产生最强耦合，放大少模信号光时，相邻模群一起放大，从而使得模群间的放大增益差大幅减小。
要实现模群间折射率差相等，纤芯可以采用掺有二氧化锗的二氧化硅材料，而包层采用二氧化硅材料。其中掺入的二氧化锗可提高纤芯的折射率。在光纤制备过程中，通过设计纤芯区域中掺入的二氧化锗的浓度分布来调节纤芯区域折射率剖面的形状，使其与理论设计保持一致。进一步，在纤芯区域均匀掺杂或者分层掺杂(有时也可称为环形掺杂)稀土元素离子，然后将预制棒拉制成光纤。
图5所示为纤芯的横截面结构示意图，掺杂的部分用灰色表示。其中，(a)表示均匀掺杂结构，(b)和(c)表示分层掺杂结构。(b)为中心掺杂的分层掺杂结构，(c)为中心非掺杂的分层掺杂结构。分层掺杂的层数n可以为任意自然数，通常小于15。同时，每层掺杂区域的掺杂浓度可有所不同，可阶跃分布或者渐变分布。
经工程实践可知，一般将纤芯的相邻模群有效折射率差Δnm容限控制在±5％范围内，配合在光纤上刻写相同周期的光栅，可实现强耦合。即相邻模群有效折射率差的实际值ΔnmR控制在设计值ΔnmD的5％误差范围内：ΔnmR∈[95％*ΔnmD,105％*ΔnmD]。实际刻写的光栅周期为：Λm＝λ/ΔnmR。
光纤放大器内光纤204通常较短，一般光纤204的长度选取范围介于5米至120米之间。相应的，对于均匀掺杂光纤，刻写的光栅强度范围为Δng∈[4*10-7，3*10-2]更合适；对于分层掺杂光纤，刻写的光栅强度范围为Δng∈[1*10-6，3*10-2]更合适，具体可参见后面的描述。
刻写周期性光栅的方式如前所述。图4所示实施例中，光纤折射率特性使得所有相邻模群具有相同有效折射率差，因而可采用刻写具有单一周期结构的光栅，这样降低了光栅的要求，减小了制造成本。
对上述实施例的少模掺杂光纤以及放大器，可以通过数值仿真对强耦合少模掺杂光纤的放大性能进行评估，以进一步指导光纤设计。例如，传输矩阵求解法是一种较为精确的计算空分复用少模光纤放大器中各模式增益的方法，通过求解信号光通过放大器的传输矩阵，并对其进行奇异值分解，计算所得对角元素模值的平方即为对应模式的模式增益。
图6所示为本发明实施例的强耦合空分复用少模光纤放大器模型图。放大器内的掺铒光纤被分成K段独立放大部分，分布式强耦合可由发生在每两段独立放大部分之间的随机耦合矩阵表示，则传输矩阵M为：
M＝GK…Gi+1MciGi…G2Mc1G1 (1)
其中Gi表示第i部分的增益矩阵，Mci表示模间随机耦合矩阵。矩阵M包含了所有模间耦合路径，对M进行奇异值分解：
M＝V·S·U* (2)
Figure BDA0002397037380000061
其中V、U分别表示输入端和输出端的等效模式耦合，N为模式数。所得目标矢量g＝(g1，g2...gN)的元素是M·M*特征值的对数，即N个模式的增益。因此，模式间增益差DMG可被写为：
DMG＝max(gn)-min(gn) (4)
其中max(gn)、min(gn)分别表示最大和最小模式增益。
下面先讨论纤芯均匀掺杂的情况。假设输入的信号光包括4个模群LP01、LP11、LP21、LP02，放大器中的光纤的基础参数选取为：纤芯半径R为8微米，数值孔径NA等于0.15，光纤长度为12米，铒离子掺杂浓度选取100ppm。无外加模式耦合，即未刻写光栅时，该光纤4模群间最大模式增益差DMG为9.3dB。
引入强耦合，即刻写光栅，可以大幅改进DMG。其耦合强度的大小以耦合点数(Number of Couping Points，NCP)及单点耦合强度(Couping Strength,CS)两个参量共同表征。图7为均匀掺杂条件下，DMG随耦合强度和耦合点数变化曲线。左边a图中横坐标表示耦合强度CS，单位dB/耦合点(pt)，纵坐标为DMG，单位dB。由a图可见，当耦合点数NCP固定为300时，DMG随耦合强度CS的增大从9.6±0.3dB减小到2.1±0.3dB，减小了7.5dB。类似地，当耦合点数为600时，发现DMG的减小量为8.3dB。右边b图中横坐标表示耦合点数NCP，纵坐标表示DMG，单位dB。由b图可见，当耦合强度固定在-15dB/pt，增大耦合点数时，DMG从7.9±0.6dB降低到4.4±0.7dB。随着耦合强度的增加，DMG的变化总体上减小，特别是对于较大的耦合点数。由于耦合本身带来的随机性，从极弱到极强耦合，虽然DMG的数值整体在下降，但其标准差的浮动先增大再减小；这种浮动可能造成DMG的数值在相对较强耦合时反而更高，如图7(a)中CS＝-25dB/pt处所示。值得注意的是，从后面的描述中也可以看出，上述这种现象在纤芯分层掺杂的情况下也会发生。因此为了得到低DMG且性能稳定的光放大器，一般需比较大的耦合强度。
由图7可见，在耦合强度大于-20dB/pt，耦合点数大于200的条件下，DMG的数值开始降低，即光纤放大器的DMG特性开始有所改善。结合长周期光栅所带来的强耦合效应，在光栅强度Δng＝1*10-6时，22.5厘米(cm)长的光纤即可完成1％的模式功率耦合，即-20dB的分布耦合强度。耦合强度反比于光栅长度，因而在光栅强度Δng＝4*10-6时，6cm的光纤长度即可完成-20dB的模式耦合，即可实现上述单点耦合-20dB/pt，点数200的耦合强度。此外，考虑掺铒光纤长度L通常选取范围介于5m至120m之间，结合CO2激光器刻写光栅强度阈值参数，光栅强度下限取值4*10-7，同时为不破坏光纤自身传导条件，光栅强度上限取值3*10-2。综上所述，对于本专利所提出的强耦合空分复用光纤放大器，光栅强度取值为Δng∈[4*10-7，3*10-2]更合适。
由于耦合点数及耦合强度对DMG影响显著，因此，为了光纤放大器性能的提升，需要对这两个重要参数进行扫描和优化。对于均匀掺杂情形，DMG随耦合点数及耦合强度变化的一个示例如图8所示。值得注意的是，即使耦合点数和耦合强度是固定的，DMG仍然会由于单点耦合矩阵的随机性和耦合点的位置而变化。因此，图8的示例中，在每个耦合点数和耦合强度处计算100次，将其DMG平均，得到图8的等高线图。图8中，横坐标表示耦合强度CS，单位dB/pt，纵坐标表示耦合点数NCP，不同颜色深浅的等高线表示DMG，单位dB；由图8可见，对于均匀掺杂强耦合少模光纤放大器，引入强耦合后，DMG可以显著降低到7.6dB，即从9.3dB降低到1.7dB。这是掺铒光纤优化横向和纵向结构后的共同作用结果。
对于纤芯分层掺杂的情况，假设输入的信号光包括4个模群LP01、LP11、LP21、LP02，放大器中的光纤的基础参数选取为：纤芯半径R为8微米，数值孔径NA等于0.15，光纤长度为12米。分层掺杂情形下，每层的掺杂浓度和尺寸可以通过数值优化来获得比较均衡的模式依赖增益。以图5中(b)所示的光纤中心掺杂的分层掺杂结构为例，假设掺杂两层，选取第一掺杂区域(也就是中心掺杂区域)的半径b为3μm，掺杂浓度为65ppm，3μm以外不掺杂，不掺杂宽度i1为1.8μm，第二掺杂区域边界从c＝b+i1＝4.8μm开始，一直到8μm的纤芯边界，掺杂浓度为115ppm。该分层掺杂下无模式耦合时DMG为2.4dB。以上所述分层掺杂光纤参数是通过无耦合情形下掺杂区域参数的优化所得。图9所示为DMG随分层掺杂参数b、c的变化关系二维图，横坐标c表示第二掺杂区域起始边界距离纤芯距离，单位微米(μm)，纵坐标b表示第一掺杂区域半径，单位微米(μm)，颜色深浅的不同表示DMG，单位dB。可看出，由于生产工艺所带来的b、c一定程度上的抖动于无耦合情形下DMG的影响不大。
引入强耦合，即刻写光栅，可以大幅改进DMG。其耦合强度的大小以耦合点数(Number of Couping Points，NCP)及单点耦合强度(Couping Strength,CS)两个参量共同表征。同样，为了得到低DMG且性能稳定的光放大器，一般需比较大的耦合强度。由于耦合点数及耦合强度对DMG影响显著，因此，为了光纤放大器性能的提升，需要对这两个重要参数进行扫描和优化。对于分层掺杂情形，DMG随耦合点数NCP及单点耦合强度CS变化的一个示例如图10所示。同样，即使耦合点数和耦合强度是固定的，DMG仍然会由于单点耦合矩阵的随机性和耦合点的位置而变化。因此，图10的示例中，在每个耦合点数和耦合强度处计算100次，将其DMG平均，得到图10的等高线图。图10中，横坐标表示耦合强度CS，单位dB/pt，纵坐标表示耦合点数NCP，不同颜色深浅的等高线表示DMG，单位dB；可见，对于分层掺杂强耦合少模光纤放大器，引入强耦合后，DMG可以由3.2dB显著降低至0.5dB。这是掺铒光纤优化横向和纵向结构后的共同作用结果。
由分层掺杂等高线图看出，在CS大于-15dB/pt，NCP大于300的条件下，平均DMG的数值开始降低，以此参数作为分层掺杂所需耦合强度的临界点。在光栅强度Δng＝1*10-6时，40.1cm长的光纤即可完成3.2％的模式功率耦合，即-15dB的分布耦合强度。在光栅强度Δng＝1*10-5时，可在4cm的光纤长度下完成-15dB的模式耦合。同样考虑掺铒光纤长度选取范围5m至120m，光栅强度的下限取值为1*10-6。光栅强度为Δng∈[1*10-6，3*10-2]更合适。
一般分层掺杂对耦合强度要求更高，分层掺杂的光栅强度的合适范围([1*10-6，3*10-2])包含于均匀掺杂的光栅强度的合适范围([4*10-7，3*10-2])内。需要注意的是，上述光栅强度是在固定b、c参数下计算的所需光栅强度结果，如若更改b、c参数，无耦合情况下的DMG介于2.4～9.3dB之间时，光栅强度选取的下限应该也会在4*10-7～1*10-6之间。
此外，噪声系数(NF)也是衡量空分复用光纤放大器的重要指标，在传输系统中，模式间较小的噪声系数差异更有利于系统传输性能的提升。本发明实施例所提出的强耦合空分复用光纤放大器能够一定程度上使之降低。NF可由如下公式表示：
Figure BDA0002397037380000081
其中gi、PASE_i分别表示第i个模群的模式增益和ASE噪声功率。由上，各模式增益gi的差异性在一定程度上有所减弱，同时强耦合也使得各模式的ASE噪声功率趋于一致。因此，本发明实施例所提出的强耦合空分复用光纤放大器中模式间NF差异较小。
本发明实施例中，除考虑少模掺杂光纤的纤芯折射率和光栅结构参数外，还可以引入纤芯外围结构来进一步调节模式光场分布，如沟槽辅助或空气孔辅助等。
如图11a所示为沟槽辅助型的光纤的横截面的结构示意图，图11b所示为这种光纤沿径向的截面折射率分布示意图。其中纤芯的外围包层包括内包层和外包层，内包层和外包层之间夹一个沟槽层，其中R为纤芯半径，W1为内包层宽度，一般取值小于等于R/2，以将模群束缚在纤芯内。W2为沟槽层的宽度，沟槽层的折射率比内包层和外包层小，Δ1为纤芯中心与包层材料的折射率差，Δ2为沟槽层与包层的折射率差，α为渐变折射率指数。考虑光纤制作工艺，沟槽越宽，Δ2越大，制造成本越高，W2的取值范围是一般小于等于纤芯半径R。Δ2一般不大于0.0045。
沟槽的引入等效降低了包层折射率，会起到限制光场的作用，使得各个模式更加聚集于纤芯内部，降低与包层模之间的耦合，减小弯曲损耗。
图12所示为空气孔辅助型的光纤的横截面结构示意图，其在纤芯外围增加多个空气孔。空气孔的作用与前述沟槽类似，等效于降低包层区域的折射率，进一步限制光场，使其更加束缚于纤芯部分。图中R为纤芯半径，b为周围空气孔的半径，一般空气孔的半径b不小于1.5um，从而避免孔半径过小等效于缺陷气泡。d为空气孔与纤芯之间的距离。一般距离d越小越好。相比于沟槽结构，空气孔在限制光场方面效果更优，但其制作工艺要求较高。
基于上述图2和图3的实施例，还可以在光纤中增加纤芯的数量，每个纤芯均可按照前述实施例的方案设计，实现多芯光纤放大器。该多芯光纤的设计需尽量保持纤芯内的模群间强耦合，同时弱化纤芯之间的模群间耦合。此外，纤芯之间的模群的增益均衡也是一个重要考虑因素，对于不同的芯间排布以及纤芯数目可采用不同的泵浦方式，包括纤芯泵浦方式和包层泵浦方式。这两种泵浦方式均可以使泵浦能量在各个纤芯中的分布基本一致，达到芯间增益均衡的效果。
当多芯光纤的纤芯数目较少时，可采用纤芯泵浦方式。如图13所示为3芯光纤的横截面的结构示意图，每个纤芯都是刻有周期性光栅的少模掺杂纤芯，各个纤芯内均采用纤芯泵浦方式，泵浦光和信号光均打入纤芯部分，从而有效的实现泵浦光与信号光的光场重叠，达到增益的提高与各纤芯增益的均衡。
当多芯光纤的纤芯数目较多时，可采用包层泵浦方式。光纤包括内包层和外包层，多个纤芯位于内包层中。内包层为泵浦区域，泵浦光可打入泵浦区域。内包层折射率一般略低于1.444，但高于外包层折射率，低于纤芯折射率。内包层形状可选择矩形、六边形、D形等结构，使得泵浦光可以多次穿透光纤纤芯，提高泵浦光在纤芯中的利用效率。强泵浦光耦合进入内包层，在稀土元素离子掺杂的纤芯区域，泵浦光均匀分布。内包层一般不为圆形，因为泵浦光容易在圆形内包层中呈现螺旋式传播，成为涡旋光，无法进入有稀土离子和信号光的纤芯区域。
图14所示为本发明实施例的7芯光纤的横截面的结构示意图，每个纤芯都是刻有周期性光栅的少模掺杂纤芯，内包层为六边形区域，也是泵浦区域。相比于纤芯泵浦方式，包层泵浦方式结构简单，同时也能实现各纤芯的增益均衡，但泵浦光的能量转换效率相对较低。
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种光纤放大器，其特征在于，包括：泵浦激光器，信号泵浦合束器，以及少模掺杂光纤；其中：
所述泵浦激光器用于输出泵浦光；
所述信号泵浦合束器用于将输入的少模信号光与所述泵浦光耦合入所述少模掺杂光纤中；
所述少模掺杂光纤的纤芯的折射率沿横截面半径方向呈渐变分布，所述纤芯沿轴向刻有周期性光栅；
多个光栅的周期分别与所述少模信号光的相邻模群间的有效折射率差的乘积等于少模信号光的波长；所述少模信号光的相邻模群为：所述信号光包含的多个模群按照对应的有效折射率依次排列后两个相邻的模群。
2.如权利要求1所述的光纤放大器，其特征在于，所述少模掺杂光纤的纤芯的折射率沿横截面半径方向渐变分布使得相邻模群间的有效折射率差相等，所述多个光栅的周期相等。
3.如权利要求1所述的光纤放大器，其特征在于，所述少模掺杂光纤的纤芯区域掺杂有稀土元素离子。
4.如权利要求3所述的光纤放大器，其特征在于，所述纤芯区域掺杂有稀土元素离子包括均匀掺杂和分层掺杂。
5.如权利要求4所述的光纤放大器，其特征在于，所述周期性光栅的光栅强度范围为：[4*10-7，3*10-2]。
6.如权利要求5所述的光纤放大器，其特征在于，所述纤芯区域分层掺杂有稀土元素离子，所述周期性光栅的光栅强度范围为：[1*10-6，3*10-2]。
7.如权利要求1-6任一项所述的光纤放大器，其特征在于，所述少模掺杂光纤的纤芯采用掺有二氧化锗的二氧化硅材料，包层采用二氧化硅材料。
8.如权利要求1-6任一项所述的光纤放大器，其特征在于，所述少模掺杂光纤的纤芯外围还包括内包层、沟槽层、外包层，所述沟槽层的折射率小于内包层和外包层的折射率。
9.如权利要求1-6任一项所述的光纤放大器，其特征在于，所述少模掺杂光纤的纤芯外围多个空气孔。
10.如权利要求1-6任一项所述的光纤放大器，其特征在于，所述少模掺杂光纤包括多个纤芯，采用纤芯泵浦方式，泵浦光打入每个纤芯。
11.如权利要求1-6任一项所述的光纤放大器，其特征在于，所述少模掺杂光纤包括多个纤芯，采用包层泵浦方式，包层中包括泵浦区域，泵浦光打入所述泵浦区域。
12.如权利要求1-6任一项所述的光纤放大器，其特征在于，所述光纤放大器还包括分束器，用于分离所述少模掺杂光纤输出的信号光和泵浦光，并把分离出的泵浦光输入进所述信号泵浦合束器。
13.如权利要求1-6任一项所述的光纤放大器，其特征在于，所述光纤放大器还包括第一隔离器和第二隔离器，所述第一隔离器与所述信号泵浦合束器的输入端连接，第二隔离器与所述少模掺杂光纤的输出端连接。
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