CN112099128A - 一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤 - Google Patents

一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤。光纤的纤芯和包层的折射率整体保持为阶跃型，纤芯部分为依次相邻的两层或多层同心圆，各层之间的掺铒浓度不同。每层折射率不足或盈余的部分通过共掺元素补足或消除。该光纤在保证模式数量与传输光纤相近的情况下，有效的降低了模式增益差，实现了良好的模式增益均衡特性。同时由于光纤折射率和半径的适当选择，使得各模式间的折射率差较大，有效的降低了模式串扰，有利于在光通信和光波分复用系统中的应用。

Description

一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤
技术领域
本发明涉及一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤，属于光纤通信、光纤传感、光纤激光器等于光信息处理相关的领域。
背景技术
随着社会信息化程度的不断提高，全球互联网用户数量和网络数据量呈指数式上升，而目前通信容量己接近现有传输技术的极限。空分复用技术自2009年被提出以来，被认为是解决未来通信需求和传输能力的关键技术。而基于少模光纤的模分复用，是空分复用技术的重要实现方式之一。其中，少模光纤是通过改变纤芯的半径和芯包折射率，从而能够在同一纤芯中同时传输多个模式的特种光纤，该特性大大增加了单芯光纤的传输容量。
此外，虽然光纤制作工艺水平的提高使得光纤的传输损耗不断降低，但在光通信系统中光信号沿光纤传输依旧会逐步衰减，传输距离最终还是会受到信号功率衰减的制约。因此，实现长距离的通信离不开信号的中继放大。光纤放大器的产生解决了这一问题，是信息网络发展的一个巨大进步。如今，基于单模掺铒光纤的放大器已经获得了比较广泛的应用，但空分复用系统在中继上的问题依旧亟待解决。要构建空分复用系统的光放大器，必须先具有该系统的光纤放大器所需的增益光纤。
根据所面临的问题，研究者们在提出了少模掺铒光纤，相关的设计方案有以下几种：第一种是在阶跃折射率少模光纤的基础上均匀掺杂，这种方法所获得的各个模式的增益差都较大，而减小增益的方法通常是增加模式冗余，这样会使系统复杂性增加。第二种是在环芯少模光纤的基础上进行稀土离子掺杂，Journal of the Optical Society ofAmerica B,vol.35,no.9,2018、Electronics Letters,vol.51,no.2,pp.172-173,2015和Optics Express,vol.20,Issue 24,2012等论文中提出了这种方法。它可以使增益差减小，但由于环芯光纤与常用的传输光纤失配，连接的损耗会大大增加。第三种则是在如论文OptLett,vol.43,no.7,pp.1550-1553,Apr 1 2018和Design of a Weakly-Coupled Ring-Core FMF and Demonstration of 6-mode 10-km IM/DD Transmission,OFC2018的三层芯模型中进行掺杂，纤芯折射率分成了三种，增加了光纤制作过程的复杂程度。
本发明使用分层掺杂的方法设计了一种阶跃折射率的弱耦合掺铒少模光纤。光纤参数的选择使得其支持的模式数保持在4个，同时具有低模式串扰的特性。此外，掺杂半径和掺杂比例的选择有效地降低了模式增益差，对于未来通信系统的发展有着很重要的意义。
发明内容
本发明提出了一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤结构。通过使用光纤纤芯分层掺杂的方法，在放大其支持的四个模式的同时，实现各个模式间的增益均衡。此外，由于光纤纤芯、包层的折射率和半径的适当选择，使得各模式间的折射率差较大，很好的降低了模式串扰，获得模式间的弱耦合。同时与商用用于传输的少模光纤模式数相近，可实现没有或仅有小的模式数量的冗余。
为实现上述目的，采用的具体方案如下：
一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤结构，包括：
光纤的纵向为均匀的圆柱形结构，光纤的横截面各层为同心圆，从内而外依次为纤芯和包层两部分。光纤纤芯和包层的折射率整体保持为阶跃型。纤芯半径为6um，包层半径为62.5um，纤芯折射率为1,459，包层折射率为1.444，模式折射率差最小为1.29*10-3，可保证光纤支持四个模式的同时模式串扰降低。纤芯部分为依次相邻的两层或多层同心圆，每层掺铒浓度相同，各层之间的掺铒浓度不同。当所述光纤纤芯各掺铒层的折射率不足则通过掺锗或掺铝补充。进一步地，当所述光纤纤芯各掺铒层的折射率超出，则通过掺氟消除。
本发明所具有的效果如下：
本发明采用将纤芯分层掺杂的设计方案，在保证模式数量与传输光纤相近的情况下，有效的降低了模式增益差，实现了良好的模式增益均衡特性。同时较大的模式折射率差有效的降低了模式串扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍。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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤横截面示意图。
图2为本发明实施例一提供的一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤沿半径方向的整体折射率分布及稀土掺杂分布示意图。
图3为本发明实施例二提供的一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤横截面示意图。
图4为本发明实施例二提供的一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤沿半径方向的整体折射率分布及稀土掺杂分布示意图。
图5为本发明实施例三提供的一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤横截面示意图。
图6为本发明实施例三提供的一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤沿半径方向的整体折射率分布及稀土掺杂分布示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施方式一
一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤，如图1、图2所示，它包括纤芯1，包层2，以及纤芯1根据掺铒浓度被分为的两个同心圆区域，从内而外依次为11，12，其中掺铒浓度11≠12。纤芯1半径6μm，包层2半径62.5μm，纤芯折射率为1.459，包层折射率为1.459。掺杂区11半径4.5μm，掺杂区12半径6μm。掺杂区11与掺杂区12的掺铒浓度比为0.61:1。
进一步地，掺铒层11区域内折射率不足的部分可通过共掺铝或锗补足，掺铒层12区域内折射率盈余的部分可通过共掺氟消除，使光纤折射率仍然保持为阶跃型。
实施方式二
一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤，如图3、图4所示，它包括纤芯1，包层2，以及纤芯1根据掺铒浓度被分为的三个同心圆区域，从内而外依次为11，12和13，其中掺铒浓度11≠12≠13。纤芯1半径6μm，包层2半径62.5μm，纤芯折射率为1.459，包层折射率为1.459。掺杂区11半径2μm，掺杂区12半径4μm，掺杂区13半径6μm。掺杂区11，掺杂区12和掺杂区13的掺铒浓度比为0.9:0.47:1。
进一步地，掺铒层11和掺铒层12区域内折射率不足的部分可通过共掺铝或锗补足，掺铒层13区域内折射率盈余的部分可通过共掺氟消除，使光纤折射率仍然保持为阶跃型。
实施方式三
一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤，如图5、图6所示，它包括纤芯1，包层2，以及纤芯1根据掺铒浓度被分为的三个同心圆区域，从内而外依次为11，12和13，其中掺铒浓度11≠12≠13。纤芯1半径6μm，包层2半径62.5μm，纤芯折射率为1.459，包层折射率为1.459。掺杂区11半径2μm，掺杂区12半径4.5μm，掺杂区13半径6μm。掺杂区11，掺杂区12和掺杂区13的掺铒浓度比为0.76:0.494:1。
进一步地，掺铒层11和掺铒层12区域内折射率不足的部分可通过共掺铝或锗补足，掺铒层13区域内折射率盈余的部分可通过共掺氟消除，使光纤折射率仍然保持为阶跃型。
综上所述，本发明在保证模式数量与传输光纤相近的情况下，能够有效降低四个模式间的增益差，实现良好的模式增益均衡。同时光纤具有较大的模式折射率差，有利于模式串扰的降低。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤，其特征在于：光纤的横截面各层为同心圆，从内而外依次为纤芯1和包层2，纤芯1的半径为6μm，包层2的半径为62.5μm，纤芯1折射率为1.459，包层2折射率为1.444，模式折射率差最小为1.29*10-3，可保证光纤支持四个模式的同时模式串扰降低，纤芯部分可分为相邻的二层，依次为11、12，或分为三层同心圆，依次为11、12、13，各层之间的掺铒浓度不同，掺杂比例随着各掺杂层半径的变化而变化，当所述光纤纤芯各掺铒层的折射率不足则通过掺锗或掺铝补充，当所述光纤纤芯各掺铒层的折射率超出，则通过掺氟消除。
2.根据权利要求1所述的一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤，其特征在于，纤芯1的半径为6μm，包层2的半径为62.5μm，纤芯1折射率为1.459，包层2折射率为1.444，模式折射率差最小为1.29*10-3，掺杂区11半径4.5μm，掺杂区12半径6μm，掺杂区11与掺杂区12的掺铒浓度比为0.61:1。
3.根据权利要求1所述的一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤，其特征在于，纤芯1的半径为6μm，包层2的半径为62.5μm，纤芯1折射率为1.459，包层2折射率为1.444，模式折射率差最小为1.29*10-3，掺杂区11半径2μm，掺杂区12半径4μm，掺杂区13半径6μm，掺杂区11，掺杂区12和掺杂区13的掺铒浓度比为0.9:0.47:1。
4.根据权利要求1所述的一种分层掺杂的阶跃型弱耦合增益均衡四模掺铒光纤，其特征在于，纤芯1的半径为6μm，包层2的半径为62.5μm，纤芯1折射率为1.459，包层2折射率为1.444，模式折射率差最小为1.29*10-3，掺杂区11半径2μm，掺杂区12半径4.5μm，掺杂区13半径6μm，掺杂区11，掺杂区12和掺杂区13的掺铒浓度比为0.76:0.494:1。
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