CN112099129A - 一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤，属于光纤通信、特种光纤、光纤激光器等领域。利用中心空气孔和纤芯分层掺杂设计相结合的方案，抑制部分高阶模产生的同时使得光纤中不同模式的模场分布得以调控，有效降低了各传输模式之间的增益差值，实现了良好的增益均衡特性。通过掺铝/锗或氟以实现纤芯折射率的匹配，同时对纤芯半径、折射率分布等进行适当的选择，可实现模式间较大的有效折射率差，降低芯间串扰，有利于其广泛应用。

Description

一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤

技术领域

本发明涉及一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤，属于光纤通信、特种光纤、光纤激光器等领域。

背景技术

近年来，随着云计算、大数据、人工智能以及5G等业务的飞速发展，人们对于通信容量的需求急剧上升，空分复用技术(SDM)被认为是实现光通信系统升级扩容的关键技术之一，得到学者们的广泛研究。光放大器作为中继器件，可以补偿传输过程中的能量损耗，保证通信系统长距离、稳定的传输，但受传输过程中各模式间传输损耗和放大增益情况各不相同的影响，信号之间会存在能量差异，随传输距离的累积，最终会导致接收端误码率的升高，造成传输质量的下降。因此，实现空分复用光纤放大器的增益均衡尤为关键。少模光纤放大器的增益均衡技术是目前研究较为广泛的一种，通过对少模光纤放大器中掺杂光纤的折射率、掺杂剖面和泵浦方式等进行设计可以实现放大器中各模式信号的能量均衡，是空分复用光放大研究的关键。

在各种类型的少模光纤通信系统中，考虑到制作工艺、系统集成度等多重因素的影响，对放大器中泵浦光以及增益光纤的折射率和掺杂剖面进行特殊设计进而实现增益均衡的方法被人们广泛研究。其中，纤芯的分层掺杂是应用最为广泛且最能直接实现光纤增益均衡的方法。在论文Optics Express Vol.21,Issue 8,pp.10383-10392(2013)中应用该方法，对光纤的外环层纤芯进行铒离子掺杂，并在内层纤芯掺铝实现阶跃光纤纤芯折射率的匹配，该种光纤利用单环形掺杂设计的方法初步降低各传输模式间的增益差值；在论文SPIE 9131,Optical Modelling and Design III,91310Y(1May 2014)中使用纤芯分层掺杂的方法，通过对纤芯进行多层掺杂，进一步减小模式之间的增益差值以实现放大器的增益均衡。这两篇文章均采用分层掺杂方法设计纤芯的掺杂剖面，在一定程度上减小光纤内各模式间的增益差值，但纤芯中只有部分区域进行掺杂，未实现纤芯的充分利用。

本发明中提出了一种中心加孔的少模增益光纤结构，利用中心空气孔来抑制部分高阶模的产生，降低各模式之间的功率填充因子差值，增大其有效折射率差值，实现信号传输过程中的弱耦合。这种结构在论文Photonics Research Vol.5,Issue 3,pp.261-266(2017)中有所体现，通过中心空气圆孔和椭圆形纤芯的设计，提高光纤内各模式间的有效折射率差值，使得光纤支持更多非简并模式的弱耦合传输。该光纤在结构上与本发明具有相似之处，但该光纤着重于实现更多模式的传输和模式之间更小的串扰，是无源光纤的设计，与本发明所提出的旨在对光纤进行折射率和掺杂剖面设计以实现模式的增益均衡的有源光纤设计具有很大的区别。

本发明提出的一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤。采用空气孔和分层掺杂设计相结合的方法，改变纤芯内各模式的模场分布，减小各传输模式之间的功率填充因子差值，更好的实现放大器的增益均衡，对于空分复用传输系统长距离、稳定的传输有着至关重要的意义。

发明内容

本发明提出了一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤结构。通过中心空气孔设计和光纤纤芯分层掺杂相结合的方法，在放大传输过程中，实现各模式间较低的增益差值，实现增益均衡，同时抑制部分高阶模的产生，增大各模式之间的有效折射率差值，实现传输过程中较低的模间串扰。

为实现上述目标，采用的具体方案如下：

一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤结构，其特征在于：各层在光纤截面上为同心圆结构，由内到外依次为空气孔、纤芯、沟槽和包层。其中纤芯可为阶跃型折射率分布或阶梯型折射率分布。所述空气孔在光纤的中心，半径在1.5μm至2μm之间；纤芯围绕在空气孔的外侧，半径在7.5μm至9μm之间；沟槽围绕在纤芯的外侧，半径在11μm至13μm之间；包层半径在55μm至75μm。纤芯折射率在1.45至1.46之间，沟槽折射率为1.438，包层折射率为1.444，纤芯部分采用多层掺杂，各层内部浓度相同，不同层之间浓度不同，并通过掺铝/锗或氟实现折射率的匹配。

本发明的有益效果如下：

本发明采用中心空气孔设计和多层掺杂相结合的方案，抑制部分高阶模的产生，使得光纤中不同模式的模场分布得以调控，减小各传输模式之间的功率填充因子差值，可有效实现各模式的均衡放大，获得放大器较为良好的增益均衡特性。这种结构设计还可以增大各模式之间的有效折射率差值，降低放大过程中的模间串扰，减小模式间的耦合特性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图进行简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅为本发明的部分实施例，对于本领域其他技术人员在不付出创造性劳动的前提下，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基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤截面示意图。

图2为本发明实施例一提供的一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤沿半径方向的折射率分布和铒离子掺杂分布示意图。

图3为本发明实施例二提供的一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤截面示意图。

图4为本发明实施例二提供的一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤沿半径方向的折射率分布和铒离子掺杂分布示意图。

图5为本发明实施例三提供的一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤截面示意图。

图6为本发明实施例三提供的一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤沿半径方向的折射率分布和铒离子掺杂分布示意图。

具体实施方案

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，其中自始至终使用相同编号的部分表示为同一元件，如1、3和4分别代表空气孔、沟槽和包层，具有相似编号的部分代表具有相同或相似性能的元件，如21、22、23或21、221、222代表纤芯中掺杂浓度或折射率不同的区域。下面通过参考附图描述的实施方案是示例性的，仅用于解释本发明，并不能解释对被发明的限制。

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对本发明作进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本实施例的限定。

实施例一

一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤，如图1、图2所示，它包括空气孔1、纤芯2、沟槽3以及包层4，以及纤芯2根据掺杂浓度被分为的两个同心圆区域，由内而外依次为21、22，其中掺铒浓度21≠22。空气孔1的半径为1.5μm，纤芯2的半径为7.5μm，沟槽3的半径为12μm，包层4的半径为55μm，纤芯2的折射率为1.452，沟槽3的折射率为1.438，包层4的折射率为1.444，掺杂区21的半径为4.5μm，掺杂区22的半径为7.5μm，掺杂区21和掺杂区22的掺铒浓度比为0.68:1。

进一步地，掺杂区21中折射率不足的部分通过掺铝/锗进行补足，掺杂区22中折射率盈余的部分通过掺氟消除以实现整体阶跃型的匹配。

实施例二

一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤，如图3、图4所示，它包括空气孔1、纤芯2、沟槽3以及包层4，以及纤芯2根据掺杂浓度被分为的三个同心圆区域，由内而外依次为21、22、23，其中掺铒浓度21≠22≠23。空气孔1的半径为2μm，纤芯2的半径为9μm，沟槽3的半径为13μm，包层4的半径为62.5μm，纤芯2的折射率为1.452，沟槽3的折射率为1.438，包层4的折射率为1.444，掺杂区21的半径为5μm，掺杂区22的半径为7μm，掺杂区23的半径为9μm，掺杂区21、掺杂区22和掺杂区23的掺铒浓度比为0.81:0.42:1。

进一步地，掺杂区21和掺杂区22中折射率不足的部分通过掺铝/锗进行补足，掺杂区23中折射率盈余的部分通过掺氟消除以实现整体阶跃型的匹配。

实施例三

一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤，如图5、图6所示，它包括空气孔1、纤芯2、沟槽3以及包层4，纤芯2根据折射率差异被分为的两个同心圆区域，由内而外依次为21、22，其中折射率21<22，以及纤芯22区域根据掺杂浓度被分为的两个同心圆区域，由内而外依次为221、222，其中纤芯内部掺杂浓度21≠221≠222。空气孔1的半径为1.8μm，纤芯2的半径为8μm，其中低折射率纤芯21的半径为4.5μm，高折射率纤芯22的半径为8μm，沟槽3的半径为11μm，包层4的半径为75μm，纤芯21的折射率为1.452，纤芯22的折射率为1.456，沟槽3的折射率为1.438，包层4的折射率为1.444，掺杂区21的半径为4.5μm，掺杂区221的半径为6.4μm，掺杂区222的半径为8μm，掺杂区21、掺杂区221和掺杂区222的掺铒浓度比为0.808:0.424:1。

进一步地，掺杂区21和掺杂区221中折射率不足的部分通过掺铝/锗进行补足，掺杂区222中折射率盈余的部分通过掺氟消除以实现整体阶梯型折射率的匹配。

综上所述，本发明通过中心空气孔和纤芯多层掺杂设计，能够有效地降低各传输模式之间的增益差值，具有良好的增益均衡特性。同时光纤内各传输模式间有效折射率差较大，有利于降低模间串扰，实现弱耦合。

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，且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。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)

1.一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤，其特征在于：光纤的横截面各层为同心圆，由内到外依次为空气孔1、围绕在空气孔1外侧的纤芯2、围绕在纤芯2外侧的沟槽3，以及覆盖空气孔1、纤芯2和沟槽3的包层4，该种结构光纤可以通过单环形、多环形等多种分层掺杂方式实现支持不同数目传输模式的掺铒光纤的增益均衡，纤芯可以是阶跃型折射率分布或阶梯型折射率分布，在对纤芯进行掺杂设计时可以分为相邻的两层21、22，也可分为三层21、22、23(阶跃型)或21、221、222(阶梯型)，各层之间铒离子掺杂浓度不同，掺杂比例随掺杂半径、纤芯的折射率分布的变化而变化，光纤可通过掺铝/锗或氟实现纤芯折射率的匹配。

2.根据权利要求1所述的一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤，其特征在于：空气孔1的半径为1.5μm，纤芯2的半径为7.5μm，沟槽3的半径为12μm，包层4的半径为55μm，纤芯2的折射率为1.452，沟槽3的折射率为1.438，包层4的折射率为1.444，掺杂区21的半径为4.5μm，掺杂区22的半径为7.5μm，掺杂区21和掺杂区22的掺铒浓度比为0.68:1。

3.根据权利要求1所述的一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤，其特征在于：空气孔1的半径为2μm，纤芯2的半径为9μm，沟槽3的半径为13μm，包层4的半径为62.5μm，纤芯2的折射率为1.452，沟槽3的折射率为1.438，包层4的折射率为1.444，掺杂区21的半径为5μm，掺杂区22的半径为7μm，掺杂区23的半径为9μm，掺杂区21、掺杂区22和掺杂区23的掺铒浓度比为0.81:0.42:1。

4.根据权利要求1所述的一种基于分层掺杂的空气孔少模增益均衡光纤，其特征在于：空气孔1的半径为1.8μm，纤芯2的半径为8μm，其中包括半径为4.5μm的低折射率纤芯21和半径为8μm的高折射率纤芯22，沟槽3的半径为11μm，包层4的半径为75μm，低折射率纤芯21的折射率为1.452，高折射率纤芯22的折射率为1.456，沟槽3的折射率为1.438，包层4的折射率为1.444，掺杂区21的半径为4.5μm，掺杂区221的半径为6.4μm，掺杂区222的半径为8μm，掺杂区21、掺杂区221和掺杂区222的掺铒浓度比为0.808:0.424:1。

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