CN114859460B - 一种多芯增益光纤、光纤放大器和光纤振荡器 - Google Patents

一种多芯增益光纤、光纤放大器和光纤振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多芯增益光纤、光纤放大器和光纤振荡器，所述多芯增益光纤具有入射端和出射端，所述多芯增益光纤包括由内至外依次排布的纤芯和包层，所述包层包覆于所述纤芯，所述纤芯和包层的横截面从入射端到出射端沿光纤轴向等比例渐变。本发明将光纤的纤芯和包层的横截面沿光纤轴向逐渐变化，使得后向传输的对系统无益的放大自发辐射在光纤输入端被抑制，进而确保在信号输入端有一个更好的粒子数反转情况，提升其光纤性能；另一方面，后向放大自发辐射被抑制，其消耗的泵浦功率在输入端得以节约，以供掺杂离子对信号进行放大，进一步改善了泵浦转换效率。

Description

一种多芯增益光纤、光纤放大器和光纤振荡器
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种多芯增益光纤、光纤放大器和光纤振荡器。
背景技术
由于单模单纤WDM光传输系统其容量提升的传统技术路径都遭遇了性能瓶颈，引入空间这一维度参数被认为是今后一段时间内超大容量光传输的主要发展方向之一。普通意义上单模光纤是由纤芯和包层构成的，而多芯光纤则是在同一个包层里含有多个相同的纤芯按照一定的形状排列，具备同时、多路、独立地传输信号的能力。以多芯光纤为基础的SDM，被视作为继WDM之后光纤通信技术的第二次技术革命，预示着将来系统传输容量还可提升多个数量级。
多芯光纤既提高了传输容量，又不会增加光缆安装铺设的空间和资金投入，节约了实际成本，但也存在一定的缺点，其效率成为现在亟待解决的问题。目前，在泵浦功率密度不变的情况下，主要通过增加纤芯数目来改善泵浦效率。但纤芯数目增多会引起串扰恶化，另一方面芯间距过小会造成系统复用和解复用的困难性增加，对系统所需的匹配器件要求也更高。
除此之外，在应用掺杂光纤的系统中极易产生后向放大自发辐射，其传输至输入端后功率被放大至较高水平，既浪费了泵浦功率导致效率低，又会消耗掺杂离子的粒子反转水平，影响其性能。现阶段，对于后向放大自发辐射，大多采用引入滤波器件的方案来进行滤除，但该方案只能单纯将其引出系统，避免对系统所产生的如损坏系统器件等进一步影响，并不能实质性改善其对泵浦功率和反转粒子数的浪费。同时因为引入新器件，造成额外的器件损耗，同时系统复杂性增加，系统成本也相应增加，不利于实际应用。
因此，亟需一种新的光纤设计方式用于解决现有多芯增益光纤泵浦转换效率低下的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种多芯增益光纤、光纤放大器和光纤振荡器，解决现有技术中多芯增益光纤泵浦转换效率低下的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种多芯增益光纤，具有入射端和出射端，所述多芯增益光纤包括由内至外依次排布的纤芯和包层，所述包层包覆于所述纤芯，所述纤芯和包层的横截面从入射端到出射端沿光纤轴向等比例渐变。
在一个实施例中，所述纤芯具有纤芯通道，以形成纤芯区域，所述纤芯区域沿所述光纤轴线的数值孔径变化不大于0.1。
在一个实施例中，所述纤芯和包层的横截面从入射端到出射端沿光纤轴向逐渐变大。
在一个实施例中，所述纤芯的数量包括但不限于4个，且各个所述纤芯沿所述光纤轴线旋转对称分布。
在一个实施例中，所述纤芯和包层的横截面均为圆形。在一个实施例中，所述包层为单包层结构或双包层结构。
在一个实施例中，所述纤芯掺杂有掺杂离子，所述掺杂离子包括但不限于铒、镱、铥、铋和镨的其中一种或多种。
在一个实施例中，所述纤芯的折射率分布为阶跃型、凹陷型、凸起型、环形掺杂的其中一种。
第二方面，本发明还提供一种光纤放大器，包括如上所述的多芯增益光纤。
第三方面，本发明还提供一种光纤振荡器，包括如上所述的多芯增益光纤。
与现有技术相比，本发明提供的多芯增益光纤、光纤放大器和光纤振荡器，将光纤的纤芯和包层的横截面沿光纤轴向逐渐变化，使得后向传输的对系统无益的放大自发辐射在光纤输入端被抑制，进而确保在信号输入端有一个更好的粒子数反转情况，提升其光纤性能；另一方面，后向放大自发辐射被抑制，其消耗的泵浦功率在输入端得以节约，以供掺杂离子对信号进行放大，进一步改善了泵浦转换效率。此外，多芯光纤的纤芯数量以及纤芯的排布可以根据具体的应用场景来设计，增加了多芯光纤的纤芯的多样性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的多芯增益光纤的示意图；
图2是本发明实施例提供的多芯增益光纤的纤芯传输示意图；
图3是本发明实施例提供的多芯增益光纤中，纤芯的泵浦功率、输出信号、粒子反转数和后向ASE功率随光纤传输距离的变化情况示意图；
图4是本发明提供的多芯增益光纤相较于传统均匀光纤的后向放大自发辐射随光纤传输距离变化情况的比较示意图；
图5是本发明提供的多芯增益光纤相较于传统均匀光纤的泵浦功率和粒子反转度随光纤传输距离变化情况的比较示意图；
图6是本发明实施例提供的包含多芯增益光纤的光纤放大器在多芯系统中的示意图；
图7是本发明实施例提供的包含多芯增益光纤的光纤放大器在单芯系统中的示意图。
具体实施方式
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。
本发明实施例提供一种多芯增益光纤以及应用此光纤的光纤放大器和光纤振荡器。通过改变光纤结构，使各个纤芯和包层的横截面从入射端到出射端沿光纤轴向以相同比例逐渐变化，形成光纤尺寸沿光纤轴向等比例变大的增益光纤，使得后向传输的对系统无益的放大自发辐射在光纤输入端被抑制，进而提高效率。
请参阅图1，本发明提供的多芯增益光纤，具有入射端和出射端，所述多芯增益光纤包括由内至外依次排布的纤芯100和包层200，所述包层200包覆于所述纤芯100，所述纤芯100和包层200的横截面从入射端到出射端沿光纤轴向等比例渐变。
本实施例中，将光纤的纤芯100和包层200的横截面沿光纤轴向逐渐变化，使得后向传输的对系统无益的放大自发辐射在光纤输入端被抑制，进而确保在信号输入端有一个更好的粒子数反转情况，提升其光纤性能；另一方面，后向放大自发辐射被抑制，其消耗的泵浦功率在输入端得以节约，以供掺杂离子对信号进行放大，进一步改善了泵浦转换效率。
在一些实施例中，所述纤芯具有纤芯通道，以形成纤芯区域，所述纤芯区域沿所述光纤轴线的数值孔径变化不大于0.1。例如，所述纤芯区域沿所述光纤轴线的数值孔径变化值可以为0.08、0.09等数值，使得后向传输的对系统无益的放大自发辐射在光纤输入端被抑制，进而确保在信号输入端有一个更好的粒子数反转情况，提升其光纤性能。
在一些实施例中，所述纤芯100和包层200的横截面从入射端到出射端沿光纤轴向逐渐变大。
本实施例中，请参阅图2，其为本发明提供的多芯增益光纤的纤芯的传输示意图，信号由入射端注入，信号和前向放大自发辐射沿光纤轴向放大并由光纤的直径小区域传输至直径大区域，而后向放大自发辐射沿光纤轴向反向传输，由直径大区域传输至直径小区域，从而由光纤纤芯内泄露至光纤包层中。
请参阅图3，其为本发明实施例提供的多芯增益光纤中，纤芯的泵浦功率、输出信号、粒子反转数和后向ASE功率随光纤传输距离的变化情况示意图，从图3中能够看出后向放大自发辐射在光纤输入端大量积累，并与输入信号产生竞争，消耗了泵浦光和粒子反转度。通过引入尺寸渐变的光纤结构，可以使得后向放大自发辐射在到达输入端前被逐步泄露、消耗；当到达输入端时，后向放大自发辐射因功率太小，不足以和输入信号产生竞争，由此节约泵浦功率和粒子反转度。
进一步的，请参阅图4和图5，与传统的均匀光纤相比，图4中可以明显看出本发明由于引入尺寸渐变的光纤结构，后向放大自发辐射的功率被明显抑制，在输入端更为明显。而从图5中可以看出，本发明由于引入尺寸渐变的光纤结构，光纤中的泵浦功率和粒子反转度的消耗情况有所改善，相应的，增益光纤性能也有所提升。
在一些实施例中，所述纤芯100的数量包括但不限于4个，且各个所述纤芯100沿所述光纤轴线旋转对称分布。优选的，所述纤芯的数量为4个，当然，在其它的实施例中，所述纤芯的数量还可以设置为6个、8个等等，本发明对此不做限定。
在一些实施例中，所述纤芯100和包层200的横截面均为圆形，使包层200中的泵浦光能够被纤芯100充分吸收。其中，所述包层200和纤芯100的直径变化率均相同。
在一些实施例中，所述包层200为单包层结构或双包层结构。具体的，所述包层200可以只有一个包层，或者所述包层200包括内包层和外包层，纤芯、内包层和外包层由内至外依次排布。
在一些实施例中，所述纤芯掺杂有掺杂离子，所述掺杂离子包括但不限于铒、镱、铥、铋和镨的其中一种或多种。示例性的，纤芯以SiO2为基质，共掺杂Al和F，并且掺入稀土元素Yb和Ce，进而可以抑制纤芯中的高阶模的增益，避免降低光纤的激光性能。
在一些实施例中，所述纤芯的折射率分布为阶跃型、凹陷型、凸起型、环形掺杂的其中一种。例如，设置为阶跃型时，纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化。
基于上述多芯增益光纤，本发明还相应的提供一种光纤放大器，包括如上所述的多芯增益光纤。
如图6所示，图6是本发明实施例提供的一种包含该增益光纤的光纤放大器在多芯系统中的示意图。信号经由多芯无源传输光纤经过多芯隔离器进入合束器，该合束器通过将泵浦传输光纤缠绕在多芯有源光纤上实现包层泵浦方式；信号经由合束器分别进入多芯光纤的纤芯区域；包层泵浦剥除器用于滤除包层中存在的高阶模和剩余泵浦光；最后放大后的信号经过多芯隔离器到达接收端。其中，当该实例被应用至L波段时，被泄露至包层中的后向放大自发辐射，还可充当其他纤芯的辅助包层泵浦源，从而进一步提升其在L波段的光纤性能。
如图7所示，图7是本发明实施例提供的一种包含该增益光纤的光纤放大器在单芯系统中的示意图。信号由一分四，分别经过单芯隔离器然后经由多芯复用器耦合至多芯无源光纤中，合束器的信号臂传输其输入信号，合束器的传输光纤缠绕在多芯有源光纤上进而实现包层泵浦。包层泵浦剥除器用于滤除包层中存在的高阶模和剩余泵浦光；最后放大后的信号经过多芯隔离器到达多芯解复用器；多芯解复用器将四路信号解复用至四个单芯传输通道最后进入接收端。
基于上述多芯增益光纤，本发明还相应的提供一种光纤振荡器，包括如上所述的多芯增益光纤，由于上文已对多芯增益光纤进行详细描述，在此不再赘述。
综上所述，本发明提供的多芯增益光纤、光纤放大器和光纤振荡器，将光纤的纤芯和包层的横截面沿光纤轴向逐渐变化，使得后向传输的对系统无益的放大自发辐射在光纤输入端被抑制，进而确保在信号输入端有一个更好的粒子数反转情况，提升其光纤性能；另一方面，后向放大自发辐射被抑制，其消耗的泵浦功率在输入端得以节约，以供掺杂离子对信号进行放大，进一步改善了泵浦转换效率。此外，多芯光纤的纤芯数量以及纤芯的排布可以根据具体的应用场景来设计，增加了多芯光纤的纤芯的多样性。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多芯增益光纤，具有入射端和出射端，其特征在于，所述多芯增益光纤包括由内至外依次排布的纤芯和包层，所述包层包覆于所述纤芯，所述纤芯和包层的横截面从入射端到出射端沿光纤轴向等比例渐变；
所述纤芯具有纤芯通道，以形成纤芯区域，所述纤芯区域沿所述光纤轴线的数值孔径变化不大于0.1。
2.根据权利要求1所述的多芯增益光纤，其特征在于，所述纤芯和包层的横截面从入射端到出射端沿光纤轴向逐渐变大。
3.根据权利要求1所述的多芯增益光纤，其特征在于，所述纤芯的数量为4个，或6个或8个，且各个所述纤芯沿所述光纤轴线旋转对称分布。
4.根据权利要求1所述的多芯增益光纤，其特征在于，所述纤芯和包层的横截面均为圆形。
5.根据权利要求1所述的多芯增益光纤，其特征在于，所述包层为单包层结构或双包层结构。
6.根据权利要求1所述的多芯增益光纤，其特征在于，所述纤芯掺杂有掺杂离子，所述掺杂离子包括但不限于铒、镱、铥、铋和镨的其中一种或多种。
7.根据权利要求1所述的多芯增益光纤，其特征在于，所述纤芯的折射率分布为阶跃型、凹陷型、凸起型、环形掺杂的其中一种。
8.一种光纤放大器，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的多芯增益光纤。
9.一种光纤振荡器，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的多芯增益光纤。
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