CN115480338A - 一种光纤及光纤放大器 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种光纤，用于提升光纤的传输效率。本申请实施例的光纤包括至少一个纤芯置于内包层，内包层的内凹结构连接至少一个纤芯，内包层的折射率呈现规律性变化，纤芯用于传输信号光，内包层用于泵浦光进入纤芯。

Description

一种光纤及光纤放大器
技术领域
本申请实施例涉及通信领域，尤其涉及一种光纤及光纤放大器。
背景技术
随着通信容量的逐年增加，单模单芯光纤的传输容量正在接近香农极限，已经满足不了逐渐增长通信的需求。利用单模多芯光纤的空分复用技术可以在传统光纤的基础上成倍的增加信道传输的容量，进而很好的解决大量信息传输的问题。
现有技术中的单模多芯光纤中，双包层光纤为大量用于包层泵浦光纤放大器中，目前的双包层光纤中，由于光纤的内包层结构设计采用圆形或其他多边形设计，使得光纤中的泵浦光耦合进入纤芯的效率低，从而降低了光纤的传输效率。
发明内容
本申请实施例提供了一种光纤，用于提升光纤中泵浦光的耦合效率。
本申请实施例第一方面提供了一种光纤，该光纤包括纤芯、内包层和外包层，至少一个纤芯置于内包层，内包层的内凹结构连接至少一个纤芯，该内凹结构连接纤芯的部分与纤芯相切，内包层的折射率呈现规律性变化，规律性变化包括折射率呈现与内包层端面尺寸相关的一次函数或二次函数。纤芯用于传输信号光，内包层用于泵浦光进入纤芯。
本申请实施例中所提供的光纤的内包层的折射率呈现规律性变化且具有内凹的结构设计，内凹结构有效避免了旋芯光的产生，另外，规律性变化的折射率和内凹结构设计提升了内包层的泵浦光进入纤芯的效率，进一步提升了光纤的传输效率。
一种可能的实施方式中，内包层中与纤芯连接的区域的折射率满足预设条件。内包层中连接纤芯的区域折射率高。内包层中靠近纤芯的区域的折射率高于内包层中远离纤芯的区域的折射率，内包层的折射率低于纤芯的折射率但高于外包层的折射率。例如，内包层靠近纤芯的区域折射率为1.49，内包层于远离纤芯的区域折射率最低为1.45至1.48。
本申请实施例中内包层中与纤芯连接的区域的折射率高于内包层中远离纤芯的区域的折射率，从而提升了内包层的泵浦光进入纤芯的效率，提升泵浦光的利用率。
一种可能的实施方式中，内包层的折射率呈现规律性变化包括：折射率的变化曲线在内包层的端面呈现U型曲线特征，U型曲线特征满足与内包层的端面尺寸相关的二次函数。
本申请实施例中内包层的折射率在光纤端面呈现U型曲线特征，即内包层中靠近纤芯部分的折射率略高于内包层中间折射率，提升了光纤的泵浦光纤的耦合效率。
一种可能的实施方式中，内包层的折射率呈现规律性变化包括：折射率的变化曲线在内包层的端面呈现阶跃特征或V型特征，V型特征满足与内包层的端面尺寸相关的一次函数。
一种可能的实施方式中，内包层的内凹结构为内凹圆弧，内凹圆弧与纤芯的芯环相切，内凹圆弧的圆心到光纤的圆心的距离大于内凹圆弧的半径的2倍。
本申请实施例所提供的光纤内包层的内凹结构可以是内凹圆弧，内凹圆弧的设计降低了内包层的加工难度。
一种可能的实施方式中，内包层的内凹结构为内凹角，内凹角与纤芯的芯环相切。内凹角为直线段构成的折线结构。
本申请实施例中的光纤内包层的内凹结构可以是内凹角，内凹角的结构设计内包层的预制棒加工难度。
一种可能的实施方式中，纤芯的排列包括圆形或多边形，多边形包括三角形、正方形或矩形。
一种可能的实施方式中，圆形或多边形的中心设置有纤芯。
本申请实施例中所提供的光纤中心可以设置有纤芯，光纤的中心为上述圆形或多边形的中心，光纤的纤芯可以有多种排列方式，提升了光纤结构方案的丰富性。
一种可能的实施方式中，外包层设置有空气孔，空气孔用于约束泵浦光，空气孔的直射率低于内包层和外包层，例如空气孔的折射率为1.0。
本申请实施例中的光纤外包层设置有空气孔，空气孔折射率低于外包层，有效地避免了光泄露，提升了泵浦光的利用率。
一种可能的实施方式中，纤芯的上设置有芯环，芯环的折射率小于纤芯的折射率，内包层的内凹结构连接至少一个纤芯包括：内包层的内凹结构连接至少一个纤芯的芯环。
本申请实施例中的光纤设置有芯环，由于芯环的折射率低于纤芯的折射率，本申请实施了中的芯环减少了信号光的串扰。
一种可能的实施方式中，本申请实施例中提供的光纤还包括保护层，保护层包裹上述外包层，保护层用于保护光纤。
本申请实施例中的光纤的保护层可以进一步对光纤进行保护，使得光纤可以适用于各种使用场景的敷设。
本申请实施例第二方面提供了一种光纤放大器，包括：种子源、抽运源、光纤、隔离器或耦合器中的一项或多项，该光纤为上述第一方面所述的光纤。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种光纤工作原理示意图；
图2为本申请实施例提供的一种光纤结构示意图；
图3a为本申请实施例提供的一种光纤的端面折射率示意图；
图3b为本申请实施例提供的另一种光纤的端面折射率示意图；
图4为本申请实施例提供的一种光纤的光功率对比示意图；
图5为本申请实施例提供的另一种光纤的光功率对比示意图；
图6为本申请实施例提供的另一种光纤结构示意图；
图7为本申请实施例提供的另一种光纤结构示意图；
图8为本申请实施例提供的另一种光纤结构示意图；
图9为本申请实施例提供的一种光纤放大器的结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种光纤，用于提升光纤的泵浦光的耦合效率，进一步提升光纤的传输效率。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
以下，对本申请中的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解。
多芯光纤(multi core fiber，MCF)是指光纤中一个共同的包层区中存在多个纤芯的光纤。根据纤芯的相互接近程度，纤芯之间存在光的耦合作用。
单模光纤(single mode fiber，SMF)为只能传输一种模式的光纤。单模光纤包括单模多芯光纤，单模多芯光纤又分为两类：一类是弱耦合多芯光纤，每个芯信道独立，纤芯之间的距离例如设计为25至45μm，纤芯间的串扰例如低于-30dB；另一类是强耦合多芯光纤，纤芯之间的距离例如设计为10至20μm，通过减小纤芯间距、增加纤芯数量，以及芯间串扰，大幅降低传输时延。
空分复用(space division multiplexing，SDM)技术是指利用空间的分割实现复用的一种方式，将多根光纤组合成束实现空分复用，或者在同一根光纤中实现空分复用。空分复用包括光纤复用和波面分割复用。光纤复用是指将多根光纤组合成束组成多个信道，相互独立传输信息。
下面仅以图1所示的光纤传输场景为例，对本申请所提供的光纤进行介绍，本申请实施例中所提供的光纤包括外包层、内包层和纤芯。如图1所示，纤芯为掺杂稀土元素的纤芯，例如，铒镱(ErYb)共掺光纤。纤芯用于传输信号光，内包层包绕纤芯，用于泵浦光进入纤芯，泵浦光在内包层之间多次反射，穿过纤芯并被纤芯吸收。
请参阅图2，图2为本申请实施例中提供的一种光纤的端面示意图。该光纤包括外包层、内包层和纤芯，其中，纤芯周围包裹有芯环，芯环用于隔离纤芯中的信号光，内包层通过内凹结构连接纤芯的芯环。外包层上设置有空气孔，空气用于约束泵浦光。一些可选的实施方式中，该光纤还包括保护层。
图2所示的光纤采用包层泵浦形式，通过空间光路或者熔融熔拉锥的方式在纤芯中注入信号光，在包层注入泵浦光，纤芯用于传输信号光，内包层用于泵浦光进入纤芯。该光纤的纤芯采用掺杂稀土元素的材料，其中，纤芯部分的折射率在光纤中折射率最高，其次为芯环，芯环的折射率略低于纤芯，内包层的折射率呈现规律性变化，内包层的折射率高于外包层的折射率且低于芯环的折射率，空气孔的折射率最低。例如，图2中所示的纤芯的折射率为1.5、芯环中的折射率为1.49，外包层的折射率为1.45，内包层的折射率在1.45至1.49之间。
本申请实施例中至少一个纤芯以及芯环置于内包层，内包层设计为内凹结构，该内凹结构连接至少一个纤芯的芯环。例如，图2所示的光纤端面中有4个纤芯置于光纤的内包层，内包层的圆弧形内凹结构连接光纤的4个纤芯，在该示例中，内凹结构为内凹圆弧，圆弧的直径与纤芯之间的距离相同，内凹圆弧的半径为10um。
本申请实施例中的内包层的折射率呈现规律性变化，包括渐变折射率和非渐变折射率。例如，图2所示的光纤端面中，内包层在靠近纤芯的部分折射率高，在内包层远离纤芯的中心部分折射偏低，但内包层折射率高于外包层折射率。外包层的材料包括石英，折射率低于内包层，例如，外包层的折射率为1.45，外包层上设置有空气孔，空气孔用于约束泵浦光，避免了光泄露，空气孔的折射率为1。
请参阅图2中的坐标轴，图2中下图为光纤端面折射率的变化示意图，横轴表示光纤的横截面的坐标，纵轴表示光纤端面的折射率，从图中可以看出，折射率最高的部分表示光纤端面中的纤芯部分，其折射率为1.5；折射率为1.49的部分表示光纤端面中的芯环，折射率低于1.45的部分表示纤芯中的空气孔。
本申请实施例中的光纤的可以有多种可选的尺寸规格，例如图2所示，光纤的纤芯直径为8um，纤芯之间的距离为20um，芯环带的宽度为2um，空气孔的直径为4um，空气孔构成的环形空气孔阵列的直径为80um。
本申请实施例中的内包层折射率呈现规律性变化，规律性变化包括内包层端面的折射率变化曲线呈现U型特征、V型特征或阶跃型特征，例如，内包层的折射率变化曲线满足如下：
Figure BDA0003093794970000041
其中，n表示内包层的折射率，x为内包层的端面尺寸坐标，归一化后x的取值范围为-1≤x≤1，0.45≤k≤0.49，m为0、1或2。
下面结合示例分别对内包层的折射率呈现几种变化特征进行说明：
1.U型变化特征。
请参阅图2，图2中的坐标轴为光纤端面折射率的变化曲线，其中曲线呈现U型特征的部分为内包层折射率的变化曲线，该段U型曲线满足如下二次函数：
Figure BDA0003093794970000042
其中，n表示内包层的折射率，x为内包层的端面距离坐标，x的取值范围为-4um≤x≤4um。
2.V型变化特征。
请参阅3a，图3a为内包层折射率曲线呈现V型曲线特征的光纤折射率曲线示意图，其中呈现V型曲线特征的曲线段满足如下一次函数：
Figure BDA0003093794970000043
其中，n表示内包层的折射率，x为内包层在端面的距离坐标，归一化后x的取值范围为-1≤x≤1，0.45≤k≤0.49。
3.阶跃型特征。
请参阅3b，图3b为内包层折射率曲线呈现阶跃型曲线特征的光纤折射率曲线示意图，如图3b所示，内包层折射率满足：n＝1.46。
本申请实施例中所提供的光纤的内包层的折射率呈现规律性变化且具有内凹的结构设计，内凹结构有效避免了旋芯光的产生，另外，规律性变化的折射率和内凹结构设计提升了内包层的泵浦光进入纤芯的效率，进一步提升了光纤的传输效率。
请参阅图4，图4为不同光纤端面所对应的光功率对比示意图，其中，图中横坐标Z表示传播距离，纵坐标表示测量值，该测量值可以反映纤芯中的光功率以及泵浦光的耦合效率。
图4中a图所示的光纤直径125um，纤芯直径8um，芯间距20um，空气孔包裹区域直径80um。纤芯折射率1.50，包层折射率1.45。图4中b图所示的光纤为本申请实施例图2所示的光纤。图4中c图所示的光纤直径125um，纤芯直径8um，芯间距20um，空气孔包裹区域直径80um，纤芯折射率1.50，内包层的折射率以每个纤芯的圆心为渐变折射率的中心。图4中d图所示的光纤直径125um，纤芯直径8um，芯间距20um，空气孔包裹区域直径80um。纤芯折射率1.50，内包层的折射率以光纤的圆心为渐变折射率的中心。
如图4所示，b图为本申请实施例提供的光纤所对应的光功率示意图，由b图可知，其最大测量值为0.05919，b图中纤芯中的光功率增加的幅度高于a图、c图和d图所示的光纤，测量值为a图所示的光纤的测量值的237％，为d图所示的光纤的测量值的156％。
请参阅图5，图5为本申请实施例中V型渐变率的内包层的光纤和阶跃型非渐变折射率的包层的光纤所对应的光功率对比示意图。其中，a图为内包层为V型渐变折射率结构及测量值的仿真结果，b图为内包层为V型渐变折射率结构的单个纤芯的耦合效率随折射率变化趋势，c图为内包层为阶跃型非渐变折射率结构及测量值的仿真结果，b图为内包层为阶跃型非渐变折射率结构的单个纤芯的耦合效率随折射率变化趋势。
如图5所示，a图和c图的对比可以看出，内包层为V型渐变折射率结构的光纤光功率增加的幅度高于内包层为阶跃型非渐变折射率结构的光纤。b图和d图的对比可以看出，内包层为V型渐变折射率结构的光纤单个纤芯的耦合效率高于内包层为阶跃型非渐变折射率结构的光纤。
本申请实施例中所提供的光纤的纤芯个数不做限定，上述图2所示的实施例为纤芯个数为4个的示例，在光纤的其他示例中，纤芯的数量可以是3芯、5芯或6芯，具体不做限定。
本申请实施例中所提供的光纤的中的纤芯排列方式不限定，例如，纤芯可以按照圆形排列或多边形排列。
请参阅图6，图6为本申请实施例中所提供的几种不同纤芯个数的光纤，其中，a图为3个纤芯的光纤端面示意图，b图为5个纤芯的光纤端面示意图，c图为6个纤芯的光纤端面示意图，d图为光纤中心没有纤芯端面的折射变化的示意图。如图6所示，光纤的纤芯置于光纤的内包层，内包层的内凹结构连接纤芯，内凹结构为内凹圆弧，内凹圆弧的圆心到光纤的圆心的距离大于内凹圆弧的半径。
本申请实施例中内凹结构设计的内包层减少了内包层中无用的高折射率区域，将内包层中的高折射率区域限制在了纤芯周围，使得光纤中的泵浦光能够尽可能进入纤芯，同时也有效避免的选新光的产生。
一种可能的实施方式中，本申请实施例中所提供光纤的中心可以设置有一个纤芯，光纤端面中心的纤芯为圆形排列纤芯或多边形排列纤芯的中心，下面结合图7进行介绍：
请参阅图7，图7为本申请实施例中所提供的光纤中心设置有纤芯的端面示意图，其中，a图为4个纤芯的光纤端面示意图，b图为5个纤芯的光纤端面示意图，c图为7个纤芯的光纤端面示意图，d图为光纤中心设置有纤芯的光纤端面的折射变化的示意图。
如图7所示，光纤内包层的内凹结构连接纤芯，内凹结构为内凹圆弧，从d图中光纤的端面的折射率可以看出，内包层为U型渐变折射率，d图中折射率最高的部分表示纤芯的折射率，U型折射率的部分表示内包层的折射率，U型折射率可知内包层中靠近纤芯的区域折射率高，内包层中远离纤芯的区域折射率低。
本申请实施例中内包层的内凹结构为内凹圆弧，内凹圆弧的设计降低了内包层的加工难度。
本申请实施例中光纤的内包层的内凹结构包括内凹圆弧和内凹角，下面结合图8对内包层的内凹角结构进行介绍：
请参阅图8，图8为本申请实施例中光纤的内包层为内凹角的光纤端面示意图，不同于上述图6所示的内凹圆弧，内包层的内凹角结构为多个直线段构成连接光纤纤芯的内凹折线型结构。如图8所示，a图为3个纤芯的光纤端面示意图，b图为6个纤芯的光纤端面示意图，纤芯的排列方式为圆形，c图为另一种6个纤芯的光纤端面示意图，纤芯的排列方式为矩形。
本申请实施例中的内包层的内凹结构可以减少光纤内包层产生旋芯光，内凹角结构可以简化制作光纤内包层预制棒的加工难度。
请参阅图9，图9为本申请实施例中所提供的一种光纤放大器，该光纤放大器900包括种子源901、抽运源902、光纤904、隔离器903或耦合器905的一项或多项，种子源901用于产生信号光，抽运源902用于产生泵浦光，耦合器905用于泵浦光与信号的耦合。其中，光纤904为上述实施例中所提供的光纤。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。

Claims (12)

1.一种光纤，其特征在于，包括纤芯、内包层和外包层；
至少一个纤芯置于所述内包层，所述内包层的内凹结构连接至少一个所述纤芯；
所述内包层的折射率呈现规律性变化，所述纤芯用于传输信号光，所述内包层用于泵浦光进入所述纤芯。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述内包层中与所述纤芯连接的区域的折射率满足预设条件。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，其特征在在于，所述内包层的折射率呈现规律性变化包括：
所述折射率的变化曲线在所述内包层的端面呈现U型曲线特征，所述U型曲线特征满足与所述内包层的端面尺寸相关的函数。
4.根据权利要求1或2所述的光纤，其特征在于，所述内包层的折射率呈现规律性变化包括：
所述折射率的变化曲线在所述内包层的端面呈现阶跃特征或V型特征，所述V型特征满足与所述内包层的端面尺寸相关的函数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤，其特征在于，所述内包层的内凹结构为内凹圆弧。
6.根据权利要求5所述的光纤，其特征在于，所述内凹圆弧的圆心到所述光纤的圆心的距离大于所述内凹圆弧的半径的2倍。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤，其特征在于，所述内包层的内凹结构为内凹角。
8.根据权利要求1至7任一项所述的光纤，其特征在于，所述纤芯的排列包括圆形或多边形。
9.根据权利要求8所述的光纤，其特征在于，所述圆形或所述多边形的中心布置有纤芯。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光纤，其特征在于，所述外包层设置有空气孔，所述空气孔用于约束泵浦光。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光纤，其特征在于，所述纤芯的上设置有芯环，所述芯环的折射率小于所述纤芯的折射率，所述内包层的内凹结构连接至少一个所述纤芯包括：
所述内包层的内凹结构连接至少一个所述纤芯的芯环。
12.一种光纤放大器，其特征在于，包括种子源、抽运源、光纤、隔离器或耦合器中的一项或多项，所述光纤包括权利要求1至11中任一项所述的光纤。
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