CN115561858A - 一种用于c波段和l波段同时放大的双芯掺铒光纤 - Google Patents

一种用于c波段和l波段同时放大的双芯掺铒光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，涉及掺铒光纤技术领域，包括第一纤芯、第二纤芯、外包层；用于放大C波段的第一纤芯的掺铒浓度与用于放大L波段的第二纤芯的掺铒浓度不同；所述的外包层包裹在第一纤芯和第二纤芯的外层；第一纤芯、第二纤芯构成单模双芯光纤结构；本发明通过不同掺铒浓度的第一纤芯和第二纤芯，实现C波段和L波段的信号光在同一根掺铒光纤中放大。

Description

一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤
技术领域
本发明涉及掺铒光纤技术领域，更具体的，涉及一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤。
背景技术
掺铒光纤在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒离子的光纤，是掺铒光纤放大器和激光器的核心器件，掺铒光纤放大器EDFA是长距离传输光通信系统不可或缺的组成部分。掺铒光纤放大器主要是由一段掺铒光纤和泵浦光源组成，掺铒光纤在泵浦光源的作用下产生受激辐射，而且所辐射的光随着输入光信号的变化而变化，这就相当于对输入光信号进行了放大。
为了提高光纤通信的容量，EDFA的增益带宽已经从传统的C波段扩展到C+L波段，然而现有的掺铒光纤技术无法在单根掺铒光纤中实现C+L波段的光信号放大，C+L波段EDFA的实现需将C波段EDFA和L波段EDFA采用并联结构或串联结构组合起来，导致整个EDFA的结构复杂、难以集成，亟需从掺铒光纤的设计制备方面进行改进和创新。
2004年，Yi Bin Lu等人报道了一种由C波段EDFA和L波段EDFA并联组成的超宽带增益平坦光纤放大器，其增益介质选用具有双芯结构的掺铒光纤，但两个纤芯中只有一个掺铒，具有光放大功能，另外一个纤芯仅进行导光从而获得双光束干涉，实现对增益光谱的平坦化效果。因此需要对C波段和L波段进行放大仍需要在不同掺铒的纤芯下实现。
现有技术公开了一种增益均衡少模掺铒光纤，所述光纤由内至外依次包括纤芯(1)、内包层(2)和外包层(3)，其特征在于，所述纤芯(1)为具有不同掺饵浓度的二氧化硅层，其包括位于所述纤芯(1)中心区域的圆形芯层(1-1)、以及依次包绕在所述圆形芯层(1-1)外围的第一环形芯层(1-2)和第二环形芯层(1-3)；其中，所述圆形芯层(1-1)、第一环形芯层(1-2)和第二环形芯层(1-3)的掺饵浓度分别为a1、a2和a3，则满足关系式：a2＜a1，a2＜a3；所述圆形芯层(1-1)、第一环形芯层(1-2)和第二环形芯层(1-3)的折射率分别为n1、n2和n3，则满足关系式：n2＞n3＞n1；但现有技术不足之处在于C波段和L波段的光信号需要在不同掺铒光纤中放大，导致掺铒光纤放大器结构复杂，难以集成。
发明内容
为了解决现有技术中存在的C波段和L波段的光信号需要在不同掺铒光纤中放大，导致掺铒光纤放大器结构复杂，难以集成的问题，提出一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，通过不同浓度的第一纤芯和第二纤芯，实现C波段和L波段的信号光在一根掺铒光纤中放大。
本发明的技术方案如下：
一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，包括第一纤芯、第二纤芯、外包层；用于放大C波段的第一纤芯的掺铒浓度与用于放大L波段的第二纤芯的掺铒浓度不同；所述的外包层包裹在第一纤芯和第二纤芯的外层；第一纤芯、第二纤芯构成单模双芯光纤结构。
本发明的工作原理：
当C波段或L波段的信号光被耦合到相应的纤芯中时，在泵浦光的作用下将基态的铒离子激励到高能态，致使粒子数发生反转，从而产生受激辐射，实现C波段和L波段的光放大。
优选地，所述的第一纤芯为C波段的信号光提供第一增益；所述的第二纤芯为L波段的信号光提供第二增益；第一增益与第二增益之间的增益差小于5dB。
优选地，所述的第一纤芯和第二纤芯均由掺杂稀土铒离子的石英材料制得。
优选地，所述的外包层采用二氧化硅材料制得。
优选地，所述用于放大C波段的第一纤芯的掺铒浓度在300ppm以上，用于放大L波段的第二纤芯的掺铒浓度为1000ppm以上。
进一步地，所述的第一纤芯的掺铒浓度和第二纤芯的掺铒浓度的浓度比为0.3～2。
优选地，所述的第一纤芯和第二纤芯的纤芯直径为3-10μm。
进一步地，所述的第一纤芯和第二纤芯的折射率分布为阶跃型分布；折射率系数与纤芯的折射率分布有关；所述的第一纤芯和第二纤芯的尺寸和折射率设计满足C+L波段单模导光要求。
更进一步地，所述的第一纤芯和第二纤芯的芯间距>30μm，通过对芯间距的条件约束，避免信号光的芯间串扰，避免两个纤芯之间的能量分布受影响。
更进一步地，线性耦合系数与第一纤芯和第二纤芯的芯间距的关系如下：
Figure BDA0003939605120000031
式中，C为线性耦合系数，dNA为光纤数值孔径，n1为纤芯折射率，r为纤芯半径，d为第一纤芯和第二纤芯的芯间距，U、W、V为光纤归一化参量并满足U2+W2＝V2且
Figure BDA0003939605120000032
W＝1.1428V-0.996且1.5<V<2.4；K0、K1为第二类变态贝塞尔函数。
本发明的有益效果：
1.通过第一纤芯和第二纤芯的不同掺铒浓度，实现C波段和L波段光信号同时放大，并且获得相同的增益。
2.通过单模双芯光纤结构和对芯间距的条件约束，避免信号光的芯间串扰，避免两个纤芯之间的能量分布受影响。
3.通过对第一纤芯和第二纤芯的尺寸、折射率的设计，满足C+L波段单模导光要求。
附图说明
图1为所述的一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤的结构图。
图2为所述的一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1、图2所示，一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，包括第一纤芯2、第二纤芯3、外包层1；用于放大C波段的第一纤芯2的掺铒浓度与用于放大L波段的第二纤芯3的掺铒浓度不同；所述的外包层1包裹在第一纤芯2和第二纤芯3的外层；第一纤芯2、第二纤芯3构成单模双芯光纤结构。
本发明的工作原理：
当C波段或L波段的信号光被耦合到相应的纤芯中时，在泵浦光的作用下将基态的铒离子激励到高能态，致使粒子数发生反转，从而产生受激辐射，实现C波段和L波段的光放大。
掺铒光纤作为增益介质，当信号光和泵浦光耦合后入射到双芯掺铒光纤中，由于介质的吸收，入射光所携带的能量将介质中的电子激发到较高的能级，此过程称为粒子数反转。通过弛豫现象，电子从高能级跃迁到基态而释放能量，发射出更多的光子，从而实现光放大。
在本实施例中，所述的第一纤芯为C波段的信号光提供第一增益；所述的第二纤芯为L波段的信号光提供第二增益；第一增益与第二增益之间的增益差小于5dB。
影响增益的因素有泵浦方式、泵浦功率、铒纤长度、掺铒浓度、结构差异等；其中一种因素的改变会影响增益水平的改变。
在本实施例中，所述的第一纤芯2和第二纤芯3均由掺杂稀土铒离子的石英材料制得。
在本实施例中，所述的外包层1采用二氧化硅材料制得，二氧化硅的化学性质稳定，使得所述的双芯掺铒光纤的稳定性好。
在本实施例中，用于放大C波段的第一纤芯2的掺铒浓度为300ppm以上，用于放大L波段的第二纤芯3的掺铒浓度为1000ppm以上，通过第一纤芯2和第二纤芯3不同的掺铒浓度，实现C波段和L波段的同时放大。
更具体的，所述的第一纤芯2的掺铒浓度和第二纤芯3的掺铒浓度的浓度比为0.3～2。
在本实施例中，所述的第一纤芯2和第二纤芯3的纤芯直径为3-10μm。
更具体的，所述的第一纤芯2和第二纤芯3的折射率分布为阶跃型分布；折射率系数与纤芯的折射率分布有关；所述的第一纤芯2和第二纤芯3的尺寸和折射率设计满足C+L波段单模导光要求。
在本实施例中，所述的第一纤芯2和第二纤芯3的芯间距>30μm，目的是为了所述的第一纤芯2和第二纤芯3之间不发生耦合；通过对芯间距的条件约束，避免信号光的芯间串扰，避免第一纤芯2和第二纤芯3之间的能量分布受影响。
更具体的，线性耦合系数与第一纤芯2和第二纤芯3的芯间距的关系如下：
Figure BDA0003939605120000041
式中，C为线性耦合系数，dNA为光纤数值孔径，n1为纤芯折射率，r为纤芯半径，d为第一纤芯2和第二纤芯3的芯间距，U、W、V为光纤归一化参量并满足U2+W2＝V2且
Figure BDA0003939605120000051
W＝1.1428V-0.996且1.5<V<2.4；K0、K1为第二类变态贝塞尔函数；
实施例2
一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，包括第一纤芯2、第二纤芯3、外包层1；用于放大C波段的第一纤芯2的掺铒浓度与用于放大L波段的第二纤芯3的掺铒浓度不同；所述的外包层1包裹在第一纤芯2和第二纤芯3的外层；第一纤芯2、第二纤芯3构成单模双芯光纤结构。
在本实施例中，所述的第一纤芯为C波段的信号光提供第一增益；所述的第二纤芯为L波段的信号光提供第二增益；第一增益与第二增益之间的增益差小于5dB。
在本实施例中，所述的第一纤芯2和第二纤芯3均由掺杂稀土铒离子的石英材料制得。
在本实施例中，所述的外包层1采用二氧化硅材料制得，二氧化硅的化学性质稳定，使得所述的双芯掺铒光纤的稳定性好。
在本实施例中，所述的双芯掺铒光纤进行信号光的放大时，无需将信号光转换为电信号，减少了能量转换过程的能量损失，使得光与铒离子的作用充分。
在本实施例中，用于放大C波段的第一纤芯2的掺铒浓度为500ppm，用于放大L波段的第二纤芯3的掺铒浓度为1362ppm，通过第一纤芯2和第二纤芯3不同的掺铒浓度，实现C波段和L波段的同时放大。
更具体的，所述的第一纤芯2的掺铒浓度和第二纤芯3的掺铒浓度的浓度比为0.3～2，在本实施例中，浓度比取0.367。
在本实施例中，所述的第一纤芯2和第二纤芯3的纤芯直径为9μm，外包层1直径为125μm。
更具体的，所述的第一纤芯2和第二纤芯3的折射率分布为阶跃型分布；折射率系数与纤芯的折射率分布有关；所述的第一纤芯2和第二纤芯3的尺寸和折射率设计满足C+L波段单模导光要求。
在本实施例中，所述的第一纤芯2和第二纤芯3的芯间距>30μm，目的是为了第一纤芯2和第二纤芯3之间不发生耦合；通过对芯间距的条件约束，避免信号光的芯间串扰，避免第一纤芯2和第二纤芯3之间的能量分布受影响。
更具体的，线性耦合系数与第一纤芯2和第二纤芯3的芯间距的关系如下：
Figure BDA0003939605120000061
式中，dNA为光纤数值孔径，n1为纤芯折射率，r为纤芯半径，d为第一纤芯2和第二纤芯3的芯间距，U、W、V为光纤归一化参量并满足U2+W2＝V2且
Figure BDA0003939605120000062
W＝1.1428V-0.996且1.5<V<2.4；K0、K1为第二类变态贝塞尔函数。
实施例3
基于实施例2所述的一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，包括第一纤芯2、第二纤芯3、外包层1；用于放大C波段的第一纤芯2的掺铒浓度与用于放大L波段的第二纤芯3的掺铒浓度不同；所述的外包层1包裹在第一纤芯2和第二纤芯3的外层；第一纤芯2、第二纤芯3构成单模双芯光纤结构。
在本实施例中，所述的第一纤芯为C波段的信号光提供第一增益；所述的第二纤芯为L波段的信号光提供第二增益；第一增益与第二增益之间的增益差小于3dB。
在本实施例中，所述的第一纤芯2和第二纤芯3均由掺杂稀土铒离子的石英材料制得。
在本实施例中，所述的外包层1采用二氧化硅材料制得，二氧化硅的化学性质稳定，使得所述的双芯掺铒光纤的稳定性好。
在本实施例中，用于放大C波段的第一纤芯2的掺铒浓度为600ppm，用于放大L波段的第二纤芯3的掺铒浓度为1635ppm，通过第一纤芯2和第二纤芯3不同的掺铒浓度，实现C波段和L波段的同时放大。
更具体的，所述的第一纤芯2的掺铒浓度和第二纤芯3的掺铒浓度的浓度比为0.367。
在本实施例中，所述的第一纤芯2和第二纤芯3的纤芯直径为10μm，外包层1直径为125μm。
更具体的，所述的第一纤芯2和第二纤芯3的折射率分布为阶跃型分布；折射率系数与纤芯的折射率分布有关；所述的第一纤芯2和第二纤芯3的尺寸和折射率设计满足C+L波段单模导光要求。
在本实施例中，所述的第一纤芯2和第二纤芯3的芯间距>30μm，目的是为了第一纤芯2和第二纤芯3之间不发生耦合；通过对芯间距的条件约束，避免信号光的芯间串扰，避免第一纤芯2和第二纤芯3之间的能量分布受影响。
更具体的，线性耦合系数与第一纤芯2和第二纤芯3的芯间距的关系如下：
Figure BDA0003939605120000071
式中，dNA为光纤数值孔径，n1为纤芯折射率，r为纤芯半径，d为第一纤芯2和第二纤芯3的芯间距，U、W、V为光纤归一化参量并满足U2+W2＝V2且
Figure BDA0003939605120000072
W＝1.1428V-0.996且1.5<V<2.4；K0、K1为第二类变态贝塞尔函数；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，其特征在于，包括第一纤芯(2)、第二纤芯(3)、外包层(1)；用于放大C波段的第一纤芯(2)的掺铒浓度与用于放大L波段的第二纤芯(3)的掺铒浓度不同；所述的外包层(1)包裹在第一纤芯(2)和第二纤芯(3)的外层；第一纤芯(2)、第二纤芯(3)构成单模双芯光纤结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，其特征在于，所述的第一纤芯(2)为C波段的信号光提供第一增益；所述的第二纤芯(3)为L波段的信号光提供第二增益；第一增益与第二增益之间的增益差小于5dB。
3.根据权利要求1所述的一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，其特征在于，所述的第一纤芯(2)和第二纤芯(3)均由掺杂稀土铒离子的石英材料制得。
4.根据权利要求1所述的一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，其特征在于，所述的外包层(1)采用二氧化硅材料制得。
5.根据权利要求1所述的一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，其特征在于，用于放大C波段的第一纤芯(2)的掺铒浓度为300ppm以上，用于放大L波段的第二纤芯(3)的掺铒浓度为1000ppm以上。
6.根据权利要求5所述的一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，其特征在于，所述的第一纤芯(2)的掺铒浓度和第二纤芯(3)的掺铒浓度的浓度比的范围在0.3～2。
7.根据权利要求1所述的一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，其特征在于，所述的第一纤芯(2)和第二纤芯(3)的纤芯直径为3-10μm。
8.根据权利要求7所述的一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，其特征在于，所述的第一纤芯(2)和第二纤芯(3)的折射率分布为阶跃型分布。
9.根据权利要求8所述的一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，其特征在于，所述的第一纤芯(2)和第二纤芯(3)的芯间距>30μm。
10.根据权利要求9所述的一种用于C波段和L波段同时放大的双芯掺铒光纤，其特征在于，线性耦合系数与第一纤芯(2)和第二纤芯(3)的芯间距的关系如下：
Figure FDA0003939605110000021
式中，C为线性耦合系数，dNA为光纤数值孔径，n1为纤芯折射率，r为纤芯半径，d为第一纤芯(2)和第二纤芯(3)的芯间距，U、W、V为光纤归一化参量并满足U2+W2＝2且
Figure FDA0003939605110000022
W＝1.1428V-0.996且1.5<V<2.4；K0、K1为第二类变态贝塞尔函数。
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