CN115986537B - 一种基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，沿光通信方向依次包括若干单模信号光源组件、第一模式复用器、增益光纤和第二模式复用器，单模信号光源组件为纤芯泵浦结构，增益光纤为少模掺铒光纤；沿垂直于轴线的截面上，增益光纤的环芯为高斯掺杂方式，且增益光纤的环芯折射率由内至外逐渐递减。本发明一方面利用环芯折射率剖面可以调控模式模场的特点，使高阶模式主要分布在环芯内；另一方面，将增益光纤的环芯设计为高斯掺杂分布方式，极大地减少信号模群之间重叠因子的差异，在纤芯泵浦条件下，提高支持模式数量的同时，显著降低放大器的差分模态增益和噪声指数。

Description

一种基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器

技术领域

本发明涉及模分复用放大器领域，特别是一种基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器。

背景技术

基于光纤模式的正交性，使得每个模式通道可以分别传输信息，为光纤通信创造了一个新的维度。与单模光纤相比，少模光纤有效模场面积大，具有较高的非线性阈值，与相干光通信技术结合，可以显著提高通信容量。模分复用通信系统能够实现长距离传输，在很大程度上依赖于少模掺铒光纤放大器的性能，与传统的单模掺铒光纤放大器相比，少模掺铒光纤放大器不仅需要关注增益以及噪声指数等指标，还有模式之间的差分模态增益（Differential Modal Gain,简称DMG）。

在实际应用过程中，少模掺铒光纤中过大的差分模态增益会导致模分复用系统的不同信号功率水平产生较大差异，从而导致通信容量降低，则实现模态均衡是少模掺铒放大器商用化必不可少的一步。差分模态增益是由信号模场分布、泵浦模场分布和铒离子分布之间的重叠积分差异造成的。因此，目前主要有三种降低差分模态的方法:Ⅰ)调节铒离子掺杂浓度空间分布；Ⅱ)通过控制折射率剖面来调节模场分布；Ⅲ)调控泵场强度分布。对于包层泵浦的少模放大器而言，泵浦分布可认为是均匀的，只需要调控铒离子分布和光纤结构，即可实现模态均衡的效果。现有包层泵浦结构在应用过程中，具有光纤结构简单、模式拓展容易等优点，但其对泵浦光的利用极低，泵浦转换效率低，仍存在一定的局限性。另一方面，现有纤芯泵浦结构的少模掺铒光纤放大器在应用过程中，与包层泵浦结构有所不同，虽然纤芯泵浦结构的泵浦转换效率较高，但从目前结构来看，存在支持模式数量少、差分模态增益大的问题。故亟需提供一种新的设计方式用于解决现有技术中纤芯泵浦光纤放大器的不足。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，用于解决现有纤芯泵浦结构存在支持模式数量少、差分模态增益大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，沿光通信方向依次包括若干单模信号光源组件、第一模式复用器、增益光纤和第二模式复用器，单模信号光源组件为纤芯泵浦结构，增益光纤为少模掺铒光纤；沿垂直于轴线的截面上，增益光纤的环芯为高斯掺杂方式，且增益光纤的环芯折射率由内至外逐渐递减。

优选的，每一单模信号光源组件均包括信号激光器、泵浦激光器、波分复用器和合束光纤，信号激光器的输出端、泵浦激光器的输出端均与波分复用器的输入端通信连接，波分复用器的输出端通过合束光纤与第一模式复用器的输入端通信连接。

优选的，信号激光器输出C波段单模DWDM信号光，泵浦激光器输出980 nm的单模泵浦光；信号激光器发出的信号光与泵浦激光器发出的泵浦光通过波分复用器合束后注入合束光纤的纤芯中。

优选的，第一模式复用器设有若干不同模式的输入端，不同模式的合束光经增益光纤后输出具有不同模式的增益光。

优选的，第二模式复用器设有若干不同模式的输出端；增益光传递至第二模式复用器中进行模式解调，解调后由第二模式复用器的若干输出端口分别输出不同模式的解调信号。

优选的，基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器还包括第一少模隔离器、第二少模隔离器和无源光纤；第一少模隔离器的输入端通过无源光纤与第一模式复用器的输出端通信连接，第一少模隔离器的输出端与增益光纤的输入端通信连接；第二少模隔离器的输入端与增益光纤的输出端通信连接，第二少模隔离器的输出端通过无源光纤与第二模式复用器的输入端通信连接。

优选的，沿垂直于轴线的截面上，增益光纤的掺杂分布表达式为：n=a₁*exp(-((x-b₁)/c₁)²)；其中，n表示折射率，x表示纤芯掺杂的径向位置，a₁表示掺杂浓度峰值处所对应的折射率，b₁表示掺杂浓度峰值处的径向位置，c₁表示高斯掺杂的径向宽度。

进一步优选的，增益光纤的掺杂浓度峰值位于增益光纤的轴线处。

其中，在C波段范围下，增益光纤支持5个信号模群，具体包括LP01、LP11、LP21、LP31以及LP41。信号模群LP01、LP11、LP21、LP31、LP41均约束于增益光纤的环芯范围内。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，一方面利用环芯折射率剖面可以调控模式模场的特点，使高阶模式主要分布在环芯内；另一方面，将增益光纤的环芯设计为高斯掺杂分布方式，极大地减少信号模群之间重叠因子的差异，在纤芯泵浦条件下，提高支持模式数量的同时，显著降低放大器的差分模态增益和噪声指数。

附图说明

图1是本发明中基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器一实施方式的结构示意图；

图2是本发明中增益光纤一实施方式的折射率剖面以及高斯掺杂分布的示意图；

图3是本发明中基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器的支持模式示意图；

图4是本发明实施例1中的增益效果曲线图；

图5是本发明实施例1中的噪声指数曲线图

图6是本发明实施例1中的DMG曲线图；

图7是本发明对比例1中的增益效果曲线图；

图中：1-单模信号光源组件，11-信号激光器，12-泵浦激光器，13-波分复用器，14-合束光纤，2-第一模式复用器，3-增益光纤，4-第二模式复用器，5-第一少模隔离器，6-第二少模隔离器，7-无源光纤。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供了一种基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，沿光通信方向依次包括若干单模信号光源组件1、第一模式复用器2、增益光纤3和第二模式复用器4，单模信号光源组件1为纤芯泵浦结构，增益光纤3为少模掺铒光纤，用于激励所有模式通道的信号光；沿垂直于轴线的截面上，增益光纤3的环芯为高斯掺杂方式，且增益光纤3的环芯折射率由内至外逐渐递减，通过增益光纤3的高斯掺杂方式，能够减少不同信号模群组之间重叠积分的差异，从而在纤芯泵浦下实现复数个信号模群之间的模态增益均衡。下面沿光通信方向，对本发明中基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器的各组成部分进行详细描述。

本实施方式中，每一单模信号光源组件1均包括信号激光器11、泵浦激光器12、波分复用器13和合束光纤14，信号激光器11的输出端、泵浦激光器12的输出端均与波分复用器13的输入端通信连接，波分复用器13的输出端通过合束光纤14与第一模式复用器2的输入端通信连接。具体地，信号激光器11输出C波段单模DWDM信号光，泵浦激光器12输出980nm的单模泵浦光；信号激光器11发出的信号光与泵浦激光器12发出的泵浦光通过波分复用器13合束后注入一根合束光纤14的纤芯中。基于增益光纤3采用高斯掺杂的环芯结构，可以通过调控信号光和泵浦光的模场，使LP_n1高阶模式的模场大部分都限制在增益光纤3的环芯范围内，从而有利于降低差分模态增益。

本实施方式中，第一模式复用器2设有若干不同模式的输入端，不同模式的合束光经增益光纤3后输出具有不同模式的增益光；第二模式复用器4设有若干不同模式的输出端，增益光传递至第二模式复用器4中进行模式解调，解调后由第二模式复用器4的若干输出端口分别输出不同模式的解调信号。

此外，上述基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器还包括第一少模隔离器5、第二少模隔离器6和无源光纤7。其中，第一少模隔离器5的输入端通过无源光纤7与第一模式复用器2的输出端通信连接，第一少模隔离器5的输出端与增益光纤3的输入端通信连接；第一少模隔离器5的作用在于，消除少模掺铒光纤产生的后向多模ASE，从而对信号光和泵浦光起到保护作用。第二少模隔离器6的输入端与增益光纤3的输出端通信连接，第二少模隔离器6的输出端通过无源光纤7与第二模式复用器4的输入端通信连接；第二少模隔离器6的作用在于，防止由瑞利散射或者端面反射在增益介质中来回振荡产生寄生激光。

进一步地，对本发明中基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器的工作方式进行详述：首先，信号激光器11输出单模的信号光，泵浦激光器12输出单模泵浦光，通过波分复用器13合束后注入一根合束光纤14的纤芯中；然后，源自若干单模信号光源组件1的光信号分别注入第一模式复用器2的若干输入端口后，由第一模式复用器2转换成不同模式的信号光，不同模式的信号光经过第一少模隔离器5后，同步注入同一根增益光纤3中；随后，在增益光纤3处利用光纤剖面折射率的高斯分布设置，将不同模群约束在增益光纤3的环芯范围内，提高泵浦光的吸收，使信号增益显著提升，同时降低了DMG，输出增益光；最后，增益光经过第二少模隔离器8后，到达第二模式复用器6出进行解调，并输出不同模式的解调信号，通过纤芯泵浦方式完成了对初始信号光的放大。

下面通过具体实施例对本发明中基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器的效果进行表征和分析。

实施例1

本实施例1中，信号激光器11采用C波段的DWDM光源产生原始基模信号，波长间隔约为1 nm，最高输出功率为7 dBm，且OSNR＞50 dB。泵浦激光器12采用商用980 nm单模激光二极管，用于输出单模泵浦光，功率可调节，最高输出功率为1 W。第一模式复用器2和第二模式复用器4采用商用的模式选择光子灯笼，它属于熔融拉锥型器件，是全光纤型无源器件。第一少模隔离器5和第二少模隔离器6的工作波段均为C波段，隔离度大于30 dB。

对于增益光纤3的掺杂方式，请参阅图2，沿垂直于轴线的截面上，增益光纤的掺杂分布表达式为：n=a₁*exp(-((x-b₁)/c₁)²)；其中，纵轴表示增益光纤的折射率，n表示折射率并与纵轴相对应，x表示纤芯掺杂的径向位置并与横轴相对应，a₁表示掺杂浓度峰值处所对应的折射率（即图2中n₁处的折射率），b₁表示掺杂浓度峰值处的径向位置，c₁表示高斯掺杂的径向宽度（即图2中横轴a、b点之间的间距）。具体地，a点处是内环半径，取5.2 um；b点处是外环半径，取9 um；n₁为环芯折射率峰值，约为1.46；n_silica为包层折射率约为1.45；a₁为1.0，b₁为7.6 μm，c₁为1.7 μm，信号光初始功率为20 dBm，泵浦波长为980nm，泵浦方式为纤芯泵浦，泵浦模式为LP01，泵浦初始功率250 mW，光纤长度8.2 m。

对上述纤芯泵浦光纤放大器的信号模群进行表征，表征范围为1522 nm~1564 nm，如图3~6所示；由图3可以看出该光纤在C波段支持5个信号模群，分别为LP01、LP11、LP21、LP31、LP41；由图4~6可以看出，该光纤在整个C-Band增益均大于20 dB，最大增益大于30dB，噪声系数小于4.6 dB，模间增益差在1532nm处达到最大为0.83 dB，在1564 nm处达到最小为0.55 dB。

对比例1

采用常规的纤芯泵浦结构，即在实施例1的基础上未对增益光纤采用特定的高斯掺杂方式，且未调控模场将高阶模群约束在环芯范围内，其他实施条件与实施例1一致，仍使用LP01模式进行纤芯泵浦，所获得的信号模群仅包含实施例1中5个模群中的2~3个模群，并未包含5个模群，且在整个C-Band的差分模态增益最大为9 dB，远高于实施例1。对比实施例1和对比例1的结果可以看出，增益光纤采用特定的高斯掺杂方式和调控模场将高阶模群约束在环芯范围内的两方面手段有助于提升支持模式数量，同时也降低了差分模态增益，更利于实现模态均衡的效果。

对比例2

采用常规的包层泵浦结构，泵浦初始功率为5W，高于实施例1中纤芯泵浦结构的泵浦初始功率，其表征结果如图7所示，与图4中实施例1的增益效果相比，可以看出对比例2的增益效果明显低于实施例1的增益效果，证明常规的包层泵浦结构即便采用更高的泵浦初始功率，其增益效果也难以达到纤芯泵浦结构的增益水平，则常规包层泵浦结构与本发明中纤芯泵浦结构是存在明显差异的。

区别于现有技术的情况，本发明提供一种基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，一方面通过铒镱共掺杂，提高了少模放大器的增益；另一方面通过光纤剖面折射率的特定分布设置，使模斑面积增大，减少模群中的功率填充因子，在包层泵浦结构下，显著降低了模式之间的差分模态增益，提高了泵浦转换效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，其特征在于，沿光通信方向依次包括若干单模信号光源组件、第一模式复用器、增益光纤和第二模式复用器，所述单模信号光源组件为纤芯泵浦结构，所述增益光纤为少模掺铒光纤；

所述增益光纤的折射率剖面为环芯折射率剖面，环芯的掺杂方式为高斯掺杂。

2.根据权利要求1中所述的基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，其特征在于，每一所述单模信号光源组件均包括信号激光器、泵浦激光器、波分复用器和合束光纤，所述信号激光器的输出端、泵浦激光器的输出端均与所述波分复用器的输入端通信连接，所述波分复用器的输出端通过合束光纤与所述第一模式复用器的输入端通信连接。

3. 根据权利要求2中所述的基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，其特征在于，所述信号激光器输出C波段单模DWDM信号光，所述泵浦激光器输出980 nm的单模泵浦光；

所述信号激光器发出的信号光与所述泵浦激光器发出的泵浦光通过所述波分复用器合束后注入所述合束光纤的纤芯中。

4.根据权利要求2中所述的基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，其特征在于，所述第一模式复用器设有若干不同模式的输入端，不同模式的合束光经所述增益光纤后输出具有不同模式的增益光。

5.根据权利要求4中所述的基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，其特征在于，所述第二模式复用器设有若干不同模式的输出端；

所述增益光传递至所述第二模式复用器中进行模式解调，解调后由所述第二模式复用器的若干输出端口分别输出不同模式的解调信号。

6.根据权利要求2中所述的基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，其特征在于，所述基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器还包括第一少模隔离器、第二少模隔离器和无源光纤；

所述第一少模隔离器的输入端通过无源光纤与所述第一模式复用器的输出端通信连接，所述第一少模隔离器的输出端与所述增益光纤的输入端通信连接；

所述第二少模隔离器的输入端与所述增益光纤的输出端通信连接，所述第二少模隔离器的输出端通过无源光纤与所述第二模式复用器的输入端通信连接。

7.根据权利要求1中所述的基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，其特征在于，所述增益光纤环芯的内环半径为a，外环半径为b，且环芯的掺杂分布表达式为：n=a₁*exp(-((x-b₁)/c₁)²)；

其中，n表示折射率，x表示纤芯掺杂的径向位置，a₁表示掺杂浓度峰值处所对应的折射率，b₁表示掺杂浓度峰值处的径向位置，b₁的范围在内环a和外环b之间，c₁表示高斯掺杂的径向宽度。

8.根据权利要求7中所述的基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，其特征在于，在C波段范围下，所述增益光纤支持5个信号模群，具体包括LP01、LP11、LP21、LP31以及LP41。

9.根据权利要求8中所述的基于高斯掺杂环芯少模光纤的纤芯泵浦光纤放大器，其特征在于，所述信号模群LP01、LP11、LP21、LP31、LP41均约束于所述增益光纤的环芯范围内。