CN116224603A - 具有空间均匀性的基于光纤阵列的空间光放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有空间均匀性的基于光纤阵列的空间光放大装置，属于光纤通信放大器技术领域，包括依次设置的扩束器、第一光纤阵列、第二光纤阵列、缩束器；其中，传输光纤传输的光信号进入扩束器，扩束器将光信号扩束为适合第一光纤阵列的大小；扩束后的光信号对准第一光纤阵列的中心部分进行耦合，进行空间光采样。本发明通过空间光与放大器的结合，解决了制作复杂且不具有普遍性的缺点，适合各种空分复用光纤，方便运用到MDM系统中。同时，具有空间均衡性、可调性等其他已有技术无法具有的优点。成本低、尺寸小，在很大程度上减轻了对工艺的要求及成本，同时具有更好的性能。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信放大器技术领域，具体涉及一种具有空间均匀性的基于光纤阵列的空间光放大装置。
背景技术
光纤通信中系统容量已非常逼近非线性香农极限，传统单模光纤的传输容量在近期将无法满足网络带宽增加的需求。在过去的二十年中，互联网流量需求主要通过波分复用技术配合掺铒光纤放大器的宽带放大特性来满足，这可以将光纤通信信道的光谱带宽提升两个数量级。同时，传输介质也得到了很大改善，到目前为止单模光纤的损耗低至0.015dB/km，低损耗的实现可以大大增加跨段长度。在此之后，相干检测极大程度上提升了光纤通信系统容量。然而，调制格式的阶数不能无限制地提高，要实现SNR的进一步增加，只能增加信号功率，但信道容量与信号功率呈对数关系，这种提升最终将无法满足指数流量增长的需求，同时光纤中的非线性效应也极大程度上限制了光纤中可传输的功率。数字相干光通信技术使偏振复用变得简单易行，不过也只是提供了两倍的信道容量提升。
目前，波分复用相干光通信已几乎用尽了单模光纤中光载波的所有自由度，进一步的容量增长依赖于探索新的自由度。信息不仅可以调制在频率、偏振、幅度和相位上，还可以调制在空间分布的维度上。为继续提高光纤的传输能力以满足快速增长的网络流量需求，通过多个并行的空间信道传输信息，利用空分复用技术突破单纤传输容量的限制。目前，光波中的时间、振幅、相位、频率和偏振等参数都已被用来实现光通信系统容量的扩大和频谱效率的提升，然而光纤中的空间维度还处在大规模研究阶段，并未完成商用。与无线通信中的多输入多输出(MIMO)架构类似，空间维度的复用可以成为WDM的光纤通信系统的下一步发展方向。利用光纤中的空间维度作为传输信道的空分复用(SDM)技术，不但可以带来信息容量数量级上的提升，还可以引领新技术发展，触发光网络变革。
SDM技术的实现依赖于具有特殊设计的空分复用光纤。现阶段，具有多个并行纤芯和通用包层尺寸的多芯光纤以及在纤芯中支持多个独立的光空间模式的少模光纤是实现SDM技术的主要传输媒质。SDM技术大致可以分为两种：一种是光纤的复用，将多根光纤组合成束，即形成多芯光纤。多芯复用技术采用多芯光纤为传输媒质，多芯光纤由多个独立的单/多模光纤通过一定的空间排定方式组成，其中的每一根纤芯可以作为一个独立的传输信道。它通过设计光纤之间的间距以获得最小的串扰及最优排列，但结构设计较为复杂，且制作成本高。另一种是模式的复用，是指利用少模光纤(FMF)或多模光纤(MMF)作为光通信系统的传输介质，使用不同的模式来传输不同的信息。就传输容量而言，在理想情况下，假设模式的数量是m，光纤中不同阶次的模式之间相互正交、互不干扰，将每个模式作为一个独立的传输信道对信号进行传输，从而提高系统的传输容量。模分复用(MDM)系统的传输容量将会是单模系统的m倍。由此可见，MDM相当于在光纤通信系统中增加了一个新的复用维度，可以极大地提高单根光纤的传输容量和光频谱的利用效率，可以解决目前的带宽供需问题。由于多模光纤中包含的模式数较多，不同模式间色散严重，所以目前模分复用系统中多采用少模光纤。
基于少模光纤的MDM技术，利用少模光纤中有限的正交模式作为独立的信道进行信号传输。由于少模光纤所支持模式的模场面积较大，所以其对非线性效应的容忍度也较高，同时模式的激发、放大、转换等技术也易于实现。因此采用基于少模光纤的模分复用系统可以在避免非线性效应影响的同时，有效地增加通信系统的容量，对于长距离大容量光通信系统具有重要意义。在实际的少模光纤传输系统中，模式复用解复用过程、光纤传输过程会对光纤模式产生影响，破坏其正交性，模式复用信号之间会产生随机耦合。模式群速度的差异会引起码间串扰，同时由于时间上的混叠，使得模式之间的相互影响更加复杂，影响通信系统的质量。
采用少模光纤的空分复用技术要实现长距离传输，放大器是补偿光纤传输损耗的关键器件，传统的空分复用光放大器可靠性低、不易实现模块化管理。
根据光纤放大器工作原理，种子光从光纤端面注入纤芯，沿光纤单向传输。由多模光纤的横模空间烧孔理论，理论上可以认为各个模式独立地沿光纤传输，获得增益最终按一定比例输出。但实际上由于纤芯、包层与缓冲材料的不均性等因素，使原始独立的传输模式之间发生了耦合，且多模光纤产生折射率微扰因素随机，难以量化，加上模式众多，难以用精确的数学模型来描述，不可避免的模式耦合使得模式增益控制和管理难以实现。同时放大器内导模的模场分布不同，将导致较大的模式增益差，模间增益如何实现均衡是一大问题。
综上，现有的光放大器虽然种类众多，但是主要针对传统通信领域中的单模光纤。对于模分复用系统，研究较少并且技术不成熟，现有技术不具有普遍性、结构复杂、工艺要求高，使得已有技术并为得到更好的发展，只能在某一领域进行应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有空间均匀性的基于光纤阵列的空间光放大装置，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
本发明提供一种具有空间均匀性的基于光纤阵列的空间光放大装置，包括依次设置的扩束器、第一光纤阵列、第二光纤阵列、缩束器；其中，传输光纤传输的光信号进入扩束器，扩束器将光信号扩束为适合第一光纤阵列的大小；扩束后的光信号对准第一光纤阵列的中心部分进行耦合，进行空间光采样。
优选的，第一光纤阵列包括第一微透镜阵列及第一单模光纤阵列，扩束后的光信号进入第一微透镜阵列，接着被耦合进每一个微透镜各自对应的第一单模光纤阵列中的单模光纤中。
优选的，第二光纤阵列包括与第一单模光纤阵列连接的第二单模光纤阵列，以及与第二单模光纤阵列耦合的第二微透镜阵列。
优选的，第一光纤阵列耦出的光信号进入第二单模光纤阵列，第二单模光纤阵列中每一个单模光纤耦出光信号进入各自对应的第二微透镜阵列中的微透镜中。
优选的，第二微透镜阵列耦出的光通过缩束器将光斑缩小再耦合进传输光纤。
本发明有益效果：通过空间光与放大器的结合，解决了制作复杂且不具有普遍性的缺点，适合各种空分复用光纤，方便运用到MDM系统中。同时，具有空间均衡性、可调性等其他已有技术无法具有的优点。成本低、尺寸小，在很大程度上减轻了对工艺的要求及成本，同时具有更好的性能。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的具有空间均匀性的基于光纤阵列的空间光放大装置结构图。
其中：1-扩束器；2-第一光纤阵列；3-第二光纤阵列；4-缩束器；5-传输光纤；6-第一微透镜阵列；7-第一单模光纤阵列；8-第二单模光纤阵列；9-第二微透镜阵列。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例
本实施例中，提供一种基于光纤阵列的空间光放大器的方法，利用光纤阵列的尺寸小、易集成模块化可以实现少模光纤空间采样和空间光放大更加简单紧凑的结构；利用空间光效应，可以使该发明具有普遍性，适用于各种空分复用光纤和系统；可以通过光纤阵列对每路单个单模光纤进行控制，具有动态可调性和高效性。
如图1所示，具有空间均匀性的基于光纤阵列的空间光放大装置，包括依次设置的扩束器1、第一光纤阵列2、第二光纤阵列3、缩束器4；其中，传输光纤5传输的光信号进入扩束器1，扩束器1将光信号扩束为适合第一光纤阵列2的大小；扩束后的光信号对准第一光纤阵列2的中心部分进行耦合，进行空间光采样。
第一光纤阵列2包括第一微透镜阵列6及第一单模光纤阵列7，扩束后的光信号进入第一微透镜阵列6，接着被耦合进每一个微透镜各自对应的第一单模光纤阵列7中的单模光纤中。第二光纤阵列3包括与第一单模光纤阵列7耦合的第二单模光纤阵列8，以及与第二单模光纤阵列8耦合的第二微透镜阵列9。第一光纤阵列2耦出的光信号进入第二单模光纤阵列8，第二单模光纤阵列8中每一个单模光纤耦出光信号进入各自对应的第二微透镜阵列中的微透镜中。第二微透镜阵列9耦出的光通过缩束器4将光斑缩小再耦合进传输光纤5。
各类传输光纤5传输后的光信号进入扩束器1，将光线扩束为适合第一光纤阵列的大小。扩束后的光对准光纤阵列的中心部分进行耦合，进行空间光采样。光纤阵列中包含微透镜阵列及单模光纤阵列，扩束后的光首先进入微透镜阵列，接着被耦合进各自对应的单模光纤。通过以上过程，就可以完成来自不区分模式的光的空间采样。进入单模光纤阵列的光通过单模光纤放大器被放大，此过程是动态可调的。接着通过第二个光纤阵列进行耦出。此时耦出的光无法直接进入传输光纤，还需缩束器4将光斑缩小再耦合进传输光纤。
由于无需对模式进行解复用，针对任意空分复用光纤都可以进行空间光采样和放大，无论是多芯光纤、多模光纤或少模光纤。因此，本实施例无需对于传输光纤有所限制，例如少模或多模光纤。
光纤阵列由微透镜阵列和单模光纤阵列构成，是将一束光纤或一条光纤带按照规定间隔安装在基片上并与微透镜一一对应，所构成的阵列。微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，能在微光学角度实现聚焦、成像，光束变换等功能。被扩束后的光斑经过第一光纤阵列后，被光采样至各个单模光纤中传输，而后经过第二光纤阵列输出。
光在第一个光纤阵列的各个单模光纤中传输时，将被进行光放大。每路光信号将通过多路光放大器，使微弱的光信号获得足够的光增益，变成较强的光信号，从而实现对光信号的直接放大。经过放大后的光信号适合与长距离系统传输。
综上所述，本发明实施例所述的具有空间均匀性的基于光纤阵列的空间光放大装置，光纤阵列与多路光放大器的结合使得空间光放大变得简单易行，并且能够实现动态可调，这与之前的光放大器是完全不同的；通过扩束器和光纤阵列进行空间光采样不需要进行模式的解复用，直接对光斑进行耦合和采样使得光信号能够最大程度上在系统中传输；放大器的输入和输出是相同的光纤阵列和微透镜阵列，这样他们的模场都是相似的，而只需要中间放大的部分保持线性增益即可，而一般的光纤放大器很容易保持30dB以上的线性工作区域。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有空间均匀性的基于光纤阵列的空间光放大装置，其特征在于，包括依次设置的扩束器(1)、第一光纤阵列(2)、第二光纤阵列(3)、缩束器(4)；其中，传输光纤(5)传输的光信号进入扩束器(1)，扩束器(1)将光信号扩束为适合第一光纤阵列(2)的大小；扩束后的光信号对准第一光纤阵列(2)的中心部分进行耦合，进行空间光采样。
2.根据权利要求1所述的具有空间均匀性的基于光纤阵列的空间光放大装置，其特征在于，第一光纤阵列(2)包括第一微透镜阵列(6)及第一单模光纤阵列(7)，扩束后的光信号进入第一微透镜阵列(6)，接着被耦合进每一个微透镜各自对应的第一单模光纤阵列(7)中的单模光纤中。
3.根据权利要求2所述的具有空间均匀性的基于光纤阵列的空间光放大装置，其特征在于，第二光纤阵列(3)包括与第一单模光纤阵列(7)耦合的第二单模光纤阵列(8)，以及与第二单模光纤阵列(8)耦合的第二微透镜阵列(9)。
4.根据权利要求3所述的具有空间均匀性的基于光纤阵列的空间光放大装置，其特征在于，第一光纤阵列(2)耦出的光信号进入第二单模光纤阵列(8)，第二单模光纤阵列(8)中每一个单模光纤耦出光信号进入各自对应的第二微透镜阵列(9)中的微透镜中。
5.根据权利要求4所述的具有空间均匀性的基于光纤阵列的空间光放大装置，其特征在于，第二微透镜阵列(9)耦出的光通过缩束器(4)将光斑缩小再耦合进传输光纤(5)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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