CN116520481A - 掺杂光纤、光信号传输系统、模式相关损耗补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开掺杂光纤、光信号传输系统、模式相关损耗补偿方法，涉及光纤通信领域。其中，掺杂光纤包括：包层；至少一个纤芯，纤芯布置于包层内，且可用于传输至少两个模式的光信号，纤芯含有稀土离子；纤芯中的稀土离子分布满足：在纤芯的横截面中取满足第一关系的任意两个位置作为第一位置和第二位置，第一位置的稀土离子的掺杂浓度小于第二位置的稀土离子的掺杂浓度；第一关系包括：第一位置比第二位置靠近横截面的中心。本发明实施例通过使用掺有稀土离子的掺杂光纤，根据掺杂光纤中稀土离子的浓度，使得不同模式的光信号在传输过程产生的模式相关损耗能够获得与之相匹配的补偿。

Description

掺杂光纤、光信号传输系统、模式相关损耗补偿方法

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，特别涉及一种掺杂光纤、光信号传输系统、模式相关损耗补偿方法。

背景技术

随着光通信技术的发展，传统单模光纤通信系统容量正逐渐逼近其理论传输极限，继续提升传输速率极为困难。使用多模光纤(MMF，Multi-mode Fiber)、多芯光纤和耦合芯多芯光纤作为传输介质的空分复用(SDM，Space-division Multiplexing)系统有望极大提升光纤通信系统的容量，被认为是解决光纤容量危机的有效途径。少模光纤(FMF，Few-mode Fiber)是一种介于单模光纤和多模光纤的光纤，能够在传输多个模式的光信号的同时而不产生过大的色散损耗。光信号在光纤中传输时，常常会由于各种因素产生损耗，例如，由光纤自身产生的本征损耗，由于光信号色散产生的色散损耗等。现有技术中常常使用光纤放大器来对光信号进行放大从而补充损耗。

相关技术中，针对非单模光纤提出了掺杂光纤放大器(EDFA，Erbium-doped FiberAmplifier)，能够使得各个模式获得相同的增益。但是这些掺杂光纤放大器仅能够对各个模式实现相同增益放大，无法有效地补偿少模光纤中存在的模式相关损耗(MDL，Mode-dependent Loss)，仍会限制链路的传输距离。

发明内容

本申请实施例的主要目的在于提出一种掺杂光纤、光信号传输系统、模式相关损耗补偿方法，旨在提高光信号传输系统中光信号的传输距离。

为实现上述目的，本申请实施例的第一方面提出了一种掺杂光纤，包括：包层；至少一个纤芯，所述纤芯布置于所述包层内，且可用于传输至少两个模式的光信号，所述纤芯含有稀土离子，以使所述掺杂光纤可对经过的至少两个模式的光信号进行放大处理；并且所述纤芯中的稀土离子分布满足：在所述纤芯的横截面中取满足第一关系的任意两个位置作为第一位置和第二位置，第一位置的稀土离子的掺杂浓度小于第二位置的稀土离子的掺杂浓度；其中，所述第一关系包括：所述第一位置比所述第二位置靠近所述横截面的中心。

在一些实施例，所述纤芯中的稀土离子分布满足：在所述纤芯的横截面中取满足第二关系的任意一个位置作为第三位置，第三位置的稀土离子的掺杂浓度与所述第二位置的稀土离子的掺杂浓度之差大于所述第二位置的稀土离子的掺杂浓度与所述第一位置的稀土离子的掺杂浓度之差；其中，所述第二关系包括：所述第三位置比所述第二位置远离所述横截面的中心，且所述第三位置与所述中心的距离与所述第二位置与所述中心的距离之差等于所述第二位置与所述中心的距离与所述第一位置与所述中心的距离之差。

在一些实施例，在所述纤芯中，所述纤芯中的稀土离子分布满足：

其中，N_P表征所述纤芯的横截面中P点稀土离子的掺杂浓度，r_p表征所述纤芯的横截面中P点与所述纤芯的横截面的中心的距离，a、b、c为常数，其中，a大于0，b大于等于1，α为预设的变化指数。

在一些实施例，所述稀土离子的掺杂浓度在1×10²²至1×10²⁵之间。

在一些实施例，所述掺杂光纤应用于光纤传输组件，所述掺杂光纤对经过其的多个模式的光信号进行放大处理以产生差分模式增益；所述变化指数的取值使得在从所述掺杂光纤输出的所述光信号获得的差分模式增益与所述光信号在所述光纤传输组件中传输而产生的模式相关损耗相匹配。

在一些实施例，所述掺杂光纤应用于光纤传输组件，所述掺杂光纤用于对经过其的多个模式的光信号进行放大处理以产生差分模式增益；所述掺杂光纤具有第一长度，并且所述第一长度的大小与所述光信号进行差分模式增益的大小正相关，所述第一长度的取值使得在从所述掺杂光纤输出的所述光信号获得的差分模式增益与所述光信号在所述光纤传输组件中传输而产生的模式相关损耗相匹配。

在一些实施例，所述稀土离子为铒离子。

为实现上述目的，本申请实施例的第二方面提出了一种掺杂光纤，包括：包层；至少一个纤芯，所述纤芯布置于所述包层内，且可用于传输包括至少两个模式的传输条件，所述纤芯含有稀土离子，以使所述掺杂光纤可对经过的至少两个模式的光信号进行放大处理；所述纤芯包括：中心层，所述中心层被纤芯的轴线穿过；至少一个掺杂层，所述掺杂层包围所述中心层或所述掺杂层包围前一掺杂层；第一掺杂层的稀土离子的掺杂浓度小于第二掺杂层的稀土离子的掺杂浓度，所述第一掺杂层比所述第二掺杂层靠近所述中心层。

在一些实施例，第三掺杂层的稀土离子的掺杂浓度与所述第二掺杂层的稀土离子的掺杂浓度之差大于所述第二掺杂层的稀土离子与所述第一掺杂层的稀土离子的掺杂浓度之差，所述第二掺杂层比所述第三掺杂层靠近所述中心层，且所述第二掺杂层与所述第三掺杂层的距离等于所述第二掺杂层与所述第一掺杂层的距离。

在一些实施例，所述掺杂光纤应用于光纤传输组件，所述掺杂光纤用于对经过其的多个模式的光信号进行放大处理以产生差分模式增益；所述掺杂光纤具有第一长度，并且所述第一长度的大小与所述光信号进行差分模式增益的大小正相关，所述第一长度的取值使得从所述掺杂光纤输出的所述光信号获得的差分模式增益与所述光信号在所述光纤传输组件中传输而产生的模式相关损耗相匹配。

在一些实施例，所述稀土离子为铒离子。

为实现上述目的，本申请实施例的第三方面提出了一种光信号传输系统，用于传输光信号，所述光信号包括至少两个模式，包括至少一个光纤传输组件、至少一个泵浦源、至少一个光纤放大器；其中：光纤传输组件包括传输光纤和至少一个模式增益器；所述传输光纤包括始端和末端，所述光信号从所述始端耦合入所述传输光纤并沿所述传输光纤朝所述末端方向传播；至少一个模式增益器，与所述传输光纤连接，用于对所述传输光纤输出的所述光信号进行放大增益处理，并使高阶模式的光信号获得的增益大于低阶模式的光信号获得的增益；至少一个光纤放大器，用于将经过的光信号放大；至少一个泵浦源，所述泵浦源用于为所述模式增益器提供泵浦光。

在一些实施例，所述光纤传输组件包括多个，每个所述光纤传输组件中的所述模式增益器对所述光纤传输组件所传输的所述光信号产生的差分模式增益与所述光信号经过该光纤传输组件中的所述传输光纤产生所的模式相关损耗相匹配。

在一些实施例，多个所述光纤传输组件首尾相接，使前一个所述光纤传输组件的所述末端与后一个所述光纤传输组件的所述始端连接，所述泵浦源输出的泵浦光从第一个所述光纤传输组件的所述始端输入，并依次经过各个光纤传输组件的模式增益器，以为各个所述模式增益器提供泵浦光，和/或，所述泵浦源输出的泵浦光从最后一个所述光纤传输组件的所述末端输入，并依次经过各个光纤传输组件的模式增益器，以为各个所述模式增益器提供泵浦光。

在一些实施例，所述模式增益器是上述任一项所述的掺杂光纤。

在一些实施例，所述泵浦光具有第一功率，所述第一功率的所述泵浦光输入所述第一长度的所述掺杂光纤，以使所述掺杂光纤对经过其的所述光信号进行放大处理以产生差分模式增益，所述第一功率的大小在预设范围内与所述差分模式增益正相关，所述第一功率的取值使得从所述掺杂光纤输出的所述光信号获得的差分模式增益与所述光信号在所述光纤传输组件中传输而产生的模式相关损耗相匹配。

为实现上述目的，本申请实施例的第四方面提出了一种模式相关损耗补偿方法，应用于光信号传输系统，所述光信号传输系统包括上述任一项所述的掺杂光纤，所述掺杂光纤用于传输光信号，所述掺杂光纤包括纤芯，所述方法包括：获得所述光信号的传输模式；根据所述传输模式，调整所述掺杂光纤的稀土离子掺杂浓度的分布，以使得所述掺杂光纤的纤芯中的稀土离子分布满足第一分布关系，从而使得经过所述掺杂光纤的所述光信号的任一传输模式获得增益与该传输模式的模式相关损耗相匹配；第一分布关系包括：在所述纤芯的横截面中取满足第一关系的任意两个位置作为第一位置和第二位置，第一位置的稀土离子的掺杂浓度小于第二位置的稀土离子的掺杂浓度；其中，所述第一关系包括：所述第一位置比所述第二位置靠近所述横截面的中心。

本申请提出的掺杂光纤、光信号传输系统、模式相关损耗补偿方法，其通过使用掺有稀土离子的掺杂光纤，并调整掺杂光纤中稀土离子的浓度，使得不同模式的光信号在传输过程产生的模式相关损耗能够获得与之相匹配的补偿。

附图说明

图1是本申请实施例的单芯的掺杂光纤的示意图。

图2是本申请实施例的多芯光纤的示意图。

图3是本申请实施例的一种掺杂光纤的示意图。

图4是本申请实施例的纤芯中稀土离子的浓度分布图。

图5是本申请另一实施例的纤芯中稀土离子的浓度分布图。

图6是本申请另一实施例的纤芯中稀土离子的浓度分布图。

图7是本申请实施例的另一种掺杂光纤的结构图。

图8是本申请实施例的另一种掺杂光纤的结构图。

图9是本申请实施例的光信号传输系统的示意图。

图10是本申请实施例的另一种光信号传输系统的示意图。

图11是本申请实施例的使用掺杂光纤的光信号传输系统的示意图

图12是变化指数为4时，本申请实施例的第一掺杂光纤中泵浦光的泵浦功率随第一掺杂光纤的长度变化的示意图。

图13是本申请实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤变化的示意图。

图14是本申请实施例的差分模式增益随光纤长度变化的变化关系图。

图15是本申请实施例各光信号模式的差分模式增益随泵浦光光功率变化的变化关系图。

图16是本申请另一实施例的第一掺杂光纤中泵浦光的泵浦功率随第一掺杂光纤的长度变化关系图。

图17是变化指数为3时，本申请另一实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤变化的示意图。

图18是变化指数为4时，本申请实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤变化的示意图。

图19是变化指数为5时，本申请实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤变化的示意图。

图20是本申请实施例各光信号模式的差分模式增益随长度变化的变化关系图。

图21是本申请实施例各光信号模式的差分模式增益随泵浦光光功率变化的变化关系图。

图22是本申请另一实施例的第一掺杂光纤中泵浦光的泵浦功率随第一掺杂光纤的长度变化关系图。

图23是本申请另一实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤变化的示意图。

图24是本申请另一实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤变化的示意图。

图25是本申请另一实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤变化的示意图。

图26是本申请另一实施例的差分模式增益随长度变化的变化关系图。

图27是本申请另一实施例的差分模式增益随泵浦光光功率变化的变化关系图。

图28是本申请实施例的模式相关损耗补偿方法的流程图。

附图标记：10：单芯的掺杂光纤、101：包层、102：纤芯、11：多芯光纤、103：第一位置、104a：第二位置、104b：第三位置、105：中心、106：中心层、107：掺杂层、107a：第一掺杂层、107b：第二掺杂层、107c：第三掺杂层、1：光信号传输系统、2：光纤传输组件、20：模式增益器、30：传输光纤、40：光放大器、50：泵浦源、60：合束器、2a：第一光纤传输组件、2b：第二光纤传输组件、10a：第一掺杂光纤、10b：第二掺杂光纤。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。

为了图示方便，本申请适当省略了部分公知的光路调节元件、光束耦合装置、光信号处理装置以及光电转化装置。容易理解的，本领域技术人员可以根据实际需要进行选取而不影响本申请有益效果的实现。

需要声明，本文中的“相匹配”、“匹配”、“与…匹配”代表了，相同、对应、或者差距小于某一预设阈值，又或者有相同或相反的变化趋势。示例性的，A与B相匹配可以是A与B的值相同。或者，A与B相匹配可以是A与B具有相同的变化趋势，例如，A增加△时，B也对应增加△，或增加α*△，α为预设的比例。或者，A与B相匹配可以是A与B具有相反的变化趋势，例如，A增加△时，B对应减少△，或减少β*△，β为预设的比例。

首先，对本申请中涉及的若干名词进行解析：

模式(Mode)，是指在电磁场在光纤中传输时标量麦克斯韦方程的一个特解，并且满足波导中心有界、在边界趋于无穷时为零等边界条件。在一个有边界限制的空间中(例如光纤或谐振腔内)，只允许一系列具有特定波矢k的平面单色驻波存在，这种能在光纤或谐振腔中存在的驻波称为腔内电磁波的模式或光波导。本申请的低阶模式例如是基模，在弱导近似中表征为LP₀₁模式，而高阶模式例如是LP_nm中n>0,m>1的模式，例如LP₀₂模式、LP₁₁模式和LP₂₁模式。

单模光纤(SMF,Single-mode Fiber)，是一种只允许单一模式的光纤，在截止波长和弯曲边缘之间传输LP₀₁的基模，通常通过约束光纤的纤芯半径来实现单模传输。

多模光纤(MMF,Multi-mode Fiber)，是一种允许多种模式的光纤，主要用于短距离通信，一般纤芯半径较大，为了抑制色散损耗，常常使用具有渐变折射率或阶跃折射率的纤芯。

少模光纤(FMF，Few-mode Fiber)，是一种允许模式数介于多模光纤和单模光纤之间的光纤。与单模光纤相比，通过增加光纤的纤芯半径或芯包折射率差使得光纤的截止频率大于单模光纤截至频率，从而在纤芯内支持多个本征模式。

空分复用(SDM，Space-division Multiplexing)，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。

远程遥泵(RP,Remotely Pumped)，在长距离光纤传输链路中，将泵浦光和光信号经过波分复用器合束同时输入至传输光纤共同传输，泵浦光在传输光纤中可视为几乎无损传输，因此可通过一个泵浦激光器对链路中的多段分立的模式增益器实现远距离泵浦。

差分模式增益(DMG，Differential Mode Gain)，掺杂光纤中各信号模式增益由信号模式、泵浦模式以及稀土离子掺杂浓度的交叠积分确定，由于掺杂光纤中各信号模式分布不同，因此掺杂光纤不同模式具有不同增益，称为差分模式增益。调节掺杂光纤的铒离子掺杂分布，包括掺杂半径、掺杂浓度和掺杂分布类型，能有效调节各信号模式增益。差分模式增益的计算方法为，当前模式获得的增益减去基准模式获得的增益，在本申请实施例中，基准模式指的是LP₀₁模式。

本征损耗，是指光纤材料固有的一种损耗，是无法避免的，是由光纤材料和杂质吸收光束的能量而产生的损耗。

模式相关损耗(MDL，Mode-dependent Loss)，在少模光纤或多模光纤中，各个模式的本征模式损耗不同，一般高阶模式的损耗大于低阶模式损耗，各信号模式不同的本征损耗称为模式相关损耗。且随着光信号在光纤中传播距离增长而变大。

下面，对本申请实施例的掺杂光纤进行详细说明。

图1是本申请实施例的掺杂光纤的结构示意图。图2是本申请实施例的另一掺杂光纤的结构示意图。

本申请实施例的掺杂光纤例如可以是如图1结构的单芯的掺杂光纤10。参考图1，单芯的掺杂光纤10包括包层101和一条掺有稀土离子的纤芯102。包层101包围纤芯102，使得纤芯102中传播的光信号满足全反射条件而不射出纤芯102。包层101的外围还可以覆盖一层涂覆层(图中未示出)。纤芯102例如是石英光纤，可以通过掺杂锗元素，例如二氧化锗(GeO₂)，联合掺杂锗元素和镱元素，或者掺杂铝元素，例如氧化铝(Al₂O₃)来改变纤芯102的折射率，例如使折射率阶跃式上升或渐变式上升，来改变纤芯102中电磁波传输的边界条件，其掺杂方式不作限定。纤芯102也可以是全塑料光纤或混合光纤，并且通过本领域的对应手段实现纤芯102的折射率改变。虽然在图1中示出了圆柱状的纤芯102和圆柱状包层101具有相同的轴线，但是纤芯102也可以不和包层101共轴，而位于包层101中的其他位置，例如纤芯102与图1相比位于更靠近包层101边缘的位置。纤芯102也不限于圆柱状，在一些实施例中，纤芯102的截面呈六边形状或八边形状。包层101可以是一层或多层结构，例如可以是如图1所示出的一层包层，也可以是有一级树脂层和二级树脂层组成，一级树脂层包围纤芯102而二级树脂层包围一级树脂层形成双层结构，或者由更多树脂层构成的更多结构。树脂层的材料在本申请中并不做限制，在一些实施例中，为了加工方便可以使用紫外线固化型树脂，这样，可以通过将紫外线固化型树脂涂抹在纤芯102上，而后光线照射固化形成包层101或包层101的某一层树脂层。

本申请实施例的掺杂光纤例如可以是如图2结构的多芯光纤11。参考图2，多芯光纤11包括，包层101和被包层101包围的多个纤芯102。和单芯的掺杂光纤10相同的，可以采用石英光纤、全塑料光纤或混合光纤，并通过本领域的对应手段实现纤芯102的折射率改变。纤芯102在包层101中的排列方式和数量并不做限定，一根多芯光纤11中可以包括2、3、4、5、6、7、8等数量的纤芯102。纤芯102可以是如图2中的排列形式，也可以是其他排列形式，例如在一些实施例中，没有设置图2中位于光纤11中心的纤芯102。在后续的记述中可以理解，本申请的掺杂光纤不管是多芯光纤还是单芯光纤都不影响有益效果的实现。和单芯的掺杂光纤10相同的，适用于多芯光纤的光纤11的包层101也可以是一层或多层，与单芯的掺杂光纤的不同之处在于，有多个一级树脂层，分别包围各个纤芯102，而在一级树脂层之上可以继续包裹一层或多层次级树脂层，最后使用一个整体树脂层包裹这些由多个树脂层形成的叠层结构。同样的树脂层的材料也不作具体限制。

对于纤芯102的横截面上的折射率分布，可以是例如渐变折射率纤芯或者是阶跃折射率纤芯等现有的折射率分布，其折射率变化取决于需要传输的光信号的模式。容易理解的，由于本申请的掺杂光纤需要传输至少两个模式的光信号，因此可以通过调节纤芯的横截面上的折射率分布情况、光纤带、纤芯数值孔径等来满足特定的光纤归一化频率。因此可以根据需要传输的光信号以及现实物料条件对纤芯102横截面上的折射率分布进行设定。

在光信号传输系统中，高阶模式的光信号受到的损耗通常大于低阶模式的光信号受到的损耗，从而导致了模式相关损耗(MDL，Mode-dependent Loss)的产生。由于高阶模式的光信号通常与较低阶模式的光信号相比在传输过程中将更多的经过远离纤芯轴线的位置，为了实现高阶模式的光信号获得比低阶模式的光信号获得更大的补偿从而补偿模式相关损耗，本申请实施例提出了一种稀土离子掺杂浓度从纤芯102的中心向半径方连续递增的掺杂光纤10。

图3是本申请实施例的一种掺杂光纤10的示意图。

下面，图3示出的一种掺杂光纤是单芯的掺杂光纤10，参考图3的对本申请第一方面的提出的掺杂光纤10，进行详细说明。

掺杂光纤包括包层101和内部的纤芯102，纤芯102布置于包层101内，且可用于传输至少两个模式的光信号。纤芯102含有稀土离子，以使掺杂光纤10可对经过的至少两个模式的光信号进行放大处理；并且纤芯102中的稀土离子分布满足：在纤芯102的横截面中取满足第一关系的任意两个位置作为第一位置103和第二位置104a，第一位置103的稀土离子的掺杂浓度小于第二位置104a的稀土离子的掺杂浓度；其中，第一关系包括：第一位置103比第二位置104a靠近横截面的中心105。

可以理解的是，至少两个模式可以是两模、四模、六模等等；示例性的，当掺杂光纤用于传输两模的光信号时，高阶模对于掺杂光纤10的纤芯102上的任意一点，当该点越靠近纤芯102的轴线时，该点的掺杂浓度越小。在泵浦光功率相同时，在掺杂浓度达到该泵浦光的激发阈值之前，稀土离子的掺杂浓度越高，能够被泵浦光激发跃迁至高能级的稀土离子更多，意味着可以提供的更强的光放大能力。由于在阶跃折射率光纤或者渐变折射率光纤等常用光纤的纤芯中，高阶模式的光信号与较低阶模式的光信号相比在传输过程中将更多的经过远离纤芯轴线的位置，因此，高阶模式的光信号在经过本申请实施例的掺杂光纤的纤芯时会比低阶模式获得更大的光放大。由于在光信号传输系统中，高阶模式的光信号受到的损耗通常大于低阶模式的光信号受到的损耗，从而导致了模式相关损耗(MDL，Mode-dependent Loss)的产生。而本申请实施例的掺杂光纤能够对不同模式的光信号产生不同的放大效果，从而产生差分模式增益(DMG，Differential Mode Gain)而补偿模式相关损耗。

进一步地，本申请的稀土离子例如可以是铒离子(Er3+)、镨离子(Pr3+)、铥离子(Tm3+)、钕离子(Nd3+)和镱离子(Yb3+)等。掺杂稀土离子的目的是使得掺杂光纤中有泵浦光和光信号同时经过时，稀土离子通过泵浦光激发产生受激辐射，进而对光信号进行放大。具体地，铒离子例如具有三个能级，使用泵浦光将稀土离子激发至最高能级，由于最高能级不稳定，因此稀土离子将自发跃迁至中间能级，当光信号经过中间能级的稀土离子时，稀土离子重新回到最低能级并释放光子而放大光信号。其他稀土离子也可以根据对应的能级结构在泵浦光的泵浦下将光信号放大。以下仅以稀土离子为铒离子为例进行说明。

在一些实施例中，还可以通过调整掺杂光纤10的纤芯中稀土离子的掺杂浓度分布状况来进一步使得差分模式增益和模式相关损耗相匹配。这里，差分模式增益和模式相关损耗相匹配指的是，差分模式增益和模式相关损耗相对应。例如，掺杂光纤10与某一传输光纤连接，用于补偿该传输光纤的传输损耗。高阶模式的光信号经过该传输光纤后的模式相关损耗为A1，低阶模式的光信号经过该传输光纤后的模式相关损耗为A2。且满足A1＞A2。从该传输光纤输出的高阶模式的光信号经过掺杂光纤后得到的差分模式增益为B1，从该传输光纤输出的低阶模式的光信号经过掺杂光纤后得到的差分模式增益为B2。则需满足B1＞B2。以使损耗越大的模式的光信号得到的增益越大。

具体的，调整纤芯中的稀土离子分布，使得纤芯中的稀土离子分布满足：

在纤芯102的横截面中取满足第二关系的任意一个位置作为第三位置104b，对于如图3中所示出的第三位置104b，第三位置104b的稀土离子的掺杂浓度与第二位置104a的稀土离子的掺杂浓度之差大于第二位置104a的稀土离子的掺杂浓度与第一位置的稀土离子的掺杂浓度之差；其中，第二关系包括：第三位置104b比第二位置104a远离横截面的中心105，且第三位置104b与中心105的距离与第二位置104a与中心105的距离之差等于第二位置104a与中心105的距离与第一位置与中心105的距离之差。

即，在稀土离子掺杂浓度从纤芯102的中心105朝边缘方向不断增加的同时，其增加速度也在不断增大。与靠近中心105的第二位置104a相比，第三位置104b的离子掺杂浓度具有更大的变化率。

通过这样的手法，可以增加高阶模式与低阶模式获得的增益差，使得通过掺杂光纤10的光信号获得更大的差分模式增益。

容易理解的，图3中示出的第一位置103、第二位置104a以及第三位置104b只是随机选取的，也可以不在图3中示出的位置，只需要相互间满足第一关系、第二关系即可。

在一些实施例中，通过将掺杂光纤10的任一横截面的稀土离子掺杂浓度分布设置成抛物线状来实现上述的有益效果，将纤芯102的轴线作为该抛物线的最低点，将纤芯102与包层相接处作为该抛物线的最高点。例如在纤芯102中，纤芯102中的稀土离子分布满足：

其中，N_P表征纤芯102的横截面中P点稀土离子的掺杂浓度，r_p表征纤芯102的横截面中P点与纤芯102的横截面的中心的距离，a、b为常数，其中a大于0，b大于等于1，α为预设的变化指数。对于附加项c，可以是常数或者附加的另一变化项。例如，当c为大于0的常数时，实质上改变了图4的稀土离子的浓度分布图的最低点，c的取值限定了纤芯102的中心105的最低稀土离子浓度。

对于上述的变化指数，在一些实施例中，可以通过测量或者模拟获得多个模式的光信号在光信号传输系统中产生的模式相关损耗。并且选取合适的变化指数，以使得掺杂光纤10输出的光信号获得的差分模式增益与光信号在光纤传输组件中传输而产生的模式相关损耗相匹配。图4是本申请实施例的纤芯102中稀土离子的浓度分布图。图5是本申请另一实施例的纤芯102中稀土离子的浓度分布图。

图6是本申请另一实施例的纤芯102中稀土离子的浓度分布图。

参考图4、图5、图6，分别对应了在纤芯102半径为10μm，稀土离子为铒离子，a等于1，b等于0时，不同的变化指数α对应的铒离子浓度分布图。可以根据纤芯102中传播的光信号的模式来选择合适的变化指数。

进一步的，将变化指数α分别为3、4、5时的铒离子浓度分布进行比较，变化指数越大时，靠近纤芯横截面中心的点与远离横截面中心的点相比，铒离子浓度差距更大、铒离子浓度分布曲线越陡峭。即，加大了低阶模式和高阶模式之间的增益差异。但是需要注意的，随着变化指数增大，同一横截面的铒离子数量会降低(曲线右边的面积变小)。

容易理解的，对于经过上述的掺杂光纤10多个模式的光信号，掺杂光纤10的长度越长，则可获得的增益越大，且高阶模式相较与低阶模式获得的增益的差值越大。因此在一些实施例中掺杂光纤10用于对经过其的多个模式的光信号进行放大处理以产生差分模式增益；掺杂光纤10具有第一长度，并且第一长度的大小与光信号进行差分模式增益的大小正相关，第一长度的取值使得在从掺杂光纤10输出的光信号获得的差分模式增益与光信号在光纤传输组件中传输而产生的模式相关损耗相匹配。

将稀土离子掺杂浓度分布曲线设置为抛物线分布的优势在于，可以更好的契合现有的渐变折射率的多模或少模光纤。在这些光纤中，折射率分布变化曲线多为抛物线分布，从而影响到了在光纤中传播的不同模式的全反射路径。即模式越高传播经过路径越靠近边缘位置，模式越高损耗越大。因此稀土离子掺杂浓度选用抛物线曲线可以更好的契合现有的光纤中的模式分布，使得各个模式都能够获得与模式相关损耗相匹配的增益。在越靠近边缘位置采用越高的浓度，以使对高阶模式的信号光的增益大于低阶模式的信号光的增益，从而实现补偿对应模式相关损耗。

需要理解的，本申请的掺杂光纤10在针对于补偿模式相关损耗的同时，为了减少掺杂光纤对泵浦光的吸收，以减少泵浦光经过掺杂光纤的损耗，本申请实施例还尽量减少掺杂光纤的总体掺杂浓度。本申请选取的铒离子浓度应该在1×10²²ion/m³至1×10²⁵ion/m³之间，以减少泵浦光经过掺杂光纤的损耗。示例性的，本申请选取的铒离子浓度应该在1×10²²ion/m³至1×10²⁴ion/m³之间，比使用在光纤放大器中的掺铒光纤的浓度要小一到两个数量级。这样，掺杂光纤对泵浦光的吸收相对于光纤放大器中的掺铒光纤要小，也即是泵浦光经过掺杂光纤的损耗减小，从而有利于对泵浦光的进一步利用。例如，该铒离子浓度的设定还能减少泵浦光的损耗而适用于设置有多个分立的掺杂光纤10的光信号传输系统1中，该有益的效果将在之后的记载中进行具体阐述。

本申请的掺杂光纤10的纤芯102也可以设置有多个不同的掺杂层107。具体地，该掺杂光纤10包括：包层；至少一个纤芯102，纤芯102布置于包层内，且可用于传输包括至少两个模式的传输条件，纤芯102含有稀土离子，以使掺杂光纤10可对经过的至少两个模式的光信号进行放大处理；纤芯102包括：中心层106，中心层106被纤芯102的轴线穿过；至少一个掺杂层107，掺杂层107包围中心层106或掺杂层107包围前一掺杂层107；第一掺杂层107a的稀土离子的掺杂浓度小于第二掺杂层107b的稀土离子的掺杂浓度，第一掺杂层107a比第二掺杂层107b靠近中心层106。在上述结构中，每一个掺杂层107都有相同或近似的稀土离子掺杂浓度。

在光信号传输系统中，高阶模式的光信号受到的损耗通常大于低阶模式的光信号受到的损耗，从而导致了模式相关损耗(MDL，Mode-dependent Loss)的产生。由于高阶模式的光信号通常与较低阶模式的光信号相比在传输过程中将更多的经过远离纤芯轴线的位置，为了实现高阶模式的光信号获得比低阶模式的光信号获得更大的补偿从而补偿模式相关损耗，本申请实施例提出了一种稀土离子掺杂浓度从纤芯102的中心向半径方阶跃式递增的掺杂光纤10。

图7是本申请实施例的另一种掺杂光纤10的结构图。

具体的，在图7的实施例中，掺杂光纤10的纤芯102包括中心层106、环形的3个掺杂层107，从第一掺杂层107a、第二掺杂层107b、第三掺杂层107c，稀土离子的掺杂浓度依次升高，与包层相接的第三掺杂层107c拥有最大的掺杂浓度。在横截面上看，纤芯102的轴线为中心，位于中心层106中，中心层106的稀土离子的掺杂浓度最小，在一些实施例中，中心层106的掺杂浓度可以为0。因此，在掺杂光纤10中传播的光信号中，高阶模式的光信号获得的增益将大于低阶模式的光信号获得的增益，因此可以针对在光信号传输系统中不同模式产生的模式相关损耗而产生差分模式增益，完成对光信号的补偿。

图8是本申请实施例的另一种掺杂光纤10的结构图。

在一些实施例中，掺杂层107也可以不是如图7所示出的环形，例如图8中，示出了纤芯102包括八边形的中心层106，包围中心层106的八边形的第一掺杂层107a，包围第一掺杂层107a的圆形的第二掺杂层107b，以及包围第二掺杂层107b的圆形的第三掺杂层107c。而在另一些实施例中，某一掺杂层可能具有内嵌入前一掺杂层的小槽，或者突出入更外围掺杂层的突起。但只要纤芯102中包括至少一个掺杂层107和中心层106，都能应用本申请的从中心层106到最外围的掺杂层107稀土离子的掺杂浓度依次升高的浓度分布，实现对光信号传输系统中产生的模式相关损耗的补偿。

结合常见的阶跃式环形光纤的折射率变化，在至少具有本申请的掺杂光纤10还可以进行如下设置。

对于至少有三个掺杂层107的掺杂光纤10，第三掺杂层107c的稀土离子的掺杂浓度与第二掺杂层107b的稀土离子的掺杂浓度之差大于第二掺杂层107b的稀土离子与第一掺杂层107a的稀土离子的掺杂浓度之差，第二掺杂层107b比第三掺杂层107c靠近中心层106，且第二掺杂层107b与第三掺杂层107c的距离等于第二掺杂层107b与第一掺杂层107a的距离，且，第二掺杂层107b的稀土离子的掺杂浓度与第一掺杂层107a的稀土离子的掺杂浓度之差大于第一掺杂层107a的稀土离子与中心层106的稀土离子的掺杂浓度之差，第一掺杂层107a比第二掺杂层107b靠近中心层106，且第一掺杂层107a与第二掺杂层107b的距离等于第一掺杂层107a与中心层106的距离。

对于只有两个环形层的掺杂光纤10，第二掺杂层107b的稀土离子的掺杂浓度与第一掺杂层107a的稀土离子的掺杂浓度之差大于第一掺杂层107a的稀土离子与中心层106的稀土离子的掺杂浓度之差，第一掺杂层107a比第二掺杂层107b靠近中心层106，且第一掺杂层107a与第二掺杂层107b的距离等于第一掺杂层107a与中心层106的距离。

这样可以增加外围掺杂层107的稀土离子掺杂浓度，使得高阶模式获得的增益更大，从而提供更大的差分模式增益。当掺杂光纤10为铒离子时，掺杂浓度应该在1×10²²ion/m³至1×10²⁴ion/m³之间。

在一些实施例中，掺杂光纤10为环形光纤，即纤芯102中有至少一个折射层，同一折射层的折射率相等，在不同的折射层之间，折射率呈阶跃式变化。本申请的掺杂层107可以和折射层重叠，即在纤芯102中，掺杂层107的数量和折射层的数量相当，边界相同。可以使得纤芯102中的稀土离子分布更加契合纤芯102中的模式分布，从而更好的为不同模式的模式相关损耗提供适合的增益。

容易理解的，对于经过上述的任一种掺杂光纤10多个模式的光信号，掺杂光纤10的长度越长，则可获得的增益越大，且高阶模式相较与低阶模式获得的增益的差值越大。因此在一些实施例中掺杂光纤10用于对经过其的多个模式的光信号进行放大处理以产生差分模式增益；掺杂光纤10具有第一长度，并且第一长度的大小与光信号进行差分模式增益的大小正相关，第一长度的取值使得在从掺杂光纤10输出的光信号获得的差分模式增益与光信号在光纤传输组件中传输而产生的模式相关损耗相匹配。

上述图3、图7、图8的掺杂光纤可以根据光信号传输系统所使用的传输光纤自由选择，使得掺杂光纤10的掺杂浓度分布和传输光纤的折射率分布相匹配。

图9是本申请实施例的光信号传输系统1的示意图。

参考图9，本申请实施例还提出了一种光信号传输系统1，用于传输光信号，所述光信号包括至少两个模式，其特征在于，包括至少一个光纤传输组件2、至少一个泵浦源50、至少一个光纤放大器；其中：光纤传输组件2包括传输光纤30和至少一个模式增益器20；所述传输光纤30包括始端和末端，所述光信号从所述始端耦合入所述传输光纤30并沿所述传输光纤30朝所述末端方向传播；至少一个模式增益器20，与所述传输光纤30连接，用于对所述传输光纤30输出的所述光信号进行放大增益处理，并使高阶模式的光信号获得的增益大于低阶模式的光信号获得的增益；至少一个光纤放大器，用于将经过的光信号放大；至少一个泵浦源50，所述泵浦源50用于为所述模式增益器20提供泵浦光。

在上述的光信号传输系统1中，通过设置为可以使高阶模式的光信号获得的增益大于低阶模式的光信号获得的增益的模式增益器20，使得传输至少两个模式的光信号传输系统1可以补偿不同模式的光信号的模式相关损耗，增加了光信号的质量和可传输距离。且光纤放大器和模式增益器20分别设置，可以在保留现有的传输光纤30和光纤放大器的基础上对光信号传输系统1进行升级改造，节约了改造成本。

在图9的光信号传输系统1中，设置有两个光纤传输组件2。多个模式的光信号从输入端输入，进入距离输入端近的光纤传输组件2，并通过该光纤传输器的传输光纤30传输。在实际部署中，传输光纤30的长度较长，通常在十千米至百千米量级，因此在传输过程中不同模式的光信号产生了不同的模式相关损耗，为了不使模式相关损耗积累过大而影响光信号质量，每个光纤传输组件2中设置有为该段传输光纤30产生的模式相关损耗提供增益的模式增益器20。而后，将光信号传输至下一个光纤传输组件2，最后由光纤放大器将光信号均匀的放大而输出。在图9中，泵浦源50(未示出)设置有多个，分别为光纤放大器和光增益器提供泵浦光。

模式增益器20是用于对所述传输光纤30输出的所述光信号进行放大增益处理，并使高阶模式的光信号获得的增益大于低阶模式的光信号获得的增益的光放大部件。示例性的，在一些实施例中，模式增益器20可以是上述的掺杂光纤，相关说明可参照前文。在另一些实施例中，模式增益器20可以是由多个次级光放大器40、光分离器以及光耦合器组成的，光分离器用于将不通过模式的光信号分开，并传输至对应的次级光放大器中，各个次级光放大器分别将各个模式的光信号放大，且各个次级放大器产生的增益与该光信号的模式相关损耗相匹配，而后通过光耦合器将各个模式的光信号重新耦合入传输光纤30中。

在已知技术中，通过在光信号传输系统1的接收端使用频域串行干扰算法(USIC，Unreplicated Successive Interference Canceller)来处理模式相关损耗对光信号产生的损伤，具体地，通过一次次的地将干扰从强到弱的从信道消除，从而消除模式相关损耗对光信号产生的损伤。但该技术方案的问题在于，仅使用算法对光信号进行处理，在光信号传输系统1的传输距离达到千千米级别后，产生的模式相关损耗将远超算法的可处理能力，仅使用USIC算法无法完成对模式相关损耗的补偿。

而本申请实施例的光信号传输系统1可以通过组合多个分立的上述的光纤传输组件2能够实现超长距离的至少两个模式的光信号传输，并且完成对光信号的补偿模式相关损耗的补偿。

图10是本申请实施例的另一种光信号传输系统1的示意图。

在一些实施例中，多个光纤传输组件2首尾相接，使前一个光纤传输组件2的末端与后一个光纤传输组件2的始端连接，泵浦源50输出的泵浦光从第一个光纤传输组件2的始端输入，并依次经过各个光纤传输组件2的模式增益器20，以为各个模式增益器20提供泵浦光，和/或，泵浦源50输出的泵浦光从最后一个光纤传输组件2的末端输入，并依次经过各个光纤传输组件2的模式增益器20，以为各个模式增益器20提供泵浦光。

在图10的实施例中，光信号传输系统1应用了所谓的前向泵浦方案，即将泵浦源50设置在第一个光纤传输组件2之前，通过合束器60等装置将泵浦光汇入传输光纤30的始端，当泵浦光沿传输光纤30经过模式增益器20时，使模式增益器20放大经过模式增益器20的光信号。基于这样的设置，不用在链路上设置多个泵浦源50，减少了安装工序。同样的，使用泵浦源50与最后一个光纤传输组件2的末端连接的后向泵浦也有相同的有益效果。

上述的光信号传输系统1的模式增益器20还可以使用上述任一实施例的掺杂光纤，图11是本申请实施例的使用掺杂光纤的光信号传输系统1的示意图。下面结合图11详细说明本申请实施例的使用掺杂光纤的光信号传输系统1。

在图11中，光信号传输系统1包括了一个泵浦源50，以前向泵浦的方式设置；第一光纤传输组件2a和第二光纤传输组件2b；合束器60用于将泵浦源50发出的泵浦光合束至光纤传输组件2a的传输光纤30上，并经过第一光纤传输组件2a而进入第二光纤传输组件2b；光放大器40，设置在输出端之前。

在该光信号传输系统1中，泵浦光同信号光合束后传入第一光纤传输组件2a中和第二光纤传输组件2b的传输光纤30，两个传输光纤30相同，都是渐变折射率的少模光纤。而后光信号进入第一光纤传输组件2a中的第一掺杂光纤10a，第一掺杂光纤10a是掺杂有铒离子的掺杂光纤，在第一掺杂光纤10a的纤芯的横截面中，掺杂浓度呈抛物线分布，具体的，对于该横截面中的任意一点，掺杂浓度分布满足：

其中，N_P表征所述纤芯的横截面中P点稀土离子的掺杂浓度，r_P表征所述纤芯的横截面中P点与所述纤芯的横截面的中心的距离，α为预设的变化指数。

基于上述浓度分布，本申请的掺杂光纤的掺铒浓度比通常的光放大器40的掺铒浓度要低上一至两个数量级，一般在1×10²²ion/m³至1×10²⁵ion/m³之间，进一步的，1×10²²ion/m³至1×10²⁴ion/m³之间。因此泵浦光经过掺杂光纤后吸收的光功率较小，又由于泵浦光在传输光纤30中的功率损耗也较小，所以可以使用一个泵浦源50为多个光纤传输组件2中的掺杂光纤提供泵浦。

泵浦光进入第一掺杂光纤10a后，激发铒离子，从而使光信号得到放大增益。对于不同模式的光信号，由于不同模式受到增益不同，从而产生了差分模式增益。对于任意模式的光信号，其受到的增益分别受到增益材料的平均强度、受增益的距离、受增益的功率，三个变量的积分值影响；而在第一掺杂光纤10a中，分别对应与铒离子掺杂浓度的分布以及变化趋势、第一掺杂光纤10a的长度、泵浦光的光功率三个变量。因此可以调控第一掺杂光纤10a中上述三个变量而调整差分模式增益。

泵浦光离开第一掺杂光纤10a后，由于第一掺杂光纤10a的掺杂浓度较低，因此功率损耗不大，可以继续进入第二光纤传输组件2b并未第二掺杂光纤10b提供同等的泵浦。在具有更多的光纤传输组件的光信号传输系统，由于越靠后的光纤传输组件接收到的泵浦光的泵浦功率要小于靠前的光纤传输组件，因此靠后的光纤传输组件可以设置更长的掺杂光纤，来使得掺杂光纤产生的差分模式增益能补偿各个模式的模式相关损耗。

最后，经过光放大器40放大后，光信号从输出端离开光信号传输系统1。光放大器40例如是少模掺铒光纤放大器，可以为多个模式提供相同的增益。

对于光放大器40为拉曼放大器的光信号传输系统1，会产生更大的模式相关损耗，因此需要设置更长的掺杂光纤或者更大的泵浦功率来产生更大的差分模式增益。

下面结合更具体的示例进行说明。

示例1

在示例1中信号光包括两种模式，第一掺杂光纤10a的变化指数取4，纤芯半径为8μm，在半径为8μm处，铒离子浓度为1×10²⁴ion/m³。泵浦光波长为1480nm泵浦功率为500mW。图12是变化指数为4时，本申请实施例的第一掺杂光纤10a中泵浦光的泵浦功率随第一掺杂光纤10a的长度变化的示意图。图12中，在该设计下，在经过10m的第一掺杂光纤10a后，泵浦光剩余光功率为492mW，依然可以为后续的第二掺杂光纤10b提供泵浦。

图13是本申请实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤10a变化的示意图。

图14是本申请实施例的差分模式增益随光纤长度变化的变化关系图。

在具体实施过程中，测量获得在传输两种模式的信号的传输光纤中，两个模式的本征损耗差为0.02dB/km，在传输光纤为100千米时，传输光纤中积累的模式相关损耗为2dB。而在第一掺杂光纤10a中，当泵浦光的光功率为500mW时，其模式增益随第一掺杂光纤10a的变化如图13所示，曲线L1表征LP₀₁模式的变化曲线，曲线L2表征LP₀₂模式的变化曲线。由于第一掺杂光纤10a的掺杂浓度较低，两个LP₀₁模式和LP₀₂模式均处于线性增益区。参考图14，图14示出了差分模式增益随第一掺杂光纤10a的长度增长而增加，当第一掺杂光纤10a长度为24.5米时，差分模式增益为2dB，正好与传输光纤中积累的模式相关损耗相匹配。

图15是本申请实施例的差分模式增益随泵浦光光功率变化的变化关系图。

另一方面，当第一掺杂光纤10a长度固定为20米时，差分模式增益随泵浦光的光功率变化情况如图15所示。差分模式增益随着泵浦功率先线性增加随后逐渐达到饱和，当泵浦功率为1W时，最大的差分模式增益。因此，对于模式相关损耗较大的光信号传输系统，可以通过增加泵浦光的光功率来增加第一掺杂光纤10a的差分模式补偿随长度变化的斜率。

在第二光纤传输组件2b中也可对第二掺杂光纤10b做出相应的调整，在此不再赘述。

光信号在经过第二光纤传输组件2a和第二光纤传输组件2b后，经由光放大器40放大而从输出端输出。

因此，可以通过铒离子掺杂浓度的分布以及变化趋势(变化指数)、第一掺杂光纤10a的长度、泵浦光的光功率这三个变量来匹配在一个光纤传输组件中差分模式增益和模式相关损耗。

示例2

在示例2中，信号光包括四种模式，第一掺杂光纤10a的纤芯半径为10μm，在半径等于10μm处，铒离子浓度为1×10²⁴ion/m³。本申请的图4、图5、图5分别示出了该掺杂光纤的纤芯中，稀土离子浓度分布的变化指数为3、4、5时，稀土离子浓度分布图。为了保证第二光纤传输组件2b的第二掺杂光纤10b的泵浦，稀土离子浓度与现有的掺铒光放大器相比低一至两个数量级。图16是当变化指数为5时本申请另一实施例的第一掺杂光纤10a中泵浦光的泵浦功率随第一掺杂光纤10a的长度变化关系图。参考图16，当第一掺杂光纤10a的长度为10m时，泵浦光的光功率从500mW减少到490mW。在该设计下，由于铒离子浓度较低，在经过第一掺杂光纤10a后，泵浦光依然可以为后续的第二掺杂光纤10b提供泵浦。

图17是本申请实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤10a变化的示意图。

图18是本申请另一实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤10a变化的示意图。

图19是本申请另一实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤10a变化的示意图。

参考图17、图18以及图19，分别示出了在泵浦光的光功率为500mW时，当变化指数为3、4、5时，第一掺杂光纤10a中四个模式的LP₀₁模式、LP₀₂模式、LP₁₁模式、LP₁₁模式的模式增益变化。其中L3曲线表征LP₀₁模式的变化曲线、L4曲线表征LP₀₂模式的变化曲线、L5曲线表征LP₁₁模式的变化曲线、L6曲线表征LP₁₁模式的变化曲线。

LP₀₂模式、LP₁₁模式、LP₂₁模式和LP₀₁模式的本征损耗的差值分别为0.02dB/km、0.04dB/km和0.06dB/km，在传输光纤中传输50千米后，LP₀₂模式、LP₁₁模式、LP₂₁模式累计的模式相关损耗分别1dB、2dB和3dB。

基于图17、图18以及图19，在包括四个模式的第一掺杂光纤10a中，不同的变化指数将影响LP₀₂模式、LP₁₁模式、LP₂₁模式相对于LP₀₁模式的差分模式增益。由于第一掺杂光纤10a中铒离子掺杂浓度低，因此四个模式的光信号增益均处于线性增长区域，差分模式增益随第一掺杂光纤10a的长度线性增加。因此可以根据实际情况选取不同的变化指数，使得每个模式获得的差分模式增益都能与模式相关损耗相匹配。

对比变化指数为3、4、5的不同模式的模式增益，发现变化指数取5时，LP₀₂模式、LP₁₁模式、LP₂₁模式和LP₀₁模式的模式增益差值几乎呈等差分布，因此在示例2中变化指数α取5。

图20是本申请实施例的各光信号模式的差分模式增益随长度变化的变化关系图。

图21是本申请实施例的各光信号模式的差分模式增益随泵浦光光功率变化的变化关系图。

在图20中，横轴代表第一掺杂光纤10a的长度，纵轴代表差分模式增益，L7曲线表征LP₀₂模式的变化曲线、L8曲线表征LP₁₁模式的变化曲线、L9曲线表征LP₂₁模式的变化曲线。图20中将泵浦光的光功率设置为500mW，当第一掺杂光纤10a的长度为22.5m时，经过第一掺杂光纤10a光信号中，LP₀₂模式的差分模式增益约为1dB、LP₁₁模式的差分模式增益约为2dB、LP₂₁模式的差分模式增益约为3dB，正好与各自的模式相关损耗相匹配。

在图21中，横轴代表泵浦光的光功率，纵轴代表差分模式增益，L10曲线表征LP₀₂模式的变化曲线、L11曲线表征LP₁₁模式的变化曲线、L12曲线表征LP₂₁模式的变化曲线。图21中将第一掺杂光纤10a的长度设置为20m，当泵浦光的光功率为580mW时，LP₀₂模式的差分模式增益约为1dB、LP₁₁模式的差分模式增益约为2dB、LP₂₁模式的差分模式增益约为3dB，正好与各自的模式相关损耗相匹配。

在第二光纤传输组件2b中也可对第二掺杂光纤10b做出相应的调整，在此不再赘述。

光信号在经过第二光纤传输组件2a和第二光纤传输组件2b后，经由光放大器放大40而从输出端输出。

因此，可以通过铒离子掺杂浓度的分布以及变化趋势(变化指数)、第一掺杂光纤10a的长度、泵浦光的光功率这三个变量来匹配在一个光纤传输组件中差分模式增益和模式相关损耗。

示例3

在示例3中，信号光包括六种模式，第一掺杂光纤10a的纤芯半径为10μm，在半径等于10μm处，铒离子浓度为1×10²⁴ion/m³。本申请的图4、图5、图5分别示出了该掺杂光纤的纤芯中，稀土离子浓度分布的变化指数为3、4、5时，稀土离子浓度分布图。为了保证第二光纤传输组件2b的第二掺杂光纤10b的泵浦，稀土离子浓度与现有的掺铒光放大器相比低一至两个数量级。

图22是本申请另一实施例的第一掺杂光纤10a中泵浦光的泵浦功率随第一掺杂光纤10a的长度变化关系图。

参考图22，当第一掺杂光纤10a的长度为10m时，泵浦光的光功率从500mW减少到491mW。在该设计下，由于铒离子浓度较低，在经过第一掺杂光纤10a后，依然可以为后续的第二掺杂光纤10b提供泵浦。

图23是本申请另一实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤10a变化的示意图。

图24是本申请另一实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤10a变化的示意图。

图25是本申请另一实施例的各光信号模式的模式增益随第一掺杂光纤10a变化的示意图。

参考图23、图24以及图25，分别示出了在泵浦光的光功率为500mW时，当变化指数为3、4、5时，第一掺杂光纤10a中六个模式的LP₁₂模式、LP₀₂模式、LP₁₁模式、LP₂₁模式、LP₃₁模式以及LP₀₁模式的模式增益变化。其中L12曲线表征LP₁₂模式的变化曲线、L13曲线表征LP₀₂模式的变化曲线、L14曲线表征LP₁₁模式的变化曲线、L15曲线表征LP₂₁模式的变化曲线、L16曲线表征LP₃₁模式的变化曲线、L17曲线表征LP₀₁模式的变化曲线。

LP₁₂模式、LP₀₂模式、LP₁₁模式、LP₂₁模式以及LP₃₁模式与LP₀₁模式的本征损耗的差值分别为0.007dB/km、0.027dB/km、0.033dB/km、0.054dB/km和0.063dB/km，在传输光纤中传输50千米后，LP₁₂模式、LP₀₂模式、LP₁₁模式、LP₂₁模式以及LP₃₁模式与LP₀₁模式累计的模式相关损耗分别0.35dB、1.35dB、1.65dB、2.7dB和3.15dB。

基于图23、图24以及图25，在传输六个模式的第一掺杂光纤10a中，不同的变化指数将影响LP₀₂模式、LP₁₁模式、LP₁₂模式、LP₂₁模式以及LP₃₁模式相对于LP₀₁模式的差分模式增益。由于第一掺杂光纤10a中铒离子掺杂浓度低，因此六个模式的光信号增益均处于线性增长区域，差分模式增益随第一掺杂光纤10a的长度线性增加。因此可以根据实际情况选取不同的变化指数，使得每个模式获得的差分模式增益都能与模式相关损耗相匹配。

对比变化指数为3、4、5的不同模式的模式增益，发现变化指数取5时，LP₀₂模式、LP₁₁模式、LP₁₂模式、LP₂₁模式以及LP₃₁模式相对于LP₀₁模式的增益差与在光信号传输系统中积累的模式相关损耗较为接近，能够补偿>90％的模式相关损耗。因此在示例3中变化指数α取5。

图26是本申请另一实施例的差分模式增益随长度变化的变化关系图。

图27是本申请另一实施例的差分模式增益随泵浦光光功率变化的变化关系图。

在图26中，横轴代表第一掺杂光纤10a的长度，纵轴代表差分模式增益，L18曲线表征LP₁₂模式的变化曲线、L19曲线表征LP₀₂模式的变化曲线、L20曲线表征LP₁₁模式的变化曲线、L21曲线表征LP₂₁模式的变化曲线、L22曲线表征LP₃₁模式的变化曲线。图20中将泵浦光的光功率设置为500mW，当第一掺杂光纤10a的长度为20m时，经过第一掺杂光纤10a光信号中，LP₁₂模式的差分模式增益约为0.34dB、LP₀₂模式的差分模式增益约为1.36dB、LP₁₁模式的差分模式增益约为1.65dB、LP₂₁模式的差分模式增益约为2.7dB、LP₃₁模式的差分模式增益约为3.17dB，因此能够补偿大于90％的模式相关损耗。

在图27中，横轴代表泵浦光的光功率，纵轴代表差分模式增益，L23曲线表征LP₁₂模式的变化曲线、L24曲线表征LP₀₂模式的变化曲线、L25曲线表征LP₁₁模式的变化曲线、L26曲线表征LP₂₁模式的变化曲线、L27曲线表征LP₃₁模式的变化曲线。图27中将第一掺杂光纤10a的长度设置为20m，各模式的差分模式增益先线性增加，而后铒离子吸收达到饱和而使增益达到饱和，曲线变得平滑。可以根据光信号传输系统实际的模式相关损耗选取对应的泵浦光的光功率。

在第二光纤传输组件2b中也可对第二掺杂光纤10b做出相应的调整，在此不再赘述。

光信号在经过第二光纤传输组件2a和第二光纤传输组件2b后，经由光放大器40放大而从输出端输出。

图28是本申请实施例的模式相关损耗补偿方法的流程图。

参考图28，本申请实施例还提出了一种模式相关损耗补偿方法，应用于光信号传输系统，光信号传输系统包括上述任一项的掺杂光纤，掺杂光纤用于传输光信号，掺杂光纤包括纤芯，方法包括：

S100：获得光信号的传输模式；

S200：根据传输模式，调整掺杂光纤的稀土离子掺杂浓度的分布，以使得掺杂光纤的纤芯中的稀土离子分布满足第一分布关系，从而使得经过掺杂光纤的光信号的任一传输模式获得增益与该传输模式的模式相关损耗相匹配；

第一分布关系包括：在纤芯的横截面中取满足第一关系的任意两个位置作为第一位置和第二位置，第一位置的稀土离子的掺杂浓度小于第二位置的稀土离子的掺杂浓度；其中，第一关系包括：第一位置比第二位置靠近横截面的中心。

具体地，光信号传输系统中的掺杂光纤的稀土离子掺杂浓度的分布可以动态调整，例如光信号传输系统中包括多条传输链路，每条传输链路对应不同的传输模式，而每条传输链路上设置有不同的掺杂光纤，掺杂光纤的稀土离子掺杂浓度的分布各不相同，根据传输模式可以选取不同的掺杂光纤，使得光信号传输系统的模式相关损耗能够得到相匹配的补偿。

容易理解的，上述方法可以用于一种电子设备，该电子设备包括处理器和存储器，以及通信总线，存储器用于存储上述的模式相关损耗补偿方法，而处理器与存储器通过通信总线连接，用于执行上述的模式相关损耗补偿方法。

虽然在上述实施方式中，示出了掺杂光纤的任一横截面的稀土离子掺杂浓度分布设置成抛物线状，但不限于此。例如，掺杂浓度变化率也可以呈阶梯状上升，例如可以将纤芯分为N层，第N层是指的与包层接触的最外层，第1层为被纤芯的轴线穿过的最内层，第N-1层被第N层所包裹，当第1层的稀土离子掺杂浓度变化速率为k₁α，则第2层的稀土离子掺杂浓度变化速率为k₂α，第N-1层的稀土离子掺杂浓度变化速率为k_N-1α,第N层的稀土离子掺杂浓度变化速率为k_Nα，其中，k₂为大于1的实数，k_N大于k_N-1。同样也可以实现增加高阶模式与低阶模式获得的增益差的有益效果。

虽然在上述实施方式中，示出了多芯光纤中纤芯为环形的均匀排布且每条纤芯的半径相同，但不限于此。在一些实施例中，纤芯的半径可以不相同，例如分为第一纤芯和第二纤芯，第一纤芯的半径大于第二纤芯，第一纤芯呈环状均匀排布在包层内，而第二纤芯则紧密排布而包围第一纤芯。

虽然在上述实施方式中，提及了在掺杂光纤中，与包层相接的掺杂层以及与掺杂层接触的纤芯，但不限于此，并不代表着包层一定直接和纤芯接触，例如作为纤芯外表面覆盖有一层镀膜，而包层隔着镀膜而包围纤芯。

虽然在上述实施方式中，提及了在光信号传输系统中，光放大器设置在最后一个光纤传输组件之后，但不限于此。在一些实施例中，每一个传输组件上都可以设置一个光放大器，使得每个光纤传输组件都包括传输光纤、模式增益器、光放大器。容易理解的，在这类光纤传输组件中，能够通过合理的调控使得模式增益器和光放大器能够补偿该段光纤传输组件产生的损耗。因此一个光纤传输组件可以看做一个独立的，足够完成基本传输功能的单元，配合本申请前向泵浦或后向泵浦的泵浦源，可以自由的根据光信号的传输要求完成快速组装成光信号传输系统。

虽然在上述实施方式中，提及了在光信号传输系统中，设置有多个光纤传输组件，但是容易理解的，只设置一个光纤传输组件，光纤传输组件中的模式增益器也能较好的补充该光纤传输组件中产生的模式相关损耗而不影响本申请的有益效果的实现。

虽然在上述实施方式中，提及了在包括多个光纤传输组件的光信号传输系统中，不同的光纤传输组件使用相同的传输光纤，但这一部分的相同指的是传输光纤的折射率分布相同，而非长度相同，其长度也可以不同。在一些实施例中，不同光纤传输组件也可以使用不同折射率分布的传输光纤。例如，两个相连的光纤传输组件中，前一段为渐变折射率光纤、后一段为阶跃折射率光纤。

虽然在上述实施方式中，提及了掺杂光纤的掺杂浓度在1×10²²ion/m³至1×10²⁴ion/m³之间，但是指适用于铒离子的掺杂情况，可以根据不同的稀土离子选择适当的掺杂浓度。

虽然在上述实施方式中，提及了在光信号传输系统中，泵浦源发出的泵浦光波长为1480nm，但不限于此。只需要泵浦光的波长与稀土离子的能级分布相匹配即可，对于铒离子，泵浦光波长例如可以是980nm，对于其他稀土离子可以依据实际情况进行选择。

虽然在示例1、示例2、示例3中分别提及了有两个、四个以及六个模式的光信号经过本申请的掺杂光纤，但不限于此，只要是模式数量不少于两个都能实现本申请的有益效果，模式数量例如为八个、十二个等。

本申请实施例描述的实施例是为了更加清楚的说明本申请实施例的技术方案，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域技术人员可知，随着技术的演变和新应用场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。

本领域技术人员可以理解的是，图中示出的技术方案并不构成对本申请实施例的限定，可以包括比图示更多或更少的步骤，或者组合某些步骤，或者不同的步骤。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、设备中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。

本申请的说明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，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。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。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上参照附图说明了本申请实施例的优选实施例，并非因此局限本申请实施例的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请实施例的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请实施例的权利范围之内。

Claims (17)

1.一种掺杂光纤，其特征在于，包括：

包层；

至少一个纤芯，所述纤芯布置于所述包层内，且可用于传输至少两个模式的光信号，所述纤芯含有稀土离子，以使所述掺杂光纤可对经过的至少两个模式的光信号进行放大处理；

并且所述纤芯中的稀土离子分布满足：

在所述纤芯的横截面中取满足第一关系的任意两个位置作为第一位置和第二位置，第一位置的稀土离子的掺杂浓度小于第二位置的稀土离子的掺杂浓度；

其中，所述第一关系包括：所述第一位置比所述第二位置靠近所述横截面的中心。

2.根据权利要求1所述的掺杂光纤，其特征在于，

所述纤芯中的稀土离子分布满足：

在所述纤芯的横截面中取满足第二关系的任意一个位置作为第三位置，第三位置的稀土离子的掺杂浓度与所述第二位置的稀土离子的掺杂浓度之差大于所述第二位置的稀土离子的掺杂浓度与所述第一位置的稀土离子的掺杂浓度之差；

其中，所述第二关系包括：所述第三位置比所述第二位置远离所述横截面的中心，且所述第三位置与所述中心的距离与所述第二位置与所述中心的距离之差等于所述第二位置与所述中心的距离与所述第一位置与所述中心的距离之差。

3.根据权利要求2所述的掺杂光纤，其特征在于，在所述纤芯中，所述纤芯中的稀土离子分布满足：

其中，N_P表征所述纤芯的横截面中P点稀土离子的掺杂浓度，r_p表征所述纤芯的横截面中P点与所述纤芯的横截面的中心的距离，a、b、c为常数，其中，a大于0，b大于等于1，α为预设的变化指数。

4.根据权利要求3所述的掺杂光纤，其特征在于，所述稀土离子的掺杂浓度在1×10²²ion/m³至1×10²⁵ion/m³之间。

5.根据权利要求3所述的掺杂光纤，其特征在于，所述掺杂光纤应用于光纤传输组件，

所述掺杂光纤对经过其的多个模式的光信号进行放大处理以产生差分模式增益；

所述变化指数的取值使得在从所述掺杂光纤输出的所述光信号获得的差分模式增益与所述光信号在所述光纤传输组件中传输而产生的模式相关损耗相匹配。

6.根据权利要求1所述的掺杂光纤，其特征在于，所述掺杂光纤应用于光纤传输组件，

所述掺杂光纤用于对经过其的多个模式的光信号进行放大处理以产生差分模式增益；

所述掺杂光纤具有第一长度，并且所述第一长度的大小与所述光信号进行差分模式增益的大小正相关，所述第一长度的取值使得在从所述掺杂光纤输出的所述光信号获得的差分模式增益与所述光信号在所述光纤传输组件中传输而产生的模式相关损耗相匹配。

7.根据权利要求1至6任一项所述的掺杂光纤，其特征在于，所述稀土离子为铒离子。

8.一种掺杂光纤，其特征在于，包括：

包层；

至少一个纤芯，所述纤芯布置于所述包层内，且可用于传输包括至少两个模式的传输条件，所述纤芯含有稀土离子，以使所述掺杂光纤可对经过的至少两个模式的光信号进行放大处理；所述纤芯包括：

中心层，所述中心层被纤芯的轴线穿过；

至少一个掺杂层，所述掺杂层包围所述中心层或所述掺杂层包围前一掺杂层；

第一掺杂层的稀土离子的掺杂浓度小于第二掺杂层的稀土离子的掺杂浓度，所述第一掺杂层比所述第二掺杂层靠近所述中心层。

9.根据权利要求8所述的掺杂光纤，其特征在于，第三掺杂层的稀土离子的掺杂浓度与所述第二掺杂层的稀土离子的掺杂浓度之差大于所述第二掺杂层的稀土离子与所述第一掺杂层的稀土离子的掺杂浓度之差，所述第二掺杂层比所述第三掺杂层靠近所述中心层，且所述第二掺杂层与所述第三掺杂层的距离等于所述第二掺杂层与所述第一掺杂层的距离。

10.根据权利要求8所述的掺杂光纤，其特征在于，所述掺杂光纤应用于光纤传输组件，

所述掺杂光纤用于对经过其的多个模式的光信号进行放大处理以产生差分模式增益；

所述掺杂光纤具有第一长度，并且所述第一长度的大小与所述光信号进行差分模式增益的大小正相关，所述第一长度的取值使得从所述掺杂光纤输出的所述光信号获得的差分模式增益与所述光信号在所述光纤传输组件中传输而产生的模式相关损耗相匹配。

11.根据权利要求8至10任一项所述的掺杂光纤，其特征在于，所述稀土离子为铒离子。

12.一种光信号传输系统，用于传输光信号，所述光信号包括至少两个模式，其特征在于，包括至少一个光纤传输组件、至少一个泵浦源、至少一个光纤放大器；其中：

光纤传输组件包括传输光纤和至少一个模式增益器；所述传输光纤包括始端和末端，所述光信号从所述始端耦合入所述传输光纤并沿所述传输光纤朝所述末端方向传播；

至少一个模式增益器，与所述传输光纤连接，用于对所述传输光纤输出的所述光信号进行放大增益处理，并使高阶模式的光信号获得的增益大于低阶模式的光信号获得的增益；

至少一个光纤放大器，用于将经过的光信号放大；

至少一个泵浦源，所述泵浦源用于为所述模式增益器提供泵浦光。

13.根据权利要求12所述的光信号传输系统，其特征在于，所述光纤传输组件包括多个，每个所述光纤传输组件中的所述模式增益器对所述光纤传输组件所传输的所述光信号产生的差分模式增益与所述光信号经过该光纤传输组件中的所述传输光纤产生所的模式相关损耗相匹配。

14.根据权利要求13所述的光信号传输系统，其特征在于，多个所述光纤传输组件首尾相接，使前一个所述光纤传输组件的所述末端与后一个所述光纤传输组件的所述始端连接，

所述泵浦源输出的泵浦光从第一个所述光纤传输组件的所述始端输入，并依次经过各个光纤传输组件的模式增益器，以为各个所述模式增益器提供泵浦光，和/或，

所述泵浦源输出的泵浦光从最后一个所述光纤传输组件的所述末端输入，并依次经过各个光纤传输组件的模式增益器，以为各个所述模式增益器提供泵浦光。

15.根据权利要求12至14任一项所述的光信号传输系统，其特征在于，所述模式增益器是权利要求1至11任一项所述的掺杂光纤。

16.根据权利要求15所述的光信号传输系统，其特征在于，所述泵浦光具有第一功率，所述第一功率的所述泵浦光输入具有第一长度的所述掺杂光纤，以使所述掺杂光纤对经过其的所述光信号进行放大处理以产生差分模式增益，所述第一功率的大小在预设范围内与所述差分模式增益正相关，所述第一功率的取值使得从所述掺杂光纤输出的所述光信号获得的差分模式增益与所述光信号在所述光纤传输组件中传输而产生的模式相关损耗相匹配。

17.一种模式相关损耗补偿方法，应用于光信号传输系统，其特征在于，所述光信号传输系统包括权利要求1至11任一项所述的掺杂光纤，所述掺杂光纤用于传输光信号，所述掺杂光纤包括纤芯，所述方法包括：

获得所述光信号的传输模式；

根据所述传输模式，调整所述掺杂光纤的稀土离子掺杂浓度的分布，以使得所述掺杂光纤的纤芯中的稀土离子分布满足第一分布关系，从而使得经过所述掺杂光纤的所述光信号的任一传输模式获得增益与该传输模式的模式相关损耗相匹配；

第一分布关系包括：

在所述纤芯的横截面中取满足第一关系的任意两个位置作为第一位置和第二位置，第一位置的稀土离子的掺杂浓度小于第二位置的稀土离子的掺杂浓度；

其中，所述第一关系包括：所述第一位置比所述第二位置靠近所述横截面的中心。