一种少模掺铒光纤以及少模掺铒光纤放大器

摘要

本申请公开了一种少模掺铒光纤，该少模掺铒光纤的纤芯由内到外包括第一层、第二层以及第三层，其中，第一层为圆形，第二层为第一环形，第三层为第二环形，第二层的折射率大于第一层的折射率且大于第三层的折射率，第二层的铒离子掺杂浓度小于第一层的铒离子掺杂浓度且小于第三层的铒离子掺杂浓度。本申请提供的方案，仅通过单基模泵浦即可实现各传输模式间的增益平坦，同时实现待放大信号在该少模掺铒光纤中的弱耦合传输。

说明书

技术领域

本申请涉及通信技术领域，具体涉及一种少模掺铒光纤。

背景技术

随着超高清视频、云计算等新型业务的快速发展，信息传输带宽需求以爆炸式速度不断增长，而传统的单模光纤传输已逼近100Tbit/s的理论传输极限，因此，迫切需要研究新的技术以进一步提升光传输容量。近年来，基于少模光纤的新型空分复用方式受到广泛关注，其利用少模光纤中独立的正交模式作为传输信道，已被证明能有效提升光传输系统的容量。目前，少模复用系统主要分为强耦合和弱耦合传输系统。强耦合传输系统中存在无法避免的模式耦合，接收端需要采用相干检测以及多输入多输出数字信号处理技术对空间模式进行分离，使得系统的复杂度和成本极大增加。而弱耦合传输系统中的模式耦合被严格控制，模间串扰相对较低，且接收端仅需采用直接检测方式，无疑能显著降低系统复杂度和成本。

由于信号光功率在少模复用光纤中存在衰减，当传输距离扩展到几百上千公里时，将无法继续向前传输，必须在光信号传输过程中使用放大器，掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier，EDFA)是中长距离模分复用传输系统的关键器件之一。目前，少模复用系统多采用单模EDFA进行信号光放大，在放大时，少模复用信号需要先解复用为多个单模信号，然后对各个单模信号分别放大，放大后的单模信号再复用为少模信号继续向前传输。这种放大方式能够实现均衡的模式增益，但会引入额外的功率损耗以及模式串扰，并且当所用模式数目较多时，所需单模掺铒光纤放大器数量也多，将极大地增加系统成本。

近年来，研究者实现了支持多个模式同时放大的少模EDFA，通过环形铒离子掺杂设计，采用与信号光模式对应的多模泵浦源进行泵浦，控制差分模式增益(differentialmodal gain，DMG)，能够实现较均衡的模式增益，显著降低了系统的复杂度及成本。然而，相关研究主要侧重于均衡不同模式间的增益，而未考虑模式串扰的问题。考虑到少模EDFA 也会引入额外的模式串扰，因此保证EDFA中模式间的弱耦合状态、降低模式串扰亟待解决。

发明内容

本申请实施例提供一种少模掺铒光纤放大器，使得仅通过单基模泵浦即可实现各传输模式间的增益平坦，同时实现待放大信号在少模掺铒光纤放大器中的弱耦合传输。

为达到上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：

本申请第一方面提供一种少模掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器是利用在光纤纤芯中沉积掺入极小浓度的稀土元素铒的掺杂光纤，当受到泵浦光激励以后，铒离子将跃迁到稳定的高激发态，在信号光的诱导下，会产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。可以包括：少模掺铒光纤、泵浦源以及少模波分复用器，其中，少模波分复用器的输入端分别与少模传输光纤和泵浦源连接，泵浦源输出模式为基模的单模泵浦光，少模波分复用器的输出端与少模掺铒光纤连接，少模波分复用器用于将少模传输光纤中的待放大的信号与模式为基模的单模泵浦光耦合后注入少模掺铒光纤中，少模掺铒光纤的纤芯由内到外可以包括第一层、第二层以及第三层，其中，第一层为圆形，第二层为第一环形，第三层为第二环形，第二层的折射率大于第一层的折射率且大于第三层的折射率，第二层的铒离子掺杂浓度小于第一层的铒离子掺杂浓度且小于第三层的铒离子掺杂浓度。由第一方面可知，本申请中少模掺铒光纤放大器使用了一种环形折射率分布和环形铒离子掺杂的弱耦合少模掺铒光纤，可以解决现有技术中少模掺铒光纤放大器中存在的模式串扰大的问题，并且能够兼容目前的商用普通单模光纤的制备技术，具有极大的性能和成本优势。本申请提供的少模掺铒光纤放大器结构，仅通过单基模泵浦光即可实现少模信号光的弱耦合传输和模式增益平坦，与现有技术相比该结构体积小、结构简单、成本较低且与少模光纤传输链路完全兼容，有望大规模应用于少模光纤通信系统。

可选地，结合上述第一方面，在第一种可能的实现方式中，该少模掺铒光纤的圆形的半径为2um至5um，第一环形的环宽为1um至5um，第二环形的环宽为1um至5um。

可选地，结合上述第一方面第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，该少模掺铒光纤支持LP01、LP11、LP21、LP02和LP31五种模式，圆形的半径为3.5um至4.5um，第一环形的环宽为1.8um至2.5um，第二环形的环宽为1.8um至2.5um，圆形的折射率为1.453至1.456，第一环形的折射率为1.455至1.457，第二环形的折射率为1.453至1.456，圆形的铒离子的掺杂浓度为2.5×10

可选地，结合上述第一方面以及第一方面第一种或第一方面第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，第一层、第二层以及第三层的折射率分布为阶跃折射率分布。

可选地，结合上述第一方面以及第一方面第一种至第一方面第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，第一层、第二层以及第三层采用掺杂有二氧化锗或二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料。

可选地，结合上述第一方面以及第一方面第一种至第一方面第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述第一层、所述第二层以及所述第三层铒离子掺杂的浓度与所述待放大的信号在所述纤芯中模式的强度分布以及泵浦光的模场分布相关。

可选地，结合上述第一方面以及第一方面第一种至第一方面第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，少模掺铒光纤内传输的待放大信号的所有模式之间的有效折射率差均大于10

本申请第二方面提供一种少模掺铒光纤，少模光纤是一种纤芯面积足够大，足以利用几个独立的空间模式传输并行信号的光纤。少模光纤支持的模式数一般不超过10个，小于传统的多模光纤。相比于多模光纤，其在提供几个复用稳定信道的同时，不会引起大的模间色散。第二方面提供的少模掺铒光纤的纤芯由内到外可以包括第一层、第二层以及第三层，其中，第一层为圆形，第二层为第一环形，第三层为第二环形，第二层的折射率大于第一层的折射率且大于第三层的折射率，第二层的铒离子掺杂浓度小于第一层的铒离子掺杂浓度且小于第三层的铒离子掺杂浓度。由第二方面可知，本申请实施例提供的少模掺铒光纤的纤芯的第一层、第二层以及第三层具有不同的折射率，且同时掺杂有不同浓度的铒离子，即同时存在环形折射率分布和环形铒离子浓度分布。相比于仅考虑模式增益平坦的少模掺铒光纤设计方案，本申请对少模掺铒光纤进行了环形折射率分布和环形铒离子掺杂的同步设计，通过环形折射率分布实现少模信号光的弱耦合传输，降低模式串扰，同时通过环形铒离子掺杂实现模式增益平坦，能够实现更高质量的少模信号光放大。

可选地，结合上述第二方面，在第一种可能的实现方式中，该少模掺铒光纤的圆形的半径为2um至5um，第一环形的环宽为1um至5um，第二环形的环宽为1um至5um。

可选地，结合上述第二方面第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，少模掺铒光纤支持LP01、LP11、LP21、LP02和LP31五种模式，圆形的半径为3.5um至4.5um，第一环形的环宽为1.8um至2.5um，第二环形的环宽为1.8um至2.5um，圆形的折射率为 1.453至1.456，第一环形的折射率为1.455至1.457，第二环形的折射率为1.453至1.456，圆形的铒离子的掺杂浓度为2.5×10

可选地，结合上述第二方面以及第二方面第一种或第二方面第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，第一层、第二层以及第三层的折射率分布为阶跃折射率分布。

可选地，结合上述第二方面以及第二方面第一种至第二方面第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，第一层、第二层以及第三层采用掺杂有二氧化锗或二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料。

可选地，结合上述第二方面以及第二方面第一种至第二方面第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述第一层、所述第二层以及所述第三层铒离子掺杂的浓度与所述待放大的信号在所述纤芯中模式的强度分布以及泵浦光的模场分布相关。

可选地，结合上述第二方面以及第二方面第一种至第二方面第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，少模掺铒光纤内传输的待放大信号的所有模式之间的有效折射率差均大于10

本申请第三方面提供一种多级，光纤放大器系统，包括至少两个依次设置的，如上述第一方面或第一方面任意一种可能实现方式中描述的少模掺铒光纤放大器。

本申请实施例，通过独特的环形折射率分布和环形铒离子掺杂的少模掺铒光纤，使得仅通过单基模泵浦即可实现各传输模式间的增益平坦，同时实现信号光在少模掺铒光纤放大器中的弱耦合传输。

附图说明

图1为一种少模掺铒光纤的结构示意图；

图2为一种少模掺铒光纤放大器的泵浦设计示意图；

图3为本申请实施例提供的一种少模掺铒光纤放大器的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的少模掺铒光纤的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的少模掺铒光纤的折射率分布示意图；

图6为本申请实施例提供的少模掺铒光纤的铒离子掺杂浓度分布示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供一种少模掺铒光纤放大器，仅通过单基模泵浦即可实现各传输模式间的增益平坦，同时实现信号光在少模掺铒光纤放大器中的弱耦合传输。以下分别进行详细说明。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在掺铒光纤中传播的不同模式的光具有不同的光强分布，因此，使用常规掺铒光纤进行放大时通常得到不同的增益，为了保持全部模式的传输品质，在EDFA中存在使DMG变小的必要性。为了使EDFA能够支持多个模式同时放大，并且减小差分模式增益，其中一种方案是EDFA的掺铒光纤采用环形铒离子掺杂的设计，如图1所示，是该方案中的少模掺铒光纤的结构示意图，该掺铒光纤由内到外包括圆形中心纤芯101、内环形纤芯102、外环形纤芯103以及包层104，其中圆形中心纤芯101和外环形纤芯103掺杂了相同浓度的铒离子，内环形纤芯102和包层104没有掺杂铒离子，再采用与待放大的信号的模式对应的多模泵浦源进行泵浦，如图2中的a所示，横轴代表半径，单位为um(微米)，纵轴代表待放大信号的模式强度，单位为a.u.(arbitrary unit，表示没有单位、无量纲)，假设待放大的信号是由LP01和LP11构成的模分复用信号光，则如图2中的b所示，横轴代表半径，单位为um，纵轴代表待泵浦光的模场强度，单位为a.u.可采用与LP01和LP11对应的多模泵浦光进行泵浦。通过这样的环形光纤的设计，待放大的信号的模场分布和铒离子掺杂区域以及泵浦光的模场分布之间的重叠面积尽可能大，可以实现多模泵浦源对多个模式的同时增益，并有效地减小DMG。

在上述方案中，如图2中的a所示，待放大信号的模式的强度随着掺铒光纤的半径的增大而变化，即待放大的信号在圆形中心纤芯101、内环形纤芯102、外环形纤芯103的模式的强度分布不同，举例说明，LP01的信号光在半径为0um左右的强度最高，即LP01的信号光在圆形中心纤芯101的强度最高，LP11的信号光在半径为5um左右的强度最高，即LP11的信号光在内环形纤芯102的强度最高，所以采用相应的多模泵浦源进行泵浦可实现减少DMG的目的。尽管这种方案可以减小差分模式增益，但并未考虑放大过程中模式之间会引入串扰，引入的串扰将使信号的检测和处理更加复杂。

为了解决上述技术问题，本申请提供一种少模掺铒光纤以及少模掺铒光纤放大器，仅通过单基模泵浦即可实现各传输模式间的增益平坦，同时实现信号光在放大器中的弱耦合传输。

需要说明的是，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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发明的限制。

此外，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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。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。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。

在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及后权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在说明书及权利要求当中所提及的包含或者包括是为一开放式的用语，故应解释成包含但不限定于或者包括但不限于。此外，耦接或者耦合在此是包含任何直接及间接的电气连接手段，因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，或者第一装置与第二装置耦合，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或者通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

图3为本申请实施例提供的一种少模掺铒光纤放大器的结构示意图。

该少模掺铒光纤放大器包括少模掺铒光纤305、泵浦源303以及少模波分复用器304。其中，少模波分复用器304的输入端分别与少模传输光纤301和泵浦源303连接，泵浦源303 输出模式为基模的单模泵浦光。举例说明，该基模的单模泵浦光可以是LP01模式的980nm 泵浦光，还可以是LP01模式的1480nm泵浦光。少模传输光纤301用于传输信号光，在本申请实施例中，有时也将传输的信号光称为待放大的信号或者待放大的信号光，在本申请实施例中，有时也将少模传输光纤301简称为少模光纤。

少模波分复用器304的输出端与少模掺铒光纤305连接，少模波分复用器304用于将少模传输光纤301中的待放大的信号与模式为基模的单模泵浦光耦合后注入少模掺铒光纤 305中。待放大的信号与泵浦光在少模掺铒光纤305内可以在同一方向(正向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或两个方向(双向泵浦)传播，本申请实施例对此不做具体的限制。如图3所示的是，待放大的信号与泵浦光在少模掺铒光纤305内在同一方向传输，即正向泵浦的结构。

在一些场景中，少模波分复用器304还可能有其他的名字，比如信号泵浦合路器，本申请并不对结构的名字进行限制，单独的少模波分复用器304并非本方案的发明点，现有技术中能够在一根光纤中同时让两个以上的光波长信号进行传输，并且各自传递信息的手段，本申请实施例均可以采用，本申请将能够实现这种技术的器件称作少模波分复用器304。少模波分复用器304在掺铒光纤放大器中将泵浦光和待放大的信号一起耦合到掺铒光纤中。

在图3所示的结构中，还可以包括光隔离器，具体的，少模传输光纤301中待放大的信号光首先经过前置光隔离器302，然后与基模的单模泵浦光(以下简称为单基模泵浦光)在少模波分复用器304处耦合，进入少模掺铒光纤305当中，实现少模信号光的放大，放大后的信号光经过后置光隔离器306，然后进入少模光纤中继续传输。光隔离器是一种双端口只允许单向光通过的无源光器件，它对沿正向传输的光信号衰减很小而对沿相反方向传输的光信号衰减很大，构成光的单向通路。在掺铒光纤放大器的光源与掺铒光纤之间加入光隔离器，能有效地抑制线路中从光纤远端端面、光纤连接器界面等处产生的反射光返回激光器、从而保证激光器工作状态的稳定，降低掺铒光纤放大器因反射光引起的噪声。一般隔离器具有正向插入损耗低、反向隔离度高和回波损耗高等特性。其在EDFA中的主要作用是抑制光在传输时候的反射，降低噪声，提高系统的稳定性。

如图4所示，为上述图3所示的掺铒光纤放大器中的少模掺铒光纤305的结构示意图，该少模掺铒光纤305的纤芯由内到外包括第一层401、第二层402以及第三层403，其中，第一层401为圆形，半径为r1，第二层402为第一环形，r2与r1的差值为第一环形的环宽w1，第三层403为第二环形，r3与r2的差值为第二环形的环宽w2，在第三层403的外部还包括包层404，r4与r3的差值为包层404的环宽。如图5所示，是该少模掺铒光纤305的折射率分布示意图，其中第二层402的折射率n2大于第一层401的折射率n1且大于第三层403的折射率n3，n1和n3大小关系不固定，n4的折射率小于n1，n2以及n3中的任意一个。研究表明，少模传输光纤301中，信号光的模式之间的串扰随着模式有效折射率差的增大而减小，当第一层401、第二层402以及第三层403满足上述的折射率要求时，可以有效降低传输光纤内的模式串扰，实现模式间的弱耦合。

在确定了上述第一层401、第二层402以及第三层403满足上述的折射率要求之后，在此多环折射率剖面基础上对铒离子进行掺杂。当第一层401、第二层402以及第三层403的折射率确定后，可以确定r1,r2以及r3的取值范围，有效降低传输光纤内的模式串扰，实现模式间的弱耦合。在此折射率剖面基础上，根据待放大的信号在纤芯中模式强度的分布和泵浦光的模场分布对第一层401、第二层402以及第三层403掺杂铒离子。比如，在需要较高增益的区域掺杂浓度较高的铒离子，在需要较低增益的区域掺杂浓度较低的铒离子，最终实现仅通过单基模泵浦即可实现各传输模式间的增益平坦，同时实现信号光在少模掺铒光纤305中的弱耦合传输，相比采用多模泵浦源，采用单模泵浦源可扩展系统的适用范围、降低系统复杂度。

如图6所示，是本申请实施例提供的该少模掺铒光纤305的铒离子掺杂浓度分布示意图，第二层402的铒离子掺杂浓度N2小于第一层401的铒离子掺杂浓度N1且小于第三层403 的铒离子掺杂浓度N3，N1和N3的大小关系不固定，包层404不进行铒离子掺杂，即包层404 的铒离子掺杂浓度N4等于零。

在一个具体的实施方式中，圆形的半径为2um至5um，第一环形的环宽为1um至5um，第二环形的环宽为1um至5um。

在一个具体的实施方式中，若少模掺铒光纤305支持LP01、LP11、LP21、LP02和LP31五种模式，则圆形的半径为3.5um至4.5um，第一环形的环宽为1.8um至2.5um，第二环形的环宽为1.8um至2.5um，圆形的折射率为1.453至1.456，第一环形的折射率为1.455 至1.457，第二环形的折射率为1.453至1.456，圆形的铒离子的掺杂浓度为2.5×10

在一个具体的实施方式中，第一层401、第二层402以及第三层403的折射率分布为阶跃折射率分布。即圆形的折射率n1在半径r1范围内保持恒定，第一环形的折射率n2 在环宽w1范围内保持恒定，第二环形的折射率n3在环宽w2范围内保持很定，第一层401、第二层402以及第三层403的折射率之间呈阶梯型过渡。

在一个具体的实施方式中，第一层401、第二层402以及第三层403采用掺杂有二氧化锗或二氧化钛或五氧化二磷的二氧化硅材料，通过改变不同层的掺杂浓度实现不同的折射率。

在一个具体的实施方式中，少模掺铒光纤305内传输的所述待放大信号的所有模式之间的有效折射率差均大于10

基于上述描述的掺铒光纤放大器结构设计，根据所需传输的模式数量及对模式有效折射率差的要求，可初步确定上述r1、w1、w2以及n1、n2、n3六个参数的取值范围，进而通过Matlab软件对六个参数在取值范围内进行逐点扫描，可计算出各参数组合下光纤中支持的模式数目及模式有效折射率分布，进而可得出满足需求的环形折射率分布的弱耦合少模光纤的上述基本参数值。确定了上述参数后，通过Matlab软件对铒离子掺杂浓度N1、 N2和N3三个参数在一定范围内进行逐点扫描，设置泵浦条件为单基模LP01模式泵浦，计算得到不同掺杂浓度组合下各模式的增益和差分模式增益，进而可得出满足要求的优化的铒离子掺杂浓度方案。

另外，本申请实施例还提供一种掺铒光纤，该掺铒光纤可以应用在上述提到的掺铒光纤放大器中，上述已经对该掺铒光纤的结构进行了描述，此处不再重复赘述。

本申请实施例还提供一种多级光纤放大器系统，包括至少两个依次设置的，上述提到的掺铒光纤放大器。

以上对本申请实施例所提供的掺铒光纤放大器和掺铒光纤进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。