一种多参数优化的轨道角动量掺铒光纤

本发明属于光纤通信领域，更具体地，涉及一种多参数优化的轨道角动量掺铒光纤。

背景技术：

随着大数据和5g时代的到来，数据流量需求的增长速度大大超过了现有光通信技术的发展速度，例如基于波长/频率、偏振和时间物理维度的复用技术，以及不同的先进高级调制格式技术等。为了解决这一问题，基于空间物理维度的空分复用技术(sdm)作为一种有前景的技术，近年来被广泛用于解决现有光通信技术的容量极限瓶颈。作为空分复用技术的一个重要分支，轨道角动量模式复用技术(oam-dm)为有效提高光通信传输容量和频谱效率提供了全新的思路。基于轨道角动量模式复用技术的光通信目前在自由空间、水下和光纤中都得到了应用。特别地，光纤轨道角动量模式复用技术近些年发展迅速，基于传统多模光纤、少模光纤、空气芯环形光纤、弱导环形光纤等的轨道角动量模式复用通信均有研究报道，其中，传统多模光纤支持上百个轨道角动量模式，包括径向高阶模式，强模式耦合和模式色散易引起串扰和失真，虽然可以使用多输入多输出数字信号处理技术(mimo-dsp)补偿串扰影响，但随着模式数增多，mimo-dsp复杂度也急剧增加。相比之下，环形光纤因为可以有效抑制径向高阶模，可以一定程度上降低模式间的串扰，同时模式分群且每个模群内轨道角动量模式数恒定，可以有效降低mimo-dsp复杂度。因此，基于弱导环形光纤的轨道角动量模式复用光纤通信获得了更多关注，目前已经实现超过百公里传输。

然而，为了实现超长距离的轨道角动量模式复用光纤通信，类似传统光纤通信技术，需要有中继放大技术来补偿传输链路损耗，这其中就需要可以支持轨道角动量模式的掺铒增益光纤。虽然掺铒光纤在多芯和少模光纤通信系统中研究较多，但在轨道角动量模式复用通信中研究较少。特别地，对于环形光纤结构，甚至多层环形芯结构，涉及非常多的光纤结构参数，比如环形纤芯层数，最内层环形纤芯的内径，每层环形纤芯的宽度，每层环形纤芯的折射率分布，掺铒区域，掺铒浓度等；对于多个轨道角动量模式，也涉及非常多的模式性能参数，比如模式串扰、模式增益、差分模式增益、噪声系数、带宽等。如何设计一个满足应用需求且性能优越的轨道角动量掺铒光纤实际上是一个复杂的多参数优化问题。比如说，针对多通道轨道角动量模式放大，希望可以实现所有轨道角动量模式的平坦增益，这可以通过减小不同轨道角动量模式的场分布和受激铒离子区域面积间的重叠差异来实现，这其实需要综合优化环形掺铒光纤的所有结构参数。鉴于此，根据实际应用需求设计多参数优化的轨道角动量掺铒光纤对于未来实现超长距离轨道角动量模式复用光纤通信至关重要。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种多参数优化的轨道角动量掺铒光纤，旨在解决现有掺铒光纤技术在轨道角动量模式复用光纤通信中存在的问题，特别是解决光纤设计灵活性不足以及光纤结构参数和模式性能参数优化受限的难题。

本发明提供了一种多参数优化的轨道角动量掺铒光纤，包括：环形纤芯区域、掺铒区域、中心区域和包层；所述环形纤芯区域为多层环形纤芯结构；所述包层、环形纤芯区域、中心区域依次从外到内分布，所述掺铒区域包括所述环形纤芯区域的内侧和外侧组成的双层环形掺铒区域；所述轨道角动量掺铒光纤的光纤结构参数通过机器学习实现多参数优化，以获得特定目标的模式性能参数；所述光纤结构参数包括：环形纤芯区域的环形纤芯层数，最内层环形纤芯的内径，每层环形纤芯的宽度，每层环形纤芯的折射率分布，内侧环形掺铒区域的掺铒浓度、内径和宽度，外侧环形掺铒区域的掺铒浓度、外径和宽度；所述模式性能参数包括：模群间串扰、模式增益、差分模式增益、噪声系数、带宽。

优选地，所述环形纤芯区域的环形纤芯层数不小于2层，所述环形纤芯区域最内层环形纤芯的内径为2μm～30μm，所述环形纤芯区域的每层环形纤芯的宽度均不小于1μm。

优选地，所述中心区域和包层的折射率低于所述环形纤芯区域的折射率，所述环形纤芯区域多层环形纤芯与包层的相对折射率差均不大于2％，所述环形纤芯区域多层环形纤芯与中心区域的相对折射率差均不大于2％。

优选地，所述内侧环形掺铒区域的内径位于环形纤芯区域最内层环形纤芯的内径以内的位置，所述外侧环形掺铒区域的外径位于环形纤芯区域最外层环形纤芯的外径以外的位置，所述内侧环形掺铒区域的宽度不小于1μm，所述外侧环形掺铒区域的宽度不小于1μm，所述内侧环形掺铒区域的掺铒浓度不大于1.5×10²⁵m^-3，所述外侧环形掺铒区域的掺铒浓度不大于1.5×10²⁵m^-3，所述外侧环形掺铒区域的掺铒浓度大于所述内侧环形掺铒区域的掺铒浓度。

优选地，所述轨道角动量掺铒光纤支持多通道径向一阶轨道角动量模式且分为不同模群，模群间的有效折射率差均不小于1×10^-3。

优选地，所述轨道角动量掺铒光纤模群间串扰不大于-20db，模式增益不小于15db，模式差分增益不大于1.5db，噪声系数不大于10db，工作波长范围为c波段、l波段或者c+l波段。

优选地，所述轨道角动量掺铒光纤的泵浦方式采用纤芯泵浦或者包层泵浦；采用纤芯泵浦时，泵浦波长下所述轨道角动量掺铒光纤支持的所有模式及其组合均作为泵浦光；采用包层泵浦时，泵浦光为包层泄露模式；所述泵浦光的波长为980nm或者1480nm。

本发明还提供了一种多参数优化的轨道角动量掺铒光纤，包括：多个环形纤芯区域、掺铒区域、中心区域和包层；所述轨道角动量掺铒光纤为多芯轨道角动量掺铒光纤，其包含多个纤芯，对应多个环形纤芯区域，所述环形纤芯区域为多层环形纤芯结构；所述包层、多个环形纤芯区域、中心区域依次从外到内分布，所述掺铒区域包括所述多个环形纤芯区域的内侧和外侧组成的双层环形掺铒区域；所述轨道角动量掺铒光纤的光纤结构参数通过机器学习实现多参数优化，以获得特定目标的模式性能参数；所述多芯轨道角动量掺铒光纤的光纤结构参数包括：纤芯数目、纤芯排布、纤芯与纤芯之间的间距，每个纤芯又包括所述的环形纤芯区域和掺铒区域；所述多芯轨道角动量掺铒光纤的模式性能参数包括：纤芯与纤芯间的模式串扰、每个纤芯中的模群间串扰、模式增益、差分模式增益、噪声系数、带宽。

优选地，所述多个纤芯对应多个环形纤芯区域的个数不小于4，所述每个环形纤芯区域的层数不小于2层，所述每个环形纤芯区域最内层环形纤芯的内径为2μm～30μm，所述每个环形纤芯区域的每层环形纤芯的宽度均不小于1μm；所述每个中心区域和包层的折射率均低于所述每个环形纤芯区域的折射率，所述每个环形纤芯区域的多层环形纤芯与包层的相对折射率差均不大于2％，所述每个环形纤芯区域的多层环形纤芯与中心区域的相对折射率差均不大于2％。

优选地，所述每个双层环形掺铒区域的内侧环形掺铒区域的内径位于每个环形纤芯区域最内层环形纤芯的内径以内的位置，所述每个双层环形掺铒区域的外侧环形掺铒区域的外径位于每个环形纤芯区域最外层环形纤芯的外径以外的位置；所述每个内侧环形掺铒区域的宽度均不小于1μm，所述每个外侧环形掺铒区域的宽度均不小于1μm；所述每个内侧环形掺铒区域的掺铒浓度均不大于1.5×10²⁵m^-3，所述每个外侧环形掺铒区域的掺铒浓度均不大于1.5×10²⁵m^-3，所述每个双层环形掺铒区域的外侧环形掺铒区域的掺铒浓度大于所述内侧环形掺铒区域的掺铒浓度。

本发明提供的多参数优化的轨道角动量掺铒光纤具有如下有益效果：

(1)多参数优化的轨道角动量掺铒光纤采用双层环形掺铒区域设计，考虑不同阶的轨道角动量模式的模场差异，内侧环形掺铒区域的内径位于环形纤芯区域最内层环形纤芯的内径以内的位置，外侧环形掺铒区域的外径位于环形纤芯区域最外层环形纤芯的外径以外的位置，内侧及外侧环形掺铒区域的宽度均不小于1μm，从而降低了不同轨道角动量模式之间的差分模增益，可以实现增益均衡的轨道角动量掺铒光纤。

(2)采用机器学习方法多参数优化的轨道角动量掺铒光纤，相比较于传统参数优化方法设计的轨道角动量掺铒光纤，具有显著改善的设计灵活性，可以根据特定的目标需求设计出所需要的轨道角动量掺铒光纤，是一种应用需求导向的多参数优化的轨道角动量掺铒光纤。

(3)多参数优化的轨道角动量掺铒光纤采用最小尺寸均不小于1μm的多层环形纤芯结构，与现有光纤制作工艺兼容，便于实际拉制，同时为光纤结构设计提供了更多的优化维度参数，这有利于增强的模式性能改进，比如降低轨道角动量掺铒光纤支持的模式群之间的串扰等。

(4)多参数优化的轨道角动量掺铒光纤在c+l波段宽带范围内具有相似的模式特性和增益特性，因此可以与波分复用技术相结合，实现宽带多维融合的超大容量轨道角动量模式复用放大及通信。

附图说明

图1是本发明提供的多参数优化的轨道角动量掺铒光纤的示意图，(a)是横截面示意图，(b)是该结构相应的材料折射率分布图及双层掺铒浓度分布；

图2是训练机器学习模型的流程图；

图3是利用机器学习模型反向设计光纤结构参数的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术手段及功效更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。

本发明解决了轨道角动量掺铒光纤的多参数优化设计难题，包括：现有技术存在的模式串扰大、轨道角动量掺铒光纤模式增益不均衡、光纤结构优化维度低以及多参数设计不准确且耗时。本发明在轨道角动量光纤放大器、激光器和光通信领域具有应用前景，填补了相关技术领域的空白。

具体地，本发明提供了一种多参数优化的轨道角动量掺铒光纤，包括：环形纤芯区域、掺铒区域、中心区域和包层；所述环形纤芯区域为多层环形纤芯结构；所述包层、环形纤芯区域、中心区域依次从外到内分布，所述掺铒区域包括所述环形纤芯区域的内侧和外侧组成的双层环形掺铒区域；所述轨道角动量掺铒光纤的光纤结构参数通过机器学习实现多参数优化，以获得特定目标的模式性能参数；所述光纤结构参数包括：环形纤芯区域的环形纤芯层数，最内层环形纤芯的内径，每层环形纤芯的宽度，每层环形纤芯的折射率分布，内侧环形掺铒区域的掺铒浓度、内径和宽度，外侧环形掺铒区域的掺铒浓度、外径和宽度；所述模式性能参数包括：模群间串扰、模式增益、差分模式增益、噪声系数、带宽。

具体地，所述环形纤芯区域的环形纤芯层数不小于2层，所述环形纤芯区域最内层环形纤芯的内径为2μm～30μm，所述环形纤芯区域的每层环形纤芯的宽度均不小于1μm。

具体地，所述中心区域和包层的折射率低于所述环形纤芯区域的折射率，所述环形纤芯区域多层环形纤芯与包层的相对折射率差均不大于2％，所述环形纤芯区域多层环形纤芯与中心区域的相对折射率差均不大于2％。

具体地，所述内侧环形掺铒区域的内径位于环形纤芯区域最内层环形纤芯的内径以内的位置，所述外侧环形掺铒区域的外径位于环形纤芯区域最外层环形纤芯的外径以外的位置，所述内侧环形掺铒区域的宽度不小于1μm，所述外侧环形掺铒区域的宽度不小于1μm，所述内侧环形掺铒区域的掺铒浓度不大于1.5×10²⁵m^-3，所述外侧环形掺铒区域的掺铒浓度不大于1.5×10²⁵m^-3，所述外侧环形掺铒区域的掺铒浓度大于所述内侧环形掺铒区域的掺铒浓度。

具体地，所述轨道角动量掺铒光纤支持多通道径向一阶轨道角动量模式且分为不同模群，模群间的有效折射率差均不小于1×10^-3。

具体地，所述轨道角动量掺铒光纤模群间串扰不大于-20db，模式增益不小于15db，模式差分增益不大于1.5db，噪声系数不大于10db，工作波长范围为c波段、l波段或者c+l波段。

具体地，所述轨道角动量掺铒光纤的泵浦方式采用纤芯泵浦或者包层泵浦；采用纤芯泵浦时，泵浦波长下所述轨道角动量掺铒光纤支持的所有模式及其组合均作为泵浦光；采用包层泵浦时，泵浦光为包层泄露模式；所述泵浦光的波长为980nm或者1480nm。

本发明提供了一种多参数优化的轨道角动量掺铒光纤，包括：多个环形纤芯区域、掺铒区域、中心区域和包层；所述轨道角动量掺铒光纤为多芯轨道角动量掺铒光纤，其包含多个纤芯，对应多个环形纤芯区域，所述环形纤芯区域为多层环形纤芯结构；所述包层、多个环形纤芯区域、中心区域依次从外到内分布，所述掺铒区域包括所述多个环形纤芯区域的内侧和外侧组成的双层环形掺铒区域；所述轨道角动量掺铒光纤的光纤结构参数通过机器学习实现多参数优化，以获得特定目标的模式性能参数；所述多芯轨道角动量掺铒光纤的光纤结构参数包括：纤芯数目、纤芯排布、纤芯与纤芯之间的间距，每个纤芯又包括所述的环形纤芯区域和掺铒区域；所述多芯轨道角动量掺铒光纤的模式性能参数包括：纤芯与纤芯间的模式串扰、每个纤芯中的模群间串扰、模式增益、差分模式增益、噪声系数、带宽。

具体地，所述多个纤芯对应多个环形纤芯区域的个数不小于4，所述每个环形纤芯区域的层数不小于2层，所述每个环形纤芯区域最内层环形纤芯的内径为2μm～30μm，所述每个环形纤芯区域的每层环形纤芯的宽度均不小于1μm；所述每个中心区域和包层的折射率均低于所述每个环形纤芯区域的折射率，所述每个环形纤芯区域的多层环形纤芯与包层的相对折射率差均不大于2％，所述每个环形纤芯区域的多层环形纤芯与中心区域的相对折射率差均不大于2％。

具体地，所述每个双层环形掺铒区域的内侧环形掺铒区域的内径位于每个环形纤芯区域最内层环形纤芯的内径以内的位置，所述每个双层环形掺铒区域的外侧环形掺铒区域的外径位于每个环形纤芯区域最外层环形纤芯的外径以外的位置；所述每个内侧环形掺铒区域的宽度均不小于1μm，所述每个外侧环形掺铒区域的宽度均不小于1μm；所述每个内侧环形掺铒区域的掺铒浓度均不大于1.5×10²⁵m^-3，所述每个外侧环形掺铒区域的掺铒浓度均不大于1.5×10²⁵m^-3，所述每个双层环形掺铒区域的外侧环形掺铒区域的掺铒浓度大于所述内侧环形掺铒区域的掺铒浓度。

具体地，所述轨道角动量掺铒光纤可以扩展为多芯轨道角动量掺铒光纤，包括：多个环形纤芯区域、掺铒区域、中心区域和包层；所述轨道角动量掺铒光纤为多芯轨道角动量掺铒光纤，其包含多个纤芯，对应多个环形纤芯区域，所述环形纤芯区域为多层环形纤芯结构；所述包层、多个环形纤芯区域、中心区域依次从外到内分布，所述掺铒区域包括所述多个环形纤芯区域的内侧和外侧组成的双层环形掺铒区域；所述轨道角动量掺铒光纤的光纤结构参数通过机器学习实现多参数优化，以获得特定目标的模式性能参数；所述多芯轨道角动量掺铒光纤的光纤结构参数包括：纤芯数目、纤芯排布、纤芯与纤芯之间的间距，每个纤芯又包括所述的环形纤芯区域和掺铒区域；所述多芯轨道角动量掺铒光纤的模式性能参数包括：纤芯与纤芯间的模式串扰、每个纤芯中的模群间串扰、模式增益、差分模式增益、噪声系数、带宽。

具体地，所述多个纤芯对应多个环形纤芯区域的个数不小于4，所述每个环形纤芯区域的层数不小于2层，所述每个环形纤芯区域最内层环形纤芯的内径为2μm～30μm，所述每个环形纤芯区域的每层环形纤芯的宽度均不小于1μm；所述每个中心区域和包层的折射率均低于所述每个环形纤芯区域的折射率，所述每个环形纤芯区域的多层环形纤芯与包层的相对折射率差均不大于2％，所述每个环形纤芯区域的多层环形纤芯与中心区域的相对折射率差均不大于2％。

具体地，所述每个双层环形掺铒区域的内侧环形掺铒区域的内径位于每个环形纤芯区域最内层环形纤芯的内径以内的位置，所述每个双层环形掺铒区域的外侧环形掺铒区域的外径位于每个环形纤芯区域最外层环形纤芯的外径以外的位置；所述每个内侧环形掺铒区域的宽度均不小于1μm，所述每个外侧环形掺铒区域的宽度均不小于1μm；所述每个内侧环形掺铒区域的掺铒浓度均不大于1.5×10²⁵m^-3，所述每个外侧环形掺铒区域的掺铒浓度均不大于1.5×10²⁵m^-3，所述每个双层环形掺铒区域的外侧环形掺铒区域的掺铒浓度大于所述内侧环形掺铒区域的掺铒浓度。

下面结合附图和本发明的具体实施方式进一步阐释本发明是如何实施的。应当理解，本发明不局限于此处所描述的具体实施例。

图1中的(a)是本发明提供的多参数优化的轨道角动量掺铒光纤的横截面示意图，(b)是该结构相应的材料折射率分布及双层掺铒浓度分布图。如图1中的(a)所示，本发明提供的多参数优化的轨道角动量掺铒光纤由包层1、双层环形纤芯区域2、中心区域3和双层环形掺铒区域4四部分组成，最内层环形纤芯的内径在2μm至30μm之间，每层环形纤芯结构的宽度均不小于1μm。环形纤芯区域2采用掺杂二氧化锗的二氧化硅材料，包层1和中心区域3采用掺杂氟的二氧化硅材料。如图1中的(b)所示，多层环形纤芯区域折射率分布均为阶跃型，包层1与中心区域3的折射率可以略有不同，多层环形纤芯区域2与包层1的相对折射率差均不大于2％，多层环形纤芯区域2与中心区域3的相对折射率差均不大于2％，双层环形掺铒区域4不限于环形纤芯以内且外层掺杂浓度略高于内层掺杂浓度。考虑到实际光纤掺铒工艺的限制，掺铒区域的宽度和间隔不宜过小，掺铒浓度不宜过大，图1中的(b)所示双层环形掺铒区域的宽度均不小于1μm，掺铒浓度均不大于1.5×10²⁵m^-3。

本发明提供的多参数优化的轨道角动量掺铒光纤的设计过程中，获得机器学习模型的流程如图2所示。通过数值仿真方法得到一系列光纤结构参数对应的模式性能参数，以光纤结构参数和模式性能参数为数据样本集训练机器学习模型。所述光纤结构参数包括：环形纤芯区域的环形纤芯层数，最内层环形纤芯的内径，每层环形纤芯的宽度，每层环形纤芯的折射率分布，内侧环形掺铒区域的掺铒浓度、内径和宽度，外侧环形掺铒区域的掺铒浓度、外径和宽度。所述模式性能参数包括：模群间串扰、模式增益、差分模式增益、噪声系数、带宽。若所得模型不能满足以上每组光纤结构参数和模式性能参数的映射关系，则调整机器学习模型参数反复训练此模型，直至其满足要求。图3是本发明提供的多参数优化的轨道角动量掺铒光纤设计过程中，利用机器学习模型反向设计光纤结构参数的流程图。首先设置特定目标的模式性能参数作为机器学习模型输入，机器学习模型预测并输出所需的光纤结构参数；利用数值仿真方法验证该光纤结构参数对应的模式性能参数并与特定目标的模式性能参数进行对比，若误差很小满足要求，则完成轨道角动量掺铒光纤的多参数优化过程，若误差较大不满足要求，则将预测所需的光纤结构参数及其验证所得的模式性能参数作为新增的补充样本放入数据样本集，进一步优化机器学习模型。重复上述过程直至验证所得的模式性能参数与特定目标的模式性能参数误差很小满足要求。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。