四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器的制造方法
【专利摘要】本实用新型为四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器，放大器包含顺序连接的第一模式复用模块，第一、第二掺铒光纤和第二模式复用模块。第一掺铒光纤纤芯铒粒子为环形掺杂，第二掺铒光纤纤芯为中心掺杂。四线偏振模信号光和第一泵浦模块产生的LP11模泵浦光经第一模式复用模块注入第一掺铒光纤。泵浦光与信号光合束后，进入第一掺铒光纤，离心模式信号光获得较大光学增益；再进入第二掺铒光纤，中心模式信号光获得较大光学增益；最后滤除剩余泵浦光，输出放大的四线偏振模信号光。本实用新型简化了化学气相沉积法制备掺铒光纤的工艺、只需LP11模泵浦光同时放大四线偏振模信号光，且可分别控制离心模式和中心模式信号光增益。
【专利说明】四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及光通信技术，具体是一种四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器。
【背景技术】
[0002]近年来，单模光纤通信受到光纤固有的非线性与放大器自发辐射等限制，其容量逼近香农极限。为满足未来大容量通信需求，尚未被利用的光纤空间自由度成为当前新的关注焦点。当前模分复用(MDM)被广泛关注，是有可能突破光纤香农极限的重要研宄方向之一。依据信息理论，少模光纤中每一个模式都可作为一个独立的传输信道；若模式的非线性、噪声等传输特性与单模光纤可比拟，则模分复用MDM容量与模式复用数量成正比。当前报道的复用模式最多的MDM为少模光纤前四个最低阶线偏振模，即基模LPtll,高阶模LPn、LP2jP LP Q2模。2013年，美国贝尔实验室报道的四模复用MDM系统实现了高达32b it/s/Hz的频谱传输效率。该实验采用多个普通单模掺铒光纤放大器放大不同模式信号光，由于模式相关增益限制，其最大传输距离仅为177km。具有少模放大功能的高性能在线掺铒光纤放大器仍是实现远距离、实用化MDM系统的重要光子器件之一。研宄结果表明，由不同空间模式场分布差异性产生的放大器模式增益不均衡(即模式相关增益)是影响MDM系统容量提升的关键要素；且当复用线偏振模超过两个后，少模光纤放大器的模式相关增益极难控制。2014年，南安普敦大学学者提出LP21模双向泵浦融合复杂纤芯铒粒子掺杂设计方案，将支持四线偏模信号光放大的掺铒光纤放大器模式相关增益控制在2dB左右。然而，目前支持四线偏振模信号光放大的掺铒光纤放大器模式增益控制方案要求掺铒光纤纤芯具有复杂铒粒子掺杂设计，部分方案还需要同时采用高阶泵浦模式(如1^41模)。这些方案存在的问题是:基于改进化学气相沉积法难以制备如此复杂设计的掺铒光纤；高阶泵浦模式传输不稳定；基于同一掺铒光纤实现四线偏振模信号光增益控制，由于模式增益竞争影响，各模式增益动态可调范围有限，不利于克服MDM传输过程中的模式相关损耗等。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的是设计一种四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器，包括顺序连接的第一模式复用模块、第一掺铒光纤、第二掺铒光纤和第二模式复用模块，第一掺铒光纤的纤芯铒粒子为环形掺杂，第二掺铒光纤纤芯铒粒子为中心掺杂，使离心模式信号光和中心模式信号光可分别在第一掺铒光纤和第二掺铒光纤中获得增益。
[0004]本实用新型设计的一种四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器，包括模式复用模块和掺铒光纤，具体为第一模式复用模块、第一掺铒光纤、第二掺铒光纤和第二模式复用模块顺序连接，第一掺铒光纤的纤芯铒粒子为环形掺杂，掺杂环的内径为2Γι、掺杂环的外径即为掺铒光纤纤芯直径，第二掺铒光纤纤芯铒粒子为中心掺杂，掺杂中心外径为2r2。所述第一掺铒光纤和第二掺铒光纤的纤芯半径均为a = 4.67 μπι?12.8 μπι，Γι= (0.45?
0.75)a,r2= (0.25?0.65)a。所述第一掺铒光纤的长度L 1.0?4.5m，第二掺铒光纤的长度L2= 1.5?6.5mο所述第一掺铒光纤与第二掺铒光纤的数值孔径均为NA = 0.10?
0.20。所述第一掺铒光纤与第二掺铒光纤的纤芯直径相对差异不超过10%。所述第一掺铒光纤与第二掺铒光纤的纤芯折射率相对差异小于5%。
[0005]第一泵浦模块与所述第一模式复用模块连接，第一泵浦模块为前向泵浦模块，其产生LP11模泵浦光。
[0006]所述第一模式复用模块由顺序安装的第一透镜A、双色分光镜A和第二透镜A组成，其中双色分光镜A反射泵浦光，透射四线偏振模信号光，双色分光镜A的镜面与第一透镜A、第二透镜A的轴线成45度角。所述第二模式复用模块由顺序安装的第一透镜B、双色分光镜B和第二透镜B组成，其中的双色分光镜B反射泵浦光，透射四线偏振模信号光，双色分光镜B的镜面与第一透镜B、第二透镜B的轴线垂直。
[0007]所述第一掺铒光纤和第二掺铒光纤之间熔接连续。
[0008]所述掺铒光纤放大器还可有第二泵浦模块与所述第二模式复用模块连接。第二泵浦模块为后向泵浦模块，产生LP11模泵浦光。第二模式复用模块的双色分光镜B的镜面与第一、第二透镜B的轴线成135度角。第二泵浦模块产生的LP11模泵浦光经第二模式复用模块的双色分光镜B向反方向反射、第一透镜B汇聚后进入第二掺铒光纤，对四线偏振模信号光实施放大。
[0009]本实用新型设计的一种四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器的运行时，四线偏振模信号光和LP11模泵浦光输入第一模式复用模块。四线偏振模信号光含有离心模式信号光和中心模式信号光，离心模式信号光即LP11模信号光和LP21模信号光，中心模式信号光即LPtll模信号光和LPtl2模信号光。输入的四线偏振模信号光经所述第一模式复用模块的第一透镜A汇聚，第一泵浦模块输入的!^^模泵浦光被双色分光镜A反射、与汇聚的四线偏振模信号光合束，再经第二透镜A耦合进入第一掺铒光纤。^^模泵浦光在第一掺铒光纤中对四线偏振模信号光进行放大。
[0010]第一掺铒光纤的纤芯铒粒子为环形掺杂，在第一掺铒光纤中离心模式信号光，即LP11模信号光和LP21模信号光，与LP工工模泵浦光、纤芯铒粒子分布空间重叠因子大，因此LP n模信号光和1^21模信号光获得较大光学增益，LP n模信号光和LP 21模信号光在第一掺铒光纤中获得的增益由第一掺铒光纤长度L1和纤芯铒粒子掺杂环的内径2r i决定；而中心模式信号光，即LPtll模信号光和LP %模信号光，在第一掺铒光纤中与LP ^模泵浦光、纤芯铒粒子分布空间重叠因子低，LPtll模和LP %模信号光在第一掺铒光纤获得光学增益小。
[0011]LPtll模和LP %模信号光在第一掺铒光纤中与LP ^模泵浦光、纤芯铒粒子分布的空间重叠因子相对差异小于10%，故LPtll模和LP C12模信号光在第一掺铒光纤获得的光学增益相对差异小于10%。
[0012]经过第一掺铒光纤后，剩余的LP11模泵浦光与得到放大的四线偏振模信号光共同进入第二掺铒光纤。第二掺铒光纤为中心掺杂，在第二掺铒光纤中中心模式信号光，即LPtll模信号光和LPtl2模信号光，与LP ^模泵浦光、纤芯铒粒子分布空间重叠因子大，因此LP Μ模信号光和LPtl2模信号光获得较大光学增益，LP C11模信号光和LP %模信号光在第二掺铒光纤中获得的增益由第二掺铒光纤长度L2和纤芯铒粒子中心掺杂外径2r 2决定；而离心模式信号光，即LP11模信号光和LP 21模信号光，在第二掺铒光纤中与LP ^模泵浦光、纤芯铒粒子分布空间重叠因子极低，所获光学增益极小。
[0013]经过第二掺铒光纤后，放大的四线偏振模信号光和剩余的LP11模泵浦光送入第二模式复用模块，经第一透镜B汇聚、双色分光镜B滤除剩余的^^模泵浦光，再由第二透镜B耦合、输出放大的四线偏振模信号光。
[0014]当掺铒光纤放大器还有第二泵浦模块与所述第二模式复用模块连接时，第二泵浦模块产生^^模泵浦光，经第二模式复用模块输入的LP ^模泵浦光被双色分光镜B向反方向反射、经第二模式复用模块的第一透镜B汇聚后进入第二掺铒光纤，对四线偏振模信号光实施放大。
[0015]与现有技术相比，本实用新型四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器的优点为:
1、利用了不同模式信号光具有不同模场分布特征，巧妙的将纤芯铒粒子分别为环形掺杂和中心掺杂的两段掺铒光纤级联构成四线偏振模信号光放大器，离心模式信号光通过掺铒光纤纤芯铒粒子环形掺杂实现有效放大，中心模式则通过纤芯中心掺杂获得放大；两段简单掺杂的掺铒光纤级联构成四线偏振模掺铒光纤放大器，无需使用多环掺杂和多级浓度掺杂设计的复杂掺铒光纤，化学气相沉积法制备掺铒光纤的工艺可大大简化；2、只需采取低阶模泵浦光即可同时放大四线偏振模信号光，避免了使用传输不稳定的高阶模泵浦光；3、四线偏振模信号光中离心模式信号光和中心模式信号光分别在第一掺铒光纤和第二掺铒光纤中获得增益，只要调整第一、第二掺铒光纤长度和铒粒子掺杂直径，即可方便独立控制两种模式信号光的增益及其模式相关增益；克服了离心模式和中心模式增益竞争对模式增益控制的影响，两种模式信号光的光学增益均具有较大的可调范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器实施例1的结构示意图；
[0017]图2为图1中第一掺铒光纤纤芯铒粒子掺杂分布示意图；
[0018]图3为图1中第二掺铒光纤纤芯铒粒子掺杂分布不意图；
[0019]图4为图1中第一模式复用模块结构示意图；
[0020]图5为图1中第二模式复用模块结构示意图；
[0021]图6为本四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器实施例1线偏振模信号光中各模式信号光的增益与掺铒光纤长度关系示意图；
[0022]图7为本四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器实施例1的四线偏振模信号光的增益及其模式相关增益随^^模泵浦功率变化示意图；
[0023]图8为本四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器实施例2的结构示意图；
[0024]图9为图8中第二模式复用模块结构示意图。
[0025]图中编号为:
[0026]1、第一模式复用模块，11、第一透镜A，12、双色分光镜A，13、第二透镜A，2、第一掺铒光纤，3、第二掺铒光纤，4、第二模式复用模块，41、第一透镜B，42、双色分光镜B，43、第二透镜B，5、第一泵浦模块，6、第二泵浦模块。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本实用新型内容作进一步阐述，但不是对本实用新型的限定。
[0028]实施例1
[0029]本四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器实施例1结构框图如图1所示。第一模式复用模块1、第一掺铒光纤2、第二掺铒光纤3和第二模式复用模块4顺序连接，第一泵浦模块5与所述第一模式复用模块4连接，所述第一掺铒光纤2和第二掺铒光纤3由光纤熔接机接续，熔接损耗忽略不计。
[0030]本例的四线偏振模信号光P为C波段的基模LPtll,高阶模LPn、LP2jP LPtl2信号光，每个模式的信号光经所述第一模式复用模块注入所述第一掺铒光纤2的功率为-lOdBm。
[0031]本例第一泵浦模块5为前向泵浦模块，其产生的泵浦光为LP11模，中心波长为980nm，经所述第一模式复用模块I注入所述第一掺铒光纤2的功率为24.7dBm?27.8dBm。
[0032]本例第一掺铒光纤2和第二掺铒光纤3的纤芯半径a均为9.35 μ m，包层折射率均为1.4505，1550nm处的数值孔径均为0.11。
[0033]本例第一掺铒光纤2纤芯铒粒子为环形掺杂，如图2所示，图中横坐标为纤芯径向r，单位为μ m，纵坐标为掺杂的铒粒子浓度N，单位为m_3。本例掺杂的铒粒子浓度Ntl =^?※^^!!^，掺杂环内径〗!^* 1.4a = 13.09 μ m，第一掺铒光纤2的长度L 3.5m。
[0034]本例第二掺铒光纤3纤芯铒粒子为中心掺杂，如图3所示，图中横坐标为纤芯径向r，单位为μ m，纵坐标为掺杂的铒粒子浓度N，单位为m_3。本例掺杂的铒粒子浓度Ntl =
1.50Χ 1025πΓ3，掺杂中心外径2巧为0.6a = 5.61 μ m，第二掺铒光纤3的长度L工为5.3m。
[0035]本例第一模式复用模块I如图4所不，由顺序安装的第一透镜All、双色分光镜A12和第二透镜A13组成，其中的双色分光镜A12反射980nm泵浦光，透射C波段四线偏振模信号光，双色分光镜A12的镜面与第一透镜Al 1、第二透镜A13的轴线成45度角。
[0036]本例第二模式复用模块4如图5所不，由顺序安装的第一透镜B41、双色分光镜B42和第二透镜B43组成，其中的双色分光镜B42反射980nm泵浦光，透射C波段四线偏振模信号光，双色分光镜B42的镜面与第一透镜B41、第二透镜B43的轴线垂直。
[0037]本例四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器中各模式信号光的增益与掺铒光纤长度关系如图6所示，图中横坐标为第一掺铒光纤2和第二掺铒光纤3的总长度L、单位为米(m)，纵坐标为增益值G、单位为dB，图中实线表示LPtll模信号光在第一掺铒光纤2和第二掺铒光纤3中的增益曲线、短划虚线表示LP11模信号光在第一掺铒光纤2和第二掺铒光纤3中的增益曲线、点虚线表示LP21模信号光在第一掺铒光纤2和第二掺铒光纤3中的增益曲线、点划线表示LPtl2模信号光在第一掺铒光纤2和第二掺铒光纤3中的增益曲线，经26.4dBm的LP11模泵浦功率放大后输出的四线偏振模信号光平均增益达19.ldB，模式相关增益小于2dBo
[0038]本例LP11模泵浦光为不同功率情况下，经放大输出的四线偏振模信号光的平均增益及其模式相关增益如图7所示，图中横坐标为LP11模泵浦光功率、单位为毫瓦(mW)，左侧纵坐标为信号光增益值G、单位为dB，右侧纵坐标为模式相关增益值AG、单位为dB，图中〇的连线表示输出的四种模式信号光平均增益与泵浦光功率的关系曲线，信号光平均增益随泵浦光功率的增加从15.1dB增至21.3dB，图中☆的连线表示模式相关增益与泵浦光功率的关系曲线，泵浦光功率增加时模式相关增益保持在1.86dB?2.50dB之间。
[0039]实施例2
[0040]本四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器实施例2结构框图如图8所示，与实施例I不同之处在于:
[0041](I)存在两个泵浦模块，第一泵浦模块5和第二泵浦模块6。第一泵浦模块5为前向泵浦模块，其产生980nm ^^模泵浦光；第二泵浦模块6为后向泵浦模块，其产生980nm^^模泵浦光；
[0042](2)第二模式复用模块4的结构如图9所示，其中的双色分光镜B42与第一透镜B41、第二透镜B43轴线的角度为135度。
[0043]其它结构与实施例1相同。
[0044]上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器，包括模式复用模块和掺铒光纤，其特征在于:其第一模式复用模块第一掺铒光纤(2^第二掺铒光纤(3)和第二模式复用模块(4)顺序连接；第一掺铒光纤(2)的纤芯铒粒子为环形掺杂，掺杂环的内径为24、掺杂环的外径即为掺铒光纤纤芯直径；第二掺铒光纤(3)纤芯铒粒子为中心掺杂，掺杂中心外径为212；所述第一掺铒光纤⑵和第二掺铒光纤⑶的纤芯半径均为￡1 = 4.67 V III?12.8 V III，(0.45^0.75)1 1-2= (0.25?0.65)3 ；所述第一掺铒光纤⑵的长度。二 1.0?4.5111,第二掺铒光纤(3)的长度1^= 1.5?6.5? ；所述第一掺铒光纤(2)与第二掺铒光纤(3)的数值孔径取值范围为0.10?0.20 ；所述第一掺铒光纤(2)与第二掺铒光纤(3)的纤芯直径相对差异不超过10%；所述第一掺铒光纤(2)与第二掺铒光纤(3)的纤芯折射率相对差异小于5% ； 第一泵浦模块(5)与所述第一模式复用模块(1)连接，第一泵浦模块(5)为前向泵浦模块，其产生…&模泵浦光； 所述第一模式复用模块(1)由顺序安装的第一透镜八(11)、双色分光镜八(12)和第二透镜八(13)组成，其中的双色分光镜八(12)反射泵浦光，透射四线偏振模信号光，双色分光镜八(12)的镜面与第一透镜八(11^第二透镜八(13)的轴线成45度角；所述第二模式复用模块(4)由顺序安装的第一透镜8(41^1^^^^8(42)和第二透镜8(43)组成，其中的双色分光镜8(42)反射泵浦光，透射四线偏振模信号光，双色分光镜8(42)的镜面与第一透镜8 (41^^:^^8(43)的轴线垂直。
2.根据权利要求1所述的四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器，其特征在于: 所述第一掺铒光纤(2)和第二掺铒光纤(3)之间熔接连续。
3.根据权利要求1所述的四线偏振模信号光在线掺铒光纤放大器，其特征在于: 所述掺铒光纤放大器还可有第二泵浦模块(6)与所述第二模式复用模块(4)连接，第二泵浦模块(6)为后向泵浦模块，其产生…&模泵浦光； 所述第二模式复用模块(4)的双色分光镜8(42)的镜面与第一透镜8(41)、第二透镜8(43)的轴线成135度角。
【文档编号】G02F1/39GK204256337SQ201420801557
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】秦祖军, 袁明, 杨凯, 张文涛, 叶松, 王新强, 蒋曲博, 熊显名 申请人:桂林电子科技大学