一种增益差极小的三层芯多层掺铒离子的4模光纤的制作方法

本发明涉及一种增益差极小的三层芯多层掺铒离子4模光纤，属于光纤激光放大器领域。

背景技术：

随着网络数据流量的指数型快速增长，传统单模光纤(smf)传输系统的信息容量已无法满足需求，为进一步提高通信容量，基于模分复用和芯分复用的空分复用系统在最近几年被提出并得到了深入研究。在进行超远距离通讯时，性能高、能耗低的在线光学放大器是必不可少的。在模分复用系统中，由于信号模式的增多，现有的单模光纤放大器已经不再适用。当信息在各个模式上进行独立传输时，较大的模间增益差值(dmg)将会导致信号失真，误码率增加，从而降低系统传输容量并增大系统传输中断概率。因此，在少模光纤放大器中，模式间的增益均衡成为衡量模分复用放大系统的重要指标。

目前实现模式间增益均衡的方法主要有如下3种：调节抽运模式组成、优化光纤中掺杂离子分布以及改进光纤中折射率分布。光纤增益放大器的泵浦方式主要包括芯子泵浦和包层泵浦。其中，调节泵浦模式组成主要用于芯子泵浦，然而，单纯通过泵浦模式的组合难以实现更多信号模式的增益均衡，需要借助于极其复杂的掺杂离子分布结构。在包层泵浦放大器的建模中，可以假设整个掺杂纤芯的泵浦强度分布是均匀的。因此，精细优化少模有源光纤中的离子掺杂分布和改进光纤中的折射率分布对于降低包层泵浦放大器中的dmg至关重要。基于这种实现方法，迄今为止已经提出了具有不同类型折射率分布的增益均衡少模光纤放大器。其中，有基于阶跃折射率分布的4模和6模有源光纤(q.kangetal.minimizingdifferentialmodalgainincladdingpumpedmm-edfasformodedivisionmultiplexingincandlbands,poem’14,paperfth4f.1)。其dmg大约为1db。有基于环形折射率分布的5种空间模式的光纤放大器(y.jungetal.,fewmodering-corefibreamplifierforlowdifferentialmodalgain,2017ecoc,gothenburg,pp.1-3)。其dmg大约也为1db。但是，基于阶跃折射率的少模有源增益光纤优化主要依赖掺杂离子分布的优化，其优化难度较大；而基于环形折射率分布的少模有源增益光纤因为其折射率分布的特殊设计，再加上离子填充分布的优化，其模式增益差比较小，但是光纤内各模式增益幅值上限较低。

技术实现要素：

为了得到极小的模间增益差值，同时能保证较高的模式增益幅值上限，提出一种增益差极小的三层芯多层掺铒离子4模光纤。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种增益差极小的三层芯多层掺铒离子4模光纤，该光纤包括纤芯，沟槽和包层，纤芯位于光纤最中心，包层位于纤芯外部，在包层内距离纤芯较近处为沟槽。其中，纤芯又分为三层，由内到外分别为中心层,环层和外芯层紧密相接，中心层半径为4.025μm，其折射率与包层折射率差为0.01；环层位于4.025-6.225μm，其折射率与包层折射率差为0.0121；外芯层位于6.225-7.75μm，其折射率与包层折射率差为0.0113；沟槽位于8.55-14.75μm，其折射率与包层折射率差为-0.00712；包层半径为62.5μm。离子掺杂主要集中在纤芯区域，将纤芯分三层环进行掺杂，由内到外分别为掺杂内层、掺杂中层和掺杂外层，它们各自的填充区域分别与掺铒离子4模光纤的中心层,环层和外芯层分布区域相同，其掺铒离子浓度比值为1：0.9119：1.3477。各层掺杂离子浓度比值随着各填充层划分半径不同而不同，也可变为两层掺杂，最后得到的模间极小增益差应小于0.1db。

本技术的有益效果具体如下：所述的增益差极小的三层芯多层掺铒离子4模光纤，是采用三层芯多层离子掺杂来实现极小的模间增益差的，这种三层芯沟槽辅助的折射率分布使得该光纤拥有较高的模式折射率差，这样就减弱了模间串扰，降低了加工制作难度。该光纤因为沟槽设计降低了实际应用时的弯曲损耗，使其更加具有应用价值。而且，这种折射率分布有助于降低各模组功率填充因子差值，这样就大大降低了离子掺杂分布优化的难度，更容易实现增益均衡。该光纤在保证较高模式增益幅值的基础上，实现了4模间的模式增益差小于0.00082。

附图说明

图1为三层掺杂离子分布区域与三层芯折射率分布区域一致时的掺铒离子4模光纤示意图。

图2为三层掺杂离子分布区域与三层芯折射率分布区域不一致时的掺铒离子4模光纤示意图。

图3为两层掺杂离子分布的掺铒离子4模光纤示意图。

图4为采用本发明优选参数仿真得到的4模组增益图。

具体实施方式

本发明的将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

下面结合附图对本技术作进一步描述。

实施例一

本实例中，一种增益差极小的三层芯多层掺铒离子4模光纤，如图1所示。该掺铒离子4模光纤包括纤芯1，沟槽2和包层3，纤芯1位于光纤最中心，包层3位于纤芯1外部，在包层3内距离纤芯1较近处为沟槽2。其中，纤芯1又分为三层，由内到外分别为中心层1-1,环层1-2和外芯层1-3紧密相接。其中，4模掺铒光纤的中心层1-1的半径为4.025μm，其折射率与包层3折射率差为0.01；环层1-2位于4.025-6.225μm，其折射率与包层3折射率差为0.0121；外芯层1-3位于6.225-7.75μm，其折射率与包层3折射率差为0.0113；沟槽2位于8.55-14.75μm，其折射率与包层3折射率差为-0.00712；包层3半径为62.5μm。铒离子掺杂在纤芯1区域内，分三层掺杂，它们各自的填充区域分别与三层芯多层掺杂的4模掺铒光纤的中心层1-1、环层1-2和外芯层1-3折射率分布区域相同，其掺杂离子浓度比值为1：0.9119：1.3477，所有符合该浓度比值的离子掺杂浓度均能满足增益均衡，不同之处在于不同的浓度会得到不同的增益幅值。

实施例二

本实例中，一种增益差极小的三层芯多层掺铒离子4模光纤，如图2所示。该4模掺铒光纤包括纤芯1，沟槽2和包层3，纤芯1位于光纤最中心，包层3位于纤芯1外部，在包层3内距离纤芯1较近处为沟槽2。其中，纤芯1又分为三层，由内到外分别为中心层1-1,环层1-2和外芯层1-3紧密相接。其中，4模掺铒光纤的中心层1-1的半径为4.025μm，其折射率与包层3折射率差为0.01；环层1-2位于4.025-6.225μm，其折射率与包层3折射率差为0.0121；外芯层1-3位于6.225-7.75μm，其折射率与包层3折射率差为0.0113；沟槽2位于8.55-14.75μm，其折射率与包层3折射率差为-0.00712；包层3半径为62.5μm。4模掺铒光纤的离子掺杂主要集中在纤芯1区域，将纤芯1分三层环进行掺杂，由内到外分别为掺杂内层51、掺杂中层52和掺杂外层53，此时的掺杂区域为将纤芯1划分为任意的三层，根据不同的划分情况会得到不同的各层掺杂浓度比值。图2中所示的掺杂内层51的掺杂半径小于中心层1-1的半径，掺杂中层52的掺杂半径大于环层1-2的半径小于外芯层1-3的半径，掺杂外层53的掺杂半径等于外芯层1-3的半径。

实施例三

本实例中，一种增益差极小的三层芯多层掺铒离子4模光纤，如图3所示。该4模掺铒光纤包括纤芯1，沟槽2和包层3，纤芯1位于光纤最中心，包层3位于纤芯1外部，在包层3内距离纤芯1较近处为沟槽2。其中，纤芯1又分为三层，由内到外分别为中心层1-1,环层1-2和外芯层1-3紧密相接。其中，4模组增益光纤的中心层1-1的半径为4.025μm，其折射率与包层3折射率差为0.01；环层1-2位于4.025-6.225μm，其折射率与包层3折射率差为0.0121；外芯层1-3位于6.225-7.75μm，其折射率与包层3折射率差为0.0113；沟槽2位于8.55-14.75μm，其折射率与包层3折射率差为-0.00712；包层3半径为62.5μm。4模掺铒光纤的离子掺杂主要集中在纤芯1区域，将纤芯1分两层环进行掺杂，由内到外分别为掺杂内层61和掺杂外层62，此时的掺杂区域为将纤芯1划分为任意的两层，根据不同的划分情况会得到不同的各层掺杂浓度比值。图3中所示的掺杂内层61的掺杂半径小于外芯层1-3的半径，掺杂外层62的掺杂半径等于外芯层1-3的半径。

本发明尚有多种实施方式，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。