CN104865637B - 一种受激布里渊散射效应增强型光纤 - Google Patents

一种受激布里渊散射效应增强型光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种受激布里渊散射效应增强型光纤，包括纤芯和围绕纤芯的包层；其中，光纤的纤芯半径a为1μm～7μm，光纤纤芯掺杂为GeO2、P2O和Al2O3中的一种；包层掺杂物质为F；纤芯与包层之间的折射率差Δn与纤芯半径a之间的关系为：0＜a2Δn≤0120μm2；纤芯与包层之间的声速率差ΔVl与纤芯半径a之间的关系为：0＜a2ΔVl≤225μm2·m/s，以在光纤中同时稳定的激励产生单光模和单声模束缚；在光纤纤芯与包层中不同掺杂可获得声光场的共同激励，在光纤里耦合形成单个布里渊增益峰；本发明提供的光纤其增益谱的增益峰位置具有较高的增益系数，而且布里渊增益谱的半高全宽较窄，约10MHz；且在增强受激布里渊散射效应的同时还能增加光纤的色散参数绝对值，在常用的工作波长窗口1.55μm附近有效地抑制了四波混频效应。

Description

一种受激布里渊散射效应增强型光纤
技术领域
本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种受激布里渊散射效应增强型光纤。
背景技术
光纤中受激布里渊散射的增益谱带宽非常窄(10MHz左右)，利用这一窄带宽增益谱特性，可用来构建高Q参数的有源光学滤波器，以提取被测信号的特定波长成分，在超高分辨率光谱分析、微波光子滤波等领域有着广泛的用途。在这些领域应用时，滤波器应该具有窄的通带带宽、高的隔离度和单峰值的传输曲线；因此，用以构成具有高Q参数的有源光学滤波器的光纤，应该具有布里渊增益谱的窄带宽、高增益系数和单个增益峰等特点。
期刊文献(Koyamada Y,Sato S,Nakamura S,et al.Simulating and designingBrillouin gain spectrum in single-mode fibers[J].Journal of LightwaveTechnology,2004,22(2):631.)，公开了纤芯掺GeO2包层为纯石英的光纤在波长为1.55μm下的布里渊增益谱，该文献提到的单模光纤测量有多个布里渊增益峰。
申请号为CN 101174002 B的专利文件中公开了一种非线性光纤，通过减小光纤中光场有效面积，使得光纤中的非线性常数增加，使得自相位调制、交叉相位调制和四波混频等非线性效应得到增强；但对布里渊散射益谱而言，该专利文件公开的光纤并不能满足前述高Q参数有源光学滤波器应用的性能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种受激布里渊散射效应增强型光纤，其目的在于对纤芯和包层采用不同种类掺杂激励出单声模和单光模，通过声光模之间的耦合产生具有单个增益峰的布里渊增益谱，以满足光纤对于构建高Q参数有源光学滤波器的要求。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种受激布里渊散射效应增强型光纤，带宽为10MHz，包括纤芯和围绕纤芯的包层；
其中，光纤的纤芯半径a为1μm～7μm；其中，光纤纤芯掺杂为GeO2、P2O5和Al2O3中的一种；包层掺杂F；
为获得单光模和单声模的高效耦合，调节光纤掺杂材料和浓度，使得纤芯折射率与包层折射率之差Δn以及纤芯半径a之间的关系满足0＜a2Δn≤0.120，纤芯声速率与包层声速率之差ΔVl以及纤芯半径满足0＜a2ΔVl≥225μm2·m/s；以在光纤中同时稳定的激励产生单光模和单声模束缚；在光纤纤芯与包层中不同掺杂可获得声光场的共同激励，在光纤里耦合形成单个布里渊增益峰。
优选地，纤芯半径a为3μm～7μm，纤芯掺杂GeO2，包层掺杂F；纤芯GeO2掺杂浓度满足包层F掺杂浓度ωF满足：
通过纤芯掺杂GeO2，包层掺杂F且将各掺杂浓度约束在上述范围内，获得光纤中单光模和单声模的稳定激励，得到单个增益峰的布里渊增益谱。
优选地，纤芯半径a为1μm～3μm，纤芯掺杂GeO2，包层掺杂F，纤芯GeO2掺杂浓度满足包层F掺杂浓度ωF满足
通过减小光纤纤径，以减小光纤中光场有效面积，提高声光场耦合效率，从而提高光纤中布里渊增益谱在增益峰处的增益系数。
优选地，上述纤芯半径a为1μm～3μm的光纤，其纤芯GeO2掺杂浓度满足关系：纤芯GeO2掺杂浓度在该范围内取值，可增加光纤中声子寿命，减小光纤中布里渊增益谱的带宽。
优选地，光纤包括纤芯、内包层和外包层；内包层包覆纤芯，外包层包覆内包层；
其中，光纤的纤芯半径a为1.5μm～3μm，光纤的内包层外径b与光纤的纤芯半径a之间的关系为b＝(1.6±0.05)a；
其中，光纤纤芯掺杂为GeO2、P2O5和Al2O3中的一种；内包层与外包层掺杂物质相同，为F；
调节光纤纤芯与外包层的掺杂材料和浓度，使得光纤纤芯与外包层折射率满足关系0＜a2Δn≤0.120μm2，光纤纤芯与外包层声速率满足关系0＜a2ΔVl≤225μm2·m/s，以获得单光模和单声模的高效耦合；
调节光纤包层掺杂浓度，使得光纤包层折射率n1与外包层折射率n2之间关系满足0＜n2-n1＜0.007，包层声速率vl1外与纤芯声速率vl之间满足关系0＜a2(vl1-vl)≤225μm2·m/s。
优选地，纤芯半径a为1.5μm～3μm，纤芯掺杂GeO2，内包层和外包层均掺杂F，纤芯GeO2掺杂浓度满足：外包层F掺杂浓度ωF外满足：内包层F掺杂浓度ωF内同时满足ωF内≤ωF外+1.4549和上述具有内包层和外包层的双包层结构光纤，在光纤工作波长窗口处，光纤色散绝对值较大，有效的抑制了光纤中的四波混频效效应，同时避免了过大的折射率差激励出光场高阶模而产生多峰值的布里渊增益谱。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的一种受激布里渊散射效应增强型光纤，通过调整纤芯半径和掺杂参数，使得光纤中的光场和声场激励满足单模条件，通过声光模之间的耦合产生只有单个增益峰的布里渊增益谱，且增益谱具有高的增益系数；
(2)本发明提供的一种受激布里渊散射效应增强型光纤的优选方案里，通过减小光纤纤芯半径以获得较小的光场有效面积，达到声光场高效耦合的效果，显著地提高光纤布里渊增益系数，并且将增益谱带宽维持在20MHz以内；
(3)本发明提供的一种受激布里渊散射效应增强型光纤的优选方案里，提供了具有内包层和外包层的双包层结构的光纤，通过调节其内包层的掺杂浓度，改变光纤波导色散，从而改变光纤整体色散，使得光纤工作波长窗口处的色散值绝对值较大，有效地抑制光纤中的四波混频效应；以抑制光纤中的四波混频效应对滤波器应用带来的被测信号的失真影响。
附图说明
图1是光纤中各参数之间的关系示意图；
图2是普通单模光纤中布里渊增益谱仿真曲线图；
图3是实施例1提供的双掺杂光纤中布里渊增益谱仿真曲线图；
图4是不同纤径下光纤的带宽、增益系数、布里渊频率对比图；
图5是不同类型光纤在1.55μm波长的色散曲线以及零色散波长；
图6是实施例26和实施例27提供的双包层光纤布里渊增益谱仿真图；
图7是本发明提供的光纤的纤层折射率剖面结构图；
图8是本发明提供的光纤的纤层声速率剖面结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1所示是光纤中材料和结构参数与受激布里渊色散增益谱特性之间的关系示意图。光纤中布里渊增益谱的带宽、增益系数以及峰值个数受光纤中声子寿命、声光场耦合效率以及激励的声光场模式数目的影响，而声子寿命、声光场耦合效率以及激励的声光场模式数目又由光纤掺杂材料与浓度、纤芯半径、包层结构等决定；以下通过具体实施例来进一步阐述。
实施例1，
实施例1提供的光纤包括纤芯和围绕纤芯的包层；
其中，纤芯半径a为3μm，纤芯掺杂Ge浓度为1.646％，纤芯折射率为1.4616；包层掺杂F浓度为0.335％，包层折射率为1.4551；
上述光纤掺杂浓度与纤芯半径使得该光纤中只存在一种形式的光场，光场参数a2Δn为0.036μm2；对应于唯一一个βacoust；其中，βacoust为声波矢光纤轴线方向的分量；
实施例1提供的光纤，因光纤掺杂效果，使得其纤芯与包层的声速率差为ΔVl为16.6m/s；因此a2ΔVl＝149.6μm2·m/s，与普通单模光纤相比，a2ΔVl小了一个数量级，为单声模光纤；单光模和单声模的相互耦合，使得光纤中的布里渊增益谱为单峰值；布里渊频移为11.06GHz，布里渊增益谱半高全宽为11.5MHz；
图2所示是普通单模光纤的布里渊增益谱仿真曲线图。图3所示是实施例1提供的双掺杂光纤的布里渊增益谱仿真曲线图。比较图3与图2可以看出，实施例1提供的单模光纤中只有一个布里渊增益谱峰值。
表1列出了实施例1～实施例13提供的光纤的参数。表1中的*符号代表布里渊增益峰有两个，但其次峰增益系数远小于主峰，可以忽略；具体如下：
表1实施例1～实施例13提供的光纤的参数
从表1提供的数据分析得出，实施例1～实施例13提供的光纤，均能同时且稳定地激励出单光模和单声模，单光模和单声模耦合之后形成单一增益峰的布里渊增益谱；实施例2提供的光纤，虽然布里渊增益峰有两个，但其次峰增益系数远小于主峰，次峰对增益谱的影响可以忽略，视作具体单一增益峰。
实施例14，
实施例14提供的光纤包括纤芯和围绕纤芯的包层；
其中，纤芯半径a为2μm，纤芯掺杂Ge浓度为3.704％，折射率为1.4634；包层掺杂F浓度为0.748％，折射率为1.4544；光场为单模特性，参数a2Δn为0.0364μm2，对应于唯一一个βacoust；光纤掺杂效果使得其纤芯与包层的声速率差为ΔVl为38.4m/s，得到a2ΔVl＝153.6μm2·m/s；
与实施例1提供的光纤相比，实施例14提供的光纤，其纤芯与包层之间的声速差ΔVl比实施例1的光纤提高了约3倍，但是光纤纤芯半径减小为实施例1中纤芯半径的2/3；实施例14提供的光纤的声场归一化参数a2ΔVl基本维持不变，表现为单声模特性；
根据仿真结果，实施例14提供的光纤的布里渊频移为10.91GHz，半高全宽为13.0MHz；设定实施例1提供的纤芯半径为3μm的光纤增益系数最大值为1，则实施例14提供的纤芯半径为2μm的光纤增益系数为2.1689；实施例14的光纤布里渊增益系数有明显的提高，该光纤在用作有源光学滤波器时具有较高的隔离度。
实施例15，
实施例15提供的光纤包括纤芯和围绕纤芯的包层；
其中，纤芯半径a为1.5μm，纤芯掺杂Ge浓度为6.584％，折射率为1.4676；包层掺杂F浓度为1.330％，折射率为1.4516；参数a2Δn为0.036μm2，对应于唯一一个光纤掺杂效果使得其纤芯包层的声速率差与纤芯半径之间的参数a2ΔVl＝153.7μm2·m/s；
与实施例1和实施例14相比，实施例15提供的光纤，纤芯半径减小，而纤芯与包层之间的声速差进一步增大；实施例15提供的光纤的声速率差约为实施例1中的7倍，而声场归一化参数a2ΔVl基本不变，故声场也为单模特性；布里渊增益谱为单峰，布里渊频移为10.67GHz，半高全宽为15.0MHz；设定实施例1提供的纤芯半径为3μm的光纤增益系数最大值为1，则实施例15提供的纤芯半径为1.5μm的光纤增益系数为3.8472，对比分析出，实施例15的光纤布里渊增益系数比实施例14的更大，该光纤运用于有源光学滤波器时，隔离度进一步提高。
如图4所示是实施例1、实施例14和实施例15中光纤的带宽、增益系数、布里渊频率对比图，从图中可以看出，随着光纤芯径减小，光纤增益系数显著提高，布里渊频率减小，但布里渊增益谱的带宽增大；
而另一方面，由于纤芯GeO2的掺杂浓度提高，使得光纤中声子寿命减小，而光纤的布里渊增益谱半高全宽与声子寿命相关，光纤布里渊增益谱带宽随着纤芯GeO2的掺杂浓度提高而增大，故在减小芯径的同时需折中考虑增益系数和带宽；带宽在10MHz～15MHz，光纤的布里渊增益谱增益系数与带宽达到平衡；
表2列出了实施例14～实施例25提供的光纤的参数，其中布里渊增益系数以实施例1为基准，具体如下：
表2实施例14～实施例25提供的光纤的参数
从表2分析，布里渊增益系数随着纤芯半径的减小而逐渐增加；随着纤芯半径的减小以及掺杂浓度的提高，光纤中声子寿命减小，增益谱带宽增加；通过表2数据对比分析得知，在纤芯半径相近的情况下，减小纤芯掺杂浓度，能够有效地减小光纤布里渊增益谱带宽。
调节光纤结构和掺杂浓度在实现对布里渊增益系数增强的同时，有可能导致四波混频效应增强。而在实际运用中，当光信号具有多个周期且间隔较小时，四波混频效应直接影响到有源光学滤波器的使用效果和信号测量与处理的准确性。
对于实施例14提供的纤芯半径为2μm的双掺杂光纤，在波长为1.5625μm处其色散值为零，色散值为在1.1μm到1.7μm的波段中，在波长为1.1μm处色散绝对值最大，约-38ps/km/nm；特别地，该光纤的波导色散在1.57μm处达到负色散最大值，约-26ps/km/nm，负色散最小值在1.1μm处，约-16.7ps/km/nm；
工作波长在1.55μm附近的光纤能够有效的激励产生单峰布里渊增益谱，但由于1.55μm处的色散为-0.78728ps/km/nm，容易产生四波混频效应；因此该光纤在有源光学滤波器应用中，可能因四波混频给信号的测量和处理带来失真；采用双包层结构来可有效消除四波混频效应带来的失真影响。
实施例26，
实施例26提供的光纤包括纤芯、包覆纤芯的内包层和包覆内包层的外包层；
其中，纤芯半径a为2μm，包层外径b为3.3μm，外包层外径为90μm；纤芯掺杂Ge浓度为4.1152％，折射率为1.464；包层掺杂F浓度为0.83136％，折射率为1.454；外包层掺杂F浓度为0.62352％，折射率为1.455；
实施例26提供的光纤，其布里渊增益谱为多峰值，主峰频率为10.87GHz，次峰频率为10.96GHz，其中次峰比主峰的增益小了两个数量级；
实施例26提供的光纤，其色散零点处波长约1.61μm，相对于实施例14提供的纤芯为2μm的双掺杂光纤而言，其色散零点处向长波长方向移动；在1.1μm到1.7μm的波段中，在波长为1.1μm处色散绝对值最大，约-40ps/km/nm；
实施例26提供的光纤的波导色散在1.53μm处达到负色散最大值，约-30ps/km/nm，在1.1μm处达到负色散最小值，约-19ps/km/nm；在工作波长为1.55μm处，该光纤的色散为-4.34198ps/km/nm；
由上述对实施例26的光纤的色散参数分析可知,双包层结构使得光纤波导色散的负色散值变大，光纤的零色散点向长波长方向移动，光纤的零色散点漂移至工作波段以外；但与实施例14相比，光纤的单声模特性变为多声模，布里渊增益谱变为双峰特性。
实施例27，
实施例27提供的光纤包括纤芯、包覆纤芯的包层和包覆包层的外包层；
其中，光纤纤芯半径a为2μm，包层外径b为3.3μm；其中，纤芯掺杂Ge浓度为4.1152％，折射率为1.464；包层掺杂F浓度为1.0392％，折射率为1.453，外包层掺杂F浓度为0.62352％，折射率为1.455；
实施例27提供的光纤，其布里渊频率为10.86GHz；其色散零点处波长约为1.64μm，相比于实施例26，其色散零点进一步向长波长移动；在1.1μm到1.7μm的波段中，色散绝对值最大处出现在1.1μm波段处，该处色散绝对值约-43ps/km/nm；
其波导色散负色散值在波长1.51μm处达到最大，约为-35ps/km/nm，在波长1.1μm处，光纤的波导色散负色散值最小值，约为-22ps/km/nm；在工作波长为1.55μm处，该光纤的总色散为-8.10925ps/km/nm；
相对于实施例26，实施例27提供的光纤在工作波长为1.55μm处色散绝对值更大，达到抑制光纤中四波混频效应的效果；与实施例26相比，实施例27没有次峰影响；
图5所示是实施例14、实施例26和实施例27提供的光纤在1.55μm波长的色散曲线以及零色散波长；从图中可以看出，通过将包层分为内包层和外包层的双包层结构，并优化光纤的内包层的掺杂，使得1.55μm波长处的色散绝对值变大了，这对光纤中的四波混频效应形成了抑制效果；另外，光纤中的色散零点值向长波长方向移动了，使得光纤的使用工作波段更广。
如图6为实施例26和实施例27的布里渊增益谱仿真图；从图中可以看出，实施例26的双包层结构破坏了增益谱单峰特性，但通过优化光纤内包层的掺杂浓度，使得布里渊增益谱中的次级峰逐渐减小甚至消失，并且能使得在常见的1.55μm工作波长窗口，光纤色散绝对值更大。
如图7为实施例26和实施例27的纤层折射率剖面结构图，其中r是沿光纤截面径向的距离，a是光纤纤芯半径，b是光纤内包层外径，n是光纤纤芯折射率，n1是光纤内包层折射率，n2是光纤外包层折射率；光纤的纤芯与内包层和外包层之间的折射率保证光纤有且仅有一个光场分布；另外，双包层结构中，靠近纤芯的一个包层使得光纤色散区域能够有效地避免光纤因工作波长处色散较小而带来的其它非线性效应的影响。
如图8为实施例26和实施例27的纤层声速率剖面结构图，其中r是沿光纤截面径向的距离，其中a是光纤纤芯半径，b是光纤的内包层外径，vl是光纤纤芯声速率，vl1是光纤的内包层声速率，vl2是光纤外包层声速率；光纤的纤芯和两个包层之间的声速率关系保证光纤稳定的激励产生单声模，声光模之间的耦合从而产生单个布里渊增益谱。
实施例27提供的光纤，能够完整的激励形成单峰值的布里渊增益谱，具有较高的隔离度，而且增益谱的半高全宽较窄，约10MHz；在布里渊增益谱增强的同时还能增加光纤的色散参数绝对值，在波长1.55μm附近有效的抑制了四波混频效应。
表3列出了实施例28～实施例31提供的光纤的参数，具体如下：
表3实施例28～实施例31提供的光纤的参数
实施例28与实施例29的纤芯半径a均为1.5μm，实施例28只有一个包层，实施例29具有内包层和外包层；实施例30与实施例31的纤芯半径均为3μm，实施例30只有一个包层，实施例31具有内包层和外包层；从数据对比分析可知，双包层可改变光纤的色散，使得光纤在特定波长下能有效地抑制四波混频效应。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种受激布里渊散射效应增强型光纤，其特征在于，包括纤芯和围绕纤芯的包层；
所述纤芯半径a为1μm～7μm；所述光纤纤芯掺杂为GeO2、P2O5和Al2O3中的一种，包层掺杂为F；
所述纤芯折射率与包层折射率之差Δn与纤芯半径a之间的关系为：0＜a2Δn≤0.120μm2，所述纤芯声速率与包层声速率之差ΔVl与纤芯半径a之间的关系为：0＜a2ΔVl≤225μm2·m/s，以在光纤中同时激励产生单光模和单声模束缚，所述单光模和单声模在光纤里耦合形成单个增益峰的布里渊增益谱。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述纤芯半径a为3μm～7μm；所述纤芯掺杂GeO2，包层掺杂F；
所述纤芯GeO2掺杂浓度与纤芯半径a之间的关系为： 所述包层F掺杂浓度ωF与纤芯半径a以及纤芯GeO2掺杂浓度之间的关系为：
3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述纤芯半径a为1μm～3μm；所述纤芯掺杂GeO2，包层掺杂F；
所述纤芯GeO2掺杂浓度与纤芯半径a之间的关系为：所述包层F掺杂浓度ωF与纤芯半径a以及纤芯GeO2掺杂浓度之间的关系为：
4.如权利要求3所述光纤，其特征在于，所述纤芯GeO2掺杂浓度为：
5.如权利要求3所述的光纤，其特征在于，所述包层包括内包层和外包层；所述内包层包覆纤芯，外包层包覆内包层；
所述纤芯半径a为1.5μm～3μm，所述内包层外径b与纤芯半径a之间的关系为：b＝(1.6±0.05)a；
所述纤芯与外包层之间的折射率差Δn与纤芯半径的a之间的关系为：0＜a2Δn≤0.120μm2；纤芯与外包层之间的声速率差ΔVl与纤芯半径a之间的关系为：0＜a2ΔVl≤225μm2·m/s；
所述内包层折射率n1与外包层折射率n2之间的关系为：0＜n2-n1＜0.007；所述内包层声速率vl1与纤芯声速率vl以及纤芯半径a之间的关系为：0＜a2(vl1-vl)≤225μm2·m/s。
6.如权利要求5所述的光纤，其特征在于，所述纤芯掺杂GeO2，内包层与外包层均掺杂F；
所述纤芯GeO2掺杂浓度与纤芯半径a之间的关系为：
外包层F掺杂浓度ωF外与纤芯GeO2掺杂浓度之间的关系为：
所述内包层F掺杂浓度ωF内与外包层掺杂浓度及纤芯GeO2掺杂浓度之间的关系分别为：ωF内≤ωF外+1.4549，
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