CN108899751B - 支持六线偏振模信号光放大的edfa及其模式增益均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种支持六线偏振模信号光放大的EDFA及其模式增益均衡方法，依据少模光纤本征空间模场的电磁特征，设计两段具有简单掺杂结构的掺铒光纤以中心对准方式连续构成放大器的增益介质。两段掺铒光纤的铒粒子掺杂环分别偏向纤芯外侧和内侧，掺杂位置具有空间互补性，使六线偏振模信号光依次经历差别性放大和补偿性放大后实现模式增益均衡。相对于多环式和阶梯式等复杂铒粒子掺杂设计的掺铒光纤，本发明大大简化了掺铒光纤的制备工艺。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种支持六线偏振模信号光放大的EDFA(掺铒光纤放大器)及其模式增益均衡方法。
背景技术
单模光纤通信***中，波分复用(WDM)、偏分复用(PDM)等复用方案融合各种复杂信号调制格式和先进相干检测手段大大增加了信息传输容量。而随着信息传输容量的增加，单模***正逐渐逼近非线性香农极限(Shannon limit)。为了能够突破该极限，以便满足未来超大容量通信需求，基于少模光纤空间自由度的空间模式复用方案(MDM)已成为近年光纤通信领域的前沿方向和热点课题之一。MDM技术以彼此正交的少模光纤特征空间模式作为独立的传输信道。弱导条件下，光纤的特征空间模式用线偏振模表示，即LP模。MDM***实用化的关键之一是开发结构简单、能对所有空分复用线偏振模式信号光均衡放大的全光少模光纤放大器。
目前公开报道的少模光纤放大器主要包含基于受激拉曼散射效应的分布式拉曼放大器和基于稀土离子掺杂的集总式放大器。其中集总式的掺铒光纤放大器(EDFA)具有增益大、结构设计灵活等优势，得到更突出关注。实验和理论研究表明：当MDM复用的空间模式数目超过两个LP模时，由于各个LP模的模场特征差异致使实现所有空分复用LP模的增益均衡异常困难。
2014年，英国学者提出多模泵浦融合复杂的阶梯式铒粒子掺杂结构设计的少模掺铒光纤放大器。仿真结果证明，该放大器使C波段内六个LP模空分复用信号光的差分模式增益(DMG)小于1dB。2016年，贝尔实验室在OFC会议提出一种基于包层泵浦方案的支持六个LP模空分复用信号光放大的掺铒光纤放大器，其DMG值小于2dB。2018年，天津大学的学者提出一种融合包层泵浦技术、特制纤芯折射率分布和双包层结构的少模掺铒光纤放大器，将12个LP模空分复用信号光的DMG值控制在3dB。
事实上，上述三种不同设计方案的少模掺铒光纤放大器均能较好控制空分复用模式的增益均衡，但其缺陷和不足之处也很明显：(1)基于阶梯式铒粒子掺杂设计的掺铒光纤，结构复杂、制备困难，且结构参数制备容限小；(2)包层泵浦方案所需泵浦功率高达数W量级，功耗过高、效率低下；(3)特殊折射率分布的掺铒光纤与传输少模光纤折射率不匹配，不可避免引入由空间模式线性耦合产生的模式串扰。
发明内容
本发明针对现有少模掺铒光纤放大器所存在的问题，提供一种支持六线偏振模信号光放大的EDFA及其模式增益均衡方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
支持六线偏振模信号光放大的EDFA，由光波合束器、第一掺铒光纤、第二掺铒光纤、滤波器和泵浦模块组成；光波合束器的信号光输入端通过少模光纤输入六线偏振模信号光，光波合束器的泵浦光输入端连接泵浦模块的输出端；光波合束器的输出端连接第一掺铒光纤的输入端，第一掺铒光纤的输出端连接第二掺铒光纤的输入端，第二掺铒光纤的输出端连接滤波器的输入端；滤波器的输出端通过少模光纤输出均衡放大后的六线偏振模信号光；其中第一掺铒光纤和第二掺铒光纤的纤芯横截面的铒粒子分布形貌均为单环状、且掺杂位置具有空间互补性；第一掺铒光纤的输出端和第二掺铒光纤的输入端以中心对准方式熔接连续。
上述方案中，第一掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯外侧，第二掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯内侧；或者第二掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯外侧，第一掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯内侧。
上述方案中，铒粒子掺杂环偏向纤芯外侧的掺铒光纤掺杂内径大于等于铒粒子掺杂环偏向纤芯内侧的掺铒光纤掺杂外径。
上述方案中，第一掺铒光纤铒粒子掺杂环的掺杂浓度与第二掺铒光纤铒粒子掺杂环的掺杂浓度不同。
上述方案中，第一掺铒光纤的输入端和第二掺铒光纤的输出端的端面磨成4度至8度斜角。
上述方案中，光波合束器由第一合束光学透镜组、合束光学隔离器、合束光学反射镜、第二合束光学透镜组、合束双色分光镜和第三合束光学透镜组组成；第一合束光学透镜组的输入端形成光波合束器的信号光输入端，第一合束光学透镜组的输出端经由合束光学隔离器连接合束光学反射镜的输入端，合束光学反射镜的输出端连接合束双色分光镜的反射输入端；第二合束光学透镜组的输入端形成光波合束器的泵浦光输入端，第二合束光学透镜组的输出端连接合束双色分光镜的透射输入端；合束双色分光镜的输出端连接第三合束光学透镜组的输入端，第三合束光学透镜组的输出端形成光波合束器的输出端。
上述方案中，滤波器由第一滤波光学透镜组、滤波双色分光镜、滤波光学反射镜、滤波光学隔离器和第二滤波光学透镜组组成；第一滤波光学透镜组的输入端形成滤波器的输入端，第一滤波光学透镜组的输出端连接滤波双色分光镜的输入端；滤波双色分光镜的发射输出端经滤波光学反射镜连接滤波光学隔离器的输入端，滤波光学隔离器的输出端连接第二滤波光学透镜组的输入端，第二滤波光学透镜组的输出端形成滤波器的输出端。
上述支持六线偏振模信号光放大的EDFA的模式增益均衡方法，其其他包括如下步骤：
步骤1、外部输入的六线偏振模信号光和泵浦模块产生的泵浦光经光波合束器合束后，送入到第一掺铒光纤；
步骤2、在第一掺铒光纤中，依据纤芯横截面铒粒子掺杂区内泵浦光与信号光的空间模场重叠度差异，泵浦光对六线偏振模信号光进行差别性光学放大后，送入到第二掺铒光纤；
步骤3、基于第二掺铒光纤和第一掺铒光纤纤芯横截面内的铒粒子分布具有空间互补性，在第二掺铒光纤中，依据泵浦光与信号光在铒粒子掺杂区的空间模场重叠度差异，剩余的泵浦光对第一掺铒光纤送入的差别性放大后的六线偏振模信号光进行补偿性放大，实现放大器模式增益均衡；
步骤4、均衡放大后的六线偏振模信号光和残余的泵浦光经第二掺铒光纤出射后送入滤波器，滤除残余的泵浦光，并将均衡放大后的六线偏振模信号光输入到后续少模光纤进行传输。
上述步骤1中，六线偏振模信号光经第一合束光学透镜组、合束光学隔离器和合束光学反射镜传输至合束双色分光镜；泵浦模块产生的泵浦光经第二合束光学透镜组传输至合束双色分光镜；合束双色分光镜反射信号光、透射泵浦光，实现对信号光和泵浦光的空间合束；合束后的信号光和泵浦光经第三合束光学透镜组汇聚耦合入第一掺铒光纤。
上述步骤4中，第二掺铒光纤出射的信号光和泵浦光经第一滤波光学透镜组汇聚至滤波双色分光镜；滤波双色分光镜反射信号光、透射泵浦光，残余泵浦光由滤波双色分光镜透射而滤除，信号光则依次经滤波双色分光镜和滤波光学反射镜反射，再经滤波光学隔离器阻断后续杂散反射光后，由第二滤波光学透镜组汇聚耦合入后续少模光纤传输。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、依据少模光纤本征空间模场的电磁特征，设计两段(第一掺铒光纤和第二掺铒光纤)具有简单掺杂结构的掺铒光纤以中心对准方式连续构成放大器的增益介质。两段掺铒光纤的铒粒子掺杂环分别偏向纤芯外侧和内侧，掺杂位置具有空间互补性，使六线偏振模信号光依次经历差别性放大和补偿性放大后实现模式增益均衡。相对于多环式和阶梯式等复杂铒粒子掺杂设计的掺铒光纤，本发明大大简化了掺铒光纤的制备工艺。
2、相对包层泵浦结构的少模掺铒光纤放大器，通常需要数W量级的泵浦功率实现20dB以上模式增益，本发明以低一个数量级的泵浦功率即可使六线偏振模信号光的模式增益达到近20dB，提高了泵浦效率。
3、掺铒光纤的折射率分布与传输少模光纤折射率匹配。相对采用具有特殊折射率分布的掺铒光纤以改变空间模式的模场分布实现模式增益均衡，本发明无需特殊设计掺铒光纤的折射率分布，避免了掺铒光纤与传输少模光纤接续时由空间模式线性耦合引入的模式串扰。
附图说明
图1为支持六线偏振模信号光放大的EDFA结构示意图；
图2为第一掺铒光纤纤芯横截面内铒粒子掺杂分布示意图；黑色区域表示铒粒子掺杂区；R为纤芯半径，R1和R2分别表示第一掺铒光纤铒粒子掺杂环的内径和外径；
图3为第二掺铒光纤纤芯横截面内铒粒子掺杂分布示意图；黑色区域表示铒粒子掺杂区；R为纤芯半径，R3和R4分别表示第二掺铒光纤铒粒子掺杂环的内径和外径；
图4为光波合束器的结构示意图；
图5为滤波器的结构示意图；
图6为六线偏振模信号光在第一、第二掺铒光纤输出端的光学增益；
图7为六线偏振模信号光在C波段内的平均光学增益和差分模式增益。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1，一种支持六线偏振模信号光放大的EDFA，其主要由光波合束器、第一掺铒光纤、第二掺铒光纤、滤波器和泵浦模块组成。光波合束器的信号光输入端通过少模光纤输入六线偏振模信号光S，六线偏振模信号光S的波长位于C波段范围(1535nm-1565nm)，具体为基模LP01模，高阶模LP11模、LP21模、LP02模、LP31模和LP12模，每个模式信号光经所述光波合束器注入所述第一掺铒光纤的功率均为-13dBm。光波合束器的泵浦光输入端连接泵浦模块的输出端，泵浦模块产生的泵浦光P中心波长为980nm，工作模式为LP11模，注入所述第一掺铒光纤的功率为23.98dBm。光波合束器的输出端连接第一掺铒光纤的输入端，第一掺铒光纤的输出端连接第二掺铒光纤的输入端，第二掺铒光纤的输出端连接滤波器的输入端。滤波器的信号光输出端通过少模光纤输出均衡放大后的信号光S。
第一掺铒光纤的输出端和第二掺铒光纤的输入端以中心对准方式熔接连续，第一掺铒光纤的输入端和第二掺铒光纤的输出端的端面磨成4度至8度斜角。第一掺铒光纤和第二掺铒光纤纤芯横截面的铒粒子分布形貌均为单环状、且掺杂位置具有空间互补性。一种互补方式是第一掺铒光纤和第二掺铒光纤的纤芯横截面内铒粒子为环形掺杂，其中第一掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯外侧，第二掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯内侧；此时，第一掺铒光纤的掺杂环内径大于等于第二掺铒光纤的掺杂环的外径。另一种互补方式是第一掺铒光纤和第二掺铒光纤的纤芯横截面内铒粒子为环形掺杂，其中第二掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯外侧，第一掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯内侧；此时，第二掺铒光纤的掺杂环内径大于等于第一掺铒光纤的掺杂环的外径。第一掺铒光纤铒粒子掺杂环的掺杂浓度与第二掺铒光纤铒粒子掺杂环的掺杂浓度不同。
在本实施例中，第一掺铒光纤的纤芯横截面内铒粒子为环形掺杂，铒粒子掺杂环偏向纤芯外侧，如图2所示。第二掺铒光纤的纤芯横截面内铒粒子为环形掺杂，铒粒子掺杂环偏向纤芯内侧，如图3所示。第一掺铒光纤和第二掺铒光纤的纤芯半径R均为10μm,包层半径为62.5μm。第一掺铒光纤的长度L1为1.7m，掺杂环的铒粒子掺杂浓度为N1＝1.50×1025m-3，掺杂环内径R1为0.69R即6.9μm，掺杂环外径R2为0.99R＝9.9μm。第二掺铒光纤的长度L2为2.17m，掺杂环的铒粒子掺杂浓度为N2＝1.25×1025m-3，掺杂环内径R3为0.10R即1.0μm，掺杂环外径R4为0.51R＝5.1μm。第一掺铒光纤和第二掺铒光纤的归一化频率V在C波段(1535nm-1565nm)范围内均满足：5.5201<V<7.0156,能支持包含基模LP01模，高阶模LP11模、LP21模、LP02模、LP31模和LP12模信号光的稳定传输。
参见图4，光波合束器由第一合束光学透镜组、合束光学隔离器、合束光学反射镜、第二合束光学透镜组、合束双色分光镜和第三合束光学透镜组组成，如图4所示。第一合束光学透镜组的输入端形成光波合束器的信号光输入端，第一合束光学透镜组的输出端经由合束光学隔离器连接合束光学反射镜的输入端，合束光学反射镜的输出端连接合束双色分光镜的反射输入端。第二合束光学透镜组的输入端形成光波合束器的泵浦光输入端，第二合束光学透镜组的输出端连接合束双色分光镜的透射输入端。合束双色分光镜的输出端连接第三合束光学透镜组的输入端，第三合束光学透镜组的输出端形成光波合束器的输出端。这样第一合束光学透镜组、合束光学隔离器、合束光学反射镜、合束双色分光镜和第三合束光学透镜组构成信号光通道；第二合束光学透镜组、合束双色分光镜和第三合束光学透镜组构成泵浦光通道。所述合束双色分光镜反射信号光，透射泵浦光。
参见图5，滤波器由第一滤波光学透镜组、滤波双色分光镜、滤波光学反射镜、滤波光学隔离器和第二滤波光学透镜组组成，如图5所示。第一滤波光学透镜组的输入端形成滤波器的输入端，第一滤波光学透镜组的输出端连接滤波双色分光镜的输入端。滤波双色分光镜的发射输出端经滤波光学反射镜连接滤波光学隔离器的输入端，滤波光学隔离器的输出端连接第二滤波光学透镜组的输入端，第二滤波光学透镜组的输出端形成滤波器输出端即EDFA的信号光输出端。这样第一滤波光学透镜组、滤波双色分光镜、滤波光学反射镜、滤波光学隔离器和第二滤波光学透镜组构成信号光通道；第一滤波光学透镜组和滤波双色分光镜构成泵浦光通道。所述滤波双色分光镜反射信号光，透射泵浦光。
本发明从少模光纤本征线偏振模式的电磁特征出发，第一、第二掺铒光纤纤芯横截面的铒粒子分布形貌均为单环状、且掺杂位置具有空间互补性；依据纤芯横截面内泵浦光与信号光在铒粒子掺杂区的空间模场重叠度差异，六线偏振模信号光分别在第一、第二掺铒光纤中获得差别性放大和补偿性放大实现模式增益均衡。
一种支持六线偏振模信号光放大的EDFA的模式增益均衡方法，其具体步骤如下：
Ⅰ、少模光纤出射的六线偏振模信号光和泵浦模块产生的泵浦光经光波合束器合束注入第一掺铒光纤。具体地，六线偏振模信号光经第一合束光学透镜组、合束光学隔离器和合束光学反射镜传输至合束双色分光镜；泵浦模块产生的泵浦光经第二合束光学透镜组传输至合束双色分光镜；合束双色分光镜反射信号光、透射泵浦光，实现对信号光和泵浦光的空间合束；合束后的信号光和泵浦光经第三合束光学透镜组汇聚耦合入第一掺铒光纤。
在本实施例中，少模光纤出射的六线偏振模信号光S和泵浦模块产生的LP11模泵浦光P经光波合束器空间合束后耦合入第一掺铒光纤。由基模LP01模、高阶模LP11模、LP21模、LP02模、LP31模和LP12模构成的信号光S经所述光波合束器的信号通道传输，即第一合束光学透镜组、合束光学隔离器、合束光学反射镜、合束双色分光镜和第三合束光学透镜组；泵浦模块产生的LP11模泵浦光P经所述光波合束器的泵浦通道传输，即第二合束光学透镜组、合束双色分光镜和第三合束光学透镜组；所述合束双色分光镜反射信号光、透射泵浦光,由它对信号光S和泵浦光P实施空间合束；合束后的信号光和泵浦光S+P经第三合束光学透镜组汇聚耦合入第一掺铒光纤。
Ⅱ、在第一掺铒光纤中，依据纤芯横截面铒粒子掺杂区内泵浦光与信号光的空间模场重叠度差异，泵浦光对六线偏振模信号光进行差别性光学放大。
信号光在掺铒光纤中所获光学增益大小主要取决于两个因素：其一、LP11模泵浦光和LPm模信号光在纤芯横截面铒粒子掺杂区空间模场的重叠度Гm,其中下标“m”表示信号光的空间模式序数，m＝01,11,21,02,31,12分别表示LP01模，LP11模，LP21模，LP02模，LP31模和LP12模信号光；其二、空间模式之间的模式增益竞争。一般地，模式竞争相对较弱时，空间重叠度Гm越大，LPm模信号光的光学增益斜率越大。LPm模信号光在掺铒光纤中的光学增益斜率为：km＝dGm/dL，其中Gm表示LPm模信号光的光学增益(单位为dB)，L表示光纤长度(单位为m)。
第一掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯外侧。设LPX模和LPY模信号光的空间模场分布分别偏向纤芯外侧和内侧：在铒粒子掺杂区，LPX模信号光与泵浦光的重叠度ГX-1最大，其光学增益斜率kX-1最大；LPY模信号光与泵浦光的重叠度ГY-1最小，其光学增益斜率kY-1最小。其余空间模式与泵浦光的空间重叠度介于ГX-1和ГY-1之间，它们的光学增益斜率介于kX-1和kY-1之间。ГX/Y-1和kX/Y-1中的下标“1”表示第一掺铒光纤。在经长度为L1的第一掺铒光纤差别性光学放大后，LPX模和LPY模信号光的光学增益分别为GX-1和GY-1：
其余线偏振模式的光学增益介于GX-1和GY-1之间。
在本实施例中，依据第一掺铒光纤中纤芯横截面铒粒子掺杂区内泵浦光与信号光的空间模场重叠度差异，LP11模泵浦光中对基模LP01模、高阶模LP11模、LP21模、LP02模、LP31模和LP12模信号光进行差别性光学放大。在本实施例中第一掺铒光纤纤芯横截面内的铒粒子掺杂环偏向纤芯外侧。六线偏振模信号光的差别性光学放大效果以信号光波长为1550nm为例阐释，其余信号光工作波长相似。在第一掺铒光纤的铒粒子掺杂区，LP31模信号光与泵浦光的空间重叠度Г31-1最大，其光学增益斜率k31-1为10.74dB/m；LP21模信号光与泵浦光的重叠度Г21-1次之，其光学增益斜率k21-1为9.56dB/m；LP01模信号光与泵浦光的空间重叠度Г01-1最小，其光学增益斜率k01-1仅为3.74dB/m；LP12模信号光与泵浦光的空间重叠度Г12-1稍大于Г01-1，其光学增益斜率k12-1为4.65dB/m；LP11模、LP02模信号光与泵浦光的空间重叠度靠近，介于Г12-1和Г21-1之间，其光学增益斜率k11-1和k02-1分别为7.17dB/m和7.20dB/m。经L1＝1.7m的第一掺铒光纤差别性放大后，基模LP01模，高阶模LP11模、LP21模、LP02模、LP31模和LP12模信号光的光学增益如图6所示，它们的光学增益G01-1，G11-1，G21-1，G02-1，G31-1和G12-1值分别为6.36dB，12.19dB，16.25dB，12.24dB,18.26dB和7.91dB，平均光学增益为12.2dB，差分模式增益DMG1为：DMG1＝G31-1-G01-1＝11.9dB。
Ⅲ、基于第二掺铒光纤和第一掺铒光纤纤芯横截面内的铒粒子分布具有空间互补性，在第二掺铒光纤中，依据泵浦光与信号光在铒粒子掺杂区的空间模场重叠度差异，剩余的泵浦光对经第一掺铒光纤差别性放大后的六线偏振模信号光进行补偿性放大，实现放大器模式增益均衡。
第一、第二掺铒光纤纤芯横截面的铒粒子分布具有空间互补性：第一掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯外侧，第二掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯内侧。在第二掺铒光纤的铒粒子掺杂区，LPX模信号光与泵浦光的重叠度ГX-2最小，其光学增益斜率kX-2最小；LPY模信号光与泵浦光的重叠度ГY-2最大，其光学增益斜率kY-2最大。ГX/Y-2和kX/Y-2中的下标“2”表示第二掺铒光纤。在经长度为L2的第二掺铒光纤补偿性放大后，LPX模和LPY模信号光的总光学增益分别为GX和GY：
优化设计第一、第二掺铒光纤的长度L1和L2，同时优化设计第一、第二掺铒光纤的铒粒子掺杂环的内、外径调整各线偏振模信号光的光学增益斜率kX-1、kY-1、kX-2和kY-2，将放大器的差分模式增益(DMG)|GX-GY|控制在1dB以下，实现六线偏振模信号光的模式增益均衡。
在本实施例中，进入第二掺铒光纤后，剩余LP11模泵浦光对经步骤II差别性放大后的基模LP01模、高阶模LP11模、LP21模、LP02模、LP31模和LP12模信号光进行补偿性放大，实现放大器模式增益均衡。第二掺铒光纤和第一掺铒光纤纤芯横截面内的铒粒子分布具有空间互补性，以提高在第一掺铒光纤中光学增益斜率小的空间模式的光学增益。补偿放大的依据是泵浦光与信号光在第二掺铒光纤铒粒子掺杂区的空间模场重叠度差异。第一掺铒光纤纤芯横截面内的铒粒子掺杂环偏向纤芯外侧，第二掺铒光纤纤芯横截面内的铒粒子掺杂环偏向纤芯内侧。在第二掺铒光纤的铒粒子掺杂区，LP01模信号光与泵浦光具有最大空间重叠度Г01-2，其光学增益斜率k01-2为6.12dB/m；LP12模信号光与泵浦光的空间重叠度Г12-2次之，其光学增益斜率k12-2为5.36dB/m；LP31模信号光与泵浦光的空间重叠度Г31-2最小，其光学增益斜率k31-2仅为0.59dB/m；LP21模信号光与泵浦光的空间重叠度Г21-2大于Г31-2，其光学增益斜率k21-2为1.49dB/m；LP11模、LP02模信号光与泵浦光的空间重叠度Г11-2和Г02-2靠近，介于Г21-2和Г12-2之间，其光学增益斜率k11-2和k02-2分别为3.37dB/m和3.46dB/km。
Ⅳ、均衡放大后的六线偏振模信号光和残余的泵浦光经第二掺铒光纤出射后进入滤波器，滤除残余的泵浦光，并将均衡放大后的六线偏振模信号光输入后续少模光纤传输。具体地，第二掺铒光纤出射的信号光和泵浦光经第一滤波光学透镜组汇聚至滤波双色分光镜；滤波双色分光镜反射信号光、透射泵浦光，残余泵浦光由滤波双色分光镜透射而滤除，信号光则依次经滤波双色分光镜和滤波光学反射镜反射，再经滤波光学隔离器阻断后续杂散反射光后，由第二滤波光学透镜组汇聚耦合入后续少模光纤传输。
在本实施例中，经过第二掺铒光纤后，获得均衡放大的六线偏振模信号光S和残余的LP11模泵浦光P进入滤波器；经滤波器滤除残余的泵浦光P，并将六线偏振模信号光S输入后续少模光纤传输。具体地，第二掺铒光纤输出的信号光和泵浦光S+P经第一滤波光学透镜组汇聚至滤波双色分光镜，滤波双色分光镜反射信号光S、透射泵浦光P；残余的泵浦光P由滤波双色分光镜透射而滤除；信号光S则依次经滤波双色分光镜和滤波光学反射镜反射，再经滤波光学隔离器阻断后续杂散反射光后由第二滤波光学透镜组汇聚耦合入少模光纤。
下面对本发明的性能进行举例说明：
基模LP01模、高阶模LP11模、LP21模、LP02模、LP31模和LP12模信号光在长度为1.7m的第一掺铒光纤差别性放大后的光学增益和再经2.17m长的第二掺铒光纤补偿性放大之后的光学增益如图6所示。图6中横坐标为掺铒光纤长度，单位为米m；纵坐标为光学增益，单位为dB；图中符号□表示LP01模信号光的光学增益，符号○为LP11模信号光的光学增益，符号●表示LP21模信号光的光学增益，符号☆表示LP02模信号光的光学增益，符号★表示LP31模信号光的光学增益，符号■表示LP12模信号光的光学增益。在波长为980nm、功率为23.98dBm的LP11模泵浦条件下，基模LP01模，高阶模LP11模、LP21模、LP02模、LP31模和LP12模信号光依次经第一、第二掺铒光纤的差别性放大和补偿性放大之后的总光学增益分别为：
G01＝3.74dB/m×1.7m+6.12dB/m×2.17m＝19.64dB
G11＝7.17dB/m×1.7m+3.37dB/m×2.17m＝19.50dB
G21＝9.56dB/m×1.7m+1.49dB/m×2.17m＝19.49dB
G02＝7.20dB/m×1.7m+3.46dB/m×2.17m＝19.75dB
G31＝10.74dB/m×1.7m+0.59dB/m×2.17m＝19.54dB
G12＝4.65dB/m×1.7m+5.36dB/m×2.17m＝19.53dB
基模LP01模、高阶模LP11模、LP21模、LP02模、LP31模和LP12模信号光的平均增益为：
基模LP01模、高阶模LP11模、LP21模、LP02模、LP31模和LP12模信号光的差分模式增益为：
DMG2＝G02-G21＝19.75-19.49＝0.26dB
经第二掺铒光纤增益补偿放大之后，基模LP01模，高阶模LP11模、LP21模、LP02模、LP31模和LP12模信号光的平均光学增益从12.2dB增加至19.57dB，差分模式增益则从第一掺铒光纤输出的11.9dB降至0.26dB,实现了六线偏振模信号光的模式增益均衡。
C波段范围内，基模LP01模、高阶模LP11模、LP21模、LP02模、LP31模和LP12模信号光在23.98dBm的LP11模980nm泵浦条件下、经1.7m第一掺铒光纤差别性放大和2.17m第二掺铒光纤补偿性放大之后的平均光学增益及其差分模式增益如图7所示。图7中横坐标为波长，单位为nm；左侧纵坐标为六线偏振模信号光的平均光学增益，单位为dB；右侧纵坐标为六线偏振模信号光的差分模式增益，单位为dB；图中符号○表示信号光的平均光学增益与波长的关系曲线，图中符号●表示信号光的差分模式增益与波长的关系曲线。基模LP01模、高阶模LP11模、LP21模、LP02模、LP31模和LP12模信号光的差分模式增益小于1dB时，平均光学增益大于17.5dB，均衡放大带宽大于25nm。
本发明依据纤芯横截面内泵浦光与信号光在铒粒子掺杂区的空间模场重叠度差异，泵浦光在第一掺铒光纤中对六线偏振模信号光差别性放大；再进入第二掺铒光纤，泵浦光对六线偏振模信号光进行补偿性放大，实现模式增益均衡；最后经滤波器滤除残余泵浦光，输出信号光。本发明无需复杂铒粒子掺杂设计和具有特殊折射率分布的掺铒光纤；相对包层泵浦方案，提高了泵浦效率。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (8)
1.支持六线偏振模信号光放大的EDFA，由光波合束器、第一掺铒光纤、第二掺铒光纤、滤波器和泵浦模块组成；光波合束器的信号光输入端通过少模光纤输入六线偏振模信号光，光波合束器的泵浦光输入端连接泵浦模块的输出端；光波合束器的输出端连接第一掺铒光纤的输入端，第一掺铒光纤的输出端连接第二掺铒光纤的输入端，第二掺铒光纤的输出端连接滤波器的输入端；滤波器的输出端通过少模光纤输出均衡放大后的六线偏振模信号光；第一掺铒光纤的输出端和第二掺铒光纤的输入端以中心对准方式熔接连续；其特征是，
第一掺铒光纤和第二掺铒光纤的纤芯横截面的铒粒子分布形貌均为单环状、且掺杂位置具有空间互补性；第一掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯外侧，第二掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯内侧；或第二掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯外侧，第一掺铒光纤的铒粒子掺杂环偏向纤芯内侧；铒粒子掺杂环偏向纤芯外侧的掺铒光纤掺杂内径大于等于铒粒子掺杂环偏向纤芯内侧的掺铒光纤掺杂外径；
依据纤芯横截面内泵浦光与信号光在铒粒子掺杂区的空间模场重叠度差异，六线偏振模信号光分别在第一、第二掺铒光纤中获得差别性放大和补偿性放大；优化设计第一、第二掺铒光纤的长度L1和L2，同时优化设计第一、第二掺铒光纤的铒粒子掺杂环的内、外径调整各线偏振模信号光的光学增益斜率kX-1、kY-1、kX-2和kY-2，将放大器的差分模式增益|GX-GY|控制在1dB以下，实现六线偏振模信号光的模式增益均衡。
2.根据权利要求1所述的支持六线偏振模信号光放大的EDFA，其特征是，第一掺铒光纤铒粒子掺杂环的掺杂浓度与第二掺铒光纤铒粒子掺杂环的掺杂浓度不同。
3.根据权利要求1所述的支持六线偏振模信号光放大的EDFA，其特征是，第一掺铒光纤的输入端和第二掺铒光纤的输出端的端面磨成4度至8度斜角。
4.根据权利要求1所述的支持六线偏振模信号光放大的EDFA，其特征是，光波合束器由第一合束光学透镜组、合束光学隔离器、合束光学反射镜、第二合束光学透镜组、合束双色分光镜和第三合束光学透镜组组成；
第一合束光学透镜组的输入端形成光波合束器的信号光输入端，第一合束光学透镜组的输出端经由合束光学隔离器连接合束光学反射镜的输入端，合束光学反射镜的输出端连接合束双色分光镜的反射输入端；第二合束光学透镜组的输入端形成光波合束器的泵浦光输入端，第二合束光学透镜组的输出端连接合束双色分光镜的透射输入端；合束双色分光镜的输出端连接第三合束光学透镜组的输入端，第三合束光学透镜组的输出端形成光波合束器的输出端。
5.根据权利要求1所述的支持六线偏振模信号光放大的EDFA，其特征是，滤波器由第一滤波光学透镜组、滤波双色分光镜、滤波光学反射镜、滤波光学隔离器和第二滤波光学透镜组组成；
第一滤波光学透镜组的输入端形成滤波器的输入端，第一滤波光学透镜组的输出端连接滤波双色分光镜的输入端；滤波双色分光镜的发射输出端经滤波光学反射镜连接滤波光学隔离器的输入端，滤波光学隔离器的输出端连接第二滤波光学透镜组的输入端，第二滤波光学透镜组的输出端形成滤波器的输出端。
6.权利要求1所述支持六线偏振模信号光放大的EDFA的模式增益均衡方法，其特征是，其他包括步骤如下：
步骤1、外部输入的六线偏振模信号光和泵浦模块产生的泵浦光经光波合束器合束后，送入到第一掺铒光纤；
步骤2、在第一掺铒光纤中，依据纤芯横截面铒粒子掺杂区内泵浦光与信号光的空间模场重叠度差异，泵浦光对六线偏振模信号光进行差别性光学放大后，送入到第二掺铒光纤；
步骤3、基于第二掺铒光纤和第一掺铒光纤纤芯横截面内的铒粒子分布具有空间互补性，在第二掺铒光纤中，依据泵浦光与信号光在铒粒子掺杂区的空间模场重叠度差异，剩余的泵浦光对第一掺铒光纤送入的差别性放大后的六线偏振模信号光进行补偿性放大，实现放大器模式增益均衡；
步骤4、均衡放大后的六线偏振模信号光和残余的泵浦光经第二掺铒光纤出射后送入滤波器，滤除残余的泵浦光，并将均衡放大后的六线偏振模信号光输入到后续少模光纤进行传输。
7.根据权利要求6所述支持六线偏振模信号光放大的EDFA的模式增益均衡方法，其特征是，步骤1中，六线偏振模信号光经第一合束光学透镜组、合束光学隔离器和合束光学反射镜传输至合束双色分光镜；泵浦模块产生的泵浦光经第二合束光学透镜组传输至合束双色分光镜；合束双色分光镜反射信号光、透射泵浦光，实现对信号光和泵浦光的空间合束；合束后的信号光和泵浦光经第三合束光学透镜组汇聚耦合入第一掺铒光纤。
8.根据权利要求6所述支持六线偏振模信号光放大的EDFA的模式增益均衡方法，其特征是，步骤4中，第二掺铒光纤出射的信号光和泵浦光经第一滤波光学透镜组汇聚至滤波双色分光镜；滤波双色分光镜反射信号光、透射泵浦光，残余泵浦光由滤波双色分光镜透射而滤除，信号光则依次经滤波双色分光镜和滤波光学反射镜反射，再经滤波光学隔离器阻断后续杂散反射光后，由第二滤波光学透镜组汇聚耦合入后续少模光纤传输。
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| GR01 | Patent grant | ||
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