CN113848607A - 一种基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤 - Google Patents

一种基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤，包括从内至外依次包裹的内芯层、环芯层和包层；所述环芯层掺杂铒离子，所述环芯层分为至少两层且每层铒离子的掺杂浓度均不一致。环芯层具有至少两层不同浓度的掺杂铒离子区域，通过调整环芯层和铒离子掺杂浓度，可以使得该阶跃环芯掺铒光纤在光纤通信C波段下对更多阶数的OAM模式同时放大过程中进行均衡增益。同时，圆环形的环芯层具有不同浓度的铒离子层，进一步使得模式模场分布集中，这样不仅会提高被放大的模式和更高效率的利用激发铒离子，使得各阶模式增益趋于一致。

Description

一种基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤
技术领域
本发明涉及光纤放大器领域，更具体地，涉及一种基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤。
背景技术
现有单模光纤通信技术经过几十年发展，由于非线性效应的限制其容量在100Tbit/s左右。如何进一步的提升通信容量以满足当前飞速增长的信息互连需求，已经成为光纤通信技术研究的核心问题。时分、波分、偏分复用技术与多级正交调制技术使得大容量传输***中单模光纤容量快速接近香农理论极限。空分复用技术(SpaceDivisionMultiplexing,SDM)可为未来光纤容量增长提供新的复用维度。
在空分复用技术中，模分复用(ModeDivisionMultiplexing,MDM)是其中一个广泛研究的方向；近十年来大多是采用少模光纤(FewModeFiber,FMF)进行线性偏振(LinearlyPolarized,LP)模式方式提升光纤通信***容量。轨道角动量(OrbitalAngularMomentum,OAM)模式则是FMF支持的一种新模态，它源于光波的螺旋相位分布，因此带着轨道角动量的光束也称为涡旋光束。OAM是光子的一种准本征属性，存在无限多个本征态以及再理论上可以构造出无穷多维度的Hilbert向量空间。OAM通信研究的核心是把光子轨道角动量这一尚未利用的物理复用维度——电磁波参数维度用于通信，充分利用光子轨道角动量复用大幅度提高通信***的频谱效率和容量。
为了信号传输的距离更长和传输的成本降低，一个高性能的在线光纤放大器给这个问题提供很好的解决方案。在空分复用***中，当每个模式都独立加载信息传输时，每一个模式对应的信号需要得到相同的增益，这样才能避免不同信号较大的增益差所引起的信号失真和接收误判。因此，光放大器的设计需要优化增益(Mode-DependentGain,MDG)之外，还需要对模式增益差(DifferentialModalGain,DMG)进行控制。大多数支持OAM模式的光纤都具有环芯结构，如公开号为“CN112363271A”，公开日为2021年2月12日的中国专利公开的了一种沟槽辅助式双阶跃环芯光纤，但因为环芯面积比较小，很难进行不同阶模式的增益差值的控制。并且对于泵浦方式来说，由于环芯的面积小，对环芯掺铒增益光纤进行高经济效益的包层泵浦时，纤芯吸收效率会比较低。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中不同阶模式的增益差值难以控制的问题，提供一种基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤，使得各阶模式增益趋于一致。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤，包括从内至外依次包裹的内芯层、环芯层和包层；所述环芯层掺杂铒离子，所述环芯层分为至少两层且每层铒离子的掺杂浓度均不一致。
在上述的技术方案中，环芯层与掺杂铒离子的区域重合，在这个掺杂区域内，呈现阶跃分层结构。将环芯层细分为至少两个以上的环层，每个环层之间的铒离子掺杂浓度不一致，通过不同层的铒离子掺杂浓度用于对不同经过轨道角动量-模式进行同时放大和对各阶模式增益进行均衡控制，环芯层可以进一步使得模式模场分布集中。
优选的，所述内芯层掺杂铒离子且折射率低于包层。提升环芯光纤作为增益光纤时的包层泵浦效率。
优选的，所述环芯层的折射率高于所述包层。
优选的，所述内芯层和所述包层的折射率之差为0.94±0.05％；所述环芯层和所述包层的折射率之差为-0.4±0.05％；所述内芯层的半径与所述环芯层的外环半径比例为1:(1.54±0.02)，所述内芯层的半径为3.5μm-7.5μm。内芯层为折射率为负的掺杂区域，能使得光纤支持的模式在芯区分布的更加集中更有效利用激发的铒离子，另一方面方便对不同阶模式的增益差值进行控制和提升包层泵浦效率。
优选的，所述包层为石英材质。
优选的，所述包层为正多边形，可以为正五边形、正六变形或正八变形等等，更优选的，所述包层为正八边形。包层若为圆性，同时和光纤内芯也是同心圆形，包层传输的光线就会螺旋传输，只有少部分光线与纤芯有交集。将包层修正为正多边形，打破外圆和同心圆的光线原有的反射方向，包层光线传输时会与纤芯交集增大，使得泵浦光纤和纤芯交叠区域增加，提升泵浦吸收效率。
优选的，所述包层的外表面涂覆有固化胶层，所述包层与所述固化胶层的折射率之差为-3.74±0.2％；包层的半径为35μm-62.5μm，固化胶层的半径为65μm-80μm。使得环芯掺铒光纤的泵浦方式更灵活，可以采用高效的纤芯泵浦方式也可以选用高经济效益的包层泵浦方式来对光纤进行铒离子激发。
优选的，所述环芯层分为两层，由内至外依次为第一掺杂环层和第二掺杂环层；所述第一掺杂环层与所述第二掺杂环层的铒离子掺杂浓度比为(0.683±0.02):1；所述第一掺杂环层的内环半径、第一掺杂环层的外环半径和第二掺杂环层的外环半径之间的比例为(0.2642±0.02):(0.33±0.02):(0.407±0.02)，第二掺杂环层的外环半径为9μm-11μm。所述环芯层也可以分为三层，由内至外依次为第一掺杂环层、第二掺杂环层和第三掺杂层环；所述第一掺杂环层、所述第二掺杂环层和所述第三掺杂环层的铒离子掺杂浓度比为(0.315±0.02)：(0.1518±0.02)：(0.5357±0.02)；所述第一掺杂环层的内环半径、第一掺杂环层的外环半径、第二掺杂环层的外环半径和第三掺杂环层的外环半径之间的比例为(0.194±0.02)：(0.239±0.02)：(0.269±0.02)：(0.299±0.02)，第三掺杂环层的外环半径为9μm-11μm。通过对环芯层不同掺杂环层的边界和对应浓度的控制，均衡不同阶模式分布和铒离子粒子数反转的区域交叠程度，来实现各阶模式的增益与均衡增益，使得各个模式之间增益差值得到更好的控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：环芯层具有至少两层不同浓度的掺杂铒离子区域，通过调整环芯层和铒离子掺杂浓度，可以使得该阶跃环芯掺铒光纤在光纤通信C波段下对更多阶数的OAM模式同时放大过程中进行均衡增益。同时，圆环形的环芯层具有不同浓度的铒离子层，进一步使得模式模场分布集中，这样不仅会提高被放大的模式和更高效率的利用激发铒离子，使得各阶模式增益趋于一致。
附图说明
图1是本发明的一种基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤的实施例1结构示意图；
图2是本发明的实施例1的环芯层的结构示意图；
图3是本发明的本实施例正八边形的包层纤芯处归一化的能量占比的效果对比图；
图4是本发明的实施例2的环芯层的结构示意图；
图5是本发明实施例2的环芯光纤性能谱线图；
图6是本发明实施例2的C波段下模组间的有效折射率差。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例1
如图1-2所示为一种基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤的实施例，包括从内至外依次包裹的内芯层1、环芯层2和包层3；环芯层2掺杂铒离子，环芯层2分为至少两层且每层铒离子的掺杂浓度均不一致。
在本实施例中，环芯层2分为两层，由内至外依次为第一掺杂环层201和第二掺杂环层202；第一掺杂环层201与第二掺杂环层202的铒离子掺杂浓度比为(0.683±0.02):1；第一掺杂环层201的内环半径r5、第一掺杂环层201的外环半径r6和第二掺杂环层202的外环半径r7之间的比例为(0.2642±0.02):(0.33±0.02):(0.407±0.02)，第二掺杂环层202的外环半径为9μm-11μm。通过对环芯层2不同掺杂环层的边界和对应浓度的控制，能实现各阶模式的增益与均衡增益，使得各个模式之间增益差值得到更好的控制。
其中，内芯层1掺杂铒离子且折射率低于包层3。提升环芯光纤作为增益光纤时的包层3泵浦效率。环芯层2的折射率高于包层3。
具体的，内芯层1和包层3的折射率之差为0.94±0.05％；环芯层2和包层3的折射率之差为-0.4±0.05％；内芯层1的半径r1与环芯层2的外环半径r2比例为1:(1.54±0.02)，内芯层1的半径r1为3.5μm-7.5μm。内芯层1为折射率为负的掺杂区域，能使得光纤支持的模式在芯区分布的更加集中更有效利用激发的铒离子，另一方面方便对不同阶模式的增益差值进行控制和提升包层3泵浦效率。
在本实施例中，包层3为石英材质。包层3为正八边形。包层3若为圆性，同时和光纤内芯也是同心圆形，包层3传输的光线就会螺旋传输，只有少部分光线与纤芯有交集。将包层3修正为正多边形，打破外圆和同心圆的光线原有的反射方向，包层3光线传输时会与纤芯交集增大，使得泵浦光纤和纤芯交叠区域增加，提升泵浦吸收效率，效果对比如图3所示。
另外的，包层3的外表面涂覆有固化胶层4，包层3与固化胶层4的折射率之差为-3.74±0.2％；包层3的半径r3为35μm-62.5μm，固化胶层4r4的半径为65μm-80μm。使得环芯掺铒光纤的泵浦方式更灵活，可以采用高效的纤芯泵浦方式也可以选用高经济效益的包层3泵浦方式来对光纤进行铒离子激发。
本实施例的工作原理或工作流程：环芯层2与掺杂铒离子的区域重合，在这个掺杂区域内，呈现阶跃分层结构。将环芯层2细分为至少两个以上的环层，每个环层之间的铒离子掺杂浓度不一致，通过不同层的铒离子掺杂浓度用于对不同经过轨道角动量-模式进行同时放大和对各阶模式增益进行均衡控制，环芯层2可以进一步使得模式模场分布集中。
本实施例的有益效果：环芯层2具有至少两层不同浓度的掺杂铒离子区域，通过调整环芯层2和铒离子掺杂浓度，可以使得该阶跃环芯掺铒光纤在光纤通信C波段下对更多阶数的OAM模式同时放大过程中进行均衡增益。同时，圆环形的环芯层2具有不同浓度的铒离子层，进一步使得模式模场分布集中，这样不仅会提高被放大的模式和更高效率的利用激发铒离子，使得各阶模式增益趋于一致。
实施例2
一种基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤的实施例2，如图4所示，与实施例1的区别在于，环芯层2也可以分为三层，由内至外依次为第一掺杂环层201、第二掺杂环层202和第三掺杂层环；第一掺杂环层201、第二掺杂环层202和第三掺杂环层203的铒离子掺杂浓度比为(0.315±0.02)：(0.1518±0.02)：(0.5357±0.02)；第一掺杂环层201的内环半径r5、第一掺杂环层201的外环半径r6、第二掺杂环层202的外环半径r7和第三掺杂环层203的外环半径r8之间的比例为(0.194±0.02)：(0.239±0.02)：(0.269±0.02)：(0.299±0.02)，第三掺杂环层203的外环半径为9μm-11μm。
具体的，本实施例中的r1＝r5＝6.5μm，r2＝r8＝10μm，r3＝35μm，r4＝65μm，r6＝8μm，r7＝9μm；内芯层1和包层3的折射率之差为0.94％,环芯层2和包层3的折射率之差为-0.35％，包层3与固化胶层4的折射率之差为＝-3.74％时，如图5所示，三层掺杂阶跃环芯掺铒光纤OAM模组间最小的Δneff>1e-4，这就表明OAM模式能在此次发明光纤中稳定传输放大。同时铒离子的掺杂浓度各层比值为：nt1:nt2:nt3＝0.315:0.1518:0.5357，在980nm的泵浦采用前向泵浦方式纤芯泵浦/包层3泵浦下可以对OAM模式，其中|L|＝1，2，3，4。得到很好的模式增益均衡效果。如6所示，在C波段内频谱增益差值<0.2dB，增益大于20dB。
本实施例的其余技术特征和工作原理与实施例1一致。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤，其特征在于，包括从内至外依次包裹的内芯层(1)、环芯层(2)和包层(3)；所述环芯层(2)掺杂铒离子，所述环芯层(2)分为至少两层且每层铒离子的掺杂浓度均不一致。
2.根据权利要求1所述的基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤，其特征在于，所述内芯层(1)掺杂铒离子且折射率低于包层(3)。
3.根据权利要求2所述的基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤，其特征在于，所述环芯层(2)的折射率高于所述包层(3)。
4.根据权利要求3所述的基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤，其特征在于，所述内芯层(1)和所述包层(3)的折射率之差为0.94±0.05％；所述环芯层(2)和所述包层(3)的折射率之差为-0.4±0.05％；所述内芯层(1)的半径与所述环芯层(2)的外环半径比例为1:(1.54±0.02)，所述内芯层(1)的半径为3.5μm-7.5μm。
5.根据权利要求3所述的基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤，其特征在于，所述包层(3)为石英材质。
6.根据权利要求5所述的基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤，其特征在于，所述包层(3)为正多边形。
7.根据权利要求6所述的基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤，其特征在于，所述包层(3)为正八边形。
8.根据权利要求1所述的基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤，其特征在于，所述包层(3)的外表面涂覆有固化胶层(4)，所述包层(3)与所述固化胶层(4)的折射率之差为-3.74±0.2％；包层(3)的半径为35μm-62.5μm，固化胶层(4)的半径为65μm-80μm。
9.根据权利要求1-8任一所述的基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤，其特征在于，所述环芯层(2)分为两层，由内至外依次为第一掺杂环层(201)和第二掺杂环层(202)；所述第一掺杂环层(201)与所述第二掺杂环层(202)的铒离子掺杂浓度比为(0.683±0.02):1；所述第一掺杂环层(201)的内环半径、第一掺杂环层(201)的外环半径和第二掺杂环层(202)的外环半径之间的比例为(0.2642±0.02):(0.33±0.02):(0.407±0.02)，第二掺杂环层(202)的外环半径为9μm-11μm。
10.根据权利要求1-8任一所述的基于分层掺杂的轨道角动量模式增益平坦环芯光纤，其特征在于，所述环芯层(2)分为三层，由内至外依次为第一掺杂环层(201)、第二掺杂环层(202)和第三掺杂层环；所述第一掺杂环层(201)、所述第二掺杂环层(202)和所述第三掺杂环层(203)的铒离子掺杂浓度比为(0.315±0.02)：(0.1518±0.02)：(0.5357±0.02)；所述第一掺杂环层(201)的内环半径、第一掺杂环层(201)的外环半径、第二掺杂环层(202)的外环半径和第三掺杂环层(203)的外环半径之间的比例为(0.194±0.02)：(0.239±0.02)：(0.269±0.02)：(0.299±0.02)，第三掺杂环层(203)的外环半径为9μm-11μm。
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