CN216355281U - 一种光纤放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种光纤放大器，包括：基于超表面的光会聚耦合器和掺杂光纤；所述光会聚耦合器用于将入射至所述光会聚耦合器的入光侧的信号光和泵浦光均会聚至会聚点，所述会聚点位于所述光会聚耦合器的出光侧；所述掺杂光纤的光输入端位于所述会聚点处。通过本实用新型实施例提供的光纤放大器，基于超表面技术制作光会聚耦合器，该能够光会聚耦合器将信号光和泵浦光耦合到掺杂光纤中，实现光信号放大。该光纤放大器尺寸小，便于集成；且光纤放大器加工简单，对精度要求较低，加工容差大，具有良好的***损耗和串扰等性能指标。
Description
技术领域
本实用新型涉及光通信技术领域，具体而言，涉及一种光纤放大器。
背景技术
光纤放大器(Optical Fiber Ampler，简写OFA)是一种能够实现信号放大的新型放大器。传统的光纤放大器包括一路信号光和一路泵浦光，两路光可以进入光合束器，将信号光跟泵浦光耦合。该光合束器可以通过传统光路实现，但其体积较大，难以实现集成化、小型化，***较为复杂。另一类是以熔融拉锥为代表的，通过改造光纤结构实现耦合。信号光和泵浦光通过光纤熔融拉锥的方式进入波分复用耦合器(wavelength divisionmultiplexing coupler)，将信号光跟泵浦光耦合。
波分复用耦合器是一段五芯的多芯少模光纤，其截面图如图1所示，其中芯1-4(其直径为a)用于传输LP01模的泵浦光，芯5用于传输LP01，LP11，LP21，LP02模式的信号光。当芯5与芯1-4的距离d小于一定值时，信号光与泵浦光之间会发生耦合，进而耦合后的光传输到掺铒光纤中实现光放大。
该光纤放大器在理想状态下可以实现极高的耦合效率、极低的***损耗以及串扰，然而根据相关工作中的误差分析，该波分复用耦合器的芯径a在3μm左右，芯径变化10nm，耦合效率将降低50％；也就是说，允许误差要远小于0.3％；图1中的d，也就是芯间距取值在16μm左右，其变化范围在700nm时，耦合效率下降20％，允许加工误差要小于4％。由这些数据可以看出，该结构要求极高的加工工艺，且性能对结构参数极其敏感，在实际使用中很难实现理想的效果。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种光纤放大器。
第一方面，本实用新型实施例提供了一种光纤放大器，包括：基于超表面的光会聚耦合器和掺杂光纤；
所述光会聚耦合器用于将入射至所述光会聚耦合器的入光侧的信号光和泵浦光均会聚至会聚点，所述会聚点位于所述光会聚耦合器的出光侧；
所述掺杂光纤的光输入端位于所述会聚点处。
可选地，所述光会聚耦合器包括超表面耦合元件和会聚元件；
所述超表面耦合元件用于将入射的所述信号光和所述泵浦光转换为平行光，并出射；
所述会聚元件用于将所述超表面耦合元件出射的光线会聚至所述会聚点。
可选地，第一光线以正入射的方式射向所述超表面耦合元件，第二光线以倾斜的方式射向所述超表面耦合元件；
所述第一光线为所述信号光与所述泵浦光中的一个，所述第二光线为所述信号光与所述泵浦光中的另一个。
可选地，所述超表面耦合元件包括多个超表面结构单元；
所述超表面结构单元对所述第一光线进行调控的相位为：
所述超表面结构单元对所述第二光线进行调控的相位为：
其中，ri表示超表面结构单元i与相同的所述超表面结构单元的分布中心之间的距离，λ1表示所述第一光线的波长，
表示，θ表示所述第二光线入射至所述超表面耦合元件的入射角。
可选地，所述超表面耦合元件包括透明基底层和设置在所述透明基底层上的多个纳米结构。
可选地，所述纳米结构周围设有透明的填充物，所述填充物的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值大于或等于0.5。
可选地，所述会聚元件包括凸透镜和/或能够会聚光线的超表面元件。
可选地，光纤放大器还包括隔离器；所述掺杂光纤的光输出端与所述隔离器相连。
可选地，所述掺杂光纤包括：掺铒光纤、掺镱光纤、掺铥光纤、掺镨光纤、掺铋光纤、掺磷光纤中的至少一种。
可选地，光纤放大器还包括信号源和/或泵浦源；
所述信号源用于向所述光会聚耦合器提供所述信号光；
所述泵浦源用于向所述光会聚耦合器提供所述泵浦光。
可选地，在所述光纤放大器还包括所述泵浦源的情况下，所述光纤放大器还包括模式转换器；
所述模式转换器设置在所述泵浦源与所述光会聚耦合器之间，用于将所述泵浦源出射的光线转换为与所述信号光具有相同模式的泵浦光。
本实用新型实施例上述提供的方案中，基于超表面技术制作光会聚耦合器，该能够光会聚耦合器将信号光和泵浦光耦合到掺杂光纤中，实现光信号放大。该光纤放大器尺寸小，便于集成；且光纤放大器加工简单，对精度要求较低，加工容差大，具有良好的***损耗和串扰等性能指标。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了现有的波分复用耦合器的截面示意图；
图2示出了本实用新型实施例所提供的光纤放大器的第一结构示意图；
图3示出了本实用新型实施例所提供的光纤放大器的第二结构示意图；
图4示出了本实用新型实施例所提供的超表面耦合元件的结构示意图；
图5示出了本实用新型实施例所提供的一种超表面结构单元的示意图；
图6示出了本实用新型实施例所选超表面结构单元在1550nm处的相位调制示意图；
图7示出了本实用新型实施例所选超表面结构单元在980nm处的相位调制示意图。
图标：
10-光会聚耦合器、11-超表面耦合元件、111-透明基底层、112-纳米结构、12-会聚元件、20-掺杂光纤、30-隔离器、40-信号源、50-泵浦源、60-模式转换器、70-少模光纤、1-信号光、2-泵浦光。
具体实施方式
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
本实用新型实施例提供的一种光纤放大器，参见图2所示，包括：基于超表面的光会聚耦合器10和掺杂光纤20。光会聚耦合器10用于将入射至光会聚耦合器10的入光侧的信号光1和泵浦光2均会聚至会聚点，会聚点位于光会聚耦合器10的出光侧；该掺杂光纤20的光输入端位于会聚点处。
本实用新型实施例中，光会聚耦合器10是基于超表面技术所制造的器件，其能够耦合光线。具体地，该光会聚耦合器10能够调整入射至该光会聚耦合器10的入光侧的信号光1和泵浦光2的相位，从而能够耦合信号光1和泵浦光2；并且，光会聚耦合器10还能够将信号光1和泵浦光2会聚至预设的位置，即会聚点，使得耦合后的信号光1和泵浦光2能够传入该会聚点处的掺杂光纤20中，由掺杂光纤20传播。
如图2所示，光会聚耦合器10的左侧为入光侧、右侧为出光侧，信号光1和泵浦光2均由左向右入射至光会聚耦合器10；光会聚耦合器10对信号光1和泵浦光2进行耦合、会聚，使得耦合后的光线能够会聚到掺杂光纤20的光输入端，并进入掺杂光纤20，之后即可利用掺杂光纤20传输耦合后的光线。其中，该掺杂光纤20可以是掺有稀土元素的光线。例如，该掺杂光纤20可以包括：掺铒光纤、掺镱光纤、掺铥光纤、掺镨光纤、掺铋光纤、掺磷光纤中的至少一种。
本实用新型实施例提供的一种光纤放大器，基于超表面技术制作光会聚耦合器10，该能够光会聚耦合器10将信号光1和泵浦光2耦合到掺杂光纤中，实现光信号放大。该光纤放大器尺寸小，便于集成；且光纤放大器加工简单，对精度要求较低，加工容差大，具有良好的***损耗和串扰等性能指标。
在上述实施例的基础上，参见图3所示，该光纤放大器还可以包括信号源40和/或泵浦源50；该信号源40用于向光会聚耦合器10提供信号光1；该泵浦源50用于向光会聚耦合器10提供泵浦光2。
其中，入射至光会聚耦合器10的信号光1和泵浦光2的模式需要一致，二者需要具有相同的模式。此时，可以增加模式转化器60，在泵浦光2入射至光会聚耦合器10之前，该模式转换器60将泵浦光转换为与信号光1具有相同的模式，使得入射至光会聚耦合器10的信号光1和泵浦光2模式相同。具体地，该模式转换器60设置在泵浦源50与光会聚耦合器10之间，且位于泵浦光2的传播路径上。泵浦源50出射的原始泵浦光先经过该模式转换器60，之后再射向光会聚耦合器10。
此外可选地，参见图3所示，该光纤放大器还包括隔离器30；掺杂光纤20的光输出端与隔离器30相连。掺杂光纤20传播的耦合光线可以经过该隔离器30，由该隔离器30传入下一元件，例如图3中的少模光纤70。该隔离器30可以阻止光的反射，防止反射光进入后续的链路中，能够提高信号传输质量。
在上述实施例的基础上，参见图3所示，该光会聚耦合器10包括超表面耦合元件11和会聚元件12。其中，超表面耦合元件11用于将入射的信号光1和泵浦光2转换为平行光，并出射；会聚元件12用于将超表面耦合元件11出射的光线会聚至会聚点。
本实用新型实施例中，为了能够提高光会聚耦合器10的耦合效果，光会聚耦合器10先将入射光线调整为平行光，之后利用会聚元件12的会聚效果实现光线会聚，从而能够将信号光1和泵浦光2均会聚至该会聚点。其中，该会聚元件12可以包括凸透镜和/或能够会聚光线的超表面元件。例如，会聚元件12可以是凸透镜，或者，也可以基于超表面技术制作能够会聚光线的超表面元件，将该超表面元件作为会聚元件12。
可选地，参见图4所示，该超表面耦合元件11包括透明基底层111和设置在透明基底层111上的多个纳米结构112。其中，该超表面耦合元件11按照周期排布；排布周期可以为200～1500nm，周期中心或顶点有纳米结构112。
其中，该透明基底层111采用能透过信号光1、泵浦光2所在波段光线的材料，例如可以是石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃等。该纳米结构112也采用能透过信号光1、泵浦光2所在波段光线的材料，如氧化钛、氧化硅、氮化硅、氮化镓、磷化镓、氧化铝、氢化非晶硅等。可选地，纳米结构112之间可是空气填充或者其他能透过信号光1、泵浦光2所在波段光线的材料填充，并且，填充材料的折射率与纳米结构112的折射率之间的差值需大于或等于0.5。其中，透明基底层111、纳米结构112、纳米结构112之间的填充物均采用不同的材料。
一般情况下，信号光1和泵浦光2的波长不同，例如信号光1的波长为1550nm，泵浦光2的波长为980nm。本实用新型实施例中，为了能够让超表面耦合元件11能够对不同波长的信号光1和泵浦光2均实现相位调制，信号光1和泵浦光2以不同的角度入射至该超表面耦合元件11。具体地，将信号光1与泵浦光2中的一个作为第一光线，将信号光1与泵浦光2中的另一个作为第二光线，第一光线以正入射的方式射向超表面耦合元件11，第二光线以倾斜的方式射向超表面耦合元件11。
如图3所示，信号光1为第一光线，其以正入射的方式射向超表面耦合元件11，信号光1入射至该超表面耦合元件11的入射角为90度。泵浦光2为第二光线，其以倾斜的方式入射至超表面耦合元件11，泵浦光2与超表面耦合元件11之间存在一定的夹角。利用如此入射的信号光1和泵浦光2，可以设计该超表面耦合元件11中的超表面结构单元，使得超表面结构单元能够对不同的信号光1、泵浦光2均实现所需的相位调制。
可选地，超表面耦合元件11包括多个超表面结构单元。
该超表面结构单元对第一光线进行调控的相位为：
该超表面结构单元对第二光线进行调控的相位为：
其中，ri表示超表面结构单元i与相同的超表面结构单元的分布中心之间的距离，λ1表示第一光线的波长，
表示预设的相位值，θ表示第二光线入射至超表面耦合元件11的入射角。
本实用新型实施例中，超表面耦合元件11包含多个超表面结构单元，超表面结构单元是从超表面耦合元件11中人为划分出来的一部分结构，从该超表面耦合元件11中可以划分出多个超表面结构单元；但是，这并不意味着多个超表面结构单元之间必须是完全结构独立的个体；多个超表面结构单元可以是一个整体，或者其中至少部分超表面结构单元可以是结构独立的。一般情况下，不同的超表面结构单元共用同一个基底(如上述的透明基底层111)，只是不同的超表面结构单元位于该基底的不同位置。
其中，该超表面耦合元件11中，每个超表面结构单元位于不同的位置，不同位置处的超表面结构单元一般是不同的，但超表面耦合元件11中存在相同的超表面结构单元，且相同的多个超表面结构单元的分布情况呈圆形，其对应有分布中心；多组相同的超表面结构单元类似同心圆的分布形状，其对应相同的分布中心。其中，第一光线可以以正入射的方式射向该分布中心。
本实施例中，超表面结构单元需要对两种不同波长的光线(信号光1与泵浦光2)实现相应的相位调控，本实施例选取对第一光线调控的相位为常数、对第二光线调控的相位与位置有关的超表面结构单元。其中，选择超表面结构单元的过程可以为：找到若干个对第一光线的调制相位(例如相位为π)相同的纳米结构，若这些纳米结构对第二光线所调制的相位能够实现0-2π覆盖，则可以选择这些纳米结构生成超表面结构单元。
具体地，对于第一光线，每个超表面结构单元对该第一光线的相位调控是相同的，超表面结构单元对波长为λ1的第一光线进行调控时，调控相位表示为：
该调控相位为常数
该调控相位与超表面结构单元的位置无关，即超表面结构单元到分布中心的距离ri不影响对第一光线的调控相位。其中，
为预设的相位值，具体数值可基于实际情况选择。
对于第二光线，不同位置的超表面结构单元对第二光线的相位调控可能是不同的，所调控的相位与该超表面结构单元到分布中心的距离ri相关，并且与第二光线的入射角相关。具体地，对于超表面结构单元i，其对第二光线进行调控的相位
为ri sinθ，从而能够将倾斜入射的第二光线也调整为平行光。
下面通过一个实施例详细介绍该光纤放大器的结构。
本实用新型实施例中，超表面耦合元件11中的超表面结构单元可参见图5所示，该纳米结构112为方柱形状，其长度和宽度分别为w1、w2。将1550nm的信号光作为第一光线，将980nm的泵浦光作为第二光线。由于超表面结构单元对1550nm的信号光的调制相位为常数，故可以先确定对应相同相位的不同尺寸的超表面结构单元。图6示出了不同尺寸超表面结构单元的相位延迟分布，通过找到具有相同相位的点，图6中的横纵坐标分别表示纳米结构的长度和宽度，颜色深度表示调制的相位，范围为[0,2π]，从中可以选取多个不同尺寸的超表面结构单元。例如，表1示出了从中选取的8个超表面结构单元，并在图6中标注出了这8个超表面结构单元。
表1
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| W1/nm | 280 | 340 | 370 | 410 | 480 | 550 | 590 | 650 |
| W2/nm | 650 | 620 | 550 | 500 | 470 | 480 | 450 | 460 |
并且，利用所选取的8个超表面结构单元在980nm处不同的相位调制实现耦合功能，所选取的8个超表面结构单元在980nm处的相位调制参见图7所示；图7中的三角空心符号所在曲线表示调制的相位(对应左侧纵坐标)，实心的方形符号所在曲线表示透射率(对应右侧纵坐标)。该超表面耦合元件11对1550nm光透射率为97％，对980nm光透射率为95.6％，***损耗为0.16dB，泵浦光入射角为43.5°。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种光纤放大器，其特征在于，包括：基于超表面的光会聚耦合器(10)和掺杂光纤(20)；
所述光会聚耦合器(10)用于将入射至所述光会聚耦合器(10)的入光侧的信号光(1)和泵浦光(2)均会聚至会聚点，所述会聚点位于所述光会聚耦合器(10)的出光侧；
所述掺杂光纤(20)的光输入端位于所述会聚点处。
2.根据权利要求1所述的光纤放大器，其特征在于，所述光会聚耦合器(10)包括超表面耦合元件(11)和会聚元件(12)；
所述超表面耦合元件(11)用于将入射的所述信号光(1)和所述泵浦光(2)转换为平行光，并出射；
所述会聚元件(12)用于将所述超表面耦合元件(11)出射的光线会聚至所述会聚点。
3.根据权利要求2所述的光纤放大器，其特征在于，
第一光线以正入射的方式射向所述超表面耦合元件(11)，第二光线以倾斜的方式射向所述超表面耦合元件(11)；
所述第一光线为所述信号光(1)与所述泵浦光(2)中的一个，所述第二光线为所述信号光(1)与所述泵浦光(2)中的另一个。
4.根据权利要求3所述的光纤放大器，其特征在于，所述超表面耦合元件(11)包括多个超表面结构单元；
所述超表面结构单元对所述第一光线进行调控的相位为：
所述超表面结构单元对所述第二光线进行调控的相位为：
其中，ri表示超表面结构单元i与相同的所述超表面结构单元的分布中心之间的距离，λ1表示所述第一光线的波长，
表示预设的相位值，θ表示所述第二光线入射至所述超表面耦合元件(11)的入射角。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的光纤放大器，其特征在于，所述超表面耦合元件(11)包括透明基底层(111)和设置在所述透明基底层(111)上的多个纳米结构(112)。
6.根据权利要求5所述的光纤放大器，其特征在于，所述纳米结构(112)周围设有透明的填充物，所述填充物的折射率与所述纳米结构(112)的折射率之间的差值大于或等于0.5。
7.根据权利要求2所述的光纤放大器，其特征在于，所述会聚元件(12)包括凸透镜和/或能够会聚光线的超表面元件。
8.根据权利要求1所述的光纤放大器，其特征在于，还包括隔离器(30)；
所述掺杂光纤(20)的光输出端与所述隔离器(30)相连。
9.根据权利要求1所述的光纤放大器，其特征在于，所述掺杂光纤(20)包括：掺铒光纤、掺镱光纤、掺铥光纤、掺镨光纤、掺铋光纤、掺磷光纤中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的光纤放大器，其特征在于，还包括信号源(40)和/或泵浦源(50)；
所述信号源(40)用于向所述光会聚耦合器(10)提供所述信号光(1)；
所述泵浦源(50)用于向所述光会聚耦合器(10)提供所述泵浦光(2)。
11.根据权利要求10所述的光纤放大器，其特征在于，在所述光纤放大器还包括所述泵浦源(50)的情况下，所述光纤放大器还包括模式转换器(60)；
所述模式转换器(60)设置在所述泵浦源(50)与所述光会聚耦合器(10)之间，用于将所述泵浦源(50)出射的光线转换为与所述信号光(1)具有相同模式的泵浦光(2)。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115236795A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-10-25 | 深圳迈塔兰斯科技有限公司 | 一种超表面的制作方法及光纤端面超表面 |
| US11927769B2 (en) | 2022-03-31 | 2024-03-12 | Metalenz, Inc. | Polarization sorting metasurface microlens array device |
| US11978752B2 (en) | 2019-07-26 | 2024-05-07 | Metalenz, Inc. | Aperture-metasurface and hybrid refractive-metasurface imaging systems |
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-
2021
- 2021-12-22 CN CN202123251616.0U patent/CN216355281U/zh active Active
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| CN115236795B (zh) * | 2022-08-02 | 2024-03-08 | 深圳迈塔兰斯科技有限公司 | 一种超表面的制作方法及光纤端面超表面 |
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