本发明属于光纤通信，尤其涉及一种用于l波段放大的四模掺铒光纤及放大器。
背景技术：
1、为了便于理解，本发明涉及的专业术语如下：
2、dmg：差分模态增益(differential modal gain)，其代表少模掺铒光纤中模式增益最大值与最小值的差值，计算公式为：dmg＝max(g1,g2,···,gm)-min(g1,g2,···,gm)，m为光纤中存在的模式数量。
3、随着低损耗光纤、掺铒光纤放大器的出现，波分复用技术和数字相关等技术的应用后，单根光纤的通信容量已经接近于理论极限，为了解决“容量紧缩”问题，提出了使用空分复用来扩展光纤通信系统容量。空分复用包含单模光纤组成的光纤束、多芯光纤和少模光纤，其中少模光纤由于其制备工艺要求相对更低、能实现较高的空间密度成为了研究的重点。基于少模光纤的模分复用技术，是以少模光纤中几个相互独立的正交模式作为独立信道来成倍提升光纤通信容量的技术。与单模光纤相比，少模光纤模场面积较大，从而非线性效应的容限也会相应提高。因此既可以依靠模式并行传输来提高传输容量，又提高了单信道的非线性香农极限，从而极大地提升光纤通信系统的通信容量。
4、为了实现少模光纤的长距离传输，提出了用于中继放大的少模掺铒光纤放大器。由于其需要同时放大多个信号模式，而且每个信号模式具有不同的模场分布，所以除了传统掺铒光纤的增益、噪声系数和带宽等指标外，还提出了差分模态增益这一新的指标，其代表模式增益最大值与最小值的差值。在传输过程中，大的差分模态增益会导致信号恶化与通信眼图的畸变，所以需要均衡不同模式的增益。由于差分模态增益由泵浦模场、信号模场和稀土离子掺杂分布之间的重叠因子决定。因此，提出了三种方法来控制dmg：(1)设计特殊的折射率剖面来改变信号模式的模场分布。(2)调整稀土掺杂离子在纤芯中的分布。(3)改变泵浦模式的方式和结构。在大多数情况下，通过上述三种技术的混合来最小化dmg。现有的关于少模掺铒光纤放大器的研究主要聚焦在c波段，而充分利用l波段带宽资源被认为是提高波分复用系统容量的最有效途径之一，所以研究工作于l波段少模掺铒光纤放大器是很有必要的。但是由于l波段少模掺铒光纤的放大主要依靠较长光纤产生的放大自发辐射，而这些放大自发辐射光在传输过程中不能保持为原本的模式，所以改变泵浦模式的含量对l波段放大的影响较小，因此本文主要考虑改变光纤折射率剖面和铒离子掺杂分布来实现模式增益均衡。
5、世界专利wo2022122016al提出了一种光放大设置以及包含光放大装置的模分复用系统，在第一放大器中间传输的模式进行放大，然后通过模式交换器将光纤中传输的两种模式进行交换，然后在第二放大器对交换后的信号模式进行放大，通过类似于增益补偿的方法实现了模式增益均衡。
6、美国专利us20140063592al提出了一种用于模分复用系统传输的少模掺铒光纤放大器，由于采用的是空间光结构，使用高阶泵浦模式存在转换出的模式存在模式不纯以及插入损耗较大的问题，所以提出了使用环形掺杂铒离子的方式来实现两个信号模式的增益均衡。
7、中国专利cn208589638u提出了一种支持六线偏振模信号光放大的edfa，其设计了两种铒离子掺杂分布的光纤，这两种掺铒光纤的铒离子掺杂分别偏向纤芯外侧和内侧，通过将两种光纤级联，使六线偏振模信号光依次经历差别性放大和补偿性放大，从而实现模式增益均衡。
8、中国专利cn112180499a提出了一种三层芯多层掺铒离子四模光纤，三层芯沟槽辅助的折射率分布使光纤拥有较高的模式折射率差，能减弱模间串扰，降低了应用时的弯曲损耗。而且对铒离子分层掺杂，通过对掺杂区域和浓度比例进行优化实现模式增益均衡。
9、综上所述，传统少模掺铒光纤以及报道的发明专利不能够很好地实现光纤对工作波段和差分模态增益的要求。因此本发明提出了用于l波段放大的少模掺铒光纤放大器，用于解决模分复用系统对少模掺铒光纤放大器工作波段窄、差分模态增益高的问题。
技术实现思路
1、本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提出了一种适用于l波段模分复用系统中继放大的少模掺铒光纤及利用这种光线的放大器。
2、该光纤在1565nm到1615nm波长范围内可以支持四个线偏振模式，具有宽工作波段、低差分模态增益的特点。
3、少模掺铒光纤从内到外依次是第一芯层(r1)、第二芯层(r2)、沟槽(r3)、内包层(r4)、外包层，内包层横截面采用六边形结构。
4、在上述方案的基础上，所述的第一芯层的半径r1和第二芯层的半径r2满足函数关系，a＝k1×arcsin(r1/r2)，k1的取值范围为0.012到0.038，a的取值范围为0.138到2.018，第二芯层半径r2的取值范围为8.0μm到12.0μm，只在第一芯层和第二芯层中掺杂铒离子。满足这个函数条件能通过控制r1/r2，第一芯层和第二芯层的比例变化会导致光纤波导结构的变化，从而导致光纤中存在模式数量变化与模式的空间分布。
5、在上述方案的基础上，少模掺铒光纤采用辅助沟槽结构，沟槽宽度的取值范围为2.5μm到10.0μm，优选沟槽宽度为4.0μm。
6、在上述方案的基础上，少模掺铒光纤包层半径r4的取值范围为50.0μm到100.0μm，优选包层半径r4为62.5μm。
7、在上述方案的基础上，第一芯层的折射率n1与内包层的折射率n4的折射率差在0.0034到0.0069，第二芯层的折射率n2与内包层的折射率n4的折射率差在0.0014到0.0034；
8、在上述方案的基础上，沟槽层的折射率n3与内包层的折射率n4的折射率差在-0.0040到-0.0020。
9、在上述方案的基础上，在1565nm到1615nm波长范围内，光纤中存在lp01、lp11、lp02、lp21四种模式。并且模式的平均增益都高于25db，模式之间的差分模态增益在0.5db到2.0db。
10、所述的l波段少模掺铒光纤放大器，由模式选择光子灯笼、泵浦耦合器、泵浦源(pump laser diodes，pump ld)、少模隔离器(few mode isolator，fm-iso)和少模掺铒光纤(few-mode erbium-doped fiber，fm-edf)组成。其中模式选择光子灯笼充当模式复用(4mode multiplexer，4m-mux)和解复用器件(4mode demultiplexer，4m-demux)，在信号输入端将来自信号源的基模信号转换成所需的高阶信号模式，在信号输出端将高阶信号模式转换成基模信号。泵浦耦合器将来自模式选择光子灯笼的信号模式和来自泵浦源的泵浦光同时耦合到少模掺铒光纤中传输，泵浦源用于产生高功率的泵浦信号，少模掺铒光纤作为增益介质对光纤中的信号模式进行放大，少模隔离器用于防止光纤端面放射而造成的自激振荡。
11、与现有技术相比，本发明的优点如下：
12、(1)采用双芯层结构，并且第一芯层折射率高于第二芯层，增大了模式间的最小有效折射率差，减小了模式之间的串扰。
13、(2)使用辅助沟槽结构，相比于未加沟槽的光纤，光纤的信号模式具有相近的重叠因子，能在包层泵浦下实现模式增益均衡，而且使用辅助沟槽结构能提升光纤的抗弯曲性能，更有利于实际应用。
14、(3)在少模光纤中根据模式的强度分布来分层掺杂铒离子，不仅考虑单个波长的模式增益均衡问题，还考虑了整个工作波段的增益特性，实现了l波段的模式增益均衡。
15、(4)设计的折射率剖面和掺杂分布制备难度低，且具有较好的鲁棒性，适合空分复用光纤通信系统对模式放大的需求，具有较好的应用前景。
1.一种用于l波段放大的少模掺铒光纤，其特征在于：从内到外依次是第一芯层、第二芯层、沟槽层、内包层和外包层，第一芯层和第二芯层中掺杂铒离子，第一芯层的半径r1和第二芯层的半径r2满足函数关系：a＝k1×arcsin(r1/r2)，k1的取值范围为0.012到0.038，a的取值范围为0.138到2.018；第一芯层的折射率n1＞第二芯层的折射率n2＞内包层的折射率n4＞沟槽层的折射率n3。
2.根据权利要求1所述用于l波段放大的少模掺铒光纤，其特征在于：第一芯层的折射率n1与内包层的折射率n4的折射率差在0.0034到0.0069，第二芯层的折射率n2与内包层的折射率n4的折射率差在0.0014到0.0034；沟槽层的折射率n3与内包层的折射率n4的折射率差在-0.0040到-0.0020，在1565nm到1615nm波长范围内，光纤中存在四种信号模式。
3.根据权利要求1所述的少模掺铒光纤，其特征在于：沟槽宽度的取值范围为2.5μm到10.0μm，第二芯层半径r2的取值范围为8.0μm到12.0μm，内包层半径r4的取值范围为50.0μm到100.0μm。
4.根据权利要求3所述的少模掺铒光纤，其特征在于：内包层半径r4为62.5μm，沟槽宽度为4.0μm。
5.根据权利要求2所述的少模掺铒光纤，其特征在于：少模掺铒光纤分两层掺杂铒离子，掺杂方式分为两种，一是根据第一芯层和第二芯层半径来掺杂铒离子；二是根据光纤中存在模式的整体模场分布，选取模场分布近似的两个区域来分层掺杂铒离子。
6.根据权利要求2所述的少模掺铒光纤，其特征在于：内包层的横截面为矩形、d形、梅花形、六边形或者八边形。
7.根据权利要求2所述的少模掺铒光纤，其特征在于，在1565nm到1615nm波段，少模掺铒光纤支持四种信号模式，即lp01、lp11、lp02、lp21，模式间的最小有效折射率差大于1.0×10-4。
8.一种用于l波段放大的少模掺铒光纤放大器，包括权利要求1-7任一项所述的少模掺铒光纤，其特征在于：由模式选择光子灯笼、泵浦耦合器、泵浦源、少模隔离器和少模掺铒光纤组成，其中模式选择光子灯笼充当模式复用和解复用器件，在信号输入端将来自信号源的基模信号转换成所需的高阶信号模式，在信号输出端将高阶信号模式转换成基模信号；泵浦耦合器将来自模式选择光子灯笼的信号模式和来自泵浦源的泵浦光同时耦合到少模掺铒光纤中传输，泵浦源用于产生高功率的泵浦信号，少模掺铒光纤作为增益介质对光纤中的信号模式进行放大，少模隔离器用于防止光纤端面放射而造成的自激振荡。
9.根据权利要求8所述用于l波段放大的少模掺铒光纤放大器，其特征在于通过熔融拉锥法制造模式选择光子灯笼，通过对输入的光纤束进行绝热拉锥，重新形成新的少模波导结构，从而实现模式的复用和转化。
10.根据权利要求8所述用于l波段放大的少模掺铒光纤放大器，其特征在于：泵浦方式为纤芯泵浦或者包层泵浦。
