【资讯】少模掺铒光纤放大器的增益性能调控

　　随着云计算、虚拟现实、远程医疗、智能驾驶等高速率、大容量通信需求场景的不断涌现，传统基于标准单模光纤通信系统的通信容量存在上限。基于少模光纤(FMF)的模分复用(MDM)技术，通过挖掘光信号的空间维度，能够实现单根光纤传输容量的持续扩容。

　　少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA)是模分复用传输系统的核心器件，相比于采用多个单模掺铒光纤放大器对每个模式信道进行功率放大，少模掺铒光纤放大器能够同时放大多个线偏振(LP)模式或者轨道角动量(OAM)模式，具有结构紧凑和高能效的优势。然而，不同模式的信号光场与有源光纤稀土离子掺杂剖面和泵浦光场之间的重叠程度存在差异，从而产生了差分模式增益(DMG)。高差分模式增益会影响模分复用系统传输性能，导致多跨段传输系统的中断概率提升。

　　本课题组基于此，面向模分复用技术，开展了从全光纤型模式复用器件的设计制备、少模掺铒光纤放大器的搭建、到少模掺铒光纤放大器增益性能调控等系统性的研究工作。本文系统地阐述了少模掺铒光纤放大器中差分模式增益的产生机理与调控策略，对不同的增益调控策略进行性能对比，最后对多波长高模式数目下的研究挑战进行了展望。

　　少模掺铒光纤放大器助力模分复用传输系统

　　为了优化少模掺铒光纤放大器的性能，需要综合考虑泵浦光的强度分布、信号光的强度分布和铒离子掺杂分布之间的相互关系。通过调控3种分布，最大程度地提高不同模式的增益，并减小差分模式增益，能够实现少模掺铒光纤放大器增益性能调控，如图1所示。

　　图1 少模掺铒光纤放大器的差分模式增益调控策略

　　(1)泵浦光场调控

　　图2 泵浦方案示意图。(a)纤芯泵浦;(b)包层泵浦

　　泵浦光场调控方式主要分为纤芯泵浦光场调控与包层泵浦光场调控，如图2所示。纤芯泵浦调控中，泵浦光经模式转换器转换呈特定模式后，经过耦合器注入到少模掺铒光纤(FM-EDF)的纤芯区域，对各个模式信号光进行放大。通过级联不同的模式转换器件，可以灵活调控模式纤芯区域的泵浦光场分布，可以减少铒离子掺杂区域内模式信号光与泵浦光的光场分布重叠差异，从而实现少模掺铒光纤放大器增益均衡。但随着待放大模式信号光数目逐渐增加，所需的泵浦模式转换器数目也随之上升，这使得少模掺铒光纤放大器结构变得复杂、成本上升。包层泵浦光调控利用器件将泵浦光耦合注入到少模掺铒光纤的内包层中，能实现高增益输出。然而，包层泵浦无法精确调控不同模式信号光的增益，需要配合其他的调控方式才能实现少模掺铒光纤放大器的增益均衡。

　　(2)信号光场调控

　　图3 常见的信号光场调控方案。(a)环形折射率型;(b)中心凹陷型;(c)沟槽辅助型

　　信号光场调控通过优化少模掺铒光纤的折射率分布，可以改变多个模式信号光的强度分布，达到减少铒离子掺杂区域内模式信号光与泵浦光的光场分布重叠差异的效果。针对信号光场调控方案，研究人员相继提出了环形折射率、中心凹陷型折射率和沟槽辅助结构等特殊折射率分布的少模掺铒光纤设计。然而，实际制备得到的少模掺铒光纤参数与理论设计存在差异，增益均衡实验结果较差。

　　(3)铒离子掺杂调控

　　图4 常见的铒离子掺杂调控方案。(a)环形掺杂型;(b)多层掺杂型;(c)类高斯型;(d)过掺杂型

　　铒离子的掺杂分布决定了少模掺铒光纤中的泵浦光和信号光的作用区域，少模掺铒光纤放大器的放大效果会因为铒离子掺杂区域内不同模式信号光和泵浦光分布重叠差异而出现差分模式增益。为此，研究人员将掺杂区域划分为多层，根据信号和泵浦光的强度分布，调节每一层区域的掺杂浓度。环形掺杂分布、多层掺杂分布、类高斯掺杂分布和扩大掺杂范围至包层区域等优化铒离子掺杂分布的方案被逐步应用到少模掺铒光纤设计当中。且随着模式数目的增加，可通过增加掺杂的层数实现少模掺铒光纤放大器的增益均衡。然而，铒离子掺杂层数的增加会提高制备难度，特别在实际制备过程中，铒离子存在扩散的情况，所以实际制备出的少模掺铒光纤，其掺杂结构无法满足最优理论设计，增益均衡性能欠缺。

　　(4)模式相关损耗器件的级联

　　图5 级联器件用于增益均衡示意图

　　随着被放大信号模式数目的增加，需要综合考虑少模掺铒光纤放大器的泵浦光场、信号光场和铒离子掺杂分布的协同调控，这导致少模掺铒光纤放大器的实现复杂度与成本急剧上升。更为重要的是，少模掺铒光纤的剖面折射率优化使得少模掺铒光纤与传输用少模光纤的模场失配度高，导致少模掺铒光纤放大器的能量转换效率降低和模式串扰性能恶化。然而，在少模掺铒光纤放大器输出端级联模式相关损耗器件，对少模掺铒光纤放大器的输出增益进行调控，无需对少模掺铒光纤进行优化设计，能够有效降低少模掺铒光纤制备难度，有效降低少模掺铒光纤放大器的复杂度并增加模式扩展性。但是随着待放大的模式信号增多，需要的模式相关损耗级联器件数目也相应增加。

　　工作展望

　　基于少模光纤的模分复用光传输技术是未来光通信技术发展的重要方向，而少模掺铒光纤放大器是长距离模分复用传输走向商用的关键器件。

　　展望未来，课题组有望在以下几个方面对少模掺铒光纤放大器的增益性能调控取得重大突破：

　　1)进一步调控模式信号数目增加时的差分模式增益。此难点涉及在铒离子复杂掺杂分布的情况下，新型有源光纤的制备以及泵浦方式的优化;

　　2)鉴于需要兼容波分复用的光纤通信系统扩容技术，怎样在扩展通信波段的条件下达成宽波段的不同模式增益均衡是一个关键问题;

　　3)通过模式相关损耗器件实现增益调控，依据少模掺铒光纤放大器的模式相关增益谱，对相应无源器件的模式相关损耗谱进行逆向设计，这一创新性研究视角将为少模掺铒光纤放大器的增益性能调控开辟新的途径。

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