【資訊】少模摻鉺光纖放大器的增益性能調控

2024-12-06 17:02:37

        隨著云計算、虛擬現(xiàn)實、遠程醫(yī)療、智能駕駛等高速率、大容量通信需求場景的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)基于標準單模光纖通信系統(tǒng)的通信容量存在上限?；谏倌９饫w(FMF)的模分復用(MDM)技術，通過挖掘光信號的空間維度，能夠實現(xiàn)單根光纖傳輸容量的持續(xù)擴容。

　　少模摻鉺光纖放大器(FM-EDFA)是模分復用傳輸系統(tǒng)的核心器件，相比于采用多個單模摻鉺光纖放大器對每個模式信道進行功率放大，少模摻鉺光纖放大器能夠同時放大多個線偏振(LP)模式或者軌道角動量(OAM)模式，具有結構緊湊和高能效的優(yōu)勢。然而，不同模式的信號光場與有源光纖稀土離子摻雜剖面和泵浦光場之間的重疊程度存在差異，從而產生了差分模式增益(DMG)。高差分模式增益會影響模分復用系統(tǒng)傳輸性能，導致多跨段傳輸系統(tǒng)的中斷概率提升。

　　本課題組基于此，面向模分復用技術，開展了從全光纖型模式復用器件的設計制備、少模摻鉺光纖放大器的搭建、到少模摻鉺光纖放大器增益性能調控等系統(tǒng)性的研究工作。本文系統(tǒng)地闡述了少模摻鉺光纖放大器中差分模式增益的產生機理與調控策略，對不同的增益調控策略進行性能對比，最后對多波長高模式數(shù)目下的研究挑戰(zhàn)進行了展望。

　　少模摻鉺光纖放大器助力模分復用傳輸系統(tǒng)

　　為了優(yōu)化少模摻鉺光纖放大器的性能，需要綜合考慮泵浦光的強度分布、信號光的強度分布和鉺離子摻雜分布之間的相互關系。通過調控3種分布，最大程度地提高不同模式的增益，并減小差分模式增益，能夠實現(xiàn)少模摻鉺光纖放大器增益性能調控，如圖1所示。

　　圖1 少模摻鉺光纖放大器的差分模式增益調控策略

　　(1)泵浦光場調控

　　圖2 泵浦方案示意圖。(a)纖芯泵浦;(b)包層泵浦

　　泵浦光場調控方式主要分為纖芯泵浦光場調控與包層泵浦光場調控，如圖2所示。纖芯泵浦調控中，泵浦光經模式轉換器轉換呈特定模式后，經過耦合器注入到少模摻鉺光纖(FM-EDF)的纖芯區(qū)域，對各個模式信號光進行放大。通過級聯(lián)不同的模式轉換器件，可以靈活調控模式纖芯區(qū)域的泵浦光場分布，可以減少鉺離子摻雜區(qū)域內模式信號光與泵浦光的光場分布重疊差異，從而實現(xiàn)少模摻鉺光纖放大器增益均衡。但隨著待放大模式信號光數(shù)目逐漸增加，所需的泵浦模式轉換器數(shù)目也隨之上升，這使得少模摻鉺光纖放大器結構變得復雜、成本上升。包層泵浦光調控利用器件將泵浦光耦合注入到少模摻鉺光纖的內包層中，能實現(xiàn)高增益輸出。然而，包層泵浦無法精確調控不同模式信號光的增益，需要配合其他的調控方式才能實現(xiàn)少模摻鉺光纖放大器的增益均衡。

　　(2)信號光場調控

　　圖3 常見的信號光場調控方案。(a)環(huán)形折射率型;(b)中心凹陷型;(c)溝槽輔助型

　　信號光場調控通過優(yōu)化少模摻鉺光纖的折射率分布，可以改變多個模式信號光的強度分布，達到減少鉺離子摻雜區(qū)域內模式信號光與泵浦光的光場分布重疊差異的效果。針對信號光場調控方案，研究人員相繼提出了環(huán)形折射率、中心凹陷型折射率和溝槽輔助結構等特殊折射率分布的少模摻鉺光纖設計。然而，實際制備得到的少模摻鉺光纖參數(shù)與理論設計存在差異，增益均衡實驗結果較差。

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