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2024-12-06 17:02:37
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。
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