少模摻鉺光纖及其放大器研究進(jìn)展

趙新月，邱強(qiáng)，褚應(yīng)波，戴能利，李進(jìn)延

（華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心，湖北 武漢 430074）

1 引 言

隨著下一代移動(dòng)寬帶技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)高數(shù)據(jù)速率（例如實(shí)時(shí)游戲，社交網(wǎng)絡(luò)，云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析）的應(yīng)用需求不斷增加，但現(xiàn)有的單模光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量已經(jīng)趨近理論極限[1]（香農(nóng)極限）。因此，人們迫切地需要開發(fā)新的信息傳輸維度，來滿足日益增長的網(wǎng)絡(luò)容量需求。在單模光纖的其他復(fù)用維度，如波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、正交頻分復(fù)用、碼分復(fù)用等已經(jīng)被充分利用的基礎(chǔ)上[2]，且基于其傳輸帶寬有限、不能實(shí)現(xiàn)無限擴(kuò)展的事實(shí)，擴(kuò)展光纖的空間維度，即對(duì)光纖進(jìn)行空分復(fù)用，在大容量光纖通信系統(tǒng)中得到了廣泛關(guān)注并迅速發(fā)展?；谏倌９饫w的模分復(fù)用技術(shù)，作為空分復(fù)用技術(shù)的一種，可進(jìn)一步提高單根光纖的傳輸容量[3-4]，自提出以來就廣受研究者的青睞并得到了深入研究。

少模摻鉺光纖主要采用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積（Modified chemical vapor deposition，MCVD）工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù)[5]進(jìn)行制備。通過對(duì)芯徑、摻雜和折射率剖面等調(diào)控，使其支持多個(gè)空間傳輸模式。2011年，英國南安普頓大學(xué)[6]首次拉制出支持兩種模式的少模摻鉺光纖，采用980 nm激光進(jìn)行后向泵浦，在1 550～1 560 nm波段實(shí)現(xiàn)了20 dB以上的增益。此后，不同類型的少模摻鉺光纖開始出現(xiàn)，圍繞少模摻鉺放大光纖的制作工藝、傳輸模式數(shù)量、工作波長、增益、差分模態(tài)增益、噪聲等方面展開。采用少模光纖作為傳輸線的空分復(fù)用技術(shù)要實(shí)現(xiàn)長距離傳輸，少模摻鉺光纖放大器是補(bǔ)償光纖傳輸損耗的關(guān)鍵器件[7]。然而，在少模摻鉺光纖放大器中，高差分模態(tài)增益（Differential modal gain，DMG）會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中斷概率的提高，影響信號(hào)質(zhì)量[8]。

降低DMG可以從兩個(gè)不同的方面來實(shí)現(xiàn)[9-10]：一是從少模摻鉺放大光纖入手，對(duì)鉺離子摻雜分布（如環(huán)形摻雜[11-21]、均勻摻雜[22-23]、大面積摻雜[24]等）及折射率的結(jié)構(gòu)（如環(huán)形折射率[25-27]、折射率溝道[23,28]、階躍折射率[29-33]等）進(jìn)行設(shè)計(jì)；二是從放大器結(jié)構(gòu)入手，采用不同的泵浦方式（如纖芯泵浦[25-27,29-33]、包層泵浦[22-24,28,34-37]）進(jìn)行調(diào)控。2018年，天津大學(xué)李桂芳課題組[23]提出同時(shí)傳輸12個(gè)模群21個(gè)空間模式的具有折射率溝道輔助的雙包層少模摻鉺放大光纖，是目前可以實(shí)現(xiàn)的最大模式數(shù)目。采用包層泵浦的方式在1 530～1 565 nm波段實(shí)現(xiàn)了15 dB的平均增益，差分模態(tài)增益低于3 dB。未來，少模摻鉺放大光纖將會(huì)傳輸越來越多的信號(hào)模式，所需要的泵浦能量也會(huì)越來越多。如何在實(shí)現(xiàn)更多模式的情況下增益更高、差分模態(tài)增益更低、少模摻鉺光纖放大器的體積與能耗更低、少模摻鉺放大光纖的制作工藝更簡單等問題仍亟待解決，深入探究少模摻鉺光纖的放大性能并更好地控制差分模態(tài)增益將對(duì)加速其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。

基于DMG的產(chǎn)生機(jī)理，本文將從降低DMG的方式入手，分析少模摻鉺光纖的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)采用不同設(shè)計(jì)及基于不同泵浦方式的少模摻鉺放大光纖的放大性能進(jìn)行綜述總結(jié)，最后對(duì)少模摻鉺放大光纖的未來研究方向及發(fā)展趨勢(shì)做出總結(jié)展望。

2 差分模態(tài)增益

在光纖波導(dǎo)中，電磁波在縱向（軸向）以“行波”的形式存在，在橫向以“駐波”的形式存在。場(chǎng)分布沿軸向的變化只體現(xiàn)在相位上，場(chǎng)的強(qiáng)度不隨軸向傳播距離而變化。因此，可以對(duì)光纖中的光場(chǎng)進(jìn)行縱橫分離[38]。對(duì)于三維模式光場(chǎng)，根據(jù)模場(chǎng)有無縱向分量，可以把光纖中的模式分為3類：（1）橫電磁模（TEM），模式只有橫向分量，而無縱向分量；（2）橫電模（TE）或橫磁模（TM），模式只有一個(gè)縱向分量；（3）混雜模（HE或EH），模式的兩個(gè)縱向分量都不為0[39]。一般光纖的相對(duì)折射率差值約為10-2，此時(shí)，光纖纖芯的折射率近似等于包層的折射率，光纖對(duì)電磁波的約束和引導(dǎo)作用大為減弱，通常將這種近似稱為“弱導(dǎo)近似”。在弱導(dǎo)近似下，具有相同色散方程的矢量模合并，又被稱為線性偏振（Linear polarized，LP）模[40]。

從本質(zhì)上來說，光纖中的橫模是光波電磁場(chǎng)在光纖橫截面上的一種空間分布形式，或者說是光纖橫截面上的一種能量分布形式[41]。模分復(fù)用作為空分復(fù)用的一種，是利用光纖中相互正交的傳輸模式作為獨(dú)立的信道進(jìn)行信號(hào)的并行傳輸，基于少模光纖的模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)一般支持有限數(shù)目的線偏振模式。對(duì)于少模摻鉺光纖放大器而言，除了放大器增益、噪聲指數(shù)、工作波長、輸出功率等常規(guī)放大器需要關(guān)注的特征參數(shù)之外，還有一個(gè)少模摻鉺光纖放大器所特有的重要參數(shù)——差分模態(tài)增益。

差分模態(tài)增益的產(chǎn)生機(jī)理及改善策略：定義信號(hào)模式l在少模摻鉺光纖放大器中傳輸?shù)脑鲆鏋閇42]：

其中，Pl-out為第l個(gè)信號(hào)模式經(jīng)過少模摻鉺光纖放大器后輸出的功率，Pl-in為第l個(gè)信號(hào)模式輸入到少模摻鉺光纖放大器的功率。

要實(shí)現(xiàn)少模摻鉺光纖放大器的信號(hào)模式增益均衡，就要實(shí)現(xiàn)在同一信號(hào)波長下，信號(hào)模式m和n的增益一致或相近，須有如下公式成立[2]：

定義交疊積分因子[43-44]為：

其中，a為纖芯半徑，ip(r,φ)代表泵浦模式的歸一化光強(qiáng)分布，代表信號(hào)模式l的歸一化光強(qiáng)分布，n0(r,φ)為鉺離子在光纖橫截面上的分布。

假設(shè)所有的信號(hào)模式在輸入端z=0處具有相同的光強(qiáng)，而單一泵浦模式的光強(qiáng)遠(yuǎn)大于信號(hào)模式，若要公式（2）成立，需滿足[2]：

因此，可以通過設(shè)計(jì)少模摻鉺光纖的折射率剖面和鉺離子濃度分布、調(diào)控泵浦模式配比來優(yōu)化重疊因子，使每個(gè)信號(hào)模式的重疊積分盡可能相等，從而實(shí)現(xiàn)少模摻鉺光纖放大器（Few-mode erbium-doped fiber amplifier，F(xiàn)M-EDFA）中不同模式之間的增益均衡。

3 少模摻鉺光纖設(shè)計(jì)

對(duì)少模摻鉺光纖的折射率剖面進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以調(diào)整光纖中傳輸?shù)男盘?hào)模式的模場(chǎng)分布，進(jìn)而降低光纖中各模式交疊積分因子之間的差值，從而實(shí)現(xiàn)增益均衡。而對(duì)稀土摻雜離子的分布進(jìn)行調(diào)控，可以通過調(diào)整鉺離子的摻雜位置及濃度，使得各信號(hào)模式之間的重疊積分因子差異降低，從而實(shí)現(xiàn)DMG的降低。

2011年，英國南安普頓大學(xué)[6]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用光纖設(shè)計(jì)結(jié)合泵浦模場(chǎng)的控制來降低DMG，提出了兩種折射率分布不同的少模摻鉺放大光纖，分別用Fiber#1和Fiber#2表示。Fiber#1的纖芯中心折射率較高，F(xiàn)iber#2的纖芯中心折射率較低，折射率分布分別如圖1（a）、（b）所示，鉺離子摻雜剖面與光纖的折射率分布相似。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下分別對(duì)Fiber#1和Fiber#2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用偏置泵浦后向發(fā)射的方式，F(xiàn)iber#2光纖中傳輸?shù)腖P01和LP11模式的平均增益為22 dB，DMG可以降到1 dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過對(duì)少模摻鉺光纖的纖芯中心折射率分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合對(duì)泵浦模場(chǎng)分布的控制，可以較好地實(shí)現(xiàn)FM-EDFA的增益均衡。

圖1 少模摻鉺放大光纖折射率分布。（a）Fiber#1；（b）Fiber#2［6］。Fig.1 Refractive index difference profile of few-mode erbium-doped amplified fiber.（a）Fiber#1.（b）Fiber#2［6］.

而在纖芯的邊緣引入一個(gè)折射率溝道，可以將模式都限制在纖芯內(nèi)，從而使得每個(gè)模式的重疊積分因子盡可能相等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模式間增益均衡。2018年，印度理工學(xué)院仿真設(shè)計(jì)了一種溝道輔助型的折射率分布[45]，光纖的折射率分布及摻雜分布如圖2（a）所示。通過在少模摻鉺光纖的纖芯折射率邊緣添加溝道，結(jié)合環(huán)形鉺離子摻雜分布，即在纖芯的外圍摻雜鉺離子、而纖芯的中心不摻雜鉺離子，可以較好地實(shí)現(xiàn)C波段FM-EDFA的增益均衡。對(duì)該少模摻鉺光纖進(jìn)行仿真模擬，采用LP01模式進(jìn)行泵浦，通過調(diào)整溝道的寬度及折射率，可以實(shí)現(xiàn)5個(gè) 模 群（LP01、LP11、LP21、LP31、LP41）的 均 衡 放大，各模群的增益均達(dá)到20 dB以上，差分模態(tài)增益為0.45 dB左右。信號(hào)模式及泵浦模式的模斑圖如圖2（b）所示。

圖2 （a）溝道輔助型折射率分布；（b）信號(hào)模式及泵浦模式的模斑圖［45］。Fig.2（a）Trench-assisted refractive index profile.（b）Mode profiles of signal and pump mode groups［45］.

對(duì)少模摻鉺光纖鉺離子摻雜剖面的設(shè)計(jì)除了環(huán)形摻雜分布之外，還有超過纖芯范圍的大面積摻雜。由于不同模式的模場(chǎng)半徑不同，有的模式的模場(chǎng)半徑可能會(huì)超過纖芯，而超過纖芯范圍的大面積摻雜可以覆蓋到所有的模式，降低模式間重疊積分因子的差異，從而實(shí)現(xiàn)增益均衡。2016年，日本KDDI電信公司[24]的研究人員提出了超過纖芯范圍的大面積鉺摻雜少模放大光纖，纖芯直徑為12.5μm，而鉺離子摻雜區(qū)域直徑為25μm，如圖3（a）～（b）所示。通過增加鉺離子的摻雜范圍，使得不同信號(hào)模式在鉺離子摻雜區(qū)域內(nèi)的重疊積分因子的差別變小，使用前向包層泵浦時(shí)能有效地實(shí)現(xiàn)模態(tài)均衡。對(duì)該少模摻鉺光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該光纖可以在C波段實(shí)現(xiàn)四模群24 dB的平均增益，差分模態(tài)增益小于3.3 dB，如圖3（c）所示。

圖3 （a）小面積摻雜（左）和大面積摻雜（右）情況下的模場(chǎng)和增益介質(zhì)之間的重疊；（b）大面積摻雜少模摻鉺放大光纖鉺離子濃度及相對(duì)折射率分布；（c）不同信號(hào)模式的增益隨波長變化［24］。Fig.3（a）Overlaps between mode fields and gain media in a small doped area（left）and a large doped area（right）.（b）Profile of a fabricated double-cladding fiber with a large erbium-doped area.（c）Gain spectra for every mode as a function of wavelength［24］.

由于采用MCVD工藝?yán)瞥龅纳倌姐s放大光纖達(dá)不到設(shè)計(jì)的折射率及摻雜結(jié)構(gòu)的理想結(jié)果，而使用多根折射率和摻雜分布不同的預(yù)制棒進(jìn)行組合之后再拉制，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。2013年，法國里爾第一大學(xué)提出了采用空氣或二氧化硅光子晶體光纖來制作少模摻鉺光纖[46]，將純二氧化硅棒與不同濃度的鉺摻雜二氧化硅棒共19根進(jìn)行組合，再拉制成纖芯，包層為空氣孔二氧化硅材料，如圖4（a）所示，實(shí)現(xiàn)了纖芯內(nèi)鉺離子濃度的突變。通過仿真驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)四模群21 dB的平均增益，差分模態(tài)增益小于2 dB，如圖4（b）所示。

圖4 （a）光子晶體光纖中的微結(jié)構(gòu)鉺摻雜分布；（b）不同信號(hào)模式的增益隨波長變化［46］。Fig.4（a）Micro-structured erbium-doped profile in the photonic crystal fiber.（b）Gain spectra for every mode as a function of wavelength［46］.

4 纖芯泵浦少模摻鉺光纖及其放大器

當(dāng)少模摻鉺光纖采用纖芯泵浦時(shí)，不同的信號(hào)空間模式在纖芯中與泵浦強(qiáng)度分布及鉺離子分布的重疊不同，導(dǎo)致少模摻鉺放大光纖的增益不均衡。表1給出了基于纖芯泵浦的少模摻鉺光纖及其放大器的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展。

表1 基于纖芯泵浦的少模摻鉺光纖及其放大器的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展Tab.1 Review of few-mode erbium-doped fiber and its corresponding amplifier based on core-pumped

2013年，美國NEC實(shí)驗(yàn)室的研究人員[29]提出了具有階躍折射率分布的環(huán)形少模摻鉺放大光纖，結(jié)合980 nm泵浦光源、以LP01模式為泵浦模式對(duì)少模摻鉺放大光纖進(jìn)行纖芯泵浦，將LP01模式和LP11模式之間的差分模態(tài)增益降到了2.5 dB以下。2014年，英國南安普頓大學(xué)光電子研究中心[30]采用LP21模式作為泵浦模式，對(duì)具有環(huán)形摻雜的少模摻鉺放大光纖進(jìn)行泵浦。少模摻鉺光纖的摻雜結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示，折射率剖面及摻雜離子濃度 分 布如圖5（b）所示[47]，實(shí)現(xiàn)了波長在1 535～1 560 nm范圍內(nèi)4個(gè)模式20 dB以上的增益，差分模態(tài)增益小于3 dB。

圖5 環(huán)形鉺摻雜少模光纖。（a）鉺離子徑向分布［47］；（b）折射率剖面及摻雜離子濃度分布［47］；（c）不同信號(hào)模式的增益隨波長變化［30］。Fig.5 Few-mode erbium ring-doped fiber.（a）Radial distribution of erbium ions［47］.（b）Fiber refractive index/doping profile［47］.（c）Modal gain as a function of wavelength across the C-band［30］.

2015年，日本電報(bào)電話公司同樣提出具有階躍折射率的環(huán)形摻鉺光纖，結(jié)合LP11模式的泵浦優(yōu)化，在1 530～1 560 nm波段[26]和1 570～1600 nm波段[27]均實(shí)現(xiàn)了1 dB以下的差分模態(tài)增益。2016年，美國中佛羅里達(dá)大學(xué)[31]使用自制少模摻鉺放大光纖，結(jié)合模式選擇光子燈籠來控制泵浦模式含量，選擇LP21模式作為泵浦模式，在1 535～1 565 nm波段實(shí)現(xiàn)了4個(gè)模群的同時(shí)放大，增益大于10 dB，差分模態(tài)增益小于5 dB。

2017年，日本電報(bào)電話公司[25]為了減小少模摻鉺放大光纖與具有漸變折射率結(jié)構(gòu)的傳輸光纖之間的模場(chǎng)不匹配情況，對(duì)比設(shè)計(jì)了兩種不同折射率結(jié)構(gòu)的環(huán)形少模摻鉺放大光纖：一種是具有環(huán)形剖面的階躍折射率結(jié)構(gòu)，如圖6（a）所示；圖6（b）是根據(jù)圖6（a）的設(shè)計(jì)拉制出來的光纖的實(shí)際鉺離子摻雜及相對(duì)折射率分布，選擇LP01模式進(jìn)行纖芯前向泵浦，可以在1 570～1 605 nm波段實(shí)現(xiàn)LP01、LP11、LP21三個(gè)模群15 dB以上的增益，差分模態(tài)增益低于6 dB，噪聲指數(shù)低于10 dB，如圖6（c）所示。另一種是中心凹陷的階躍折射率結(jié)構(gòu)，如圖7（a）所示；圖7（b）是根據(jù)圖7（a）的設(shè)計(jì)拉制出來的光纖的實(shí)際鉺離子摻雜及相對(duì)折射率分布，同樣選擇LP01模式進(jìn)行纖芯前向泵浦，可以在1 570～1 605 nm波段實(shí)現(xiàn)21 dB的平均增益，差分模態(tài)增益低于4.5 dB，噪聲指數(shù)低于8 dB。

圖6 （a）環(huán)形剖面的相對(duì)折射率及鉺離子摻雜分布設(shè)計(jì)圖；（b）環(huán)形剖面的相對(duì)折射率及鉺離子摻雜分布實(shí)際圖；（c）不同信號(hào)模式的增益及噪聲隨波長變化［25］。Fig.6（a）Relative index and erbium concentration profile（filled region）of ring-shaped core profile for both erbium concentration and refractive index.（b）Refractive index profiles and erbium concentration profiles.（c）Gain and NF spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［25］.

圖7 （a）中心凹陷的相對(duì)折射率及鉺離子摻雜分布設(shè)計(jì)圖；（b）中心凹陷的相對(duì)折射率及鉺離子摻雜分布實(shí)際圖；（c）不同信號(hào)模式的增益及噪聲隨波長變化［25］。Fig.7（a）Relative index and erbium concentration profile（filled region）of center depressed core profile for erbium concentration and refractive index.（b）Refractive index profiles and erbium concentration profiles.（c）Gain and NF spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［25］.

2018年，法國里爾第一大學(xué)再次提出使用微結(jié)構(gòu)纖芯組合再拉制的方法制作少模摻鉺放大光纖[48]，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)少模摻鉺放大光纖的過程示意圖如圖8（a）所示。纖芯區(qū)域支持由19根鉺離子均勻摻雜的纖芯間的光耦合產(chǎn)生的超模，這些超模在19根鉺離子摻雜的纖芯中呈現(xiàn)極大值，從而增加了信號(hào)光模式、泵浦光模式與鉺離子摻雜之間的重疊積分。通過仿真，結(jié)合LP31a、LP12、LP22a模式進(jìn)行泵浦，該微結(jié)構(gòu)少模摻鉺放大光纖可以實(shí)現(xiàn)6個(gè)模群19 dB的平均增益，差分模態(tài)增益小于1.1 dB，如圖8（b）所示。

圖8 （a）微結(jié)構(gòu)少模摻鉺放大光纖的實(shí)現(xiàn)過程示意圖；（b）不同信號(hào)模式的增益及DMG隨波長變化［48］。Fig.8（a）Schematic description of the process used to realize a few-mode amplified fiber with micro structure.（b）Gain and DMG spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［48］.

2019年，天津大學(xué)李小英課題組[32]提出了一種具有雙環(huán)形摻雜結(jié)構(gòu)的少模摻鉺放大光纖，雙環(huán)少模摻鉺放大光纖的截面圖如圖9（a）所示。在拉制的過程中，由于離子的擴(kuò)散效應(yīng)以及其他缺陷，導(dǎo)致鉺離子的分布與最初的設(shè)計(jì)相異，呈現(xiàn)“蝙蝠俠”狀，如圖9（b）所示。光纖具有簡單的雙環(huán)形結(jié)構(gòu)，其中，外環(huán)的鉺離子濃度高于內(nèi)環(huán)的鉺離子濃度。在LP01模式進(jìn)行纖芯前向泵浦的情況下，可以在1 530～1 565 nm波段實(shí)現(xiàn)四模群15 dB以上的增益，差分模態(tài)增益小于4 dB，如圖9（c）所示；噪聲指數(shù)低于9 dB，如圖9（d）所示。采用雙環(huán)形鉺離子摻雜分布，且兩個(gè)環(huán)的鉺離子濃度不同，僅調(diào)控鉺離子的濃度及分布，最終實(shí)現(xiàn)四模群的增益均衡。

圖9 雙環(huán)形少模摻鉺放大光纖。（a）鉺離子分布截面圖；（b）相對(duì)折射率及鉺離子濃度分布；（c）不同信號(hào)模式的增益隨波長變化；（d）不同信號(hào)模式的噪聲指數(shù)隨波長變化［32］。Fig.9 FM-EDFA with two-layer erbium-doped structure.（a）Cross section of the erbium ions.（b）The profile of the relative refractive index and erbium ion concentration.（c）Gain spectra for every mode as a function of wavelength across the Cband.（d）NF spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［32］.

2020年，日本電報(bào)電話公司[33]提出采用飛秒激光技術(shù)在少模摻鉺光纖的纖芯中刻蝕空隙來減少差分模態(tài)增益，基于激光刻蝕技術(shù)的概念圖如圖10（a）所示。圖10（a）也顯示了在1 550 nm處計(jì)算的LP01和LP11模式的電場(chǎng)分布，從圖中可以看出，當(dāng)空隙的直徑為5μm時(shí)，LP01模式的電場(chǎng)受到了較大的影響，纖芯中心的場(chǎng)強(qiáng)極大地降低；而空隙對(duì)LP11模式的電場(chǎng)影響有限，表明激光刻蝕的空隙可以選擇性地衰減少模摻鉺光纖的LP01模式。通過研究空隙直徑對(duì)LP01和LP11兩個(gè)模式的衰減情況，最終使用直徑為6.8μm的空隙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用纖芯泵浦的泵浦方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10（b）所示。在1 530～1 570 nm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了23 dB的平均增益，差分模態(tài)增益在1 dB左右，極大地降低了少模摻鉺放大光纖的DMG。

圖10 （a）基于激光刻蝕降低DMG技術(shù)概念圖；（b）不同信號(hào)模式的增益和DMG隨波長變化［33］。Fig.10（a）Conceptual diagram of laser inscription based DMG reduction technique.（b）Gain and DMG spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［33］.

對(duì)于基于纖芯泵浦的少模摻鉺放大光纖而言，從模式數(shù)量角度來分析，隨著光纖傳輸?shù)目臻g模式增加到10個(gè)以上或者更多，單模泵浦很難滿足泵浦功率的要求。若使用多個(gè)單模泵浦并行來滿足泵浦要求，原理上可行，但造價(jià)極其昂貴且體積較大，不利于FM-EDFA投入使用。此外，基于纖芯泵浦的少模摻鉺放大光纖需要特殊結(jié)構(gòu)的少模摻鉺光纖以使得不同模式的信號(hào)光場(chǎng)、泵浦光場(chǎng)及鉺離子分布之間的重疊差異最小，從而降低差分模態(tài)增益。隨著模式數(shù)量的增多，為了實(shí)現(xiàn)模態(tài)均衡，會(huì)對(duì)光纖的設(shè)計(jì)、制備以及泵浦模態(tài)的調(diào)控提出更高的要求，從而限制了可用模式通道的數(shù)量。

5 包層泵浦少模摻鉺光纖及其放大器

當(dāng)少模摻鉺放大光纖采用包層泵浦時(shí)，100多種空間泵浦模式在少模摻鉺光纖的包層中傳輸[49]，泵浦功率近似均勻分布于光纖的橫截面上。此時(shí)，泵浦模場(chǎng)的影響可以忽略，F(xiàn)M-EDFA的差分模態(tài)增益僅由信號(hào)模式強(qiáng)度和鉺離子分布的重疊決定。表2給出了基于包層泵浦的少模摻鉺光纖及其放大器的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展。

表2 基于包層泵浦的少模摻鉺光纖及其放大器的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展Tab.2 Review of few-mode erbium-doped fiber and its corresponding amplifier based on cladding-pumped

2014年，英國南安普頓大學(xué)[34]拉制出Er/Yb共摻雙包層少模光纖，使用包層泵浦的方式對(duì)LP01和LP11模式進(jìn)行放大，在1 535～1 560 nm波段實(shí)現(xiàn)20 dB的平均增益，差分模態(tài)增益小于3 dB。同年，該校使用包層泵浦的方式對(duì)具有折射率溝道的少模摻鉺放大光纖進(jìn)行泵浦[28]，在1 534～1 565 nm波段 實(shí)現(xiàn)了LP01、LP11、LP21、LP02四 模群23 dB的平均增益，差分模態(tài)增益低于3 dB，噪聲指數(shù)最大為8 dB。

為了簡化光纖的制作工藝，同時(shí)最小化差分模態(tài)增益，2016年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室[35]提出擴(kuò)大光纖的芯徑（24μm）以支持更多的模式，如圖11（a）所示。同時(shí)，結(jié)合前向包層泵浦的實(shí)驗(yàn)方式，對(duì)LP01、LP11、LP21、LP31、LP41、LP51、LP61七個(gè)模群同時(shí)進(jìn)行放大，在C波段實(shí)現(xiàn)了17 dB的增益，如圖11（b）所示，差分模態(tài)增益低于2 dB。2017年，美國中佛羅里達(dá)大學(xué)[22]提出支持8個(gè)模群的大芯徑光纖，在C波段實(shí)現(xiàn)了16 dB的增益，差分模態(tài)增益降到0.2 dB。

圖11 （a）大芯徑少模摻鉺放大光纖截面圖及傳輸模群的模斑圖；（b）增益隨頻率變化［35］。Fig.11（a）Erbium-doped fiber facet image and modal patterns from each mode group.（b）Gain spectrum as a function of frequency across the C-band［35］.

2018年，天津大學(xué)李桂芳課題組[23]提出同時(shí)傳輸12個(gè)模群21個(gè)空間模式的具有折射率溝道輔助的雙包層少模摻鉺放大光纖，其光纖截面如圖12（a）所示，相對(duì)折射率分布如圖12（b）所示，鉺離子摻雜濃度如圖12（c）所示。使用多模980 nm泵浦光源對(duì)其進(jìn)行前向包層泵浦放大，在1 530～1 565 nm波段實(shí)現(xiàn)了15 dB的平均增益，差分模態(tài)增益低于3 dB，如圖12（d）所示。折射率溝道的存在將信號(hào)模式的模場(chǎng)分布很好地束縛在纖芯中，優(yōu)化了各模式的重疊積分因子，從而實(shí)現(xiàn)了少模摻鉺放大光纖的增益均衡。

圖12 雙包層少模摻鉺放大光纖。（a）截面圖；（b）相對(duì)折射率分布；（c）鉺離子濃度分布；（d）不同信號(hào)模群的增益隨波長變化［23］。Fig.12 Double cladding erbium-doped fiber.（a）Cross section.（b）Refractive index profile.（c）Erbium distribution along the fiber radius position.（d）Gain spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［23］.

2022年，華中科技大學(xué)李進(jìn)延課題組[37]提出了一種新型的包層泵浦偽兩級(jí)結(jié)構(gòu)，通過在Er/Yb共摻雙包層少模放大光纖的中間注入泵浦光，對(duì)少模光纖進(jìn)行放大。Er/Yb共摻雙包層少模放大光纖的截面圖及折射率分布如圖13（a）所示，有源光纖的前半段主要由后向傳輸?shù)谋闷止夂虲波段的后向放大自發(fā)輻射（Amplified spontaneous emission,ASE）進(jìn)行放大；而后，前半段輸出的C波段多模正向ASE作為纖芯泵浦源對(duì)后半段有源光纖進(jìn)行放大，如圖13（b）所示，有效利用C波段的ASE作為L波段的泵浦。使用940 nm泵浦光源，通過調(diào)節(jié)前后兩段有源光纖的長度，最終實(shí)現(xiàn)了1 570～1 620 nm范圍內(nèi)25 dB的平均增益，差分模態(tài)增益小于1 dB，如圖13（c）所示。該結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性地在少模摻鉺放大光纖中同時(shí)采用纖芯泵浦與包層泵浦，充分利用ASE，有效地降低了DMG。

圖13 （a）鉺鐿共摻少模摻鉺放大光纖的相對(duì)折射率分布及截面圖；（b）包層泵浦偽二級(jí)結(jié)構(gòu)圖解；（c）不同信號(hào)模式的增益隨波長變化［37］。Fig.13（a）Refractive index profile and the cross section image of the few-mode Er/Yb co-doped fiber.（b）Schematic of the cladding-pumped pseudo-two-stage.（c）Gain spectra for every mode as a function of wavelength across the L-band［37］.

采用包層泵浦的泵浦方式時(shí)，使用多模泵浦激光器不需要特定的泵浦狀態(tài)，相比纖芯泵浦的泵浦方式而言，多模泵浦激光器的泵浦功率更高，且成本較低；隨著空間模式數(shù)量的增多，驅(qū)動(dòng)和控制單個(gè)多模泵浦激光器所需要的電力通常低于驅(qū)動(dòng)多個(gè)單模泵浦激光器所需要的電力。因此，采用包層泵浦的泵浦方式更方便，更經(jīng)濟(jì)環(huán)保，更可持續(xù)發(fā)展[49]。

基于包層泵浦的FM-EDFA，差分模態(tài)增益僅由信號(hào)模式強(qiáng)度和鉺離子分布的重疊決定。因此，采用包層泵浦可以實(shí)現(xiàn)更高的飽和輸出功率、更小的差分模態(tài)增益。

6 總結(jié)與展望

基于少模光纖的空分復(fù)用技術(shù)有望大幅提高單根光纖內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸容量，是未來大容量光通信技術(shù)發(fā)展的重要技術(shù)之一。近年來，研究人員對(duì)少模摻鉺放大光纖進(jìn)行了深入研究，支持的空間模式從3個(gè)擴(kuò)展到21個(gè)不等。當(dāng)光纖中包含的模式數(shù)目開始增多、不同的模式在光纖中同時(shí)傳輸放大時(shí)，上下能級(jí)的鉺離子將產(chǎn)生競(jìng)爭效應(yīng)，使得光纖中上下能級(jí)的鉺離子重新分配，此時(shí)上下能級(jí)的鉺離子分布將受到泵浦光場(chǎng)、信號(hào)光場(chǎng)等的共同作用[39]。少模摻鉺放大光纖摻雜剖面及折射率分布的設(shè)計(jì)和泵浦方式的選擇為降低DMG提供了解決辦法。采用纖芯泵浦的少模摻鉺放大光纖模式擴(kuò)展困難，需要特殊結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖或泵浦狀態(tài)來減小差分模態(tài)增益，限制因素過多，難以搭建多級(jí)系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)高增益。而采用包層泵浦的少模摻鉺放大光纖，泵浦功率高且近乎均勻分布于纖芯上，飽和輸出功率大，差分模態(tài)增益小，限制條件少，更容易實(shí)現(xiàn)多級(jí)放大，成本更低。

展望未來，對(duì)少模摻鉺放大光纖的研究還有很大的探索空間：增加信號(hào)傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量、優(yōu)化少模摻鉺放大光纖的結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜摻雜分布及折射率分布的工藝優(yōu)化、能夠批量生產(chǎn)、與少模摻鉺光纖放大器中的其他器件（如隔離器、偏振控制器、合束器等）完美匹配等。我們期待少模摻鉺光纖的放大性能有更進(jìn)一步的提升，使其在市場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)揮作用并帶來重大突破，最終開拓出模分復(fù)用更深層次的應(yīng)用。

本文專家審稿意見及作者回復(fù)內(nèi)容的下載地址：http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20220246.