空分复用光纤放大器：5G通信畅领未来的担当【《光学学报》创刊40周年庆】




 

《光学学报》40周年庆约稿| 裴丽;李祉祺;王建帅;解宇恒;郑晶晶;李晶;宁提纲; 空分复用光纤放大器增益均衡技术研究[J]. 光学学报, 2021, 41(1): 0106001.

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编者按

2021年是《光学学报》创刊40周年，编辑部特邀北京交通大学裴丽教授课题组撰写《空分复用光纤放大器增益均衡技术研究》综述论文。随着5G的正式商用，全球网络流量的需求剧增，传统单芯单模光纤通信系统的容量已接近香农极限，实现通信系统的升级扩容迫在眉睫。空分复用光纤通信系统利用空间维度复用，可有效解决未来通信系统的扩容难题，而空分复用光纤放大器是其不可或缺的核心器件之一，本文对空分复用光纤放大器增益均衡技术取得的进展及未来发展方向进行了总结与展望。全文链接如下：http://www.opticsjournal.net/Articles/HPAbstract?manu_number=g201109

1、引言

随着第五代移动通信技术（5G）正式商用，全球网络流量的需求爆炸式增长，传统单芯单模光纤通信系统的容量已接近香农极限，实现通信系统的升级扩容迫在眉睫。空分复用光纤通信系统利用空间维度复用，可有效解决未来通信系统的扩容难题，而空分复用光纤放大器是其不可或缺的核心器件之一。若多信道功率增益不均衡，功率差将会随传输距离的增加不断累积，导致中断概率和接收端误码率升高，最终直接影响系统的传输性能。如何实现增益均衡是空分复用光纤放大器所必须解决的关键问题。

北京交通大学裴丽教授课题组对空分复用光纤放大器增益均衡技术取得的进展及未来发展方向进行了总结与展望。

2、单芯少模光纤放大器增益均衡技术

单芯少模光纤放大器增益均衡的主要方式包括泵浦光模式选择、光纤折射率剖面设计及铒离子调控。

2.1 泵浦光模式选择

泵浦光模式选择是指设计放大器的泵浦源模式和功率配比，均衡各模式交叠积分因子，实现增益均衡。 2011年，美国中弗罗里达大学首次提出通过调节多泵浦模式配比来实现放大器的增益均衡方案，如图1所示。 2012年，美国NEC实验室研究了四模式和六模式群组放大，实验验证了调节泵浦模式功率配比对信号模式增益均衡的可行性，指出仅调整泵浦功率配比无法完全实现两个以上信号模式的增益均衡。 2013年，美国斯坦福大学提出使用空间光调制器控制泵浦模式含量来自适应控制模式相关增益的方案，该技术中每个偏振态只需一个泵浦源，可应用于更复杂铒掺杂分布的少模光纤放大器，与单纯控制泵浦模式配比相比更为有效。

图1 少模掺铒光纤放大器结构

2.2 光纤折射率剖面设计

光纤的折射率剖面设计是指优化少模掺铒光纤折射率分布，调整光纤中各模式的模场分布，从而降低各模式功率交叠积分因子差值，实现增益均衡。 2011年，英国南安普顿大学首次将光纤结构设计和泵浦模式调控相结合来减小模式增益差。很快又提出双层芯、三层芯及多阶梯型等多种折射率分布的少模掺铒光纤用于空分复用光纤放大器的增益均衡。其中，采用环芯增益光纤的放大器具有良好的增益均衡表现，在日本、英国、印度等国家得到广泛关注。 国内长飞公司于2017年与英国南安普顿大学合作研制的环芯光纤如图2(a) 所示，该光纤可在1530-1560 nm波段保持增益差小于1 dB。 2018年，印度技术学院提出一种单沟槽环形纤芯掺铒光纤，如图2(b)所示。光纤为两层或三层芯子结构，通过其内、外半径设计及沟槽辅助，使各信号模式能量分布区域较为接近，降低了功率交叠积分因子差值，实现不同信号模式之间的低增益差。

图2 (a) )环芯掺铒光纤截面；(b) 带沟槽的环芯光纤折射率及掺杂分布.

北京交通大学提出一种基于纳米孔辅助双包层结构少模光纤，如图3所示，显著提高了传输模式之间的有效折射率差，实现6个LP模式之间有效折射率差大于1.8×10-3的弱耦合效果。进一步提出一种基于差分内包层结构的异质多芯光纤，降低了纤芯间耦合，实现1550nm处低于-50dB/100km的芯间串扰。

图3 基于纳米孔辅助双包层结构少模光纤

2.3 铒离子调控

铒离子调控是指设计少模掺铒光纤内铒离子浓度和掺杂位置，降低各模式间的交叠积分因子差异，实现模式增益均衡。 2013年，英国南安普顿大学设计并制作了环形掺杂光纤，如图4(a)所示。该光纤采用单环形掺杂设计与泵浦模式调控相结合，增益差小于3 dB。通过多层掺杂设计，可进一步实现阶跃折射率光纤1dB以下的增益差值。2015年天津大学提出了一种掺杂浓度不相同的双区域掺杂光纤，如图4(b)所示，实现了四个模式间增益差小于0.5dB。

图4(a)单层掺杂设计；(b)多层掺杂设计

北京交通大学基于自编软件分析不同结构少模光纤的增益特性，结合现有工艺设计光纤的折射率剖面和掺杂剖面，从而精确控制不同模式的模场分布，实现增益均衡。设计的一种四模式增益光纤，放大过程的仿真结果如图 5（a）和5（b）所示，在正反向泵浦条件下，可实现26 dB以上的增益，增益差小于2 dB。

图5 各模式的增益随传输距离的变化曲线（a）正向泵浦；（b）反向泵浦

3、多芯单模光纤放大器的增益均衡技术

多芯单模光纤放大器实现信号增益均衡的关键在于精确控制各纤芯的泵浦光功率，将不同泵浦方式与多芯光纤的多包层结构相结合，实现不同纤芯之间信号的均衡放大（如图6所示）。 2013年，日本电报电话公司对一种12芯双包层铒镱共掺多芯光纤进行包层泵浦，实现了不同纤芯之间2dB以下的增益差值。 2015年加拿大魁北克拉瓦尔大学提出了一种环形包层泵浦的多芯掺铒光纤，将泵浦区域由全包层截面替换为环形包层截面，提高泵浦光与纤芯的重叠程度，获得更高的增益和更低的噪声系数，实现2dB 以下的增益差。 2019年，日本NTT实验室提出混合泵浦方式，将包层泵浦和纤芯泵浦相结合，实现对每个纤芯增益的独立控制，实现纤芯之间的增益差值在2dB 以内，具有较好的增益均衡特性。

图6混合泵浦MC-EDFA结构示意图. (a)单级；(b)多级

4、多芯少模光纤放大器的增益均衡技术

多芯-少模光纤放大器实现增益均衡需同时满足纤芯内部不同模式之间及不同纤芯之间的低增益差，一般采用特殊光纤结构结合多种泵浦方式实现增益均衡。 2016年，美国贝尔实验室提出一种6芯3模掺铒光纤放大方案，光纤为双包层结构，纤芯位于折射率较高的外包层内，泵浦光注入外包层，有效提高泵浦光密度和泵浦利用率，在多模侧面泵浦条件下，实现了各纤芯内模式增益均衡。 2020年，英国南安普顿大学对7芯6模光纤侧面泵浦，实现了42个信道的同时传输，实现迄今为止最高的空间密度和能量效率，增益差约为3.2dB。 2017年，日本藤仓公司提出一种七芯三模掺铒光纤，如图7(a)所示。纤芯均采用环芯结构，通过纤芯泵浦，实现各纤芯内增益差小于3.2dB。同年，日本NTT实验室提出一种6芯掺铒光纤，对每个纤芯进行铒离子掺杂时，使其中心处有一个下降，如图7(b)所示，通过该设计，在C、L波段分别获得18dB和15dB的平均增益，增益差均小于5dB。

图7 不同的多芯-少模掺铒光纤（a）环芯七芯光纤；（b）六芯光纤

5、总结

空分复用光纤传输系统中，不同信道的损耗与增益不同，导致放大后各信号之间存在功率差异。这种差异随着传输距离的增加不断累积，容易引发系统中断和接收端误码率升高。文章多角度阐述了具有代表性的空分复用光纤增益均衡技术的研究成果，为空分复用光放大器增益均衡技术的进一步研究提供了解决思路与技术方案。

个人简介

裴丽，北京交通大学教授，博导。北京通信学会理事、光通信委员会主任。主要从事新型光电子器件、光传感、微波光子及光子集成的研究。入选国家自然科学杰出青年基金，教育部新世纪优秀人才等。先后主持国家和省部级科研项目10余项。发表SCI 收录论文100余篇，学术成果被多次引用；获国家专利授权数十项。国内外会议邀请报告、TPC委员等30余次。
 

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