空分复用光纤放大器增益均衡技术研究进展 下载: 1575次特邀综述
1 引言
近年来,随着互联网、云计算、大数据、人工智能以及5G等业务的飞速发展,网络通信容量剧增。全球网络流量每年以40%的增速持续增长,据Cisco公司统计,预计到2022年,全球IP流量将从2017年的每月122 EB增长到每月396 EB,复合年增长率达26%[1]。
光纤通信是信息产业的基石,是《国家中长期发展规划纲要》重点强调的研究领域,为实现光通信容量的不断提升,波分复用、频分复用、偏振复用等技术不断涌现,然而受光纤非线性效应的影响,目前单模光纤系统的通信容量已接近香农极限,进一步提升传输容量十分困难[2-4]。发展新一代高速大容量光传输技术,既是实际应用的需求,也是保持国家竞争力的迫切要求。
为了解决未来通信扩容的难题、突破现有光纤通信的技术瓶颈,空分复用技术被认为是实现光纤通信容量升级扩容的关键技术之一[5-6]。空分复用技术包括模分复用和芯分复用两种,主要以单芯少模光纤(FMF)、多芯单模光纤(MCF)和多芯-少模光纤(MC-FMF)作为载体实现信息的传递,可以在不增加光缆铺设面积的同时成倍地提高光纤通信容量[7-9]。
空分复用光通信系统中,不同信道光信号的损耗和增益不同,其信道功率差将随着传输距离的增加不断累积,最终很可能造成系统的中断和接收端误码率的升高[10-13]。有效地进行中继放大是空分复用传输发展的关键技术之一,目前中继放大均衡技术面临的挑战是:传统光纤扩展至少模后,导模的模场分布不同,导致大的模式增益差(MGD);传统泵浦方式在不同模式下的泵浦效率不同。这两个问题导致了空分复用放大器模式增益不均衡。随着传输距离的增加,增益差不断累积,导致传输系统信噪比降低、误码率升高、性能劣化。
如何实现增益均衡放大是空分复用放大器所必须解决的关键问题,本文根据已报道的理论与实验研究结果,介绍了单芯少模光纤放大器、多芯单模光纤放大器以及多芯-少模光纤放大器的增益均衡原理,结合本实验室的相关研究工作,总结了目前主要的几种空分复用光纤放大器增益均衡的关键技术,通过合理设计空分复用光纤的结构参数及折射率掺杂剖面并选择恰当的泵浦方式,可以达到不同信道间的功率补偿与均衡,为空分复用光纤放大器增益均衡的进一步研究提供了解决思路与技术方案,这对于实现光信号在空分复用光纤通信系统中的长距离传输有着举足轻重的作用。
2 空分复用光纤放大器的增益均衡原理
与传统单芯-单模掺铒光纤放大器不同,空分复用光纤放大器既要考虑多芯情况下不同纤芯内传输信号的增益均衡,又要考虑少模情况下,不同模式的增益均衡,只有严格控制不同信道中各信号的增益差,才能保持长距离传输过程的增益均衡。下面结合几种主要的有源空分复用光纤结构,介绍它们的增益均衡原理。
2.1 单芯少模光纤放大器的增益均衡原理
单芯少模光纤是指单一纤芯中支持若干个模式复用的光纤,典型的单芯少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA)装置如
单芯少模增益光纤是FM-EDFA的核心,其信号增益情况依据速率方程理论计算得出,不同信号模式的增益情况与信号光和泵浦光的归一化光强以及纤芯内部的铒离子分布有关,定义光纤截面上信号光、泵浦光和铒离子分布的交叠程度为交叠积分因子[6],其表达式为
式中:n0(r,φ)为纤芯内部的铒离子分布;Γs,i(r,φ)为信号光的归一化光强分布;Γp(r,φ)为泵浦光的归一化光强分布;a为少模掺铒光纤的纤芯半径;(r,φ)为光纤截面内某一点的极坐标。
由速率方程和(1)式可知,单芯少模光纤放大器内,不同信号模式间的增益状况与少模掺铒光纤的交叠积分因子息息相关。通过优化交叠积分因子的差值,可实现FM-EDFA中不同模式间的增益均衡。
2.2 多芯单模光纤放大器的增益均衡原理
多芯单模光纤是将同一包层内若干纤芯进行复用的光纤,多芯掺铒光纤放大器(MC-EDFA)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。根据采用泵浦方式的不同,MC-EDFA可分为纤芯泵浦MC-EDFA与包层泵浦MC-EDFA,其典型结构分别如
纤芯泵浦MC-EDFA中,以MCF中某一纤芯的泵浦情况为例,信号光与泵浦光经波分复用器共同进入单模光纤,通过扇入/扇出设备实现MCF与多根单模光纤的复用连接,并利用掺铒光纤实现信号光的放大。该MC-EDFA的优点是泵浦光转换效率高、增益大,不足的是通常需要与多芯光纤纤芯数目相同的泵浦光源,系统集成度较低、功耗大、元件数目较多且成本高。
包层泵浦MC-EDFA中,多芯掺铒光纤一般为双包层结构。采用包层侧面泵浦的方式,将多模裸纤与剥除外包层的双包层光纤缠绕后进行高温加热融化及拉伸,形成锥形过渡区,使泵浦光由多模光纤经双包层光纤的侧面进入内包层,再耦合到各个纤芯内,实现信号光放大。该MC-EDFA的优点是只需单个泵浦源且集成度较高,既可以降低成本,又可减少元件数目,不足的是包层泵浦可放大的纤芯数量有限,且难以实现对单个纤芯的增益控制。
为了克服上述不足,可将纤芯泵浦和包层泵浦两种方式相结合,即采用混合泵浦方式控制各纤芯的泵浦光功率。该方式一方面可实现均匀泵浦下单个纤芯的增益可控性,另一方面能够有效地提高泵浦效率,降低功耗。
2.3 多芯-少模光纤放大器的增益均衡原理
多芯-少模光纤是结合少模光纤与多芯光纤优势,实现模式与纤芯同时复用的光纤。为使多芯-少模光纤放大器(MC-FM-EDFA)实现信道增益均衡,需要在确保单个纤芯中多个模式增益均衡的基础上,由单个纤芯扩展到多个纤芯,通过将FMF与MCF的放大技术相结合,进而达到信道之间的增益均衡。
MC-FM-EDFA多采用特殊光纤结构与包层泵浦相结合的方式,在大大降低系统复杂度和成本的同时,可实现不同模式间的增益均衡[16],其原理如
3 空分复用光纤放大器增益均衡技术
根据不同空分复用光纤放大器的增益均衡原理,结合已报道的理论与实验成果,下文将从光纤结构设计、掺杂剖面优化和泵浦方式选择等多个角度阐述空分复用光纤放大器增益均衡技术的研究现状。
3.1 单芯少模光纤放大器的增益均衡技术
FM-EDFA实现增益均衡的主要方式是调控光纤中不同模式的交叠积分因子以降低其差值,具体措施包括泵浦光模式选择、光纤折射率剖面设计以及铒离子调控。
3.1.1 泵浦光模式选择
泵浦光模式选择是指对FM-EDFA所使用的泵浦源进行模式、功率配比上的设计,以均衡各模式交叠积分因子,实现增益均衡。
2011年,美国中佛罗里达大学首次提出通过调节多泵浦模式配比来实现FM-EDFA的增益均衡方案[17],系统结构如
2012年,美国NEC实验室进一步对四模式和六模式群组的放大情况进行了理论与实验研究,通过实验验证了通过调节泵浦模式功率配比实现信号模式增益均衡的可行性,同时指出仅通过调整泵浦模式功率配比无法完全实现两个以上信号模式的增益均衡[18]。
除直接控制泵浦模式功率配比的方案外,2014年,美国斯坦福大学提出了通过使用空间光调制器(SLM)控制泵浦模式含量以自适应控制模式相关增益的方案[19],放大系统结构如
3.1.2 光纤折射率剖面设计
光纤的折射率剖面设计是指通过对少模掺铒光纤折射率的设计,调整光纤中各模式的模场分布,以增大泵浦光与信号光的交叠积分因子,实现模式的增益均衡。
2011年,英国南安普顿大学光电子研究中心首次采用光纤结构设计和泵浦模式调控相结合的方法减小模式MGD[20],系统结构如
图 7. 双模光纤传输系统[20]。(a)结构图;(b)掺铒光纤折射率差分布
Fig. 7. Two-mode fiber transmission system[20]. (a) Structural diagram; (b) refractive index difference profile of erbium-doped fiber
随着多种折射率分布的结构光纤的提出,研究者发现采用环芯光纤可实现4个以上模式的增益均衡。该光纤结构简单,且在多模式放大方面有明显优势。环芯光纤的折射率分布和信号传输过程中的模场分布如
图 8. 环芯光纤折射率分布及各模式模场分布[22]
Fig. 8. Refractive index profile and mode field distributions of ring core fiber[22]
由于环芯光纤的巨大优势,各国开始了对环芯光纤的研究。2015年,日本NTT实验室的Ono等[23]和Wada等[24]分别设计并制作了支持2-LP模式的环芯掺铒光纤放大器,通过调整环形纤芯内外半径对其进行优化,减小了模式之间的增益差值,在不同波长范围内实现了1 dB左右的MGD。
为进一步减小不同模式间的增益差,2018年,印度技术学院提出了一种单沟槽环形纤芯掺铒光纤[25],光纤的折射率分布以及掺杂结构如
2017年,国内长飞公司与英国南安普顿大学合作研制出一种环芯掺铒光纤[26],其截面如
图 9. 不同结构的环芯光纤。(a)带沟槽的环芯光纤折射率分布及掺杂结构[25];(b)环芯掺铒光纤截面[26]
Fig. 9. Ring-core fibers with different structures. (a) Refractive index distribution and doping structure of ring-core fiber with trench[25]; (b) cross section of ring core erbium-doped fiber[26]
3.1.3 铒离子调控
铒离子调控是指通过对少模掺铒光纤内铒离子的浓度和掺杂位置进行设计,降低各模式间的交叠积分因子差异,从而实现模式的增益均衡。
铒离子掺杂设计与光纤折射率设计不同,是掺杂剖面与折射率剖面不重合的设计。常见的掺杂包括纤芯全部掺杂、单环形掺杂、多环形掺杂、抛物线掺杂等,掺杂剖面如
光纤内铒离子的调控与光纤制作技术的进步息息相关。2013年,英国南安普顿大学光电子研究中心的Jung等[27]采用改良的化学气相沉积法设计并制作了环形掺杂光纤,光纤结构及掺杂情况如
为了进一步降低少模光纤放大器不同模式间的增益差值,同年该研究中心设计了一种双区域掺杂的四模阶跃折射率光纤[28],光纤的掺杂剖面和各模式信号的强度分布如
2016年,天津大学在进行少模光纤增益均衡研究时,利用遗传算法分析了不同掺杂光纤内的铒离子分布方式[
图 11. 掺杂剖面设计。(a)单层掺杂[27];(b)相同掺杂浓度的多层掺杂[28];(c)不同掺杂浓度的多层掺杂[29]
Fig. 11. Doping profile designs. (a) Monolayer doping[27]; (b) multilayer doping with the same doping concentration[28]; (c) multilayer doping with different doping concentrations[29]
3.2 多芯单模光纤放大器的增益均衡技术
MC-EDFA是通过将不同的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。
为进一步提升泵浦光的吸收效率,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[31-32],将泵浦区域由普通包层泵浦的全光纤截面改为特殊设计的环形包层区域。为了尽可能地使泵浦光场与纤芯重叠,环形包层的厚度需较小,光纤结构如
图 12. 不同的多芯单模光纤。(a)12芯铒镱共掺双包层光纤[30];(b)环形包层泵浦多芯掺铒光纤[31]
Fig. 12. Different multi-core single-mode fibers. (a) 12-core erbium-ytterbium co-doped double-cladding fiber[30]; (b) annular cladding-pumped multi-core erbium-doped fiber[31]
由于包层泵浦的多芯掺铒光纤放大器在实际应用中无法实现对单个纤芯的增益控制,2014年,美国贝尔实验室提出一种可以用于自由空间的可编程增益均衡控制器[33],该均衡器与使用包层泵浦方式的多芯掺铒光纤紧密相连,形成两级放大器,但该器件的插入损耗较大,在7 dB左右。
2019年,日本NTT实验室提出混合泵浦的方式,通过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[34]。
图 13. 混合泵浦MC-EDFA结构示意图[34]。(a)单级;(b)多级
Fig. 13. Schematic diagram of MC-EDFA with hybrid pumping[34]. (a) Single-stage; (b) multi-stage
3.3 多芯-少模光纤放大器的增益均衡技术
为实现多芯-少模光纤放大器的增益均衡,需同时满足纤芯内部不同模式之间以及不同纤芯之间的小增益差,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模掺铒光纤放大结构[16],其光纤剖面与折射率分布如
图 14. 双包层六芯三模光纤截面及折射率分布[16]
Fig. 14. Cross section and refractive index distribution of double-cladding six-core three-mode fiber[16]
为进一步提升多芯-少模光纤的空间利用率,2020年英国南安普顿大学通过对7芯6模光纤进行侧面泵浦,实现了42个信道的同时放大传输,该传输实验实现了迄今为止最高的空间密度和能量效率,实现了L波段内23.1 dB的平均增益和3.2 dB的平均信号增益差[35]。
除采用包层泵浦外,还可通过对纤芯结构进行特殊设计来均衡各纤芯之间的增益。2017年,日本藤仓公司提出了一种7芯3模掺铒光纤[36],光纤截面与折射率分布如
图 15. 不同的MC-FM-EDF。(a)环芯七芯光纤[36];(b)六芯光纤[37]
Fig. 15. Different MC-FM-EDF. (a) Ring-core seven-core fiber[36]; (b) six-core fiber[37]
4 本实验室的相关研究工作
依托北京交通大学全光网络与现代通信网教育部重点实验室多年来在特种光纤研究、制造、应用等方面的技术积累,开展了空分复用光纤设计及放大器增益均衡的相关研究工作。
在空分复用光纤设计方面,本实验室从减弱少模光纤中模式耦合以及抑制多芯光纤中的芯间串扰等角度开展研究。设计了一种纳米孔辅助的双包层结构少模光纤[38],如
在空分复用光纤放大器增益均衡方面,本实验室开展了相关理论研究。基于自编软件求解放大器速率方程,通过分析阶跃型、环芯以及多层芯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。设计了一种四模式增益光纤,放大过程的仿真结果如
图 17. 4种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
Fig. 17. Variation of gain with transmission distance for four modes. (a) Forward pumping; (b) backward pumping
5 结论
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。这种差异会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。因此,多信道的功率增益均衡是空分复用光传输系统中亟需解决的关键技术之一。总结了单芯少模光纤、多芯单模光纤以及多芯-少模光纤的增益均衡原理,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,该研究为空分复用光纤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。
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