多芯光纤放大器研究现状及发展分析 
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1 引言
目前,基于波分复用、偏振复用、多级调制等技术,单根光纤的传输容量已经达到100 Tbit/s,单模光纤(SMF)的传输容量正在接近香农极限 [ 1 ] 。单模-多芯光纤(SM-MCF)是通过一根光纤中包含的多个纤芯构建多个平行的空间信道,即通过空分复用(SDM)实现多路传输,能够克服光纤传输的香农容量限制,达到扩大传输系统容量的目的。多芯光纤(MCF)能够提供多个空间并行通道,而且不需要复杂的多输入多输出(MIMO)解耦算法,是近期研究的最有可能实现商用的新型传输光纤,引起了研究者的广泛兴趣。近年来,基于MCF的SDM通信系统在骨干网 [ 2 - 3 ] 、接入网 [ 4 ] 和数据中心 [ 5 - 6 ] 的应用研究逐渐增多。
SDM传输系统要实现大容量、高速率、长距离传输,离不开光纤放大器对其传输损耗的补偿,因此MCF放大器成为SDM技术走向实用的关键。从模式上可将MCF分为单模多芯和多模多芯两类(如
2 MC-EDFA
2.1 弱耦合MC-EDFA
弱耦合MC-EDFA是目前研究最多的一类多芯放大器,它不需要复杂的MIMO解耦技术,成本较低,易于实现。2011年,Abedin等 [ 7 ] 最先提出7芯掺铒光纤及其放大器;2014年,Sakaguchi等 [ 8 ] 将多芯掺铒光纤的纤芯数提高到19;2016年,Jain等 [ 9 ] 报告了目前纤芯数目最多的多芯放大器——32芯的MC-EDFA。
2.1.1 独立芯区抽运
MC-EDFA的抽运方式通常可分为两类:独立芯区抽运方式和包层抽运方式。独立芯区抽运是通过扇入扇出(fan in/ fan out)器件将MCF解复用至多个SMF,利用现有的波分复用器(WDM)将信号光和抽运光合成在每一个纤芯内,使抽运光与信号光在纤芯内耦合,从而实现信号放大。Abedin等
[
7
]
提出的7芯掺铒光纤放大器(EDFA)应用的就是独立芯区抽运方式,
2.1.2 包层抽运
MC-EDFA的包层抽运技术借鉴的是当前高功率激光器和高功率放大器广泛使用的双包层抽运技术。双包层抽运技术允许大功率抽运光直接耦合到直径为几十微米到几百微米的内包层,比传统光纤的耦合面积提高了2个数量级,因此入纤功率和耦合效率都大大提高。包层抽运方式只需要1个多模激光器进行抽运。商用的多模抽运激光器价格低廉、输出功率高,所以包层抽运方式具有低成本和高集成度的优势。根据抽运光输入方式的不同,MC-EDFA包层抽运技术又可以分为侧面抽运和端面抽运两种。侧面抽运技术采用特殊设计的缠绕包层结构实现抽运光注入,通过外围包层的功率耦合对多芯光纤内的信号进行放大。端面抽运方式利用中间纤芯进行抽运光注入,通过内包层功率耦合实现对其余纤芯的信号抽运。2012年,Mimura等 [ 10 ] 提出采用端面包层抽运的方式抽运7芯掺铒光纤,之后大多数多芯放大器都采用包层抽运方式。
多芯放大器的包层抽运技术虽然省去了独立芯区抽运所需要的扇入扇出器件,但是不能使用现有的技术成熟的抽运耦合器件,需要设计特殊的抽运耦合器件
[
11
-
13
]
。
图 3. 多芯放大器包层抽运采用的耦合器 [ 11 ] 。(a) TFB;(b)自由空间结构耦合器;(c)熔锥侧面耦合器
Fig. 3. Couplers used in cladding pump of MC-EDFA [ 11 ] . (a) TFB; (b) free space coupler; (c) taper side coupler
表 1. 弱耦合MC-EDFA研究进展
Table 1. Research progress of weak coupled MC-EDFA
|
2.2 强耦合MC-EDFA
强耦合MCF,又称耦合芯传输光纤,通过减小纤芯间距和引入芯间串扰,产生超模传输,其性能优于等效的SMF。出现该现象的原因是纤芯之间的强随机混合减少了非线性作用的累积效应,造成的线性损伤也相应减少。纤芯之间的混合能够确保每个输入信号几乎均匀地传播到所有的纤芯。研究表明,强耦合MCF中纤芯之间的模式相关损耗和差分群时延的增长与光纤长度的平方根成正比,而不是与长度成正比 [ 20 ] ,这使强耦合MCF的串扰性能优于弱耦合MCF,但代价是在接收端需要用MIMO技术进行解耦 [ 21 ] 。
强耦合掺铒光纤比弱耦合掺铒光纤的包层面积小、纤芯间距小,相比于少模掺铒光纤,更容易将模式相关增益差值降低到1 dB以下。强耦合MC-EDFA最近才开始被研究。2017年,Fontaine等 [ 20 ] 提出、制作、测试了一个4芯的强耦合芯光放大器,强耦合掺铒光纤的纤芯间距只有9.4 μm,远小于弱耦合MC-EDFA 40 μm左右的芯间距。通过打乱所有纤芯的信号模式和将抽运更均匀地分配到所有纤芯,强耦合MC-EDFA有效降低了光放大器的模式相关增益(MDG) [ 20 ] 。强耦合MCF最引人注目的优点是其对非线性畸变的容忍度比较高 [ 21 ] ,这一点在9900 km的传输试验中已经得到证实 [ 22 ] 。
2018年,Wada等 [ 23 ] 报道了一种包层抽运结构的具有低模式相关增益的随机耦合的12芯EDFA,纤芯半径为5.5 μm,纤芯间距为15.5 μm,在C波段获得的增益大于17 dB,NF小于6.2 dB,MDG小于1 dB。2019年,Wada等 [ 24 ] 用60 m长的12芯强耦合掺铒光纤和侧面包层抽运技术,在1570~1605 nm波段内得到平均增益为15.7 dB、NF为6.7 dB、波长MDG小于1.2 dB的结果。
3 多芯少模EDFA
理论上,受限于光纤直径,光纤的纤芯数目不能大幅增加;受限于模式串扰,少模光纤的模式数量不能大幅增加。于是,多芯少模的概念被提出,即在MCF中引入模分复用技术
[
25
]
。假设在一根光纤内有
2012年,Mukasa等
[
26
]
设计制造了7芯和19芯两种LP模式的多芯少模光纤。2015年,Jin等
[
27
]
研制出环形包层结构的多芯少模掺铒光纤,制作的6芯3模环形EDFA支持LP
01
、LP
11
模式,通过多模侧面包层抽运方式,18个空分信道的光信号均得到放大,增益超过20 dB,差分模式增益小于3 dB。2018年,Wada等
[
28
]
开发了6芯3模的掺铒光纤及其放大器,其在C波段的平均增益为18 dB,NF小于6.5 dB,差分模式增益小于4 dB;在L波段的平均增益为15 dB,NF小于7.5 dB,差分模式增益小于5 dB。2019年,Jung等
[
29
]
介绍了最新的6模7芯的EDFA,通过采用包层抽运方式在L波段得到增益大于17 dB、NF小于7 dB的结果。该放大器相当于42个分立的EDFA或者EDFA阵列,大大提高了系统的集成度,是目前综合SDM、模分复用方式实现的最高空间维度的光放大器。其实,早在2016年,Igarashi等
[
30
]
就报道了19芯6模的光纤传输系统,通过采用360波15 Gbit/s波特率的双二进制DP-QPSK编码信号,并在接收端使用滤波器抽头数为10000的12×12规模的MIMO均衡处理,实现了空间通道数为114(19×6)、系统容量为2.05 Pbit/s、频谱效率为456 bit/(s·Hz)的结果,但由于没有相应维度的光放大器,因此该系统的传输距离只有9.8 km。相信未来多芯少模光纤放大器会继续发挥其高集成度、高密度的优势,支持SDM多芯少模系统实现更大容量、更高速率和更远传输距离。
表 2. 多芯少模光纤放大器研究进展
Table 2. Research progress of few mode multi-core fiber amplifier
|
4 MC-EYDFA
对于传统的EDFA,受到纤芯直径和掺杂离子浓度的限制,单个EDFA的饱和输出功率较低。一般情况下,当要求饱和输出功率低于27 dBm时,推荐使用技术成熟的普通EDFA技术。但当要求饱和输出功率高于27 dBm时,传统的EDFA技术难以胜任,需要Er/Yb共掺光纤放大器(EYDFA)。这是由于单独掺杂铒的增益光纤受到浓度淬灭效应的影响,无法满足高功率运行的要求。基于双包层光纤、包层抽运的Er/Yb共掺双包层光纤中镱离子的浓度远大于铒离子,使得一个铒离子被多个镱离子包围,避免了铒离子的簇聚,同时提高了铒离子的掺杂浓度 [ 31 ] 。在这种掺杂光纤中,镱离子先吸收抽运光,然后通过敏化作用激发铒离子,形成铒波段粒子数反转,充分利用了镱离子吸收带很宽、抽运吸收系数大和允许高功率多模抽运的优点。
多芯Er/Yb共掺双包层光纤和多芯包层抽运技术的出现,为研制高饱和输出功率的多芯光放大器提供了可能性。近年来,随着高饱和输出功率和低功耗系统要求的出现,关于MC-EYDFA的研究越来越多。
2013年,Ono等 [ 12 ] 报道了一个12芯的EYDFA,采用空间合波器包层抽运的形式,在5 m长的Er/Yb共掺光纤中获得的增益为13.4 dB~18.3 dB,NF小于7.8 dB,抽运功率为1.9 W,增益系数为7.1~9.6 dB/W,抽运转化效率仍有待提高。
表 3. MC-EYDFA研究进展
Table 3. Research progress of MC-EYDFA
|
2017年,Jain等
[
33
]
报道了一个32芯的EYDFA。因为有32个纤芯,所以铒离子被快速吸收掉。为此,特意设计了如
5 多芯拉曼放大器及多芯混合放大器
近年来,随着SDM技术的发展,SDM拉曼放大器的相关研究也不断出现。在拉曼放大器中,传输光纤即为增益光纤,不需要特殊的掺杂光纤作为增益介质。早在2012年,Takara等 [ 36 ] 就运用6.5 W的抽运光,采用纤芯抽运的方式反向抽运传输光纤的7个纤芯,在每个纤芯中获得9 dB~12 dB的拉曼增益,NF小于1 dB,还运用多芯拉曼放大器放大了10个传输速率为96 Gbit/s的16进制正交幅度调制信号(PDM-16QAM),环路实验中信号传输了1000 km。
Masuda等
[
37
]
对多芯遥泵放大器进行了研究,其结构如
2017年以来,Mizuno等
[
38
-
39
]
提出一种利用7芯拉曼放大器和7芯EDFA构成的多芯拉曼/EDFA混合放大器,其结构如
2019年,Puttnam等
[
40
]
提出了C波段与L波段混合的宽带多芯EDFA方案,通过运用8 m和55 m的19芯掺铒光纤,分别实现了C-band与L-band放大,放大器带宽超过73 nm,增益大于12.8 dB,NF小于7.6 dB。采用上述放大器及在C+L波段的345个信道,在PDM-16QAM调制格式下实现的传输容量为0.715 Pbit/s,传输距离为2009.6 km。
图 7. 19芯C+L波段混合多芯放大器结构示意图 [ 40 ] 。(a) 19芯掺铒光纤;(b)放大器
Fig. 7. Structural diagram of C+L band hybrid multi-core amplifier with 19-core [ 40 ] . (a) 19-core EDF; (b) amplifier
6 结束语
综述了包括弱耦合MC-EDFA、强耦合MC-EDFA、多芯少模EDFA、MC-EYDFA、多芯拉曼放大器及多芯混合放大器的研究进展。目前虽然已经有空间维度达到114(19芯×6模) [ 30 ] 、108(36芯×3模) [ 41 ] 的SDM传输系统,且系统容量都已达到Pbit/s级,但是尚缺乏与之相匹配的高维度的多芯光纤放大器。在本研究范围内,少模放大器的最大支持模式数为15个 [ 42 ] ,多芯放大器的最大支持纤芯数为32个,多芯少模放大器支持的最大空间维数为42个(6模7芯) [ 29 ] 。未来还需要开发具有更高空间维度的多芯放大器或多芯少模放大器,配合空分/时分复用技术、高阶调制模式实现更大容量、更高速率、更远距离的SDM传输系统。
SDM系统是未来光纤通信和光传输网络容量扩展和升级演进的重要方向。多芯光纤放大器是实现SDM通信系统的关键技术。从目前研究来看,受限于多芯掺铒光纤的拉制工艺及多芯无源器件水平,C波段多芯EDFA饱和输出功率还不理想。未来随着多芯掺铒光纤技术、高效率多芯耦合器件及多模抽运激光器技术的发展成熟 [ 43 - 44 ] ,多芯放大器的性能和功耗比将进一步提升,多芯放大器将在光通信网络中获得越来越广泛的应用。强耦合多芯放大器在功耗上具有天然优势,MIMO技术有望成为绿色超低功耗光放大器的首选方案。此外,包层抽运的多芯EDFA采用非制冷的多模抽运激光器抽运,与海洋环境非常契合,是未来低功耗海缆通信的理想放大器方案。
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[27] JinC[\s]{1},[\s]{1}HuangB[\s]{1},[\s]{1}Shang[\s]{1}KP[\s]{1},[\s]{1}et[\s]{1}al[\s]{1}.[\s]{1}Efficient[\s]{1}annular[\s]{1}cladding[\s]{1}amplifier[\s]{1}with[\s]{1}six,[\s]{1}three-mode[\s]{1}cores[C]∥2015[\s]{1}European[\s]{1}Conference[\s]{1}on[\s]{1}Optical[\s]{1}Communication(ECOC),[\s]{1}September[\s]{1}27-October[\s]{1}1,[\s]{1}2015,[\s]{1}Valencia,[\s]{1}Spain.[\s]{1}New[\s]{1}York:[\s]{1}IEEE[\s]{1},[\s]{1}2015[\s]{1}:[\s]{1}15636193[\s]{1}.
[29] JungY[\s]{1},[\s]{1}WadaM[\s]{1},[\s]{1}SakamotoT[\s]{1},[\s]{1}et[\s]{1}al[\s]{1}.[\s]{1}High[\s]{1}spatial[\s]{1}density[\s]{1}6-mode[\s]{1}7-core[\s]{1}multicore[\s]{1}L-band[\s]{1}fiber[\s]{1}amplifier[C]∥Optical[\s]{1}Fiber[\s]{1}Communication[\s]{1}Conference[\s]{1}(OFC)[\s]{1}2019,[\s]{1}March[\s]{1}3-7,[\s]{1}2019,[\s]{1}San[\s]{1}Diego,[\s]{1}CA,[\s]{1}USA.[\s]{1}New[\s]{1}York:[\s]{1}IEEE[\s]{1},[\s]{1}2019[\s]{1}:[\s]{1}18618486[\s]{1}.
[32] CastroC[\s]{1},[\s]{1}JainS[\s]{1},[\s]{1}JungY[\s]{1},[\s]{1}et[\s]{1}al[\s]{1}.[\s]{1}200[\s]{1}Gbit/s[\s]{1}16QAM[\s]{1}WDM[\s]{1}transmission[\s]{1}over[\s]{1}a[\s]{1}fully[\s]{1}integrated[\s]{1}cladding[\s]{1}pumped[\s]{1}7-core[\s]{1}MCF[\s]{1}system[C]∥2017[\s]{1}Optical[\s]{1}Fiber[\s]{1}Communications[\s]{1}Conference[\s]{1}and[\s]{1}Exhibition(OFC),[\s]{1}March[\s]{1}19-23,[\s]{1}2017,[\s]{1}Los[\s]{1}Angeles,[\s]{1}CA,[\s]{1}USA.[\s]{1}New[\s]{1}York:[\s]{1}IEEE[\s]{1},[\s]{1}2017[\s]{1}:[\s]{1}16930104[\s]{1}.
[34] MaedaK[\s]{1},[\s]{1}TakasakaS[\s]{1},[\s]{1}SugizakiR[\s]{1},[\s]{1}et[\s]{1}al[\s]{1}.[\s]{1}Cladding[\s]{1}pumped[\s]{1}amplifier[\s]{1}using[\s]{1}seven-core[\s]{1}EDF[J].[\s]{1}Furukawa[\s]{1}Electric[\s]{1}Review[\s]{1},[\s]{1}2017[\s]{1}([\s]{1}48[\s]{1}):[\s]{1}42[\s]{1}-[\s]{1}47[\s]{1}.
[35] Castro C. Jain S, de Man E, et al . 15×200 Gbit/s 16-QAM SDM transmission over an integrated 7-core cladding-pumped repeatered multicore link in a recirculating loop[J]. Journal of Lightwave Technology, 2018, 36(2): 349-354.
[37] MasudaH[\s]{1},[\s]{1}OnoH[\s]{1},[\s]{1}TakaraH[\s]{1},[\s]{1}et[\s]{1}al[\s]{1}.[\s]{1}Remotely[\s]{1}pumped[\s]{1}multicore[\s]{1}erbium-doped[\s]{1}fiber[\s]{1}amplifier[\s]{1}system[\s]{1}with[\s]{1}high[\s]{1}pumping[\s]{1}efficiency[C]∥2013[\s]{1}IEEE[\s]{1}Photonics[\s]{1}Society[\s]{1}Summer[\s]{1}Topical[\s]{1}Meeting[\s]{1}Series,[\s]{1}July[\s]{1}8-10,[\s]{1}2013,[\s]{1}Waikoloa,[\s]{1}HI,[\s]{1}USA.[\s]{1}New[\s]{1}York:[\s]{1}IEEE[\s]{1},[\s]{1}2013[\s]{1}:[\s]{1}131[\s]{1}-[\s]{1}132[\s]{1}.
[38] MizunoT[\s]{1},[\s]{1}IsodaA[\s]{1},[\s]{1}ShibaharaK[\s]{1},[\s]{1}et[\s]{1}al[\s]{1}.[\s]{1}Hybrid[\s]{1}cladding-pumped[\s]{1}EDFA/Raman[\s]{1}for[\s]{1}SDM[\s]{1}transmission[\s]{1}systems[\s]{1}using[\s]{1}core-by-core[\s]{1}gain[\s]{1}control[\s]{1}scheme[C]∥2017[\s]{1}European[\s]{1}Conference[\s]{1}on[\s]{1}Optical[\s]{1}Communication[\s]{1}(ECOC),[\s]{1}September[\s]{1}17-21,[\s]{1}2017,[\s]{1}Gothenburg,[\s]{1}Sweden.[\s]{1}New[\s]{1}York:[\s]{1}IEEE[\s]{1},[\s]{1}2017[\s]{1}:[\s]{1}17749184[\s]{1}.
[40] Puttnam[\s]{1}BJ[\s]{1},[\s]{1}RademacherG[\s]{1},[\s]{1}Luís[\s]{1}RS[\s]{1},[\s]{1}et[\s]{1}al[\s]{1}.[\s]{1}0.715[\s]{1}Pb/s[\s]{1}transmission[\s]{1}over[\s]{1}2009.6[\s]{1}km[\s]{1}in[\s]{1}19-core[\s]{1}cladding[\s]{1}pumped[\s]{1}EDFA[\s]{1}amplified[\s]{1}MCF[\s]{1}link[C]∥Optical[\s]{1}Fiber[\s]{1}Communication[\s]{1}Conference,[\s]{1}March[\s]{1}3-7,[\s]{1}2019,[\s]{1}San[\s]{1}Diego,[\s]{1}CA,[\s]{1}USA.[\s]{1}New[\s]{1}York:[\s]{1}IEEE[\s]{1},[\s]{1}2019[\s]{1}:[\s]{1}18618348[\s]{1}.
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