基于COMSOL平台，设计一种沟槽辅助下双层阶跃折射率结构的四模掺铒光纤。通过对铒离子能级结构、稳态方程和速率方程的理论研究，利用Matlab软件搭建少模光纤放大器系统。利用模拟退火算法实现三层掺杂区域下的铒离子浓度的优化，以确保所设计的四模掺铒光纤放大器的增益特性。仿真结果表明：在纤芯泵浦方式下利用波长为1480 nm的泵浦光对1550 nm的四模式信号进行放大，得到的各模式信号平均增益为26.07 dB，模间增益差（DMG）为0.106 dB；对所设计光纤进行折射率容差分析，得到的平均增益为26.08 dB，DMG为0.34 dB。结果证明了所设计的少模光纤放大器的稳定特性，其具有广泛的发展前景和应用潜力。

中心折射率凹陷型少模掺铒光纤（FM-EDF）可以改变传输模式的数量和截止顺序，在模场调控和增益均衡方面具有良好的性能。利用等效折射率理论描述光纤模式截止特性，研究了由传统阶跃折射率光纤向环芯光纤转变过程中的模式变化。结果表明，当中心凹陷大于0.012时，光纤仅支持LP_n1模式传输，且使得LP₀₁模场能量向远离中心区域方向偏移。此外，当光纤用于信号放大领域中，且折射率凹陷数值大小与掺杂区域半径之间符合相应的线性关系时，模式增益差可保持在2 dB以下。采用自制的中心凹陷型FM-EDF对LP_n1模式的增益特性进行了实验测试。实验结果表明，各信号模式增益均大于18 dB，模式增益差为1.3 dB。

少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA)是长距离模分复用(MDM)光纤通信系统中必不可少的中继器件,其模间增益差(DMG)直接影响系统的通信质量。为实现FM-EDFA中不同模式的增益均衡,在包层泵浦条件下,提出了一种支持4模式组的铒离子分层掺杂环芯光纤,且无需考虑泵浦模式。对环芯光纤进行了设计,通过控制纤芯中心凹陷和外部凹槽折射率引起的模式分布变化,结合合理设计的铒离子掺杂半径及浓度来减小DMG。结果表明,当铒离子在环芯内分双层掺杂时,最大 DMG从0.8 dB(单层均匀掺杂)降低至0.44 dB(环芯双层)。在全C波段(1530~1565 nm)中,4模式组增益超过22 dB,最大DMG低于0.45 dB,噪声系数小于5.3 dB。包层泵浦结构有利于实现FM-EDFA的全光纤连接,易于与MDM通信系统集成,并发挥掺铒光纤放大器的全光补偿优势。

根据少模掺铒光纤放大器的放大理论,对四模式复用信号和五模式复用信号进行增益仿真研究。通过遗传算法分别优化三层掺铒的四模式群组少模光纤放大器和四层掺铒的五模式群组少模光纤放大器。仿真优化的结果表明,利用980 nm的两模式复用泵浦并以芯层泵浦前向抽运的方式对1550 nm四模式复用信号进行放大,得到的信号各模式的平均增益为24.48 dB,模间增益差值为0.103 dB;以980 nm三模式复用泵浦并对五模式复用信号进行放大,得到的信号各模式的平均增益为23.31 dB,模间增益差值为0.016 dB。通过优化泵浦模式组合及光纤掺杂结构,提高了四模式群组与五模式群组少模光纤放大器在C波段的增益性能。

随着第五代移动通信技术的正式商用,全球网络流量的需求呈爆炸式增长,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基于空间维度复用,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不可或缺的核心器件和研究焦点之一。当多信道功率增益不均衡时,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。依据目前已报道的理论与实验研究,从光纤结构设计、折射率掺杂剖面优化和泵浦方式选择等多角度阐述了空分复用光纤放大器增益均衡的工作原理、特点和不足,从而为空分复用光纤通信系统的优化设计和性能的提升提供解决思路与技术方案。

模分复用技术是突破单模光纤通信系统容量极限的潜在途径。在未来可能存在的模分复用与波分复用相结合的系统中,不同空间模式和波长的增益差将制约系统容量和速率。为实现模式增益均衡和波长增益平坦,利用1480 nm LP11模式抽运光抽运44.5 km超低损少模光纤,进行分布式少模光纤拉曼放大。利用残余抽运光抽运少模掺铒光纤,进行集中式少模掺铒光纤放大,实验演示远程遥泵少模光纤放大器。实验表明,在1560~1600 nm增益平坦带宽范围内,LP01和LP11两个模式等效开关增益大于15 dB,模间增益差约为2 dB。

依据少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA)理论模型，在分析均匀掺铒光纤模式增益特性的基础之上，设计了一种分层掺铒的少模光纤结构。通过遗传算法优化分层掺铒光纤中的铒离子分布，实现了FM-EDFA 信号光四模式群组的增益均衡。仿真结果表明，利用980 nm 单模抽运模式，可以使1550 nm 信号光的四模式群组平均增益达到22 dB，模间增益差值小于0.5 dB，且在C 波段各模式光谱平坦度为2 dB。简化抽运模式结构，降低掺铒光纤制作复杂性，为进一步开展四模式群组增益均衡的实验研究奠定了基础。

阶梯式掺杂和多环式掺杂设计的掺铒光纤(EDFs)结构复杂，采用改进化学气相沉积法(MCVD)制备困难。为此，将两段铒离子分别为中心掺杂和环形掺杂的掺铒光纤级联构成四线偏振模信号光放大器。该结构放大器使中心模式信号光(LP01 模和LP02 模)和离心模式信号光(LP11 模和LP21 模)分别在中心掺杂铒光纤和环形掺杂铒光纤中获得主要增益。基于一种改进遗传算法(GA)，对该放大器两段掺铒光纤的长度和铒离子掺杂半径进行优化。结果显示，仅用270 mW LP11模抽运光对该级联结构放大器进行抽运，四线偏振模信号光可获得20 dB 的平均增益，且模式相关增益(DMG)不超过3.5 dB。

论述了均匀加宽增益介质中利用净增益均衡原理同时输出双波长激光的可行性，使得双波长各自的损耗等于增益，抑制模式竞争，便可实现双波长输出。验证了上述原理，搭建的线型腔双波长掺镱光纤(YDF)激光器室温下可以实现单波长输出和双波长输出两种运转状态。单波长或者双波长输出时，转动体光栅角度，利用其分光谱和选波长的特性，均可使得波长分别在1013~1078 nm的范围内调谐。双波长同时输出时，其线宽分别约为0.012和0.020 nm，最大和最小波长间隔约为65.00和1.04 nm。双波长间隔较小时，双波长对彼此的抑制影响较间隔大时更为明显。双波长输出功率均衡稳定，最大输出功率可达40.7 mW。输出双波长时，该激光器可用于光子混频和拍频产生太赫兹辐射；输出单波长时，由于其波长可调谐的特性，该激光器可用作光学相干层析(OCT)的调谐光源。