三模掺铒光纤放大器仿真设计及实验研究

少模光纤放大技术是确保模分复用光纤通信系统远距离传输的关键技术,其增益、噪声系数及模式间增益差直接影响通信性能。为设计可用于模分复用的高增益、低噪声系数三模掺铒光纤放大器,建立少模掺铒光纤放大器理论模型,仿真设计其各项参数,之后结合实验结果进行参数优化,实现小信号增益大于30 dB,噪声系数小于6 dB,模式间增益差小于2 dB,并且各模式信号光在三模掺铒光纤放大器中稳定传输放大,光束轮廓无明显畸变。所设计的三模掺铒光纤放大器为进一步模分复用通信实验研究打下了基础。

少模掺铒光纤及其放大器研究进展

基于少模和多芯光纤的空分复用技术被认为是未来大幅提高单根光纤数据传输容量最重要的技术之一。采用少模光纤的空分复用技术要实现长距离传输,少模掺铒光纤放大器(Few-mode erbium-doped fiber amplifier,FM-EDFA)是补偿光纤传输损耗的关键器件,而少模掺铒光纤决定了FM-EDFA的性能。相对于单模掺铒光纤而言,少模掺铒光纤除了有增益、带宽、噪声等基本指标之外,还有一个独特的指标——差分模态增益。高差分模态增益会导致系统中断概率的提升,因此在少模掺铒光纤放大器中最小化差分模态增益以保持信号质量至关重要。本文系统阐述了差分模态增益的产生机理及改善策略,总结了少模掺铒光纤的不同设计,对比了采用不同设计及基于不同泵浦方式的少模掺铒放大光纤的性能特点,并对少模掺铒光纤的放大性能研究做出了展望。

基于少模掺铒光纤的10模式光纤放大器

对于模分复用系统,结合高模式增益和宽带宽增益特性的少模掺铒光纤(FM-EDF)放大器具有较高的应用价值。利用改进的化学气相沉积法(MCVD)结合溶液法制备了一种新型FM-EDF。该FM-EDF在976 nm和1 530 nm处的吸收系数分别为10.6 dB/m和35.0 dB/m;由COMSOL软件中有限元差分模块理论计算可得,其可支持10个空间模式(LP_(01)、LP_(11a/b)、LP_(21a/b)、LP_(02)、LP_(31a/b)以及LP_(12a/b)模式)的光传输。基于该FM-EDF搭建了全光纤放大系统并对其光模式放大特性进行了实验研究,研究结果表明,该光放大系统在40 nm带宽(1 525~1 565 nm)范围内获得10个模式的增益均大于17.0 dB,且差分模式增益均小于0.5 dB。因此,FM-EDF放大技术在模分复用系统中的广泛应用可进一步扩展光纤通信容量,具有重要的实际应用意义。

高速DP-QPSK模分复用信号在少模掺铒光纤放大器中的传输实验

模分复用(MDM)与高速光传送网(OTN)相结合,能缓解日益增长的带宽需求压力和降低已有相干通信设备的使用成本。搭建了100 Gbit/s双偏振正交相移键控(DP-QPSK)MDM信号放大传输系统,主要包括MDM信号收发单元和少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA),其中FM-EDFA采用少模隔离型波分复用器(FM-IWDM)构建。三模(LP_(01)、LP_(11a)和LP_(11b))放大传输实验表明,相对于无FM-EDFA的MDM系统,各信道的接收机灵敏度(以10-2误码率为参考)分别劣化0.55 dB、1.47 dB和0.99 dB。研究了两模(LP_(01)和LP_(11b))放大情形下模式增益差(DMG)对信道灵敏度均衡性的影响,结果显示两者无明显的依赖关系。所得结论可为双偏振(DP)信号的MDM放大传输研究提供参考。

少模掺铒光纤放大器的等效掺铒浓度仿真方法研究

提出一种少模掺铒光纤放大器(FMEDFA)仿真方法,通过引入泵浦相关的等效掺铒浓度参数来拟合双向泵浦实验数据,并用VPI软件高效仿真FMEDFA的级联传输性能。采用光隔离波分复用器(IWDM)开展了LP01和LP11两模双向泵浦放大实验,验证了上述仿真方法的可行性。通过优化前后向泵浦功率的比例,设计了一款模式增益约为11 dB的均衡FMEDFA;仿真结果表明,该FMEDFA循环传输10次后的差模增益和光信噪比分别为0.56 dB和27 dB,大于32 GBaud DP32QAM模分复用信号传输系统纠后无误码所要求的光信噪比阈值。

基于退火算法的四模掺铒光纤放大器设计

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。

基于遗传算法的少模光纤放大器增益均衡

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。

优化光纤铒离子分布实现少模掺铒光纤放大器模式增益均衡

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 d B,模间增益差值小于0.5 d B,且在C波段各模式光谱平坦度为2 d B。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。

基于包层泵浦的4模掺铒光纤放大器的增益均衡

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。

高增益、低DMG少模掺铒光纤及其放大性能研究

空分复用技术是大幅提高单根光纤数据传输容量的重要技术之一。对于长距离模分复用传输系统而言,少模掺铒光纤放大器是补偿光纤传输损耗必不可少的器件。因此,在少模掺铒光纤支持的所有模式中获得均衡增益至关重要,高差分模态增益会降低系统的传输性能。本文通过改进的化学气相沉积技术制备了18μm/124μm少模掺铒光纤,实验演示了基于该光纤的两模掺铒光纤放大器。当使用LP11b模式泵浦时,该放大器所支持的LP01和LP11a模式可以在1535~1560 nm波段获得19.4 dB以上的增益,差分模态增益最大为0.66 dB。

少模光纤强耦合通信系统中的关键器件综述

基于少模光纤的空分复用(SDM)技术是一种能将现有单模光纤通信系统的容量提高数十倍的关键技术,作为一种克服传统单模光纤通信系统容量瓶颈的有效手段,值得深入研究。本综述介绍了基于强耦合的少模光纤模分复用中的复用/解复用器、光纤放大器、少模光纤、光传输系统集成器件的关键技术及研究进展,介绍了部分较为经典的或是最新的强耦合少模光纤复用光传输系统的实验,并探讨了模分复用光传输系统的未来研究方向。

基于光子灯笼的模式功率检测方法

为了避免光子灯笼模式解复用器串扰对模式功率测量带来的误差,提出基于单一模式计算方式的波长映射测量方法,详细描述了其工作原理并研制出相应的模式功率检测单元。采用混合模式和单一模式两种计算方式,分析了模式功率检测单元的透射率矩阵特点,实验验证了波长映射测量方法的可行性。实验结果表明,单一模式计算方式对少模光纤的偏振扰动不敏感,其模式透射率的偏振相关性小于0.025。在此基础上搭建了1480 nm前向泵浦的三模掺铒光纤放大器,采用波长映射方法测试了三模同时放大的性能,获得了高达26 dB的模式增益,差模增益小于2 dB。