[发明专利]一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器

说明书

本发明提出了一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器，属于光纤通信、仪器仪表等领域。在双向混合泵浦结构中，主要采用包层泵浦进行信号增益，同时利用双向纤芯泵浦进行模式差异补偿，调节各泵浦源的功率配比和模式选择，实现放大器内不同信号模式间的精准放大，有效降低放大器的模间增益差，实现良好的增益均衡特性。在基于双向混合泵浦的少模光纤放大器中，单模泵浦源一、多模泵浦源和单模泵浦源二级联，利用组合泵浦对各信号模式实施针对性放大。放大模式数目通过选取适当的增益光纤进行控制，信号增益和模间增益差通过优化泵浦和光纤长度实现调控。这种双向混合泵浦的少模光纤放大器可以灵活控制输出泵浦模式和功率配比，增益控制精确，有利于增益均衡的实现和少模光纤放大器在通信系统中的应用。

技术领域

本发明涉及一种基于双向混合泵浦的增益均衡少模光纤放大器，属于光纤通信、仪器仪表等领域。

背景技术

随着5G、大数据、云计算等业务的飞速发展，通信系统对于传输容量的需求急剧上升，寻求新的复用技术以提高传输容量迫在眉睫。空分复用技术(SDM)被认为是光纤通信系统升级扩容的关键技术之一，得到的学者们的广泛研究。在光纤通信系统中，光放大器可用于补偿传输过程中所产生的能量损耗，但由于不同模式的传输损耗不同，且放大器对不同信号模式的增益不相同，因此在长距离传输和多级放大后，模式间的能量差异逐渐累积，最终会导致接收端误码率的上升和通信系统中断概率的提高。因此实现空分复用光纤放大器的增益均衡是当前的研究重点。少模光纤放大器的增益均衡是目前研究最为广泛的一种，实现方法包括有源光纤的折射率设计、掺杂设计、以及放大器的泵浦设计。当使用某一确定增益光纤时，仅可通过放大器的泵浦优化以降低模式间的增益差值，实现增益均衡。

在诸多泵浦优化的少模光纤放大器方案中，考虑到实际应用、系统集成等多重影响，使用多种不同泵浦模式及功率组合的纤芯泵浦光纤放大器和使用包层泵浦的光纤放大器得到了广泛的应用。论文Optics Express,vol.19,no.26,pp.B952-B957,2011首次实验验证了少模光纤放大器的性能和设计特点，并证明了光纤结构设计和泵浦调控对放大器增益均衡的必要性，实现了2-LP模式20dB左右的信号增益，但仅利用LP₀₁纤芯泵浦模式，放大器的增益差仍较大，需进一步优化。论文IEEE Photonics Technology Letters,vol.26,no.11,pp.1100-1103,2014搭建了一种双向纤芯泵浦少模光纤放大器，对纤芯泵浦条件下的放大器增益性能进行实验验证，通过选取合适的泵浦模式实现了20dB以上的信号增益，并在整个C波段上实现4dB以内的平坦度，但该放大器实现低增益差同时结合了光纤的特殊结构设计，存在进一步优化空间。论文OFC 2015,pp.Tu3C.3,2015中在L波段搭建了一种双向纤芯泵浦的双模掺铒光纤放大器，进一步验证了不同泵浦模式及泵浦方向对信号增益的调控作用。上述几种少模光纤放大器均对纤芯泵浦条件下的泵浦组合进行设计与优化，通过调节各向输入的泵浦模式和功率，实现了不同信号模式间较小的增益差值，但当模式数目大于2-LP模式后，仅通过纤芯泵浦组合优化设计已经无法实现放大器的低增益差，需要结合特殊结构增益光纤以实现增益均衡，且信号光与泵浦光的耦合通常利用空间光透镜组实现，实验结构较为复杂，易受外界环境影响。

论文Optics Express,vol.22,no.23,pp.29008-29013,2014提出了一种基于包层泵浦的少模掺铒光纤放大器，该光纤放大器支持6个空间模式的传输，1534-1565nm波长范围内的平均增益可以达到20dB以上，模间增益差值约3dB。论文OFC 2014,pp.M2J.2,2014中提出了一种支持四LP模式的包层泵浦少模掺铒光纤放大器，并在1530-1570nm波段处实现了20dB以上的信号增益和4dB左右的增益差值。包层泵浦与纤芯泵浦结构相比更加具有成本效益，通过使用低成本、高功率的多模泵浦源，为少模光纤放大器提供更好性能和可拓展性，与此同时基于包层泵浦的少模掺铒光纤放大器可以同时对更多模式进行放大且不依赖于泵浦模式的选择，能够有效降低放大器结构的复杂性。但包层泵浦条件下不同模式间的增益差值较高，通常需要结合特殊设计的少模增益光纤共同使用以实现增益均衡。