新型全光纤FM-EDFA：助力高速DP-QPSK模分复用信号的长距离传输

  少模掺铒光纤放大器（FM-EDFA）是实现模分复用（MDM）信号长距离传输的关键器件之一。本文采用少模隔离型波分复用器（FM-IWDM）构建新型的全光纤FM-EDFA，开展了100 Gb/s DP-QPSK模分复用信号的放大和传输实验。研究表明，在不使用多进多出（MIMO）数字信号处理的条件下，该MDM系统约有29 dBm的光功率余量。

  研究背景

  随着移动互联网流量的爆发性增长和新型互联网应用如大数据、云计算、物联网等快速发展，要求人们不断利用新的维度来扩大通信系统的传输容量。利用光纤的空间维度，即采用不同的空间模式传输用户信息，可实现光纤通信容量倍增。基于少模光纤（FMF）的模分复用（MDM）技术，可使单根FMF中同时传播几个空间模式。将MDM和波分复用（WDM）相结合，可以极大地缓解光传送网（OTN）的带宽压力。MDM信号的长距离传输需要光放大器补充能量，少模掺铒光纤放大器（FM-EDFA）可以同时放大多个波长和多个光纤导模，能够大大降低MDM系统成本。进一步地，如果FM-EDFA还能够有效地支持双偏振（DP）信号放大的话，FM-EDFA的成本效率就会更高，也为MDM系统长距离传输高速DP信号提供了基础。本文报道了双偏振-正交相移键控（DP-QPSK）模分复用信号在全光纤FM-EDFA中的放大实验结果，为高速MDM网络的长距离传输提供了重要支撑。

  少模掺铒光纤放大器性能研究

  为了研究高速DP-QPSK MDM信号在光纤FM-EDFA中的放大和传输性能，我们使用商用OTN收发机和模式选择性光子灯笼（MSPL）复用器搭建了MDM传输系统，包括MDM发射机单元、FM-EDFA和MDM接收机单元三部分，如图1所示。其中，发射机（TX）连续发送调制格式为双偏振-正交相移键控（DP-QPSK）、速率为100 Gbit/s的伪随机比特序列（PRBS）。MSPL作为模式复用器件，在FMF中激发LP01、LP11a和LP11b模式并完成复用。所用的光纤FM-EDFA由两个自制的少模隔离型波分复用器（FM-IWDM）和一段少模掺铒光纤（FM-EDF）构成，它支持LP01、LP11a和LP11b模式传输，采用两个1480 nm的LP11a和LP11b模进行同向泵浦。

图1 基于FM-EDFA的MDM传输系统

  首先，使用波长映射法测量了FM-EDFA对DP-QPSK三模复用信号的放大性能，如图2(a)所示。由图2(a)可知，当泵浦功率为24.5 dBm时，可获得最小模式增益差（DMG）为1.27 dB；当泵浦功率为29.2 dBm时，模式平均增益高达21 dB，DMG为1.97 dB。其次，为了评估FM-EDFA对MDM系统的影响，分别测试了有、无FM-EDFA放大时MDM系统各信道的灵敏度曲线，如图2(b)所示。由图2(b)可知，加入FM-EDFA后，LP01、LP11a和LP11b信道的灵敏度分别劣化了0.55 dB、1.47 dB和0.99 dB。与此同时，还测量了各信道的偏振相关损耗（PDL）。加入FM-EDFA后，每个信道的PDL也在一定程度上提高，这是信道灵敏度劣化的原因之一。

图2（a）MDM系统各信道的增益和DMG随泵浦功率的变化。（b）有、无FM-EDFA时MDM系统各信道的灵敏度曲线

  最后，分析了DMG对MDM系统各信道灵敏度的影响。实验以FM-EDFA对两个模式（LP01和LP11b）的放大特性为基础，通过调节泵浦功率来改变DMG，进而研究DMG与信道灵敏度的关联性。由图3(a)可知，LP01和LP11b两信道的灵敏度劣化几乎同步地随泵浦功率的升高而降低。但是两个信道的灵敏度劣化相差很小，说明泵浦的变化基本不影响信道灵敏度的均衡性，即DMG基本不影响信道灵敏度的均衡性。又由图3(b)可知，两信道的增益随泵浦功率提高的同时其PDL逐渐下降，这意味着DP-QPSK信号的两个正交偏振分量的增益更加均衡。由此可见，FM-EDFA导致的模式信道灵敏度劣化与信道PDL之间有一定的正相关性，DMG对信道灵敏度均衡性的影响不明显。

  此外，若忽略PDL的影响，信道灵敏度劣化还与FM-EDFA的放大自发辐射（ASE）噪声强度有关。本实验中，在同一泵浦功率激励下，LP01和LP11b信道的噪声功率基本相同。因此，这两个模式的灵敏度劣化也相同，DMG对信道灵敏度的影响不明显。但需指出的是，DMG会影响信道的光功率余量。实验表明，MDM系统的传输性能受限于LP11a信道，该信道约有29 dBm的光功率余量。

图3 LP01和LP11b信道的灵敏度劣化和偏振相关损耗随泵浦功率的变化。（a）灵敏度劣化；（b）偏振相关损耗

  后续工作展望

  在本文工作基础上，研究团队也制作出六模IWDM器件，并用于组装相应的FM-EDFA，在1550 nm波长获得了超过20 dB的模式增益，DMG可低至1 dB，后续将利用该FM-EDFA开展高速DP信号的六模放大实验。此外，根据信号偏振与空间模式之间的组合关系，实现了DP信号的同一模式组合和正交模式组合，后续将深入研究FM-EDFA对两种模式组合的放大特性，探索DP信号在MDM系统中的优化传输方案。