新型全光纖FM-EDFA：助力高速DP-QPSK模分復(fù)用信號(hào)的長距離傳輸

  少模摻鉺光纖放大器（FM-EDFA）是實(shí)現(xiàn)模分復(fù)用（MDM）信號(hào)長距離傳輸?shù)年P(guān)鍵器件之一。本文采用少模隔離型波分復(fù)用器（FM-IWDM）構(gòu)建新型的全光纖FM-EDFA，開展了100 Gb/s DP-QPSK模分復(fù)用信號(hào)的放大和傳輸實(shí)驗(yàn)。研究表明，在不使用多進(jìn)多出（MIMO）數(shù)字信號(hào)處理的條件下，該MDM系統(tǒng)約有29 dBm的光功率余量。

  研究背景

  隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量的爆發(fā)性增長和新型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等快速發(fā)展，要求人們不斷利用新的維度來擴(kuò)大通信系統(tǒng)的傳輸容量。利用光纖的空間維度，即采用不同的空間模式傳輸用戶信息，可實(shí)現(xiàn)光纖通信容量倍增。基于少模光纖（FMF）的模分復(fù)用（MDM）技術(shù)，可使單根FMF中同時(shí)傳播幾個(gè)空間模式。將MDM和波分復(fù)用（WDM）相結(jié)合，可以極大地緩解光傳送網(wǎng)（OTN）的帶寬壓力。MDM信號(hào)的長距離傳輸需要光放大器補(bǔ)充能量，少模摻鉺光纖放大器（FM-EDFA）可以同時(shí)放大多個(gè)波長和多個(gè)光纖導(dǎo)模，能夠大大降低MDM系統(tǒng)成本。進(jìn)一步地，如果FM-EDFA還能夠有效地支持雙偏振（DP）信號(hào)放大的話，FM-EDFA的成本效率就會(huì)更高，也為MDM系統(tǒng)長距離傳輸高速DP信號(hào)提供了基礎(chǔ)。本文報(bào)道了雙偏振-正交相移鍵控（DP-QPSK）模分復(fù)用信號(hào)在全光纖FM-EDFA中的放大實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為高速M(fèi)DM網(wǎng)絡(luò)的長距離傳輸提供了重要支撐。

  少模摻鉺光纖放大器性能研究

  為了研究高速DP-QPSK MDM信號(hào)在光纖FM-EDFA中的放大和傳輸性能，我們使用商用OTN收發(fā)機(jī)和模式選擇性光子燈籠（MSPL）復(fù)用器搭建了MDM傳輸系統(tǒng)，包括MDM發(fā)射機(jī)單元、FM-EDFA和MDM接收機(jī)單元三部分，如圖1所示。其中，發(fā)射機(jī)（TX）連續(xù)發(fā)送調(diào)制格式為雙偏振-正交相移鍵控（DP-QPSK）、速率為100 Gbit/s的偽隨機(jī)比特序列（PRBS）。MSPL作為模式復(fù)用器件，在FMF中激發(fā)LP01、LP11a和LP11b模式并完成復(fù)用。所用的光纖FM-EDFA由兩個(gè)自制的少模隔離型波分復(fù)用器（FM-IWDM）和一段少模摻鉺光纖（FM-EDF）構(gòu)成，它支持LP01、LP11a和LP11b模式傳輸，采用兩個(gè)1480 nm的LP11a和LP11b模進(jìn)行同向泵浦。

圖1 基于FM-EDFA的MDM傳輸系統(tǒng)

  首先，使用波長映射法測量了FM-EDFA對(duì)DP-QPSK三模復(fù)用信號(hào)的放大性能，如圖2(a)所示。由圖2(a)可知，當(dāng)泵浦功率為24.5 dBm時(shí)，可獲得最小模式增益差（DMG）為1.27 dB；當(dāng)泵浦功率為29.2 dBm時(shí)，模式平均增益高達(dá)21 dB，DMG為1.97 dB。其次，為了評(píng)估FM-EDFA對(duì)MDM系統(tǒng)的影響，分別測試了有、無FM-EDFA放大時(shí)MDM系統(tǒng)各信道的靈敏度曲線，如圖2(b)所示。由圖2(b)可知，加入FM-EDFA后，LP01、LP11a和LP11b信道的靈敏度分別劣化了0.55 dB、1.47 dB和0.99 dB。與此同時(shí)，還測量了各信道的偏振相關(guān)損耗（PDL）。加入FM-EDFA后，每個(gè)信道的PDL也在一定程度上提高，這是信道靈敏度劣化的原因之一。

圖2（a）MDM系統(tǒng)各信道的增益和DMG隨泵浦功率的變化。（b）有、無FM-EDFA時(shí)MDM系統(tǒng)各信道的靈敏度曲線

  最后，分析了DMG對(duì)MDM系統(tǒng)各信道靈敏度的影響。實(shí)驗(yàn)以FM-EDFA對(duì)兩個(gè)模式（LP01和LP11b）的放大特性為基礎(chǔ)，通過調(diào)節(jié)泵浦功率來改變DMG，進(jìn)而研究DMG與信道靈敏度的關(guān)聯(lián)性。由圖3(a)可知，LP01和LP11b兩信道的靈敏度劣化幾乎同步地隨泵浦功率的升高而降低。但是兩個(gè)信道的靈敏度劣化相差很小，說明泵浦的變化基本不影響信道靈敏度的均衡性，即DMG基本不影響信道靈敏度的均衡性。又由圖3(b)可知，兩信道的增益隨泵浦功率提高的同時(shí)其PDL逐漸下降，這意味著DP-QPSK信號(hào)的兩個(gè)正交偏振分量的增益更加均衡。由此可見，FM-EDFA導(dǎo)致的模式信道靈敏度劣化與信道PDL之間有一定的正相關(guān)性，DMG對(duì)信道靈敏度均衡性的影響不明顯。

  此外，若忽略PDL的影響，信道靈敏度劣化還與FM-EDFA的放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲強(qiáng)度有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)中，在同一泵浦功率激勵(lì)下，LP01和LP11b信道的噪聲功率基本相同。因此，這兩個(gè)模式的靈敏度劣化也相同，DMG對(duì)信道靈敏度的影響不明顯。但需指出的是，DMG會(huì)影響信道的光功率余量。實(shí)驗(yàn)表明，MDM系統(tǒng)的傳輸性能受限于LP11a信道，該信道約有29 dBm的光功率余量。

圖3 LP01和LP11b信道的靈敏度劣化和偏振相關(guān)損耗隨泵浦功率的變化。（a）靈敏度劣化；（b）偏振相關(guān)損耗

  后續(xù)工作展望

  在本文工作基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)也制作出六模IWDM器件，并用于組裝相應(yīng)的FM-EDFA，在1550 nm波長獲得了超過20 dB的模式增益，DMG可低至1 dB，后續(xù)將利用該FM-EDFA開展高速DP信號(hào)的六模放大實(shí)驗(yàn)。此外，根據(jù)信號(hào)偏振與空間模式之間的組合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了DP信號(hào)的同一模式組合和正交模式組合，后續(xù)將深入研究FM-EDFA對(duì)兩種模式組合的放大特性，探索DP信號(hào)在MDM系統(tǒng)中的優(yōu)化傳輸方案。