新型全光纖FM-EDFA：助力高速DP-QPSK模分復用信號的長距離傳輸

  少模摻鉺光纖放大器（FM-EDFA）是實現模分復用（MDM）信號長距離傳輸的關鍵器件之一。本文采用少模隔離型波分復用器（FM-IWDM）構建新型的全光纖FM-EDFA，開展了100 Gb/s DP-QPSK模分復用信號的放大和傳輸實驗。研究表明，在不使用多進多出（MIMO）數字信號處理的條件下，該MDM系統約有29 dBm的光功率余量。

  研究背景

  隨著移動互聯網流量的爆發性增長和新型互聯網應用如大數據、云計算、物聯網等快速發展，要求人們不斷利用新的維度來擴大通信系統的傳輸容量。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，可實現光纖通信容量倍增?；谏倌９饫w（FMF）的模分復用（MDM）技術，可使單根FMF中同時傳播幾個空間模式。將MDM和波分復用（WDM）相結合，可以極大地緩解光傳送網（OTN）的帶寬壓力。MDM信號的長距離傳輸需要光放大器補充能量，少模摻鉺光纖放大器（FM-EDFA）可以同時放大多個波長和多個光纖導模，能夠大大降低MDM系統成本。進一步地，如果FM-EDFA還能夠有效地支持雙偏振（DP）信號放大的話，FM-EDFA的成本效率就會更高，也為MDM系統長距離傳輸高速DP信號提供了基礎。本文報道了雙偏振-正交相移鍵控（DP-QPSK）模分復用信號在全光纖FM-EDFA中的放大實驗結果，為高速MDM網絡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信號在光纖FM-EDFA中的放大和傳輸性能，我們使用商用OTN收發機和模式選擇性光子燈籠（MSPL）復用器搭建了MDM傳輸系統，包括MDM發射機單元、FM-EDFA和MDM接收機單元三部分，如圖1所示。其中，發射機（TX）連續發送調制格式為雙偏振-正交相移鍵控（DP-QPSK）、速率為100 Gbit/s的偽隨機比特序列（PRBS）。MSPL作為模式復用器件，在FMF中激發LP01、LP11a和LP11b模式并完成復用。所用的光纖FM-EDFA由兩個自制的少模隔離型波分復用器（FM-IWDM）和一段少模摻鉺光纖（FM-EDF）構成，它支持LP01、LP11a和LP11b模式傳輸，采用兩個1480 nm的LP11a和LP11b模進行同向泵浦。

圖1 基于FM-EDFA的MDM傳輸系統

  首先，使用波長映射法測量了FM-EDFA對DP-QPSK三模復用信號的放大性能，如圖2(a)所示。由圖2(a)可知，當泵浦功率為24.5 dBm時，可獲得最小模式增益差（DMG）為1.27 dB；當泵浦功率為29.2 dBm時，模式平均增益高達21 dB，DMG為1.97 dB。其次，為了評估FM-EDFA對MDM系統的影響，分別測試了有、無FM-EDFA放大時MDM系統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，還測量了各信道的偏振相關損耗（PDL）。加入FM-EDFA后，每個信道的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系統各信道的增益和DMG隨泵浦功率的變化。（b）有、無FM-EDFA時MDM系統各信道的靈敏度曲線

  最后，分析了DMG對MDM系統各信道靈敏度的影響。實驗以FM-EDFA對兩個模式（LP01和LP11b）的放大特性為基礎，通過調節泵浦功率來改變DMG，進而研究DMG與信道靈敏度的關聯性。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其PDL逐漸下降，這意味著DP-QPSK信號的兩個正交偏振分量的增益更加均衡。由此可見，FM-EDFA導致的模式信道靈敏度劣化與信道PDL之間有一定的正相關性，DMG對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的放大自發輻射（ASE）噪聲強度有關。本實驗中，在同一泵浦功率激勵下，LP01和LP11b信道的噪聲功率基本相同。因此，這兩個模式的靈敏度劣化也相同，DMG對信道靈敏度的影響不明顯。但需指出的是，DMG會影響信道的光功率余量。實驗表明，MDM系統的傳輸性能受限于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損耗隨泵浦功率的變化。（a）靈敏度劣化；（b）偏振相關損耗

  后續工作展望

  在本文工作基礎上，研究團隊也制作出六模IWDM器件，并用于組裝相應的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，后續將利用該FM-EDFA開展高速DP信號的六模放大實驗。此外，根據信號偏振與空間模式之間的組合關系，實現了DP信號的同一模式組合和正交模式組合，后續將深入研究FM-EDFA對兩種模式組合的放大特性，探索DP信號在MDM系統中的優化傳輸方案。