OFC2025 | 腔体辅助泵回收在高效率包层泵浦掺铒光纤放大器中的应用

逍遥设计自动化 · 发表于昨天 08:01

引言
空间分割复用与多芯掺铒光纤放大器简介
空间分割复用(SDM)通过在单独的空间信道（如多芯光纤的平行芯）中同时传输多个数据流，显著增强了光纤网络的容量。双芯多芯光纤电缆已经在海底应用中实现了商业化。SDM光放大器，如多芯掺铒光纤放大器(MC EDFAs)，有潜力替代多个单模掺铒光纤放大器，同时通过跨空间信道的组件共享和集成提高成本和能源效率。

包层泵浦多芯掺铒光纤放大器可利用单个980纳米多模泵浦二极管(MMPD)来放大所有空间信道。多模泵浦二极管不仅可以提供更高的输出功率，而且与应用于传统芯泵浦单模掺铒光纤放大器的单模泵浦二极管相比，具有更高的电光转换效率。

然而，包层泵浦多芯掺铒光纤放大器的功率转换效率(η)仍低于能够超过20%的传统掺铒光纤放大器。这种低效率源于泵浦光与信号之间的有限重叠，因为泵浦光被限制在大的包层区域内，不能被各个芯中的铒离子有效吸收。

为了解决这种低泵浦吸收挑战，研究人员提出了各种泵浦回收技术和光纤设计方案。尽管如此，在具有较少芯数和低芯密度的配置中实现高放大器效率仍然是一个未解决的问题[1]。

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腔体辅助泵浦回收方案
引用论文提出并展示了一种腔体辅助泵浦回收方案，以提高包层泵浦多芯掺铒光纤放大器中的泵浦利用效率。该方案包括将多模泵浦二极管直接耦合到双包层掺铒光纤的内包层中，利用偏振和空间滤波实现高效的泵浦回收。

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图1：(a) 腔体辅助泵浦回收方案的概念图，使用在两端的高效反射器将未使用的泵浦光重新注入到双包层掺铒光纤的内包层中；(b) 泵浦功率增强作为掺铒光纤输入端和输出端再注入效率的函数。

目前所有先进的包层泵浦多芯掺铒光纤放大器都采用侧面或边缘耦合方式，将980纳米泵浦光从多模泵浦二极管传输到掺铒光纤的包层区域，并采用大芯径多模光纤(MMF)作为中间传输介质。多模泵浦二极管发射单偏振模式(TE模式)，并以几种稳定的少模激光模式运行。然而，芯径为100微米的泵浦传输多模光纤在980纳米支持超过2000个线性偏振(LP)模式。泵浦传输多模光纤随机扰乱来自多模泵浦二极管的模式，导致系统失去泵浦光的模式偏振和少模特性。

图1(a)展示了所提出的腔体辅助泵浦回收方案的概念，其中多芯掺铒光纤通过在输入和输出端整合反射器被配置为泵浦光的非共振腔。图1(b)显示了泵浦功率增强作为掺铒光纤输入端和输出端再注入效率的函数。由于芯与包层重叠最小，假设泵浦吸收可忽略不计。泵浦功率增强代表掺铒光纤内泵浦密度增加的倍数。

图2(a)显示了使用腔体辅助泵浦回收方案的包层泵浦多芯掺铒光纤放大器的示意图。中间的多模光纤被消除，以在耦合到掺铒光纤之前保留多模泵浦二极管的少模和单偏振特性。在输出端，可以应用简单的镜子来反射并重新注入未使用的泵浦光到掺铒光纤中。向后传播的泵浦光在通过输入端时变得高度多模。

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图2：(a) 使用腔体辅助泵浦回收方案的包层泵浦多芯掺铒光纤放大器的示意图，(b) 4芯和(c) 7芯掺铒光纤的横截面图像，(d) 测量的多模泵浦二极管与双包层多芯掺铒光纤之间的泵浦耦合效率，(e) 输入端泵浦(再)注入的实验装置图像，(f) 在光圈镜处从多模泵浦二极管的前向传播泵浦光和从掺铒光纤的后向传播泵浦光的捕获图像，以及用于测量(g)增益和噪声系数，和(h)模式相关损耗的实验装置。

为了在输入端回收泵浦光，采用了两方面的方法：1) 偏振滤波：将偏振分束器(PBS)作为偏振相关的光环行器。该设置传输来自多模泵浦二极管在X方向偏振的TE模式，同时通过电介质镜将携带一半功率的Y偏振后向传播泵浦光重新注入到掺铒光纤中。2) 空间滤波：利用多模泵浦二极管在Y方向的单模特性回收X偏振泵浦光。这是通过带有窄通道槽的光圈镜来实现的，如图2(a)所示。薄槽允许多模泵浦二极管输出通过，而周围的镜面区域有效地反射剩余的泵浦光。C波段信号可以在两端使用二色镜与泵浦光结合和分离。

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实验结果
实验中使用的980纳米多模泵浦二极管在X方向具有1微米的窄高度和100微米的宽度。多模泵浦二极管附加了一个快轴准直器，以减少Y方向的光束发散。应用柱面透镜将X方向的光束缩小2倍。测试了具有4芯和7芯配置的双包层多芯掺铒光纤，芯距分别为24微米和22.7微米，如图2(b)和(c)所示。两种光纤都由掺铒/铝/锗的二氧化硅芯、90微米氟掺杂二氧化硅内包层和154微米低折射率氟聚合物外包层组成。芯的测量模场直径在1550纳米处约为5.5微米。

测量的多模泵浦二极管与多芯掺铒光纤之间的泵浦耦合效率超过90%，见图2(d)，不包括可以通过抗反射(AR)涂层减轻的4%的端面菲涅尔反射损失。由于高阶模式的增加，效率在较高的多模泵浦二极管输出功率下略有下降，高阶模式对光学像差更敏感。

在多芯掺铒光纤的两端接合了端帽，以减轻背反射。输出端测量的再注入效率约为80%，可以通过使用更好的成像光学系统进一步提高。图2(e)显示了输入端泵浦(再)注入的自由空间设置图像。

图2(f)提供了多模泵浦二极管的前向传播泵浦光和掺铒光纤在光圈镜处的后向传播泵浦光的图像，光圈镜由两个D形镜组成。前向传播泵浦在Y方向有约80微米的测量光束腰，而后向传播泵浦有约2毫米的光束直径。前向和后向光束之间的重叠小于10%，表明使用精确光圈镜可以收集超过90%的泵浦功率。

输入端的泵浦再注入效率由空间和偏振滤波贡献，分别测量约为25%和40%，导致总输入再注入效率约为65%。结合80%的输出再注入效率，实现了约3.7的泵浦功率增强。

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图3：在1.1瓦泵浦功率下测量的(a) 4芯和(b) 7芯掺铒光纤放大器的增益、噪声系数和模式相关损耗，以及(c) 实现的功率转换效率η与芯与包层面积比的关系，与参考文献中列出的最先进结果进行比较。

十个分布反馈激光器(DFBs)，其波长在C波段上均匀分布，连同低损耗多芯光纤扇入(FI)和扇出(FO)器件以及光谱分析仪(OSA)，用于表征4芯和7芯掺铒光纤放大器的增益和噪声系数(NF)，见图2(g)。每芯的总输入功率设置为-9 dBm。计算中排除了扇入/扇出的插入损耗。使用偏振多样性扫频波长干涉仪来表征多芯掺铒光纤放大器的均方根模式相关损耗(MDL)，如图2(h)所示。

在1.1瓦泵浦功率下，C波段上测量的平均增益、噪声系数和模式相关损耗结果分别如图3(a)和(b)所示，分别对应4芯和7芯掺铒光纤放大器。本研究在芯与包层面积重叠小于2.5%的情况下，分别实现了4芯和7芯掺铒光纤放大器约5%和8%的记录功率转换效率η，如图3(c)所总结。

模拟表明，通过进一步提高接近90%的再注入效率，7芯掺铒光纤放大器的η可能超过20%，与单模掺铒光纤放大器相当。

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结论
本文实验证明了一种腔体辅助泵浦回收方案，该方案有效地将未使用的泵浦功率重新注入到掺铒光纤包层中，从而增强了包层泵浦多芯掺铒光纤放大器中的泵浦密度。使用这种方案，我们为包层泵浦4芯和7芯掺铒光纤放大器实现了记录的功率转换效率。实验结果突显了即使对于具有最小芯与包层重叠的包层泵浦多芯掺铒光纤放大器，也能达到与传统单模掺铒光纤放大器相当的效率水平的潜力。值得注意的是，所提出的方案也与其他SDM光纤兼容，如多模光纤和多模多芯光纤，使其成为包层泵浦SDM掺铒光纤放大器的通用泵浦回收解决方案。

参考文献
[1] B. Quigley and M. Cantono, Blog: ”Boosting Subsea Cables with Multi-Core Fiber Technology”

[2] K.S. Abedin et al., ”Seven-core erbium-doped double-clad fiber amplifier pumped simultaneously by...”, OL, 39(4), 993-996, 2014.

[3] H. Chen et al., ”Demonstration of cladding-pumped six-core erbium-doped fiber amplifier”, JLT, 34(8), 1654-1660, 2016.

[4] K. Maeda et al., ”Cladding pump recycling using cascaded pump collectors in 7-core EDFA”, Proc. ECOC 2019, pp. 1-4

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[6] H. Takeshita et al., ”Configurations of Pump Injection and Reinjection for Improved Amplification...”, JLT, 38(11), 2922-2929, 2020.

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[12] V.I. Kopp et al., ”Ultra-Low-Loss MCF Fanouts for Submarine SDM Applications”, Proc. OFC, 2022, paper Th1E-2.

[13] N.K. Fontaine et al., ”Characterization of space-division multiplexing fibers using swept-wavelength...”, Proc. OFC 2015, pp. 1-3
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