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

摘要: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(fā)機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)射機單元、FM-EDFA和MDM接收機單元三部分

  少模摻鉺光纖放大器(FM-EDFA)是實現(xiàn)模分復(fù)用(MDM)信號長距離傳輸?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)用信號的放大和傳輸實驗。研究表明,在不使用多進多出(MIMO)數(shù)字信號處理的條件下,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,可實現(xiàn)光纖通信容量倍增?;谏倌9饫w(FMF)的模分復(fù)用(MDM)技術(shù),可使單根FMF中同時傳播幾個空間模式。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(dǎo)模,能夠大大降低MDM系統(tǒng)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(tǒng)長距離傳輸高速DP信號提供了基礎(chǔ)。本文報道了雙偏振-正交相移鍵控(DP-QPSK模分復(fù)用信號在全光纖FM-EDFA中的放大實驗結(jié)果,為高速MDM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)射機單元、FM-EDFA和MDM接收機單元三部分,如圖1所示。其中,發(fā)射機(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(tǒng)

  首先,使用波長映射法測量了FM-EDFADP-QPSK三模復(fù)用信號的放大性能,如圖2(a)所示。由圖2(a)可知,當(dāng)泵浦功率為24.5 dBm時,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,模式平均增益高達(dá)21 dB,DMG為1.97 dB。其次,為了評估FM-EDFA對MDM系統(tǒng)的影響,分別測試了有、無FM-EDFA放大時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,還測量了各信道的偏振相關(guān)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(tǒng)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(tǒng)各信道的靈敏度曲線

  最后,分析了DMG對MDM系統(tǒng)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(chǔ),通過調(diào)節(jié)泵浦功率來改變DMG,進而研究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(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)噪聲強度有關(guān)。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(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,研究團隊也制作出六模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信號的六模放大實驗。此外,根據(jù)信號偏振與空間模式之間的組合關(guān)系,實現(xiàn)了DP信號的同一模式組合和正交模式組合,后續(xù)將深入研究FM-EDFA對兩種模式組合的放大特性,探索DP信號在MDM系統(tǒng)中的優(yōu)化傳輸方案。

內(nèi)容來自:愛光學(xué)
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