少模摻鉺光纖及其放大器研究進展

趙新月，邱強，褚應波，戴能利，李進延

（華中科技大學武漢光電國家研究中心，湖北 武漢 430074）

1 引 言

隨著下一代移動寬帶技術的發展，人們對高數據速率（例如實時游戲，社交網絡，云計算和大數據分析）的應用需求不斷增加，但現有的單模光纖通信系統的傳輸容量已經趨近理論極限[1]（香農極限）。因此，人們迫切地需要開發新的信息傳輸維度，來滿足日益增長的網絡容量需求。在單模光纖的其他復用維度，如波分復用、時分復用、正交頻分復用、碼分復用等已經被充分利用的基礎上[2]，且基于其傳輸帶寬有限、不能實現無限擴展的事實，擴展光纖的空間維度，即對光纖進行空分復用，在大容量光纖通信系統中得到了廣泛關注并迅速發展。基于少模光纖的模分復用技術，作為空分復用技術的一種，可進一步提高單根光纖的傳輸容量[3-4]，自提出以來就廣受研究者的青睞并得到了深入研究。

少模摻鉺光纖主要采用改進的化學氣相沉積（Modified chemical vapor deposition，MCVD）工藝結合溶液摻雜技術[5]進行制備。通過對芯徑、摻雜和折射率剖面等調控，使其支持多個空間傳輸模式。2011年，英國南安普頓大學[6]首次拉制出支持兩種模式的少模摻鉺光纖，采用980 nm激光進行后向泵浦，在1 550～1 560 nm波段實現了20 dB以上的增益。此后，不同類型的少模摻鉺光纖開始出現，圍繞少模摻鉺放大光纖的制作工藝、傳輸模式數量、工作波長、增益、差分模態增益、噪聲等方面展開。采用少模光纖作為傳輸線的空分復用技術要實現長距離傳輸，少模摻鉺光纖放大器是補償光纖傳輸損耗的關鍵器件[7]。然而，在少模摻鉺光纖放大器中，高差分模態增益（Differential modal gain，DMG）會導致系統中斷概率的提高，影響信號質量[8]。

降低DMG可以從兩個不同的方面來實現[9-10]：一是從少模摻鉺放大光纖入手，對鉺離子摻雜分布（如環形摻雜[11-21]、均勻摻雜[22-23]、大面積摻雜[24]等）及折射率的結構（如環形折射率[25-27]、折射率溝道[23,28]、階躍折射率[29-33]等）進行設計；二是從放大器結構入手，采用不同的泵浦方式（如纖芯泵浦[25-27,29-33]、包層泵浦[22-24,28,34-37]）進行調控。2018年，天津大學李桂芳課題組[23]提出同時傳輸12個模群21個空間模式的具有折射率溝道輔助的雙包層少模摻鉺放大光纖，是目前可以實現的最大模式數目。采用包層泵浦的方式在1 530～1 565 nm波段實現了15 dB的平均增益，差分模態增益低于3 dB。未來，少模摻鉺放大光纖將會傳輸越來越多的信號模式，所需要的泵浦能量也會越來越多。如何在實現更多模式的情況下增益更高、差分模態增益更低、少模摻鉺光纖放大器的體積與能耗更低、少模摻鉺放大光纖的制作工藝更簡單等問題仍亟待解決，深入探究少模摻鉺光纖的放大性能并更好地控制差分模態增益將對加速其產業化應用具有重要意義。

基于DMG的產生機理，本文將從降低DMG的方式入手，分析少模摻鉺光纖的不同結構設計，并對采用不同設計及基于不同泵浦方式的少模摻鉺放大光纖的放大性能進行綜述總結，最后對少模摻鉺放大光纖的未來研究方向及發展趨勢做出總結展望。

2 差分模態增益

在光纖波導中，電磁波在縱向（軸向）以“行波”的形式存在，在橫向以“駐波”的形式存在。場分布沿軸向的變化只體現在相位上，場的強度不隨軸向傳播距離而變化。因此，可以對光纖中的光場進行縱橫分離[38]。對于三維模式光場，根據模場有無縱向分量，可以把光纖中的模式分為3類：（1）橫電磁模（TEM），模式只有橫向分量，而無縱向分量；（2）橫電模（TE）或橫磁模（TM），模式只有一個縱向分量；（3）混雜模（HE或EH），模式的兩個縱向分量都不為0[39]。一般光纖的相對折射率差值約為10-2，此時，光纖纖芯的折射率近似等于包層的折射率，光纖對電磁波的約束和引導作用大為減弱，通常將這種近似稱為“弱導近似”。在弱導近似下，具有相同色散方程的矢量模合并，又被稱為線性偏振（Linear polarized，LP）模[40]。

從本質上來說，光纖中的橫模是光波電磁場在光纖橫截面上的一種空間分布形式，或者說是光纖橫截面上的一種能量分布形式[41]。模分復用作為空分復用的一種，是利用光纖中相互正交的傳輸模式作為獨立的信道進行信號的并行傳輸，基于少模光纖的模分復用傳輸系統一般支持有限數目的線偏振模式。對于少模摻鉺光纖放大器而言，除了放大器增益、噪聲指數、工作波長、輸出功率等常規放大器需要關注的特征參數之外，還有一個少模摻鉺光纖放大器所特有的重要參數——差分模態增益。

差分模態增益的產生機理及改善策略：定義信號模式l在少模摻鉺光纖放大器中傳輸的增益為[42]：

其中，Pl-out為第l個信號模式經過少模摻鉺光纖放大器后輸出的功率，Pl-in為第l個信號模式輸入到少模摻鉺光纖放大器的功率。

要實現少模摻鉺光纖放大器的信號模式增益均衡，就要實現在同一信號波長下，信號模式m和n的增益一致或相近，須有如下公式成立[2]：

定義交疊積分因子[43-44]為：

其中，a為纖芯半徑，ip(r,φ)代表泵浦模式的歸一化光強分布，代表信號模式l的歸一化光強分布，n0(r,φ)為鉺離子在光纖橫截面上的分布。

假設所有的信號模式在輸入端z=0處具有相同的光強，而單一泵浦模式的光強遠大于信號模式，若要公式（2）成立，需滿足[2]：

因此，可以通過設計少模摻鉺光纖的折射率剖面和鉺離子濃度分布、調控泵浦模式配比來優化重疊因子，使每個信號模式的重疊積分盡可能相等，從而實現少模摻鉺光纖放大器（Few-mode erbium-doped fiber amplifier，FM-EDFA）中不同模式之間的增益均衡。

3 少模摻鉺光纖設計

對少模摻鉺光纖的折射率剖面進行設計，可以調整光纖中傳輸的信號模式的模場分布，進而降低光纖中各模式交疊積分因子之間的差值，從而實現增益均衡。而對稀土摻雜離子的分布進行調控，可以通過調整鉺離子的摻雜位置及濃度，使得各信號模式之間的重疊積分因子差異降低，從而實現DMG的降低。

2011年，英國南安普頓大學[6]通過實驗驗證了采用光纖設計結合泵浦模場的控制來降低DMG，提出了兩種折射率分布不同的少模摻鉺放大光纖，分別用Fiber#1和Fiber#2表示。Fiber#1的纖芯中心折射率較高，Fiber#2的纖芯中心折射率較低，折射率分布分別如圖1（a）、（b）所示，鉺離子摻雜剖面與光纖的折射率分布相似。在相同的實驗條件下分別對Fiber#1和Fiber#2進行實驗，采用偏置泵浦后向發射的方式，Fiber#2光纖中傳輸的LP01和LP11模式的平均增益為22 dB，DMG可以降到1 dB。實驗結果表明，通過對少模摻鉺光纖的纖芯中心折射率分布進行設計，結合對泵浦模場分布的控制，可以較好地實現FM-EDFA的增益均衡。

圖1 少模摻鉺放大光纖折射率分布。（a）Fiber#1；（b）Fiber#2［6］。Fig.1 Refractive index difference profile of few-mode erbium-doped amplified fiber.（a）Fiber#1.（b）Fiber#2［6］.

而在纖芯的邊緣引入一個折射率溝道，可以將模式都限制在纖芯內，從而使得每個模式的重疊積分因子盡可能相等，進而實現模式間增益均衡。2018年，印度理工學院仿真設計了一種溝道輔助型的折射率分布[45]，光纖的折射率分布及摻雜分布如圖2（a）所示。通過在少模摻鉺光纖的纖芯折射率邊緣添加溝道，結合環形鉺離子摻雜分布，即在纖芯的外圍摻雜鉺離子、而纖芯的中心不摻雜鉺離子，可以較好地實現C波段FM-EDFA的增益均衡。對該少模摻鉺光纖進行仿真模擬，采用LP01模式進行泵浦，通過調整溝道的寬度及折射率，可以實現5個 模 群（LP01、LP11、LP21、LP31、LP41）的 均 衡 放大，各模群的增益均達到20 dB以上，差分模態增益為0.45 dB左右。信號模式及泵浦模式的模斑圖如圖2（b）所示。

圖2 （a）溝道輔助型折射率分布；（b）信號模式及泵浦模式的模斑圖［45］。Fig.2（a）Trench-assisted refractive index profile.（b）Mode profiles of signal and pump mode groups［45］.

對少模摻鉺光纖鉺離子摻雜剖面的設計除了環形摻雜分布之外，還有超過纖芯范圍的大面積摻雜。由于不同模式的模場半徑不同，有的模式的模場半徑可能會超過纖芯，而超過纖芯范圍的大面積摻雜可以覆蓋到所有的模式，降低模式間重疊積分因子的差異，從而實現增益均衡。2016年，日本KDDI電信公司[24]的研究人員提出了超過纖芯范圍的大面積鉺摻雜少模放大光纖，纖芯直徑為12.5μm，而鉺離子摻雜區域直徑為25μm，如圖3（a）～（b）所示。通過增加鉺離子的摻雜范圍，使得不同信號模式在鉺離子摻雜區域內的重疊積分因子的差別變小，使用前向包層泵浦時能有效地實現模態均衡。對該少模摻鉺光纖進行實驗，該光纖可以在C波段實現四模群24 dB的平均增益，差分模態增益小于3.3 dB，如圖3（c）所示。

圖3 （a）小面積摻雜（左）和大面積摻雜（右）情況下的模場和增益介質之間的重疊；（b）大面積摻雜少模摻鉺放大光纖鉺離子濃度及相對折射率分布；（c）不同信號模式的增益隨波長變化［24］。Fig.3（a）Overlaps between mode fields and gain media in a small doped area（left）and a large doped area（right）.（b）Profile of a fabricated double-cladding fiber with a large erbium-doped area.（c）Gain spectra for every mode as a function of wavelength［24］.

由于采用MCVD工藝拉制出的少模摻鉺放大光纖達不到設計的折射率及摻雜結構的理想結果，而使用多根折射率和摻雜分布不同的預制棒進行組合之后再拉制，可以實現復雜的設計結構。2013年，法國里爾第一大學提出了采用空氣或二氧化硅光子晶體光纖來制作少模摻鉺光纖[46]，將純二氧化硅棒與不同濃度的鉺摻雜二氧化硅棒共19根進行組合，再拉制成纖芯，包層為空氣孔二氧化硅材料，如圖4（a）所示，實現了纖芯內鉺離子濃度的突變。通過仿真驗證，最終實現四模群21 dB的平均增益，差分模態增益小于2 dB，如圖4（b）所示。

圖4 （a）光子晶體光纖中的微結構鉺摻雜分布；（b）不同信號模式的增益隨波長變化［46］。Fig.4（a）Micro-structured erbium-doped profile in the photonic crystal fiber.（b）Gain spectra for every mode as a function of wavelength［46］.

4 纖芯泵浦少模摻鉺光纖及其放大器

當少模摻鉺光纖采用纖芯泵浦時，不同的信號空間模式在纖芯中與泵浦強度分布及鉺離子分布的重疊不同，導致少模摻鉺放大光纖的增益不均衡。表1給出了基于纖芯泵浦的少模摻鉺光纖及其放大器的實驗研究進展。

表1 基于纖芯泵浦的少模摻鉺光纖及其放大器的實驗研究進展Tab.1 Review of few-mode erbium-doped fiber and its corresponding amplifier based on core-pumped

2013年，美國NEC實驗室的研究人員[29]提出了具有階躍折射率分布的環形少模摻鉺放大光纖，結合980 nm泵浦光源、以LP01模式為泵浦模式對少模摻鉺放大光纖進行纖芯泵浦，將LP01模式和LP11模式之間的差分模態增益降到了2.5 dB以下。2014年，英國南安普頓大學光電子研究中心[30]采用LP21模式作為泵浦模式，對具有環形摻雜的少模摻鉺放大光纖進行泵浦。少模摻鉺光纖的摻雜結構如圖5（a）所示，折射率剖面及摻雜離子濃度 分 布如圖5（b）所示[47]，實現了波長在1 535～1 560 nm范圍內4個模式20 dB以上的增益，差分模態增益小于3 dB。

圖5 環形鉺摻雜少模光纖。（a）鉺離子徑向分布［47］；（b）折射率剖面及摻雜離子濃度分布［47］；（c）不同信號模式的增益隨波長變化［30］。Fig.5 Few-mode erbium ring-doped fiber.（a）Radial distribution of erbium ions［47］.（b）Fiber refractive index/doping profile［47］.（c）Modal gain as a function of wavelength across the C-band［30］.

2015年，日本電報電話公司同樣提出具有階躍折射率的環形摻鉺光纖，結合LP11模式的泵浦優化，在1 530～1 560 nm波段[26]和1 570～1600 nm波段[27]均實現了1 dB以下的差分模態增益。2016年，美國中佛羅里達大學[31]使用自制少模摻鉺放大光纖，結合模式選擇光子燈籠來控制泵浦模式含量，選擇LP21模式作為泵浦模式，在1 535～1 565 nm波段實現了4個模群的同時放大，增益大于10 dB，差分模態增益小于5 dB。

2017年，日本電報電話公司[25]為了減小少模摻鉺放大光纖與具有漸變折射率結構的傳輸光纖之間的模場不匹配情況，對比設計了兩種不同折射率結構的環形少模摻鉺放大光纖：一種是具有環形剖面的階躍折射率結構，如圖6（a）所示；圖6（b）是根據圖6（a）的設計拉制出來的光纖的實際鉺離子摻雜及相對折射率分布，選擇LP01模式進行纖芯前向泵浦，可以在1 570～1 605 nm波段實現LP01、LP11、LP21三個模群15 dB以上的增益，差分模態增益低于6 dB，噪聲指數低于10 dB，如圖6（c）所示。另一種是中心凹陷的階躍折射率結構，如圖7（a）所示；圖7（b）是根據圖7（a）的設計拉制出來的光纖的實際鉺離子摻雜及相對折射率分布，同樣選擇LP01模式進行纖芯前向泵浦，可以在1 570～1 605 nm波段實現21 dB的平均增益，差分模態增益低于4.5 dB，噪聲指數低于8 dB。

圖6 （a）環形剖面的相對折射率及鉺離子摻雜分布設計圖；（b）環形剖面的相對折射率及鉺離子摻雜分布實際圖；（c）不同信號模式的增益及噪聲隨波長變化［25］。Fig.6（a）Relative index and erbium concentration profile（filled region）of ring-shaped core profile for both erbium concentration and refractive index.（b）Refractive index profiles and erbium concentration profiles.（c）Gain and NF spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［25］.

圖7 （a）中心凹陷的相對折射率及鉺離子摻雜分布設計圖；（b）中心凹陷的相對折射率及鉺離子摻雜分布實際圖；（c）不同信號模式的增益及噪聲隨波長變化［25］。Fig.7（a）Relative index and erbium concentration profile（filled region）of center depressed core profile for erbium concentration and refractive index.（b）Refractive index profiles and erbium concentration profiles.（c）Gain and NF spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［25］.

2018年，法國里爾第一大學再次提出使用微結構纖芯組合再拉制的方法制作少模摻鉺放大光纖[48]，實現微結構少模摻鉺放大光纖的過程示意圖如圖8（a）所示。纖芯區域支持由19根鉺離子均勻摻雜的纖芯間的光耦合產生的超模，這些超模在19根鉺離子摻雜的纖芯中呈現極大值，從而增加了信號光模式、泵浦光模式與鉺離子摻雜之間的重疊積分。通過仿真，結合LP31a、LP12、LP22a模式進行泵浦，該微結構少模摻鉺放大光纖可以實現6個模群19 dB的平均增益，差分模態增益小于1.1 dB，如圖8（b）所示。

圖8 （a）微結構少模摻鉺放大光纖的實現過程示意圖；（b）不同信號模式的增益及DMG隨波長變化［48］。Fig.8（a）Schematic description of the process used to realize a few-mode amplified fiber with micro structure.（b）Gain and DMG spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［48］.

2019年，天津大學李小英課題組[32]提出了一種具有雙環形摻雜結構的少模摻鉺放大光纖，雙環少模摻鉺放大光纖的截面圖如圖9（a）所示。在拉制的過程中，由于離子的擴散效應以及其他缺陷，導致鉺離子的分布與最初的設計相異，呈現“蝙蝠俠”狀，如圖9（b）所示。光纖具有簡單的雙環形結構，其中，外環的鉺離子濃度高于內環的鉺離子濃度。在LP01模式進行纖芯前向泵浦的情況下，可以在1 530～1 565 nm波段實現四模群15 dB以上的增益，差分模態增益小于4 dB，如圖9（c）所示；噪聲指數低于9 dB，如圖9（d）所示。采用雙環形鉺離子摻雜分布，且兩個環的鉺離子濃度不同，僅調控鉺離子的濃度及分布，最終實現四模群的增益均衡。

圖9 雙環形少模摻鉺放大光纖。（a）鉺離子分布截面圖；（b）相對折射率及鉺離子濃度分布；（c）不同信號模式的增益隨波長變化；（d）不同信號模式的噪聲指數隨波長變化［32］。Fig.9 FM-EDFA with two-layer erbium-doped structure.（a）Cross section of the erbium ions.（b）The profile of the relative refractive index and erbium ion concentration.（c）Gain spectra for every mode as a function of wavelength across the Cband.（d）NF spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［32］.

2020年，日本電報電話公司[33]提出采用飛秒激光技術在少模摻鉺光纖的纖芯中刻蝕空隙來減少差分模態增益，基于激光刻蝕技術的概念圖如圖10（a）所示。圖10（a）也顯示了在1 550 nm處計算的LP01和LP11模式的電場分布，從圖中可以看出，當空隙的直徑為5μm時，LP01模式的電場受到了較大的影響，纖芯中心的場強極大地降低；而空隙對LP11模式的電場影響有限，表明激光刻蝕的空隙可以選擇性地衰減少模摻鉺光纖的LP01模式。通過研究空隙直徑對LP01和LP11兩個模式的衰減情況，最終使用直徑為6.8μm的空隙進行實驗，采用纖芯泵浦的泵浦方式，實驗結果如圖10（b）所示。在1 530～1 570 nm范圍內實現了23 dB的平均增益，差分模態增益在1 dB左右，極大地降低了少模摻鉺放大光纖的DMG。

圖10 （a）基于激光刻蝕降低DMG技術概念圖；（b）不同信號模式的增益和DMG隨波長變化［33］。Fig.10（a）Conceptual diagram of laser inscription based DMG reduction technique.（b）Gain and DMG spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［33］.

對于基于纖芯泵浦的少模摻鉺放大光纖而言，從模式數量角度來分析，隨著光纖傳輸的空間模式增加到10個以上或者更多，單模泵浦很難滿足泵浦功率的要求。若使用多個單模泵浦并行來滿足泵浦要求，原理上可行，但造價極其昂貴且體積較大，不利于FM-EDFA投入使用。此外，基于纖芯泵浦的少模摻鉺放大光纖需要特殊結構的少模摻鉺光纖以使得不同模式的信號光場、泵浦光場及鉺離子分布之間的重疊差異最小，從而降低差分模態增益。隨著模式數量的增多，為了實現模態均衡，會對光纖的設計、制備以及泵浦模態的調控提出更高的要求，從而限制了可用模式通道的數量。

5 包層泵浦少模摻鉺光纖及其放大器

當少模摻鉺放大光纖采用包層泵浦時，100多種空間泵浦模式在少模摻鉺光纖的包層中傳輸[49]，泵浦功率近似均勻分布于光纖的橫截面上。此時，泵浦模場的影響可以忽略，FM-EDFA的差分模態增益僅由信號模式強度和鉺離子分布的重疊決定。表2給出了基于包層泵浦的少模摻鉺光纖及其放大器的實驗研究進展。

表2 基于包層泵浦的少模摻鉺光纖及其放大器的實驗研究進展Tab.2 Review of few-mode erbium-doped fiber and its corresponding amplifier based on cladding-pumped

2014年，英國南安普頓大學[34]拉制出Er/Yb共摻雙包層少模光纖，使用包層泵浦的方式對LP01和LP11模式進行放大，在1 535～1 560 nm波段實現20 dB的平均增益，差分模態增益小于3 dB。同年，該校使用包層泵浦的方式對具有折射率溝道的少模摻鉺放大光纖進行泵浦[28]，在1 534～1 565 nm波段 實現了LP01、LP11、LP21、LP02四 模群23 dB的平均增益，差分模態增益低于3 dB，噪聲指數最大為8 dB。

為了簡化光纖的制作工藝，同時最小化差分模態增益，2016年，美國貝爾實驗室[35]提出擴大光纖的芯徑（24μm）以支持更多的模式，如圖11（a）所示。同時，結合前向包層泵浦的實驗方式，對LP01、LP11、LP21、LP31、LP41、LP51、LP61七個模群同時進行放大，在C波段實現了17 dB的增益，如圖11（b）所示，差分模態增益低于2 dB。2017年，美國中佛羅里達大學[22]提出支持8個模群的大芯徑光纖，在C波段實現了16 dB的增益，差分模態增益降到0.2 dB。

圖11 （a）大芯徑少模摻鉺放大光纖截面圖及傳輸模群的模斑圖；（b）增益隨頻率變化［35］。Fig.11（a）Erbium-doped fiber facet image and modal patterns from each mode group.（b）Gain spectrum as a function of frequency across the C-band［35］.

2018年，天津大學李桂芳課題組[23]提出同時傳輸12個模群21個空間模式的具有折射率溝道輔助的雙包層少模摻鉺放大光纖，其光纖截面如圖12（a）所示，相對折射率分布如圖12（b）所示，鉺離子摻雜濃度如圖12（c）所示。使用多模980 nm泵浦光源對其進行前向包層泵浦放大，在1 530～1 565 nm波段實現了15 dB的平均增益，差分模態增益低于3 dB，如圖12（d）所示。折射率溝道的存在將信號模式的模場分布很好地束縛在纖芯中，優化了各模式的重疊積分因子，從而實現了少模摻鉺放大光纖的增益均衡。

圖12 雙包層少模摻鉺放大光纖。（a）截面圖；（b）相對折射率分布；（c）鉺離子濃度分布；（d）不同信號模群的增益隨波長變化［23］。Fig.12 Double cladding erbium-doped fiber.（a）Cross section.（b）Refractive index profile.（c）Erbium distribution along the fiber radius position.（d）Gain spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［23］.

2022年，華中科技大學李進延課題組[37]提出了一種新型的包層泵浦偽兩級結構，通過在Er/Yb共摻雙包層少模放大光纖的中間注入泵浦光，對少模光纖進行放大。Er/Yb共摻雙包層少模放大光纖的截面圖及折射率分布如圖13（a）所示，有源光纖的前半段主要由后向傳輸的泵浦光和C波段的后向放大自發輻射（Amplified spontaneous emission,ASE）進行放大；而后，前半段輸出的C波段多模正向ASE作為纖芯泵浦源對后半段有源光纖進行放大，如圖13（b）所示，有效利用C波段的ASE作為L波段的泵浦。使用940 nm泵浦光源，通過調節前后兩段有源光纖的長度，最終實現了1 570～1 620 nm范圍內25 dB的平均增益，差分模態增益小于1 dB，如圖13（c）所示。該結構創新性地在少模摻鉺放大光纖中同時采用纖芯泵浦與包層泵浦，充分利用ASE，有效地降低了DMG。

圖13 （a）鉺鐿共摻少模摻鉺放大光纖的相對折射率分布及截面圖；（b）包層泵浦偽二級結構圖解；（c）不同信號模式的增益隨波長變化［37］。Fig.13（a）Refractive index profile and the cross section image of the few-mode Er/Yb co-doped fiber.（b）Schematic of the cladding-pumped pseudo-two-stage.（c）Gain spectra for every mode as a function of wavelength across the L-band［37］.

采用包層泵浦的泵浦方式時，使用多模泵浦激光器不需要特定的泵浦狀態，相比纖芯泵浦的泵浦方式而言，多模泵浦激光器的泵浦功率更高，且成本較低；隨著空間模式數量的增多，驅動和控制單個多模泵浦激光器所需要的電力通常低于驅動多個單模泵浦激光器所需要的電力。因此，采用包層泵浦的泵浦方式更方便，更經濟環保，更可持續發展[49]。

基于包層泵浦的FM-EDFA，差分模態增益僅由信號模式強度和鉺離子分布的重疊決定。因此，采用包層泵浦可以實現更高的飽和輸出功率、更小的差分模態增益。

6 總結與展望

基于少模光纖的空分復用技術有望大幅提高單根光纖內的數據傳輸容量，是未來大容量光通信技術發展的重要技術之一。近年來，研究人員對少模摻鉺放大光纖進行了深入研究，支持的空間模式從3個擴展到21個不等。當光纖中包含的模式數目開始增多、不同的模式在光纖中同時傳輸放大時，上下能級的鉺離子將產生競爭效應，使得光纖中上下能級的鉺離子重新分配，此時上下能級的鉺離子分布將受到泵浦光場、信號光場等的共同作用[39]。少模摻鉺放大光纖摻雜剖面及折射率分布的設計和泵浦方式的選擇為降低DMG提供了解決辦法。采用纖芯泵浦的少模摻鉺放大光纖模式擴展困難，需要特殊結構的摻鉺光纖或泵浦狀態來減小差分模態增益，限制因素過多，難以搭建多級系統從而實現高增益。而采用包層泵浦的少模摻鉺放大光纖，泵浦功率高且近乎均勻分布于纖芯上，飽和輸出功率大，差分模態增益小，限制條件少，更容易實現多級放大，成本更低。

展望未來，對少模摻鉺放大光纖的研究還有很大的探索空間：增加信號傳輸的模式數量、優化少模摻鉺放大光纖的結構、實現復雜摻雜分布及折射率分布的工藝優化、能夠批量生產、與少模摻鉺光纖放大器中的其他器件（如隔離器、偏振控制器、合束器等）完美匹配等。我們期待少模摻鉺光纖的放大性能有更進一步的提升，使其在市場應用中發揮作用并帶來重大突破，最終開拓出模分復用更深層次的應用。

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