《Optical Fiber Technology》：High-gain, Low-NF, and gain-equalized cladding-pumped multi-core fiber amplifier
编辑推荐：
本文提出基于自研双包层四芯EDF及多芯泵合器的双级多芯光纤放大器，实验对比不同泵浦方案。优化后单级平均增益22.86dB，噪声系数<7.05dB，双级系统性能提升至平均增益>25dB，噪声系数<5.14dB，核心间增益波动<1.84dB，增益平坦性<2dB。
张凯鹏|丁远鹏|齐俊杰|周世琦|欧一文|沈雷|廖兆龙|郝家伟|张磊|罗杰|吕辉
湖北工业大学理学院，中国武汉430068
摘要
作为空间分割复用（SDM）通信系统中的关键组件，多芯光纤放大器能够有效补偿多芯光纤中的传输损耗，在长距离SDM传输中发挥着重要作用。本文提出了一种基于自主研发的双包层四芯掺铒光纤（EDF）和多芯包层泵浦合路器的双级多芯光纤放大器。实验比较了不同泵浦方案在双级架构下的多波长放大特性。通过优化光路参数，单级放大器在C波段实现了平均增益超过22 dB、噪声系数（NF）低于7.05 dB、芯间增益变化低于1.43 dB以及增益平坦度低于4.47 dB。而双级多芯掺铒光纤放大器（MC-EDFA）最终实现了增益超过25 dB、NF低于5.14 dB、芯间增益变化低于1.84 dB以及增益平坦度低于2 dB的优异性能。这些实验结果表明，本文提出的双级包层泵浦MC-EDFA在SDM传输系统的实现方面具有巨大潜力。
引言
随着信息社会的快速发展，对通信容量的需求持续增长，单模光纤的传输容量已接近其基本极限[1]、[2]、[3]。为克服单模光纤的传输限制，提出了空间分割复用（SDM）技术，该技术以多芯光纤（MCF）和少模光纤（FMF）为代表，并引起了广泛关注[4]、[5]、[6]。SDM技术利用MCF的空间并行架构和FMF的模式复用机制来提升传输容量[7]、[8]。与FMF中的模式串扰问题相比，MCF中的芯间串扰可以通过沟槽辅助设计和光纤结构的包层优化得到有效控制，这使得MCF在实际SDM系统应用中更具优势[9]。根据相邻芯之间的耦合强度，MCF可分为弱耦合（WC）和随机耦合（RC）两种类型[10]。尽管RC型MCF可以提高空间密度，但其芯间串扰需要更复杂的多输入多输出（MIMO）算法；相比之下，WC型MCF具有更大的商业潜力[11]、[12]。为了实现长距离传输，光纤放大器对于补偿传输损耗至关重要。传统方法采用多个单模放大器并行工作，导致系统架构复杂。相比之下，MC-EDFA可以同时放大多个空间通道，显著提升系统集成度。因此，MC-EDFA在实现MCF系统的长距离传输中起着关键作用。
根据泵浦方案的不同，MC-EDFA可分为芯泵浦和包层泵浦两种配置[13]。芯泵浦方案使用单模泵浦二极管独立激发每个芯，这一过程需要大量组件，导致成本较高且集成度较低。而包层泵浦则利用单个多模泵浦二极管和包层泵浦合路器将泵浦光注入内包层，实现所有芯的同时放大，从而显著减少组件数量、降低成本并提高集成度。全球众多研究机构报告了MCF放大器的进展。2022年，顾等人使用自主研发的7芯EDF展示了传统芯泵浦放大器的性能，该放大器在1526–1566 nm范围内实现了平均增益14 dB、噪声系数（NF）低于6 dB以及芯间增益变化小于5 dB[14]。2023年，杜等人提出了一种创新的被动多芯器件，集成了隔离器、多芯波分复用器（WDM）和扇入/扇出组件，并构建了基于传统芯泵浦架构的双级MC-EDFA，在6 THz带宽内实现了平均增益16.5 dB、最大NF 6.5 dB以及芯间增益变化小于1 dB[15]。尽管在组件层面有所创新，但该放大系统仍需要十二个单模泵浦激光器。2019年，小野等人在小信号输入条件下探索了7芯放大器的混合泵浦技术，实现了高增益（两级时超过32 dB），但未进行增益平坦度测试[16]。2020年，武知田等人在7芯单级放大器中实现了高增益（23.5 dB）和相对较高的NF（6.5–9.0 dB），优先考虑了放大效率[17]。2023年，武知田在7芯设计中实现了双向泵浦，提高了能效，报告了芯间变化小于2.5 dB和NF 6.2–10 dB[18]。2025年，陈等人分别在4芯和7芯配置中实现了改进的NF（3.6–6.5 dB），但未报告增益均匀性[19]。值得注意的是，这些研究主要采用了7芯EDFA架构，尚未全面解决增益、NF和增益均匀性的同时优化问题，尤其是在更简单的4芯EDFA配置中。这代表了重要的研究空白，因为实际的SDM系统需要在这些参数上均表现出色的放大器。
本文利用自主研发的双包层四芯EDF和多芯包层泵浦合路器，研究了包层泵浦MC-EDFA的多波长放大特性。为了解决现有包层泵浦MC-EDFA的性能局限，提出并采用了双级放大架构。对比分析了不同泵浦方案和不同长度MC-EDF的多波长增益、NF和增益平坦度。通过优化光路参数，单级MC-EDFA在C波段8个波长范围内实现了平均增益22.86 dB，芯间增益变化低于1.43 dB、NF低于7.05 dB以及增益平坦度低于4.47 dB。双级MC-EDFA将平均增益提升至超过25 dB，同时保持NF低于5.14 dB、芯间增益变化低于1.84 dB以及增益平坦度低于2 dB。实验结果表明，双级架构显著提升了放大性能。所提出的MC-EDFA为SDM通信系统的长距离传输提供了关键支持，有力推动了MCF技术在光通信中的实际应用。
多芯掺铒光纤的特性
MC-EDFA中使用的四芯光纤的不同芯具有基本相同的特性，图1展示了其中一个芯的测试结果。图1（a）显示了MC-EDF的折射率分布；图1（b）显示了用于多芯掺铒光纤放大器的MC-EDF的吸收光谱，其在1530 nm处的峰值吸收为6.77 dB/m。MC-EDF的芯间距和芯直径通过光学显微镜进行了测量。
四芯包层泵浦实验装置
图7展示了构建的双级四芯MC-EDFA的光路配置。光源产生的多波长输入信号经过衰减器调节功率后，通过扇入装置进入多芯光路。泵浦合路器将泵浦光均匀分成两路，为两个放大级提供泵浦源。泵浦光通过泵浦合路器注入多芯光纤的包层。
包层泵浦EDFA中增益平坦滤波器的性能评估
为了评估GFF的增益平坦性能，建立了如图8所示的实验装置。比较了使用GFF和不使用GFF时的放大特性。在最佳光纤长度下，输入八个C波段波长且总功率为?7 dBm时，单级包层泵浦配置的系统实现了平均增益22.86 dB。如图9（a）和（b）所示，性能指标包括芯间增益
结论
在MCF的长距离传输中，MC-EDFA的芯泵浦方案存在系统复杂和成本较高的问题。而现有的包层泵浦方案在增益、NF和增益平坦度等性能方面存在局限。为克服这一瓶颈，本研究基于自主研发的双包层四芯掺铒光纤和多芯包层泵浦合路器，设计并验证了一种双级放大泵浦结构。
CRediT作者贡献声明
张凯鹏：撰写 – 原始草稿、方法论、资金获取、正式分析、数据整理。丁远鹏：软件、资源。齐俊杰：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法论。周世琦：监督、资源、方法论。欧一文：撰写 – 审稿与编辑、资源、项目管理。沈雷：撰写 – 审稿与编辑、资源、项目管理。廖兆龙：资源、项目管理。郝家伟：软件。张磊：
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：61805075）、湖北省重点研发计划（项目编号：2022BAA001）以及国家重点研发计划与苏丹联合实验室关于新型光伏生态农业的合作项目（项目编号：2023YFE0126400）的支持。
