阅读说明：本技术 正交模式复用信号的光放大系统 (Optical amplification system for orthogonal mode multiplexed signals ) 是由 刘博� 张丽佳 毛雅亚 姜蕾 忻向军 孙婷婷 赵立龙 吴泳锋 刘少鹏 宋真真 王 于 2020-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种正交模式复用信号的光放大系统,包括正交模式复用信号装置、模式光子灯笼复用器、模式光子灯笼解复用器,还包括正交模式泵浦光系统,输出与正交模式复用信号的模式和相位一致的泵浦光；还包括用于正交模式复用信号光放大的传输链路；正交模式复用信号装置输出端和正交模式泵浦光系统输出端与模式光子灯笼复用器输入端信号连接,模式光子灯笼复用器输出端与传输链路输入端信号连接,传输链路输出端与模式光子灯笼解复用器输入端信号连接。通过对泵浦光的正交模式匹配实现与信号光的耦合传输,对不同模式下的光信号进行放大,从而实现低模间耦合的光信号均衡,为正交模式复用信号长距离传输时提供了稳定的光放大系统。(The invention discloses an optical amplification system of orthogonal mode multiplexing signals, which comprises an orthogonal mode multiplexing signal device, a mode photon lantern multiplexer, a mode photon lantern demultiplexer and an orthogonal mode pump light system, wherein the orthogonal mode pump light system outputs pump light consistent with the mode and the phase of the orthogonal mode multiplexing signals; the optical amplifier also comprises a transmission link for optical amplification of the orthogonal mode multiplexing signals; the output end of the orthogonal mode multiplexing signal device and the output end of the orthogonal mode pumping light system are in signal connection with the input end of the mode photon lantern multiplexer, the output end of the mode photon lantern multiplexer is in signal connection with the input end of the transmission link, and the output end of the transmission link is in signal connection with the input end of the mode photon lantern demultiplexer. The coupling transmission with the signal light is realized by matching the orthogonal mode of the pump light, and the optical signals under different modes are amplified, so that the low-mode coupling optical signal balance is realized, and a stable optical amplification system is provided for the long-distance transmission of the orthogonal mode multiplexing signals.)

正交模式复用信号的光放大系统

技术领域

本发明涉及通信传输领域，尤其涉及一种正交模式复用信号的光放大系统。

背景技术

随着互联网+、大数据、云计算和5G 的快速发展，用户对网络容量需求也与日俱增，对光通信的容量也有了更高的要求。但是，单芯单模光纤的传输容量存在非线性香农传输极限100Tb/s，已经无法满足未来的通信需求。人们又提出了基于光纤本身的光信号空间复用方法。

空间复用是解决光传输网络宽带危机的一种有效方法。目前实现空间复用的光纤有：多芯光纤、少模光纤和多芯光纤与少模光纤的结合。其中，通过多芯光纤与少模光纤结合组成的多芯少模光纤，传输容量已经达到10.16Pb/s。在多芯少模光纤中使用模式复用可以极大地提升传输容量，从而有效的解决容量危机。如CN111399123A公开了一种正交模式复用光信号的产生方法及装置，在该专利申请文件中详细公开了正交模式复用信号装置。

发明内容

发明目的：本发明目的是为正交模式复用信号在长距离传输时提供光放大系统，其中，信号在传输时保持模式正交性从而抑制模式间的串扰，传输链路中的环芯增益光纤结构具有极低的模式增益差。

技术方案：本发明提供一种正交模式复用信号的光放大系统，包括正交模式复用信号装置、模式光子灯笼复用器、模式光子灯笼解复用器、正交模式泵浦光系统、用于正交模式复用信号光放大的传输链路。其中，正交模式泵浦光系统输出的泵浦光的模式和相位与正交模式复用信号一致。正交模式复用信号装置输出端和正交模式泵浦光系统输出端与模式光子灯笼复用器输入端信号连接，模式光子灯笼复用器输出端与传输链路输入端信号连接，传输链路输出端与模式光子灯笼解复用器输入端信号连接。

传输链路由环芯光纤和环芯增益光纤组成。其中，环芯光纤是正交模式复用信号传输的载体，可以同时传输多个模式信号，保持模式的正交性。正交模式复用信号在长距离传输后会因为损耗而导致信号功率降低，而环芯增益光纤可以实现正交模式复用信号中继放大。

环芯增益光纤中的光纤层掺杂用于光放大的介质，介质可以为饵离子。

正交模式泵浦光系统，包括由信号依次连接的激光器、分波器、模式转换器、相位控制器和泵浦模式复用器。泵浦光注入到掺铒光纤中，将基态的铒离子泵浦到激发态，铒离子处于激发态上不稳定，将无辐射地跃迁到粒子寿命长的亚稳态能级，实现铒离子粒子数的分布反转，从而对光信号进行增益均衡。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：正交模式泵浦光系统产生980nm不同模式下复用的泵浦光，通过正交模式匹配实现信号光与泵浦光的耦合传输，对不同模式下的光信号进行放大，从而实现低模间耦合的光信号均衡，为正交模式复用信号长距离传输时提供了稳定的光放大系统。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的增益光纤结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，正交模式复用信号的光放大系统包括正交模式复用信号装置、正交模式泵浦光系统，前者输出的正交模式复用信号与后者输出的泵浦光，模式和相位一致。正交模式复用信号输入到模式光子灯笼复用器的mode1-4口，泵浦光输入到mode5口，经模式光子灯笼复用器耦合输入到传输链路，经长距离的传输后进行信号光放大，保证了模式光子灯笼解复用器有效接收正交模式复用信号。

其中，正交模式泵浦光系统中的激光器产生的光束通过分波器分成多束相同功率的激光，通过模式转换器对不同的激光束进行模式转换，对不同的模式激光进行相位控制，通过泵浦模式复用器将多个泵浦模式进行整合，形成一路泵浦光并耦合输入到mode5端口。

正交模式复用信号输入到mode1-4端口，模式光子灯笼复用器将不同的正交模式和泵浦模式耦合复用成一路光信号。

为实现正交模式复用信号的增益均衡，需要建立多层的环芯光纤结构，使得光纤增益剖面与折射率剖面不完全重叠，实现极低的模式增益差。

多层的环芯光纤中模场分布u在圆柱坐标系中表示为：

其中n(r)为光纤折射率分布，k为波数，β为模式的纵向传输常数，r为圆柱坐标系中半径自变量。使用标量法求解公式（1），得到以下结论：

① 在纤芯中，传导模沿着径向呈现驻波分布，即n_i>β/ k（n_i为第i层模式场的折射率），求解得到场分布为：

② 在包层中，传导模沿径向衰减，即n_i <β/ k，得到场分布为：

其中，m为贝塞尔方程的阶数，r、为圆柱坐标系中的坐标自变量，α为待定系数，j为虚数单位，ai、bi为权值系数，J_m、N_m分别为第一、第二类的第m阶贝塞尔函数，I_m、K_m分别为第一、第二类的修正m阶贝塞尔函数。公式（2）和（3）中的归一化横向相位参数U_i和归一化横向衰减参数W_i可以表示为

(4)

其中a为纤芯的半径。

由此可以根据光纤每层结构的边界条件、模式数m，根据公式（2）至（4）计算出每层的模式场分布，从而可以获得模场分布状况。由于采用的是多层光纤结构，因此增益剖面和折射率剖面不完全重叠。

根据环芯光纤每层的模场分布特点，建立有源光纤参数与模式增益之间的理论模型。图2给出了环芯光纤的多层结构剖面图，由内到外依次为中间包层5、第一光纤层4、第一包层3、第二光纤层2、低折射率沟槽1。

传输链路由环芯光纤（RCF）、环芯增益光纤（RC-EDF）、环芯光纤（RCF）依次结合组成。环芯增益光纤中，光纤中掺杂饵离子。

正交模式复用信号在环芯光纤中传输，保证信号正交性不受破坏，在环芯增益光纤中进行均衡放大，从而保证正交模式复用光信号的长距离传输。

泵浦光注入到掺铒光纤中，将基态的铒离子泵浦到激发态，铒离子处于激发态上不稳定，将无辐射地跃迁到粒子寿命长的亚稳态能级，实现铒离子粒子数的分布反转。

正交模式泵浦光系统分别接入模式光子灯笼复用器和模式光子灯笼解复用器的两侧，泵浦光在掺铒光纤各处比较均匀，具有高功率和低噪声的双特性。