少模光纤激光器时代到来了吗？

陈伟¹，葛大伟¹，高宇洋¹，周目清¹，任芳²，李巨浩¹

1. 北京大学电子学院 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室

2. 北京科技大学计算机与通信工程学院

近年来，在光纤通信领域，基于多芯光纤和少模光纤的空分复用传输技术被广泛认为是下一代高速光通信的主要发展途径^[1]，这其中弱导结构的少模光纤（Few Mode Fiber，FMF）概念与传统的多模光纤是不同的，最大的区别在于少模光纤可以支持模分复用技术，即不同的线性偏振(Linearly-polarized, LP)模式可作为不同的空间通道传输信号，每一个模式都相当于一根单模光纤，从而有效提升光纤传输容量，例如采用19芯6模光纤可以将单纤传输容量提升到10 Pbit/s以上^[2]。

少模光纤传输中不可避免会产生模间串扰，因此，目前少模传输方案有强耦合和弱耦合两种实现方案。前者不做模间串扰的抑制，需要在传输后通过多个模式间的联合多入多出数字信号处理实现对信号的解复用^[3]；而后者尽量抑制少模光纤、模式复用/解复用器件等产生的模间串扰。当足够小时，认为模间串扰的影响可忽略，已有多个研究团队的工作证明了弱耦合少模光纤传输的可行性^[4,5]。

除了通信领域的应用外，近年来已经有一些研究团队开始讨论如何将少模光纤应用于光纤激光器中，例如FMF布拉格光栅具有多个满足相位匹配条件的偏振模式对应的反射波长，加入激光器结构中，可以产生多波长激光输出^[6]。少模增益光纤可以改善对泵浦光的吸收，从而获得比单模增益光纤更高的输出功率^[7]。少模光纤也可以用于高阶模式激光输出，如柱矢量模式^[8]、轨道角动量模式^[9]，一般可以通过腔内直接激射或基模输出通过模式转换器件在腔外进行模式转换的方法实现。需要指出的是，在这些应用中弱耦合少模光纤及与之匹配的高选择性模式复用/复用器件可有效实现对模式的独立控制，有更广泛的应用。

本文首先介绍一类多环纤芯弱耦合少模光纤的设计方法^[10]，并以一种支持6个LP模式的少模光纤为例介绍其设计、制备和测试结果；进一步介绍一种采用熔融拉锥工艺加工的低串扰模式选择耦合器级联型的复用/解复用器，它可以与少模光纤匹配实现各模式的有效激励和处理；最后介绍在制备的弱耦合少模光纤和匹配复用/解复用器件基础上实现的一种多波长光纤激光器^[11]。

弱耦合FMF设计方法

弱耦合FMF设计的基本思路是将若干个环形折射率微扰施加到阶跃结构的FMF中，从而调节各模式的有效折射率分布。由模式耦合理论可知，模式有效折射率差（）是模间串扰的主要决定因素，模间串扰会随着的增大而减小，因此在给定少模光纤的纤芯和包层折射率后，让各模式有效折射率趋向于等间隔分布可以达到降低模间串扰的目的。基于此设计思想，一种基于有效折射率控制的弱耦合FMF设计方法的流程图如图1所示。

图1 基于有效折射率控制的FMF设计方法

基于该方法，我们设计并制备了一种6LP模式弱耦合多环纤芯少模光纤。6LP模式涟漪纤芯光纤及多环纤芯光纤折射率设计剖面如图2(a)所示，相邻模式的如图2(b)所示。可以看到，从优化前的8.11×10^-4提升到了1.46×10^-3。

图2 (a)弱耦合涟漪纤芯光纤及多环纤芯光纤折射率设计剖面；(b)相邻模式

进一步采用等离子体化学气相沉积（Plasma Chemical Vapor Deposition，PCVD）工艺平台对设计光纤进行加工。包层采用纯二氧化硅（SiO₂），纤芯采用掺锗的SiO₂，通过控制锗离子浓度实现环形折射率台阶。设计与加工实测的光纤折射率分布如图3所示，由于拉丝过程中预制棒被加热，各环形区域的边界发生了离子扩散，导致折射率剖面并非严格阶跃，而是较为陡峭的上升或下降。图3中各模式有效折射率是将加工实测折射率分布数据导入Comsol进行有限元计算的结果，可以看到=1.49×10^-3，与设计值1.46×10^-3非常接近，说明光纤制备达到了设计要求。图4为该光纤的实物图及光纤横截面照片。

图3 6LP模弱耦合多环纤芯少模光纤折射率分布及各模式有效折射率

图4 （a）6LP模式弱耦合多环纤芯少模光纤实物图；（b）横截面照片；（c）区域放大照片

模式复用/解复用器

为了保证整个系统的低模间串扰，除了制备弱耦合少模光纤外，还需要考虑模式复用/解复用器件。而采用熔融拉锥工艺加工的低串扰模式选择耦合器（Mode Selective Coupler，MSC）级联型的复用/解复用器，可以与少模光纤匹配实现各模式的有效激励和处理。因此，我们制备了熔融拉锥型MSC，通过将预拉锥的单模光纤与预拉锥的FMF进行平行熔融拉锥，在满足相位匹配条件时实现模式转换，其结构示意图如图5所示。最后将6LP模式MSC级联得到模式复用/解复用器，最终器件如图6所示。

图5 熔融拉锥型MSC

图6 基于弱耦合多环纤芯FMF的6LP模式模式复用/解复用器

对6LP模式弱耦合多环纤芯FMF进行模场测试，其实验框图如图7所示。将工作在1550 nm激光器的光依次注入每个模式的MSC，激励出相应的模式，再将该模式注入71 km待测光纤进行传输，在接收端使用电荷耦合元件（Charge-coupled device，CCD）测量模场图。

图7 模场测试实验框图

图8显示了6LP模式弱耦合多环纤芯FMF的模场图。可以看到，MSC直接激励的各个模式与仿真得到的模场相近。这说明加工的MSC模式选择性强，性能良好。经过71 km FMF传输后，仍然能够保持其形状。这说明加工的FMF可以保证模式间弱耦合，即使在长距离的传输后仍然能够保持最初的模场，不发生串扰。

图8 仿真模场、MSC直接激励的模场和经过71 km 6LP模式弱耦合多环纤芯FMF传输后的模场

基于弱耦合多环纤芯和复用/解复用器的多波长光纤激光器

基于上述弱耦合六模FMF和低串扰的模式复用/解复用器，我们设计并制成了一种高模式纯度的空间模式可选的多波长光纤激光器，具体实验装置如图9所示。

图9 空间模式可选的多波长光纤激光器结构

实验结构主要包括主环形腔和Sagnac环两部分。主环形腔由980 nm半导体激光器（Laser Diode，LD）、980/1550 nm波分复用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）、单模掺铒光纤（Single Mode – Erbium-Doped Fiber，SM-EDF）、光隔离器(Isolator，ISO)、光耦合器(Optical Coupler，OC) OC1、OC2、光开关、模式组复用器（Multiplexer，MUX）、解复用器(Demultiplexe，DEMUX) MUX1/DEMUX1、少模光耦合器(Few Mode-Optical Coupler, FM-OC)、偏振控制器(Polarization Controller, PC)PC2组成。其中，MUX/DEMUX采用了由单模光纤和6LP模式弱耦合多环纤芯FMF熔融拉锥型MSC级联制成，其结构如图10所示。分光比90:10的FM-OC的10%输出端口作为激光器的输出连接至光谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer，OSA），90%输出端口的光在主环腔内继续传输，经过DEMUX1解复用至单模光纤中的基模后，再由Sagnac环进行滤波，返回主环形腔。

图10 由级联MSC组成的（a）模式组复用器；（b）模式组解复用器结构图

通过光开关切换MUX1的输入端口，可以得到LP01、LP11、LP21和混合模式的激光输出，使用CCD测量FM-OC的10%输出端口的模场图。结果如图11所示，符合LP01、LP11、LP21以及混合模式的模场图，且模式纯度非常高，证实了激光器可支持稳定的基模和高阶模式的输出，并且模式可以切换，灵活性高。

图11 LP01、LP11、LP21、混合模式输出模场图

在不同模式下，通过调整少模Sagnac环中PC1 的旋转角度，可以得到单波长、双波长、三波长激光输出，其光谱由OSA 测量，结果如图12所示。

图12 (a)LP01模式 (b)LP11模式 (c)LP21模式 (d)混合模式 输出时单波长、双波长、三波长激光输出光谱

总结

本文介绍了弱耦合少模光纤的设计、制备，以及基于此光纤的低串扰模式选择耦合器级联型的复用/解复用器，最后介绍在制备的弱耦合少模光纤和匹配复用/解复用器件基础上实现的一种多波长光纤激光器。实验结果表明，弱耦合FMF在光纤激光器中可以提供出色的模式控制能力，结合一套完整的光纤设计、器件制作流程，可为光纤激光器的性能和应用拓展提供新的可能性，相信未来会发挥更大作用。

参考文献

1. Richardson D J, Fini J M, Nelson L E. Space-division multiplexing in optical fibres[J]. Nature Photonics, 2013, 7(5):354-362.

2. Soma D, Wakayama Y, Beppu S, et al. 10.16-Peta-B/s Dense SDM/WDM Transmission Over 6-Mode 19-Core Fiber Across the C+L Band[J]. Journal of LighTWave Technology, 2018:1-1.

3. Rademacher G, Luís R S, Puttnam B J, et al. 1.53 Peta-bit/s C-band transmission in a 55-mode fiber[C]//2022 European Conference on Optical Communication (ECOC). IEEE, 2022: 1-4.

4. Gao Y, Ge D, Shen L, et al. Prototype of DSP-Free IM/DD MDM Transceiver for Datacenter Interconnection[J]. Journal of Lightwave Technology, 2021, 40(5): 1283-1295.

5. Cui J, Gao Y, Huang S, et al. Five-LP-Mode IM/DD MDM Transmission Based on Degenerate-Mode-Selective Couplers With Side-Polishing Processing[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023, 41(10): 2991-2998.

6. Moon D S, Paek U C,  Chung Y. Multi-wavelength lasing oscillations in an erbium-doped fiber laser using few-mode fiber Bragg grating[J]. Optics Express, 2004, 12(25):6147.

7. Repgen P, Wandt D, Wienke A, et al. Yb-doped fiber Mamyshev oscillator with a few-mode gain fiber[C]//Fiber Lasers XVIII: Technology and Systems. SPIE, 2021, 11665: 1166516.

8. Teng W,  Yang A,  Fan S, et al. High-order mode lasing in all-FMF laser cavities[J]. Photonics Research, 2019, 7(1):42.

9. Yang K,  Liu Y G,  Wang Z, et al. All-fiber Orbital Angular Momentum Laser Generated with Titled Fiber Bragg Grating Pair written in Few-mode Ring-core fiber[C]// Optical Fiber Communication Conference. 2019.

10. Ge D, Gao Y, Yang Y, et al. A 6-LP-mode ultralow-modal-crosstalk double-ring-core FMF for weakly-coupled MDM transmission[J]. Optics Communications, 2019, 451.

11. Zhou M, Ren F, Li J, et al. Spatial-Mode Switchable, Multi-Wavelength All-Fiber EDF Laser Based on Low Modal Crosstalk Mode MUX/DEMUX[C]// 2018 Asia Communications and Photonics Conference (ACP). 2018.

作者简介

陈伟，北京大学电子学院，硕士研究生；

葛大伟，北京大学电子学院，博士；

高宇洋，北京大学电子学院，博士后；

周目清，北京大学电子学院，硕士；

任芳，北京科技大学计算机与通信工程学院，副教授；

李巨浩，北京大学电子学院，副教授。