一种基于正交模的参量光子放大方法与流程

本发明涉及一种基于正交模的参量光子放大方法，属于通信中光放大的技术领域。

背景技术：

单模光纤传输容量日益逼近香农极限，急剧上升的数据流量需求引发了由单芯单模到多芯少模光纤物理通道的技术变革。有研究发现，多芯光纤通信系统的传输容量比单模光纤的容量极限高20倍以上。因而数十倍的容量提升可打破现有的单模容量极限，有效缓解容量危机，从而推动云计算、物联网等新兴科技产业的发展。通过在单一纤芯中同时传输多个模式，进一步扩展传输容量。因此多芯少模系统的研究将是光通信的研究重点，掌握多芯少模关键核心技术是能否占据光通信市场的重要因素。

近年来，多芯少模光纤研究一直是研究的热点之一。多芯少模光纤由多芯单模、单芯少模到多芯少模，模式总数不断增加，传输容量得到了巨大地提升。然而，与单模系统不同的是，多芯少模光信号在传输过程中由于模式间耦合、芯间耦合等线性效应以及四波混频等非线性效应而产生损伤，传输距离受到严重制约，因而，多芯少模中继放大器的研究应运而生，以求实现不同空间模式下的所有数据通道的同时放大。在单模光纤系统中，常见的光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、拉曼放大器以及参量放大器。其中参量放大器是基于非线性效应的，因此针对中继放大器研究来说，少模参量放大器可以有效将四波混频设计为高度非线性，既实现多模信号的中继放大，又可以降低系统因非线性而造成的功率损伤。少模参量放大器不仅具有与掺铒光纤放大器相似的增益水平，还可以调整泵浦光的波长、功率以及相位等信息更好的实现少模信号的中继放大。

技术实现要素：

本发明针对正交模信号长距离传输过程中的功率过低问题，提供一种基于正交模的参量光子放大方法，在正交模式复用光传输理论的基础上，针对正交模在传输过程中的光参量方法进行优化，以实现多模正交信号的中继放大，进而实现基于参量光子放大的正交模的光通信系统传输。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于正交模的参量光子放大方法，包括以下步骤：

建立高非线性少模光纤模场，设计具有高折射率环与低折射率中心区域结构的环芯少模光纤；

根据四波混频原理，建立信号光与泵浦光的相位匹配条件；

基于环芯少模光纤结构和建立的信号光与泵浦光的相位匹配条件，建立参量光子放大方法，具体为：

将频率为ωs的信号光经环芯少模光纤送入第一分路器，该信号光经第一分路器分别输入到相位控制仪和光参量放大器中，相位控制仪依据信号光频率对泵浦激光器设置所需的泵浦光相位，由泵浦激光器产生频率为ωp的泵浦光；

将第一分路器输出的信号光与泵浦激光器产生的泵浦光经耦合器送入光参量放大器中，所述光参量放大器根据建立的信号光与泵浦光的相位匹配条件发生四波混频效应，形成频率分别为ωs、ωp、ωi的信号光、泵浦光和闲频光并送入第二分路器；由第二分路器输出泵浦光且将其一部分能量转移到信号光上使得信号光增强，然后将剩余的泵浦光送入增益控制器，并将增益控制器的增益结果反馈回泵浦激光器，以对泵浦光的相位和强度进行调整，且由第二分路器分别将信号光和闲频光输出。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中环芯少模光纤内高折射率环的折射率之差δn+与低折射率中心区域的折射率之差δn_分别为：

其中nconst为折射率常数，与传播的模式相关；ncenter为环中心折射率，nring为环形内部折射率；δnring为环芯的折射率之差；r1和r2是高折射率环的内径和外径，r3和r4是低折射率中心区域的内径和外径，满足0≤r3≤r4≤r1≤r2≤rcore，rcore为环芯少模光纤的纤芯半径。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中环芯少模光纤内高折射率环与低折射率中心区域的位置取决于原始阶跃圆芯少模光纤的各lp模式功率分布。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中环芯少模光纤通过设置归一化频率以支持6个lp模式弱耦合信号传输，其中a为纤芯半径，λ为波长，ncore为环芯少模光纤纤芯折射率和nclad为包层折射率。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中建立的信号光与泵浦光的相位匹配条件为：

(1)空间模式接近于零的群速度色散值以便保证调制不稳定性相互作用是相位匹配的，其中ωp为泵浦光的频率，βm(ω)是空间模式m在频率ω处的传播常数；

(2)任何两个参与的空间模式a和b的传播常数βm一阶导数之差大于传播常数βm的二阶导数：群速度色散值其中并且信号光与泵浦光频率之间差值超出设定范围。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明方法通过建立高非线性少模光纤模场，设计并优化少模光纤结构，得到高折射率环与低折射率区域中心结构的环芯少模光纤，通过设置归一化频率实现多模式信号的传输。依据少模信号的四波混频原理建立信号光与泵浦光的相位匹配条件，实现信号光的泵浦放大，从而为信号光的参量光子放大提供条件。建立参量光子放大方法，用于基于参量光子放大的正交模传输系统，实现正交模信号的长距离传输，有效解决少模信号的长距离传输过程中的功率损耗问题。

附图说明

图1为本发明基于正交模的参量光子放大方法的原理示意图。

图2为本发明中环芯少模光纤的横截面结构示意图。

图3为本发明中模内(mi)和模间(pc，bs)的四波混频原理图。

图4为本发明中泵浦光产生与参量光子放大过程示意图。

图5为本发明实施例中基于参量光子放大的正交模信号传输系统的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于正交模的参量光子放大方法，通过正交模式复用光传输理论的基础上，针对正交模在传输过程中的光参量方法进行优化，以实现多模正交信号的中继放大。本发明的方法具体包括以下步骤：

步骤1、建立高非线性少模光纤模场，设计具有高折射率环与低折射率中心区域结构的环芯少模光纤，支撑多个模式的同时传输，包括具体步骤如下：

步骤1.1、建立高非线性少模光纤模场，具体为：

假设同时存在多个模式，当频率为ωp的简并泵浦光和频率为ωs的信号光入射到少模光纤上时，两束光产生交互作用，从而导致在频率ωi处产生具有多个空间模的光圈，其中ωi＝2ωp-ωs。假设光波沿x轴线性共极化，且传播过程中极化状态不变。根据非线性薛定谔方程，多模光纤中的脉冲传播方程为：

其中，ai为模式i的包络线，即模式i幅度值(下标i可以替换为其他任何字母，如m、n、p、l等)；t为时间，i为虚数，z为轴方向，n为阶数，c为真空中光速，为模式p的n阶传播常数，n2为掺杂光纤的非线性纤芯折射率；ω0为原始脉冲的中心频率，每个模式由两个整数p,m表示径向数和角数。非线性场分量p可以表示为：

非线性耦合分量表示为：

其中，fp,fl,fm,fn分别为模式数分别为p,l,m,n的模场空间分布，上标*表示其共轭运算；非线性响应函数为：

r(τ)＝(1-fr)δ(τ)+frh(τ)(4)

其中fr为总非线性的拉曼响应分数贡献，对光纤而言，fr≈0.18；h(τ)为延迟拉曼响应函数，δ(τ)为脉冲冲激函数；而冲激时间常数为：

因此，光波的模态包络线的演化用一组耦合的非线性方程表示。假设在连续波条件下，处于小信号状态下的泵浦光和信号光的空间模式的复数场幅度为：

其中，a为幅度包络，下标分别表示不同光的不同空间模式状态；为相位失配项，计算如公式(10-12)所示；γmn为空间模式m和n之间的非线性耦合系数，取决于交互模式的空间分布之间的重叠，表示为：

其中c为真空中光速，n2(x,y)为掺杂光纤的纤芯折射率：

δn为相对折射率之差，nd为掺杂光纤的折射率，np为纯二氧化硅的折射率，ωk为频率。若忽略泵浦与信号之间微小的频率差，可假定γmn(ωk)≈γmn。δβ项描述光纤中发生的不同非线性相互作用的相位不匹配。

步骤1.2、设计环芯少模光纤的结构，具体为：

由于多芯少模光纤单次可传输数十个模式，非线性耦合项数目呈指数倍增长，因此需要研究弱耦合的高非线性该光纤结构，防止非线性耦合限制光信号传输能力。环芯少模光纤的设计原理是通过阶跃圆芯少模光纤扰动推导而来，环芯少模光纤由里向外依次是中心包层、纤芯、外包层，各层的包层折射率nclad一致。考虑6模的少模光纤结构，最小的有效折射率之差(min|δneff|)为模式lp21和模式lp02之间，具有较大的功率分布差值。通过对lp21和lp02的功率集中区域进行扰动环结构设计增加min|δneff|。根据所有lp模式的有效折射率在包层折射率nclad和纤芯折射率ncore之间，假设6个模式的有效折射率neff分布均匀，则可以获得最大的min|δneff|值。模式lp21和lp31模式之间具有较大的功率互重叠，这意味着模式lp21和lp31之间的有效折射率之差|δneff,21,31|几乎不受折射率分布的影响。因此只有当|δneff,21,02|＝|δneff,02,31|＝|δneff,21,31|/2时，可以获得最大的min|δneff|。

根据以上的分析，通过设计如图2所示的非线性少模光纤横截面结构。该非线性少模光纤具有高折射率环和低折射率的纤芯中心区域，能够有效地达到最大min|δneff|值。因此高折射率环δn+和低折射率中心区域δn_如下式所示：

其中nconst为折射率常数，与传播的模式相关；ncenter为环中心折射率，nring为环形内部折射率；δnring为环芯的折射率之差；r1和r2是高折射率环的内径和外径，r3和r4是低折射率中心区域的内径和外径，满足0≤r3≤r4≤r1≤r2≤rcore，rcore为环芯少模光纤的纤芯半径。在这种设计下，高折射率环和低折射率中心区域的最佳位置取决于原始阶跃圆芯少模光纤的模式lp21、lp02和lp31的功率分布，从而避免了搜寻最佳位置而造成的时间浪费。通过合理设置归一化频率其中a为纤芯半径，λ为波长，使得该少模光纤可支持6个lp模式弱耦合信号传输。

步骤2、根据四波混频原理，建立信号光与泵浦光的相位匹配条件，从而为信号光的参量光子放大提供条件，实现信号光的泵浦放大，具体如下：

在小信号状态下，泵浦的空间模式仅由于其他模式泵浦功率的自相位调制和交叉相位调制产生相移。公式(7)的第一项描述的是由泵浦交叉相位调制引起的信号相移，第二项是模式a的参量放大，表示调制不稳定性(mi)过程。主要是模态内四波混频相互作用，即其中两个泵浦光子模式散射时在同一空间模式下产生一个信号光子(斯托克斯波)和一个闲频光子(反斯托克斯波)：其中每个表示模式a下频率为ωj,(j∈{p,s,i})的光子。后两项为相共轭(pc)和布拉格散射(bs)过程。在相共轭过程中在布拉格散射中存在其相互作用如图3所示，每个箭头代表指定频率的光子，箭头的虚实线表示光子的空间模式。向下的箭头表示光子湮灭，向上的箭头表示光子创建。相互作用的相位失配项表示为：

其中，βm(ω)是空间模式m在频率ω处的传播常数，βjm是在泵浦光频率ωp处βm的第j阶导数：而又称为m模式下的群速度色散值常数；参数ωs＝ωs-ωp是来自泵浦的信号光频率失谐。

为了实现少模参量放大，所有的参与模式的调制不稳定性过程都应在传输窗口中进行相位匹配，即δβmi→0。根据公式(10)可知，必须对光纤所有模式有较小的值。若此时伴有相共轭和布拉格散射发生，则相互作用会使任何给定模式数据受到其他模式数据的影响，从而产生串扰。因此为了避免串扰，需将相共轭和布拉格散射设计为相位不匹配，即δβpc和δβbs相对较大。因此必须满足以下两个条件才能实现少模参量放大：(1)空间模式应具有较小的接近于零的群速度色散的值其中ωp为泵浦光的频率，βm(ω)是空间模m在频率ω处的传播常数，以便保证调制不稳定性相互作用是相位匹配的；(2)任何两个参与的空间模式a和b的传播常数βm的一阶导数之差尽可能远远大于传播常数βm的二阶导数：群速度色散的值并且信号光与泵浦光频率差值超出设定范围，避免非常接近，降低串扰。

步骤3、基于环芯少模光纤结构和建立的信号光与泵浦光的相位匹配条件，建立参量光子放大方法，实现正交模信号的长距离传输，具体如下：

根据四波混频分析以及相位匹配条件对正交模参量光子放大系统进行设计。对于所有的放大模式，较小的差分模态增益需要实现相似的增益效果，且随着放大模式数目的增加，实现难度随之增加。通过设计的光纤结构，满足串扰可忽略的少模参量放大的所有色散要求，从而可以直接使用与单模光纤相同的公式解析计算每种模式的信号增益参数放大，由下式给定：

其中，gm是信号模式m的增益，pm为入射泵浦光的功率，l为泵浦光纤长度，其余参数定义为：

如图4所示，为本发明方法中泵浦光产生与参量光子放大过程，包括以下步骤：将较低的频率为ωs的信号光经环芯少模光纤送入第一分路器，该信号光经第一分路器分别输入到相位控制仪和光参量放大器中，相位控制仪依据信号光频率对泵浦激光器设置所需的泵浦光相位，由泵浦激光器产生较高的频率为ωp的泵浦光；其中光强度的大小用箭头的长度表示，信号光强度弱，泵浦光强度强。

将第一分路器输出的信号光与泵浦激光器产生的泵浦光经耦合器送入光参量放大器中，所述光参量放大器根据建立的信号光与泵浦光的相位匹配条件发生四波混频效应，形成如图4所示的频率分别为ωs、ωp、ωi的信号光、泵浦光和闲频光并送入第二分路器；由第二分路器输出泵浦光且将其一部分能量转移到信号光上，从而使得信号光增强。然后将剩余的泵浦光送入增益控制器，并将增益控制器的增益结果反馈回泵浦激光器，以对泵浦光的相位和强度进行相应的调整，且由第二分路器分别将信号光和闲频光输出，从而可以更好的控制光子参量放大过程。

本发明方法能够实现正交模信号的长距离传输，有效解决少模信号的长距离传输过程中的功率损耗问题，可以将本发明方法应用到如图5所示的基于参量光子放大的正交模信号传输系统中。本发明方法所提出的正交模参量放大主要涉及步骤s101和s102的少模泵浦光1和2的产生；步骤s103和s104的光子参量放大。该系统基于参量光子放大的正交模信号传输过程如下：

在发送端，正交模信号由任意波形发生器awg送入调制器中。激光器ecl为光传输系统提供激光光源。iq调制器输出信号光。在传输之前，将信号光与步骤s101产生的少模泵浦光1耦合并执行步骤s103，即采用本发明的方法进行光子参量放大。放大后的信号在经过偏振控制器pc以及相应的时延后进入光子灯笼复用器复用调制后送入19芯6模少模光纤fwf中进行传输。

在接收端同样对信号进行光子参量放大，执行步骤s102的少模泵浦光2的产生和s104的光子参量放大，以补偿传输过程中少模信号的功率损耗，从而获得可解调的信号模式。经分束器、偏振控制器后由光电探测器pd进行信号检测。最终由示波器dso进行采集数据，以用于后续的线下信号解调恢复。

综上，本发明方法通过建立参量光子放大方法，用于参量光子放大的正交模传输，实现正交模信号的长距离传输，有效解决少模信号的长距离传输过程中的功率损耗问题。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。