[論文レビュー] The third- and fourth-order orbital angular momentum multiplexed amplification with ultra-low differential mode gain

Tianjin Wen, Shecheng Gao+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2021

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 22被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、最大4次までの軌道角運動量（OAM）モードをサポートする二層構造のリングコアホルミングドープされたフォイル（RC-EDF）を提案し、超低差分モードゲイン（DMG）増幅を実現する。屈折率プロファイルとイッテルビウムドーピング分布を最適化することで、ポンプモードとOAM信号モードの間の高い重なりが達成され、Cバンド全域で平均ゲイン >19 dB、DMG <1 dB を達成する。

ABSTRACT

In this Letter, a ring-core erbium-doped fiber (RC-EDF), with two-layer erbium-doped structure, supporting up to the fourth-order orbital angular momentum (OAM) mode is designed and fabricated for OAM mode multiplexed amplification. Using the RC-EDF, the third- and fourth-order OAM modes amplification with ultra-low differential mode gain (DMG) is demonstrated by observing both the modal intensity and phase distribution and measuring the modal gain under the fundamental mode core-pumping. The measured average gain of four modes (l=+3, -3, +4, -4) multiplexed amplification is higher than 19dB cover the C-band and the DMG is less than 1dB. Additionally, the gain of two conjugate OAM modes are almost the same under different pump power no matter they are amplified simultaneously or separately.

研究の動機と目的

• 長距離光通信に適した高次OAMモード（|l| ≤ 4）をサポートできるマルチモードイッテルビウムドーピングフォイル増幅器の開発。
• ポンプ-信号-イッテルビウムイオンの重なりを最適化することで、OAMモード multiplexed 増幅における差分モードゲイン（DMG）を最小化すること。
• 変動するポンプ出力下で、共役OAMモード（±l）がほぼ同一のゲインを達成することを実験的に証明すること。
• 4つのOAMモードを同時に増幅する状況で、Cバンド全域にわたり高い平均モードゲイン（>19 dB）と超低DMG（<1 dB）を達成すること。
• RC-EDFがOAM分割多重光ファイバー系のインライン増幅器として実用可能であることを検証すること。

提案手法

• MCVDおよびPCVD法を用いて、二層構造のイッテルビウムドーピング領域とトラウス補助屈折率プロファイルを有するリングコアイッテルビウムドーピングフォイル（RC-EDF）を設計・作製した。
• OAMモードエネルギーをリングコアに閉じ込め、基本ポンプモードと高い空間的重なりを確保するため、屈折率プロファイルを設計した。
• 自作のバーティカル位相プレート（VPP）を用いて、1550 nmでドーナツ型強度分布とヘリカル波面を持つOAMモード（l = ±3, ±4）を生成した。
• 976 nmポンプ、ビームスプリッタ、デュアルモードミラー、自由空間隔離器を備えたコアポンプ型OAM増幅器テストシステムを構築し、不要なレーザー発振（パラサイトス・レーザー）を防止した。
• ポンプ出力を500 mWまで変化させながら、光スペクトルアナライザー（OSA、0.5 nm分解能）を用いてモードゲイン、DMG、クロストーク、ノイズ figure を測定した。
• 測定された屈折率プロファイルから有効屈折率および吸収スペクトルを計算し、モードガイドおよび増幅特性の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リングコアイッテルビウムドーピングフォイル（RC-EDF）は、4次までのOAMモード（l = ±4）を支持し、低差分モードゲイン（DMG）で増幅可能か？
• RQ2 設計されたRC-EDF構造は、基本ポンプモードと高次OAM信号モードとの間で高い空間的重なりを実現し、DMGを最小化できるか？
• RQ3 4つのOAMモード（±3, ±4）の同時増幅性能は、Cバンド全域で平均ゲインとDMGの観点からどのように評価できるか？
• RQ4 別々に増幅された場合と同時に増幅された場合とで、共役OAMモード（例：+3 と -3）のゲインはどのように比較できるか？
• RQ5 マルチモード動作下でのCバンド全域におけるRC-EDF増幅器のゲイン平坦性とノイズ figure はどの程度か？

主な発見

• 作製されたRC-EDFは、Cバンド全域で有効屈折率プロファイルが確認されたことから、OAMモード（l = ±4）までガイド可能であることが確認された。
• 4つのOAMモード（±3, ±4）を同時に増幅した場合、Cバンド全域で平均モードゲインが19 dBに達し、1555 nmで最大21.1 dBを記録した。
• Cバンド全域で差分モードゲイン（DMG）は1 dB未満であり、ポンプ出力500 mWで測定された値は0.55 dBであった。
• 共役OAMモード（±3 および ±4）は、別々に増幅された場合でも同時に増幅された場合でも、ほぼ同一のゲインを示し、対称的な増幅が実現していることが確認された。
• 4モード同時増幅下でのノイズ figure（NF）は、Cバンド全域で3.4 dBから5.5 dBの範囲に分布した。
• 多重化されたOAMモード間のクロストークは-9 dB未満であり、システム内での有効なモード分離と低クロストークを確認した。