[논문 리뷰] The third- and fourth-order orbital angular momentum multiplexed amplification with ultra-low differential mode gain

Tianjin Wen, Shecheng Gao외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 22.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 22인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 초저차분모드이득(DMG) 증폭을 위한 최대 4차 오비탈 각운동량(OAM) 모드를 지원하는 이중층 고리핵에掺입된 erbium-도핑된 섬유(RC-EDF)를 제안한다. 굴절률 프로파일과 erbium-도핑 분포를 최적화함으로써 펌프 모드와 OAM 신호 모드 간의 높은 겹침을 달성하여 C-밴드 전역에서 평균 증폭 >19 dB 및 DMG <1 dB로 OAM±3,1 및 OAM±4,1 모드를 동시에 증폭할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 장거리 광통신을 위한 고차 OAM 모드(|l| ≤ 4)를 지원할 수 있는 다중모드 erbium-도핑 섬유 증폭기를 개발하기 위해.
• 펌프-신호-erbium 이온의 겹침을 설계하여 OAM 모드 multiplexed 증폭에서 차분모드이득(DMG)을 최소화하기 위해.
• 변동하는 펌프 전력 조건에서 쌍대 OAM 모드(±l)가 거의 동일한 증폭을 얻는 것을 실험적으로 입증하기 위해.
• 동시로 네 개의 OAM 모드를 증폭함으로써 C-밴드 전역에서 고평균 모드 증폭(>19 dB)과 초저차분모드이득(<1 dB)을 달성하기 위해.
• RC-EDF가 OAM-division-multiplexed 광섬유 시스템의 인라인 증폭기로서의 실현 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• MCVD 및 PCVD 기법을 사용하여 이중층 erbium-도핑 영역과 터널 보조 굴절률 프로파일을 갖춘 고리핵에掺입된 erbium-도핑 섬유(RC-EDF)를 설계 및 제작하였다.
• OAM 모드 에너지를 고리핵에 갇히게 하고 기본 펌프 모드와의 겹침을 향상시키기 위해 굴절률 프로파일을 설계하였다.
• 자체 제작한 비틀림 위상판(VPP)을 사용하여 1550 nm에서 OAM 모드(l = ±3, ±4)를 생성하였으며, 도넛형 강도 프로파일과 나선형 파면을 확보하였다.
• 976 nm 펌프, 분광기, 디크로이크 미러, 자유공간 고립기를 사용한 코어 펌프 OAM 증폭 테스트 시스템을 구현하여 임의의 레이저를 방지하였다.
• 펌프 전력(최대 500 mW)을 변화시키며, 광스펙트럼분석기(OSA)를 사용하여 모드 증폭, DMG, 쌍방향 간섭, 잡음 계수를 측정하였으며, 해상도 0.5 nm로 측정하였다.
• 측정된 굴절률 프로파일로부터 유효 굴절률 및 흡수 스펙트럼을 계산하여 모드 지지 및 증폭 특성의 검증을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고리핵에掺입된 erbium-도핑 섬유(RC-EDF)는 4차 오르빗 각운동량 모드까지 저차분모드이득(DMG)으로 증폭할 수 있는가?
• RQ2 설계된 RC-EDF의 구조는 기본 펌프 모드와 고차 OAM 신호 모드 간의 높은 공간 겹침을 달성하여 DMG를 최소화하는가?
• RQ3 네 개의 OAM 모드(±3, ±4)를 동시에 증폭함으로써 C-밴드 전역에서 평균 증폭 및 DMG 성능은 어떠한가?
• RQ4 각각 별도로 증폭할 때와 동시에 증폭할 때 쌍대 OAM 모드(+3 및 -3)의 증폭 성능는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 다중모드 작동 조건에서 RC-EDF 증폭기의 C-밴드 전역에서 증폭 평탄도 및 잡음 계수는 어떠한가?

주요 결과

• 제작된 RC-EDF는 C-밴드 전역에서 효과적인 굴절률 프로파일을 통해 최대 4차 오르빗 각운동량 모드(l = ±4)를 지지함을 확인하였다.
• 동시 증폭 조건에서 네 개의 OAM 모드(±3, ±4)의 평균 모드 증폭은 C-밴드 전역에서 19 dB에 도달하였으며, 1555 nm에서 최대 21.1 dB를 기록하였다.
• C-밴드 전역에서 차분모드이득(DMG)은 1 dB 이하였으며, 500 mW 펌프 전력 조건에서 측정된 값은 0.55 dB였다.
• 쌍대 OAM 모드(±3 및 ±4)는 별도로 증폭하거나 동시에 증폭하든 간에 거의 동일한 증폭을 보였으며, 대칭적 증폭이 이루어짐을 확인하였다.
• 동시 4모드 증폭 조건에서 C-밴드 전역에서 잡음 계수(NF)는 3.4 dB에서 5.5 dB 사이로 변동하였다.
• multiplexed OAM 모드 간 측정된 쌍방향 간섭은 -9 dB 이하였으며, 이는 체계에서 효과적인 모드 분리 및 낮은 간섭을 확인하였다.