[论文解读] 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 19

一句话总结

本论文提出一种双层环形芯掺铒光纤（RC-EDF），可支持至四阶轨道角动量（OAM）模式，实现超低差分模式增益（DMG）放大。通过优化折射率分布和掺铒分布，RC-EDF实现了泵浦模式与OAM信号模式之间的高重叠，从而在C波段内实现OAM±3,1和OAM±4,1模式的同步放大，平均增益超过19 dB，DMG低于1 dB。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可支持高阶OAM模式（|l| ≤ 4）的多模掺铒光纤放大器，用于长距离光通信。
• 通过优化泵浦-信号-铒离子重叠结构，最小化OAM模式复用放大中的差分模式增益（DMG）。
• 实验验证共轭OAM模式（±l）在不同泵浦功率下实现近乎相同的增益。
• 在C波段内实现四个OAM模式同时放大的高平均模增益（>19 dB）和超低DMG（<1 dB）。
• 验证RC-EDF作为OAM复用光纤系统中内联放大器的可行性。

提出的方法

• 采用MCVD和PCVD技术，设计并制备了具有双层掺铒区域和沟槽辅助折射率分布的环形芯掺铒光纤（RC-EDF）。
• 通过工程化折射率分布，将OAM模式能量限制在环形芯区域，并增强其与基模泵浦模式的重叠。
• 利用自制的涡旋相位板（VPPs）在1550 nm波长下生成OAM模式（l = ±3, ±4），具有甜甜圈形强度分布和螺旋波前。
• 构建了基于纤芯泵浦的OAM放大器测试系统，包含976 nm泵浦源、分束器、二向色镜和自由空间隔离器，以防止寄生振荡。
• 采用光谱分析仪（OSA，分辨率0.5 nm）测量模增益、DMG、串串扰和噪声系数，泵浦功率范围达500 mW。
• 根据测得的折射率分布计算有效折射率和吸收光谱，以验证模式导引和增益特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 环形芯掺铒光纤（RC-EDF）是否能够支持并放大至四阶的OAM模式，且具备低差分模式增益（DMG）？
• RQ2 所设计的RC-EDF结构是否实现了基模泵浦与高阶OAM信号模式之间的高空间重叠，从而最小化DMG？
• RQ3 在C波段内，四个OAM模式（±3, ±4）同时放大的性能如何，其平均增益与DMG表现如何？
• RQ4 当分别或同时放大的情况下，共轭OAM模式（如+3与-3）的增益表现有何差异？
• RQ5 在多模工作状态下，RC-EDF放大器在C波段内的增益平坦度和噪声系数如何？

主要发现

• 所制备的RC-EDF可支持至四阶OAM模式（l = ±4），有效折射率分布证实其在C波段内具有模式导引能力。
• 在C波段内，四个OAM模式（±3, ±4）同时放大的平均模增益达到19 dB，1555 nm处最大增益达21.1 dB。
• C波段内差分模式增益（DMG）低于1 dB，500 mW泵浦功率下实测值为0.55 dB。
• 共轭OAM模式（±3和±4）在分别或同时放大时均表现出近乎相同的增益，证实了放大的对称性。
• 在四模同时放大条件下，噪声系数（NF）在C波段内范围为3.4 dB至5.5 dB。
• 多路复用OAM模式间的串串扰低于-9 dB，证实系统具备有效的模式解复用和低串扰特性。