CN114629590A - 一种光放大装置以及包含光放大装置的模分复用系统 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种光放大装置以及包含光放大装置的模分复用系统，涉及光通信领域，用于模分复用光传输系统中，包括：第一光放大器、第二光放大器和模式交换器；所述第一光放大器与所述模式交换器的输入端相连，所述第二光放大器与所述模式交换器的输出端相连；所述第一光放大器用于对所述少模光纤的多种传输模式所承载的光信号进行放大；所述少模光纤的多种传输模式可分为N组，每一组包括两种传输模式，所述N为大于等于1的正整数；所述模式交换器用于对每一组中承载有光信号的两种传输模式进行模式互换；所述第二光放大器用于对模式互换后的所述每一组中两种传输模式所承载的光信号进行放大。

Description

一种光放大装置以及包含光放大装置的模分复用系统
技术领域
本申请涉及光通信领域，用于模分复用光传输系统中，尤其涉及一种光放大装置以及包含放大装置的模分复用系统。
背景技术
在光网络中，经常存在由于光功率损耗，必须对光信号进行放大以使得光信号的功率和性能足够被接收机接收的情况。例如，通常可以使用掺铒光纤放大器(erbium dopedfiber amplifier，EDFA)对光信号进行放大。
在实际应用中，掺铒光纤放大器中铒离子的掺杂方式以及泵浦模式光场分布都将影响对光信号的放大；在少模光纤中，由于输入少模掺铒光纤放大器的多个光信号的传输模式不同，而不同传输模式对应的光场、泵浦模式光场与铒离子的交叠程度不同，因此将导致不同传输模式承载的光信号经掺铒光纤放大器放大后，具有不同增益，差分模式增益增加；如何降低差分模式增益，降低不同传输模式所承载的光信号的输出功率偏差，保持相近的信噪比，成为亟需解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种光放大装置以及包含光放大装置的模分复用系统，用于降低少模掺铒光纤放大器的差分模式增益，提高模分复用系统的传输性能。
本申请实施例的第一方面提供一种光放大装置，包括：
光放大装置用于对少模光纤中传输的光信号进行放大，具体的，光放大装置可包括第一光放大器、第二光放大器以及模式交换器；其中，模式交换器位于第一光放大器和第二光放大器之间，一端接第一光放大器的输出端，另一端接第二光放大器的输入端，构成串行结构；当光信号在少模光纤中传输中传输时，第一光放大器接收多个光信号并对其进行放大，其中，该多个光信号承载在多种传输模式上，多种传输模式两两为一组，分为N组；然后放大后的多个光信号输入至模式交换器，该模式交换器会将每一组中，承载有光信号的两种传输模式进行模式互换，然后第二光放大器接收模式互换后的光信号，并再一次对多个光信号进行放大，最后达到多个光信号增益均衡的目的。
由于少模光纤中多种传输模式的模场分布不同，因此不同传输模式上承载的光信号经光放大器放射后的增益也不相同，使用本实施例提供的光放大装置，可以利用模式交换器将不同的传输模式进行互换，以使得同一个光信号在两次放大时，被承载于两种传输模式上，这样就可以实现增益互补，即针对光信号而言，若光信号在第一放大器中对应的增益大，那么经过模式转换器后，该光信号在第二放大器中被放大的增益变小，若光信号在第一放大器中对应的增益小，那么经过模式转换器后，该光信号在第二放大器中被放大的增益变大，这样就可以实现多个光信号的增益相对均衡，从而减少光放大装置的差分模式增益，进而提高整个模分复用系统的传输性能。
在一个可选的实施方式中，模式交换器需要对多种传输模式两两进行互换，也就是说，同一个光信号在第一光放大器中将承载于一组传输模式中的一个传输模式上，而在第二光放大器中将承载于该组传输模式中的另一个传输模式上，这样，要实现每个光信号的增益均衡，那么就需要每个光信号经过光放大装置两次放大后，增益值基本相同，一个理想的实施方式则为每个光信号经过两次放大后，其增益之和等于增益阈值，可以理解的，每个光信号的增益之和可以在误差精度范围内上下浮动，具体的，偏差可以为5％。
在上述实施方式中，每一个光信号在被光放大装置放大时，都将先后被承载于两种传输模式上进行两次放大，这样第一光放大器和第二光放大器就可以相互配合，无需要求其中一个光放大器对不同的光信号进行增益相同的放大，而是两个光放大器对所有光信号进行两次放大，最终增益之和近似相等即可，这样，就降低了每个光放大器的设计难度，并且提高了增益均衡的精度。
在一个可选的实施方式中，第一光放大器可以与第二光放大器相同，即同一种传输模式上承载的光信号经第一光放大器放大或第二光放大器放大，增益是相同的；那么就需要设计第一光放大器的铒离子浓度分布，使得每一组中两种传输模式对应的增益值之和都近似等于目标增益值，可以理解的，仍然允许误差存在，每一组中两组传输模式上承载的光信号经过第一光放大器放大后，其增益之和与目标增益值的比值，不超过预设精度的范围。
可以理解的，少模光纤中多种传输模式可以分为N组，每组包括两种传输模式，而每组中两种传输模式对应的增益值之和都近似等于目标增益值，那么模式交换器，就可以将每两组中的两个光信号的传输模式进行互换，使得每个光信号经过两次放大后，增益之和都近似等于目标增益值，这样就可以实现多个光信号的增益均衡。
在一个可选的实施方式中，在第一光放大器中，每种传输模式对应的增益值按照中心对称分布，这样，最大增益和最小增益对应的两种传输模式为一组，次大增益和次小增益对应的两种传输模式为一组，依次类推；这样，模式交换器就需要将最大增益和最小增益对应的两种传输模式进行互换，使得每个光信号两次放大对应的增益值互补，最终实现所有光信号的增益均衡。
在一个可选的实施方式中，第一光放大器与第二光放大器相同，这样就可以进一步降低设计难度，节约成本。
在一个可选的实施方式中，第一光放大器和第二光放大器可以是通过在少模光纤中掺杂铒离子，同时注入泵浦光使得铒离子发生粒子数反转，从而在光信号通过时发生受激辐射将光信号进行放大的有源光器件，因此第一光放大器和第二光放大器包括少模掺铒光纤。
在一个可选的实施方式中，如果少模光纤时两模光纤时，即少模光纤支持两种传输模式，那么两种传输模式承载的光信号经过光放大器放大后，本身就是对称的，只需要两种传输模式进行交换即可，因此第一光放大器和第二光放大器中铒离子掺杂方式为均匀掺杂即可。
在一个可选的实施方式中，如果少模光纤支持多种传输模式，那么就需要对铒离子浓度分布进行设计，使得多种传输模式对应的增益值近似呈中心对称，这样，第一光放大器和第二光放大器中至少有一个光放大器的铒离子掺杂方式需要为分层掺杂。
在一个可选的实施方式中，光放大器在对光信号进行放大时，不仅需要铒离子，还需要泵浦光来激发铒离子发生反转，那么第一光放大器和第二光放大器均需要包括至少一个泵浦激光器。
在一个可选的实施方式中，第一光放大器和第二光放大器均包括两个泵浦激光器，其中一个位于光放大器的前端，第二个位于光放大器的后端，即第一光放大器和第二光放大器均支持双向泵浦，提高光放大器的放大性能。
本申请第二方面提供了一种模分复用系统，该模分复用系统包括：
单模发射模块、单模接收模块、模式复用器、模式解复用器、多段少模光纤和光放大装置；
所述单模发射模块与所述模式复用器的输入端连接，所述模式复用器的输出端通过所述多段少模光纤与所述模式解复用器的输入端连接，所述模式解复用器的输出端与所述单模接收模块连接；所述多段少模光纤之间连接有所述光放大装置；
所述单模发射模块，用于产生多路波分复用信号，并将所述多路波分复用信号传输至所述模分复用器；
所述模分复用器，用于对所述多路波分复用信号进行处理，根据所述多路波分复用信号生成一路信号；所述一路信号包括承载于多种传输模式上的多个光信号；
所述光放大装置包括：第一光放大器、第二光放大器和模式交换器；
所述第一光放大器与所述模式交换器的输入端相连，所述第二光放大器与所述模式交换器的输出端相连；
所述第一光放大器用于对所述少模光纤的多种传输模式所承载的光信号进行放大；所述少模光纤的多种传输模式可分为N组，每一组包括两种传输模式，所述N为大于等于1的正整数；
所述模式交换器用于对每一组中承载有光信号的两种传输模式进行模式互换；
所述第二光放大器用于对模式互换后的所述每一组中两种传输模式所承载的光信号进行放大。
所述模式解复用器，用于对少模光纤上的一路信号对应的多种传输模式进行解复用，得到多路接收信号；
所述单模接收模块，用于接收所述多路接收信号，并对所述多路接收信号进行解调。
在一个可选的实施方式中，在所述光放大装置中，每一组中两种传输模式所承载的光信号经所述第一光放大器和所述第二光放大器放大之后，每个光信号的增益值与增益阈值偏差在5％之内。
在一个可选的实施方式中，在所述光放大装置中，所述每一组中两种传输模式所承载的光信号经所述第一光放大器放大后，其增益之和与目标增益值的比值，不超过预设精度。
在一个可选的实施方式中，在所述光放大装置中，所述每一组中两种传输模式所承载的光信号经所述第一光放大器放大后，其增益之和等于所述目标增益值。
在一个可选的实施方式中，在所述光放大装置中，同一种传输模式承载的光信号，经所述第一光放大器放大后的增益值与经所述第二光放大器放大后的增益值相同。
在一个可选的实施方式中，在所述光放大装置中，所述第一光放大器和所述第二光放大器包括少模掺铒光纤。
在一个可选的实施方式中，在所述光放大装置中，当所述N等于1时，所述第一光放大器和所述第二光放大器中铒离子的掺杂方式为均匀掺杂。
在一个可选的实施方式中，在所述光放大装置中，当N大于1时，所述第一光放大器和所述第二光放大器中至少有一个铒离子的掺杂方式为分层掺杂。
在一个可选的实施方式中，在所述光放大装置中，所述第一光放大器和所述第二光放大器均包括至少一个泵浦激光器。
在一个可选的实施方式中，在所述光放大装置中，所述第一光放大器包括第一泵浦激光器和第二泵浦激光器，所述第二光放大器包括第三泵浦激光器和第四泵浦激光器；
其中，所述第一泵浦激光器与所述第一光放大器中少模掺铒光纤的信号输入端连接；所述第二泵浦激光器与所述第一光放大器中少模掺铒光纤的信号输出端连接；
所述第三泵浦激光器与所述第二光放大器中少模掺铒光纤的信号输入端连接；所述第四泵浦激光器与所述第二光放大器中少模掺铒光纤的信号输出端连接。
本申请第三方面提供了一种通过光放大装置的信号放大方法，包括：
光放大装置接收少模光纤传输的多个光信号，该多个光信号分别承载于多种传输模式上，其中，多种传输模式可分为N组，每一组包括两种传输模式；然后光放大装置中的第一光放大器对多个传输模式上承载的光信号进行放大，并将放大后的多个光信号传输至光放大装置中的模式交换器中；模式交换器将每组承载有光信号的两种传输模式进行模式互换，并将互换后的所有光信号再传输至光放大装置中的第二光放大器中进行放大；第二光放大器接收模式互换后的多个光信号，并对多个光信号进行二次放大，最终实现增益均衡。
在一个可选的实施方式中，光放大装置对少模光纤传输的多个光信号进行二次放大之后，每个光信号两次放大的增益之和都近似等于增益阈值，误差范围不超过增益阈值的5％。
在一个可选的实施方式中，光放大装置中的第一光放大器接收少模光纤中的多个光信号，并对多个光信号进行放大，其中，每一组中两种传输模式所承载的光信号经第一光放大器放大后，其增益之和与目标增益值的比值，不超过预设精度。
在一个可选的实施方式中，光放大装置中的第一光放大器最优的放大方案为，每一组中两种传输模式所承载的光信号对应的增益之和等于目标增益值。
在一个可选的实施方式中，光放大装置中的第一光放大器和第二光放大器相同，即同一种传输模式承载的光信号，经所述第一光放大器放大后的增益值与经所述第二光放大器放大后的增益值相同。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
使用本申请提供的光放大装置，可以利用第一光放大器—模式交换器—第二光放大器的结构，对少模光纤中传输的多个光信号进行二次放大，利用模式交换器将不同的传输模式进行互换，以使得同一个光信号在两次放大时，被承载于两种传输模式上，这样就可以实现增益互补，即针对光信号而言，若光信号在第一放大器中对应的增益大，那么经过模式转换器后，该光信号在第二放大器中被放大的增益变小，若光信号在第一放大器中对应的增益小，那么经过模式转换器后，该光信号在第二放大器中被放大的增益变大，这样就可以实现多个光信号的增益相对均衡，从而减少光放大装置的差分模式增益，进而提高整个模分复用系统的传输性能。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种光放大装置的结构示意图；
图2A为本申请实施例提供的另一种光放大装置的结构示意图；
图2B为本申请实施例提供的另一种光放大装置的结构示意图；
图2C为本申请实施例提供的另一种光放大装置的结构示意图；
图2D为本申请实施例提供的另一种光放大装置的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种两模掺铒光纤的截面结构图；
图4为本申请实施例提供的一种经过光放大装置输出的两模式在C波段的宽带光谱图；
图5为本申请实施例提供的一种经过光放大装置输出的四模式在C波段的宽带光谱图；
图6为本申请实施例提供的一种模分复用系统的系统架构图；
图7为本申请实施例提供的一种通过光放大装置的信号放大方法的流程示例图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种光放大装置以及包含光放大装置的模分复用系统，用于降低少模掺铒光纤放大器的差分模式增益，提高模分复用系统的传输性能。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
随着网络流量的迅速增长，传统单模光纤通信系统的容量已经无法满足网络流量的传输需求，而使用少模光纤(few mode fiber，FMF)、多芯光纤(multi core fiber，MCF)作为传输介质的空分复用系统(spatial division multiplexing，SDM)作为一种利用空间的分割实现复用的方式(多根光纤组合成束实现空分复用，或者在同一根光纤中实现空分复用)，可以极大的提升光纤通信系统的容量，在未来将会被重点部署；一般的，空分复用系统包括以少模光纤为传输介质的模分复用系统，以及以多芯光纤传输介质的芯分复用系统。
少模光纤是一种单芯光纤，其纤芯的面积大，足以利用几个独立的空间模式传输并行的信号流；即少模光纤可以提供多种传输模式，每种传输模式上都可以承载光信号，实现模分复用；其中，利用少模光纤长距离传输光信号时，少模掺铒光纤放大器(few modeerbium-doped fiber amplifier，FM-EDFA)是必不可缺的中继放大器件，用于对少模光纤中传输的光信号进行放大，补偿光信号在传输过程中的损耗，提高传输性能。
少模掺铒光纤放大器，是一种在少模光纤中掺杂铒离子，同时注入泵浦光使得铒离子发生粒子数反转，从而在光信号通过时发生受激辐射将光信号进行放大的有源光器件；其中，承载光信号的传输模式光场、泵浦光光场以及铒离子的交叠程度将直接影响光信号的增益，传输模式光场、泵浦光光场以及铒离子的交叠程度越大，该传输模式上承载的光信号的增益就越大；因此，在泵浦光光场确定情况下，少模掺铒光纤中铒离子浓度分布直接将影响不同传输模式承载的光信号对应的增益值，不同的传输模式对应的增益值将可能完全不同。
少模掺铒光纤放大器的一个重要指标为差分模式增益(differential modegain，DMG)，用于衡量少模光纤各传输模式所承载的光信号经少模掺铒光纤放大器放大后的增益差异；DMG越大，不同传输模式下光信号的输出功率偏差越大，信噪比差距越大，这将影响线性容量极限，降低整个模分复用光通信系统的传输性能；因此，如何降低少模掺铒光纤放大器的DMG，实现少模光纤不同传输模式的增益均衡，成为亟需解决的问题。
基于上述问题，本申请实施例提供了一种光放大装置，该光放大装置的核心元器件包括两段少模掺铒光纤和模式交换器，用于对光信号在不同的传输模式上进行两次放大，最终保证少模光纤中的多个光信号的增益相对均衡，保证光放大装置增益的宽带平坦性能，大大降低整个模分复用系统中不同模式的功率差异，提升传输性能。
图1为本申请实施例提供的一种光放大装置的结构示意图；如图1所示，光放大装置100包括少模掺铒光纤10，模式交换器20和少模掺铒光纤30；其中，模式交换器20位于少模掺铒光纤10和少模掺铒光纤30之间，少模掺铒光纤10和少模掺铒光纤30的一端与模式交换器20相连，组成串行结构，另一端与传输光信号的少模光纤相连；具体的，在进行信号传输时，多个光信号通过少模光纤传输至少模掺铒光纤10，经少模掺铒光纤10放大后，再传输至模式交换器20进行模式转化，最后少模掺铒光纤30再对模式互换后的多个光信号进行二次放大后，然后光信号继续通过少模光纤向前传输。
可以理解的，在对光信号进行放大时，不仅需要少模掺铒光纤中的铒离子，还需要向少模掺铒光纤注入泵浦光，这样才能在光信号通过少模掺铒光纤时发生受激辐射；泵浦光可以有多种射入方式，不同的泵浦方式将影响整个光放大装置的结构；示例性的，光放大装置可以采用单向共同泵浦，即少模掺铒光纤10和少模掺铒光纤30共用一个单向泵浦，如图2A所示，波分复用器50一端连接少模光纤，另一端连接少模掺铒光纤10，而泵浦激光器40与波分复用器50相连；光信号沿着少模光纤传输至波分复用器50，波分复用器50将光信号与泵浦激光器40发射的泵浦光进行合路，然后传输至少模掺铒光纤10，以便与少模掺铒光纤10中的铒离子相互作用，对光信号进行放大；其中，泵浦激光器40采用的是前向泵浦的方式，泵浦光射入至少模掺铒光纤10和少模掺铒光纤30的方向与光信号传输方向一致。
示例性的，如图2B所示，在光放大装置中，前后两段少模掺铒光纤还可以均采用单向泵浦，波分复用器60一端连接少模掺铒光纤10，另一端连接模式交换器20的输入端，泵浦激光器70连接波分复用器60；波分复用器80一端连接模式交换器20的输出端，另一端连接少模掺铒光纤30，泵浦激光器90连接波分复用器80；可以理解的，在光信号传输过程中，光信号沿少模掺铒光纤10传输至模式交换器20，再传输至少模掺铒光纤30，泵浦激光器70则采用的是后向泵浦的方式，发射泵浦光至少模掺铒光纤10，即泵浦激光器70中泵浦光的射入方向与光信号传输方向相反；泵浦激光器90则采用的是前向泵浦的方式，发射泵浦光至少模掺铒光纤30，泵浦激光器90中泵浦光的射入方向与光信号传输方向相同。
示例性的，如图2C所示，在光放大装置中，还可以一段少模掺铒光纤采用双向泵浦，另一段采用单向泵浦；如少模掺铒光纤10的前端和后端均连接有波分复用器110和波分复用器120，泵浦激光器130与波分复用器110相连，泵浦激光器140与波分复用器120相连；少模掺铒光纤30的前端连接有波分复用器150，泵浦激光器160与波分复用器150相连；其中，泵浦激光器130中泵浦光的射入少模掺铒光纤10的方向与光信号传输方向相同；泵浦激光器140中泵浦光的射入少模掺铒光纤10的方向与光信号传输方向相反；泵浦激光器160中泵浦光的射入少模掺铒光纤30的方向与光信号传输方向相同。
示例性的，如图2D所示，在光放大装置中，还可以两段少模掺铒光纤均采用双向泵浦；如少模掺铒光纤10的前端和后端均连接有波分复用器170和波分复用器180，泵浦激光器190与波分复用器170相连，泵浦激光器200与波分复用器180相连；少模掺铒光纤30的前端和后端均连接有波分复用器210和波分复用器220，泵浦激光器230与波分复用器210相连，泵浦激光器240与波分复用器220相连，可以理解的，泵浦激光器190中泵浦光的射入少模掺铒光纤10的方向与光信号传输方向相同；泵浦激光器200中泵浦光的射入少模掺铒光纤10的方向与光信号传输方向相反；泵浦激光器230中泵浦光的射入少模掺铒光纤30的方向与光信号传输方向相同，泵浦激光器240中泵浦光的射入少模掺铒光纤30的方向与光信号传输方向相反。可以理解的，本申请对泵浦激光器的泵浦方式不做具体限定。
下面对本申请实施例提供的光放大装置的放大原理进行具体介绍：
首先，少模掺铒光纤支持M个传输模式，具体的，每种传输模式的模场分布在光纤中占据不同的空间，这些传输模式可以标记为C1至CM；由于不同传输模式的模场分布不同，其与少模掺铒光纤中的铒离子的重叠程度也不同，这将导致经同一少模掺铒光纤放大后，不同传输模式承载的光信号的增益很可能完全不同；可以理解的，通过调整铒离子的浓度分布，以及泵浦光的光场分布能改变每个模式与铒离子以及泵浦光的重叠面积，进而改变每个传输模式对应的增益值；因此，通过设计少模掺铒光纤中铒离子的分布就可以调整每种传输模式对应的增益值；为了实现增益均衡，利用一端少模掺铒光纤对多个光信号进行放大时，将要考虑所有传输模式的模场分布情况，设计将会十分复杂；因此，可以采用一种更简洁的设计方案，利用两段少模掺铒光纤对多个光信号进行两次方法，使得每个光信号两次放大对应的增益值互补，就可以实现增益均衡；这样，在设计每段少模掺铒光纤的铒离子浓度分布时，只需要保证每种传输模式下光信号对应的增益值称规律分布，就可以实现最终的增益均衡。
(一)在一个可选的实施方式中，少模掺铒光纤10和少模掺铒光纤30均支持M个传输模式，经过少模掺铒光纤10放大后，M个传输模式上光信号的增益分别为G1，G2，…，GM，经过少模掺铒光纤30放大后，M个传输模式上光信号的增益分别为H1，H2，…，HM；若M个传输模式上分别承载M个光信号，这些光信号随着少模光纤先传输至少模掺铒光纤10，经少模掺铒光纤10放大后，第一个光信号的增益值为G1，第二个光信号的增益值为G2……第M个光信号的增益值为GM，假设G1>G2>…>GM,可以设计模式交换器20将第一个光信号的传输模式转换为CM，将第M个光信号的传输模式转换为C1，将第二个光信号的传输模式转换为C(M-1)，将第M-1个光信号的传输模式转换为C2……然后再将模式互换后的光信号传输至少模掺铒光纤30进行放大，此时，经过少模掺铒光纤30放大后，第一个光信号的增益为HM，第二个光信号的增益为H(M-1)……第M个光信号的增益为H1；因此，第一个光信号的增益为G1+HM，第二个光信号的增益为G2+H(M-1)……第M个信号的增益为GM+H1；这样，要使得每个光信号的增益均衡，只需调整少模掺铒光纤10和少模掺铒光纤30中铒离子的浓度分布，使得G1+HM、G2+H(M-1)、……GM+H1的与增益阈值相同即可。
应理解，假设光放大装置的增益阈值为S，该值代表输入上述光放大装置的光信号经过两次放大后理想的增益值，在一个可选的方案中，可以允许的偏差需要控制在5％以内，即G1+HM、G2+HM-1、……GM+H1的值需要大于等于0.95S，小于等于1.05S；可以理解的，可以根据实际需求来确定光放大装置的误差波动范围，具体不做限定。
(二)在另一个可选的实施方式中，在光放大装置100中，少模掺铒光纤10和少模掺铒光纤30还可以对应完全相等的光放大器，即少模掺铒光纤10和少模掺铒光纤30均支持M个传输模式，经过少模掺铒光纤10和少模掺铒光纤30放大后，M个传输模式上光信号的增益均为G1，G2，…，GM。
针对一段少模掺铒光纤而言，可以通过设计该少模掺铒光纤中的铒离子浓度分布，使得每种传输模式对应的增益值近似呈对称分布，即可以将传输模式C1至CM分为N组，每一组中包括两种传输模式，示例性的，C1和CM为一组，C2和C(M-1)为一组……，然后通过设计铒离子浓度分布，使得每组两个传输模式对应的增益值之和都近似相同，即：
G1+GM＝G2+G(M-1)＝G(1+i)+G(M-i)；
可以理解的，在上述方案中，也可允许合理的误差范围波动，具体的，可以预先设置经过第一光放大器放大后，每一组两种传输模式对应的增益之和为目标增益值，每一组中两种传输模式所承载的光信号经第一光放大器(少模掺铒光纤10)放大后，其增益之和与目标增益值的比值，不超过预设精度。示例性的，该预设精度可以为10％，目标增益值为Q，即G1+GM与G(1+i)+G(M-i)可以不完全相同，只需要大于等于0.9Q，小于等于1.1Q即可；或者G1+GM与G(1+i)+G(M-i)的比值，在0.9和1.1之间即可。
针对上述设计，模式交换器的交换策略就可以是每一组两种传输模式之间进行互换，示例性的，第一个光信号最开始对应的传输模式为C1，经过少模掺铒光纤10放大后，第一个光信号的增益值为G1，这样，模式交换器就可以将放大后的第一个光信号的传输模式转换为传输模式CM，由于少模掺铒光纤30与少模掺铒光纤10相同，那么第一个光信号再次经过少模掺铒光纤30放大后，其对应的增益值将为CM对应的增益值GM，这样第一个光信号经过两次放大后，其增益值则为G1+GM；同理，第二个光信号的增益值将为G2+G(M-1)……第M个光信号的增益值将为G1+GM，这样，将保证每一个光信号的增益值将基本一致，最终保证少模光纤中的多个光信号的增益相对均衡。
在一个可选的方案中，在少模掺铒光纤10和少模掺铒光纤30中，每种传输模式对应的增益值将按照中心对称分布，示例性的，少模掺铒光纤10和少模掺铒光纤30包括6种传输模式，C1承载的光信号经过少模掺铒光纤10放大后的增益值为10dB，C1至C6对应增益值分别为12dB,10dB，8dB，6dB，4dB，2dB；那么模式交换器的交换策略是对所有模式进行中心对称交换，即获得最大增益的模式和最小增益的模式进行交换，获得次大增益的模式和次小增益的模式(C2和C(M-1))进行交换，依次类推，即C1与C6交换，C2与C5交换，C3与C4交换；这样，每个光信号经过两次放大后，增益值均为14dB。
下面将对少模掺铒光纤的铒离子浓度分布设计进行具体介绍：
(一)若少模光纤仅支持两种传输模式(LP01和LP11)时，则少模掺铒光纤的铒离子采用均匀掺杂的方式，就可以实现两种模式对应的增益值对称；示例性的，LP01和LP11两种传输模式承载的光信号经两模掺铒光纤放大后，对应的增益值为G1和G2，然后将放大后的光信号输入至模式交换器进行模式交互，原LP01上承载的光信号此时承载于LP11上，原LP11上承载的光信号此时承载于LP01上，再经过第二段少模掺铒光纤进行互补增益放大，实现增益均衡，减少光放大装置的DMG。
具体的，图3为本申请实施例提供的一种两模掺铒光纤的截面结构图；包括纤芯和包层，铒离子均匀掺杂于纤芯中；纤芯半径rco＝8μm，包层半径rcl＝62.5μm，数值孔径NA＝0.1。实际运用中铒离子掺杂浓度允许范围为：2×1024～8×1024，纤芯半径可允许误差范围在6μm～10μm之间，包层半径允许误差范围在62.5μm～100μm之间，数值孔径允许范围在0.08-0.15之间。
光放大装置中的两段两模掺铒光纤的长度可分别为11m和13m，其中，向两模掺铒光纤发射泵浦光的泵浦激光器可均采用98nm基模前向泵浦的方式，对应的泵浦功率可分别为P1＝0.5W，P2＝0.4W。两段铒纤中间的无源器件可包含两模的模式交换器，还可以添加可调光衰减器；经过仿真，若LP01和LP11两个模式承载的光信号在进入光放大装置前的输入功率均为0.1mW时，经过光放大装置输出的两模式在C波段的宽带光谱如图4所示，C波段内光放大装置的DMG<0.2dB，光谱平坦度<0.5dB。
(二)若少模光纤支持多种传输模式，例如四种传输模式(LP01、LP11、LP21和LP02)时，均匀掺杂已不足以保证所有模式对应增益值呈中心对称，那么就需要采用分层掺杂的方式，使得LP01、LP11、LP21和LP02对应的增益值G1、G2、G3和G4满足中心对称分布条件，若G1>G2>G3>G4，那么模式交换器就需要设计LPO1上承载的光信号和LP02上承载的光信号进行模式互换，LP11上承载的光信号和LP21上承载的光信号进行模式互换。
本申请提供了1530nm和1565nm的四模掺铒光纤的设计。针对1530nm的四模式光信号进行设计，其结构参数可以为：纤芯半径rco＝8μm，纤芯半径误差允许范围为8μm～20μm；包层半径rcl＝62.5μm，包层半径误差允许范围为62.5μm～100μm；数值孔径NA＝0.15，数值孔径误差允许范围：0.1-0.2。其中，在纤芯中，铒离子采用分层掺杂的方式，两段分层掺杂四模掺铒光纤的铒离子浓度均可以为：
Figure BDA0002830666370000091
铒离子掺杂浓度允许范围为：2×1024～8×1024。两段四模掺铒光纤长度可以均为15m，其中泵浦光功率可以为0.5W和1.1W。根据上述设计，经过一段四模掺铒光纤放大后，LP01、LP02、LP11和LP21上承载的光信号的增益分别为：G1＝28.19dB、G2＝27.80dB、G3＝27.08dB、G4＝26.74dB，满足模式增益呈中心对称分布。这样就可以基于模式增益中心对称来设计模式交换器，即LP01和LP21交换，LP11和LP02交换。交换后的四模式再经过四模掺铒光纤30放大后，输出光谱如图5所示，DMG<0.56dB，C波段内光谱平坦度<0.47dB。
本申请实施例提供的光放大装置中，通过两个光放大器和模式交换器的设计，实现了少模光纤同时传输的多个光信号的增益均衡，大大降低了光放大装置的DMG，同时实现较好的光谱平坦度，提高了整个模分复用系统的传输性能。
图6为本申请实施例提供的一种模分复用系统的系统架构图，如图6所示，包括单模发射模块601、模分复用器602、多段少模光纤603、光放大装置604、模式解复用器605和单模接收模块606；
其中，单模发射模块601，用于产生多路波分复用信号，并将所述多路波分复用信号传输至所述模分复用器；示例性的,单模发射模块可以为单模收发机(激光器)，用于发射或者接收多路波分复用信号。
模分复用器602，用于对多路波分复用信号进行处理，根据所述多路波分复用信号生成一路信号；所述一路信号包括承载于多种传输模式上的多个光信号；
其中，少模光纤用于进行光信号传输，可以支持多种传输模式，可同时传输多路光信号，由于光信号在传输过程中会有信号损耗，为了保证光信号传输质量，扩大传输距离，因此每隔一段距离，就需要光放大装置604对传输的多路光信号进行放大，补偿信号传输损耗。
在光放大装置604内部，包括第一光放大器、第二光放大器和模式交换器；
第一光放大器与所述模式交换器的输入端相连，所述第二光放大器与所述模式交换器的输出端相连；第一光放大器用于对少模光纤的多种传输模式所承载的光信号进行放大；少模光纤的多种传输模式可分为N组，每一组包括两种传输模式，所述N为大于等于1的正整数；模式交换器用于对每一组中两种传输模式上所承载的光信号进行信号互换；第二光放大器用于对模式互换后的所述每一组中两种传输模式所承载的光信号进行放大；具体的，光放大装置604的结构和功能可参见上述实施例中光放大装置100的介绍，在此不做赘述。
模式解复用器605，用于对少模光纤上的一路信号对应的多种传输模式进行解复用，得到多路接收信号；
单模接收模块606，用于接收所述多路接收信号，并对所述多路接收信号进行解调。可以理解的，单模发射模块可以为单模收发机，用于发射或者接收多路波分复用信号。
在一个可选的实施方式中，在上述光放大装置604中，每一组中两种传输模式所承载的光信号经所述第一光放大器和所述第二光放大器放大之后，每个光信号的增益值与增益阈值偏差在5％之内。
在一个可选的实施方式中，在上述光放大装置604中，每一组中两种传输模式所承载的光信号经第一光放大器放大后，其增益之和与目标增益值的比值，不超过预设精度。
在一个可选的实施方式中，在上述光放大装置604中，每一组中两种传输模式所承载的光信号经第一光放大器放大后，其增益之和等于所述目标增益值。
在一个可选的实施方式中，在上述光放大装置604中，同一种传输模式承载的光信号，经第一光放大器放大后的增益值与经第二光放大器放大后的增益值相同。
在一个可选的实施方式中，在上述光放大装置604中，第一光放大器和第二光放大器包括少模掺铒光纤。
在一个可选的实施方式中，在上述光放大装置604中，当所述N等于1时，第一光放大器和第二光放大器中铒离子的掺杂方式为均匀掺杂。
在一个可选的实施方式中，在上述光放大装置604中，当N大于1时，第一光放大器和第二光放大器中至少有一个铒离子的掺杂方式为分层掺杂。
在一个可选的实施方式中，在上述光放大装置604中，第一光放大器和第二光放大器均包括至少一个泵浦激光器。
在一个可选的实施方式中，在上述光放大装置604中，第一光放大器包括第一泵浦激光器和第二泵浦激光器，第二光放大器包括第三泵浦激光器和第四泵浦激光器；其中，第一泵浦激光器与第一光放大器中少模掺铒光纤的信号输入端连接；第二泵浦激光器与所述第一光放大器中少模掺铒光纤的信号输出端；第三泵浦激光器与所述第二光放大器中少模掺铒光纤的信号输入端连接；第四泵浦激光器与第二光放大器中少模掺铒光纤的信号输出端连接，并将放大后的多个光信号传输至光放大装置中的模式交换器中。
图7为本申请实施例提供的一种通过光放大装置的信号放大方法，如图7所示，包括：
701、光放大装置接收少模光纤中的多个光信号；
可以理解的，光放大装置接收少模光纤传输的多个光信号，该多个光信号分别承载于多种传输模式上，其中，多种传输模式可分为N组，每一组包括两种传输模式；每中传输模式承载的光信号经过光放大装置放大后，其增益值不相同。
702、光放大装置中的第一光放大器对所述多个光信号进行放大；
经过第一光放大器放大的多个光信号，其增益值呈规律分布，示例性的，第一光放大器的设计将保证每组两个传输模式上承载的光信号的增益值之和，近似等于目标增益值。
703、光放大装置中的模式交换器将承载有光信号的多种传输模式进行两两互换；
模式交换器将每组承载有光信号的两种传输模式进行模式互换，并将互换后的所有光信号再传输至光放大装置中的第二光放大器中进行放大。
704、光放大装置中的第二光放大器对模式互换后的多个光信号进行放大；
第二光放大器接收模式互换后的多个光信号，并对多个光信号进行二次放大，最终实现多个光信号的增益均衡。
705、光放大装置输出放大后的多个光信号。
在一个可选的实施方式中，光放大装置对少模光纤传输的多个光信号进行二次放大之后，每个光信号两次放大的增益之和都近似等于增益阈值，误差范围不超过增益阈值的5％。
在一个可选的实施方式中，光放大装置中的第一光放大器接收少模光纤中的多个光信号，并对多个光信号进行放大，其中，每一组中两种传输模式所承载的光信号经第一光放大器放大后，其增益之和与目标增益值的比值，不超过预设精度。
在一个可选的实施方式中，光放大装置中的第一光放大器最优的放大方案为，每一组中两种传输模式所承载的光信号对应的增益之和等于目标增益值。
在一个可选的实施方式中，光放大装置中的第一光放大器和第二光放大器相同，即同一种传输模式承载的光信号，经所述第一光放大器放大后的增益值与经所述第二光放大器放大后的增益值相同。
需要说明的是，在上述通过光放大装置的信号放大方法中，光放大装置的结构可以参照图1至图6所示实施例中的光放大装置，具体不再赘述。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (20)

1.一种光放大装置，其特征在于，所述光放大装置包括：第一光放大器、第二光放大器和模式交换器；
所述第一光放大器与所述模式交换器的输入端相连，所述第二光放大器与所述模式交换器的输出端相连；
所述第一光放大器用于对所述少模光纤的多种传输模式所承载的光信号进行放大；所述少模光纤的多种传输模式可分为N组，每一组包括两种传输模式，所述N为大于等于1的正整数；
所述模式交换器用于对每一组中承载有光信号的两种传输模式进行模式互换；
所述第二光放大器用于对模式互换后的所述每一组中两种传输模式所承载的光信号进行放大。
2.根据权利要求1所述的光放大装置，其特征在于，每一组中两种传输模式所承载的光信号经所述第一光放大器和所述第二光放大器放大之后，每个光信号的增益值与增益阈值偏差在5％之内。
3.根据权利要求1所述的光放大装置，其特征在于，所述每一组中两种传输模式所承载的光信号经所述第一光放大器放大后，其增益之和与目标增益值的比值，不超过预设精度。
4.根据权利要求3所述的光放大装置，其特征在于，所述每一组中两种传输模式所承载的光信号经所述第一光放大器放大后，其增益之和等于所述目标增益值。
5.根据权利要求3或4所述的光放大装置，其特征在于，同一种传输模式承载的光信号，经所述第一光放大器放大后的增益值与经所述第二光放大器放大后的增益值相同。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光放大装置，其特征在于，所述第一光放大器和所述第二光放大器包括少模掺铒光纤。
7.根据权利要求6所述的光放大装置，其特征在于，当所述N等于1时，所述第一光放大器和所述第二光放大器中铒离子掺杂方式为均匀掺杂。
8.根据权利要求6所述的光放大装置，其特征在于，当N大于1时，所述第一光放大器和所述第二光放大器中至少有一个光放大器的铒离子掺杂方式为分层掺杂。
9.根据权利要求8所述的光放大装置，其特征在于，所述第一光放大器和所述第二光放大器均包括至少一个泵浦激光器。
10.根据权利要求9所述的光放大装置，其特征在于，所述第一光放大器包括第一泵浦激光器和第二泵浦激光器，所述第二光放大器包括第三泵浦激光器和第四泵浦激光器；
其中，所述第一泵浦激光器与所述第一光放大器中少模掺铒光纤的信号输入端连接；所述第二泵浦激光器与所述第一光放大器中少模掺铒光纤的信号输出端连接；
所述第三泵浦激光器与所述第二光放大器中少模掺铒光纤的信号输入端连接；所述第四泵浦激光器与所述第二光放大器中少模掺铒光纤的信号输出端连接。
11.一种模分复用系统，其特征在于，所述模分复用系统包括单模发射模块、单模接收模块、模式复用器、模式解复用器、至少一段少模光纤和至少一个光放大装置；
所述单模发射模块与所述模式复用器的输入端连接，所述模式复用器的输出端通过所述少模光纤与所述模式解复用器的输入端连接，所述模式解复用器的输出端与所述单模接收模块连接；所述少模光纤之间连接有所述光放大装置；
所述单模发射模块，用于产生多路波分复用信号，并将所述多路波分复用信号传输至所述模分复用器；
所述模分复用器，用于对所述多路波分复用信号进行处理，根据所述多路波分复用信号生成一路信号；所述一路信号包括承载于多种传输模式上的多个光信号；
所述光放大装置包括：第一光放大器、第二光放大器和模式交换器；
所述第一光放大器与所述模式交换器的输入端相连，所述第二光放大器与所述模式交换器的输出端相连；
所述第一光放大器用于对所述少模光纤的多种传输模式所承载的光信号进行放大；所述少模光纤的多种传输模式可分为N组，每一组包括两种传输模式，所述N为大于等于1的正整数；
所述模式交换器用于对每一组中承载有光信号的两种传输模式进行模式互换；
所述第二光放大器用于对模式互换后的所述每一组中两种传输模式所承载的光信号进行放大；
所述模式解复用器，用于对少模光纤上的一路信号对应的多种传输模式进行解复用，得到多路接收信号；
所述单模接收模块，用于接收所述多路接收信号，并对所述多路接收信号进行解调。
12.根据权利要求11所述的模分复用系统，其特征在于，在所述光放大装置中，每一组中两种传输模式所承载的光信号经所述第一光放大器和所述第二光放大器放大之后，每个光信号的增益值与增益阈值偏差在5％之内。
13.根据权利要求11所述的模分复用系统，其特征在于，在所述光放大装置中，所述每一组中两种传输模式所承载的光信号经所述第一光放大器放大后，其增益之和与目标增益值的比值，不超过预设精度。
14.根据权利要求13所述的模分复用系统，其特征在于，在所述光放大装置中，所述每一组中两种传输模式所承载的光信号经所述第一光放大器放大后，其增益之和等于所述目标增益值。
15.根据权利要求13或14所述的模分复用系统，其特征在于，在所述光放大装置中，同一种传输模式承载的光信号，经所述第一光放大器放大后的增益值与经所述第二光放大器放大后的增益值相同。
16.根据权利要求11至15所述的模分复用系统，其特征在于，在所述光放大装置中，所述第一光放大器和所述第二光放大器包括少模掺铒光纤。
17.根据权利要求16所述的模分复用系统，其特征在于，在所述光放大装置中，当所述N等于1时，所述第一光放大器和所述第二光放大器中铒离子的掺杂方式为均匀掺杂。
18.根据权利要求16所述的模分复用系统，其特征在于，在所述光放大装置中，当N大于1时，所述第一光放大器和所述第二光放大器中至少有一个铒离子的掺杂方式为分层掺杂。
19.根据权利要求18所述的模分复用系统，其特征在于，在所述光放大装置中，所述第一光放大器和所述第二光放大器均包括至少一个泵浦激光器。
20.根据权利要求19所述的模分复用系统，其特征在于，在所述光放大装置中，所述第一光放大器包括第一泵浦激光器和第二泵浦激光器，所述第二光放大器包括第三泵浦激光器和第四泵浦激光器；
其中，所述第一泵浦激光器与所述第一光放大器中少模掺铒光纤的信号输入端连接；所述第二泵浦激光器与所述第一光放大器中少模掺铒光纤的信号输出端连接；
所述第三泵浦激光器与所述第二光放大器中少模掺铒光纤的信号输入端连接；所述第四泵浦激光器与所述第二光放大器中少模掺铒光纤的信号输出端连接。
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