少模掺铒光纤及其放大器研究进展

赵新月，邱强，褚应波，戴能利，李进延

（华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074）

1 引 言

随着下一代移动宽带技术的发展，人们对高数据速率（例如实时游戏，社交网络，云计算和大数据分析）的应用需求不断增加，但现有的单模光纤通信系统的传输容量已经趋近理论极限[1]（香农极限）。因此，人们迫切地需要开发新的信息传输维度，来满足日益增长的网络容量需求。在单模光纤的其他复用维度，如波分复用、时分复用、正交频分复用、码分复用等已经被充分利用的基础上[2]，且基于其传输带宽有限、不能实现无限扩展的事实，扩展光纤的空间维度，即对光纤进行空分复用，在大容量光纤通信系统中得到了广泛关注并迅速发展。基于少模光纤的模分复用技术，作为空分复用技术的一种，可进一步提高单根光纤的传输容量[3-4]，自提出以来就广受研究者的青睐并得到了深入研究。

少模掺铒光纤主要采用改进的化学气相沉积（Modified chemical vapor deposition，MCVD）工艺结合溶液掺杂技术[5]进行制备。通过对芯径、掺杂和折射率剖面等调控，使其支持多个空间传输模式。2011年，英国南安普顿大学[6]首次拉制出支持两种模式的少模掺铒光纤，采用980 nm激光进行后向泵浦，在1 550～1 560 nm波段实现了20 dB以上的增益。此后，不同类型的少模掺铒光纤开始出现，围绕少模掺铒放大光纤的制作工艺、传输模式数量、工作波长、增益、差分模态增益、噪声等方面展开。采用少模光纤作为传输线的空分复用技术要实现长距离传输，少模掺铒光纤放大器是补偿光纤传输损耗的关键器件[7]。然而，在少模掺铒光纤放大器中，高差分模态增益（Differential modal gain，DMG）会导致系统中断概率的提高，影响信号质量[8]。

降低DMG可以从两个不同的方面来实现[9-10]：一是从少模掺铒放大光纤入手，对铒离子掺杂分布（如环形掺杂[11-21]、均匀掺杂[22-23]、大面积掺杂[24]等）及折射率的结构（如环形折射率[25-27]、折射率沟道[23,28]、阶跃折射率[29-33]等）进行设计；二是从放大器结构入手，采用不同的泵浦方式（如纤芯泵浦[25-27,29-33]、包层泵浦[22-24,28,34-37]）进行调控。2018年，天津大学李桂芳课题组[23]提出同时传输12个模群21个空间模式的具有折射率沟道辅助的双包层少模掺铒放大光纤，是目前可以实现的最大模式数目。采用包层泵浦的方式在1 530～1 565 nm波段实现了15 dB的平均增益，差分模态增益低于3 dB。未来，少模掺铒放大光纤将会传输越来越多的信号模式，所需要的泵浦能量也会越来越多。如何在实现更多模式的情况下增益更高、差分模态增益更低、少模掺铒光纤放大器的体积与能耗更低、少模掺铒放大光纤的制作工艺更简单等问题仍亟待解决，深入探究少模掺铒光纤的放大性能并更好地控制差分模态增益将对加速其产业化应用具有重要意义。

基于DMG的产生机理，本文将从降低DMG的方式入手，分析少模掺铒光纤的不同结构设计，并对采用不同设计及基于不同泵浦方式的少模掺铒放大光纤的放大性能进行综述总结，最后对少模掺铒放大光纤的未来研究方向及发展趋势做出总结展望。

2 差分模态增益

在光纤波导中，电磁波在纵向（轴向）以“行波”的形式存在，在横向以“驻波”的形式存在。场分布沿轴向的变化只体现在相位上，场的强度不随轴向传播距离而变化。因此，可以对光纤中的光场进行纵横分离[38]。对于三维模式光场，根据模场有无纵向分量，可以把光纤中的模式分为3类：（1）横电磁模（TEM），模式只有横向分量，而无纵向分量；（2）横电模（TE）或横磁模（TM），模式只有一个纵向分量；（3）混杂模（HE或EH），模式的两个纵向分量都不为0[39]。一般光纤的相对折射率差值约为10-2，此时，光纤纤芯的折射率近似等于包层的折射率，光纤对电磁波的约束和引导作用大为减弱，通常将这种近似称为“弱导近似”。在弱导近似下，具有相同色散方程的矢量模合并，又被称为线性偏振（Linear polarized，LP）模[40]。

从本质上来说，光纤中的横模是光波电磁场在光纤横截面上的一种空间分布形式，或者说是光纤横截面上的一种能量分布形式[41]。模分复用作为空分复用的一种，是利用光纤中相互正交的传输模式作为独立的信道进行信号的并行传输，基于少模光纤的模分复用传输系统一般支持有限数目的线偏振模式。对于少模掺铒光纤放大器而言，除了放大器增益、噪声指数、工作波长、输出功率等常规放大器需要关注的特征参数之外，还有一个少模掺铒光纤放大器所特有的重要参数——差分模态增益。

差分模态增益的产生机理及改善策略：定义信号模式l在少模掺铒光纤放大器中传输的增益为[42]：

其中，Pl-out为第l个信号模式经过少模掺铒光纤放大器后输出的功率，Pl-in为第l个信号模式输入到少模掺铒光纤放大器的功率。

要实现少模掺铒光纤放大器的信号模式增益均衡，就要实现在同一信号波长下，信号模式m和n的增益一致或相近，须有如下公式成立[2]：

定义交叠积分因子[43-44]为：

其中，a为纤芯半径，ip(r,φ)代表泵浦模式的归一化光强分布，代表信号模式l的归一化光强分布，n0(r,φ)为铒离子在光纤横截面上的分布。

假设所有的信号模式在输入端z=0处具有相同的光强，而单一泵浦模式的光强远大于信号模式，若要公式（2）成立，需满足[2]：

因此，可以通过设计少模掺铒光纤的折射率剖面和铒离子浓度分布、调控泵浦模式配比来优化重叠因子，使每个信号模式的重叠积分尽可能相等，从而实现少模掺铒光纤放大器（Few-mode erbium-doped fiber amplifier，FM-EDFA）中不同模式之间的增益均衡。

3 少模掺铒光纤设计

对少模掺铒光纤的折射率剖面进行设计，可以调整光纤中传输的信号模式的模场分布，进而降低光纤中各模式交叠积分因子之间的差值，从而实现增益均衡。而对稀土掺杂离子的分布进行调控，可以通过调整铒离子的掺杂位置及浓度，使得各信号模式之间的重叠积分因子差异降低，从而实现DMG的降低。

2011年，英国南安普顿大学[6]通过实验验证了采用光纤设计结合泵浦模场的控制来降低DMG，提出了两种折射率分布不同的少模掺铒放大光纤，分别用Fiber#1和Fiber#2表示。Fiber#1的纤芯中心折射率较高，Fiber#2的纤芯中心折射率较低，折射率分布分别如图1（a）、（b）所示，铒离子掺杂剖面与光纤的折射率分布相似。在相同的实验条件下分别对Fiber#1和Fiber#2进行实验，采用偏置泵浦后向发射的方式，Fiber#2光纤中传输的LP01和LP11模式的平均增益为22 dB，DMG可以降到1 dB。实验结果表明，通过对少模掺铒光纤的纤芯中心折射率分布进行设计，结合对泵浦模场分布的控制，可以较好地实现FM-EDFA的增益均衡。

图1 少模掺铒放大光纤折射率分布。（a）Fiber#1；（b）Fiber#2［6］。Fig.1 Refractive index difference profile of few-mode erbium-doped amplified fiber.（a）Fiber#1.（b）Fiber#2［6］.

而在纤芯的边缘引入一个折射率沟道，可以将模式都限制在纤芯内，从而使得每个模式的重叠积分因子尽可能相等，进而实现模式间增益均衡。2018年，印度理工学院仿真设计了一种沟道辅助型的折射率分布[45]，光纤的折射率分布及掺杂分布如图2（a）所示。通过在少模掺铒光纤的纤芯折射率边缘添加沟道，结合环形铒离子掺杂分布，即在纤芯的外围掺杂铒离子、而纤芯的中心不掺杂铒离子，可以较好地实现C波段FM-EDFA的增益均衡。对该少模掺铒光纤进行仿真模拟，采用LP01模式进行泵浦，通过调整沟道的宽度及折射率，可以实现5个 模 群（LP01、LP11、LP21、LP31、LP41）的 均 衡 放大，各模群的增益均达到20 dB以上，差分模态增益为0.45 dB左右。信号模式及泵浦模式的模斑图如图2（b）所示。

图2 （a）沟道辅助型折射率分布；（b）信号模式及泵浦模式的模斑图［45］。Fig.2（a）Trench-assisted refractive index profile.（b）Mode profiles of signal and pump mode groups［45］.

对少模掺铒光纤铒离子掺杂剖面的设计除了环形掺杂分布之外，还有超过纤芯范围的大面积掺杂。由于不同模式的模场半径不同，有的模式的模场半径可能会超过纤芯，而超过纤芯范围的大面积掺杂可以覆盖到所有的模式，降低模式间重叠积分因子的差异，从而实现增益均衡。2016年，日本KDDI电信公司[24]的研究人员提出了超过纤芯范围的大面积铒掺杂少模放大光纤，纤芯直径为12.5µm，而铒离子掺杂区域直径为25µm，如图3（a）～（b）所示。通过增加铒离子的掺杂范围，使得不同信号模式在铒离子掺杂区域内的重叠积分因子的差别变小，使用前向包层泵浦时能有效地实现模态均衡。对该少模掺铒光纤进行实验，该光纤可以在C波段实现四模群24 dB的平均增益，差分模态增益小于3.3 dB，如图3（c）所示。

图3 （a）小面积掺杂（左）和大面积掺杂（右）情况下的模场和增益介质之间的重叠；（b）大面积掺杂少模掺铒放大光纤铒离子浓度及相对折射率分布；（c）不同信号模式的增益随波长变化［24］。Fig.3（a）Overlaps between mode fields and gain media in a small doped area（left）and a large doped area（right）.（b）Profile of a fabricated double-cladding fiber with a large erbium-doped area.（c）Gain spectra for every mode as a function of wavelength［24］.

由于采用MCVD工艺拉制出的少模掺铒放大光纤达不到设计的折射率及掺杂结构的理想结果，而使用多根折射率和掺杂分布不同的预制棒进行组合之后再拉制，可以实现复杂的设计结构。2013年，法国里尔第一大学提出了采用空气或二氧化硅光子晶体光纤来制作少模掺铒光纤[46]，将纯二氧化硅棒与不同浓度的铒掺杂二氧化硅棒共19根进行组合，再拉制成纤芯，包层为空气孔二氧化硅材料，如图4（a）所示，实现了纤芯内铒离子浓度的突变。通过仿真验证，最终实现四模群21 dB的平均增益，差分模态增益小于2 dB，如图4（b）所示。

图4 （a）光子晶体光纤中的微结构铒掺杂分布；（b）不同信号模式的增益随波长变化［46］。Fig.4（a）Micro-structured erbium-doped profile in the photonic crystal fiber.（b）Gain spectra for every mode as a function of wavelength［46］.

4 纤芯泵浦少模掺铒光纤及其放大器

当少模掺铒光纤采用纤芯泵浦时，不同的信号空间模式在纤芯中与泵浦强度分布及铒离子分布的重叠不同，导致少模掺铒放大光纤的增益不均衡。表1给出了基于纤芯泵浦的少模掺铒光纤及其放大器的实验研究进展。

表1 基于纤芯泵浦的少模掺铒光纤及其放大器的实验研究进展Tab.1 Review of few-mode erbium-doped fiber and its corresponding amplifier based on core-pumped

2013年，美国NEC实验室的研究人员[29]提出了具有阶跃折射率分布的环形少模掺铒放大光纤，结合980 nm泵浦光源、以LP01模式为泵浦模式对少模掺铒放大光纤进行纤芯泵浦，将LP01模式和LP11模式之间的差分模态增益降到了2.5 dB以下。2014年，英国南安普顿大学光电子研究中心[30]采用LP21模式作为泵浦模式，对具有环形掺杂的少模掺铒放大光纤进行泵浦。少模掺铒光纤的掺杂结构如图5（a）所示，折射率剖面及掺杂离子浓度 分 布如图5（b）所示[47]，实现了波长在1 535～1 560 nm范围内4个模式20 dB以上的增益，差分模态增益小于3 dB。

图5 环形铒掺杂少模光纤。（a）铒离子径向分布［47］；（b）折射率剖面及掺杂离子浓度分布［47］；（c）不同信号模式的增益随波长变化［30］。Fig.5 Few-mode erbium ring-doped fiber.（a）Radial distribution of erbium ions［47］.（b）Fiber refractive index/doping profile［47］.（c）Modal gain as a function of wavelength across the C-band［30］.

2015年，日本电报电话公司同样提出具有阶跃折射率的环形掺铒光纤，结合LP11模式的泵浦优化，在1 530～1 560 nm波段[26]和1 570～1600 nm波段[27]均实现了1 dB以下的差分模态增益。2016年，美国中佛罗里达大学[31]使用自制少模掺铒放大光纤，结合模式选择光子灯笼来控制泵浦模式含量，选择LP21模式作为泵浦模式，在1 535～1 565 nm波段实现了4个模群的同时放大，增益大于10 dB，差分模态增益小于5 dB。

2017年，日本电报电话公司[25]为了减小少模掺铒放大光纤与具有渐变折射率结构的传输光纤之间的模场不匹配情况，对比设计了两种不同折射率结构的环形少模掺铒放大光纤：一种是具有环形剖面的阶跃折射率结构，如图6（a）所示；图6（b）是根据图6（a）的设计拉制出来的光纤的实际铒离子掺杂及相对折射率分布，选择LP01模式进行纤芯前向泵浦，可以在1 570～1 605 nm波段实现LP01、LP11、LP21三个模群15 dB以上的增益，差分模态增益低于6 dB，噪声指数低于10 dB，如图6（c）所示。另一种是中心凹陷的阶跃折射率结构，如图7（a）所示；图7（b）是根据图7（a）的设计拉制出来的光纤的实际铒离子掺杂及相对折射率分布，同样选择LP01模式进行纤芯前向泵浦，可以在1 570～1 605 nm波段实现21 dB的平均增益，差分模态增益低于4.5 dB，噪声指数低于8 dB。

图6 （a）环形剖面的相对折射率及铒离子掺杂分布设计图；（b）环形剖面的相对折射率及铒离子掺杂分布实际图；（c）不同信号模式的增益及噪声随波长变化［25］。Fig.6（a）Relative index and erbium concentration profile（filled region）of ring-shaped core profile for both erbium concentration and refractive index.（b）Refractive index profiles and erbium concentration profiles.（c）Gain and NF spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［25］.

图7 （a）中心凹陷的相对折射率及铒离子掺杂分布设计图；（b）中心凹陷的相对折射率及铒离子掺杂分布实际图；（c）不同信号模式的增益及噪声随波长变化［25］。Fig.7（a）Relative index and erbium concentration profile（filled region）of center depressed core profile for erbium concentration and refractive index.（b）Refractive index profiles and erbium concentration profiles.（c）Gain and NF spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［25］.

2018年，法国里尔第一大学再次提出使用微结构纤芯组合再拉制的方法制作少模掺铒放大光纤[48]，实现微结构少模掺铒放大光纤的过程示意图如图8（a）所示。纤芯区域支持由19根铒离子均匀掺杂的纤芯间的光耦合产生的超模，这些超模在19根铒离子掺杂的纤芯中呈现极大值，从而增加了信号光模式、泵浦光模式与铒离子掺杂之间的重叠积分。通过仿真，结合LP31a、LP12、LP22a模式进行泵浦，该微结构少模掺铒放大光纤可以实现6个模群19 dB的平均增益，差分模态增益小于1.1 dB，如图8（b）所示。

图8 （a）微结构少模掺铒放大光纤的实现过程示意图；（b）不同信号模式的增益及DMG随波长变化［48］。Fig.8（a）Schematic description of the process used to realize a few-mode amplified fiber with micro structure.（b）Gain and DMG spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［48］.

2019年，天津大学李小英课题组[32]提出了一种具有双环形掺杂结构的少模掺铒放大光纤，双环少模掺铒放大光纤的截面图如图9（a）所示。在拉制的过程中，由于离子的扩散效应以及其他缺陷，导致铒离子的分布与最初的设计相异，呈现“蝙蝠侠”状，如图9（b）所示。光纤具有简单的双环形结构，其中，外环的铒离子浓度高于内环的铒离子浓度。在LP01模式进行纤芯前向泵浦的情况下，可以在1 530～1 565 nm波段实现四模群15 dB以上的增益，差分模态增益小于4 dB，如图9（c）所示；噪声指数低于9 dB，如图9（d）所示。采用双环形铒离子掺杂分布，且两个环的铒离子浓度不同，仅调控铒离子的浓度及分布，最终实现四模群的增益均衡。

图9 双环形少模掺铒放大光纤。（a）铒离子分布截面图；（b）相对折射率及铒离子浓度分布；（c）不同信号模式的增益随波长变化；（d）不同信号模式的噪声指数随波长变化［32］。Fig.9 FM-EDFA with two-layer erbium-doped structure.（a）Cross section of the erbium ions.（b）The profile of the relative refractive index and erbium ion concentration.（c）Gain spectra for every mode as a function of wavelength across the Cband.（d）NF spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［32］.

2020年，日本电报电话公司[33]提出采用飞秒激光技术在少模掺铒光纤的纤芯中刻蚀空隙来减少差分模态增益，基于激光刻蚀技术的概念图如图10（a）所示。图10（a）也显示了在1 550 nm处计算的LP01和LP11模式的电场分布，从图中可以看出，当空隙的直径为5µm时，LP01模式的电场受到了较大的影响，纤芯中心的场强极大地降低；而空隙对LP11模式的电场影响有限，表明激光刻蚀的空隙可以选择性地衰减少模掺铒光纤的LP01模式。通过研究空隙直径对LP01和LP11两个模式的衰减情况，最终使用直径为6.8µm的空隙进行实验，采用纤芯泵浦的泵浦方式，实验结果如图10（b）所示。在1 530～1 570 nm范围内实现了23 dB的平均增益，差分模态增益在1 dB左右，极大地降低了少模掺铒放大光纤的DMG。

图10 （a）基于激光刻蚀降低DMG技术概念图；（b）不同信号模式的增益和DMG随波长变化［33］。Fig.10（a）Conceptual diagram of laser inscription based DMG reduction technique.（b）Gain and DMG spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［33］.

对于基于纤芯泵浦的少模掺铒放大光纤而言，从模式数量角度来分析，随着光纤传输的空间模式增加到10个以上或者更多，单模泵浦很难满足泵浦功率的要求。若使用多个单模泵浦并行来满足泵浦要求，原理上可行，但造价极其昂贵且体积较大，不利于FM-EDFA投入使用。此外，基于纤芯泵浦的少模掺铒放大光纤需要特殊结构的少模掺铒光纤以使得不同模式的信号光场、泵浦光场及铒离子分布之间的重叠差异最小，从而降低差分模态增益。随着模式数量的增多，为了实现模态均衡，会对光纤的设计、制备以及泵浦模态的调控提出更高的要求，从而限制了可用模式通道的数量。

5 包层泵浦少模掺铒光纤及其放大器

当少模掺铒放大光纤采用包层泵浦时，100多种空间泵浦模式在少模掺铒光纤的包层中传输[49]，泵浦功率近似均匀分布于光纤的横截面上。此时，泵浦模场的影响可以忽略，FM-EDFA的差分模态增益仅由信号模式强度和铒离子分布的重叠决定。表2给出了基于包层泵浦的少模掺铒光纤及其放大器的实验研究进展。

表2 基于包层泵浦的少模掺铒光纤及其放大器的实验研究进展Tab.2 Review of few-mode erbium-doped fiber and its corresponding amplifier based on cladding-pumped

2014年，英国南安普顿大学[34]拉制出Er/Yb共掺双包层少模光纤，使用包层泵浦的方式对LP01和LP11模式进行放大，在1 535～1 560 nm波段实现20 dB的平均增益，差分模态增益小于3 dB。同年，该校使用包层泵浦的方式对具有折射率沟道的少模掺铒放大光纤进行泵浦[28]，在1 534～1 565 nm波段 实现了LP01、LP11、LP21、LP02四 模群23 dB的平均增益，差分模态增益低于3 dB，噪声指数最大为8 dB。

为了简化光纤的制作工艺，同时最小化差分模态增益，2016年，美国贝尔实验室[35]提出扩大光纤的芯径（24µm）以支持更多的模式，如图11（a）所示。同时，结合前向包层泵浦的实验方式，对LP01、LP11、LP21、LP31、LP41、LP51、LP61七个模群同时进行放大，在C波段实现了17 dB的增益，如图11（b）所示，差分模态增益低于2 dB。2017年，美国中佛罗里达大学[22]提出支持8个模群的大芯径光纤，在C波段实现了16 dB的增益，差分模态增益降到0.2 dB。

图11 （a）大芯径少模掺铒放大光纤截面图及传输模群的模斑图；（b）增益随频率变化［35］。Fig.11（a）Erbium-doped fiber facet image and modal patterns from each mode group.（b）Gain spectrum as a function of frequency across the C-band［35］.

2018年，天津大学李桂芳课题组[23]提出同时传输12个模群21个空间模式的具有折射率沟道辅助的双包层少模掺铒放大光纤，其光纤截面如图12（a）所示，相对折射率分布如图12（b）所示，铒离子掺杂浓度如图12（c）所示。使用多模980 nm泵浦光源对其进行前向包层泵浦放大，在1 530～1 565 nm波段实现了15 dB的平均增益，差分模态增益低于3 dB，如图12（d）所示。折射率沟道的存在将信号模式的模场分布很好地束缚在纤芯中，优化了各模式的重叠积分因子，从而实现了少模掺铒放大光纤的增益均衡。

图12 双包层少模掺铒放大光纤。（a）截面图；（b）相对折射率分布；（c）铒离子浓度分布；（d）不同信号模群的增益随波长变化［23］。Fig.12 Double cladding erbium-doped fiber.（a）Cross section.（b）Refractive index profile.（c）Erbium distribution along the fiber radius position.（d）Gain spectra for every mode as a function of wavelength across the C-band［23］.

2022年，华中科技大学李进延课题组[37]提出了一种新型的包层泵浦伪两级结构，通过在Er/Yb共掺双包层少模放大光纤的中间注入泵浦光，对少模光纤进行放大。Er/Yb共掺双包层少模放大光纤的截面图及折射率分布如图13（a）所示，有源光纤的前半段主要由后向传输的泵浦光和C波段的后向放大自发辐射（Amplified spontaneous emission,ASE）进行放大；而后，前半段输出的C波段多模正向ASE作为纤芯泵浦源对后半段有源光纤进行放大，如图13（b）所示，有效利用C波段的ASE作为L波段的泵浦。使用940 nm泵浦光源，通过调节前后两段有源光纤的长度，最终实现了1 570～1 620 nm范围内25 dB的平均增益，差分模态增益小于1 dB，如图13（c）所示。该结构创新性地在少模掺铒放大光纤中同时采用纤芯泵浦与包层泵浦，充分利用ASE，有效地降低了DMG。

图13 （a）铒镱共掺少模掺铒放大光纤的相对折射率分布及截面图；（b）包层泵浦伪二级结构图解；（c）不同信号模式的增益随波长变化［37］。Fig.13（a）Refractive index profile and the cross section image of the few-mode Er/Yb co-doped fiber.（b）Schematic of the cladding-pumped pseudo-two-stage.（c）Gain spectra for every mode as a function of wavelength across the L-band［37］.

采用包层泵浦的泵浦方式时，使用多模泵浦激光器不需要特定的泵浦状态，相比纤芯泵浦的泵浦方式而言，多模泵浦激光器的泵浦功率更高，且成本较低；随着空间模式数量的增多，驱动和控制单个多模泵浦激光器所需要的电力通常低于驱动多个单模泵浦激光器所需要的电力。因此，采用包层泵浦的泵浦方式更方便，更经济环保，更可持续发展[49]。

基于包层泵浦的FM-EDFA，差分模态增益仅由信号模式强度和铒离子分布的重叠决定。因此，采用包层泵浦可以实现更高的饱和输出功率、更小的差分模态增益。

6 总结与展望

基于少模光纤的空分复用技术有望大幅提高单根光纤内的数据传输容量，是未来大容量光通信技术发展的重要技术之一。近年来，研究人员对少模掺铒放大光纤进行了深入研究，支持的空间模式从3个扩展到21个不等。当光纤中包含的模式数目开始增多、不同的模式在光纤中同时传输放大时，上下能级的铒离子将产生竞争效应，使得光纤中上下能级的铒离子重新分配，此时上下能级的铒离子分布将受到泵浦光场、信号光场等的共同作用[39]。少模掺铒放大光纤掺杂剖面及折射率分布的设计和泵浦方式的选择为降低DMG提供了解决办法。采用纤芯泵浦的少模掺铒放大光纤模式扩展困难，需要特殊结构的掺铒光纤或泵浦状态来减小差分模态增益，限制因素过多，难以搭建多级系统从而实现高增益。而采用包层泵浦的少模掺铒放大光纤，泵浦功率高且近乎均匀分布于纤芯上，饱和输出功率大，差分模态增益小，限制条件少，更容易实现多级放大，成本更低。

展望未来，对少模掺铒放大光纤的研究还有很大的探索空间：增加信号传输的模式数量、优化少模掺铒放大光纤的结构、实现复杂掺杂分布及折射率分布的工艺优化、能够批量生产、与少模掺铒光纤放大器中的其他器件（如隔离器、偏振控制器、合束器等）完美匹配等。我们期待少模掺铒光纤的放大性能有更进一步的提升，使其在市场应用中发挥作用并带来重大突破，最终开拓出模分复用更深层次的应用。

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