[論文レビュー] Accurate Mode-Coupling Characterization of Low-Crosstalk Ring-Core Fibers using Integral Calculation based Swept-Wavelength Interferometry Measurement

Junwei Zhang, Jiangbo Zhu+9 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2021

Optical Network Technologies参考文献 18被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、パルス幅拡大およびモード依存損失（MDL）に起因する誤差を排除するため、積分計算を用いた改良型スイープ波長干渉計（SWI）法を提案する。この手法により、Cバンドにおける100 kmのリングコアファイバで、-31 dB/km未満のパワー結合係数を正確に測定でき、低クロストークの少数モードファイバの特性評価に高い信頼性を示す。

ABSTRACT

In this paper, to accurately characterize the low inter-mode coupling of the weakly-coupled few mode fibers (FMFs), we propose a modified inter-mode coupling characterization method based on swept-wavelength interferometry measurement, in which an integral calculation approach is used to eliminate significant sources of error that may lead to underestimation of the power coupling coefficient. Using the proposed characterization method, a low-crosstalk ring-core fiber (RCF) with low mode dependent loss (MDL) and with single span length up to 100 km is experimentally measured to have low power coupling coefficients between high-order orbital angular momentum (OAM) mode groups of below -30 dB/km over C band. The measured low coupling coefficients based on the proposed method are verified by the direct system power measurements, proving the feasibility and reliability of the proposed inter-mode coupling characterization method.

研究の動機と目的

• システムに起因する誤差により、従来の弱い結合を持つ少数モードファイバのモード間結合測定に不正確さが生じる問題に対処すること。
• 従来のフィッティング手法におけるパルス幅拡大およびモード依存損失（MDL）に起因するパワー結合係数の低減評価を解消すること。
• 長距離少数モードファイバにおける低モード間結合を正確に測定できる、実験的に検証可能な信頼性の高い手法を開発すること。
• 100 kmのファイバースパンで直接的なシステムパワー測定を実施し、Mux/DeMuxのクロストーク効果を除外して、提案手法を検証すること。

提案手法

• 理論的曲線フィッティングに代わる、積分計算を組み込んだスイープ波長干渉計（SWI）に基づく改良型モード間結合特性評価手法を提案する。
• 励起モードピークと微分モード群遅延（DMGD）プラトーの時間的積分を用いて、総パワー結合を抽出する。
• 平均パワー結合係数 h を算出するための双曲正接逆関数に基づく式 h = arctanh(XT)/z を適用する。ここで XT は、積分プラトー電力とピーク電力の比である。
• インパulse応答における時間的位置を用いて、Mux/DeMuxのクロストークとファイバ起因の結合を区別する。
• MDLおよびクロストークが低いリングコアファイバ（RCFs）を用いることで、測定の正確性を確保する。
• 結果を100 kmスパンにおける直接的システムパワー測定と照合することで、信頼性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SWI測定における積分計算は、従来の曲線フィッティングと比較して、モード間結合係数推定の誤差を低減できるか？
• RQ2 モード依存損失（MDL）はモード間結合測定の正確性にどのように影響するか？また、これを緩和できるか？
• RQ3 低クロストークを有する長距離リングコアファイバにおける真のモード間結合レベルはどの程度か？
• RQ4 提案手法は、100 kmスパンにおける直接的システムパワー測定と整合性のある結果をもたらすか？
• RQ5 長距離シングルスパンRCFにおいて、Cバンド全域での測定結合係数はどのように変化するか？

主な発見

• 提案された積分計算に基づくSWI手法により、Cバンドにおける10 kmおよび100 kmのRCFスパンで、高次オブリーガイングモード（|l| = 1 & 2、2 & 3）の隣接モード群間で、-31 dB/km未満のパワー結合係数を達成した。
• SWI + 積分計算を用いた測定では、|l| = 1 & 2 で -31.88 ～ -33.36 dB/km、|l| = 2 & 3 で -32.89 ～ -34.36 dB/km の結合係数が得られ、100 kmスパンにおける直接的パワー測定値（-31.94 dB/km および -33.27 dB/km）と整合的であった。
• 従来の曲線フィッティング法およびVNAベースの手法に比べ、本手法はパルス幅拡大および分散結合抑制に起因する低減評価を回避でき、優れた性能を示した。
• 100 kmのRCFスパンでは10 kmスパンよりもわずかに低い結合係数が得られ、これは長距離でのモード間レイリー前向散乱の低減に起因するとされた。
• 本手法はMDLおよびシステム帯域幅制限に起因する誤差を効果的に低減でき、超低クロストークファイバの正確な特性評価を可能にした。
• 直接的システムパワー測定により、長距離伝送において分散ファイバ結合がMux/DeMuxのクロストークを上回ることが確認され、本手法の信頼性が裏付けられた。