[논문 리뷰] Accurate Mode-Coupling Characterization of Low-Crosstalk Ring-Core Fibers using Integral Calculation based Swept-Wavelength Interferometry Measurement

Junwei Zhang, Jiangbo Zhu외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 08.

Optical Network Technologies참고 문헌 18인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 펄스 확장과 모드 의존성 손실에 기인한 오차를 제거하기 위해 적분 계산을 통한 개선된 스위프 웨이브장도 간섭계(SWI) 방법을 제안한다. 이는 고리핵 섬유에서의 저항성 모드 간 커플링을 정확하게 측정하기 위한 것으로, C 밴드에서 100 km 구간에서 -31 dB/km 이하의 전력 커플링 계수를 달성한다. 직접적인 시스템 전력 측정을 통해 검증되었으며, 저교차성 소수 모드 섬유 특성 분석에 있어 높은 신뢰성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 시스템 유도 오차로 인해 기존의 약간 커플링된 소수 모드 섬유의 모드 간 커플링 측정이 부정확한 문제를 해결하기 위해.
• 기존의 피팅 방법에서 펄스 확장과 모드 의존성 손실(MDL)으로 인해 발생하는 전력 커플링 계수의 과소 평가를 제거하기 위해.
• 장거리 소수 모드 섬유에서의 저모드 간 커플링 측정을 위한 신뢰할 수 있고 실험적으로 검증 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 100km 섬유 스팬에서 직접 전력 측정을 통해 제안된 방법을 검증하여 멀티플렉서/디멀티플렉서 교차성 효과를 배제하기 위해.

제안 방법

• 이론적 곡선 피팅을 대체하기 위해 적분 계산을 통한 수정된 모드 간 커플링 특성 측정 방법을 제안한다.
• excited mode 피크와 차별 모드 군延迟(DMGD) 플랫폼의 시간적 적분을 통해 총 전력 커플링을 추출한다.
• 평균 전력 커플링 계수 h를 계산하기 위해 arctanh 기반 식 h = arctanh(XT)/z 를 적용한다. 여기서 XT는 적분된 플랫폼 전력 대 피크 전력의 비율이다.
• 임펄스 응답의 시간적 위치를 이용해 멀티플렉서/디멀티플렉서 교차성을 섬유 유도 커플링과 구분한다.
• 측정 정확도를 확보하기 위해 저MDL 및 저교차성 고리핵 섬유(RCFs)에 이 방법을 적용한다.
• 신뢰성 확인을 위해 100km 스팬에서 직접적인 시스템 전력 측정 결과와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SWI 측정에서 적분 계산을 적용하면 기존의 곡선 피팅 대비 모드 간 커플링 계수 추정 오차를 줄일 수 있는가?
• RQ2 모드 의존성 손실(MDL)은 모드 간 커플링 측정 정확도에 어떤 영향을 미치며, 이를 완화할 수 있는가?
• RQ3 저교차성 장거리 고리핵 섬유에서의 진정한 모드 간 커플링 수준은 무엇인가?
• RQ4 제안된 방법은 100km 스팬에서 직접 시스템 전력 측정 결과와 일치하는 결과를 도출할 수 있는가?
• RQ5 장거리 단일 스팬 RCF에서 C 밴드 전체에 걸쳐 측정된 커플링 계수는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 제안된 적분 계산 기반 SWI 방법은 C 밴드에서 10km 및 100km RCF 스팬에서 고차 모드 오르비탈 각운동량(OAM) 모드 그룹(|l| = 1 & 2, 2 & 3) 간 전력 커플링 계수를 <-31 dB/km로 달성한다.
• SWI + 적분 계산을 통한 측정 결과 -31.88 ~ -33.36 dB/km(|l| = 1 & 2) 및 -32.89 ~ -34.36 dB/km(|l| = 2 & 3)는 100km에서의 직접 전력 측정 결과 -31.94 dB/km 및 -33.27 dB/km와 일치한다.
• 이 방법은 펄스 확장과 분포형 커플링 억제로 인해 커플링을 과소평가하는 기존의 곡선 피팅 및 VNA 기반 방법보다 뛰어나다.
• 100km RCF 스팬은 10km 스팬보다 약간 낮은 커플링 계수를 보이며, 이는 더 긴 거리에서 모드 간 레일리 전방 산란 감소로 기인한다.
• 이 방법은 MDL 및 시스템 대역폭 제한으로 인한 오차를 효과적으로 완화하여 초저교차성 섬유의 정확한 특성 분석을 가능하게 한다.
• 직접적인 시스템 전력 측정 결과는 장거리 전송에서 분포형 섬유 커플링이 멀티플렉서/디멀티플렉서 교차성보다 지배적임을 확인하며, 방법의 신뢰성을 검증한다.