[论文解读] 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 20

一句话总结

该论文提出了一种基于积分计算的改进型扫频波长干涉测量（SWI）方法，可精确测量环芯光纤中的低模式间耦合，消除脉冲展宽和模式相关损耗（MDL）引起的误差。该方法在C波段内100 km距离上实现了低于-31 dB/km的功率耦合系数，经直接系统功率测量验证，证明其在低串扰少模光纤表征中具有高可靠性。

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.

研究动机与目标

• 解决现有弱耦合少模光纤模式间耦合测量中因系统引入误差而导致的不准确性问题。
• 消除传统拟合方法中因脉冲展宽和模式相关损耗（MDL）导致的功率耦合系数低估问题。
• 开发一种可靠且可实验验证的方法，用于测量长距离少模光纤中的低模式间耦合。
• 通过100 km光纤链路的直接功率测量验证所提方法，排除复 multiplexer/de-multiplexer（Mux/DeMux）串扰的影响。

提出的方法

• 提出一种基于扫频波长干涉测量（SWI）与积分计算的改进型模式间耦合表征方法，替代理论曲线拟合。
• 利用激励模式峰值与差分模群延迟（DMGD）平台的时域积分，提取总功率耦合量。
• 应用基于反双曲正切的公式 h = arctanh(XT)/z 计算平均功率耦合系数 h，其中 XT 为积分平台与峰值功率的比值。
• 通过脉冲响应中的时间位置区分复 multiplexer/de-multiplexer（Mux/DeMux）串扰与光纤本身引起的耦合。
• 将该方法应用于低MDL和低串扰的环芯光纤（RCFs），以确保测量精度。
• 通过100 km链路的直接系统功率测量验证结果，确认其可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统曲线拟合相比，SWI测量中采用积分计算是否能降低模式间耦合系数估计的误差？
• RQ2 模式相关损耗（MDL）如何影响模式间耦合测量的准确性？是否可被有效缓解？
• RQ3 在低串扰的长距离环芯光纤中，真实的模式间耦合水平是多少？
• RQ4 所提方法是否能在100 km链路上产生与直接系统功率测量一致的结果？
• RQ5 对于长距离单跨度RCFs，测量得到的耦合系数在C波段内如何变化？

主要发现

• 所提出的基于积分计算的SWI方法在C波段内，对10 km和100 km的环芯光纤链路，实现了相邻高阶OAM模组（|l| = 1 & 2，2 & 3）之间低于-31 dB/km的功率耦合系数。
• 通过SWI + 积分计算测得的耦合系数为-31.88至-33.36 dB/km（|l| = 1 & 2）和-32.89至-34.36 dB/km（|l| = 2 & 3），与100 km链路上直接功率测量结果-31.94 dB/km和-33.27 dB/km高度一致。
• 该方法优于传统曲线拟合和矢量网络分析（VNA）方法，后者因脉冲展宽和分布式耦合抑制而低估耦合程度。
• 100 km环芯光纤链路的耦合系数略低于10 km链路，归因于长距离下模间瑞利前向散射减少。
• 该方法有效缓解了MDL和系统带宽限制带来的误差，实现了对超低串扰光纤的精确表征。
• 直接系统功率测量证实，在长距离传输中，光纤本身的分布式耦合占主导地位，而非Mux/DeMux串扰，验证了该方法的可靠性。