[论文解读] Experimental Analysis on Variations and Accuracy of Crosstalk in Trench-Assisted Multi-core Fibers

Hui Yuan, Alessandro Ottino+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2020

Optical Network Technologies参考文献 34被引用 4

一句话总结

本论文通过实验研究了在不同传输参数下，8芯沟槽辅助多芯光纤中动态与静态的芯间串扰（IC-XT）特性，验证了理论IC-XT模型，并表明IC-XT波动强度与精度显著受温度、波长、符号速率、调制格式及测量配置的影响。本研究提出了一种新型IC-XT阶跃分布模型，可在更短的观测窗口和更少的平均时间下实现高精度的IC-XT表征，优于传统的卡方分布拟合方法。

ABSTRACT

Space division multiplexing using multi-core fiber (MCF) is a promising solution to cope with the capacity crunch in standard single-mode fiber based optical communication systems. Nevertheless, the achievable capacity of MCF is limited by inter-core crosstalk (IC-XT). Many existing researches treat IC-XT as a static interference, however, recent research shows that IC-XT varies with time, wavelength and baud rate. This inherent stochastic feature requires a comprehensive characterization of the behaviour of MCF to its application in practical transmission systems and the theoretical understanding of IC-XT phenomenon. In this paper, we experimentally investigate the IC-XT behaviour of an 8-core trench-assisted MCF in a temperature-controlled environment, using popular modulation formats. We compare the measured results with the theoretical prediction to validate the analytical IC-XT models previously developed. Moreover, we explore the effects of the measurement configurations on the IC-XT accuracy and present an analysis on the IC-XT step distribution. Our results indicate that a number of transmission parameters have significant influence on the strength and volatility of IC-XT. Moreover, the averaging time of the power meter and the observation time window can affect the value of the observed IC-XT, the degrees of the effects vary with the type of the source signals.

研究动机与目标

• 理解在真实传输条件下，沟槽辅助多芯光纤（TA-MCF）中芯间串扰（IC-XT）的动态行为。
• 将现有解析IC-XT模型与不同调制格式和系统参数下的实验数据进行对比验证。
• 量化传输参数（如温度、波长、符号速率、PRBS序列长度及激发芯数）对IC-XT水平与波动的影响。
• 评估测量配置（平均时间与观测窗口长度）对IC-XT测量精度的影响。
• 提出并验证一种新型IC-XT阶跃分布模型，相较于卡方分布拟合，可提升测量效率与精度。

提出的方法

• 在温控环境下对8芯沟槽辅助多芯光纤进行实验测量，使用连续光（CW）、放大的自发辐射（ASE）、OOK、PAM-4和QAM信号，符号速率为25 Gbaud。
• 改变关键传输参数：温度（20–50 °C）、波长（1480–1630 nm）、符号速率、PRBS序列长度及激发芯数。
• 通过可调平均时间与观测窗口的标准功率计测量静态与动态IC-XT，以评估精度权衡。
• 将实验测得的IC-XT分布与理论模型进行对比，包括基于布朗运动的时间相关IC-XT模型与卡方分布。
• 提出并验证一种基于经验拟合的新型IC-XT阶跃分布模型，使用系数μ、σ和α描述分布形状。
• 进行长达12小时的长期测量，以评估不同信号类型与条件下IC-XT分布的拟合精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 温度变化如何影响沟槽辅助多芯光纤中静态与动态IC-XT？
• RQ2 调制格式、符号速率与PRBS序列长度在多大程度上影响IC-XT水平与波动剧烈程度？
• RQ3 平均时间与观测窗口长度如何影响IC-XT测量值的精度？
• RQ4 IC-XT阶跃分布模型是否能在更短的测量窗口内实现优于卡方分布的拟合精度？
• RQ5 理论IC-XT模型在不同信号类型与系统参数下与实验结果的匹配程度如何？

主要发现

• 静态IC-XT分别随温度升高0.13 dB/K、随波长增加0.113 dB/nm，且随PRBS序列长度与调制阶数增加而减小。
• 动态IC-XT与温度及符号速率呈反比关系，其中256-QAM信号表现出最高稳定性（1.80 dB动态IC-XT），而OOK信号波动最大（6.50 dB）。
• 随着激发芯数增加，IC-XT波动速度每芯提高7.4倍。
• IC-XT阶跃分布模型在远短于卡方分布拟合所需的时间内即可实现超过99.5%的拟合精度，例如仅需10分钟、平均时间0.625 s。
• 对于连续光信号，IC-XT阶跃模型在仅50分钟观测时间（平均时间3.5 s）下即可达到99.56%的精度，而卡方分布拟合需超过50分钟（平均时间3.5 s）才能达到相似精度。
• 对于所有信号类型（包括ASE与QAM信号），IC-XT阶跃模型均优于卡方分布拟合，后者甚至在12小时测量后仍无法收敛。