少模光纤的模式选择性分布式表征
引言少模光纤(FMF)是空分复用(SDM)通信系统中的重要传输介质，每个支持的模式都可作为一个传输通道。测量和理解这些光纤的模式色散和色度色散特性对系统设计和优化非常重要。传统的非分布式测量方法仅能提供光纤整体特性信息，而分布式表征技术则能够实现沿光纤长度的关键参数空间分析。
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基本原理
分布式光纤表征的基础在于分析相干瑞利散射，这种散射来自于光纤非晶态玻璃结构中的密度波动。每根光纤都具有独特的"特征"，这由其特定的瑞利散射中心分布决定。除非光纤受到物理改变（如加热至熔点），否则这种特征将保持恒定。
当光在少模光纤中通过不同模式传播时，散射信号通过光谱和时间偏移携带模式特性信息。光谱偏移与模式双折射（有效折射率差）相关，而时间偏移则对应模式间的差分群延迟。
图1：实验装置，包括OFDR系统、切换网络和用于少模光纤中选择性模式组激发的模式选择性复用器。
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模式选择性分析技术
该表征方法采用不同注入模式的瑞利散射测量之间的光谱相关分析(SCA)。模式选择性复用器允许在保持光纤稳定状态的同时顺序测量各个模式特征。通过分析这些测量结果的相关性，可以获得高空间分辨率的模式特性。
测量系统使用带宽为8.5 THz的光频域反射计(OFDR)，实现12 μm的空间采样分辨率。分析窗口长度设置为约2厘米，实现3.1×10-5的模式双折射分辨率。
图2：相对于基模LP01的不同模式组沿光纤长度的模式双折射和差分群延迟分布。
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实现细节
该技术在支持LP01、LP11、LP21和LP02模式的弱耦合4模式组光纤上进行了验证。系统使用模式选择性光子灯笼，能够单独激发模式组，包括简并模式。根据具体的模式组合，系统的信噪比在4到10之间变化。测量结果与光纤标称规格进行了对比验证，显示出良好的一致性。
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跨模散射检测
除了测量相似模式间的特性外，该技术还可以检测和表征跨模散射。这种现象表现为混合特征，其频率偏移是同一模式往返传播观察值的一半。
图3：LP01和LP02模式间跨模散射的证据，显示模式双折射和差分群延迟。
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色度色散测量
该方法通过分析全测量带宽内多个子带的散射特征，实现了模式间相对色度色散的详细测量。这种方法需要仔细权衡延迟分辨率和波长采样之间的关系。该技术实现了厘米级空间分辨率和亚皮秒延迟分辨率，但目前测量长度限制在几百米以内。
图4：不同模式组相对于LP01的差分群延迟随波长的变化。
图5：相对于LP01的各模式组色度色散值随波长的变化。
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结论
这种分布式表征方法在少模光纤的研究和优化方面具有重要意义。该方法能够提供模式和色度色散特性的详细空间分布图，使其成为光纤开发和系统设计中的重要工具。虽然目前仅限于较短光纤长度的测量，但其高分辨率和全面的表征能力使其特别适合实验室分析和质量控制应用。
未来的发展可能通过分析相关峰值幅度来量化模式耦合，进一步增进对少模光纤行为的理解。该方法能够以高空间和时间分辨率测量模式特性的局部变化，对推进空分复用光通信应用具有重要作用。
参考文献
R. Veronese et al., "Mode Selective Distributed Characterization of Few-Mode Fibers," in Journal of Lightwave Technology, 2024, doi: 10.1109/JLT.2024.3523848.
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