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光子晶体光纤--开启中国光纤行业新纪元

2015-12-05 10:34
林契于宸
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  一根细细的玻璃纤维(光纤)可以把等同于上千本书的信息几乎瞬时地传输到数百公里外。在现代通讯行业中,它早已取代了铜线,成为长距离信号传输的载体。光纤自1966 年问世以来,人们最初追求的目标是尽可能地降低损耗。70 年代末,光纤已达到每公里只有4-5%能量损耗(0.2dB/km),光信号可以传输几十公里;随着科技的发展,到80 年代后期掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)面市,光信号可以传输过程中增强,完全解决了光纤损耗这一历史性难题,实现了跨洋超长距离信息传输。光导纤维作为通信行业一个充满活力的新兴力量,蓬勃发展壮大起来。因此,拥有“光纤之父”美誉的华裔科学家高锟在2009年荣获诺贝尔物理学奖。

  自1990年以来,由于网络数据通信业务的快速增长,使得人们对传统通信系统的要求不断提升,更大容量、更高速率、更长传输距离的光纤通信系统随之出现。但在传统的光纤系统中,存在着诸如色散、非线性和下一代全光网络中的逻辑器件功能简单(如:光开关)的难题,这就需要有新的光纤技术和器件作支撑。

  1、从传统光纤到光子晶体光纤

  1987年,Eli Yablonovitch等科学家发现某些动物体表有周期性规律排列的细毛,可以把某些颜色(对应一定波长)的光完全反射,而吸收其它波长,展现出艳丽的色彩,如图1所示孔雀的羽毛和蝴蝶的翅膀表面呈现出鲜艳的色彩。Eli Yablonovitch等将此类结构命名为 “光子晶体”。很快,这一结构在光纤领域得到了移植应用。1992年,Phillip Russell等人提出“光子晶体光纤”(微结构光纤中的一类)。光子晶体光纤是由一簇细小的石英毛细管按照六边形周期性排列,从横截面上看去,就像是蜂窝结构。由于优良的传输特性,光子晶体光纤迅速在全球受到重视。

光子晶体光纤--开启中国光纤行业新纪元

  传统光纤的结构(如图2,(a))通常是由两种玻璃材料制成的,包含具有较高折射率的纤芯和较低折射率的包层,光通过全反射的形式在高折射率材料的纤芯中传播。光子晶体光纤可由单一材质制备(如:石英玻璃),分为实芯和空芯两种结构。实芯光子晶体光纤的结构,通常是由二维的毛细管按照六边形组成的阵列,最中心的毛细管被换成石英玻璃棒,形成了光子晶体的缺陷(图2(b)),光则在这个实芯缺陷中传播。这种光纤的工作原理和传统光纤接近,通过纤芯和包层不同的折射率传播。这是因为包层中含有空气孔,使得包层的有效折射率小于纤芯折射率,光在纤芯内形成全反射。空芯光子晶体光纤(图2(c))也是只有二氧化硅一种材质,但是它与传统光纤和实芯光子晶体光纤传导机理完全不同,空芯光子晶体光纤是采用光子带隙原理,利用光子带隙效应实现光在空气中传输。光在这种光子晶体光纤中是通过中间的气孔传播,所以没有常规光纤的传输窗口、损耗、色散等限制。

光子晶体光纤--开启中国光纤行业新纪元

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