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光子晶体光纤的特性&在光纤通信中应用

2021-02-27 19:17
光通讯世界
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光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber,PCF),也称为微结构光纤(MicrostructureOpticalFiber,MOF),它具备许多独特而新颖的物理特性,如:可控的非线性、无尽单模特性、可调节的奇异色散、低弯曲损耗、大模场等特性,这些特性是常规石英单模光纤所很难或无法实现的。

因此,微结构光纤引起了国外科学界的广大关注,随着微结构光纤制造工艺技术的进步,微结构光纤的各种指标已取得了突破性进展,各种微结构光纤新产品应运而生。它不仅应用到常规光通信技术领域,而且广泛地应用到光器件领域,如:高功率光纤激光器、光纤放大器、超连续光谱、色散补偿、光开关、光倍频、滤波器、波长变换器、孤子发生器、模式转换器、光纤偏振器、医疗、生物传感等领域。

光子晶体光纤又被称为微结构光纤,近年来引起广泛关注,它的横截面上有较复杂的折射率分布,通常含有不同排列形式的气孔,这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度,光波可以被限制在光纤芯区传播。光子晶体光纤有很多奇特的性质。

例如,可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输;包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质;排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应,这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。

光子晶体的概念最早出现在1987年,当时有人提出,半导体的电子带隙有着与光学类似的周期性介质结构。其中最有发展前途的领域是光子晶体在光纤技术中的应用。它涉及的主要议题是高折射率光纤的周期性微结构(它们通常由以二氧化硅为背景材料的空气孔组成)。

这种被谈论着的光纤通常称之为光子晶体光纤(PCFs),这种新型光波导可方便地分为两个截然不同的群体。第一种光纤具有高折射率芯层(一般是固体硅),并被二维光子晶体包层所包围的结构。这些光纤有类似于常规光纤的性质,其工作原理是由内部全反射(TIR)形成波导;相比于传统的折射率传导,光子晶体包层的有效折射率允许芯层有更高的折射率。因此,重要的是要注意到,这些我们所谓的内部全反射光子晶体光纤(TIR-PCFs) ,实际上完全不依赖于光子带隙(PBG)效应。

与TIR-PCFs截然不同的另一种光纤,其光子晶体包层显示的是光子带隙效应,它利用这种效应把光束控制在芯层内。这些光纤(PBG-PCFs)表现出可观的性能,其中最重要的是能力控制和引导光束在具有比包层折射率低的芯层内传播。相比而言,内部全反射光子晶体光纤(TIR-PCFs)首先是被制造出来的,而真正的光子带隙传导光纤(PBG-PCFs)只是在近期才得到实验证明。

1991年,Russell等人根据光子晶体传光原理首次提出了光子晶体光纤(PCF)的概念。

1996年,英国南安普顿大学的J.C.Knight 等人研制出世界上第一根PCF,之后在光纤通信和光学研究领域中,PCF引起了全世界的普遍兴趣。

  光子晶体光纤的结构及其导光原理

就结构而言,PCF可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。

PCF导光机理可以分为两类:折射率导光机理和光子能隙导光机理。

折射率导光机理:周期性缺陷的纤心折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率(空气)之间有一定的差别,从而使光能够在纤芯中传播,这种结构的PCF导光机理依然是全内反射,但与常规G.652光纤有所不同,由于包层包含空气,所以这种机理称为改进的全内反射,这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。

光子能隙导光机理:在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF 的传导条件,其结果就是光子能隙导光理论。

中心为空芯,虽然空芯的折射率比包层石英玻璃低,但仍能保证光不折射出去,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间的距离和小孔直径满足一定条件时,其光子能隙范围内就能阻止相应光传播,光被限制在中心空芯之内传输。

最近有研究表明,这种HF 中可传输99 %以上的光能,而空间光衰减极低,因此光纤衰减可能只有标准光纤的1/ 2~1/ 4 。但并不是所有PCF 都是光子能隙导光。

空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是:在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气,传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙,光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射,但包层中的小孔点阵结构就像一面镜子,这样光就在许许多多的小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。

  PCF的特性

PCF 有如下特点:结构设计很灵活,具有各种各样的小孔结构;芯和包层的折射率差可以很大;芯可以制成各种各样;“包层折射率”是强烈依波长而变的函数,包层性能可以反映在波长尺度上。正因为有以上特点, PCF 有着以下许多奇异特性:

(1)无截止单模( Endlessly Single Mode)

传输普通单模光纤随着纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。而对于PCF ,只要其空气孔径与孔间距之比小于0. 2 ,无论什么波长都能单模传输,似乎不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性。这种光纤可在从蓝光到2μm 的光波下单模传输。

更为奇特的是这种特性与光纤的绝对尺寸无关,因此通过改变空气孔间距可调节模场面积。在1 550 nm可达1~800 μm2 ,实际上已制成了680 μm2 的大模场PCF ,大约是常规光纤的10 倍。小模场有利于非线性产生,大模场可防止发生非线性。这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。这种光纤具有很多潜在应用,如激光器和放大器(利用高非线性光纤) ,低非线性通信用光纤,高光功率传输。

(2)不同寻常的色度色散

真空中材料色散为零,空气中的材料色散也非常小。这使得空气芯PCF 的色散非常特殊。由于光纤设计很灵活,只要改变孔径与孔间距之比,即可达到很大的波导色散,还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态。如零色散波长可移到短波长,从而导致在1 300 nm 实现光弧子传输;具有优良性质的色散平坦光纤(数百nm 带宽范围接近零色散) ;各种非线性器件以及色散补偿光纤(可达2 000 ps/ nm·km) 都应运而生。

(3)极好的非线性效应双折射效应

G.652光纤中出现的非线性效应是由于光纤的单位面积上传输的光强过大造成严重损伤系统传输质量的一个现象。然而,在光子能隙导光PCF中,我们可以通过增加PCF纤芯空气孔直径(即PCF的有效面积)来降低单位有效面积上的光强,从而达到大大减少非线性效应的目的。光子能隙导光的这个特性为制造大的有效面积的PCF奠定了技术基础。

(4)优良的双折射效应

对于保偏光纤而言,双折射效应越强,波长越短,所保持的传输光偏振态越好。在PCF中,只需要破坏PCF剖面圆对称性,使其构成二维结构就可以形成很强的双折射。通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式,可以制造出比常用的熊猫牌保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保偏光纤。

光子晶体光纤在光纤通信的应用

PCF在光纤通信系统中的潜在应用主要有两个方面:传输光纤和光器件。PCF作为传输光纤的研究要点是改进制造工艺、降低光纤损耗。PCF作为光器件的研究要点是通过调整PCF的结构尺寸来实现PCF器件所需要的性能。

众所周知,作为光信号传输介质,无论是G.652光纤还是PCF都应该满足低损耗、小色散和低非线性效应。与G.652损耗机理相同,PCF损耗主要来源于吸收和散射。此外,由于PCF结构的特殊性,也自然带来了一些特殊的损耗来源,如模式泄漏损耗和结构缺陷损耗。表1给出了PCF的损耗来源。

人们采取了一系列措施来降低PCF的损耗,主要有(1)提高芯/包层材料的纯度;(2)采用减少污染包层材料管的工艺;(3)通过合理设计空气填充比/空气孔数量来降低泄漏模式。

PCF具有的低损耗、小色散、低非线性效应特性,使得其在光纤通信领域的应用是非常有前途的,尤其对于长途通信系统。随着PCF设计方法和制造工艺的不断改进,PCF性能正日趋完善。特别是K.Tajima等人通过合理设计结构参数,如空气孔直径d和空气孔间距r,以及d/r比值,大道理既减少PCF的衰减,又改善PCF的色散和色散效率的目的。现在,PCF已经进入实验室的光纤通信系统传输试验研究阶段。

2003年初的世界光纤通信会议(OFC)上,日本电报电话公司(NTT接入网业务系统实验室的K.Tajima等人报道了他们研制出的衰减为0.37 dB/km 的超低衰减、长长度的PCF。PCF具有完全的单模特性,可用工作波长范围为0.458—1.7μm。

C.Peucheret等人的研究小组利用5.6 km 的PCF线路进行工作波长为1550 nm的40Gbit/s的传输实验。这个实验系统所用的PCF的有效面积是72平方μm、衰减为1.7dB/ km、色散系数为32 ps/(km. nm)。实验表明,PCF作为光信号传输介质时,系统的性能没有劣化,与G.652光纤相比,PCF最大优势是在保证很小的偏振模色散系数的前提下,色散系数、有效面积和非线性系数可以灵活设计。

如上所述,PCF本身就是一种良好的色散补偿光纤。通过灵活设计PCF的3个特征结构参数:纤芯直径、包层空气孔直径和包层空气孔间距,我们就可以获得很大的正色散,或者很大的负色散,或极宽波段的平坦色散PCF。特别是PCF的灵活色散、色散效率补偿带宽管理能量比G.652光纤大几倍,故PCF具有优良的色散补偿性能,有希望代替普通的色散补偿光纤,成为新一代色散补偿光纤。

由于普通色散补偿光纤的芯/包层折射率差小(1.45/1.3),所以其色散补偿能力差。而PCF的芯/包层差大(1.45/1),因此PCF具有很强的色散补偿能力。清华大学的研究人员从理论上计算了PCF的色散值,在计算中所选择的PCF结构参数是:空气孔间距为0.8μm,空气孔直径与空气孔间距之比是0.835。

计算得到,在1.55μm PCF的色散值可以达到-2050 ps/(km. nm),可以补偿120倍长度的G.652光纤(17 ps/(km. nm)),可以补偿240倍长度的G.655光纤(8.2 ps/(km. nm)),从而大大缩短了色散补偿光纤的长度。因此,PCF的色散补偿作用在高速率、大容量、远距离的WDM系统中将会具有极大的应用价值。

PCF可以构成光纤激光器和光纤放大器,究其理由是通过调整包层空气孔直径及其间距可以灵活设计出模场面积范围为1-1000μm2的 PCF,使得PCF在光纤激光器和光放大器研制中比G.652光纤更具有优势。

已经取得研究进展的PCF与光纤通信相关应用还有:光波长变换、拉曼放大器、光孤子激光器、光纤光栅和连续谱发生器等。

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