Geavanceerde optische vezels transformeren moderne communicatienetwerken

De optische vezeltechnologie blijft zich snel ontwikkelen en speelt een cruciale rol in het informatietijdperk.een nieuwe klasse die bekend staat als "special optische vezels" komt naar voren als een game-changerDeze vezels dienen als de speciale krachten in de optische communicatie en vervullen unieke en cruciale functies in de signaalverwerking, interconnectie van apparaten en andere gespecialiseerde toepassingen.Wat maakt deze speciale vezels zo bijzonder?In dit artikel worden verschillende representatieve specialiteitsvezels onderzocht en worden hun technische principes, toepassingen en uitdagingen onderzocht.

In optische transmissiesystemen die worden gedomineerd door standaard enkelmodusvezels (SMF), vormt chromatische dispersie een belangrijke uitdaging.vermindering van de signaalkwaliteit en beperking van de transmissieafstand en -snelheidHet belangrijkste kenmerk van DCF is de grote negatieve dispersieswaarde in het golflengtevenster van 1550 nm.die de positieve dispersie in standaard SMF compenseert.

Specifiek heeft DCF meestal een dispersiescoëfficiënt van ongeveer D ≈ -95 ps/(nm·km. Dit betekent dat ongeveer 14 km DCF de dispersies in 80 km standaard SMF kan compenseren.In praktische toepassingen, DCF wordt meestal verpakt als een dispersiecompensatiemodule (DCM) voor gemakkelijker systeemintegratie.

In vergelijking met andere dispersiecompensatietechnieken zoals glasvezel-Bragg-roosters (FBG) biedt DCF voordelen, waaronder een breed golflengtevenster, hoge betrouwbaarheid,en extreem lage dispersiereepel zijn cruciaal voor systemen voor multiplexing door golflengte-divisie (WDM)Daarnaast kan DCF worden ontworpen om de dispersieslag te compenseren, waardoor het ideaal is voor WDM-toepassingen met brede golflengten.

DCF heeft echter beperkingen. Vanwege zijn beperkte dispersieswaarde per lengte-eenheid vertoont DCF relatief hoge demping wanneer een grote totale dispersiescompensatie vereist is.om negatieve dispersie te bereiken in het golflengtevenster van 1550 nm, is het effectieve kerngebied van DCF meestal klein (Aeff ≈ 15 μm2), ongeveer een vijfde van dat van standaard SMF. Dit resulteert in aanzienlijk verbeterde niet-lineaire effecten in DCF,die bij het ontwerpen van meetapparatuur met DCF in rekening moeten worden gebracht.

Ideale enkelmodusvezels hebben cirkelvormige dwarsdoorsneden met twee gedegenereerde modi met wederzijds orthogonale polarisatietoestanden en identieke verspreidingsconstanten.externe spanningen kunnen birefringentie in vezels veroorzaken, waardoor deze gedegenereerde modi verschillende verspreidingsconstanten ontwikkelen. The distribution of optical signals between these two polarization modes depends not only on the coupling conditions between the light source and the fiber but also on energy coupling between the modes during propagation—a process that is typically randomBijgevolg wordt de polarisatie van het uitgangssignaal, zelfs nadat het zich slechts enkele meters door de vezel heeft verspreid, meestal gerandomiseerd.Moduscouplage en uitgangspolarisatietoestanden zijn zeer gevoelig voor externe verstoringen zoals temperatuurvariaties, mechanische spanningsveranderingen en zowel micro als macro buigingen.

Om de energiekoppeling tussen de twee orthogonale polarisatiemodi tot een minimum te beperken, moet het verschil in hun verspreidingsconstanten voldoende groot zijn.Dit wordt bereikt door extra elementen in de vezelbekleding op te nemen om asymmetrische spanning op de kern toe te passen. Vanwege de thermische uitbreidingscoëfficiënten van verschillende materialen kunnen tijdens het vezeltekeningsproces eenrichtingsspanningen in de kern ontstaan.,PM-vezels worden geclassificeerd als "Panda" of "Bowtie".

Het is belangrijk op te merken dat PM-vezels in wezen zeer birefringente vezels zijn ontworpen om koppeling tussen orthogonale polarisatiemodi te minimaliseren.voor een PM-vezel om de polarisatietoestand van een signaal te behoudenDe polarisatie van het signaal moet overeenkomen met de snelle of trage as van de vezel, anders worden beide degeneratieve modi opgewonden.hun relatieve optische fasen zullen nog steeds worden beïnvloed door vezelverstoringen, waardoor de uitgangspolarisatie niet kan worden gehandhaafd.

Daarom is bij het gebruik van PM-vezels in optische systemen een zorgvuldige uitlijning van de polarisatietoestand van het invoersignaal cruciaal.PM-vezels kunnen slechter presteren dan standaard enkelmodusvezelsEen andere uitdaging met PM-vezels is de moeilijkheid bij het verbinden en splicen ervan.Een verkeerde uitlijning veroorzaakt dezelfde problemen als een verkeerde polarisatie.. PM-vezelsplicers, die een nauwkeurige asrotatie en -uitlijning bieden, kunnen door hun complexiteit vijf keer zo duur zijn als conventionele vezelsplicers.

Fotonische kristalvezel (PCF), ook wel bekend als fotonische bandgapvezel, is een compleet nieuw vezeltype met een golfgeleidingsmechanisme dat fundamenteel verschilt van conventionele vezels.PCF heeft doorgaans talrijke periodiek verdeelde luchtgaten in de doorsnedeHet lichtgeleidende mechanisme van PCF is gebaseerd op de Braggresonantie-effecten in de dwarsrichting van de vezels.Het betekent dat de transmissie met lage verliezen grotendeels afhankelijk is van het ontwerp van de bandgapstructuur..

PCF met grote kernoppervlakte maakt het mogelijk om in één modus te werken over een uitzonderlijk breed golflengtevenster (bijv. 750-1700 nm) met behoud van een groot kernoppervlak.de PCF met grote kernoppervlakte biedt een breder raam met lage verliezenHoewel de niet-lineaire parameter lager is dan bij standaard SMF, is het meestal veel hoger dan bij PCF met een holle kern.

Een zeer niet-lineaire PCF, met een extreem kleine dwarsdoorsnede van de vaste kern, zorgt voor een zeer hoge vermogendichtheid in de kern.een zeer niet-lineaire PCF met een golflengte van nul-dispersie bij λ0 = 710 nm kan een kerndiameter hebben van slechts 1.8 μm en een niet-lineaire parameter γ > 100 W−1 km−1·40 keer hoger dan standaard SMF.Dit type PCF wordt vaak gebruikt in niet-lineaire optische signaalverwerking toepassingen zoals parametrische versterking en supercontinuum generatie.

Een holle kern PCF leidt lichtsignalen door een luchtkern.De fotonische bandgapstructuur van PCF in de bekleding fungeert als een virtuele spiegel die de verspreidende lichtgolven beperkt tot de luchtkernIn de meeste holle-core PCF's gaat meer dan 95% van de optische stroom door de lucht, waardoor de interactie tussen signaalvermogen en glasmateriaal tot een minimum wordt beperkt.Aangezien de niet-lineariteit van lucht ongeveer drie graden lager is dan van silica, holle kern PCF kan een extreem lage niet-lineariteit vertonen, waardoor het geschikt is voor het verzenden van optische signalen met een hoog vermogen.

PCF wordt echter voor twee belangrijke uitdagingen gesteld: relatief smalle transmissie-ruimten (met name voor holle-core PCF,De energie van het signaal wordt in de luchtkern beperkt door de sterke resonantie-effecten van periodieke structuren.Het is een zeer belangrijke factor in de ontwikkeling van de nieuwe techniek.De enorme oppervlakte tussen lucht en glas in PCF betekent dat zelfs een geringe oppervlakte ruwheid aanzienlijke verstrooiing verliezen kan veroorzakenDaarom blijft PCF een dure, high-end vezel die voornamelijk per meter in plaats van per kilometer wordt verkocht.Hun breekbaarheid en hanteerproblemen als gevolg van luchtgaten die de oppervlaktebehandeling bemoeilijken, beëindiging, aansluiting en splicing beperken verder de wijdverspreide acceptatie.

Onlangs heeft een speciaal type PCF met een holle kern, genaamd holle-core nested antiresonant nodeless fiber (HC-NANF), veelbelovend gebleken voor snelle optische transmissie.De kernstructuur van HC-NANF bestaat uit zes paren van geneste silica capillairen die rond een centrale luchtkern zijn gerangschiktDit geneste ontwerp helpt het modusveld naar het centrale gebied van de luchtkern te duwen, waardoor de interactie met silica-materiaal wordt verminderd en de verzwakking aanzienlijk wordt verlaagd.met een juiste ontwerp van de capillaire dikteDe bandbreedte van HC-NANF met een laag verlies zou het hele golflengtevenster van 1100-1600 nm kunnen bedekken.28 dB/kmUiteindelijk, omdat het lichtveld zich verspreidt in de luchtkern met minimale interactie met silica,de intrinsieke verliezen zouden veel lager kunnen zijn dan bij standaard vaste kernvezels als de productietechnieken verder worden verbeterd.

Hollow-core vezels bieden extra voordelen: verwaarloosbare niet-lineariteit maakt een hoger signaalvermogen mogelijk zonder problemen met niet-lineaire afbraak,en lichtsignalen verspreiden zich ongeveer 30% sneller dan in standaard vaste kernvezels als gevolg van de vermindering van de brekingsindex van n≈1HC-NANF kan een veelbelovend alternatief worden voor het huidige SMF voor WDM-optische systemen en netwerken.

Plastic optische vezels (POF) bieden een goedkoop alternatief dat ook gemakkelijk te hanteren is.terwijl de bekleding meestal bestaat uit gefluoreerd polymeer met een lagere brekingsindex dan de kern. POF doorsnede ontwerpen zijn flexibeler dan silica vezels, waardoor verschillende kerngroottes en kern / bekleding verhoudingen.95% van de doorsnede kan kern zijn voor lichtdoorstraling.

POF-productie vereist niet het dure MOCVD-proces dat essentieel is voor siliciumvezels, wat bijdraagt aan lagere kosten.POF wordt steeds vaker toegepast in kostengevoelige gebieden vanwege de betaalbaarheid en flexibiliteitDe aansluit- en installatiekosten van POF zijn bijzonder laag, waardoor het aantrekkelijk is voor toepassingen met glasvezel.

Het transmissiverlies van POF van ongeveer 0,25 dB/m is echter bijna drie graden hoger dan dat van siliciumvezel, waardoor de optische transmissie op lange afstand uitgesloten is.beperken tot lage snelheid, toepassingen op korte afstand zoals thuisnetwerken, optische interconnecties, automobielnetwerken en flexibele verlichtings- en instrumentatieoplossingen.