Οι προηγμένες οπτικές ίνες μεταμορφώνουν τα σύγχρονα δίκτυα επικοινωνιών

Η τεχνολογία οπτικών ινών συνεχίζει να εξελίσσεται ραγδαία, διαδραματίζοντας έναν καθοριστικό ρόλο στην εποχή της πληροφορίας. Πέρα από τις παραδοσιακές οπτικές ίνες που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση σήματος, μια νέα κατηγορία, γνωστή ως «ειδικές οπτικές ίνες», αναδύεται ως παράγοντας που αλλάζει τα δεδομένα. Αυτές οι ίνες χρησιμεύουν ως οι ειδικές δυνάμεις στις οπτικές επικοινωνίες, εκτελώντας μοναδικές και κρίσιμες λειτουργίες στην επεξεργασία σήματος, τη διασύνδεση συσκευών και άλλες εξειδικευμένες εφαρμογές. Τι κάνει αυτές τις ειδικές ίνες τόσο αξιοσημείωτες και πώς θα μπορούσαν να αναδιαμορφώσουν το μέλλον των οπτικών επικοινωνιών; Αυτό το άρθρο εξετάζει αρκετές αντιπροσωπευτικές ειδικές ίνες, διερευνώντας τις τεχνικές τους αρχές, τις εφαρμογές και τις προκλήσεις.

Στα οπτικά συστήματα μετάδοσης που κυριαρχούνται από τυπικές μονότροπες ίνες (SMF), η χρωματική διασπορά αποτελεί σημαντική πρόκληση. Η διασπορά προκαλεί διεύρυνση των οπτικών παλμών, υποβαθμίζοντας την ποιότητα του σήματος και περιορίζοντας την απόσταση και την ταχύτητα μετάδοσης. Η ίνα αντιστάθμισης διασποράς (DCF) παρέχει μια αποτελεσματική λύση σε αυτό το πρόβλημα. Το βασικό χαρακτηριστικό της DCF είναι η μεγάλη αρνητική τιμή διασποράς στο παράθυρο μήκους κύματος των 1550 nm, η οποία αντισταθμίζει τη θετική διασπορά που δημιουργείται στην τυπική SMF.

Συγκεκριμένα, η DCF έχει συνήθως συντελεστή διασποράς περίπου D ≈ -95 ps/(nm·km). Αυτό σημαίνει ότι περίπου 14 km DCF μπορούν να αντισταθμίσουν τη διασπορά σε 80 km τυπικής SMF. Σε πρακτικές εφαρμογές, η DCF συσκευάζεται συνήθως ως μονάδα αντιστάθμισης διασποράς (DCM) για ευκολότερη ενσωμάτωση συστήματος.

Σε σύγκριση με άλλες τεχνικές αντιστάθμισης διασποράς, όπως τα πλέγματα Bragg ινών (FBG), η DCF προσφέρει πλεονεκτήματα, όπως ένα ευρύ παράθυρο μήκους κύματος, υψηλή αξιοπιστία και εξαιρετικά χαμηλό κυματισμό διασποράς — όλα κρίσιμα για τα συστήματα πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (WDM). Επιπλέον, η DCF μπορεί να σχεδιαστεί για να αντισταθμίζει την κλίση διασποράς, καθιστώντας την ιδανική για εφαρμογές WDM ευρέος μήκους κύματος.

Ωστόσο, η DCF έχει περιορισμούς. Λόγω της περιορισμένης τιμής διασποράς ανά μονάδα μήκους, η DCF παρουσιάζει σχετικά υψηλή εξασθένηση όταν απαιτείται μεγάλη συνολική αντιστάθμιση διασποράς. Επιπλέον, για να επιτευχθεί αρνητική διασπορά στο παράθυρο μήκους κύματος των 1550 nm, η αποτελεσματική περιοχή πυρήνα της DCF είναι συνήθως μικρή (Aeff ≈ 15 μm²), περίπου το ένα πέμπτο της τυπικής SMF. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα σημαντικά ενισχυμένα μη γραμμικά φαινόμενα στην DCF, τα οποία πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά το σχεδιασμό συσκευών μέτρησης που ενσωματώνουν DCF.

Οι ιδανικές μονότροπες ίνες έχουν κυκλικές διατομές με δύο εκφυλισμένα modes που διαθέτουν αμοιβαία ορθογώνιες καταστάσεις πόλωσης και πανομοιότυπες σταθερές διάδοσης. Ωστόσο, οι εξωτερικές τάσεις μπορούν να προκαλέσουν διπλοειδή σε ίνες, προκαλώντας σε αυτά τα εκφυλισμένα modes να αναπτύξουν διαφορετικές σταθερές διάδοσης. Η κατανομή των οπτικών σημάτων μεταξύ αυτών των δύο καταστάσεων πόλωσης εξαρτάται όχι μόνο από τις συνθήκες σύζευξης μεταξύ της πηγής φωτός και της ίνας, αλλά και από τη σύζευξη ενέργειας μεταξύ των modes κατά τη διάδοση — μια διαδικασία που είναι συνήθως τυχαία. Κατά συνέπεια, ακόμη και μετά τη διάδοση μόλις λίγων μέτρων μέσω της ίνας, η κατάσταση πόλωσης του σήματος εξόδου γίνεται συνήθως τυχαία. Η σύζευξη mode και οι καταστάσεις πόλωσης εξόδου είναι εξαιρετικά ευαίσθητες σε εξωτερικές διαταραχές, όπως οι μεταβολές θερμοκρασίας, οι αλλαγές μηχανικής τάσης και η μικρο- και μακρο-κάμψη.

Για να ελαχιστοποιηθεί η σύζευξη ενέργειας μεταξύ των δύο ορθογώνιων καταστάσεων πόλωσης, η διαφορά στις σταθερές διάδοσής τους πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη. Αυτό επιτυγχάνεται με την ενσωμάτωση πρόσθετων στοιχείων στην επένδυση της ίνας για την εφαρμογή ασύμμετρης τάσης στον πυρήνα. Λόγω των διαφορετικών συντελεστών θερμικής διαστολής των υλικών, η μονοκατευθυντική τάση μπορεί να δημιουργηθεί στον πυρήνα κατά τη διαδικασία σχεδίασης της ίνας. Με βάση το σχήμα των τμημάτων εφαρμογής τάσης (SAP), οι PM ίνες κατηγοριοποιούνται ως τύποι «Panda» ή «Bowtie».

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι οι PM ίνες είναι ουσιαστικά ίνες υψηλής διπλοειδούς σχεδιασμένες για την ελαχιστοποίηση της σύζευξης μεταξύ ορθογώνιων καταστάσεων πόλωσης. Ωστόσο, για να διατηρήσει μια PM ίνα την κατάσταση πόλωσης ενός σήματος, η πόλωση του σήματος εισόδου πρέπει να ευθυγραμμιστεί με τον αργό ή γρήγορο άξονα της ίνας. Διαφορετικά, θα διεγερθούν και τα δύο εκφυλισμένα modes και, παρά την ελάχιστη σύζευξη ενέργειας μεταξύ τους, οι σχετικές οπτικές φάσεις τους θα εξακολουθούν να επηρεάζονται από τις διαταραχές της ίνας, εμποδίζοντας τη διατήρηση της κατάστασης πόλωσης εξόδου.

Επομένως, κατά τη χρήση PM ινών σε οπτικά συστήματα, η προσεκτική ευθυγράμμιση της κατάστασης πόλωσης του σήματος εισόδου είναι ζωτικής σημασίας. Διαφορετικά, όσον αφορά τη σταθερότητα της πόλωσης εξόδου, οι PM ίνες μπορεί να αποδώσουν χειρότερα από τις τυπικές μονότροπες ίνες. Μια άλλη πρόκληση με τις PM ίνες είναι η δυσκολία σύνδεσης και συγκόλλησής τους. Κατά τη σύνδεση δύο PM ινών, οι άξονες διπλοειδούς τους πρέπει να είναι τέλεια ευθυγραμμισμένοι. Η κακή ευθυγράμμιση προκαλεί τα ίδια προβλήματα με την κακή ευθυγράμμιση της πόλωσης εισόδου. Οι συγκολλητές PM ινών, οι οποίοι παρέχουν ακριβή περιστροφή και ευθυγράμμιση άξονα, μπορεί να κοστίζουν πέντε φορές περισσότερο από τους συμβατικούς συγκολλητές ινών λόγω της πολυπλοκότητάς τους.

Η ίνα φωτονικού κρυστάλλου (PCF), γνωστή και ως ίνα φωτονικού χάσματος ζώνης, αντιπροσωπεύει έναν εντελώς νέο τύπο ίνας με έναν μηχανισμό κυματοδήγησης θεμελιωδώς διαφορετικό από τις συμβατικές ίνες. Η PCF διαθέτει συνήθως πολυάριθμες περιοδικά κατανεμημένες οπές αέρα στη διατομή της, κερδίζοντας το παρατσούκλι «holey» fiber. Ο μηχανισμός καθοδήγησης φωτός της PCF βασίζεται σε φαινόμενα συντονισμού Bragg στην εγκάρσια κατεύθυνση της ίνας, που σημαίνει ότι τα παράθυρα μετάδοσης χαμηλών απωλειών εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το σχεδιασμό της δομής του χάσματος ζώνης.

Η PCF μεγάλης περιοχής πυρήνα επιτρέπει τη λειτουργία μονότροπης σε ένα εξαιρετικά ευρύ παράθυρο μήκους κύματος (π.χ., 750-1700 nm) διατηρώντας παράλληλα μια μεγάλη περιοχή πυρήνα. Σε σύγκριση με την PCF κοίλου πυρήνα, η PCF μεγάλης περιοχής πυρήνα προσφέρει ευρύτερα παράθυρα χαμηλών απωλειών. Αν και η μη γραμμική παράμετρός της είναι χαμηλότερη από την τυπική SMF, είναι συνήθως πολύ υψηλότερη από την PCF κοίλου πυρήνα.

Η εξαιρετικά μη γραμμική PCF, με την εξαιρετικά μικρή διατομή στερεού πυρήνα, επιτρέπει πολύ υψηλή πυκνότητα ισχύος στον πυρήνα. Για παράδειγμα, μια εξαιρετικά μη γραμμική PCF με μήκος κύματος μηδενικής διασποράς στα λ0 = 710 nm μπορεί να έχει διάμετρο πυρήνα μόλις 1,8 μm και μη γραμμική παράμετρο γ > 100 W−1 km−1—40 φορές υψηλότερη από την τυπική SMF. Αυτός ο τύπος PCF χρησιμοποιείται συνήθως σε εφαρμογές μη γραμμικής οπτικής επεξεργασίας σήματος, όπως η παραμετρική ενίσχυση και η δημιουργία υπερσυνεχούς.

Η PCF κοίλου πυρήνα καθοδηγεί τα σήματα φωτός μέσω ενός πυρήνα αέρα. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς κυματοδηγούς που απαιτούν υλικά στερεού διηλεκτρικού υψηλού δείκτη διάθλασης, η δομή φωτονικού χάσματος ζώνης της PCF στην επένδυση λειτουργεί ως εικονικός καθρέφτης που περιορίζει τα κύματα φωτός που διαδίδονται στον πυρήνα αέρα. Στις περισσότερες PCF κοίλου πυρήνα, πάνω από το 95% της οπτικής ισχύος διανύει τον αέρα, ελαχιστοποιώντας την αλληλεπίδραση μεταξύ της ισχύος του σήματος και του υλικού γυαλιού. Δεδομένου ότι η μη γραμμικότητα του αέρα είναι περίπου τρεις τάξεις μεγέθους χαμηλότερη από το διοξείδιο του πυριτίου, η PCF κοίλου πυρήνα μπορεί να παρουσιάσει εξαιρετικά χαμηλή μη γραμμικότητα, καθιστώντας την κατάλληλη για τη μετάδοση οπτικών σημάτων υψηλής ισχύος.

Ωστόσο, η PCF αντιμετωπίζει δύο κύριες προκλήσεις: σχετικά στενά παράθυρα μετάδοσης (ιδιαίτερα για την PCF κοίλου πυρήνα, συνήθως γύρω στα 200 nm) λόγω των ισχυρών φαινομένων συντονισμού των περιοδικών δομών που περιορίζουν την ενέργεια του σήματος στον πυρήνα αέρα. και σχετικά υψηλή εξασθένηση που προκαλείται κυρίως από ατέλειες κατασκευής που οδηγούν σε τραχύτητα τοιχώματος οπής αέρα. Η τεράστια περιοχή διεπαφής αέρα/γυαλιού στην PCF σημαίνει ότι ακόμη και μικρές τραχύτητες επιφάνειας μπορούν να προκαλέσουν σημαντικές απώλειες σκέδασης. Κατά συνέπεια, η PCF παραμένει ένας ακριβός, κορυφαίος τύπος ίνας που πωλείται κυρίως ανά μέτρο και όχι ανά χιλιόμετρο. Η ευθραυστότητά τους και οι δυσκολίες χειρισμού — που προέρχονται από οπές αέρα που περιπλέκουν την επεξεργασία επιφανειών, τον τερματισμό, τη σύνδεση και τη συγκόλληση — περιορίζουν περαιτέρω την ευρεία υιοθέτηση.

Πρόσφατα, ένας ειδικός τύπος PCF κοίλου πυρήνα που ονομάζεται ίνα κοίλου πυρήνα ένθετου αντι-συντονισμού χωρίς κόμβους (HC-NANF) έχει δείξει υποσχέσεις για οπτική μετάδοση υψηλής ταχύτητας. Η δομή πυρήνα του HC-NANF διαθέτει έξι ζεύγη ένθετων τριχοειδών διοξειδίου του πυριτίου διατεταγμένων γύρω από έναν κεντρικό πυρήνα αέρα. Αυτός ο ένθετος σχεδιασμός βοηθά στην ώθηση του πεδίου mode προς την κεντρική περιοχή του πυρήνα αέρα, μειώνοντας την αλληλεπίδραση με το υλικό διοξειδίου του πυριτίου και ενδεχομένως μειώνοντας σημαντικά την εξασθένηση. Με τον κατάλληλο σχεδιασμό του πάχους, της διαμέτρου και της θέσης των τριχοειδών, το εύρος ζώνης χαμηλών απωλειών του HC-NANF θα μπορούσε να καλύψει ολόκληρο το παράθυρο μήκους κύματος 1100-1600 nm. Οι βελτιωμένες τεχνικές κατασκευής έχουν ήδη μειώσει την εξασθένηση του HC-NANF σε 0,28 dB/km. Τελικά, δεδομένου ότι το πεδίο φωτός διαδίδεται στον πυρήνα αέρα με ελάχιστη αλληλεπίδραση με το διοξείδιο του πυριτίου, οι εγγενείς απώλειες θα μπορούσαν να γίνουν πολύ χαμηλότερες από τις τυπικές ίνες στερεού πυρήνα εάν βελτιωθούν περαιτέρω οι τεχνικές κατασκευής.

Οι ίνες κοίλου πυρήνα προσφέρουν πρόσθετα οφέλη: η αμελητέα μη γραμμικότητα επιτρέπει υψηλότερη ισχύ σήματος χωρίς ανησυχίες για μη γραμμική υποβάθμιση και τα σήματα φωτός διαδίδονται περίπου 30% γρηγορότερα από ό,τι στις τυπικές ίνες στερεού πυρήνα λόγω της μείωσης του δείκτη διάθλασης από n≈1,47 σε n≈1, βοηθώντας στη μείωση της λανθάνουσας κατάστασης μετάδοσης. Τα πειράματα μετάδοσης WDM υψηλής ταχύτητας υποδηλώνουν ότι το HC-NANF μπορεί να γίνει μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στην τρέχουσα SMF για οπτικά συστήματα και δίκτυα WDM.

Η πλαστική οπτική ίνα (POF) προσφέρει μια οικονομική εναλλακτική λύση που είναι επίσης εύκολη στον χειρισμό. Οι πυρήνες POF είναι συνήθως κατασκευασμένοι από PMMA (πολυμεθυλομεθακρυλικό), μια κοινή ρητίνη, ενώ η επένδυση αποτελείται συνήθως από φθοριωμένο πολυμερές με χαμηλότερο δείκτη διάθλασης από τον πυρήνα. Τα σχέδια διατομής POF είναι πιο ευέλικτα από τις ίνες πυριτίου, επιτρέποντας διάφορα μεγέθη πυρήνα και αναλογίες πυρήνα/επένδυσης. Για παράδειγμα, σε μεγάλες POF, το 95% της διατομής μπορεί να είναι πυρήνας για μετάδοση φωτός.

Η κατασκευή POF δεν απαιτεί την ακριβή διαδικασία MOCVD που είναι απαραίτητη για τις ίνες με βάση το διοξείδιο του πυριτίου, συμβάλλοντας σε χαμηλότερο κόστος. Ενώ οι ίνες πυριτίου κυριαρχούν στις τηλεπικοινωνίες, η POF βρίσκει αυξανόμενες εφαρμογές σε ευαίσθητους ως προς το κόστος τομείς λόγω της προσιτότητας και της ευελιξίας της. Το κόστος σύνδεσης και εγκατάστασης POF είναι ιδιαίτερα χαμηλό, καθιστώντας την ελκυστική για εφαρμογές fiber-to-the-home.

Ωστόσο, η απώλεια μετάδοσης της POF περίπου 0,25 dB/m είναι σχεδόν τρεις τάξεις μεγέθους υψηλότερη από την ίνα πυριτίου, αποκλείοντας τη μετάδοση οπτικών μεγάλων αποστάσεων. Οι περισσότερες POF είναι πολυτροπικές, περιορίζοντάς τις σε εφαρμογές χαμηλής ταχύτητας, μικρών αποστάσεων, όπως οικιακά δίκτυα, οπτικές διασυνδέσεις, δίκτυα αυτοκινήτων και ευέλικτες λύσεις φωτισμού/οργάνων.