Zaawansowane włókna optyczne przekształcają nowoczesne sieci komunikacyjne

Technologia światłowodowa wciąż ewoluuje, odgrywając kluczową rolę w erze informacyjnej. Oprócz tradycyjnych włókien optycznych używanych do transmisji sygnału, nowa klasa znana jako „specjalistyczne włókna optyczne” wyłania się jako przełom. Włókna te pełnią funkcję sił specjalnych w komunikacji optycznej, wykonując unikalne i krytyczne funkcje w przetwarzaniu sygnału, łączeniu urządzeń i innych specjalistycznych zastosowaniach. Co sprawia, że te specjalistyczne włókna są tak niezwykłe i jak mogą zmienić przyszłość komunikacji optycznej? Artykuł ten analizuje kilka reprezentatywnych włókien specjalistycznych, badając ich zasady techniczne, zastosowania i wyzwania.

W systemach transmisji optycznej zdominowanych przez standardowe włókna jednomodowe (SMF), dyspersja chromatyczna stanowi poważne wyzwanie. Dyspersja powoduje poszerzanie się impulsów optycznych, pogarszając jakość sygnału i ograniczając odległość i prędkość transmisji. Włókno kompensacji dyspersji (DCF) stanowi skuteczne rozwiązanie tego problemu. Kluczową cechą DCF jest duża ujemna wartość dyspersji w oknie długości fali 1550 nm, która kompensuje dodatnią dyspersję generowaną w standardowym SMF.

Dokładniej, DCF ma zwykle współczynnik dyspersji około D ≈ -95 ps/(nm·km). Oznacza to, że około 14 km DCF może skompensować dyspersję w 80 km standardowego SMF. W praktycznych zastosowaniach DCF jest zwykle pakowane jako moduł kompensacji dyspersji (DCM) w celu ułatwienia integracji systemu.

W porównaniu z innymi technikami kompensacji dyspersji, takimi jak siatki Bragga (FBG), DCF oferuje zalety, w tym szerokie okno długości fal, wysoką niezawodność i ekstremalnie małe tętnienia dyspersji – wszystko to kluczowe dla systemów zwielokrotnienia z podziałem długości fali (WDM). Dodatkowo, DCF może być zaprojektowane tak, aby kompensować nachylenie dyspersji, co czyni je idealnym dla zastosowań WDM o szerokim zakresie długości fal.

Jednak DCF ma ograniczenia. Ze względu na ograniczoną wartość dyspersji na jednostkę długości, DCF wykazuje stosunkowo duże tłumienie, gdy wymagana jest duża całkowita kompensacja dyspersji. Ponadto, aby uzyskać ujemną dyspersję w oknie długości fali 1550 nm, efektywna powierzchnia rdzenia DCF jest zwykle mała (Aeff ≈ 15 μm²), około jednej piątej standardowego SMF. Powoduje to znaczne wzmocnienie efektów nieliniowych w DCF, co należy wziąć pod uwagę podczas projektowania urządzeń pomiarowych zawierających DCF.

Idealne włókna jednomodowe mają okrągłe przekroje z dwoma zdegenerowanymi modami o wzajemnie ortogonalnych stanach polaryzacji i identycznych stałych propagacji. Jednak naprężenia zewnętrzne mogą indukować dwójłomność we włóknach, powodując, że te zdegenerowane mody rozwijają różne stałe propagacji. Rozkład sygnałów optycznych między tymi dwoma modami polaryzacji zależy nie tylko od warunków sprzężenia między źródłem światła a włóknem, ale także od sprzężenia energii między modami podczas propagacji – procesu, który jest zwykle losowy. W konsekwencji, nawet po propagacji zaledwie kilku metrów przez włókno, stan polaryzacji sygnału wyjściowego zwykle staje się zrandomizowany. Sprzężenie modów i stany polaryzacji wyjściowej są bardzo wrażliwe na zakłócenia zewnętrzne, takie jak zmiany temperatury, zmiany naprężeń mechanicznych oraz zginanie mikro- i makro-.

Aby zminimalizować sprzężenie energii między dwoma ortogonalnymi modami polaryzacji, różnica w ich stałych propagacji musi być wystarczająco duża. Osiąga się to poprzez włączenie dodatkowych elementów do płaszcza włókna w celu zastosowania asymetrycznego naprężenia do rdzenia. Ze względu na różne współczynniki rozszerzalności cieplnej materiałów, naprężenie jednokierunkowe może być wytworzone w rdzeniu podczas procesu ciągnienia włókna. W oparciu o kształt części naprężających (SAP), włókna PM są kategoryzowane jako typy „Panda” lub „Bowtie” (motylkowe).

Należy zauważyć, że włókna PM są zasadniczo włóknami o wysokiej dwójłomności, zaprojektowanymi w celu zminimalizowania sprzężenia między ortogonalnymi modami polaryzacji. Jednak aby włókno PM utrzymało stan polaryzacji sygnału, polaryzacja sygnału wejściowego musi być zgodna z wolną lub szybką osią włókna. W przeciwnym razie oba zdegenerowane mody zostaną wzbudzone i pomimo minimalnego sprzężenia energii między nimi, ich względne fazy optyczne nadal będą wpływane przez zakłócenia włókna, co uniemożliwi utrzymanie stanu polaryzacji wyjściowej.

Dlatego podczas używania włókien PM w systemach optycznych, staranne wyrównanie stanu polaryzacji sygnału wejściowego jest kluczowe. W przeciwnym razie, jeśli chodzi o stabilność polaryzacji wyjściowej, włókna PM mogą działać gorzej niż standardowe włókna jednomodowe. Kolejnym wyzwaniem związanym z włóknami PM jest trudność w ich łączeniu i spawaniu. Podczas łączenia dwóch włókien PM, ich osie dwójłomności muszą być idealnie wyrównane. Niewspółosiowość powoduje te same problemy, co niewspółosiowość polaryzacji wejściowej. Spawarki do włókien PM, które zapewniają precyzyjną rotację i wyrównanie osi, mogą kosztować pięć razy więcej niż konwencjonalne spawarki do włókien ze względu na ich złożoność.

Włókno fotoniczne kryształowe (PCF), znane również jako włókno z pasmem fotonicznym, reprezentuje zupełnie nowy typ włókna z mechanizmem prowadzenia fal, zasadniczo różnym od konwencjonalnych włókien. PCF charakteryzuje się zwykle licznymi, periodycznie rozmieszczonymi otworami powietrznymi w przekroju poprzecznym, co przyniosło mu przydomek „dziurawego” włókna. Mechanizm prowadzenia światła PCF opiera się na efektach rezonansu Bragga w kierunku poprzecznym włókna, co oznacza, że jego okna transmisji o niskiej stracie zależą w dużej mierze od projektu struktury pasma.

PCF o dużym rdzeniu umożliwia działanie jednomodowe w wyjątkowo szerokim oknie długości fal (np. 750-1700 nm), zachowując jednocześnie dużą powierzchnię rdzenia. W porównaniu z PCF o pustym rdzeniu, PCF o dużym rdzeniu oferuje szersze okna o niskiej stracie. Chociaż jego parametr nieliniowy jest niższy niż standardowego SMF, jest zwykle znacznie wyższy niż PCF o pustym rdzeniu.

Wysoce nieliniowe PCF, z bardzo małym przekrojem poprzecznym rdzenia stałego, umożliwia bardzo dużą gęstość mocy w rdzeniu. Na przykład, wysoce nieliniowe PCF o zerowej długości fali dyspersji przy λ0 = 710 nm może mieć średnicę rdzenia tak małą jak 1,8 μm i parametr nieliniowy γ > 100 W−1 km−1—40 razy wyższy niż standardowy SMF. Ten typ PCF jest powszechnie stosowany w nieliniowych zastosowaniach przetwarzania sygnału optycznego, takich jak wzmacnianie parametryczne i generacja superkontinuum.

PCF o pustym rdzeniu prowadzi sygnały świetlne przez rdzeń powietrzny. W przeciwieństwie do konwencjonalnych falowodów wymagających materiałów dielektrycznych stałych o wysokim współczynniku załamania światła, struktura pasma fotonicznego PCF w płaszczu działa jak wirtualne lustro, ograniczając propagację fal świetlnych do rdzenia powietrznego. W większości PCF o pustym rdzeniu ponad 95% mocy optycznej przemieszcza się przez powietrze, minimalizując interakcję między mocą sygnału a materiałem szklanym. Ponieważ nieliniowość powietrza jest około trzech rzędów wielkości niższa niż krzemionki, PCF o pustym rdzeniu może wykazywać ekstremalnie niską nieliniowość, co czyni go odpowiednim do przesyłania sygnałów optycznych o dużej mocy.

Jednak PCF stoi w obliczu dwóch głównych wyzwań: stosunkowo wąskich okien transmisji (szczególnie dla PCF o pustym rdzeniu, zwykle około 200 nm) ze względu na silne efekty rezonansowe struktur periodycznych ograniczających energię sygnału w rdzeniu powietrznym; oraz stosunkowo wysokiego tłumienia, spowodowanego głównie niedoskonałościami produkcyjnymi prowadzącymi do chropowatości ścian otworów powietrznych. Ogromna powierzchnia interfejsu powietrze/szkło w PCF oznacza, że nawet niewielka chropowatość powierzchni może powodować znaczne straty rozpraszania. W konsekwencji PCF pozostaje drogim, wysokiej klasy typem włókna, sprzedawanym głównie na metry, a nie na kilometry. Ich kruchość i trudności w obsłudze – wynikające z otworów powietrznych, które komplikują obróbkę powierzchni, zakończenia, połączenia i spawanie – dodatkowo ograniczają powszechne przyjęcie.

Niedawno specjalny typ PCF o pustym rdzeniu, zwany włóknem bezwęzłowym antyrezonansowym (HC-NANF), wykazał obiecujące wyniki w zakresie szybkiej transmisji optycznej. Struktura rdzenia HC-NANF charakteryzuje się sześcioma parami zagnieżdżonych kapilar krzemionkowych rozmieszczonych wokół centralnego rdzenia powietrznego. Ta zagnieżdżona konstrukcja pomaga przesunąć pole modowe w kierunku centralnego obszaru rdzenia powietrznego, zmniejszając interakcję z materiałem krzemionkowym i potencjalnie znacznie obniżając tłumienie. Przy odpowiednim zaprojektowaniu grubości, średnicy i położenia kapilar, pasmo o niskiej stracie HC-NANF może obejmować całe okno długości fal 1100-1600 nm. Ulepszone techniki produkcji już zredukowały tłumienie HC-NANF do 0,28 dB/km. Ostatecznie, ponieważ pole świetlne propaguje się w rdzeniu powietrznym przy minimalnej interakcji z krzemionką, straty wewnętrzne mogą stać się znacznie niższe niż w przypadku standardowych włókien o stałym rdzeniu, jeśli techniki produkcji ulegną poprawie.

Włókna o pustym rdzeniu oferują dodatkowe korzyści: pomijalna nieliniowość pozwala na wyższą moc sygnału bez obaw o degradację nieliniową, a sygnały świetlne propagują się około 30% szybciej niż w standardowych włóknach o stałym rdzeniu ze względu na redukcję współczynnika załamania światła z n≈1,47 do n≈1, co pomaga zmniejszyć opóźnienie transmisji. Eksperymenty z transmisją WDM o dużej prędkości sugerują, że HC-NANF może stać się obiecującą alternatywą dla obecnego SMF w systemach i sieciach optycznych WDM.

Włókno optyczne z tworzywa sztucznego (POF) oferuje niedrogą alternatywę, która jest również łatwa w obsłudze. Rdzenie POF są zwykle wykonane z PMMA (polimetakrylanu metylu), powszechnej żywicy, podczas gdy płaszcz składa się zwykle z fluorowanego polimeru o niższym współczynniku załamania światła niż rdzeń. Konstrukcje przekroju poprzecznego POF są bardziej elastyczne niż włókna krzemionkowe, umożliwiając różne rozmiary rdzenia i stosunki rdzeń/płaszcz. Na przykład, w dużych POF, 95% przekroju poprzecznego może stanowić rdzeń do transmisji światła.

Produkcja POF nie wymaga kosztownego procesu MOCVD, niezbędnego dla włókien na bazie krzemionki, co przyczynia się do obniżenia kosztów. Podczas gdy włókna krzemionkowe dominują w telekomunikacji, POF znajduje coraz więcej zastosowań w obszarach wrażliwych na koszty ze względu na swoją przystępność i elastyczność. Koszty połączeń i instalacji POF są szczególnie niskie, co czyni je atrakcyjnymi dla zastosowań typu fiber-to-the-home.

Jednak strata transmisji POF wynosząca około 0,25 dB/m jest prawie trzy rzędy wielkości wyższa niż włókna krzemionkowego, co uniemożliwia transmisję optyczną na duże odległości. Większość POF jest wielomodowa, co ogranicza je do zastosowań o niskiej prędkości i krótkich odległościach, takich jak sieci domowe, połączenia optyczne, sieci samochodowe oraz elastyczne rozwiązania oświetleniowe/instrumentacyjne.