Передовые оптические волокна преобразуют современные сети связи

Технология оптических волокон продолжает стремительно развиваться, играя ключевую роль в эпоху информации.Новый класс, известный как "специальные оптические волокна", появляется как переломный моментЭти волокна служат специальными силами в оптической связи, выполняя уникальные и критические функции в обработке сигнала, взаимосвязи устройств и других специализированных приложениях.Что делает эти специальные волокна такими замечательными?В этой статье рассматриваются несколько представительных специальных волокон, изучаются их технические принципы, применения и проблемы.

В системах оптической передачи, в которых преобладают стандартные одномодовые волокна (SMF), хроматическая дисперсия представляет собой значительную проблему.снижение качества сигнала и ограничение расстояния и скорости передачиКлючевой характеристикой DCF является его большое отрицательное значение дисперсии в окне длины волны 1550 нм.который компенсирует положительную дисперсию, генерируемую в стандартных SMF.

В частности, DCF обычно имеет коэффициент дисперсии приблизительно D ≈ -95 ps/(nm·km). Это означает, что около 14 км DCF может компенсировать дисперсию в 80 км стандартной SMF.В практическом применении, DCF обычно упаковывается как модуль компенсации дисперсии (DCM) для более легкой интеграции системы.

По сравнению с другими методами компенсации дисперсии, такими как решетки Bragg (FBG), DCF предлагает преимущества, включая широкое окно длины волны, высокую надежность,и чрезвычайно низкий дисперсный риппл-это важно для систем мультиплексирования с разделением длины волны (WDM)Кроме того, DCF может быть спроектирован для компенсации наклона дисперсии, что делает его идеальным для широковолневых приложений WDM.

Однако, DCF имеет ограничения. Из-за его ограниченного значения дисперсии на единицу длины, DCF демонстрирует относительно высокую аттенуацию, когда требуется большая суммарная компенсация дисперсии.для достижения отрицательной дисперсии в окне длины волны 1550 нм, эффективная площадь ядра DCF обычно небольшая (Aeff ≈ 15 μm2), примерно одна пятая стандартной SMF. Это приводит к значительному усилению нелинейных эффектов в DCF,которые должны учитываться при проектировании измерительных устройств, включающих DCF.

Идеальные одномодовые волокна имеют круглое поперечное сечение с двумя дегенеративными режимами, характеризующимися взаимно ортогональными состояниями поляризации и идентичными константами распространения.Внешние нагрузки могут вызвать двойное преломление волокна, в результате чего эти дегенеративные режимы развивают различные константы распространения. 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 randomСледовательно, даже после распространения всего на несколько метров через волокно, состояние поляризации выходного сигнала обычно становится случайным.Состояния сцепления режима и поляризации выхода очень чувствительны к внешним нарушениям, таким как колебания температуры, изменения механического напряжения, и как микро- так и макро-сгибания.

Чтобы свести к минимуму энергетическую связь между двумя режимами ортогональной поляризации, разница в их константах распространения должна быть достаточно большой.Это достигается путем включения дополнительных элементов в волокно облицовки для применения асимметричного напряжения к ядруИз-за коэффициентов теплового расширения различных материалов в ядре во время процесса рисования волокон может возникать однонаправленное напряжение.,PM-волокна классифицируются как "Панда" или "Боути".

Важно отметить, что волокна ПМ - это, по сути, высоко бирефригентные волокна, предназначенные для минимизации соединения между режимами ортогональной поляризации.для PM-волокна для поддержания поляризованного состояния сигнала, поляризация входного сигнала должна соответствовать либо медленной, либо быстрой оси волокна. В противном случае оба дегенеративных режима будут возбуждены, и, несмотря на минимальную энергетическую связь между ними,их относительные оптические фазы все еще будут подвержены воздействию нарушений волокон, предотвращая поддержание состояния поляризации выхода.

Поэтому при использовании ПМ-волокна в оптических системах, тщательное выравнивание поляризации входного сигнала имеет решающее значение.ПМ-волокна могут работать хуже, чем стандартные однорежимные волокна. Еще одна проблема с PM-волокнами заключается в трудностях в их соединении и сплице. При соединении двух PM-волокна, их оси двустороннего преломления должны быть идеально выровнены.Неправильное выравнивание вызывает те же проблемы, что и поляризация ввода.ПМ-волоконные сплайсеры, обеспечивающие точное вращение и выравнивание оси, могут стоить в пять раз дороже обычных волокна-сплайсеров из-за их сложности.

Фотоно-кристаллическое волокно (ФКВ), также известное как фотоно-разрывное волокно, представляет собой совершенно новый тип волокна с волноводительным механизмом, принципиально отличающимся от обычных волокон.ПКФ обычно имеет многочисленные периодически распределяемые воздушные отверстия в его поперечном сеченииМеханизм направления света PCF опирается на резонансный эффект Брэга в поперечном направлении волокна.Это означает, что его окна передачи с низкими потерями в значительной степени зависят от конструкции структуры пробела..

PCF с большой площадью ядра позволяет работать в одном режиме в исключительно широком окне длины волны (например, 750-1700 нм), сохраняя при этом большую площадь ядра.ПКФ с большой площадью ядра предлагает более широкие окна с низкими потерямиНесмотря на то, что его нелинейный параметр ниже, чем стандартный SMF, он обычно намного выше, чем PCF с полым ядром.

Высоко нелинейный ПКФ, с его чрезвычайно маленьким твердым серединой поперечного сечения, позволяет очень высокую плотность мощности в ядре.высоконелинейный ПКФ с нулевой длиной волны дисперсии при λ0 = 710 нм может иметь диаметр ядра менее 10,8 мкм и нелинейный параметр γ > 100 W−1 km−1 ‰ в 40 раз выше, чем стандартная SMF.Этот тип ПКФ обычно используется в нелинейных оптических приложениях обработки сигнала, таких как параметрическое усиление и генерация сверхнепрерывного..

В отличие от обычных волноводов, для которых требуются высокорефрактивные твердые диэлектрические материалы,Фотоническая структура полосы пробела PCF в облицовке действует как виртуальное зеркало, ограничивающее распространяющиеся световые волны в воздушном ядреВ большинстве PCF с полым ядром более 95% оптической мощности проходит через воздух, минимизируя взаимодействие между мощностью сигнала и стеклянным материалом.Поскольку нелинейность воздуха примерно на три порядка ниже, чем у кремния, PCF с полым ядром может демонстрировать чрезвычайно низкую нелинейность, что делает его подходящим для передачи высокомощных оптических сигналов.

Однако ПКФ сталкивается с двумя основными проблемами: относительно узкие промежутки времени передачи (особенно для ПКФ с полым ядром,обычно около 200 нм) из-за сильного резонансного эффекта периодических структур, ограничивающих энергию сигнала в ядре воздуха; и относительно высокое ослабление, в основном вызванное производственными несовершенствами, приводящими к шероховатости стены воздушного отверстия.Огромная площадь интерфейса воздуха/стекла в ПКФ означает, что даже незначительная шероховатость поверхности может вызвать значительные потери рассеянияСледовательно, PCF остается дорогим, высококачественным видом волокна, в основном продаваемым по метрам, а не по километрам.Их хрупкость и трудности с обращением, вызванные воздушными отверстиями, затрудняющими обработку поверхности, разделение, соединение и сплицинг дополнительно ограничивают широкое применение.

Недавно специальный тип PCF с полым ядром, называемый полым ядром вложенным антирезонансным бесузловым волокном (HC-NANF), показал себя перспективным для высокоскоростной оптической передачи.Структура ядра HC-NANF состоит из шести пар вложенных капилляров кремния, расположенных вокруг центрального воздушного ядраЭта вложенная конструкция помогает подтолкнуть поле режима к центральной области воздушного ядра, уменьшая взаимодействие с материалом кремния и потенциально значительно снижая ослабление.С надлежащей конструкцией толщины капилляровУлучшенные методы производства уже уменьшили ослабление HC-NANF до 0.28 дБ/кмВ конце концов, так как световое поле распространяется в воздушном ядре с минимальным взаимодействием кремния,внутренние потери могут быть намного ниже, чем у стандартных твердоземельных волокон, если технологии производства будут улучшены.

Половые волокна имеют дополнительные преимущества: незначительная нелинейность позволяет увеличить мощность сигнала без опасений по поводу нелинейной деградации.и световые сигналы распространяются примерно на 30% быстрее, чем в стандартных твердоземельных волокнах из-за снижения показателя преломления от n≈1Эксперименты с высокоскоростной передачей WDM предполагают, что HC-NANF может стать перспективной альтернативой современным SMF для оптических систем и сетей WDM.

Пластиковые оптические волокна (POF) предлагают недорогую альтернативу, с которой также легко справиться.в то время как облицовка обычно состоит из фторированного полимера с более низким показателем преломления, чем ядроПоперечное сечение POF более гибкое, чем у кремниевых волокон, что позволяет использовать различные размеры ядра и соотношения ядра/обшивки.95% поперечного сечения может быть ядром для передачи света.

Производство POF не требует дорогостоящего процесса MOCVD, необходимого для силициевых волокон, что способствует снижению затрат.POF находит все больше применений в затратно-чувствительных областях из-за своей доступности и гибкостиПоскольку затраты на подключение и установку POF особенно низки, они привлекательны для применения волокна в домах.

Однако потеря передачи POF около 0,25 дБ/м почти на три порядка больше, чем у кремниевого волокна, исключая оптическую передачу на большие расстояния.ограничивая их низкой скоростью, приложения на короткие расстояния, такие как домашние сети, оптические соединения, автомобильные сети и гибкие решения для освещения/инструментации.