Công nghệ sợi quang tiếp tục phát triển nhanh chóng, đóng một vai trò quan trọng trong thời đại thông tin.một lớp mới được gọi là "sợi quang đặc biệt" đang nổi lên như một người thay đổi trò chơiCác sợi này phục vụ như các lực lượng đặc biệt trong truyền thông quang học, thực hiện các chức năng độc đáo và quan trọng trong xử lý tín hiệu, kết nối thiết bị và các ứng dụng chuyên biệt khác.Điều gì làm cho những sợi đặc biệt này đặc biệt đến thế?Bài viết này xem xét một số sợi đặc biệt đại diện, khám phá các nguyên tắc kỹ thuật, ứng dụng và thách thức của chúng.
Trong các hệ thống truyền quang được thống trị bởi sợi một chế độ tiêu chuẩn (SMF), phân tán màu là một thách thức đáng kể.làm suy giảm chất lượng tín hiệu và hạn chế khoảng cách và tốc độ truyền. Sợi bù trừ phân tán (DCF) cung cấp một giải pháp hiệu quả cho vấn đề này. Đặc điểm chính của DCF là giá trị phân tán âm lớn trong cửa sổ bước sóng 1550 nm,bù đắp cho sự phân tán tích cực được tạo ra trong SMF tiêu chuẩn.
Cụ thể, DCF thường có hệ số phân tán khoảng D ≈ -95 ps / ((nm · km). Điều này có nghĩa là khoảng 14 km DCF có thể bù đắp cho sự phân tán trong 80 km của SMF tiêu chuẩn.Trong ứng dụng thực tế, DCF thường được đóng gói dưới dạng mô-đun bù trừ phân tán (DCM) để tích hợp hệ thống dễ dàng hơn.
So với các kỹ thuật bù trừ phân tán khác như lưới Bragg sợi (FBG), DCF cung cấp những lợi thế bao gồm cửa sổ bước sóng rộng, độ tin cậy cao,và sóng phân tán cực kỳ thấp tất cả rất quan trọng cho hệ thống phân phối đa chiều sóng (WDM)Ngoài ra, DCF có thể được thiết kế để bù đắp độ nghiêng phân tán, làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng WDM bước sóng rộng.
Tuy nhiên, DCF có những hạn chế. Do giá trị phân tán hạn chế của nó trên mỗi đơn vị chiều dài, DCF cho thấy sự suy giảm tương đối cao khi cần bù toàn bộ phân tán lớn.để đạt được sự phân tán âm trong cửa sổ bước sóng 1550 nm, Vùng lõi hiệu quả của DCF thường nhỏ (Aeff ≈ 15 μm2), khoảng một phần năm của SMF tiêu chuẩn.phải được xem xét khi thiết kế các thiết bị đo có kết hợp DCF.
Sợi mô đơn lý tưởng có đường cắt tròn với hai chế độ thoái hóa có trạng thái phân cực thẳng đứng lẫn nhau và hằng số lan truyền giống hệt nhau.Căng thẳng bên ngoài có thể gây ra sự bứt phá hai trong sợi, khiến các chế độ thoái hóa này phát triển các hằng số phổ biến khác nhau. 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 randomDo đó, ngay cả sau khi truyền chỉ vài mét qua sợi, trạng thái phân cực của tín hiệu đầu ra thường trở nên ngẫu nhiên.Các trạng thái ghép chế độ và phân cực đầu ra rất nhạy cảm với các nhiễu loạn bên ngoài như biến đổi nhiệt độ, thay đổi căng thẳng cơ học, và cả micro- và macro-bending.
Để giảm thiểu sự ghép nối năng lượng giữa hai chế độ phân cực thẳng đứng, sự khác biệt trong hằng số lan truyền của chúng phải đủ lớn.Điều này đạt được bằng cách kết hợp các yếu tố bổ sung vào lớp phủ sợi để áp dụng căng thẳng không đối xứng vào lõi. Do hệ số mở rộng nhiệt của các vật liệu khác nhau, căng thẳng một chiều có thể được tạo ra trong lõi trong quá trình vẽ sợi. Dựa trên hình dạng của các bộ phận áp dụng căng thẳng (SAP),Sợi PM được phân loại là loại "Panda" hoặc "Bowtie".
Điều quan trọng cần lưu ý là các sợi PM về cơ bản là sợi hai phân cực cao được thiết kế để giảm thiểu sự ghép nối giữa các chế độ phân cực thẳng đứng.cho một sợi PM để duy trì trạng thái phân cực của tín hiệu, phân cực của tín hiệu đầu vào phải thẳng hàng với trục chậm hoặc nhanh của sợi. nếu không cả hai chế độ thoái hóa sẽ được kích thích, và mặc dù kết nối năng lượng tối thiểu giữa chúng,giai đoạn quang học tương đối của họ vẫn sẽ bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộn của sợi, ngăn chặn trạng thái phân cực đầu ra được duy trì.
Do đó, khi sử dụng sợi PM trong các hệ thống quang học, việc sắp xếp cẩn thận trạng thái phân cực của tín hiệu đầu vào là rất quan trọng.Sợi PM có thể hoạt động kém hơn so với sợi đơn chế độ tiêu chuẩnMột thách thức khác với sợi PM là khó khăn trong việc kết nối và ghép chúng. Khi kết nối hai sợi PM, trục hai phân rã của chúng phải được sắp xếp hoàn hảo.Sai trật gây ra các vấn đề tương tự như đầu vào phân cực sai trậtCác máy ghép sợi PM, cung cấp xoay tròn và sắp xếp trục chính xác, có thể tốn kém gấp năm lần so với các máy ghép sợi thông thường do sự phức tạp của chúng.
Sợi tinh thể quang tử (PCF), còn được gọi là sợi băng tần quang tử, đại diện cho một loại sợi hoàn toàn mới với cơ chế dẫn sóng khác biệt về cơ bản so với sợi thông thường.PCF thường có nhiều lỗ không khí phân phối định kỳ trong đường cắt ngangCơ chế dẫn ánh sáng của PCF dựa trên hiệu ứng cộng hưởng Bragg trong hướng ngang của sợi,có nghĩa là cửa sổ truyền tải mất mát thấp của nó phụ thuộc phần lớn vào thiết kế của cấu trúc bandgap.
PCF lõi lớn cho phép hoạt động một chế độ trên một cửa sổ bước sóng đặc biệt rộng (ví dụ: 750-1700 nm) trong khi duy trì một khu vực lõi lớn.PCF khu vực lõi lớn cung cấp cửa sổ lỗ thấp rộng hơnMặc dù thông số phi tuyến tính của nó thấp hơn SMF tiêu chuẩn, nó thường cao hơn nhiều so với PCF lõi rỗng.
PCF không tuyến tính cao, với đường cắt ngang lõi rắn cực nhỏ, cho phép mật độ điện rất cao trong lõi.một PCF không tuyến tính cao với bước sóng phân tán bằng không ở λ0 = 710 nm có thể có đường kính lõi nhỏ đến 1.8 μm và tham số phi tuyến γ > 100 W−1 km−1 ̇40 lần cao hơn SMF tiêu chuẩn.Loại PCF này thường được sử dụng trong các ứng dụng xử lý tín hiệu quang không tuyến tính như khuếch đại tham số và tạo siêu liên tục.
PCF rỗng dẫn tín hiệu ánh sáng qua một lõi không khí. Không giống như các đường dẫn sóng thông thường đòi hỏi vật liệu dielectric rắn có chỉ số khúc xạ cao,Cấu trúc photonic bandgap của PCF trong lớp phủ hoạt động như một tấm gương ảo hạn chế các sóng ánh sáng lan truyền vào lõi không khíTrong hầu hết các PCF lõi rỗng, hơn 95% năng lượng quang đi qua không khí, giảm thiểu sự tương tác giữa sức mạnh tín hiệu và vật liệu thủy tinh.Kể từ khi không khí không tuyến tính là khoảng ba thứ hạng thấp hơn so với silic, PCF lõi rỗng có thể thể hiện tính không tuyến tính cực kỳ thấp, làm cho nó phù hợp với việc truyền tín hiệu quang học công suất cao.
Tuy nhiên, PCF phải đối mặt với hai thách thức chính: cửa sổ truyền tương đối hẹp (đặc biệt là PCF rỗng,Thông thường khoảng 200 nm) do các hiệu ứng cộng hưởng mạnh của các cấu trúc định kỳ hạn chế năng lượng tín hiệu trong lõi không khí; và suy giảm tương đối cao chủ yếu là do các khiếm khuyết sản xuất dẫn đến độ thô của tường lỗ khí.Vùng giao diện không khí / thủy tinh khổng lồ trong PCF có nghĩa là ngay cả sự thô sơ bề mặt nhỏ cũng có thể gây ra tổn thất phân tán đáng kểDo đó, PCF vẫn là một loại sợi cao cấp đắt tiền, chủ yếu được bán theo mét chứ không phải theo km.Sự mong manh và khó xử lý của chúng do lỗ khí làm phức tạp việc xử lý bề mặt, kết thúc, kết nối và ghép nối tiếp tục hạn chế việc áp dụng rộng rãi.
Gần đây, một loại PCF lõi rỗng đặc biệt được gọi là sợi chống cộng hưởng không nút rỗng (HC-NANF) đã cho thấy hứa hẹn cho truyền quang tốc độ cao.Cấu trúc lõi của HC-NANF có sáu cặp mạch máu silica lồng nhau được sắp xếp xung quanh một lõi không khí trung tâmThiết kế lồng này giúp đẩy trường chế độ về phía khu vực trung tâm của lõi không khí, giảm tương tác với vật liệu silica và có khả năng giảm đáng kể suy giảm.Với thiết kế đúng về độ dày của mao mạch, đường kính và vị trí, băng thông mất mát thấp của HC-NANF có thể bao phủ toàn bộ cửa sổ bước sóng 1100-1600 nm. Các kỹ thuật sản xuất được cải tiến đã làm giảm suy giảm của HC-NANF xuống còn 0.28 dB/kmCuối cùng, vì trường ánh sáng lan truyền trong lõi không khí với sự tương tác tối thiểu của silica,Mất nội tại có thể thấp hơn nhiều so với sợi lõi rắn tiêu chuẩn nếu kỹ thuật sản xuất được cải thiện hơn nữa.
Sợi lõi rỗng cung cấp các lợi ích bổ sung: tính không tuyến tính không đáng kể cho phép công suất tín hiệu cao hơn mà không có lo ngại về sự suy giảm không tuyến tính,và tín hiệu ánh sáng lan truyền nhanh hơn khoảng 30% so với trong sợi lõi rắn tiêu chuẩn do giảm chỉ số khúc xạ từ n≈1Các thí nghiệm truyền WDM tốc độ cao cho thấy HC-NANF có thể trở thành một sự thay thế đầy hứa hẹn cho SMF hiện tại cho các hệ thống và mạng quang WDM.
Sợi quang nhựa (POF) cung cấp một lựa chọn thay thế chi phí thấp mà cũng dễ xử lý.trong khi lớp phủ thường bao gồm polyme fluor có chỉ số khúc xạ thấp hơn lõiThiết kế cắt ngang POF linh hoạt hơn so với sợi silica, cho phép các kích thước lõi khác nhau và tỷ lệ lõi / lớp phủ.95% đường cắt ngang có thể là lõi để truyền ánh sáng.
Sản xuất POF không đòi hỏi quá trình MOCVD đắt tiền cần thiết cho sợi silica, góp phần giảm chi phí.POF tìm thấy các ứng dụng ngày càng tăng trong các lĩnh vực nhạy cảm về chi phí do khả năng chi trả và linh hoạtChi phí kết nối và lắp đặt POF đặc biệt thấp, làm cho nó hấp dẫn cho các ứng dụng sợi trong nhà.
Tuy nhiên, sự mất mát truyền của POF khoảng 0,25 dB / m là gần ba bậc lớn hơn so với sợi silica, loại trừ truyền quang xa.hạn chế chúng ở tốc độ thấp, các ứng dụng đường ngắn như mạng gia đình, kết nối quang học, mạng ô tô và các giải pháp chiếu sáng / thiết bị linh hoạt.
Công nghệ sợi quang tiếp tục phát triển nhanh chóng, đóng một vai trò quan trọng trong thời đại thông tin.một lớp mới được gọi là "sợi quang đặc biệt" đang nổi lên như một người thay đổi trò chơiCác sợi này phục vụ như các lực lượng đặc biệt trong truyền thông quang học, thực hiện các chức năng độc đáo và quan trọng trong xử lý tín hiệu, kết nối thiết bị và các ứng dụng chuyên biệt khác.Điều gì làm cho những sợi đặc biệt này đặc biệt đến thế?Bài viết này xem xét một số sợi đặc biệt đại diện, khám phá các nguyên tắc kỹ thuật, ứng dụng và thách thức của chúng.
Trong các hệ thống truyền quang được thống trị bởi sợi một chế độ tiêu chuẩn (SMF), phân tán màu là một thách thức đáng kể.làm suy giảm chất lượng tín hiệu và hạn chế khoảng cách và tốc độ truyền. Sợi bù trừ phân tán (DCF) cung cấp một giải pháp hiệu quả cho vấn đề này. Đặc điểm chính của DCF là giá trị phân tán âm lớn trong cửa sổ bước sóng 1550 nm,bù đắp cho sự phân tán tích cực được tạo ra trong SMF tiêu chuẩn.
Cụ thể, DCF thường có hệ số phân tán khoảng D ≈ -95 ps / ((nm · km). Điều này có nghĩa là khoảng 14 km DCF có thể bù đắp cho sự phân tán trong 80 km của SMF tiêu chuẩn.Trong ứng dụng thực tế, DCF thường được đóng gói dưới dạng mô-đun bù trừ phân tán (DCM) để tích hợp hệ thống dễ dàng hơn.
So với các kỹ thuật bù trừ phân tán khác như lưới Bragg sợi (FBG), DCF cung cấp những lợi thế bao gồm cửa sổ bước sóng rộng, độ tin cậy cao,và sóng phân tán cực kỳ thấp tất cả rất quan trọng cho hệ thống phân phối đa chiều sóng (WDM)Ngoài ra, DCF có thể được thiết kế để bù đắp độ nghiêng phân tán, làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng WDM bước sóng rộng.
Tuy nhiên, DCF có những hạn chế. Do giá trị phân tán hạn chế của nó trên mỗi đơn vị chiều dài, DCF cho thấy sự suy giảm tương đối cao khi cần bù toàn bộ phân tán lớn.để đạt được sự phân tán âm trong cửa sổ bước sóng 1550 nm, Vùng lõi hiệu quả của DCF thường nhỏ (Aeff ≈ 15 μm2), khoảng một phần năm của SMF tiêu chuẩn.phải được xem xét khi thiết kế các thiết bị đo có kết hợp DCF.
Sợi mô đơn lý tưởng có đường cắt tròn với hai chế độ thoái hóa có trạng thái phân cực thẳng đứng lẫn nhau và hằng số lan truyền giống hệt nhau.Căng thẳng bên ngoài có thể gây ra sự bứt phá hai trong sợi, khiến các chế độ thoái hóa này phát triển các hằng số phổ biến khác nhau. 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 randomDo đó, ngay cả sau khi truyền chỉ vài mét qua sợi, trạng thái phân cực của tín hiệu đầu ra thường trở nên ngẫu nhiên.Các trạng thái ghép chế độ và phân cực đầu ra rất nhạy cảm với các nhiễu loạn bên ngoài như biến đổi nhiệt độ, thay đổi căng thẳng cơ học, và cả micro- và macro-bending.
Để giảm thiểu sự ghép nối năng lượng giữa hai chế độ phân cực thẳng đứng, sự khác biệt trong hằng số lan truyền của chúng phải đủ lớn.Điều này đạt được bằng cách kết hợp các yếu tố bổ sung vào lớp phủ sợi để áp dụng căng thẳng không đối xứng vào lõi. Do hệ số mở rộng nhiệt của các vật liệu khác nhau, căng thẳng một chiều có thể được tạo ra trong lõi trong quá trình vẽ sợi. Dựa trên hình dạng của các bộ phận áp dụng căng thẳng (SAP),Sợi PM được phân loại là loại "Panda" hoặc "Bowtie".
Điều quan trọng cần lưu ý là các sợi PM về cơ bản là sợi hai phân cực cao được thiết kế để giảm thiểu sự ghép nối giữa các chế độ phân cực thẳng đứng.cho một sợi PM để duy trì trạng thái phân cực của tín hiệu, phân cực của tín hiệu đầu vào phải thẳng hàng với trục chậm hoặc nhanh của sợi. nếu không cả hai chế độ thoái hóa sẽ được kích thích, và mặc dù kết nối năng lượng tối thiểu giữa chúng,giai đoạn quang học tương đối của họ vẫn sẽ bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộn của sợi, ngăn chặn trạng thái phân cực đầu ra được duy trì.
Do đó, khi sử dụng sợi PM trong các hệ thống quang học, việc sắp xếp cẩn thận trạng thái phân cực của tín hiệu đầu vào là rất quan trọng.Sợi PM có thể hoạt động kém hơn so với sợi đơn chế độ tiêu chuẩnMột thách thức khác với sợi PM là khó khăn trong việc kết nối và ghép chúng. Khi kết nối hai sợi PM, trục hai phân rã của chúng phải được sắp xếp hoàn hảo.Sai trật gây ra các vấn đề tương tự như đầu vào phân cực sai trậtCác máy ghép sợi PM, cung cấp xoay tròn và sắp xếp trục chính xác, có thể tốn kém gấp năm lần so với các máy ghép sợi thông thường do sự phức tạp của chúng.
Sợi tinh thể quang tử (PCF), còn được gọi là sợi băng tần quang tử, đại diện cho một loại sợi hoàn toàn mới với cơ chế dẫn sóng khác biệt về cơ bản so với sợi thông thường.PCF thường có nhiều lỗ không khí phân phối định kỳ trong đường cắt ngangCơ chế dẫn ánh sáng của PCF dựa trên hiệu ứng cộng hưởng Bragg trong hướng ngang của sợi,có nghĩa là cửa sổ truyền tải mất mát thấp của nó phụ thuộc phần lớn vào thiết kế của cấu trúc bandgap.
PCF lõi lớn cho phép hoạt động một chế độ trên một cửa sổ bước sóng đặc biệt rộng (ví dụ: 750-1700 nm) trong khi duy trì một khu vực lõi lớn.PCF khu vực lõi lớn cung cấp cửa sổ lỗ thấp rộng hơnMặc dù thông số phi tuyến tính của nó thấp hơn SMF tiêu chuẩn, nó thường cao hơn nhiều so với PCF lõi rỗng.
PCF không tuyến tính cao, với đường cắt ngang lõi rắn cực nhỏ, cho phép mật độ điện rất cao trong lõi.một PCF không tuyến tính cao với bước sóng phân tán bằng không ở λ0 = 710 nm có thể có đường kính lõi nhỏ đến 1.8 μm và tham số phi tuyến γ > 100 W−1 km−1 ̇40 lần cao hơn SMF tiêu chuẩn.Loại PCF này thường được sử dụng trong các ứng dụng xử lý tín hiệu quang không tuyến tính như khuếch đại tham số và tạo siêu liên tục.
PCF rỗng dẫn tín hiệu ánh sáng qua một lõi không khí. Không giống như các đường dẫn sóng thông thường đòi hỏi vật liệu dielectric rắn có chỉ số khúc xạ cao,Cấu trúc photonic bandgap của PCF trong lớp phủ hoạt động như một tấm gương ảo hạn chế các sóng ánh sáng lan truyền vào lõi không khíTrong hầu hết các PCF lõi rỗng, hơn 95% năng lượng quang đi qua không khí, giảm thiểu sự tương tác giữa sức mạnh tín hiệu và vật liệu thủy tinh.Kể từ khi không khí không tuyến tính là khoảng ba thứ hạng thấp hơn so với silic, PCF lõi rỗng có thể thể hiện tính không tuyến tính cực kỳ thấp, làm cho nó phù hợp với việc truyền tín hiệu quang học công suất cao.
Tuy nhiên, PCF phải đối mặt với hai thách thức chính: cửa sổ truyền tương đối hẹp (đặc biệt là PCF rỗng,Thông thường khoảng 200 nm) do các hiệu ứng cộng hưởng mạnh của các cấu trúc định kỳ hạn chế năng lượng tín hiệu trong lõi không khí; và suy giảm tương đối cao chủ yếu là do các khiếm khuyết sản xuất dẫn đến độ thô của tường lỗ khí.Vùng giao diện không khí / thủy tinh khổng lồ trong PCF có nghĩa là ngay cả sự thô sơ bề mặt nhỏ cũng có thể gây ra tổn thất phân tán đáng kểDo đó, PCF vẫn là một loại sợi cao cấp đắt tiền, chủ yếu được bán theo mét chứ không phải theo km.Sự mong manh và khó xử lý của chúng do lỗ khí làm phức tạp việc xử lý bề mặt, kết thúc, kết nối và ghép nối tiếp tục hạn chế việc áp dụng rộng rãi.
Gần đây, một loại PCF lõi rỗng đặc biệt được gọi là sợi chống cộng hưởng không nút rỗng (HC-NANF) đã cho thấy hứa hẹn cho truyền quang tốc độ cao.Cấu trúc lõi của HC-NANF có sáu cặp mạch máu silica lồng nhau được sắp xếp xung quanh một lõi không khí trung tâmThiết kế lồng này giúp đẩy trường chế độ về phía khu vực trung tâm của lõi không khí, giảm tương tác với vật liệu silica và có khả năng giảm đáng kể suy giảm.Với thiết kế đúng về độ dày của mao mạch, đường kính và vị trí, băng thông mất mát thấp của HC-NANF có thể bao phủ toàn bộ cửa sổ bước sóng 1100-1600 nm. Các kỹ thuật sản xuất được cải tiến đã làm giảm suy giảm của HC-NANF xuống còn 0.28 dB/kmCuối cùng, vì trường ánh sáng lan truyền trong lõi không khí với sự tương tác tối thiểu của silica,Mất nội tại có thể thấp hơn nhiều so với sợi lõi rắn tiêu chuẩn nếu kỹ thuật sản xuất được cải thiện hơn nữa.
Sợi lõi rỗng cung cấp các lợi ích bổ sung: tính không tuyến tính không đáng kể cho phép công suất tín hiệu cao hơn mà không có lo ngại về sự suy giảm không tuyến tính,và tín hiệu ánh sáng lan truyền nhanh hơn khoảng 30% so với trong sợi lõi rắn tiêu chuẩn do giảm chỉ số khúc xạ từ n≈1Các thí nghiệm truyền WDM tốc độ cao cho thấy HC-NANF có thể trở thành một sự thay thế đầy hứa hẹn cho SMF hiện tại cho các hệ thống và mạng quang WDM.
Sợi quang nhựa (POF) cung cấp một lựa chọn thay thế chi phí thấp mà cũng dễ xử lý.trong khi lớp phủ thường bao gồm polyme fluor có chỉ số khúc xạ thấp hơn lõiThiết kế cắt ngang POF linh hoạt hơn so với sợi silica, cho phép các kích thước lõi khác nhau và tỷ lệ lõi / lớp phủ.95% đường cắt ngang có thể là lõi để truyền ánh sáng.
Sản xuất POF không đòi hỏi quá trình MOCVD đắt tiền cần thiết cho sợi silica, góp phần giảm chi phí.POF tìm thấy các ứng dụng ngày càng tăng trong các lĩnh vực nhạy cảm về chi phí do khả năng chi trả và linh hoạtChi phí kết nối và lắp đặt POF đặc biệt thấp, làm cho nó hấp dẫn cho các ứng dụng sợi trong nhà.
Tuy nhiên, sự mất mát truyền của POF khoảng 0,25 dB / m là gần ba bậc lớn hơn so với sợi silica, loại trừ truyền quang xa.hạn chế chúng ở tốc độ thấp, các ứng dụng đường ngắn như mạng gia đình, kết nối quang học, mạng ô tô và các giải pháp chiếu sáng / thiết bị linh hoạt.
