光子晶體光纖在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用分析

袁平科，李永安

(陜西廣電網(wǎng)絡(luò)傳媒股份有限公司 延安分公司，陜西 延安 716000)

人類社會(huì)已進(jìn)入信息技術(shù)時(shí)代，隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，廣播電視、移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)已成為人類生活的重要組成部分。信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)提出了越來(lái)越高的要求，而一種全新的光纖—光子晶體光纖將為通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展開辟新的天地。

1 光子晶體

光子晶體是Yablonovich和John于1987年類比傳統(tǒng)晶體而提出的概念［1，2］。傳統(tǒng)晶體內(nèi)部的原子是周期性排列的，在晶體中運(yùn)動(dòng)的電子受到周期場(chǎng)的調(diào)制，從而形成能帶結(jié)構(gòu)。電子波的能量如果落在禁帶中，就無(wú)法繼續(xù)傳播。同樣，光波在介質(zhì)中只要受到周期性調(diào)制，也可形成能帶結(jié)構(gòu)，而能量落在禁帶中的光波同樣不能傳播。

在傳統(tǒng)晶體中摻入雜質(zhì)或引入缺陷，可以限制電子的運(yùn)動(dòng);在光子晶體中以某種規(guī)律破壞結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格周期性，也相當(dāng)于摻雜或引入缺陷，和缺陷態(tài)或雜質(zhì)態(tài)頻率相吻合的光子也會(huì)被限制在特定位置，這就是光子局域。

光子晶體所具有的光子帶隙和光子局域特性，使其可精確控制光子的運(yùn)動(dòng)。光子晶體將成為光電集成、光子集成的一種關(guān)鍵性基礎(chǔ)材料，它將會(huì)引起通信領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。

2 光子晶體光纖

目前光子晶體家族中已出現(xiàn)了一維、二維和三維光子晶體，二維光子晶體的典型是光子晶體光纖。利用光子局域特性，在二維光子晶體中引入一個(gè)缺陷作為光纖核心，將光限制在光纖核心中，可形成光子晶體光纖。

圖1 一至三維光子晶體示意圖及光子晶體光纖截面圖

光子晶體光纖有許多非同一般的特性:無(wú)休止的單模傳輸特性、可控的非線性特性、優(yōu)異的色散特性以及雙折射特性等等;同時(shí)通過(guò)物理結(jié)構(gòu)或材料的改變，光子晶體光纖可以實(shí)現(xiàn)某一特性的改變或?qū)崿F(xiàn)某些特性的特定組合。因而光子晶體光纖在通信網(wǎng)絡(luò)中將得以廣泛應(yīng)用。

3 光子晶體光纖在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用分析

光子晶體光纖的發(fā)展歷史并不長(zhǎng)，但卻以其優(yōu)異的光學(xué)特性受到了日益廣泛的關(guān)注。尤其在通信系統(tǒng)中，光子晶體光纖的應(yīng)用潛力巨大。

3.1 全光頻范圍的單模光子晶體光纖

目前，通信網(wǎng)絡(luò)中光纖的使用越來(lái)越普遍，光纖入戶正在成為現(xiàn)實(shí)，其中標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的使用最為廣泛。標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是零色散波長(zhǎng)在1.3 μm窗口的單模光纖，其特點(diǎn)是當(dāng)工作波長(zhǎng)在1.3 μm時(shí)色散非常低，信號(hào)畸變很小。這種光纖只能傳播一個(gè)模式(兩個(gè)偏振簡(jiǎn)并)，其衰減為0.35－0.4 dB/km。

然而傳統(tǒng)單模光纖只在一定的頻率范圍內(nèi)支持單模傳輸，當(dāng)頻率較高時(shí)將會(huì)出現(xiàn)多模傳輸，這是不能滿足未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求的。

通過(guò)調(diào)節(jié)空氣孔直徑和孔距，光子晶體光纖可以設(shè)計(jì)為在整個(gè)光頻率范圍支持單模傳輸，這就是所謂的“無(wú)休止單模傳輸”特性。光子晶體光纖具備在337 nm至1550 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)都支持單模的特性［3］。光子晶體光纖使單模工作波段相對(duì)于普通單模光纖而言向短波方向擴(kuò)展了600－700 nm，這為波分復(fù)用增加信道提供了充足的資源。

3.2 大有效面積光子晶體光纖

目前，光纖通信系統(tǒng)正在由1.31 μm窗口轉(zhuǎn)向1.55 μm窗口。1.55 μm窗口不僅是光纖的最低損耗窗口，而且是摻餌光纖放大器的工作窗口。為了實(shí)現(xiàn)大容量傳輸，需要將光纖的零色散也移到1.55 μm附近。但零色散將使光纖中容易產(chǎn)生非線性效應(yīng)，如自相位調(diào)制、四波混頻等，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。雖然目前已研制出了真波光纖，可以抑制系統(tǒng)的非線性，但真波光纖的有效面積不足，使其在高速度、大容量的通信系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。

增大光纖的模場(chǎng)直徑，降低光纖中的光功率密度，可以有效抑制或消除光纖中的非線性效應(yīng)，大有效面積色散位移單模光纖就是根據(jù)這一思想發(fā)展而來(lái)的。同時(shí)光纖有效面積的增大也有利于系統(tǒng)傳輸容量的增大。

光子晶體光纖的無(wú)休止單模特性與光纖的絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān)，因而其光纖模場(chǎng)面積可以根據(jù)需要來(lái)設(shè)計(jì)［4］。通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，光子晶體光纖可以很容易得到接近150 nm2的模場(chǎng)有效面積。可以預(yù)見，大有效面積光子晶體光纖的特性將會(huì)十分優(yōu)良。

3.3 非零色散光子晶體光纖

色散是光纖的基本傳輸特性之一。光纖色散的存在將使信號(hào)波形隨著傳輸距離的增加而逐漸展寬，導(dǎo)致光信號(hào)在傳輸過(guò)程中發(fā)生畸變，限制了系統(tǒng)的傳輸速率和傳輸距離。

為了提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率和增大光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離，人們?cè)O(shè)計(jì)出了各種單模光纖，其中的一種就是把零色散波長(zhǎng)從1.3 μm移到1.55 μm的色散位移光纖。

技術(shù)的進(jìn)步往往伴隨著新的困難和問(wèn)題。通信網(wǎng)絡(luò)中摻餌光纖放大器以及色散位移單模光纖的使用，使全光傳輸?shù)木嚯x可達(dá)到幾百甚至幾千公里。然而，色散位移光纖在1.55 μm色散為零，不利于多信道的波分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸，因?yàn)楫?dāng)復(fù)用的信道增多時(shí)，就會(huì)發(fā)生四波混頻，導(dǎo)致信道間發(fā)生串?dāng)_。四波混頻的干擾在光纖的色散為零時(shí)十分嚴(yán)重;如果光纖有微量色散，其干擾反而會(huì)減小。因此出現(xiàn)了非零色散光纖，其零色散波長(zhǎng)不在1.55 μm，而在1.525 μm或1.595 μm處。非零色散光纖可以消除四波混頻效應(yīng)，它綜合了標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散位移光纖的傳輸特性，既能用于新的網(wǎng)絡(luò)，又可對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，特別適用于高密度波分復(fù)用系統(tǒng)。

光子晶體光纖有著獨(dú)特而優(yōu)異的色散特性。傳統(tǒng)光纖要通過(guò)給纖芯材料摻雜來(lái)改變其色散特性，而光子晶體光纖只要改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，就會(huì)產(chǎn)生所需的色散特性，實(shí)現(xiàn)起來(lái)極其方便。因而光子晶體光纖將可用于制作性能非常優(yōu)異的非零色散光纖。

3.4 色散補(bǔ)償光子晶體光纖

在光纖通信系統(tǒng)中，零色散光纖可以消除色散對(duì)系統(tǒng)容量的限制，但由于四波混頻等光纖非線性效應(yīng)，零色散光纖的使用受到了制約。因此，光纖色散補(bǔ)償技術(shù)對(duì)于高速度、大容量光纖通信系統(tǒng)仍然是十分重要的。

為了使現(xiàn)有的1.3 μm光纖系統(tǒng)能夠采用波分復(fù)用+摻餌光纖放大器技術(shù)，就必須將光纖的工作波長(zhǎng)從 1.3 μm 改為 1.55 μm，標(biāo)準(zhǔn)光纖在 1.55 μm波長(zhǎng)的色散不是零，而是一個(gè)較小的正值。這一色散值成為利用1.55 μm窗口對(duì)現(xiàn)有光纖系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容升級(jí)的主要障礙。消除這一障礙的方法之一就是在系統(tǒng)中使用具有大負(fù)色散值的色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行補(bǔ)償，在光纖系統(tǒng)中合理接入色散補(bǔ)償光纖可以使系統(tǒng)中的總色散趨近于零，這種方法同時(shí)可以抑制非線性效應(yīng)對(duì)光纖傳輸?shù)挠绊?。但是為了保持單模工作，色散補(bǔ)償光纖的芯徑也相應(yīng)較小。這使得色散補(bǔ)償光纖通常具有較大的傳輸損耗［5］。

單模色散補(bǔ)償光纖是通過(guò)增加纖芯和包層的折射率差來(lái)增加光纖的負(fù)波導(dǎo)色散的，然而，因?yàn)閭鹘y(tǒng)光纖要通過(guò)摻雜來(lái)改變材料的折射率，其折射率差無(wú)法做得很大。

光子晶體光纖通過(guò)合理調(diào)節(jié)空氣孔的尺寸和間距，可以獲得很大的折射率差，從而可得到巨大的反常色散［6］，因此光子晶體光纖具有很好的色散補(bǔ)償能力。色散補(bǔ)償光子晶體光纖將在未來(lái)的光纖通信系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

光子晶體光纖的零色散點(diǎn)可以移至800 nm以下［6］，這使得光子晶體光纖能夠在波長(zhǎng)低于1.3 μm處獲得反常色散(正色散)，這是傳統(tǒng)階躍光纖無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。該反常色散特性使得短波光孤子的傳輸成為可能［6］。另外，通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，光子晶體光纖可在1.55μm附近較寬波長(zhǎng)范圍實(shí)現(xiàn)正的、接近零的和負(fù)的平坦色散特性［6］，這些使得光子晶體光纖在波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)中有著廣闊的用武之地。

光子晶體光纖以其優(yōu)異的特性將在通信領(lǐng)域發(fā)揮無(wú)以倫比的作用，以上所述只是其在通信網(wǎng)絡(luò)中可以預(yù)見的應(yīng)用的一部分。光子晶體光纖在通信網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙在于傳輸損耗，其損耗較大的原因在于微孔表面粗糙度所造成的瑞利散射。目前，光子晶體光纖在降低傳輸損耗方面己取得成果，光子晶體光纖在1.55 μm波長(zhǎng)的損耗達(dá)到了0.37 dB/km［6］。這為光子晶體光纖將來(lái)用于長(zhǎng)距離通信鋪平了道路。

［1］Yablonovitch E.Inhibited spontaneous emission in solid －state physics and electronics［J］.Phy sical Review Letter，1987，58(20):2059－2062.

［2］John S.Strong localization of photons in certain disordered dielectric super lattices［J］.Physical Review Letter，1987，58(23):2486－2489.

［3］Birks T A，Knight J C，Russell P S J.Endlessly single －mode photonic crystal fiber［J］.Optics Letters，1997，22(13):961－963.

［4］Russell P S J，Knight J C，Birks T A，et al.Recent progress in photonic crystal fibers［A］.Pro ceedings of OFC 2000［C］.3:98－100.

［5］顧建平.光子晶體光纖特性的研究［D］.東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2002:43－56.

［6］李永安.傳統(tǒng)光纖及光子晶體光纖偏振與磁光特性研究［D］.西北大學(xué)博士學(xué)位論文，2007:54－75.