空芯反谐振光纤长距离通信的机遇与挑战_李萍.pdf
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1、书书书 :专题:新型光纤李萍,陈伟 空芯反谐振光纤长距离通信的机遇与挑战 光通信研究,():,():空芯反谐振光纤长距离通信的机遇与挑战李萍,陈伟(上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室;特种光纤与先进通信国际合作联合实验室,上海 )摘要:空芯反谐振光纤()的科学研究取得了突破性进展,其有望突破现有传统光纤的一些固有本征限制。将光束缚在空气芯中,在传输及其应用上具有传统光纤不可比拟的优势,因此,成为当前光通信领域的研究热点。文章介绍了 的导光机理,并分析了其在光纤通信系统中的容量优势,阐述了 的发展机遇与面临的挑战,希望能够为我国下一代通信大容量超宽带长距离传输光纤提供一定的参考价值与借鉴。关
2、键词:空芯反谐振光纤;导光机理;长距离通信;机遇;挑战中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(;,):(),:;引言随着全球互联网和物联网等通信需求的不断增长和飞速发展,对通信系统的传输容量提出了更大的需求。光纤是大容量高速率光纤通信技术发展的关键传输载体,具有成本低、纯度高、损耗小和可靠性高等优点,是支撑国家信息基础通信设施更新换代的 关 键 材 料。传 统 的 阶 跃 折 射 率 型 单 模 光 纤(,)在其中心具有较高的折射率,包层材料具有较低的折射率,以便通过全内反射(,)的机 理 传 输 光 波 电 磁 场,其 导 模 的 有 效 折 射 率()介于芯层中心折射率()和包层折射率(
3、)之间。科学家们不断地对光纤进行探索,经过不懈地努力发现了光纤中新的导光机理,新型的空芯光纤(,)不再局限于传统的 原理,其光纤的纤芯折射率可以低于包层折射率,低 折 射 率 纤 芯 的 光 纤 也 可 以 传 输 光 波 电 磁场。科学家们发明并提出了多种新型特种光纤,如微结构光纤、多孔光纤和反谐振光纤等,这些新型的特种光纤不仅在长距离传输上具有良好的优势,在生物传感和气体传感等应用上也有着很好的性能。年,在 发表论文,提出了空 芯 单 模 光 子 带 隙 型 光 子 晶 体 光 纤(收稿日期:;修回日期:;纸质出版日期:基金项目:国家重点研发计划资助项目();国家自然科学基金资助项目();
4、江苏省产业前瞻与关键核心技术重点资助项目()作者简介:李萍(),女,江西吉安人。硕士,主要研究方向为新型特种光纤及通信技术研究。通信作者:陈伟,教授。:.年第期总第 期光 通 信 研 究 (),),该光纤的纤芯为中空,充满了空气,包层为二维的空气孔周期性排列结构,这种二维的周期性结构形成了特定的光子禁带,可以将一定频率的光限制在纤芯中进行传输。这种 可以克服常规 的基本限制,理论上可以大幅度降低损耗极限,具有较低的非线性,并且可以提高光的损伤阈值。为此,科学家们对 技术进行了大量的研究,中空的 在降低损耗的 过 程 中 遇 到 了 很 大 的 困 难,衰 减 一 直 处 于 以上水平,而且制造
5、的长度较短,极大地影响了实际应用。为了解决 的损耗难题,科学家们提出了一种新的 空芯反谐振光纤(,),理论上该光纤可以突破原来光子晶体型 的瓶颈限制,光纤的损耗与传输带宽都优于当前的石英光纤 。成为近年来的研究热点,并且取得了突破 性 的 进 展。以 空 气 作 为 导 光 介 质 的 具有低时延、低色散、低非线性和高损伤阈值等优点,是可以替代传统实芯光纤、突破光纤非线性容量极限的潜在传输光纤。本文将介绍 的导光机理,阐述 长距离通信的容量优势,及其发展的机遇与挑战。的导光理论 采用低折射率的空气作为导光介质,理论上可以解决实芯石英单模光纤(,)本征的材料缺陷导致的理论损耗极限问题。低折射的纤
6、芯突破了传统实芯光纤的导光机理,在空气中建立导光通路,需要一套理论进行支撑,因此,科学家们对 的导光机理开展了大量的研究,其中对二维周期性结构 的带隙导光机制研究较为深入且明确,而对不具备复杂二维周期性结构 的导光机制研究相对较少。近几年来,由于 的损耗取得了突破性的进展,这引起了科学家的重视,并对 的导光机理开展了大量的研究工作 ,因此,阐明 的导光机理变得越来越迫切和重要。主流的观点有两种:一种学术观点为反谐振反射光波导(,)理论 ,其认为在空气与石英包层的界面上,非谐振反射光与辐射光光场相干,满足相干相消条件的光纤结构获得较小的基模传输损耗,科学家们称之为 ,这也是当前主流学派观点;另一
7、种学术观点为抑制模式耦合理论 ,其认为在负曲率 中,纤芯边界的表面法向量与径向单位矢量的方向相反,从而抑制了基本芯模和包层模之间的耦合。理论 年,等 提出将平板波导的 原理应用于 中。原理如图所示,图中为纤芯玻璃材料折射率,为包层玻璃材料折射率,为空芯管的壁厚,和分别为纵向与横向传播常数。当光直接穿过石英玻璃时其相位为,而在石英玻璃内部发生反射后再出射时其相位为。当两相位差为的偶数倍时,两出射光发生相长干涉,此时玻璃管无法将光束缚在纤芯中,光泄漏到玻璃壁的另一侧,称为谐振,其相位条件即为谐振条件。当两相位差为的图 示意图 奇数倍时,两出射光会发生相干相消,此时玻璃管将光限制在纤芯中,不会泄漏到
8、玻璃壁的另一侧,称为反谐振,对应的相位条件为反谐振条件,即反谐振条件为(),()式中,为正整数,表示反谐振的阶数。而反谐振的波长 为.,()式中,为正整数。抑制模式耦合理论 年,澳大利亚 大学 等 提出了一种方形晶格包层的 ,并用抑制模式耦合模型对其导光机理进行了阐述,其理想的 结构如图所示。理想的方形晶格包层 的包层晶格单元为正方形,由于光纤壁薄,可以将其视为无限宽度独立的平板波导。则该平板波导的归一化频光通信研究 年第期总第 期图方形晶格包层 横截面图 率为 ,()式中:为光纤的传输光波长;和 分别为平板波导芯区和包层的折射率;为晶格壁的材料。对于其平板波导中支持的模式,可以用参数来描述:
9、。()当光束的相位变化为的整数倍时,内嵌套管壁对于空气纤芯而言是透明的,即波长 的表达式为 ,()式中,为横向波数。此时对应平板波导的截止频率,即,。包层壁上的模式与芯区模式发生了耦合,将光泄漏出去。为实现导光,需要抑制空 气 纤 芯 区 与 包 层 壁 发 生 模 式 耦 合。负 曲 率 有管壁模式和管内模式两种模式,如果光纤包层中的毛细管相互接触产生节点则会有节点模式。对于管内模式如图所示,为一个简化的层平板波导。图层平板波导截面结构示意图 抑制模式耦合模型是依靠抑制空气纤芯中传输的光与石英管壁、包层管及其间隙中光之间的耦合。层平板波导模型中包层管壁可以将光束缚在管内,则波导、波导和波导中
10、均存在光波电磁场,即同时存在纤芯模式与包层模式。当波导条件不满足谐振条件时,并未发生模式耦合。当波长为谐振波长时,对光波来说玻璃壁是透明的,波导中的光波模式电磁场可以相互扩散,即发生模式耦合。综上分析:中的包层模式主要位于玻璃管内、玻璃之间的间隙以及外面的玻璃环中。反谐振对于抑制负曲率光纤中芯模和包层模之间的耦合是必要的,但是还不够。要降低 的损耗需要尽可能降低空芯纤芯基模模场与玻璃表面的空间重叠面积。玻璃中空气纤芯边界处的反谐振、芯模与包层模之间的波数失配,两者组合作用对于抑制芯模与包层模之间的模式耦合,降低 的损耗起到组合叠加效应,共同作用降低 的损耗。长距离的通信容量分析与发展机遇目前通
11、信用 的通信容量能力已经得到了充分地挖掘,各种新型的复用技术、调制技术及数字信号处理(,)技术的运用,极大地提升了光纤通信的容量。第五代移动通信技术(,)正以超出我们想象的速度快速发展,通信容量逐渐逼近香农极限,如何破局光纤通信系统的容量危机,已成为通信领域的重要课题。光纤在提升光纤通信系统容量中扮演着重要而关键的角色,在传统实芯光纤技术上开发演进的超低损耗光纤(,)、超大有效面积(,)光纤以及空分复用(,)技术,包括多芯复用和模分复用等新技术有望能够实现更高的容量。从理论上讲,与传统光纤相比具有几个明显的光学性能优势:超低的克尔非线性(比常规 低个数量级)、光的传播速度快(比实芯 快)和较低
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