Фотонно – кристаллическое волокно

Создание оптического волокна (ОВ) на основе кварцевого стекла стало поворотным моментом в развитии среды передачи, так как позволило системам магистральной связи не только снять ограничения на скорость передачи и ширину полосы пропускания, но и снизить затухание сигнала на столько, чтобы иметь возможность передавать его без регенерации на многие сотни километров. В настоящее время ведется поиск новых, более перспективных, волокон, одним из которых являются фотонно-кристаллические волокна [44, 46].

Эти волокна наследуя свойства фотонных кристаллов, позволяют формировать фотонные запрещенные зоны, что открывает новые возможности в управлении свойствами ОВ. Появляется возможность управлять волноводной дисперсией, сдвигая длину волны нулевой дисперсии в область видимого спектра; эффективным показателем преломления оболочки, формируя «бесконечно» одномодовые волокна, в том числе и волокна с большой эффективной площадью сердцевины, необходимые для пропуска больших мощностей светового потока; формировать воздушные каналы и только в оболочке (что делает волокно более легким), но и в сердцевине, открывая широкие возможности дальнейшего уменьшения затухания в волокне за пределы уже достигнутого.

Исторически первые ОВ появились примерно сорок лет назад и имели затухание более 20 дБ/км. С тех пор ОВ используются как среда передачи сигналов в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП), в локальных вычислительных системах (ЛВС), внутриобъектовых системах связи и др.

Волокна изготавливаются из кварцевого стекла – аморфной однородной изотропной среды, в которой могут распространяться продольные и поперечные упругие волны.

Свет, отражаясь от границы раздела сердцевины – оболочка в результате полного внутреннего отражения распространяется вдоль сердечника, как волна по оптическому волноводу. Световая волна, как электромагнитное колебание, распространяется по волокну с фазовой скоростью, обратно пропорциональной показателю преломления и состоит из многих типов колебаний, называемых модами.

Моды определяются решением уравнения Максвелла и существуют в виде четырех типов колебаний: поперечных Т и продольных электрических Е, магнитных Н и смешанных ЕН и НЕ.

Чем меньше диаметр сердцевины, тем меньше число возникающих в нем мод. Для магистральной связи целесообразно использовать одномодовые волокна с низкими уровнями затухания (0,2÷0,7) дБ/км.

Для ВОСП важно то, что полоса пропускания одномодового волокна очень велика (порядка 100 ТГц), поскольку наиболее широкополосные ВОСП уже достигли ширины полосы частот 10 ТГц (системы DWDM – многоканальные системы с мультиплексированием по длине волны). Однако основной недостаток одномодовых волокон – очень малая площадь поперечного сечения сердцевины. Мощность оптического потока в первых системах с синхронной цифровой иерархией (SDH) не превышала – 3 дБм, в системах настоящего времени она достигает +12 дБм, а в многоканальных системах WDM – более +23 дБм.

Увеличение плотности мощности оптического потока приводит к возрастанию уровня нелинейных эффектов различного рода в ОВ. Их действие деструктивно в целом и сводится к увеличению числа ошибок, уменьшению длины секции, снижению допустимой скорости передачи в одноканальных системах, росту шага несущих частот в многоканальных системах и т.д.

Для решения перечисленных выше проблем проводится разработка волокон на основе фотонных кристаллов. Фотонно – кристаллическое волокно (ФКВ) представляет собой структуры двумерного фотонного кристалла на основе композиции «кварцевое стекло-воздух», формируемой в оболочке ОВ.

ФКВ – это волокно, поперечное сечение которого постоянно по длине, представляет собой двумерный фотонный кристалл с точечным дефектом, расположенным, как правило, в центре симметрии ОВ.

Структура двумерного фотонного кристалла формируется в оболочке с помощью симметричного расположенных вокруг сердцевины полых капилляров в виде круглых или шестигранных плотноупакованных диэлектрических трубок, создающих периодическую двумерную микрорешетку (в соответствии с рисунком 3.30).

Рисунок 3.30 – Структуры двумерного ФКВ с точечным дефектом на примере простой 6-гранной центрированной ячейки

Основная особенность ФКВ в том, что распространение энергии световой волны происходит вдоль линейного дефекта (которым является, как правило, область сердцевины), а сама волна существует в виде поперечной моды ТЕ01 или ТМ01, т.е. в поперечном сечении волокна (или в плоскости решетки фотонного кристалла).

Одним из первых и востребованных применений ФКВ стало создание световодов с большой эффективной площадью для стыков с мощными лазерами. Они используются для создания высокоэффективных шнуров коммутации лазерного и оптического усилительного оборудования, а также сплавных разветвителей.

ФКВ являются перспективными элементами для усилителей типа F DFA, где они применяются в качестве отрезков волокон, легированных эрбием. Последним усовершенствованием здесь стало использование нескольких концентрических слоев воздушных отверстий в оболочке с большим внутренним диаметром (52 мкм), позволяющей практически полностью задействовать световой поток мощных лазерных диодов накачки, направляя его через воздушные каналы оболочки ФКВ. Такие усилители позволяют достигать не только высокого уровня мощности, порядка 33 дБм и высокой эффективности преобразования энергии накачки, свыше 21 %, но и сохранить линейный режим для входного информационного сигнала.