光子晶體光纖在通信網絡中的應用分析

袁平科，李永安

(陜西廣電網絡傳媒股份有限公司 延安分公司，陜西 延安 716000)

人類社會已進入信息技術時代，隨著信息產業的迅速發展，廣播電視、移動通信、互聯網已成為人類生活的重要組成部分。信息技術的發展對通信網絡提出了越來越高的要求，而一種全新的光纖—光子晶體光纖將為通信網絡的發展開辟新的天地。

1 光子晶體

光子晶體是Yablonovich和John于1987年類比傳統晶體而提出的概念［1，2］。傳統晶體內部的原子是周期性排列的，在晶體中運動的電子受到周期場的調制，從而形成能帶結構。電子波的能量如果落在禁帶中，就無法繼續傳播。同樣，光波在介質中只要受到周期性調制，也可形成能帶結構，而能量落在禁帶中的光波同樣不能傳播。

在傳統晶體中摻入雜質或引入缺陷，可以限制電子的運動;在光子晶體中以某種規律破壞結構的嚴格周期性，也相當于摻雜或引入缺陷，和缺陷態或雜質態頻率相吻合的光子也會被限制在特定位置，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動。光子晶體將成為光電集成、光子集成的一種關鍵性基礎材料，它將會引起通信領域的一場革命。

2 光子晶體光纖

目前光子晶體家族中已出現了一維、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:無休止的單模傳輸特性、可控的非線性特性、優異的色散特性以及雙折射特性等等;同時通過物理結構或材料的改變，光子晶體光纖可以實現某一特性的改變或實現某些特性的特定組合。因而光子晶體光纖在通信網絡中將得以廣泛應用。

3 光子晶體光纖在通信網絡中的應用分析

光子晶體光纖的發展歷史并不長，但卻以其優異的光學特性受到了日益廣泛的關注。尤其在通信系統中，光子晶體光纖的應用潛力巨大。

3.1 全光頻范圍的單模光子晶體光纖

目前，通信網絡中光纖的使用越來越普遍，光纖入戶正在成為現實，其中標準單模光纖的使用最為廣泛。標準單模光纖是零色散波長在1.3 μm窗口的單模光纖，其特點是當工作波長在1.3 μm時色散非常低，信號畸變很小。這種光纖只能傳播一個模式(兩個偏振簡并)，其衰減為0.35－0.4 dB/km。

然而傳統單模光纖只在一定的頻率范圍內支持單模傳輸，當頻率較高時將會出現多模傳輸，這是不能滿足未來光網絡的傳輸要求的。

通過調節空氣孔直徑和孔距，光子晶體光纖可以設計為在整個光頻率范圍支持單模傳輸，這就是所謂的“無休止單模傳輸”特性。光子晶體光纖具備在337 nm至1550 nm波長范圍內都支持單模的特性［3］。光子晶體光纖使單模工作波段相對于普通單模光纖而言向短波方向擴展了600－700 nm，這為波分復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，光纖通信系統正在由1.31 μm窗口轉向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。為了實現大容量傳輸，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生非線性效應，如自相位調制、四波混頻等，對系統產生嚴重的干擾。雖然目前已研制出了真波光纖，可以抑制系統的非線性，但真波光纖的有效面積不足，使其在高速度、大容量的通信系統中的應用受到限制。

增大光纖的模場直徑，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，大有效面積色散位移單模光纖就是根據這一思想發展而來的。同時光纖有效面積的增大也有利于系統傳輸容量的增大。

光子晶體光纖的無休止單模特性與光纖的絕對尺寸無關，因而其光纖模場面積可以根據需要來設計［4］。通過改變結構參數，光子晶體光纖可以很容易得到接近150 nm2的模場有效面積?？梢灶A見，大有效面積光子晶體光纖的特性將會十分優良。

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波形隨著傳輸距離的增加而逐漸展寬，導致光信號在傳輸過程中發生畸變，限制了系統的傳輸速率和傳輸距離。

為了提高光纖通信系統的傳輸速率和增大光纖通信系統的傳輸距離，人們設計出了各種單模光纖，其中的一種就是把零色散波長從1.3 μm移到1.55 μm的色散位移光纖。

技術的進步往往伴隨著新的困難和問題。通信網絡中摻餌光纖放大器以及色散位移單模光纖的使用，使全光傳輸的距離可達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用系統的傳輸，因為當復用的信道增多時，就會發生四波混頻，導致信道間發生串擾。四波混頻的干擾在光纖的色散為零時十分嚴重;如果光纖有微量色散，其干擾反而會減小。因此出現了非零色散光纖，其零色散波長不在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，它綜合了標準光纖和色散位移光纖的傳輸特性，既能用于新的網絡，又可對現有系統進行升級改造，特別適用于高密度波分復用系統。

光子晶體光纖有著獨特而優異的色散特性。傳統光纖要通過給纖芯材料摻雜來改變其色散特性，而光子晶體光纖只要改變結構參數，就會產生所需的色散特性，實現起來極其方便。因而光子晶體光纖將可用于制作性能非常優異的非零色散光纖。

3.4 色散補償光子晶體光纖

在光纖通信系統中，零色散光纖可以消除色散對系統容量的限制，但由于四波混頻等光纖非線性效應，零色散光纖的使用受到了制約。因此，光纖色散補償技術對于高速度、大容量光纖通信系統仍然是十分重要的。

為了使現有的1.3 μm光纖系統能夠采用波分復用+摻餌光纖放大器技術，就必須將光纖的工作波長從 1.3 μm 改為 1.55 μm，標準光纖在 1.55 μm波長的色散不是零，而是一個較小的正值。這一色散值成為利用1.55 μm窗口對現有光纖系統進行擴容升級的主要障礙。消除這一障礙的方法之一就是在系統中使用具有大負色散值的色散補償光纖進行補償，在光纖系統中合理接入色散補償光纖可以使系統中的總色散趨近于零，這種方法同時可以抑制非線性效應對光纖傳輸的影響。但是為了保持單模工作，色散補償光纖的芯徑也相應較小。這使得色散補償光纖通常具有較大的傳輸損耗［5］。

單模色散補償光纖是通過增加纖芯和包層的折射率差來增加光纖的負波導色散的，然而，因為傳統光纖要通過摻雜來改變材料的折射率，其折射率差無法做得很大。

光子晶體光纖通過合理調節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償能力。色散補償光子晶體光纖將在未來的光纖通信系統中得以廣泛應用。

4 結束語

光子晶體光纖的零色散點可以移至800 nm以下［6］，這使得光子晶體光纖能夠在波長低于1.3 μm處獲得反常色散(正色散)，這是傳統階躍光纖無法實現的。該反常色散特性使得短波光孤子的傳輸成為可能［6］。另外，通過結構參數的優化，光子晶體光纖可在1.55μm附近較寬波長范圍實現正的、接近零的和負的平坦色散特性［6］，這些使得光子晶體光纖在波分復用傳輸系統中有著廣闊的用武之地。

光子晶體光纖以其優異的特性將在通信領域發揮無以倫比的作用，以上所述只是其在通信網絡中可以預見的應用的一部分。光子晶體光纖在通信網絡中大規模應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波長的損耗達到了0.37 dB/km［6］。這為光子晶體光纖將來用于長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］.東南大學碩士學位論文，2002:43－56.

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