ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

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 настолько, чтобы передавать его без регенерации на многие сотни километ­ров. В настоящее время ведется поиск новых, более перспективных, волокон, одним из ко­торых являются фотонно-кристаллическое волокно (ФКВ) [44, 46].

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

Первые ОВ появились примерно сорок лет назад и имели затухание более 20 дБ/км. С тех пор ОВ используются как среда передачи сигналов в ВОСП, в локальных вычисли­тельных сетях (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 «сердцевина-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 И 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 плотным 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 минус 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 представляет собой структуры двумерного фотонного кристалла на основе композиции «кварцевое стекло-воздух», фор­мируемой в оболочке ОВ.

ФКВ — это волокно, поперечное сечение которого постоянно по длнне и представляет собой двумерный фотонный кристалл (ФК) с точечным дефектом, расположенным, как пра­вило, в центре симметрии ОВ.

Структура двумерного фотонного кристалла формируется в оболочке с помощью сим­метрично расположенных вокруг сердцевины полых капилляров в виде круглых или шести­гранных плотно упакованных диэлектрических трубок, создающих периодическую двумер­ную микрорешетку (рис. 3.27).

Главная 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 ТЕ0 или 771/01, 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 ЭРА для усилителей типа 7% 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), что позволяет 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.