光子晶体光纤在通信网络中的应用分析

袁平科，李永安

(陕西广电网络传媒股份有限公司 延安分公司，陕西 延安 716000)

人类社会已进入信息技术时代，随着信息产业的迅速发展，广播电视、移动通信、互联网已成为人类生活的重要组成部分。信息技术的发展对通信网络提出了越来越高的要求，而一种全新的光纤—光子晶体光纤将为通信网络的发展开辟新的天地。

1 光子晶体

光子晶体是Yablonovich和John于1987年类比传统晶体而提出的概念［1，2］。传统晶体内部的原子是周期性排列的，在晶体中运动的电子受到周期场的调制，从而形成能带结构。电子波的能量如果落在禁带中，就无法继续传播。同样，光波在介质中只要受到周期性调制，也可形成能带结构，而能量落在禁带中的光波同样不能传播。

在传统晶体中掺入杂质或引入缺陷，可以限制电子的运动;在光子晶体中以某种规律破坏结构的严格周期性，也相当于掺杂或引入缺陷，和缺陷态或杂质态频率相吻合的光子也会被限制在特定位置，这就是光子局域。

光子晶体所具有的光子带隙和光子局域特性，使其可精确控制光子的运动。光子晶体将成为光电集成、光子集成的一种关键性基础材料，它将会引起通信领域的一场革命。

2 光子晶体光纤

目前光子晶体家族中已出现了一维、二维和三维光子晶体，二维光子晶体的典型是光子晶体光纤。利用光子局域特性，在二维光子晶体中引入一个缺陷作为光纤核心，将光限制在光纤核心中，可形成光子晶体光纤。

图1 一至三维光子晶体示意图及光子晶体光纤截面图

光子晶体光纤有许多非同一般的特性:无休止的单模传输特性、可控的非线性特性、优异的色散特性以及双折射特性等等;同时通过物理结构或材料的改变，光子晶体光纤可以实现某一特性的改变或实现某些特性的特定组合。因而光子晶体光纤在通信网络中将得以广泛应用。

3 光子晶体光纤在通信网络中的应用分析

光子晶体光纤的发展历史并不长，但却以其优异的光学特性受到了日益广泛的关注。尤其在通信系统中，光子晶体光纤的应用潜力巨大。

3.1 全光频范围的单模光子晶体光纤

目前，通信网络中光纤的使用越来越普遍，光纤入户正在成为现实，其中标准单模光纤的使用最为广泛。标准单模光纤是零色散波长在1.3 μm窗口的单模光纤，其特点是当工作波长在1.3 μm时色散非常低，信号畸变很小。这种光纤只能传播一个模式(两个偏振简并)，其衰减为0.35－0.4 dB/km。

然而传统单模光纤只在一定的频率范围内支持单模传输，当频率较高时将会出现多模传输，这是不能满足未来光网络的传输要求的。

通过调节空气孔直径和孔距，光子晶体光纤可以设计为在整个光频率范围支持单模传输，这就是所谓的“无休止单模传输”特性。光子晶体光纤具备在337 nm至1550 nm波长范围内都支持单模的特性［3］。光子晶体光纤使单模工作波段相对于普通单模光纤而言向短波方向扩展了600－700 nm，这为波分复用增加信道提供了充足的资源。

3.2 大有效面积光子晶体光纤

目前，光纤通信系统正在由1.31 μm窗口转向1.55 μm窗口。1.55 μm窗口不仅是光纤的最低损耗窗口，而且是掺饵光纤放大器的工作窗口。为了实现大容量传输，需要将光纤的零色散也移到1.55 μm附近。但零色散将使光纤中容易产生非线性效应，如自相位调制、四波混频等，对系统产生严重的干扰。虽然目前已研制出了真波光纤，可以抑制系统的非线性，但真波光纤的有效面积不足，使其在高速度、大容量的通信系统中的应用受到限制。

增大光纤的模场直径，降低光纤中的光功率密度，可以有效抑制或消除光纤中的非线性效应，大有效面积色散位移单模光纤就是根据这一思想发展而来的。同时光纤有效面积的增大也有利于系统传输容量的增大。

光子晶体光纤的无休止单模特性与光纤的绝对尺寸无关，因而其光纤模场面积可以根据需要来设计［4］。通过改变结构参数，光子晶体光纤可以很容易得到接近150 nm2的模场有效面积。可以预见，大有效面积光子晶体光纤的特性将会十分优良。

3.3 非零色散光子晶体光纤

色散是光纤的基本传输特性之一。光纤色散的存在将使信号波形随着传输距离的增加而逐渐展宽，导致光信号在传输过程中发生畸变，限制了系统的传输速率和传输距离。

为了提高光纤通信系统的传输速率和增大光纤通信系统的传输距离，人们设计出了各种单模光纤，其中的一种就是把零色散波长从1.3 μm移到1.55 μm的色散位移光纤。

技术的进步往往伴随着新的困难和问题。通信网络中掺饵光纤放大器以及色散位移单模光纤的使用，使全光传输的距离可达到几百甚至几千公里。然而，色散位移光纤在1.55 μm色散为零，不利于多信道的波分复用系统的传输，因为当复用的信道增多时，就会发生四波混频，导致信道间发生串扰。四波混频的干扰在光纤的色散为零时十分严重;如果光纤有微量色散，其干扰反而会减小。因此出现了非零色散光纤，其零色散波长不在1.55 μm，而在1.525 μm或1.595 μm处。非零色散光纤可以消除四波混频效应，它综合了标准光纤和色散位移光纤的传输特性，既能用于新的网络，又可对现有系统进行升级改造，特别适用于高密度波分复用系统。

光子晶体光纤有着独特而优异的色散特性。传统光纤要通过给纤芯材料掺杂来改变其色散特性，而光子晶体光纤只要改变结构参数，就会产生所需的色散特性，实现起来极其方便。因而光子晶体光纤将可用于制作性能非常优异的非零色散光纤。

3.4 色散补偿光子晶体光纤

在光纤通信系统中，零色散光纤可以消除色散对系统容量的限制，但由于四波混频等光纤非线性效应，零色散光纤的使用受到了制约。因此，光纤色散补偿技术对于高速度、大容量光纤通信系统仍然是十分重要的。

为了使现有的1.3 μm光纤系统能够采用波分复用+掺饵光纤放大器技术，就必须将光纤的工作波长从 1.3 μm 改为 1.55 μm，标准光纤在 1.55 μm波长的色散不是零，而是一个较小的正值。这一色散值成为利用1.55 μm窗口对现有光纤系统进行扩容升级的主要障碍。消除这一障碍的方法之一就是在系统中使用具有大负色散值的色散补偿光纤进行补偿，在光纤系统中合理接入色散补偿光纤可以使系统中的总色散趋近于零，这种方法同时可以抑制非线性效应对光纤传输的影响。但是为了保持单模工作，色散补偿光纤的芯径也相应较小。这使得色散补偿光纤通常具有较大的传输损耗［5］。

单模色散补偿光纤是通过增加纤芯和包层的折射率差来增加光纤的负波导色散的，然而，因为传统光纤要通过掺杂来改变材料的折射率，其折射率差无法做得很大。

光子晶体光纤通过合理调节空气孔的尺寸和间距，可以获得很大的折射率差，从而可得到巨大的反常色散［6］，因此光子晶体光纤具有很好的色散补偿能力。色散补偿光子晶体光纤将在未来的光纤通信系统中得以广泛应用。

4 结束语

光子晶体光纤的零色散点可以移至800 nm以下［6］，这使得光子晶体光纤能够在波长低于1.3 μm处获得反常色散(正色散)，这是传统阶跃光纤无法实现的。该反常色散特性使得短波光孤子的传输成为可能［6］。另外，通过结构参数的优化，光子晶体光纤可在1.55μm附近较宽波长范围实现正的、接近零的和负的平坦色散特性［6］，这些使得光子晶体光纤在波分复用传输系统中有着广阔的用武之地。

光子晶体光纤以其优异的特性将在通信领域发挥无以伦比的作用，以上所述只是其在通信网络中可以预见的应用的一部分。光子晶体光纤在通信网络中大规模应用的主要障碍在于传输损耗，其损耗较大的原因在于微孔表面粗糙度所造成的瑞利散射。目前，光子晶体光纤在降低传输损耗方面己取得成果，光子晶体光纤在1.55 μm波长的损耗达到了0.37 dB/km［6］。这为光子晶体光纤将来用于长距离通信铺平了道路。

［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］顾建平.光子晶体光纤特性的研究［D］.东南大学硕士学位论文，2002:43－56.

［6］李永安.传统光纤及光子晶体光纤偏振与磁光特性研究［D］.西北大学博士学位论文，2007:54－75.