光子晶体光纤的特性及在光纤通信中的应用

　　光子晶体光纤在光纤通信的应用

　　PCF在光纤通信系统中的潜在应用主要有两个方面：传输光纤和光器件。PCF作为传输光纤的研究要点是改进制造工艺、降低光纤损耗。PCF作为光器件的研究要点是通过调整PCF的结构尺寸来实现PCF器件所需要的性能。

　　众所周知，作为光信号传输介质，无论是G.652光纤还是PCF都应该满足低损耗、小色散和低非线性效应。与G.652损耗机理相同，PCF损耗主要来源于吸收和散射。此外，由于PCF结构的特殊性，也自然带来了一些特殊的损耗来源，如模式泄漏损耗和结构缺陷损耗。表1给出了PCF的损耗来源。

　　人们采取了一系列措施来降低PCF的损耗，主要有（1）提高芯/包层材料的纯度；（2）采用减少污染包层材料管的工艺；（3）通过合理设计空气填充比/空气孔数量来降低泄漏模式。

　　PCF具有的低损耗、小色散、低非线性效应特性，使得其在光纤通信领域的应用是非常有前途的，尤其对于长途通信系统。随着PCF设计方法和制造工艺的不断改进，PCF性能正日趋完善。特别是K.Tajima等人通过合理设计结构参数，如空气孔直径d和空气孔间距r，以及d/r比值，大道理既减少PCF的衰减，又改善PCF的色散和色散效率的目的。现在，PCF已经进入实验室的光纤通信系统传输试验研究阶段。

　　2003年初的世界光纤通信会议（OFC）上，日本电报电话公司（NTT）接入网业务系统实验室的K.Tajima等人报道了他们研制出的衰减为0.37 dB/km 的超低衰减、长长度的PCF。PCF具有完全的单模特性，可用工作波长范围为0.458—1.7μm。

　　C.Peucheret等人的研究小组利用5.6 km 的PCF线路进行工作波长为1550 nm的40Gbit/s的传输实验。这个实验系统所用的PCF的有效面积是72平方μm、衰减为1.7dB/ km、色散系数为32 ps/（km. nm）。实验表明，PCF作为光信号传输介质时，系统的性能没有劣化，与G.652光纤相比，PCF最大优势是在保证很小的偏振模色散系数的前提下，色散系数、有效面积和非线性系数可以灵活设计。

　　如上所述，PCF本身就是一种良好的色散补偿光纤。通过灵活设计PCF的3个特征结构参数：纤芯直径、包层空气孔直径和包层空气孔间距，我们就可以获得很大的正色散，或者很大的负色散，或极宽波段的平坦色散PCF。特别是PCF的灵活色散、色散效率补偿带宽管理能量比G.652光纤大几倍，故PCF具有优良的色散补偿性能，有希望代替普通的色散补偿光纤，成为新一代色散补偿光纤。

　　由于普通色散补偿光纤的芯/包层折射率差小（1.45/1.3），所以其色散补偿能力差。而PCF的芯/包层差大（1.45/1），因此PCF具有很强的色散补偿能力。清华大学的研究人员从理论上计算了PCF的色散值，在计算中所选择的PCF结构参数是：空气孔间距为0.8μm,空气孔直径与空气孔间距之比是0.835。计算得到，在1.55μm PCF的色散值可以达到-2050 ps/（km. nm），可以补偿120倍长度的G.652光纤（17 ps/（km. nm））,可以补偿240倍长度的G.655光纤（8.2 ps/（km. nm））,从而大大缩短了色散补偿光纤的长度。因此，PCF的色散补偿作用在高速率、大容量、远距离的WDM系统中将会具有极大的应用价值。

　　PCF可以构成光纤激光器和光纤放大器，究其理由是通过调整包层空气孔直径及其间距可以灵活设计出模场面积范围为1--1000μm2的 PCF，使得PCF在光纤激光器和光放大器研制中比G.652光纤更具有优势。

　　已经取得研究进展的PCF与光纤通信相关应用还有：光波长变换、拉曼放大器、光孤子激光器、光纤光栅和连续谱发生器等。