通信光纤最新研究动向

　　与石英玻璃光纤相同，提高POF带宽主要方法有，（1）采用梯度折射率分布结构；（2）精确控制小的材料色散、高的模耦合和小的差分模衰减之间的作用。因此，为了提高POF带宽和减小模间色散，POF都采用梯度折射率分布结构；再通过选择小的材料色散材料，提高模耦合效率和减小差分模衰减等措施可达到提高POF带宽的目的。表3 列出了当前PMMA-POF、PF-POF和挤塑PF-POF的性能及其应用的最高水平，供读者参考。
　　长期以来，POF的生产采用的是1982年由日本庆应大学发明的“界面凝胶”工艺。该工艺利用作为包层的塑料管与塑料管内作为纤芯的混合液体之间发生的“界面凝胶”作用来形成POF的梯度折射率分布结构的。但是，“界面凝胶”工艺生产PF-POF 的“界面凝胶”反应需要很长的时间，所以该工艺的生产成本比较高。为了进一步降低POF的制造成本，美国OFS公司试验室的Whitney R.White 等人开发出了一种简单挤塑工艺来生产PF-POF。这种挤塑工艺是借助两台挤塑机分别挤出芯和包层材料熔体，然后两种材料熔体在挤塑机头处合为一体形成一个同心的熔体流，掺杂材料位于熔体的中心。在挤塑机头后，这些熔体材料流过一个长加热扩散管，从而允许来自熔体的中心的小分子掺杂剂扩散到包层材料熔体中。通过控制温度、停留时间和芯/包层材料的相对流速，人们就可以制造出各种折射率分布结构和芯/尺寸的PF-POF。挤塑PF-POF 的性能及其应用的最高水平，如表3所示。
2.3 光子晶体光纤
　　众所周知，材料科学是光纤通信技术的基础，即正是在半导体激光器和光纤的发明之后才诞生了光纤通信。由通信光纤研究的历程中，我们可以深切得到这样一个结论，通信光纤品种的不断更新、性能研究的突破，这一切都是建立在通信光纤材料研究的突破上。例如石英玻璃光纤的诞生， 使得世界的通信由电通信进入光通信；红外光纤的成功进一步减小了光纤的理论传输衰减； 塑料光纤的问世，又大大降低了光纤和接续的成本，从而推动了光纤通信到家庭、光纤到桌面的步伐。光子晶体光纤的结构特点，使得其具有独特性能，为光纤通信开发出新型光纤奠定了技术基础。随着PCF 的导光理论、制造工艺和应用技术的成熟，PCF有望成为下一代光纤通信用的光传输介质。1991 年，Russell 根据光子晶体传光原理又提出了光子晶体光纤的概念。最近，人们又利用石英玻璃管和石英玻璃棒研究出了光子晶体光纤。光子晶体光纤（PCF）是一种由单一介质（通常为石英玻璃，也可以为塑料）构成、并且在二维方向上呈现周期性紧密排列（周期性六角形）、而在三维空间（光纤轴向）基本保持不变的波长量级空气孔构成的微结构包层的新型光纤。与常规光纤不同，PCF是由石英玻璃—空气孔微小结构组成的光纤，其又可以分为实芯光纤和空芯光纤，即前者是由石英玻璃棒和石英玻璃毛细管加热拉制成的，而后者则是由石英玻璃管和石英玻璃毛细管加热拉制成的。正是通过前按照设计出的PCF 的基本结构: 按照预先设计的形状（六角形）将石英玻璃毛细管紧密地排列在作为纤芯的石英玻璃棒或一圈石英玻璃毛细管的周围，即集束成棒，再通过加热拉制就可以制成所需要的性能的PCF。表征PCF 性能的3 个特征参数是纤芯直径、包层空气孔直径、包层空气孔之间距离。在PCF的拉制过程中，改变拉制温度和速度就可以调整PCF的结构和性能，使得PCF作为光传输介质和光器件具有许多诱人之处。实际上，人们是通过调整纤芯直径、包层空气孔直径、包层空气孔之间距离方式来达到分别制造出具有低衰减、高色散、非线性效应小（大模场直径或者大有效面积）、保偏和小弯曲损耗等性能的PCF的目的。
　　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，尤其是对于长途通信系统。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尺寸，以及d/ r值，从而达到既减小PCF的衰减，又改善PCF 的色散和色散斜率的目的。现在，PCF已经进入了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（OFC）会议上，日本电报电话公司接入网业务系统试验实的K.Tajima等研制出衰减为0.37dB/km 、长度超过10km的超低衰减、长长度的PCF。PCF 具有完全的单模特性。PCF的可用工作波长范围为0.458 ～1.7μ m。只要对0.458～1.7μm工作波长范围进行优化，PCF的传输容量将会得到大大的提高。NTT公司的研究人员利用PCF组成10km的线路进行了8×10Gbit/s的波分复用传输试验，试验效果良好。C. Peucheret等人的研究小组利用5.6km的PCF线路进行工作波长为1550nm的40Gbit/s的传输试验。这个试验系统所用的PCF 的有效面积是72μm2、其衰减为1.7dB/km 、色散系数为32ps/km·nm。试验表明，PCF作为光信号传输介质，系统的性能没有明显的劣化。这充分证明，与常规光纤相比，PCF作为光信号传输介质最大的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。随着PCF的导光理论、制造工艺和应用技术的成熟，PCF有望成为下一代光纤维通信用的光传输介质。
3 结论
　　由上所述，通信光纤技术的发展过程是光纤材料、制造技术、性能光纤和光纤品种发展过程。为此，我们可以得到这样3 个结论，（1）光纤通信的发展是光纤、器件、系统三者彼此发展，共同促进的结果；（2）不同种类的通信光纤是为不同层次的网络服务的；（3）为了满足新的通信系统应用， 光纤研究人员一定会不断地开发出新型的通信光纤。
胡先志：高级工程师，长期从事光纤通信技术工作，已经发表论文70 余篇，出版光纤通信方面的著作4部和译作9 部。同时，还兼任《光通信研究》编委。