Nowoczesne światłowody do szybkiej transmisji danych

Transkrypt

1 Nowoczesne światłowody do szybkiej transmisji danych Jan Wieczorek, Ewa Fudala, Krystian Majer, Dominik Słomka, Bartosz Marczakiewicz Wstęp Telekomunikacja optyczna w ostatnim czasie przechodzi okres bardzo dynamicznych przemian. Powodem tego jest przede wszystkim ogromny wzrost transmisji danych, głównie internetowych. Niezwykle dynamiczny rozwój sieci Internet spowodował, iż zaistniała nagła potrzeba transmitowania ogromnej ilości informacji. Zmiany te wymuszają podejmowanie szeregu prac badawczo-rozwojowych, mających na celu tworzenie bardziej wydajnych i efektywniejszych optycznych urządzeń sieciowych oraz włókien światłowodowych. Istnieje wiele rozwiązań, które nie są jeszcze powszechnie stosowane. Jednym z przykładów, mogą być wynalezione w połowie lat dziewięćdziesiątych, światłowody fotoniczne. Mechanizm prowadzenia światła oparty jest na jego uginaniu w strukturze światłowodu, a nie na zasadzie całkowitego odbicia wewnętrznego. Dzięki temu uzyskuje się efektywniejszą transmisję mocy optycznej, niż ma to miejsce w światłowodach konwencjonalnych. Światłowody kapilarne W światłowodach kapilarnych, rdzeń jest zbudowany z kapilary- rurki cienkiej do tego stopnia, że nie obowiązuje w niej prawo Bernoulliego oraz zjawisko kondensacji kapilarnej. Jest wykonana z włókna szklanego, polimerowego, kompozytowego, pokrytego metalem szlachetnym lub metalem i polimerem. Dookoła rdzenia jest usytuowany płaszcz, którego funkcję pełni wzbroniona przerwa fotoniczna, działająca jak zwierciadło, odbijające fale od płaszcza z powrotem do rdzenia, gdzie fale ulegają interferencji. Im lepiej światło jest odbijane, tym mniejsze są straty. Istnieją dwie koncepcje płaszcza: braggowskie i porowate- różnią się one koncepcją płaszcza, pierwszy jest cylindrycznym wielowarstwowym zwierciadłem Bragga, a drugie składa się z wielu nanokapilar. Propagacja fali jest przeprowadzana za pomocą czeterch mechanizmów: całkowitego zewnętrznego odbicia, całkowitego wewnętrznego odbicia, odbicia od lustrzanej powierzchni oraz dyfrakcyjno- interferencyjnej, inaczej fotonicznej.

2 Światłowody fotoniczne W drugiej połowie lat 90. dwudziestego wieku zakończono prace nad światłowodami fotonicznymi PFC (photonic crystal fibers). W 1987 roku Yablonovitch wykazał, że jest możliwe uzyskanie materiału, który posiadałby wzbronioną przerwę energetyczną dla fotonów, a materiały te określono mianem kryształów fotonicznych. Działanie światłowodów PCF oparte jest głównie na zjawisku fizycznym noszącym nazwę fotonicznej przerwy wzbronionej PBG (Photonic Band Gap). W krzemie i innych półprzewodnikach odległości miedzy atomami wynoszą ok. 0,25 nanometra. Struktura kryształów fotonicznych jest podobna, lecz w większej skali, matrycę stanowią struktury periodyczne na całym przekroju. Można je sobie wyobrazić jako blok kryształu z kanałami cylindrycznymi o średnicy 400 nanometrów w których fala elektromagnetyczna o częstotliwościach z pewnego zakresu bez względu na swój kierunek nie może się propagować. Te przedziały częstotliwości (długości fal) stanowią tzw. pasmo fotoniczne. Co ciekawe pionierskie prace polegały na tworzeniu takich właśnie matryc o różnych parametrach (geometria, stała sieci (odległość między środkami sąsiednich komórek elementarnych w krysztale), wielkość elementów sieci) z otworami cylindrycznymi wywiercanych wiertarkami alfanumerycznymi. Środek nazywany rdzeniem, jest defektem wprowadzanym na etapie produkcji. W uproszczeniu, powoduje on uwięzienie fali świetlnej - nie pozwala jej na wydostanie się na zewnątrz. Tym samym otrzymujemy pierwszy rodzaj prowadzenia światła - światłowodu rdzeniowego, polegający na zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia światła - TIR (ang. Total Internal Reflection). Poprzez zmianę parametrów otworków powietrznych możemy wpływać na wielkość efektywnego współczynnika załamania w płaszczu. Defekt wprowadzony może być typu high index z otworem wyłepnionym litą krzemionką (IG-PCF), low-index lub air-index (PBG-PCF). a) defekt typu high-index a) defekt typu low-index b) defekt typu air-index Co ciekawe, w przypadku światłowodów IG-PCF istnieje możliwość prowadzenia zawsze jednego modu bez względu na długość fali, bez warunku częstotliwości znormalizowanej V < 2,405. Względny stosunek parametrów (d, Λ) - (szerokość dziurki i odległość między nimi) rzędu d/λ 0,41 pozwala zaobserwować jednomodową pracę włókna dla średnicy rdzenia nawet 30 μm. Jest on odporny na uszkodzenia i świetnie nadaje się do zastosowań w systemach DWDM. Trzeba wspomnieć światłowody jednomodowe IG- PCF są stosowane przy konstrukcji sensorów wielkości nieelektrycznych co jest intensywnym obszarem badań PCE.. W konwencjonalnych włókien światłowodowych zerowa wartość dyspersji przypada dla długości fali 1,28 μm. W przypadku światłowodów fotonicznych możliwe jest uzyskanie zarówno ujemnej, jak i dodatniej dyspersji dla tej długości fali. Dla zakresu fal dłuższych dyspersja osiąga stałe wartości.

3 Włókno chalkogenkowe Wysokiej czystości szkła chalkogenkowe są wykorzystywane do produkcji włókien optycznych mir-ir (Mid-wavelength infrared), charakteryzujących się niskimi stratami (<0,1 db/m) oraz dużą odpornością na rozciąganie (>20 kpsi), pozwalają osiągnąć transmisję o wysokiej mocy. Włókna chalkogenkowe są produkowane metodą double-crucible (DC, podwójnej próby). System kontroli produkcji jest zoptymalizowany do średnicy ± 1 mm. Szkło chalkogenkowe zyskało zainteresowanie dzięki swoim nieliniowym efektom Kerra trzeciego rzędu. Zgodnie z regułą Millera istnieje prosta metoda estymacji nieliniowości trzeciego rzędu. Nieliniowe wskaźniki refrakcji dla As 2 S 3 i As 2 Se 3 wynoszą i m 2 /W. Wysoki indeks refrakcji, wysoka nieliniowość i moderacja do dwu-fotonowej absorpcji sprawiają, że szkło chalkogenkowe jest idealne do demonstracji zintegrowanych urządzeń dla w pełni optycznych sygnałów. Szczególnie interesującym zastosowaniem chalkogenków w pełni optycznym przetwarzaniu sygnału jest jego regeneracja. Wysoko poziomowy sygnał wejściowy jest przepuszczany przez nieliniowe, dyspersyjne medium produkujące SPM włącznie z rozszerzeniem widmowym. Rezultatem jest pseudo-krokowa funkcja przekazu mocy, która wskazuje na poprawę współczynnika Q-factor i bitowej stopy błędów (BER) dla zmodulowanego sygnału o prędkości 40Gb/s. Włókno ze szkła chalkogenkowego posiada efektywną strefę Aeff = 37 mm2 jako wydajność nieliniowego współczynnika λ ~ 1200 /W*km. Największymi problemami szkła chalkogenkowego są potencjalne problemy ze stabilnością oraz starzeniem materiału - Są one mechanicznie słabsze niż szkła bazujące na krzemionce. Szkło chalkogenkowe oferuje kilka ważnych właściwości dla ultraszybkiego przesyłu optycznego: wysoki indeks refrakcji, duża wrażliwość, liska absorpcja dwu-fotonowa, szybka odpowiedź czasowa oraz elastyczność kompozycji szkła. Te właściwości pokazują inne funkcjonalości: zdolność regeneracji sygnału, kompresji pulsowej i konwersji długości fali. Włókno optyczne Ultra-Large Aeff Z rekordowo niską tłumiennością 0,1460 db/km do do zastosowań podwodnych. Grupa badawcza złożona z pracowników Corning Incorporated oraz Alcatel-Lucent Submarine Networks wykorzystując w swoich testach włókno światłowodowe Ultra-large A eef silica-core fiber (włókno z rdzeniem krzemionkowym,o wyjątkowo dużej efektywnej powierzchni rdzenia włókna) o następujących parametrach:

4 uzyskała najniższą do tej pory zanotowaną tłumienność wynoszącą 0,1460 db/km. Włókno to posiadało rdzeń silica-core oraz płaszcz fluorine-doped (domieszkowany fluorem) w celu osiągnięcia różnicy we wskaźniku refrakcji rdzeń-płaszcz. Dzięki eliminacji GeO 2 z rdzenia oraz redukcji rozpraszania Rayleigha, włókno z rdzeniem silica-core zapewniło znaczną redukcję współczynnika tłumienności w porównaniu do włókien z domieszką Germanu. Redukcja tego współczynnika została także ułatwiona dzięki redukcji naprężeń szczątkowych podczas procesu produkcji, co zostało zapewnione przez kleistość rdzenia i płaszcza. W celu ustalenia tłumienności włókna światłowodowego zastosowano technikę pomiaru spectra cutback zgodną ze standardem IEC System pomiarowy składał się ze źródła światła białego, monochromatora z precyzją lepszą niż 0,5 nanometra, modulatora oraz detektora InGaAs. Precyzja systemu pomiarowego była lepsza niż 0,001 db. Pomiary zostały przeprowadzone na szerokim zestawie długości fal z włóknem światłowodowym owiniętym bez naprężeń na szpuli. Jak widać na przedstawionej powyższej tabeli, najniższa tłumienność została osiągnięta przy długości fali około 1560 nm. Od tego momentu współczynnik zaczął wzrastać. Dobrze zaprojektowane przewody podmorskie zapewniają znikome naprężenia oraz bardzo niski nacisk. Przewód Alcatel-Lucient OALC4 użyty w tym badaniu posiada strukturę rdzenia która izoluje włókno od naprężeń mechanicznych. Zostało to osiągnięte przez konstrukcję, gdzie włókno leży swobodnie w wypełnionej żelem stalowej tubie otoczonej przez dwie warstwy drucianej siatki, która ma za zadanie chronić przed ciśnieniem oraz uszkodzeniami zewnętrznymi. Przetestowanych zostało osiem włókien światłowodowych tego samego rodzaju. W czterech z ośmiu włókien tłumienność po przeprowadzenie przez przewód spadła o db/km, w pozostałych przypadkach pozostała niezmieniona. Niska tłumienność w światłowodach podmorskich pozwala na redukcję span loss we wzmacniaczu, co prowadzi do wzrostu OSNR oraz Q-factor (czynnik jakościowy) pozwala to na zwiększenie przepustowości oraz zasięgu światłowodu.

5 BIBLIOGRAFIA - Światłowody fotoniczne Waldemar Grabiec, WAT - Record-Low ( db/km) Attenuation Ultra Large Aeff Optical Fiber for Submarine Applications Sergjs Makovejs, Clifron C. Roberts, Florence Palacios, Hazel B. Matthews, David A. Lewis, Dana T. Smith, Paul G. Diehl, Jeffery J. Johnson, Joan D Patterson, Christopher R. Towery, Sergey Y. Ten - Utrafast all-optical chalcogenide glass photonic circuts Vahid G. Ta eed, Neil J. Baker, Libin Fu, Klaus Finsterbusch, Michael R. E. Lamont, David J. Moss, Hong C. Nguyen, Benjamin J. Eggleto, Duk Young Choi, Steven Madden, Barry Luther-Davies - Mid-IR chalcogenide fiber Francois Chenard, Oseas Alvarez, Hassan Moawad