复合光纤在光传输中的应用

基于复合光纤的波分复用、空分复用、时分复用和模分复用等技术，作为克服当前单模光纤传输容量限制的有效方法，目前已取得了较大的进展。例如环形光纤通过对折射率分布的优化设计，可支持轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）模式长距离稳定传输。2013年，美国波士顿大学的Bozinovic等［183］基于环形阶跃折射率分布的OAM光纤，采用OAM复用、偏分复用和波分复用技术，实现了1.6 Tbit/s的传输容量，传输距离为1.1 km。随后，出现众多相关研究［184－187］。2018年，Zhu等［188］基于环形渐变折射率光纤，利用224路波分复用信道、8阵列正交幅度调制和2种OAM模式复用技术，在未使用多入多出数字信号处理技术进行补偿的情况下，实现了18 km OAM光纤通信，传输容量达到8.4 Tbit/s。除在单个环层环形光纤中传输OAM模式，研究者们还提出了采用多个环层的结构复合光纤，实现在单根光纤中使传输OAM模式数目最大化。2013年，Li等［189］设计了一种具有7个环形纤芯的光纤，每个环形纤芯可支持22个模式，其中有18个OAM模式，因此可提供154个信道用于空分复用。次年，他们进一步优化了多环形纤芯光纤结构，在每个环形纤芯外侧引入低折射辅槽层，以降低相邻环形纤芯相互之间的串扰，最终理论设计出了具有19个环形纤芯的光纤，每个环形纤芯支持22个模式，其中18个OAM模式，从而能提供418个用于空分复用的信道［190］。

不同于近红外光通信波段，中远红外波段覆盖了众多原子和分子吸收峰，在光谱学、遥感、医疗、环保及军事等诸多领域都有重要的应用需求。而传统硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃等光纤在中远红外波段具有较大的吸收损耗，限制了此类光纤在中远红外波段的应用。复合光纤通过设计和优化光纤材料的组分以及对光纤的结构进行调控（如半导体－玻璃复合光纤、空心光纤等），或通过在光纤上集成半导体光电子器件，可实现在中远红外波段的低损耗传输。

目前，中红外波段常用的光纤材料主要有氟化物玻璃和硫系玻璃等。硫系玻璃具有较宽的红外透明区域（1．212μm），截止波长甚至可达到25μm，损耗在6μm仅为0．2 dB/km。但硫系玻璃的非线性折射率比较高，为石英玻璃的几十倍甚至几百倍。氟化物玻璃光纤是当前研究最多的超低损耗红外光纤，其最低损耗在2．5μm为1×10－3dB/km，无中继距离可达到1×105km以上。

半导体硅（Si）具有高的损伤阈值、宽的透过范围（17μm），也是实现中红外传输的理想材料。2012年，Badding课题组采用HPCVD法制备了直径为6μm的非晶态Si（a－Si：H）半导体纤芯－石英玻璃为包层的复合光纤，在1550 nm的损耗为0．8 dB/cm［191］。与半导体Si相比，半导体锗（Ge）具有更宽的透过范围（220μm）、更高的折射率［192］。因此，将半导体Ge集成到光纤结构中也引起了研究人员极大的兴趣。2010年，Badding等制备了石英包层非晶态Ge（a－Ge：H）半导体纤芯复合光纤，在10．6μm的传输损耗为4．8 dB/cm［193］。(www.xing528.com)

结构复合光纤可突破材料本征吸收损耗极限，在中远红外波段实现超低损耗传输。如空芯光纤中模式分布在空气纤芯中，模式传输损耗就可以远远低于光纤材料的本征吸收损耗。近年来，随着制备技术的迅速发展，一些基于软玻璃和聚合物材料制备的光子晶体光纤的工作波长也由通信波段扩展至中红外波段和太赫兹波段［194－196］。2002年，Temelkuran等在Nature上报道了利用As2Se3和PES高分子材料制备径向周期性结构的布拉格光纤，在7．510．6μm波长范围内实现低于1 dB/m的损耗［197］。该损耗值远小于包层材料的本征吸收损耗值（As2Se3：7 dB/m；PES高分子材料：100000 dB/m）。

2018年《中国宽带发展白皮书》［198］宣告万物互联的5G时代已经来临，这对网络带宽、系统容量提出了更高的要求。伴随着通信网络流量的指数级增长和宽带光纤通信网络的迅速发展，传统的光传输链路逐渐显现出一些问题。光通信网络中的一些关键器件，如耦合器、隔离器、滤波器、放大器等，受光纤结构和材料限制，已成为网络容量扩充的重要限制因素［199－201］。此外，适用于新光纤复用系统的基本组件仍未投入商用。目前许多原型系统中仍采用大量自由空间光学组件，这不仅造成系统体积庞大、价格昂贵，而且容易引入高光学损耗。开发新型光纤器件，实现全光网络迫在眉睫。