Микроструктурированные оптические волокна (MOF) представляют собой волоконно-оптические волноводы, в которых направление достигается путем манипулирования структурой волновода, а не его показателем преломления .
В обычных оптических волокнах свет направляется за счет эффекта полного внутреннего отражения . Направление происходит внутри сердцевины с показателем преломления выше, чем показатель преломления окружающего материала ( оболочки ). Изменение показателя достигается за счет различного легирования сердечника и оболочки или использования различных материалов. В микроструктурированных волокнах применяется совершенно другой подход. Волокно состоит из одного материала (обычно кремнезема.), а световод достигается за счет наличия воздушных отверстий в области, окружающей твердый сердечник. Отверстия часто расположены в виде регулярного рисунка в двумерных массивах, однако существуют и другие образцы отверстий, в том числе непериодические. Хотя периодическое расположение отверстий оправдывает использование термина « фотонно-кристаллическое волокно », этот термин зарезервирован для тех волокон, распространение которых происходит внутри фотонного дефекта или из-за эффекта фотонной запрещенной зоны . Таким образом, фотонно-кристаллические волокна можно рассматривать как подгруппу микроструктурированных оптических волокон.
Есть два основных класса MOF
- Волокна с индексированными направляющими, где направление достигается за счет эффекта полного внутреннего отражения.
- Световоды с фотонной запрещенной зоной, в которых направление достигается за счет конструктивной интерференции рассеянного света (включая эффект фотонной запрещенной зоны).
Структурированные оптические волокна, основанные на каналах, идущих по всей своей длине, были созданы Kaiser and Co в 1974 году. К ним относятся оптические волокна с воздушной оболочкой, микроструктурированные оптические волокна, иногда называемые фотонно-кристаллическими волокнами, когда массивы отверстий периодические и выглядят как кристалл и многие другие подклассы. Мартелли и Каннинг поняли, что кристаллические структуры, которые имеют идентичные межузельные области, на самом деле не являются самой идеальной структурой для практических приложений, и указали, что волокна с апериодической структурой, такие как фрактальные волокна, являются лучшим вариантом для низких потерь на изгибе. [1] Апериодические волокна являются подклассом волокон Френеля, которые описывают оптическое распространение аналогично бездифракционным пучкам. [2] Это тоже можно сделать, используя воздушные каналы, должным образом расположенные в виртуальных зонах оптического волокна. [3]
Фотонно-кристаллические волокна представляют собой вариант микроструктурированных волокон, описанных Kaiser et al. Они представляют собой попытку включить идеи запрещенной зоны Yeh et al. простым способом путем периодической укладки регулярного ряда каналов и вытягивания в форму волокна. Первые такие волокна распространялись не по такой ширине запрещенной зоны, а по эффективному ступенчатому показателю - однако, название по историческим причинам осталось неизменным, хотя некоторые исследователи предпочитают называть эти волокна «дырявыми» волокнами или «микроструктурированными» оптическими волокнами. ссылка на уже существующие работы Bell Labs. Переход к наномасштабу [4] был предотвращен более поздним названием «структурированные» волокна. Чрезвычайно важным вариантом было волокно с воздушной оболочкой, изобретенное ДиДжиованни в Bell Labs в 1986/87 г. на основе работы Marcatili et al. в 1984 году. [5] Это, пожалуй, самая успешная конструкция волокна на сегодняшний день, основанная на структурировании конструкции волокна с использованием воздушных отверстий, и имеет важные приложения, касающиеся высокой числовой апертуры и светосбора, особенно при реализации в форме лазера, но с большими перспективами столь же разнообразны, как биофотоника и астрофотоника. [6]
Периодическая структура может быть не лучшим решением для многих приложений. Волокна, которые выходят далеко за рамки формирования ближнего поля, теперь могут быть специально сконструированы так, чтобы впервые формировать дальнее поле, включая фокусировку света за пределами конца волокна. [7] В этих волокнах Френеля используется хорошо известная оптика Френеля, которая давно применяется для проектирования линз, включая более совершенные формы, используемые в апериодической, фрактальной и нерегулярной адаптивной оптике или зонах Френеля / фракталов. Многие другие практические преимущества конструкции включают более широкую запрещенную зону для фотонов в распространяющихся волноводах на основе дифракции и снижение потерь на изгибе, что важно для создания структурированных оптических волокон с потерями на распространение ниже, чем у волокон со ступенчатым показателем преломления.
Рекомендации
- ^ Мартелли, C; Консервирование, Дж; Гибсон, В; Хантингтон, S (2007). «Потери на изгибе в структурированных оптических волокнах» . Оптика Экспресс . 15 (26): 17639–44. Bibcode : 2007OExpr..1517639M . DOI : 10,1364 / OE.15.017639 . PMID 19551059 .
- ^ Каннинг, Дж (2002). «Генерация и распространение мод без дифракции в оптических волноводах» (PDF) . Оптика Коммуникации . 207 : 35–39. Bibcode : 2002OptCo.207 ... 35С . DOI : 10.1016 / S0030-4018 (02) 01418-9 .[ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Консервирование, Дж; Бакли, Э; Лытикайнен, К (2003). «Распространение в воздухе полевым наложением рассеянного света внутри волокна Френеля». Письма об оптике . 28 (4): 230–2. Bibcode : 2003OptL ... 28..230C . DOI : 10.1364 / OL.28.000230 . PMID 12661527 .
- ^ Хантингтон, S; Кацифолис, Дж; Гибсон, В; Консервирование, Дж; Лытикайнен, К; Загари, Дж; Кэхилл, L; Любовь, J (2003). «Сохранение и характеризация наноструктуры в оптических волокнах с конической структурой из диоксида кремния» (PDF) . Оптика Экспресс . 11 (2): 98–104. Bibcode : 2003OExpr..11 ... 98H . DOI : 10,1364 / OE.11.000098 . PMID 19461711 . Архивировано из оригинального (PDF) 10 февраля 2020 года.
- ^ .J. DiGiovanni, RS Windeler, «Изделие, содержащее оптическое волокно с воздушной оболочкой», Патент США 5 907 652 ; G02B 006/20 (от 1998 г. до 1997 г.); основан на предыдущем патенте: EAJ Marcatili, "Воздухопроницаемый оптоволоконный волновод", патент США 3712705 (1973).
- ^ Ослунд, Маттиас Л .; Каннинг, Джон (2009). «Волокна в воздушной оболочке для астрономических приборов: ухудшение фокусного расстояния». Экспериментальная астрономия . 24 : 1–7. Bibcode : 2009ExA .... 24 .... 1A . DOI : 10.1007 / s10686-008-9132-7 .
- ^ Дж. Каннинг, Оптика Френеля внутри оптических волокон, в Photonics Research Developments, Глава 5, Nova Science Publishers, США, (2008) и ссылки в нем.