Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Фотонно-кристаллическое волокно ( ФКВ ) - это класс оптических волокон, основанный на свойствах фотонных кристаллов . Впервые он был исследован в 1996 году в Университете Бата в Великобритании. Благодаря своей способности ограничивать свет в полых сердцевинах или с характеристиками ограничения, невозможными в обычном оптическом волокне, PCF теперь находит применение в волоконно-оптической связи , волоконных лазерах , нелинейных устройствах, передаче высокой мощности, высокочувствительных газовых датчиках и др. области. Более конкретные категории PCF включают волокна с фотонной запрещенной зоной ( PCF, которые ограничивают свет за счет эффектов запрещенной зоны), дырчатые волокна (PCF с воздушными отверстиями в поперечном сечении),дырчатое волокно (световодные волокна направляют свет с помощью обычного сердечника с более высоким коэффициентом преломления, модифицированного наличием воздушных отверстий) и брэгговское волокно ( волокно с фотонной запрещенной зоной, образованное концентрическими кольцами многослойной пленки). Фотонно-кристаллические волокна можно рассматривать как подгруппу более общего класса микроструктурированных оптических волокон , в которых свет определяется структурными изменениями, а не только различиями в показателях преломления.

СЭМ- микрофотографии фотонно-кристаллического волокна, изготовленного в лаборатории военно-морских исследований США . (слева) Диаметр твердой сердцевины в центре волокна составляет 5 мкм, а (справа) диаметр отверстий составляет 4 мкм.

Описание [ править ]

Оптические волокна превратились во многие формы со времени практических прорывов, которые увидели их более широкое распространение в 1970-х годах в виде обычных волокон со ступенчатым показателем преломления [1] [2], а позже в виде волокон из одного материала, распространение которых определялось эффективной структурой воздушной оболочки. [3]

Как правило, волокна с регулярной структурой, такие как фотонно-кристаллические волокна, имеют поперечное сечение (обычно однородное по длине волокна), микроструктурированное из одного, двух или более материалов, обычно расположенных периодически на большей части поперечного сечения, обычно в виде " оболочка, окружающая ядро ​​(или несколько ядер), в котором ограничен свет. Например, волокна, впервые продемонстрированные Филипом Расселом, состояли из гексагональной решетки воздушных отверстий в кварцевом волокне с твердой (1996 г.) или полой (1998 г.) сердцевиной в центре, через которую направляется свет. Другие конструкции включают концентрические кольца из двух или более материалов, впервые предложенные как «волокна Брэгга» Йе и Яривом (1978), вариант которых был недавно изготовлен Темелкураном и др.(2002), структуры типа «бабочка», «панда» и эллиптические отверстия, используемые для достижения более высокого двулучепреломления из-за неоднородности относительного показателя преломления , спиральные [4] конструкции для более высоких степеней свободы в управлении оптическими свойствами из-за гибкости в изменении различных параметров. и другие виды.

(Примечание: ПК-волокна и, в частности, брэгговские волокна не следует путать с волоконными брэгговскими решетками , которые состоят из периодических изменений показателя преломления или структурных изменений вдоль оси волокна, в отличие от изменений в поперечных направлениях, как в ПКФ. Обе ПКФ а в волоконных брэгговских решетках используется явление брэгговской дифракции , хотя и в разных направлениях.)

Наименьшее зарегистрированное затухание для фотонно-кристаллического волокна с твердой сердцевиной составляет 0,37 дБ / км [5], а для полой сердцевины - 1,2 дБ / км [6].

Строительство [ править ]

Обычно такие волокна конструируются теми же методами, что и другие оптические волокна: сначала создается « преформа » размером в сантиметры, а затем преформа нагревается и вытягивается до гораздо меньшего диаметра (часто почти такого же малого как человеческий волос), уменьшая поперечное сечение преформы, но (обычно) сохраняя те же характеристики. Таким образом, из одной преформы можно производить километры волокна. Самый распространенный метод включает в себя штабелирование, хотя для создания первых апериодических конструкций использовалось сверление / фрезерование. [7] Это послужило последующей основой для производства первых волокон со структурой из мягкого стекла и полимера.

Большинство фотонно-кристаллических волокон было изготовлено из кварцевого стекла , но другие стекла также использовались для получения определенных оптических свойств (таких как высокая оптическая нелинейность). Также растет интерес к их изготовлению из полимера, где было исследовано большое разнообразие структур, включая структуры с градиентным показателем преломления, волокна кольцевой структуры и волокна с полой сердцевиной. Эти полимерные волокна получили название «MPOF», сокращение от микроструктурированных полимерных оптических волокон (van Eijkelenborg, 2001). Комбинация полимера и халькогенидного стекла была использована Temelkuran et al. (2002) для длин волн 10,6 мкм (где диоксид кремния непрозрачен).

Режимы работы [ править ]

Волокна на фотонных кристаллах можно разделить на два режима работы в зависимости от их механизма удержания. Волокна с твердой сердцевиной или сердцевиной с более высоким средним показателем преломления, чем у микроструктурированной оболочки, могут работать по тому же принципу определения показателя преломления, что и обычное оптическое волокно, однако они могут иметь гораздо более высокий эффективный контраст показателей преломления между сердцевиной и оболочкой. , и, следовательно, могут иметь гораздо более сильные ограничения для приложений в нелинейных оптических устройствах, волокнах с сохранением поляризации (или они также могут быть изготовлены с гораздо меньшимэффективный индекс контрастности). В качестве альтернативы можно создать волокно с «фотонной запрещенной зоной», в котором свет ограничивается фотонной запрещенной зоной, создаваемой микроструктурированной оболочкой - такая запрещенная зона, правильно спроектированная, может ограничивать свет в более низком индексе.сердечник и даже полый (воздушный) сердечник. Запрещенные волокна с полыми сердцевинами потенциально могут обойти ограничения, накладываемые доступными материалами, например, для создания волокон, направляющих свет с длинами волн, для которых недоступны прозрачные материалы (поскольку свет в основном находится в воздухе, а не в твердых материалах). Еще одно потенциальное преимущество полого сердечника состоит в том, что в него можно динамически вводить материалы, например газ, который должен быть проанализирован на наличие какого-либо вещества. PCF также можно модифицировать, покрывая отверстия золь-гелями из аналогичного или другого материала с показателем преломления, чтобы улучшить его пропускание света.

История [ править ]

Термин «фотонно-кристаллическое волокно» был введен Филипом Расселом в 1995–1997 годах (он утверждает (2003), что идея возникла в неопубликованной работе 1991 года).

См. Также [ править ]

  • Волоконная решетка Брэгга
  • Волоконная оптика
  • Оптика с градиентным индексом
  • Утечный режим
  • Оптическая связь
  • Оптическая среда
  • Фотонный кристалл
  • Оптическое волокно субволнового диаметра

Ссылки [ править ]

  1. ^ Капроновая, FP (1970). «Радиационные потери в стеклянных оптических волноводах». Письма по прикладной физике . 17 (10): 423. Bibcode : 1970ApPhL..17..423K . DOI : 10.1063 / 1.1653255 .
  2. Перейти ↑ Keck, DB (1973). «О предельном нижнем пределе затухания в стеклянных оптических волноводах». Письма по прикладной физике . 22 (7): 307. Bibcode : 1973ApPhL..22..307K . DOI : 10.1063 / 1.1654649 .
  3. ^ Kaiser PV, Astle HW (1974), Белл Сист. Tech. J., 53, 1021–1039
  4. ^ Агроэл, Арти (февраль 2013). «Укладка равносторонней спирали». Письма IEEE Photonics Technology Letters . 25 : 291–294 - через IEEE.
  5. ^ Тадзима К, Чжоу Дж, Накаджима К, Сато К (2004). "Фотонное кристаллическое волокно со сверхмалыми потерями и большой длиной" Журнал световолновой технологии. Журнал световолновой технологии . 22 : 7–10. Bibcode : 2004JLwT ... 22 .... 7T . Doi : 10.1109 / JLT.2003.822143 .
  6. ^ П. Робертс, Ф. Кауни, Х. Саберт, Б. Манган, Д. Уильямс, Л. Фарр, М. Мейсон, А. Томлинсон, Т. Биркс, Дж. Найт и П. Сент-Дж. Рассел, "Предельно низкие потери в полых фотонно-кристаллических световодах", Опт. Express 13, 236-244 (2005) http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-13-1-236
  7. ^ Консервная J, Бакли Е, Lyttikainen К, Т Райана (2002). «Зависящая от длины волны утечка в оптическом волокне на основе френеля со структурой воздух-диоксид кремния». Оптика Коммуникации . 205 : 95–99. Bibcode : 2002OptCo.205 ... 95C . DOI : 10.1016 / S0030-4018 (02) 01305-6 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Т. А. Биркс, П. Дж. Робертс, П. Сент-Дж. Рассел, Д. М. Аткин и Т. Дж. Шеперд, «Полная двумерная фотонная запрещенная зона в структурах кремнезем / воздух», Электронные письма 31 , 1941-1942 (1995). (Первое представленное предложение ФКП)
  • П. Сент-Дж. Рассел, "Фотонно-кристаллические волокна", Science 299 , 358–362 (2003). (Обзорная статья.)
  • П. Сент-Дж. Рассел, "Фотонно-кристаллические волокна", J. Lightwave. Technol. , 24 (12), 4729-4749 (2006). (Обзорная статья.)
  • Ф. Золла, Дж. Ренверсез, А. Николет, Б. Кулми, С. Гено, Д. Фелбак, «Основы фотонных кристаллических волокон» (Imperial College Press, Лондон, 2005). ISBN 1-86094-507-4 . 
  • Бурак Темелкуран, Шандон Д. Харт, Жиль Бенуа, Джон Д. Джоаннопулос и Йоэль Финк, «Полые оптические волокна с масштабируемой длиной волны с большой фотонной запрещенной зоной для передачи CO2-лазера», Nature 420 , 650–653 (2002).
  • JC Knight, J. Broeng, TA Birks и P. St. J. Russell, "Управление фотонной запрещенной зоной в оптических волокнах", Science 282, 1476–1478 (1998).
  • Дж. К. Найт, Т. А. Биркс, П. Сент-Дж. Рассел и Д. М. Аткин, "Полностью кварцевое одномодовое волокно с фотонно-кристаллической оболочкой", Опт. Lett. 21. С. 1547–1549 (1996). Erratum, там же 22 , 484–485 (1997).
  • RF Cregan, BJ Mangan, JC Knight, TA Birks, P. St.J. Рассел, П. Дж. Робертс и Д. К. Аллан, "Одномодовое фотонное наведение света в запрещенной зоне в воздухе", Science, vol. 285, нет. 5433, стр. 1537–1539, сентябрь 1999 г.
  • П.Дж. Робертс, Ф. Кауни, Х. Саберт, Б.Дж. Манган, Д.П. Уильямс, Л. Фарр, М.В. Мейсон, А. Томлинсон, Т.А. Биркс, Дж. К. Найт и П. Сент-Дж. Рассел, "Предельно низкие потери в полых фотонно-кристаллических световодах", Опт. Экспресс, т. 13, нет. 1. С. 236–244, 2005.
  • П. Йе, А. Ярив, Э. Маром, "Теория брэгговского волокна", J. Opt. Soc. Являюсь. 68 , 1196–1201 (1978).
  • A. Bjarklev, J. Broeng и AS Bjarklev, "Фотонно-кристаллические волокна" (Kluwer Academic Publishers, Бостон, Массачусетс, 2003). ISBN 1-4020-7610-X . 
  • Мартейн А. ван Эйкеленборг, Марианн С.Дж. Лардж, Александр Аргирос, Джозеф Загари, Стивен Манос, Надер А. Исса, Ян Бассетт, Саймон Флеминг, Росс К. Макфедран, К. Мартин де Стерке и Николае А.П. Никоровичи, "Микроструктурированное полимерное оптическое волокно ", Optics Express Vol. 2001. Т. 9. № 7. С. 319–327.
  • Дж. М. Дадли, Дж. Дженти, С. Коэн, "Генерация суперконтинуума в фотонном кристаллическом волокне", Обзоры современной физики 78 , 1135 (2006).

Внешние ссылки [ править ]

  • Центр фотоники и фотонных материалов (CPPM), Университет Бата [1]
  • Группа профессора Филипа Сент-Джона Рассела из Института науки о свете Макса Планка в Эрлангене [2] с некоторыми вводными материалами, обзорами и информацией о текущих исследованиях.
  • Энциклопедия лазерной физики и технологии фотонно-кристаллических волокон , со многими ссылками
  • Стивен Дж. Джонсон , Учебные пособия по фотонным кристаллам и микроструктурированным волокнам (2005).
  • Филип Рассел: Photonic Crystal Fibers, Исторический отчет в: Информационный бюллетень IEEE LEOS, октябрь 2007 г.
  • Джон Д. Джоаннопулос, Стивен Дж. Джонсон , Джошуа Н. Винн и Роберт Д. Мид, Фотонные кристаллы: формирование потока света , второе издание (Принстон, 2008 г.), глава 9. (Доступно для чтения в Интернете).
  • Пленарная презентация Филипа Рассела: Новые применения фотонных кристаллических волокон Новости SPIE