Фотонно-кристаллическое волокно - Photonic-crystal fiber

Фотонно-кристаллическое волокно (PCF) является классом оптоволокно на основе свойств фотонные кристаллы. 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-оптическая связь, волоконные лазеры, нелинейные устройства, передача большой мощности, высокочувствительные датчики газа и другие области. Более конкретные категории PCF включают: фотонно-запрещенное волокно (ПКФ, которые ограничивают свет за счет эффектов запрещенной зоны), дырявое волокно (ПКВ с воздушными отверстиями в поперечном сечении), дырявый оптоволокно (световодные волокна направляют свет с помощью обычного сердечника с более высоким показателем преломления, модифицированного наличием воздушных отверстий), и Брэгговское волокно (фотонно-запрещенное волокно, образованное концентрическими кольцами многослойной пленки). Фотонно-кристаллические волокна можно рассматривать как подгруппу более общего класса микроструктурированные оптические волокна, где свет определяется структурными изменениями, а не только различиями в показателях преломления.

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

Описание

Оптические волокна превратились во многие формы со времени практических прорывов, которые повлекли за собой более широкое внедрение в 1970-х годах в качестве обычных волокон со ступенчатым показателем преломления.[1][2] и позже как волокна 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, представляли собой гексагональную решетку воздушных отверстий в кремнезем волокно с твердым (1996 г.) или полым (1998 г.) сердечником в центре, через которое направляется свет. Другие устройства включают концентрические кольца из двух или более материалов, впервые предложенные как «волокна Брэгга» Йе и Ярив (1978), вариант которых был недавно изготовлен Темелкураном. и другие. (2002), галстук-бабочка, панда и эллиптические отверстия, используемые для достижения более высоких Двулучепреломление из-за нерегулярности относительный показатель преломления, спираль [4] конструкции для более высоких степеней свободы в управлении оптическими свойствами за счет гибкости в изменении различных параметров и других типов.

(Примечание: PCF и, в частности, волокна Брэгга не следует путать с волоконные решетки Брэгга, состоящие из периодических показатель преломления или структурные изменения вдоль оси волокна, в отличие от изменений в поперечных направлениях, как в PCF. И в ПКФ, и в волоконных решетках Брэгга используются Брэгговская дифракция явления, хотя и в разных направлениях.)

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

Строительство

Обычно такие волокна конструируются теми же методами, что и другие оптические волокна: сначала создается "преформа "размером в сантиметры, а затем нагревает преформу и вытягивает ее до гораздо меньшего диаметра (часто почти такого же размера, как человеческий волос), уменьшая поперечное сечение преформы, но (обычно) сохраняя те же характеристики. Таким образом, километры волокна могут быть произведены из одной преформы.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 были изготовлены в кварцевое стекло, 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 с кольцевой структурой и волокна с полой сердцевиной. Эти полимерные волокна получили название «MPOF», сокращение от «микроструктурированные». полимерные оптические волокна (ван Эйкеленборг, 2001). Комбинация полимера и халькогенидное стекло использовался Темелкураном и другие. (2002) для 10.6 мкм длины волн (где диоксид кремния непрозрачен).

Режимы работы

Волокна на фотонных кристаллах можно разделить на два режима работы в зависимости от их механизма удержания. Те, у кого сплошная сердцевина или сердцевина с более высоким средним показателем, чем у микроструктурированной оболочки, могут работать на одном и том же указатель принципа действия обычного оптического волокна, однако они могут иметь гораздо более высокую эффективность. контраст показателя преломления между сердцевиной и оболочкой и, следовательно, может иметь гораздо более сильное ограничение для приложений в нелинейных оптических устройствах, поляризация -содержащие волокна (или они также могут быть ниже эффективный индекс контрастности). В качестве альтернативы можно создать световод с «фотонной запрещенной зоной», в котором свет ограничивается фотонной запрещенной зоной, создаваемой микроструктурированной оболочкой - такая запрещенная зона, правильно спроектированная, может ограничивать свет в нижний индекс сердечник и даже полый (воздушный) сердечник. Волокна с запрещенной зоной с полыми сердцевинами могут потенциально 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

Термин «фотонно-кристаллическое волокно» был введен Филип Рассел в 1995–1997 годах (он заявляет (2003), что идея восходит к неопубликованной работе 1991 года).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Капрон, Ф. П. (1970). «Радиационные потери в стеклянных оптических волноводах». Письма по прикладной физике. 17 (10): 423. Bibcode:1970АпФЛ..17..423К. Дои:10.1063/1.1653255.
  2. ^ Кек, Д. (1973). «О предельном нижнем пределе затухания в стеклянных оптических волноводах». Письма по прикладной физике. 22 (7): 307. Bibcode:1973АпФЛ..22..307К. Дои:10.1063/1.1654649.
  3. ^ Kaiser P.V., Astle H.W. (1974), Bell Syst. Tech. J., 53, 1021–1039
  4. ^ Агравал, Арти (февраль 2013 г.). «Укладка равносторонней спирали». Письма IEEE Photonics Technology. 25: 291–294 - через IEEE.
  5. ^ Тадзима К., Чжоу Дж., Накадзима К., Сато К. (2004). "Фотонно-кристаллическое волокно со сверхмалыми потерями и большой длиной" Журнал световых технологий ". Журнал технологии световых волн. 22: 7–10. Bibcode:2004JLwT ... 22 .... 7Т. Дои: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 фотонно-кристаллических световодах с полой сердцевиной, Опт. Экспресс 13, 236-244 (2005)http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-13-1-236
  7. ^ Каннинг Дж., Бакли Э., Литтикайнен К., Райан Т. (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. Дои:10.1016 / S0030-4018 (02) 01305-6.

дальнейшее чтение

  • Т. А. Биркс, П. Дж. Робертс, П. Сент-Дж. Рассел, Д. М. Аткин и Т. Дж. Шеперд, "Полная 2-мерная фотонная запрещенная зона в структурах диоксид кремния / воздух" Электронные письма 31, 1941-1942 (1995). (Первое заявленное предложение ФКП)
  • П. Сент-Дж. Рассел, "Фотонно-кристаллические волокна". Наука 2992003. Т. 358–362. (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 и большой фотонной запрещенной зоной для передачи CO2-лазера», Природа 420, 650–653 (2002).
  • Дж. К. Найт, Дж. Броенг, Т. А. Биркс и П. Сент-Дж. Рассел, "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, «Одномодовое волокно, полностью состоящее из кварца, с фотонно-кристаллической оболочкой». Опт. Lett. 21, 1547–1549 (1996). Erratum, там же 22, 484–485 (1997).
  • Р. Ф. Креган, Б. Дж. Манган, Дж. К. Найт, Т. А. Биркс, П. Сент-Дж. 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 A. S. 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).

внешняя ссылка