Оптическое волокно субволнового диаметра - Subwavelength-diameter optical fibre

Волокно с субволновым диаметром обволакивает свет вокруг человеческих волос.

А оптическое волокно субволнового диаметра (SDF или же SDOF) является оптоволокно диаметр которого меньше длины волны света, проходящего через него. SDF обычно состоит из длинных толстых частей (таких же, как у обычных оптических волокон) на обоих концах, переходных областей (конусов), где диаметр волокна постепенно уменьшается до значения субволновой длины, и перетяжки субволновой длины, которая является основной действующей частью. Из-за такого сильного геометрического ограничения управляемый электромагнитное поле в SDF ограничен Один Режим называется фундаментальный.

Имя

Нет единого мнения о том, как следует называть эти оптические элементы; разные группы предпочитают подчеркивать разные свойства таких волокон, иногда даже используя разные термины. Используемые имена включают субволновый волновод,[1] субволновой оптический провод,[2] субволна длина-диаметр кремнезем провод,[3] конус волокна с субволновым диаметром,[4][5] (фотонный ) провод волновод,[6][7] фотонная проволока,[8][9][10] фотонный нанопроволока,[11][12][13] оптические нанопроволоки,[14] нанопроволоки оптического волокна,[15] коническое (оптическое) волокно,[16][17][18][19] конус волокна,[20] субмикронный -диаметр кремнеземного волокна,[21][22] ультратонкие оптические волокна,[23] оптический нановолокно,[24][25] оптический микрофибры,[26] субмикронные волоконно-оптические волноводы,[27] микро / нанооптические провода (MNOW).

Период, термин волновод может применяться не только к волокнам, но и к другим волноводным структурам, таким как кремний фотонный субволновые волноводы.[28] Период, термин субмикронный часто является синонимом субволна, поскольку большинство экспериментов проводится с использованием света с длиной волны от 0,5 до 1,6 мкм.[11] Все имена с префиксом нано- несколько вводят в заблуждение, поскольку обычно применяются к объектам с размерами в нанометрах (например, наночастица, нанотехнологии ). Характерное поведение SDF проявляется, когда диаметр волокна составляет примерно половину длины волны света. Вот почему термин субволна является наиболее подходящим для этих объектов.[оригинальное исследование? ]

Производство

SDF обычно создается путем сужения рекламы, обычно ступенчатый индекс, оптоволокно. Осуществляют этот процесс специальные тянущие машины.

Оптическое волокно обычно состоит из сердечника, облицовка, и защитное покрытие. Перед вытягиванием волокна его покрытие удаляется (т.е. раздетый ). Концы оголенного волокна фиксируются на подвижных ступенях «трансляции» на машине. Середина волокна (между ступенями) затем нагревается пламенем (например, горящим кислородно-водород ) или лазерный луч; при этом этапы перевода движутся в противоположных направлениях. Стекло плавится и волокно удлиняется, а его диаметр уменьшается.[29]

Используя описанный метод, получают талии длиной от 1 до 10 мм и диаметром до 100 нм. Чтобы свести к минимуму потери света на несвязанные режимы, необходимо контролировать процесс вытягивания так, чтобы углы сужения удовлетворяли адиабатическое состояние[30] не превышая определенного значения, обычно в порядке нескольких миллирадиан. Для этого лазерный луч подводится к волокну, и выходной свет контролируется датчиком. измеритель оптической мощности на протяжении всего процесса. SDF хорошего качества будет передавать более 95% связанного света,[29] большинство потерь из-за рассеяние на дефекты поверхности или загрязнения в области перетяжки.

Если сужающееся волокно равномерно натянуть на неподвижный источник нагрева, полученный SDF будет иметь экспоненциальный радиусный профиль.[31] Во многих случаях удобно иметь цилиндрическую область перетяжки, то есть перетяжку постоянной толщины. Изготовление такого волокна требует постоянной регулировки горячей зоны путем перемещения источника нагрева,[29] и процесс изготовления значительно удлиняется.

Умение обращаться

Будучи чрезвычайно тонким, SDF также чрезвычайно хрупкий. Поэтому SDF обычно устанавливается на специальную раму сразу после вытягивания и никогда не отсоединяется от этой рамы. Обычный способ крепления волокна к держателю - полимерный клей, например эпоксидная смола или оптический клей.

Пыль однако может прикрепляться к поверхности SDF. Если в волокно подается значительная мощность лазера, частицы пыли будут разбросать свет в мимолетное поле, нагреваются и могут термически повредить поясницу. Чтобы предотвратить это, SDF извлекаются и используются в непыльных средах, таких как проточные боксы или же вакуумные камеры. Для некоторых приложений полезно погрузить только что зауженный SDF в очищенная вода и таким образом предотвратить загрязнение талии.

Приложения

Приложения включают датчики,[32] нелинейная оптика, волоконно-оптические соединители, захват и направление атомов,[25][33][34][35] квантовый интерфейс для обработки квантовой информации,[36][37] полностью оптические переключатели,[38] оптическое манипулирование диэлектрическими частицами.[39][40]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Фостер, М. А .; Гаэта, А. Л. (2004). «Сверхнизкопороговая генерация суперконтинуума в субволновых волноводах». Оптика Экспресс. 12 (14): 3137–3143. Bibcode:2004OExpr..12.3137F. Дои:10.1364 / OPEX.12.003137. PMID  19483834. открытый доступ
  2. ^ Jung, Y .; Brambilla, G .; Ричардсон, Д. Дж. (2008). «Широкополосная одномодовая работа стандартных оптических волокон с использованием субволнового оптического проводного фильтра» (PDF). Оптика Экспресс. 16 (19): 14661–14667. Bibcode:2008OExpr..1614661J. Дои:10.1364 / OE.16.014661. PMID  18795003. открытый доступ
  3. ^ Тонг, L .; Gattass, R. R .; Ashcom, J. B .; Он, С .; Lou, J .; Шен, М .; Максвелл, I .; Мазур, Э. (2003). «Проволока из диоксида кремния субволнового диаметра для оптического волновода с низкими потерями» (PDF). Природа. 426 (6968): 816–819. Bibcode:2003Натура 426..816Т. Дои:10.1038 / природа02193. PMID  14685232. S2CID  15048914.
  4. ^ Mägi, E.C .; Fu, L.B .; Nguyen, H.C .; Lamont, M. R .; Yeom, D. I .; Эгглтон, Б. Дж. (2007). «Повышенная керровская нелинейность в диаметре субволновых халькогенидных волокон As2Se3 сужается». Оптика Экспресс. 15 (16): 10324–10329. Bibcode:2007OExpr..1510324M. Дои:10.1364 / OE.15.010324. PMID  19547382. S2CID  14870791. открытый доступ
  5. ^ Zhang, L .; Gu, F .; Lou, J .; Инь, X .; Тонг, Л. (2008). «Быстрое обнаружение влажности с помощью конуса волокна субволнового диаметра, покрытого желатиновой пленкой». Оптика Экспресс. 16 (17): 13349–13353. Bibcode:2008OExpr..1613349Z. Дои:10.1364 / OE.16.013349. PMID  18711572. открытый доступ
  6. ^ Liang, T. K .; Nunes, L.R .; Сакамото, Т .; Sasagawa, K .; Каваниши, Т .; Tsuchiya, M .; Priem, G.R.A .; Van Thourhout, D .; Dumon, P .; Baets, R .; Цанг, Х.К. (2005). «Сверхбыстрая полностью оптическая коммутация за счет модуляции перекрестного поглощения в кремниевых проволочных волноводах». Оптика Экспресс. 13 (19): 7298–7303. Bibcode:2005OExpr..13.7298L. Дои:10.1364 / OPEX.13.007298. HDL:1854 / LU-327594. PMID  19498753. открытый доступ
  7. ^ Эспинола Р., Дадап Дж., Осгуд Р. Младший, Макнаб С., Власов Ю. (2005). «Преобразование длины волны C-диапазона в кремниевых фотонных проволочных волноводах». Оптика Экспресс. 13 (11): 4341–4349. Bibcode:2005OExpr..13.4341E. Дои:10.1364 / OPEX.13.004341. PMID  19495349. открытый доступ
  8. ^ Lizé, Y.K .; Mägi, E.C .; Ta'Eed, V.G .; Bolger, J. A .; Steinvurzel, P .; Эгглтон, Б. (2004). «Микроструктурированные оптоволоконные фотонные провода с субволновым диаметром сердцевины». Оптика Экспресс. 12 (14): 3209–3217. Bibcode:2004OExpr..12.3209L. Дои:10.1364 / OPEX.12.003209. PMID  19483844. открытый доступ
  9. ^ Желтиков, А. (2005). "Гауссовский анализ нелинейности керровского типа оптических волокон и фотонных проводов, усиленной волноводом". Журнал Оптического общества Америки B. 22 (5): 1100. Bibcode:2005JOSAB..22.1100Z. Дои:10.1364 / JOSAB.22.001100. закрытый доступ
  10. ^ Коноров, С.О .; Акимов, Д. А .; Серебрянников, Е.Е .; Иванов, А. А .; Алфимов, М. В .; Дукельский, К. В .; Хохлов, А. В .; Шевандин, В. С .; Кондратьев Ю.Н. Желтиков, А. М. (2005). «Высшие моды фотонных проволок, возбуждаемые черенковским излучением солитонов». Письма о лазерной физике. 2 (5): 258–261. Bibcode:2005ЛаФЛ ... 2..258К. Дои:10.1002 / лапл.200410176. закрытый доступ
  11. ^ а б Фостер, М. А .; Тернер, А. С .; Lipson, M .; Гаэта, А. Л. (2008). «Нелинейная оптика в фотонных нанопроводах». Оптика Экспресс. 16 (2): 1300–1320. Bibcode:2008OExpr..16.1300F. Дои:10.1364 / OE.16.001300. PMID  18542203. открытый доступ
  12. ^ Wolchover, N.A .; Luan, F .; Джордж, А. К .; Knight, J.C .; Оменетто, Ф. Г. (2007). "Стеклянные фотонно-кристаллические нанопроволоки с высокой нелинейностью". Оптика Экспресс. 15 (3): 829–833. Bibcode:2007OExpr..15..829 Вт. Дои:10.1364 / OE.15.000829. PMID  19532307. открытый доступ
  13. ^ Тонг, L .; Hu, L .; Zhang, J .; Qiu, J .; Ян, Q .; Lou, J .; Shen, Y .; He, J .; Е., З. (2006). «Фотонные нанопроволоки, вытянутые прямо из объемных стекол». Оптика Экспресс. 14 (1): 82–87. Bibcode:2006OExpr..14 ... 82T. Дои:10.1364 / OPEX.14.000082. PMID  19503319. открытый доступ
  14. ^ Сивилоглоу, Г. А .; Сунцов, С .; El-Ganainy, R .; Iwanow, R .; Stegeman, G.I .; Christodoulides, D. N .; Морандотти, Р.; Modotto, D .; Локателли, А .; De Angelis, C .; Поцци, Ф .; Стэнли, К. Р .; Сорель, М. (2006). «Усиленные нелинейные эффекты третьего порядка в оптических нанопроволоках AlGaAs». Оптика Экспресс. 14 (20): 9377–9384. Bibcode:2006OExpr..14.9377S. Дои:10.1364 / OE.14.009377. PMID  19529322. открытый доступ
  15. ^ «Группа оптических волоконных нанопроводов и сопутствующих устройств». Саутгемптонский университет. Архивировано из оригинал 20 февраля 2007 г.
  16. ^ Dumais, P .; Gonthier, F .; Lacroix, S .; Bures, J .; Вильнёв, А .; Wigley, P.G.J .; Стегеман, Г. И. (1993). «Улучшенная фазовая самомодуляция в конических волокнах». Письма об оптике. 18 (23): 1996. Bibcode:1993OptL ... 18.1996D. Дои:10.1364 / OL.18.001996. PMID  19829470. закрытый доступ
  17. ^ Cordeiro, C.M.B .; Wadsworth, W. J .; Биркс, Т. А .; Рассел, П. С. Дж. (2005). «Разработка дисперсии конических волокон для генерации суперконтинуума с помощью лазера накачки 1064 нм». Письма об оптике. 30 (15): 1980–1982. Bibcode:2005 ОптL ... 30.1980C. Дои:10.1364 / OL.30.001980. PMID  16092239. закрытый доступ
  18. ^ Дадли, Дж. М .; Коэн, С. (2002). «Численное моделирование и когерентные свойства генерации суперконтинуума в фотонных кристаллах и конических оптических волокнах». IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 8 (3): 651–659. Bibcode:2002IJSTQ ... 8..651D. Дои:10.1109 / JSTQE.2002.1016369. закрытый доступ
  19. ^ Колесик, М .; Райт, Э. М .; Молони, Дж. В. (2004). «Моделирование распространения фемтосекундных импульсов в конических волокнах субмикронного диаметра». Прикладная физика B. 79 (3): 293–300. Дои:10.1007 / s00340-004-1551-1. S2CID  123400021. закрытый доступ
  20. ^ Wadsworth, W. J .; Ортигоса-Бланш, А .; Knight, J.C .; Биркс, Т. А .; Человек, Т. -П. М .; Рассел, П. С. Дж. (2002). «Генерация суперконтинуума в фотонно-кристаллических волокнах и конусах оптических волокон: новый источник света». Журнал Оптического общества Америки B. 19 (9): 2148. Bibcode:2002JOSAB..19.2148W. Дои:10.1364 / JOSAB.19.002148. открытый доступ
  21. ^ Shi, L .; Чен, X .; Liu, H .; Chen, Y .; Ye, Z .; Liao, W .; Ся, Ю. (2006). «Изготовление кремнеземных волокон субмикронного диаметра с использованием электрического ленточного нагревателя». Оптика Экспресс. 14 (12): 5055–5060. Bibcode:2006OExpr..14.5055S. Дои:10.1364 / OE.14.005055. PMID  19516667. S2CID  12286605. открытый доступ
  22. ^ Mägi, E .; Steinvurzel, P .; Эгглтон, Б. (2004). «Конические фотонно-кристаллические волокна». Оптика Экспресс. 12 (5): 776–784. Bibcode:2004OExpr..12..776M. Дои:10.1364 / OPEX.12.000776. PMID  19474885. открытый доступ
  23. ^ Sagué, G .; Baade, A .; Раушенбойтель, А. (2008). «Поверхностные ловушки с затухающим полем для нейтральных атомов с отстройкой от синего цвета на основе интерференции мод в ультратонких оптических волокнах». Новый журнал физики. 10 (11): 113008. arXiv:0806.3909. Bibcode:2008NJPh ... 10k3008S. Дои:10.1088/1367-2630/10/11/113008. S2CID  18601905. открытый доступ
  24. ^ Nayak, K. P .; Мелентьев, П. Н .; Morinaga, M .; Kien, F. L .; Балыкин, В. И .; Хакута, К. (2007). «Оптическое нановолокно как эффективный инструмент для манипулирования и исследования атомной флуоресценции». Оптика Экспресс. 15 (9): 5431–5438. Bibcode:2007OExpr..15.5431N. Дои:10.1364 / OE.15.005431. PMID  19532797. открытый доступ
  25. ^ а б Моррисси, Майкл Дж .; Дизи, Киран; Фроули, Мэри; Кумар, Рави; Прель, Евгений; Рассел, Лаура; Чыонг, Вьет-Джанг; Ник Хормайк, Síle (август 2013 г.). «Спектроскопия, манипулирование и захват нейтральных атомов, молекул и других частиц с использованием оптических нановолокон: обзор». Датчики. 13 (8): 10449–10481. Дои:10,3390 / с130810449. ЧВК  3812613. PMID  23945738.
  26. ^ Сюй, Ф .; Horak, P .; Брамбилла, Г. (2007). «Оптический рефрактометрический датчик с катушкой из микрофибры» (PDF). Оптика Экспресс. 15 (12): 7888–7893. Bibcode:2007OExpr..15.7888X. Дои:10.1364 / OE.15.007888. PMID  19547115. открытый доступ
  27. ^ Леон-Саваль, С.Г .; Биркс, Т. А .; Wadsworth, W. J .; St j Russell, P .; Мейсон, М. В. (2004). «Генерация суперконтинуума в волоконных субмикронных волноводах». Оптика Экспресс. 12 (13): 2864–2869. Bibcode:2004OExpr..12.2864L. Дои:10.1364 / OPEX.12.002864. PMID  19483801. открытый доступ
  28. ^ Koos, C .; Jacome, L .; Poulton, C .; Leuthold, J .; Фройд, В. (2007). «Нелинейные волноводы кремний на изоляторе для полностью оптической обработки сигналов» (PDF). Оптика Экспресс. 15 (10): 5976–5990. Bibcode:2007OExpr..15.5976K. Дои:10.1364 / OE.15.005976. HDL:10453/383. PMID  19546900. открытый доступ
  29. ^ а б c Ward, J.M .; Maimaiti, A .; Le, Vu H .; Чормаик, С. Ник (01.11.2014). «Авторский обзор: установка для вытягивания оптических микро- и нановолокон». Обзор научных инструментов. 85 (11): 111501. Дои:10.1063/1.4901098. ISSN  0034-6748.
  30. ^ Любовь, J.D .; Генри, W.M .; Стюарт, W.J .; Black, R.J .; Lacroix, S .; Гонтье, Ф. (1991). «Конические одномодовые волокна и устройства. Часть 1: Критерии адиабатичности». IEE Proceedings J Optoelectronics. 138 (5): 343. Дои:10.1049 / ip-j.1991.0060. ISSN  0267-3932.
  31. ^ kenny, R.P .; Birks, T.A .; Окли, К. (1991). «Контроль формы конуса оптического волокна». Письма об электронике. 27 (18): 1654. Дои:10.1049 / el: 19911034. ISSN  0013-5194.
  32. ^ Nayak, K. P .; Мелентьев, П. Н .; Morinaga, M .; Ле Киен, Фам; Балыкин, В. И .; Хакута, К. (2007). «Оптическое нановолокно как эффективный инструмент для манипуляции и исследования атомной флуоресценции». Оптика Экспресс. 15 (9): 5431–5438. Bibcode:2007OExpr..15.5431N. Дои:10.1364 / OE.15.005431. PMID  19532797.
  33. ^ Dawkins, S.T .; Mitsch, R .; Reitz, D .; Vetsch, E .; Раушенбойтель, А. (2011). «Дисперсный оптический интерфейс на основе атомов, захваченных нановолокном». Phys. Rev. Lett. 107 (24): 243601. arXiv:1108.2469. Bibcode:2011ПхРвЛ.107x3601Д. Дои:10.1103 / PhysRevLett.107.243601. PMID  22242999. S2CID  16246674.
  34. ^ Гобан, А .; Choi, K. S .; Alton, D. J .; Ding, D .; Lacroûte, C .; Поточниг, М .; Thiele, T .; Stern, N.P .; Кимбл, Х. Дж. (2012). «Демонстрация нечувствительной к государству компенсированной ловушки из нановолокна». Phys. Rev. Lett. 109 (3): 033603. arXiv:1203.5108. Bibcode:2012PhRvL.109c3603G. Дои:10.1103 / PhysRevLett.109.033603. PMID  22861848. S2CID  10085166.
  35. ^ Ниедду, Томас; Гохроо, Вандна; Chormaic, Síle Nic (14 марта 2016 г.). «Оптические нановолокна и нейтральные атомы». Журнал оптики. 18 (5): 053001. Дои:10.1088/2040-8978/18/5/053001. ISSN  2040-8978.
  36. ^ См., Например, теоретический анализ с приложениями для уточнения квантовое неразрушающее измерениеЦи, Сяодун; Baragiola, Ben Q .; Jessen, Poul S .; Дойч, Иван Х. (2016). «Дисперсионный отклик атомов, захваченных вблизи поверхности оптического нановолокна, с приложениями к квантовым измерениям без разрушения и сжатию спина». Физический обзор A. 93 (2): 023817. arXiv:1509.02625. Bibcode:2016PhRvA..93b3817Q. Дои:10.1103 / PhysRevA.93.023817. S2CID  17366761.
  37. ^ Солано, Пабло; Гровер, Джеффри А .; Хоффман, Джонатан Э .; Равец, Сильвен; Фатеми, Фредрик К .; Orozco, Luis A .; Ролстон, Стивен Л. (01.01.2017), Аримондо, Эннио; Lin, Chun C .; Елин, Сюзанна Ф. (ред.), «Глава седьмая - Оптические нановолокна: новая платформа для квантовой оптики», Достижения в атомной, молекулярной и оптической физике, Academic Press, 66, стр. 439–505, Дои:10.1016 / bs.aamop.2017.02.003 & v = 0ae9236f, получено 2020-10-15
  38. ^ Ле Киен, Фам; Раушенбойтель, А. (2016). «Полностью оптические переключатели на основе нановолокна». Phys. Ред. А. 93 (1): 013849. arXiv:1604.05782. Bibcode:2016PhRvA..93a3849L. Дои:10.1103 / PhysRevA.93.013849. S2CID  119287411.
  39. ^ Brambilla, G .; Муруган, Дж. Сентил; Wilkinson, J. S .; Ричардсон, Д. Дж. (2007-10-15). «Оптическое манипулирование микросферами по субволновому оптическому проводу». Письма об оптике. 32 (20): 3041–3043. Дои:10.1364 / OL.32.003041. ISSN  1539-4794.
  40. ^ Дэли, Марк; Чыонг, Вьет-Джанг; Chormaic, Síle Nic (27.06.2016). «Улавливание наночастиц в непрерывном поле с использованием наноструктурированных ультратонких оптических волокон». Оптика Экспресс. 24 (13): 14470–14482. Дои:10.1364 / OE.24.014470. ISSN  1094-4087.