Фотонно-кристаллическое волокно

СЭМ- микрофотографии фотонно-кристаллического волокна, произведенного в исследовательской лаборатории ВМС США . (слева) Диаметр твердой сердцевины в центре волокна составляет 5 мкм, а (справа) диаметр отверстий составляет 4 мкм.

Фотонно-кристаллическое волокно ( PCF ) — класс оптического волокна, основанный на свойствах фотонных кристаллов . Впервые он был исследован в 1996 году в Университете Бата, Великобритания. Благодаря своей способности удерживать свет в полых сердцевинах или характеристикам удержания, недоступным для обычного оптического волокна, PCF в настоящее время находит применение в волоконно-оптической связи , волоконных лазерах , нелинейных устройствах, передачах высокой мощности, высокочувствительных газовых датчиках и других устройствах. области. Более конкретные категории PCF включают волокно с фотонной запрещенной зоной (PCF, которые ограничивают свет за счет эффектов запрещенной зоны), дырчатое волокно (PCF, использующее воздушные отверстия в своих поперечных сечениях), волокно с дырками (PCF, направляющее свет с помощью обычной сердцевины с более высоким индексом модифицированное 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 направляется за счет структурных модификаций, а не только за счет различий в показателях преломления. Волокна с полой сердцевиной представляют собой родственный тип оптического волокна, который имеет некоторое сходство с дырчатым оптическим волокном. ^[1]

Описание

Оптические волокна претерпели множество форм после практических прорывов, которые привели к их более широкому внедрению в 1970-х годах в качестве обычных волокон со ступенчатым индексом. ^[2]^[3] а позже в виде волокон из одного материала, где распространение определялось эффективной структурой воздушной оболочки. ^[4]

В общем, волокна с регулярной структурой, такие как фотонно-кристаллические волокна, имеют поперечное сечение (обычно однородное по длине волокна), состоящее из одного, двух или более материалов, чаще всего расположенных периодически по большей части поперечного сечения. Эта зона известна как «оболочка» и окружает ядро (или несколько ядер), в котором задерживается свет. Например, волокна, впервые продемонстрированные Филипом Расселом, представляли собой гексагональную решетку воздушных отверстий в кварцевом волокне с твердой ^[5] или полый ^[6] ядро в центре, куда направляется свет. Другие конструкции включают концентрические кольца из двух или более материалов, впервые предложенные Йе и Яривом как «волокна Брэгга». ^[7] структуры типа «галстук-бабочка», «панда» и эллиптические отверстия (используются для достижения более высокого двойного лучепреломления из-за неравномерности относительного показателя преломления ), спиральные ^[8] конструкции, которые позволяют лучше контролировать оптические свойства, поскольку можно изменять отдельные параметры.

(Примечание: ПКФ и, в частности, волокна Брэгга, не следует путать с волоконными решетками Брэгга , которые состоят из периодического показателя преломления или структурных изменений вдоль оси волокна, в отличие от изменений в поперечных направлениях, как в ПКФ. Оба ПКФ а волоконные брэгговские решетки используют явления брэгговской дифракции , хотя и в разных направлениях.)

Наименьшее зарегистрированное затухание фотонно-кристаллического волокна с твердым сердечником составляет 0,37 дБ/км. ^[9] а для пустотелых конструкций – 1,2 дБ/км. ^[10]

Строительство

Обычно такие волокна изготавливаются теми же методами, что и другие оптические волокна: сначала изготавливается « заготовка » размером в сантиметры, затем нагревается заготовка и вытягивается до гораздо меньшего диаметра (часто почти такого же маленького). как человеческий волос), уменьшая поперечное сечение преформы, но (обычно) сохраняя те же характеристики. Таким образом, из одной заготовки можно производить километры волокна. Воздушные отверстия чаще всего создаются путем сбора полых стержней в пучок и нагревания пучка, чтобы сплавить его в один стержень с упорядоченными отверстиями перед вытяжкой, хотя для создания первых апериодических конструкций использовалось сверление / фрезерование. ^[11] Это послужило последующей основой для производства первых мягких стеклянных и полимерных волокон.

Большинство фотонно-кристаллических волокон изготавливаются из кварцевого стекла , но для получения определенных оптических свойств (таких как высокая оптическая нелинейность) также используются другие стекла. Также растет интерес к их изготовлению из полимеров, где было исследовано большое разнообразие структур, включая структуры с градиентной преломляющей способностью, волокна с кольцевой структурой и волокна с полой сердцевиной. Эти полимерные волокна получили название «MPOF», сокращенно от микроструктурированных полимерных оптических волокон . ^[12] Комбинацию полимера и халькогенидного стекла использовали Темелкуран и др. ^[13] в 2002 году для длин волн 10,6 мкм (где кремнезем непрозрачен).

Режимы работы

Фотонно-кристаллические волокна можно разделить на два режима работы в зависимости от механизма удержания: индексное направление и фотонная запрещенная зона.

Фотонно-кристаллические волокна, направляющие показатель преломления, характеризуются сердцевиной с более высоким средним показателем преломления, чем у оболочки. Самый простой способ добиться этого — сохранить твердый сердечник, окруженный областью оболочки из того же материала, но с вкраплениями отверстий для воздуха, поскольку показатель преломления воздуха обязательно снизит средний показатель преломления оболочки. Эти фотонно-кристаллические волокна работают по тому же принципу регулирования 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 сильное ограничение для приложений в нелинейных оптических устройствах, поляризации и сохранение волокон. Альтернативно, они также могут быть изготовлены с гораздо более низким эффективным индексом контрастности.

В качестве альтернативы можно создать фотонно-кристаллическое волокно с фотонной запрещенной зоной , в котором свет удерживается фотонной запрещенной зоной, созданной микроструктурированной оболочкой - такая запрещенная зона, правильно спроектированная, может удерживать свет в сердцевине с более низким показателем преломления и даже в полой (воздушной) оболочке. ) основной. Волокна с запрещенной зоной с полыми сердцевинами потенциально могут обойти ограничения, налагаемые доступными материалами, например, для создания волокон, которые пропускают свет на длинах волн, для которых недоступны прозрачные материалы (поскольку свет в основном находится в воздухе, а не в твердых материалах). Еще одним потенциальным преимуществом полого ядра является то, что в ядро можно динамически вводить материалы, например газ, который необходимо проанализировать на наличие какого-либо вещества. PCF также можно модифицировать, покрывая отверстия золь-гелями из материала с одинаковым или другим индексом преломления для улучшения пропускания света.

История

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

См. также

Ссылки

^ https://spie.org/news/photonics-focus/julyaug-2022/speeding-light-with-hollow-core-fibers?SSO=1
^ Капрон, Ф.П. (1970). «Потери излучения в стеклянных оптических волноводах». Письма по прикладной физике . 17 (10): 423. Бибкод : 1970АпФЛ..17..423К . дои : 10.1063/1.1653255 .
^ Кек, Д.Б. (1973). «О предельном нижнем пределе затухания в стеклянных оптических волноводах». Письма по прикладной физике . 22 (7): 307. Бибкод : 1973АпФЛ..22..307К . дои : 10.1063/1.1654649 .
^ Кайзер П.В., Astle HW, (1974), Bell Syst. Тех. Дж., 53, 1021–1039
^ Дж. К. Найт, Т. А. Биркс, П. Ст. Дж. Рассел и Д. М. Аткин, «Полностью кварцевое одномодовое оптическое волокно с фотонно-кристаллической оболочкой», Opt. Летт. 21, 1547–1549 (1996)
^ дои : 10.1126/science.282.5393.1476 .
^ П. Йе, А. Ярив и Э. Маром, «Теория брэгговского волокна», J. Opt. Соц. Являюсь. 68 , 1196–1201 (1978)
^ Агравал, Арти (февраль 2013 г.). «Сложение равноугольной спирали» . Письма IEEE Photonics Technology . 25 (3): 291–294. Бибкод : 2013IPTL...25..291A . дои : 10.1109/LPT.2012.2236309 . S2CID 30334079 – через IEEE.
^ Тадзима К., Чжоу Дж., Накадзима К., Сато К. (2004). «Фотонно-кристаллическое волокно со сверхнизкими потерями и большой длиной». Журнал световых технологий». Журнал световых технологий . 22 (1): 7–10. Бибкод : 2004JLwT...22....7T . doi : 10.1109/JLT.2003.822143 .S2CID 8045306 .
^ П. Робертс, Ф. Коуни, Х. Саберт, Б. Манган, Д. Уильямс, Л. Фарр, М. Мейсон, А. Томлинсон, Т. Биркс, Дж. Найт и П. Ст. Дж. Рассел, «Максимально низкие потери в полых фотонно-кристаллических волокнах», опция. Экспресс 13, 236–244 (2005) http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-13-1-236
^ Каннинг Дж., Бакли Э., Литтикайнен К., Райан Т. (2002). «Утечка, зависящая от длины волны, в оптическом волокне со структурой воздуха и кремния на основе Френеля». Оптические коммуникации . 205 (1–3): 95–99. Бибкод : 2002OptCo.205...95C . дои : 10.1016/S0030-4018(02)01305-6 .
^ Мартейн А. ван Эйкеленборг, Марианна Си Джей Лардж, Александр Аргирос, Джозеф Загари, Стивен Манос, Надер А. Исса, Ян Бассетт, Саймон Флеминг, Росс К. Макфедран, К. Мартейн де Стерке и Николае А. П. Никоровичи, «Микроструктурированный полимер оптическое волокно», Опт. Экспресс 9, 319–327 (2001)
^ Темелькуран, Бурак; Харт, Шандон Д.; Бенуа, Жиль; Джоаннопулос, Джон Д.; Финк, Йоэль (2002). «Полые оптические волокна с масштабируемой длиной волны и большой фотонной запрещенной зоной для передачи CO2-лазера». Природа . 420 (6916): 650–653. Бибкод : 2002Natur.420..650T . дои : 10.1038/nature01275 . ПМИД 12478288 . S2CID 4326376 .

Дальнейшее чтение

Т. А. Биркс, П. Дж. Робертс, П. Ст. Дж. Рассел, Д. М. Аткин и Т. Дж. Шеперд, «Полная двумерная фотонная запрещенная зона в структурах кремния/воздуха» Electronic Letters 31 , 1941-1942 (1995). (Первое предложенное предложение PCF)
П. Ст. Дж. Рассел, «Фотонно-кристаллические волокна», Science 299 , 358–362 (2003). (Обзорная статья.)
П. Ст. Дж. Рассел, «Фотонно-кристаллические волокна», Дж. Лайтвейв. Технол. , 24 (12), 4729–4749 (2006). (Обзорная статья.)
Ф. Золла, Г. Ренверсез, А. Николе, Б. Кульми, С. Генно, Д. Фелбак, «Основы фотонно-кристаллических волокон» (Imperial College Press, Лондон, 2005). ISBN 1-86094-507-4 .
РФ Креган, Б. Дж. Манган, Дж. К. Найт, Т. А. Биркс, П. Ст.Дж. Рассел, П. Дж. Робертс и Д. К. Аллан, «Одномодовое фотонное управление светом в запрещенной зоне», Science, vol. 285, нет. 5433, стр. 1537–1539, сентябрь 1999 г.
А. Бьярклев, Дж. Броенг и А.С. Бьярклев, «Фотонные кристаллические волокна» (Kluwer Academic Publishers, Бостон, Массачусетс, 2003). ISBN 1-4020-7610-X .
Дж. М. Дадли, Дж. Дженти, С. Коэн, «Генерация суперконтинуума в фотонно-кристаллическом волокне», Reviews of Modern Physics 78 , 1135 (2006).

Внешние ссылки

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 технологий фотонно-кристаллических волокон со множеством ссылок.
Стивен Г. Джонсон , Учебные пособия по фотонно-кристаллическим и микроструктурированным волокнам (2005).
Филип Рассел: Фотонно-кристаллические волокна, Исторический отчет в: Информационном бюллетене IEEE LEOS, октябрь 2007 г.
Джон Д. Джоаннопулос, Стивен Г. Джонсон , Джошуа Н. Винн и Роберт Д. Мид, Фотонные кристаллы: формирование потока света , второе издание (Принстон, 2008 г.), глава 9. (Доступно для чтения онлайн.)
Пленарная презентация Филипа Рассела: Новые применения фотонно-кристаллических волокон Отдел новостей SPIE

[1] ttps://spie.org/news/photonics-focus/julyaug-2022/speeding-light-with-hollow-core-fibers?SSO=1

[2] Капрон, Ф.П. (1970). «Потери излучения в стеклянных оптических волноводах». Письма по прикладной физике . 17 (10): 423. Бибкод : 1970АпФЛ..17..423К . дои : 10.1063/1.1653255 .

[3] Кек, Д.Б. (1973). «О предельном нижнем пределе затухания в стеклянных оптических волноводах». Письма по прикладной физике . 22 (7): 307. Бибкод : 1973АпФЛ..22..307К . дои : 10.1063/1.1654649 .

[4] Кайзер П.В., Astle HW, (1974), Bell Syst. Тех. Дж., 53, 1021–1039

[5] Дж. К. Найт, Т. А. Биркс, П. Ст. Дж. Рассел и Д. М. Аткин, «Полностью кварцевое одномодовое оптическое волокно с фотонно-кристаллической оболочкой», Opt. Летт. 21, 1547–1549 (1996)

[6] дои : 10.1126/science.282.5393.1476 .

[7] П. Йе, А. Ярив и Э. Маром, «Теория брэгговского волокна», J. Opt. Соц. Являюсь. 68 , 1196–1201 (1978)

[8] Агравал, Арти (февраль 2013 г.). «Сложение равноугольной спирали» . Письма IEEE Photonics Technology . 25 (3): 291–294. Бибкод : 2013IPTL...25..291A . дои : 10.1109/LPT.2012.2236309 . S2CID 30334079 – через IEEE.

[9] Тадзима К., Чжоу Дж., Накадзима К., Сато К. (2004). «Фотонно-кристаллическое волокно со сверхнизкими потерями и большой длиной». Журнал световых технологий». Журнал световых технологий . 22 (1): 7–10. Бибкод : 2004JLwT...22....7T . doi : 10.1109/JLT.2003.822143 .S2CID 8045306 .

[10] П. Робертс, Ф. Коуни, Х. Саберт, Б. Манган, Д. Уильямс, Л. Фарр, М. Мейсон, А. Томлинсон, Т. Биркс, Дж. Найт и П. Ст. Дж. Рассел, «Максимально низкие потери в полых фотонно-кристаллических волокнах», опция. Экспресс 13, 236–244 (2005) http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-13-1-236

[11] Каннинг Дж., Бакли Э., Литтикайнен К., Райан Т. (2002). «Утечка, зависящая от длины волны, в оптическом волокне со структурой воздуха и кремния на основе Френеля». Оптические коммуникации . 205 (1–3): 95–99. Бибкод : 2002OptCo.205...95C . дои : 10.1016/S0030-4018(02)01305-6 .

[12] Мартейн А. ван Эйкеленборг, Марианна Си Джей Лардж, Александр Аргирос, Джозеф Загари, Стивен Манос, Надер А. Исса, Ян Бассетт, Саймон Флеминг, Росс К. Макфедран, К. Мартейн де Стерке и Николае А. П. Никоровичи, «Микроструктурированный полимер оптическое волокно», Опт. Экспресс 9, 319–327 (2001)

[13] Темелькуран, Бурак; Харт, Шандон Д.; Бенуа, Жиль; Джоаннопулос, Джон Д.; Финк, Йоэль (2002). «Полые оптические волокна с масштабируемой длиной волны и большой фотонной запрещенной зоной для передачи CO2-лазера». Природа . 420 (6916): 650–653. Бибкод : 2002Natur.420..650T . дои : 10.1038/nature01275 . ПМИД 12478288 . S2CID 4326376 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]