Optické vlákno fotonického krystalu

Optické vlákno s fotonickým krystalem  (PCF, mikrostrukturované optické vlákno, děrový vlnovod) je třída optických vláken , jejichž obal má strukturu dvourozměrného fotonického krystalu .

Díky této struktuře pláště se otevírají nové možnosti pro řízení disperzních vlastností vláken v širokém rozsahu a stupně lokalizace elektromagnetického záření v režimech řízených vlnovodů.

Ve většině případů se k výrobě PCF používá sklo nebo tavený křemen s otvory naplněnými vzduchem. Některé z otvorů mohou být vyplněny jinými plyny nebo kapalinami, včetně tekutých krystalů. Méně používané jsou PCF tvořené dvěma různými typy skel, jejichž indexy lomu se od sebe velmi liší.

Někdy se termín vlákno fotonického krystalu používá v širším smyslu: označuje téměř všechny typy vláken se složitou strukturou obalu, včetně mikrostrukturovaných a nanostrukturních vláken, stejně jako Braggova vlákna a děrovaná vlákna.

Klasifikace

Podle fyzikálního mechanismu zadržování světla v jádře PCF vlákna jej lze rozdělit do dvou velkých tříd.

První třídu tvoří PCF, k lokalizaci světla v jejich jádru dochází díky zrcadlovému odrazu od obalu, který má fotonické zakázané pásmo. Obzvláště důležité je, že jádro PCF s zakázaným pásmem může být duté, což umožňuje zvýšit výkon záření do nich vneseného o několik řádů a snížit ztráty a nelineární efekty.

Mechanismus omezení světla v PCF druhé třídy je zcela tradiční pro optické vlákno - totální vnitřní odraz . Používají však nový princip pro řízení indexu lomu pláště, založený na jeho závislosti na struktuře pláště. Schopnost řídit index lomu pláště umožňuje vytvoření tzv. neomezeného jednovidového vlákna . V nich se na jakékoli vlnové délce šíří pouze jeden mód . Dalším rysem PCF je existence jednovidového režimu u vláken s velkým průměrem jádra.

Pro výrobu PCF se vzduchovými otvory se obvykle používá vysokoteplotní tažení z polotovaru (předlisku) sestaveného z dutých trubek kruhového nebo šestihranného průřezu. Otvory mohou být vyplněny různými typy látek pro kontrolu vlastností PCF. Méně používané je vrtání otvorů do předlisku vyrobeného podle jedné z tradičních technologií výroby předlisku pro optická vlákna.

Aplikace

Vlákna fotonických krystalů překonávají omezení standardních optických vláken a vlnovodů. Existují PCF, které mají mnoho neobvyklých vlastností, například:

• PCF, ve kterých není jednovidový režim šíření světla spektrálně omezen;
• PCF se zakázaným pásmem, podporující vlnovodný způsob šíření světla ve vzduchovém jádru;
• PCF s velkou nebo naopak s velmi malou oblastí efektivního režimu;
• ultra vysoce nelineární PCF;
• polarizace - udržující PCF s velmi silnou anizotropií;
• PCF s nulovou disperzí při jakékoli vlnové délce ve viditelném a blízkém -IR rozsahu .

Jednou z nejdůležitějších praktických aplikací PCF je vytvoření generátorů superkontinua na nich založených (přeměna laserového záření na záření se širokým spektrem, tj. nízkou časovou koherencí při zachování vysoké prostorové koherence) a získávání ( optické hřebeny ). Velmi slibné je využití PCF pro konverzi vlnové délky světla, pro vytváření zařízení pro optické zpracování signálu, pro transport vysoce výkonného světelného záření a pro řešení mnoha dalších problémů.

Budoucnost PCF bude do značné míry určována rozvojem jejich výrobní technologie, zejména pokrokem ve snižování útlumu a zvyšování mechanické pevnosti. Důležitá je také otázka snižování nákladů na výrobu PCV.

Literatura

• Dianov E.M. Úspěchy v oblasti vytváření vláken fotonických krystalů a ultraširokopásmových zesilovačů // Lightwave Russian Edition. 2004. č. 1. S. 8–11.
• Naniy O. E., Pavlova E. G. Vlákna fotonických krystalů // Lightwave Russian Edition. 2004. č. 3. S. 47–53.
• Zheltikov A.M. Optika mikrostrukturovaných vláken. — M.: Nauka, 2004. — 281 s.
• Zheltikov A.M. Perforované vlnovody // UFN. 2000. T. 170. S. 1203.
• P.St. J. Russell, "Photonic crystal fiber", Science 299 , 358-362 (2003). (Recenze článku.)
• P.St. J. Russell, "Fotonická krystalová vlákna", J. Lightwave. Technol. 24 (12) , 4729-4749 (2006). (Recenze článku.)
• F. Zolla, G. Renversez, A. Nicolet, B. Kuhlmey, S. Guenneau, D. Felbacq, "Foundations of Photonic Crystal Fibres" (Imperial College Press, Londýn, 2005). ISBN 1-86094-507-4 .
• Burak Temelkuran, Shandon D. Hart, Gilles Benoit, John D. Joannopoulos a Yoel Fink, "Dutá optická vlákna se škálovatelnou vlnovou délkou s velkými fotonickými mezerami pro přenos CO2 laseru", Nature 420 , 650-653 (2002).
• JC Knight, J. Broeng, T. A. Birks a P. St. J. Russell, "Photonic band gap guide in optických vláken," Science 282, 1476-1478 (1998).
• JC Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell a DM Atkin, "Celokřemičité jednovidové vlákno s opláštěním fotonickým krystalem," Opt. Lett. 21 , 1547-1549 (1996). Erratum, tamtéž 22 , 484-485 (1997).
• R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, PJ Roberts a DC Allan, "Single-mode photonic band gap guide of light in air," Science, sv. 285, č.p. 5433, str. 1537-1539, září. 1999.
• PJ Roberts, F. Couny, H. Sabert, BJ Mangan, DP Williams, L. Farr, MW Mason, A. Tomlinson, TA Birks, JC Knight a P. St.J. Russell, "Ultimátně nízká ztráta vláken fotonických krystalů s dutým jádrem," Opt. Express, sv. 13, č. 1, str. 236-244, 2005.
• P. Yeh, A. Yariv a E. Marom, "Teorie Braggova vlákna", J. Opt. soc. Dopoledne. 68 , 1196-1201 (1978).
• A. Bjarklev, J. Broeng a AS Bjarklev, "Photonic crystal fibres" (Kluwer Academic Publishers, Boston, MA, 2003). ISBN 1-4020-7610-X .
• Martijn A. van Eijkelenborg, Maryanne CJ Large, Alexander Argyros, Joseph Zagari, Steven Manos, Nader A. Issa, Ian Bassett, Simon Fleming, Ross C. McPhedran, C. Martijn de Sterke a Nicolae AP Nicorovici, „Mikrostrukturované polymerní optické vlákno Optics Express sv. 9, č. 7, str. 319-327 (2001).
• JM Dudley, G. Genty, S. Coen, "Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fiber," Reviews of Modern Physics 78 , 1135 (2006).

Odkazy

• Centrum pro fotoniku a fotonické materiály (CPPM), University of Bath [1]
• Skupina prof. Filip St. John Russell z Institutu Maxe Plancka pro vědu světla v Erlangenu [2] s některými úvodními materiály, recenzemi a informacemi o současném výzkumu.
• Encyklopedie laserové fyziky a technologie na vláknech fotonického krystalu s mnoha odkazy
• Steven G. Johnson, Photonic-crystal and microstructured vlákno konzultace (2005).
• Philip Russell: Photonic Crystal Fibers, Historický účet v: IEEE Leo Newsletter, říjen 2007  (odkaz není k dispozici)
• John D. Joannopoulos, Steven G. Johnson, Joshua N. Winn a Robert D. Meade, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light , druhé vydání (Princeton, 2008), kapitola 9. (Čtené online.)