Кіріспе
Фотокристаллдардың қасиеттеріне негізделген оптикалық талшықтың класы. Фотокристалл талшығы (ФКТ) – фотокристаллдардың қасиеттеріне негізделген оптикалық талшықтың класы. Ол алғаш рет 1996 жылы Ұлыбританияның Бат университетінде зерттелді. Жарықты қуыс ядроларға немесе дәстүрлі оптикалық талшықта мүмкін емес шектеу сипаттамаларымен шектеуге қабілетті болғандықтан, ФКТ қазір оптикалық талшықты байланыс, талшықты лазерлер, сызықтық емес құрылғылар, жоғары қуатты тарату, жоғары сезімтал газ сенсорлары және басқа да салаларда қолданылуда. ФКТ-ның нақты санаттарына фотондық жолақтың талшықтары (жарықты жолақтың кедергісі арқылы шектейтін ФКТ), тесікті талшық (көлденең қимасында ауа тесіктерін пайдаланатын ФКТ), тесіктермен көмектесетін талшық (ауа тесіктерінің болуымен өзгертілген дәстүрлі жоғары көрсеткішті ядро арқылы жарықты бағыттайтын ФКТ) және Брэгг талшығы (көп қабатты пленканың концентрлі сақиналарымен қалыптасқан фотондық жолақтың талшығы) жатады. Фотокристалл талшықтарын микроқұрылымдық оптикалық талшықтар класының кіші тобы деп қарастыруға болады, онда жарық тек сыну көрсеткішінің айырмашылығымен емес, құрылымдық өзгерістермен бағытталады. Құрғақ ядролы талшықтар – бұл тесікті оптикалық талшыққа ұқсас оптикалық талшықтың туысқан түрі.
Photonic crystal fiber (PCF) is a class of optical fiber based on the properties of photonic crystals. It was first explored in 1996 at University of Bath, UK. Because of its ability to confine light in hollow cores or with confinement characteristics not possible in conventional optical fiber, PCF is now finding applications in fiber optic communications, fiber lasers, nonlinear devices, high power transmission, highly sensitive gas sensors, and other areas. More specific categories of PCF include photonic bandgap fiber (PCFs that confine light by band gap effects), holey fiber (PCFs using air holes in their cross sections), hole assisted fiber (PCFs guiding light by a conventional higher index core modified by the presence of air holes), and Bragg fiber (photonic bandgap fiber formed by concentric rings of multilayer film). Photonic crystal fibers may be considered a subgroup of a more general class of microstructured optical fibers, where light is guided by structural modifications, and not only by refractive index differences. Hollow core fibers are a related type of optical fiber which bears some resemblance to holey optical fiber.
Сипаттама
Оптикалық талшықтар 1970-ші жылдардағы практикалық табыстардан бері көптеген түрлерге эволюциялады, алғаш кәдімгі қадамдық индекс талшықтары ретінде, кейіннен жарық таралуы тиімді ауа қаптама құрылымымен анықталатын бір материалды талшықтар ретінде кеңінен енгізілді. Жалпы, фотондық кристалл талшықтары сияқты реттелген құрылымды талшықтардың көлденең қимасы (әдетте талшықтың ұзындығы бойымен біркелкі) бір, екі немесе одан көп материалдан тұрады, көбінесе көлденең қиманың көп бөлігінде периодты түрде орналасады. Бұл аймақ "қаптама" деп аталады және жарық шектелген өзекті (немесе бірнеше өзекті) қоршап тұрады. Мысалы, Филип Рассел алғаш көрсеткен талшықтар кремний талшығындағы ауа тесіктерінен тұратын алтыбұрышты тордан тұрады, оның ортасында жарық бағыттауға арналған қатты немесе қуыс өзегі болады. Басқа құрылымдарға екі немесе одан көп материалдан тұратын концентрлі сақиналар (алғаш Йе және Яривпен "Брагг талшықтары" ретінде ұсынылған), бабочка, панда және эллипстік тесік құрылымдары (салыстырмалы сындыру индексінің бұзылуынан жоғары екі сындыруды қол жеткізу үшін қолданылады), спиральдік конструкциялар кіреді, олар жеке параметрлерді өзгертуге мүмкіндік беретін оптикалық қасиеттерді жақсырақ бақылауға мүмкіндік береді. (Ескерту: ПКФ және, әсіресе, Брагг талшықтарын, талшықтың осі бойындағы периодты сындыру индексінің немесе құрылымдық өзгерулерінен тұратын талшықты Брагг торларымен шатастырмау керек, ал ПКФ-дағыдай көлденең бағыттағы өзгерістерден ерекшеленеді. ПКФ және Брагг торлары екеуі де Брагг дифракция құбылысын қолданады, бірақ әртүрлі бағытта.) Қатты өзекті фотондық кристалл талшығының ең төменгі әлсіреуі 0,37 дБ/км, ал қуыс өзекті үшін – 1,2 дБ/км құрайды.
Құрылыс
Жалпы, мұндай талшықтар басқа оптикалық талшықтар сияқты әдістермен жасалады: біріншіден, сантиметр өлшемдес "алдын ала пішін" құрастырылады, содан кейін алдын ала пішін қыздырылып, диаметрі әлдеқайда кішіретіледі (көбінесе адам шашының жуандығындай), преформаның қимасы кішірейтілсе де (әдетте) сол ерекшеліктері сақталады. Осылайша, бір алдын ала пішіннен шақырымдаған талшықтар жасауға болады. Ауа тесіктері көбінесе ішкі қуыс таяқшаларды жинап, оларды қыздыру арқылы реттелген тесіктермен бір таяқшаға біріктіріп жасалады, бірақ алғашқы апериодтық дизайнды жасау үшін бұрғылау/ұнтақтау әдісі де қолданылған. Бұл алғашқы жұмсақ шыны және полимерлік құрылымды талшықтарды өндіруге негіз болды. Көптеген фотондық кристалл талшықтары кремний шынынан жасалған, бірақ белгілі бір оптикалық қасиеттерге қол жеткізу үшін басқа да шынылар қолданылған (мысалы, жоғары оптикалық емес-сызықтылық). Полимерден жасауға да қызығушылық артып келеді, онда сынық индекс құрылымдары, сақина тәрізді талшықтар және қуыс өзекті талшықтар сияқты әртүрлі құрылымдар зерттелді. Бұл полимерлік талшықтар "MPOF" деп аталады, яғни микроқұрылымдық полимерлік оптикалық талшықтар. 2002 жылы Temelkuran және авторлар тобы полимер мен халькогенид шынының қоспасын 10,6 мкм толқын ұзындығы үшін қолданды (онда кремний шыны мөлдір емес).
Жұмыс істеу тәсілдері
Фотоникалық кристалл талшықтарын олардың жарық тұтқындау механизміне сәйкес екі режимге бөлуге болады: индекстік бағыттау және фотондық жолақтың аралық. Индекстік бағытталатын фотоникалық кристалл талшықтарының өзегі, қаптамасынан жоғары орташа сыну индексімен сипатталады. Мұны іске асырудың ең оңай жолы – дәл сол материалдан жасалған, бірақ ауа тесіктерімен араласқан қаптамалы аймақпен қоршалған қатты өзекті сақтау, себебі ауаның сыну индексі қаптаманың орташа сыну индексін төмендетеді. Бұл фотоникалық кристалл талшықтары дәстүрлі оптикалық талшықтардағы индекстік бағыттау принципімен жұмыс істейді, бірақ олар өзектің және қаптаманың тиімді сыну индексінің айырмасы жоғары болуы мүмкін, сондықтан сызықтық емес оптикалық құрылғыларда және поляризацияны сақтайтын талшықтарда жарық күштірек тұтқындалады. Сонымен қатар, олар төмен тиімді индекстік айырмамен де жасалуы мүмкін. Басқаша айтқанда, микроқұрылымдық қаптама арқылы пайда болатын фотондық жолақтың аралығында жарық тұтқындалады. Дұрыс жобаланған мұндай жолақтың аралығы төменгі индекстік өзегінде және тіпті қуыс (ауа) өзегінде жарықты тұтқындауға мүмкіндік береді. Қуыс өзекті талшықтар қолданылатын материалдардың шектеулерін айналып өтуге мүмкіндік береді, мысалы, мөлдір материалдардың қол жетімді емес толқын ұзындығында жарықты басқаратын талшықтар жасауға болады (өйткені жарық негізінен қатты материалдарда емес, ауада болады). Қуыс өзектің тағы бір артықшылығы – өзекке материалдарды динамикалық түрде енгізуге болады, мысалы, қандай да бір заттың болуын анықтау үшін газ. ПКФ жарық өткізгіштігін арттыру үшін тесіктерді ұқсас немесе әртүрлі сыну индексі бар гельдермен қаптау арқылы да өзгертуге болады.
Тарих
"Фотоникалық кристалл талшығы" термині 1995–1997 жылдары Филип Расселлмен енгізілген (ол 2003 жылы бұл идеяның бастауы 1991 жылғы жарияланбаған жұмыстарға дейін барып тоқталады деп мәлімдейді).