Введение

Класс оптических волокон, основанных на свойствах фотонных кристаллов. Фото́нное кристаллическое волокно́ (ФКВ) — это класс оптических волокон, основанный на свойствах фотонных кристаллов. Оно впервые было исследовано в 1996 году в Университете Бата, Великобритания. Благодаря способности конфайнровать свет в полых сердцевинах или с характеристиками конфайнмента, недостижимыми в традиционных оптических волокнах, ФКВ находит применение в волоконно-оптических системах связи, волоконных лазерах, нелинейных устройствах, передаче высокой мощности, высокочувствительных газовых датчиках и других областях. К более специфическим категориям ФКВ относятся волокна с фотонно-кристаллической запрещенной зоной (ФКВ, которые конфайнруют свет за счет эффектов запрещенной зоны), волокна с воздушными отверстиями (ФКВ, использующие воздушные отверстия в своих поперечных сечениях), волокна с отверстиями, способствующие направлению света (ФКВ, направляющие свет посредством обычной сердцевины с более высоким показателем преломления, модифицированной наличием воздушных отверстий), и волокна Брэгга (волокна с фотонно-кристаллической запрещенной зоной, образованные концентрическими кольцами многослойной пленки). Фото́нные кристалличе́ские волокна́ можно рассматривать как подгруппу более общего класса микроструктурированных оптических волокон, в которых свет направляется структурными модификациями, а не только различиями в показателях преломления. Полые волокна — это связанный тип оптических волокон, имеющий некоторое сходство с волокнами с воздушными отверстиями.

Описание

Оптические волокна претерпели множество изменений с момента практических прорывов 1970-х годов, когда они получили более широкое распространение в виде традиционных волокон с градиентным показателем преломления, а затем – одноматериальных волокон, в которых распространение света определялось эффективной структурой воздушной оболочки. В общем случае, регулярно структурированные волокна, такие как фотонные кристаллические волокна, имеют поперечное сечение (обычно однородное по длине волокна), состоящее из одного, двух или более материалов, чаще всего периодически расположенных на большей части сечения. Эта область известна как "оболочка" и окружает сердцевину (или несколько сердцевин), в которой свет удерживается. Например, волокна, впервые продемонстрированные Филипом Расселом, представляли собой шестиугольную решетку воздушных отверстий в кремниевом волокне с твердой или полой сердцевиной в центре, где происходит волноводное рассеяние света. Другие конструкции включают концентрические кольца из двух или более материалов, впервые предложенные Йе и Яривом как "волокна Брэгга", структуры в виде галстука-бабочки, "панда" и эллиптические отверстия (используемые для достижения более высокой бирефракции за счет нерегулярности относительного показателя преломления), а также спиральные конструкции, обеспечивающие лучший контроль над оптическими свойствами, поскольку отдельные параметры могут быть изменены. (Примечание: фотонные кристаллические волокна и, в частности, волокна Брэгга, не следует путать с волоконными решетками Брэгга, которые состоят из периодического изменения показателя преломления или структуры вдоль оси волокна, в отличие от изменений в поперечных направлениях, как в фотонных кристаллических волокнах. И фотонные кристаллические волокна, и волоконные решетки Брэгга используют явления дифракции Брэгга, но в разных направлениях.) Наименьшее зарегистрированное затухание для фотонного кристаллического волокна с твердой сердцевиной составляет 0,37 дБ/км, а для волокна с полой сердцевиной – 1,2 дБ/км.

Строительство

Как правило, такие волокна изготавливаются теми же методами, что и другие оптические волокна: сначала создается "предформа" размером в сантиметры, а затем предформа нагревается и вытягивается до гораздо меньшего диаметра (часто почти такого же, как человеческий волос), уменьшая поперечное сечение предформы, но (обычно) сохраняя те же характеристики. Таким образом, из одной предформы можно получить километры волокна. Воздушные отверстия чаще всего создаются путем сборки полых стержней в пучок и нагрева пучка для сплавления его в единый стержень с упорядоченными отверстиями перед вытягиванием, хотя для создания первых апериодических конструкций использовались сверление и фрезерование. Это послужило основой для производства первых мягких стеклянных и полимерных структурных волокон. Большинство фотонных кристаллических волокон изготавливаются из кварцевого стекла, но также используются другие стекла для получения определенных оптических свойств (например, высокой оптической нелинейности). Растет интерес к их изготовлению из полимера, где исследуется широкий спектр структур, включая структуры с градиентным показателем преломления, кольцевые волокна и волокна с полым сердечником. Эти полимерные волокна получили название "MPOF" – аббревиатура от микроструктурированных полимерных оптических волокон. В 2002 году Temelkuran и др. использовали комбинацию полимера и халькогенидного стекла для длин волн 10,6 мкм (где кварц не прозрачен).

Способы работы

Фотонные кристаллические волокна можно разделить на два режима работы в соответствии с механизмом удержания света: волноводное управление и фотонный запрещенный диапазон. Фотонные кристаллические волокна с волноводным управлением характеризуются сердцевиной со средним показателем преломления выше, чем у оболочки. Самый простой способ добиться этого – сохранить твердую сердцевину, окруженную оболочкой из того же материала, но с внедренными воздушными отверстиями, поскольку показатель преломления воздуха неизбежно снижает средний показатель преломления оболочки. Эти фотонные кристаллические волокна работают по тому же принципу волноводного управления, что и обычные оптические волокна, однако они могут иметь значительно более высокий эффективный контраст показателей преломления между сердцевиной и оболочкой, и, следовательно, обеспечивать более сильное удержание света для применения в нелинейных оптических устройствах и волокнах, сохраняющих поляризацию. Альтернативно, их можно изготовить с гораздо более низким эффективным контрастом показателей преломления. В качестве альтернативы можно создать фотонное кристаллическое волокно с фотонным запрещенным диапазоном, в котором свет удерживается благодаря созданному микроструктурированной оболочкой фотонному запрещенному диапазону. Такой, правильно спроектированный, запрещенный диапазон может удерживать свет в сердцевине с более низким показателем преломления и даже в полых (воздушных) сердцевинах. Волокна с запрещенным диапазоном и полыми сердцевинами потенциально могут обойти ограничения, налагаемые доступными материалами, например, для создания волокон, направляющих свет на длинах волн, для которых прозрачные материалы недоступны (поскольку свет в основном находится в воздухе, а не в твердых материалах). Еще одним потенциальным преимуществом полой сердцевины является возможность динамического введения материалов в сердцевину, например, газа, который необходимо проанализировать на наличие определенного вещества. ПКВ также можно модифицировать, покрывая отверстия золь-гелями из материала с аналогичным или отличающимся показателем преломления для увеличения светопропускания.

История

Термин "фотонно-кристаллическое волокно" был введен Филиппом Расселом в 1995–1997 годах (он указывает (2003), что сама идея восходит к неопубликованным работам 1991 года).