Fibră optică cu cristal fotonic

Fibra optică cu cristal fotonic  (PCF, fibră optică microstructurată, ghid de undă cu gauri) este o clasă de fibre optice , a căror carcasă are structura unui cristal fotonic bidimensional .

Datorită acestei structuri de înveliș, se deschid noi posibilități pentru controlul proprietăților de dispersie ale fibrelor într-o gamă largă și a gradului de localizare a radiației electromagnetice în moduri ghidate de undă.

În cele mai multe cazuri, sticlă sau cuarț topit cu găuri umplute cu aer sunt folosite pentru a crea PCF. Unele dintre găuri pot fi umplute cu alte gaze sau lichide, inclusiv cu cristale lichide. Mai puțin utilizate sunt PCF-urile formate din două tipuri diferite de sticlă, ai căror indici de refracție sunt foarte diferiți unul de celălalt.

Uneori, termenul de fibră de cristal fotonic este folosit într-un sens mai larg: se referă la aproape toate tipurile de fibre cu o structură de înveliș complexă, inclusiv fibre microstructurate și nanostructurate, precum și fibre Bragg și fibre cu găuri.

Clasificare

Conform mecanismului fizic de retenție a luminii în miezul fibrei PCF, aceasta poate fi împărțită în două clase mari.

Prima clasă este formată din PCF, localizarea luminii în miezul căreia are loc datorită reflexiei speculare din carcasă, care are spații de bandă fotonice. Este deosebit de important ca miezul unui PCF cu bandă interzisă să poată fi gol, ceea ce face posibilă creșterea puterii radiației introduse în ele cu mai multe ordine de mărime și reducerea pierderilor și a efectelor neliniare.

Mecanismul de limitare a luminii din PCF de clasa a doua este destul de tradițional pentru fibra optică - reflexie internă totală . Cu toate acestea, ei folosesc un nou principiu pentru controlul indicelui de refracție al cochiliei, bazat pe dependența acestuia de structura cochiliei. Capacitatea de a controla indicele de refracție al învelișului permite crearea așa-numitei fibre monomod nerestricționate . În ele, un singur mod se propagă la orice lungime de undă . O altă caracteristică a PCF este existența unui regim monomod în fibre cu un diametru mare de miez.

Pentru fabricarea PCF cu orificii de aer, desenul la temperatură ridicată este de obicei utilizat dintr-un semifabricat (preformă) asamblat din tuburi goale cu o secțiune transversală rotundă sau hexagonală. Găurile pot fi umplute cu diferite tipuri de substanțe pentru a controla proprietățile PCF. Mai puțin utilizat este forarea găurilor într-o preformă realizată conform uneia dintre tehnologiile tradiționale de producere a preformelor pentru fibre optice.

Aplicații

Fibrele cu cristale fotonice depășesc limitările fibrelor optice standard și ale ghidurilor de undă. Există PCF care au multe proprietăți neobișnuite, de exemplu:

• PCF, în care modul monomod de propagare a luminii nu este limitat spectral;
• PCF cu o bandă interzisă, susținând modul ghid de undă de propagare a luminii în miezul de aer;
• PCF cu o suprafață mare sau, dimpotrivă, cu o zonă de mod eficient foarte mică;
• PCF-uri foarte neliniare;
• PCF-uri de menținere a polarizării cu anizotropie foarte puternică;
• PCF cu dispersie zero la orice lungime de undă în domeniul vizibil și aproape IR .

Una dintre cele mai importante aplicații practice ale PCF-urilor este crearea de generatoare de supercontinuu pe baza acestora (conversia radiației laser în radiații cu o bandă de spectru larg, adică o coerență temporală scăzută, menținând în același timp o coerență spațială ridicată) și obținerea de piepteni optici ). Utilizarea PCF-urilor pentru conversia lungimii de undă a luminii, pentru crearea de dispozitive pentru procesarea semnalului optic, pentru transportul radiațiilor luminoase de mare putere și pentru rezolvarea multor alte probleme este foarte promițătoare.

Viitorul PCF-urilor va fi determinat în mare măsură de dezvoltarea tehnologiei lor de producție, în special de progresul în reducerea atenuării și creșterea rezistenței mecanice. De asemenea, importantă este problema reducerii costului de producție a PCV.

Literatură

• Dianov E.M. Realizări în domeniul creării de fibre de cristal fotonic și amplificatoare cu bandă ultra-largă // Lightwave Russian Edition. 2004. Nr 1. S. 8–11.
• Naniy O. E., Pavlova E. G. Photonic crystal fibres // Lightwave Russian Edition. 2004. Nr 3. S. 47–53.
• Jeltikov A.M. Optica fibrelor microstructurate. — M.: Nauka, 2004. — 281 p.
• Jeltikov A.M. Ghiduri de undă perforate // UFN. 2000. T. 170. S. 1203.
• PST. J. Russell, "Photonic crystal fibers", Science 299 , 358-362 (2003). (Revizuieste articolul.)
• PST. J. Russell, „Photonic crystal fibres”, J. Lightwave. Tehnol. , 24 (12), 4729-4749 (2006). (Revizuieste articolul.)
• F. Zolla, G. Renversez, A. Nicolet, B. Kuhlmey, S. Guenneau, D. Felbacq, „Foundations of Photonic Crystal Fibres” (Imperial College Press, Londra, 2005). ISBN 1-86094-507-4 .
• Burak Temelkuran, Shandon D. Hart, Gilles Benoit, John D. Joannopoulos și Yoel Fink, „Fibre optice goale scalabile în lungime de undă cu bandă interzisă fotonic mare pentru transmisia cu laser CO2”, Nature 420 , 650-653 (2002).
• JC Knight, J. Broeng, T. A. Birks și P. St. J. Russell, „Guidare Photonic band gap in optical fibres”, Science 282, 1476-1478 (1998).
• JC Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell și DM Atkin, „All-silica single-mode fiber with photonic crystal cladding”, Opt. Lett. 21 , 1547-1549 (1996). Erratum, ibid 22 , 484-485 (1997).
• R.F. Cregan, B.J. Mangan, J.C. Knight, T.A. Birks, P. St.J. Russell, PJ Roberts și DC Allan, „Single-mode photonic band gap guidance of light in air”, Science, voi. 285, nr. 5433, pp. 1537-1539, sept. 1999.
• PJ Roberts, F. Couny, H. Sabert, BJ Mangan, DP Williams, L. Farr, MW Mason, A. Tomlinson, TA Birks, JC Knight și P. St.J. Russell, „Pierderea scăzută finală a fibrelor de cristal fotonic hollow-core,” Opt. Express, vol. 13, nr. 1, pp. 236-244, 2005.
• P. Yeh, A. Yariv și E. Marom, „Theory of Bragg fiber”, J. Opt. soc. A.m. 68 , 1196-1201 (1978).
• A. Bjarklev, J. Broeng și 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 și Nicolae AP Nicorovici, „Microstructured polymer optical fiber Optics Express Vol. 9, nr. 7, pp. 319-327 (2001).
• JM Dudley, G. Genty, S. Coen, „Generația de supercontinuu în fibre de cristal fotonic,” Reviews of Modern Physics 78 , 1135 (2006).

Link -uri

• Centrul de Fotonică și Materiale Fotonice (CPPM), Universitatea din Bath [1]
• Grupul Prof. Philip St. John Russell de la Institutul Max Planck pentru Știința luminii din Erlangen [2] cu câteva materiale introductive, recenzii și informații despre cercetările curente.
• Enciclopedia de fizică și tehnologie a laserului pe fibre de cristal fotonic , cu multe referințe
• Steven G. Johnson, Tutoriale cu cristale fotonice și fibre microstructurate (2005).
• Philip Russell: Photonic Crystal Fibres, Cont istoric în: Buletin informativ IEEE Leo, octombrie 2007  (link nu este disponibil)
• John D. Joannopoulos, Steven G. Johnson, Joshua N. Winn și Robert D. Meade, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light , ediția a doua (Princeton, 2008), capitolul 9. (Citibil online.)