Фотонно-кристаллическое оптическое волокно

Для термина «волокно» см. также другие значения.

Свет, излучаемый фотонно-кристаллическим волокном

Фото́нно-кристалли́ческое опти́ческое волокно́ (ФКВ, микроструктури́рованное опти́ческое волокно́, дырчатый волновод) — класс оптических волокон, оболочка которых имеет структуру двумерного фотонного кристалла.

Благодаря такой структуре оболочки открываются новые возможности управления дисперсионными свойствами волокон в широком диапазоне и степенью локализации электромагнитного излучения в направляемых волноводных модах.

В большинстве случаев для создания ФКВ используют стекло или плавленый кварц с отверстиями, заполненными воздухом. Часть отверстий может быть заполнена другими газами или жидкостями, в том числе жидкими кристаллами. Реже используются ФКВ, образованные двумя различными видами стекла, показатели преломления которых сильно отличаются друг от друга.

Иногда термин фотонно-кристаллическое волокно используется в более широком значении: им обозначают почти все типы волокон со сложной структурой оболочки, в том числе микроструктурированное и наноструктурированное волокно, а также брэгговское волокно и дырчатое волокно.

Классификация

Пример фотонно-кристаллического волокна

По физическому механизму удержания света в сердцевине волокна ФКВ можно разделить на два больших класса.

Первый класс образуют ФКВ, локализация света в сердцевине которых происходит благодаря зеркальному отражению от оболочки, обладающей фотонными запрещёнными зонами. Особенно важно, что сердцевина ФКВ с запрещённой зоной может быть полой, что позволяет на несколько порядков увеличить мощность вводимого в них излучения, уменьшить потери и нелинейные эффекты.

Механизм удержания света в ФКВ второго класса вполне традиционен для оптического волокна — полное внутреннее отражение. Однако в них используется новый принцип управления показателем преломления оболочки, основанный на его зависимости от структуры оболочки. Возможность управления показателем преломления оболочки позволяет создавать так называемые неограниченно одномодовое оптоволокно. В них на любой длине волны распространяется только одна мода. Ещё одна особенность ФКВ — существование одномодового режима в волокнах с большим диаметром сердцевины.

Для изготовления ФКВ с воздушными отверстиями обычно используют вытяжку при высокой температуре из заготовки (преформы), набранной из полых трубок круглого или шестигранного сечения. Отверстия могут заполняться веществами различного типа для управления свойствами ФКВ. Реже используется высверливание отверстий в преформе, изготовленной по одной из традиционных технологий производства заготовок для оптических волокон.

Применения

Фотонно-кристаллические волокна позволяют преодолеть ограничения, свойственные стандартным оптическим волокнам и волноводам. Существуют ФКВ, обладающие многими необычными свойствами, например:

• ФКВ, в которых одномодовый режим распространения света спектрально не ограничен;
• ФКВ с запрещённой зоной, поддерживающие волноводный режим распространения света в воздушной сердцевине;
• ФКВ с большой или, наоборот, с очень малой эффективной площадью моды;
• сверхвысоконелинейные ФКВ;
• поддерживающие поляризацию ФКВ с очень сильной анизотропией;
• ФКВ с нулевой дисперсией на любой длине волны в видимом и ближнем ИК-диапазонах.

Одно из важнейших практических применений ФКВ — создание на их основе генераторов суперконтинуума (конвертации лазерного излучения в излучение с широкой полосой спектра, т. е. низкой временной когерентностью, с сохранением высокой пространственной когерентности) и получения (оптических гребёнок). Очень перспективно использование ФКВ для преобразования длины световой волны, для создания устройств оптической обработки сигналов, для транспортировки мощного светового излучения и для решения многих других задач.

Будущее ФКВ во многом будет определяться развитием технологии их производства, в частности, успехами в направлении снижения затухания и увеличения механической прочности. Также немаловажным является вопрос снижения стоимости производства ФКВ.

Литература

• Дианов Е.М. Достижения в области создания фотонно-кристаллических волокон и сверхширокополосных усилителей // Lightwave Russian Edition. 2004. № 1. С. 8–11.
• Наний О. Е., Павлова Е. Г. Фотонно кристаллические волокна // Lightwave Russian Edition. 2004. № 3. С. 47–53.
• Желтиков А.М. Оптика микроструктурированных волокон. — М.: Наука, 2004. — 281 с.
• Желтиков А.М. Дырчатые волноводы // УФН. 2000. Т. 170. С. 1203.
• P. St. J. Russell, «Photonic crystal fibers», Science 299, 358—362 (2003). (Review article.)
• P. St. J. Russell, «Photonic crystal fibers», J. Lightwave. Technol., 24 (12), 4729-4749 (2006). (Review article.)
• F. Zolla, G. Renversez, A. Nicolet, B. Kuhlmey, S. Guenneau, D. Felbacq, «Foundations of Photonic Crystal Fibres» (Imperial College Press, London, 2005). ISBN 1-86094-507-4.
• Burak Temelkuran, Shandon D. Hart, Gilles Benoit, John D. Joannopoulos, and Yoel Fink, «Wavelength-scalable hollow optical fibres with large photonic bandgaps for CO2 laser transmission», Nature 420, 650—653 (2002).
• J. C. Knight, J. Broeng, T. A. Birks and P. St. J. Russell, "Photonic band gap guidance in optical fibers, " Science 282, 1476—1478 (1998).
• J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell and D. M. 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, P. J. Roberts, and D. C. Allan, "Single-mode photonic band gap guidance of light in air, " Science, vol. 285, no. 5433, pp. 1537-1539, Sep. 1999.
• P. J. Roberts, F. Couny, H. Sabert, B. J. Mangan, D. P. Williams, L. Farr, M. W. Mason, A. Tomlinson, T. A. Birks, J. C. Knight, and P. St.J. Russell, "Ultimate low loss of hollow-core photonic crystal fibers, " Opt. Express, vol. 13, no. 1, pp. 236-244, 2005.
• P. Yeh, A. Yariv, and E. Marom, "Theory of Bragg fiber, " J. Opt. Soc. Am. 68, 1196—1201 (1978).
• A. Bjarklev, J. Broeng, and A. S. Bjarklev, «Photonic crystal fibres» (Kluwer Academic Publishers, Boston, MA, 2003). ISBN 1-4020-7610-X.
• Martijn A. van Eijkelenborg, Maryanne C. J. Large, Alexander Argyros, Joseph Zagari, Steven Manos, Nader A. Issa, Ian Bassett, Simon Fleming, Ross C. McPhedran, C. Martijn de Sterke and Nicolae A.P. Nicorovici, «Microstructured polymer optical fibre», Optics Express Vol. 9, No. 7, pp. 319-327 (2001).
• J. M. Dudley, G. Genty, S. Coen, "Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fiber, " Reviews of Modern Physics 78, 1135 (2006).

Ссылки

• Centre for Photonics and Photonic Materials (CPPM) , University of Bath [1]
• Group of Prof. Philip St. John Russell at the Max Planck Institute for the Science of Light in Erlangen [2] with some introductory material, reviews and information about current research.
• Encyclopedia of Laser Physics and Technology on photonic crystal fibers, with many references
• Steven G. Johnson, Photonic-crystal and microstructured fiber tutorials (2005).
• Philip Russell: Photonic Crystal Fibers, Historical account in: IEEE Leo Newsletter, October 2007 (недоступная ссылка)
• John D. Joannopoulos, Steven G. Johnson, Joshua N. Winn, and Robert D. Meade, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light, second edition (Princeton, 2008), chapter 9. (Readable online.)