Оптические волокна с фотонно-кристаллической структурой

Создание оптического волокна на основе кварцевого стекла позволило системам магистральной связи снять ограничения на скорость передачи и ширину полосы пропускания. коэффициент затухания упал и сигнал стало возможным передавать на сотни километров без регенерации. В настоящее время ведутся поиски новых перспективных волокон в том числе фотонно-кристаллических.

Фотонно-кристаллическое волокна (ФКВ) - это волокна, оболочка которых представляет двумерный - фотонный кристалл с точечным дефектом, расположенным в центре симметрии оптического волокна. Волокно в поперечном сечении обладает периодической структурой, состоящей из множества периодически расположенных микроскопических полых капилляров в виде круглых или шестигранных плотноупакованных трубок создающих в поперечном сечении волокна периодическую двумерную микрорешетку. Эти каналы, расположенные по всей длине волокна (капилляров) локально уменьшают показатель преломления вокруг сердцевины и эффективно заменяют оболочку нормального сплошного волокна. Период и характерный размер элементов структуры волокна меньше длины волны видимого и инфракрасного (ИК)излучения.

Основной особенностью ФКВ является распространение энергии световой волны вдоль линейного дефекта (сердцевины волокна). Сама волна существует виде поперечной одной основной электрической моды ТЕ01 или магнитной моды ТМ01, т.е в поперечном сечении волокна или плоскости решетки фотонного кристалла. см игнатов 103с.

Рис.Поперечное сечение фотонно-кристаллических волокон. а) Слева -поперечное сечение ФКВ со сплошной световедущей жилой в центре.б) Справа- поперечное сечение ФКВ с полой световедущей жилой в центре.

Рис.Структура сечения двумерного ФКВ легированной стеклянной сердцевиной в центре простой шестигранной центрированной ячейки. Это увеличенный размер предыдущего рис б).

Существуют два класса оптических волокон различных по механизму удержанию света в сердцевине.

Первый класс образуют ФКВ со сплошной световедущей жилой. Сердцевина из кварцевого стекла в оболочке из фотонного кристалла (кварцевое стекло с воздушными полостями-каналами) с более низким средним коэффициентом преломления к жиле. Действуют два эффекта: 1.полное внутренне отражение как в обычном световоде, и 2.зонные свойства фотонного кристалла. Количество направляемых мод в сплошной световедущей жиле такого волокна определяется только величиной отношения диаметра воздушных каналов к расстоянию между их осями . Для случая такие дырчатые волноводы являются одномодовыми во всем спектральном диапазоне прозрачности кварца. В таких волокнах все высшие моды кроме мод нулевого порядка уходят в оболочку и затухают. Наличие полостей в оболочке позволяет более чем на порядок увеличить разность показателя преломления световедущей жилы и оболочки по сравнению со стандартным волокном.

Можно получить в волокне одномодовый режим распространения как с большой и малой эффективной площадью поперечного сечения моды, что важно для практических применений.

Второй класс образуют ФКВ с полой сердцевиной. Это волокна с фотонной запрещенной зоной в заданном диапазоне длин волн оптического излучения. Свет распространяется по сердцевине волокна с показателем преломления меньшим, чем средний показатель преломления оболочки. Даже в полой сердцевине, что позволяет на несколько порядков увеличить мощность вводимого в них излучения и уменьшить потери на нелинейные эффекты. Появляется возможность сдвигать длину волны нулевой дисперсии в видимую область спектра, обеспечивая условия для солитонных режимов распространения видимого света. В обычных волноводах это недостижимо.

Среди фотонных волокон можно выделить отдельный класс ФКВ волокон с высокой нелинейностью. ФКВ с малой площадью сердцевины и большими отверстиями позволяют получать нелинейные эффекты в волокнах с малой протяженностью. высокий контраст показателей преломления обеспечивает большое значение волноводной дисперсии, которая может использоваться для компенсации материальной дисперсии кварца. Это позволяет сместить длину волны нулевой дисперсии в любую точку спектра. ФКВ, длина волны нулевой дисперсии, которых лежит в видимой области спектра, широко используются для генерации спектрального суперконтинуума (белого света с очень высокой энергетической яркостью).

Рис Структура ФКВ с сильной нелинейностью. Волокно содержит большие размеры отверстий, тонкие кварцевые перегородки и малый диаметр сердцевины.

Когда диаметр воздушных трубок увеличивается и почти равен расстоянию между трубками свойства ФКВ подобны свойствам кварцевого волокна без оболочки. ФКВ содержащее всего одно кольцо воздушных трубок окружающих сердцевину сочетают сильную нелинейность и малую дисперсию в нужном диапазоне длин волн. См рис

Рис ФКВ с упрощенной структурой. Центральная жила сплошная, боковые лепестки воздушные трубки. а) Сечение волокна. б) профиль коэффициента преломления.

Основные преимущества фотонно-кристаллических волокон:

-одномодовый режим для всех длин волн излучения;

-широкий диапазон изменения площади пятна основной моды-до сотен мкм²;

-постоянное значение коэффициента дисперсии (дисперсионный наклон равен 0,002 пс нм^-1км^-1 для длин волн 1,3-1,5 мкм)

Высокие значения коэффициента дисперсии(2000 пс нм ^-1 км ^-1для специально разработанных структур);

Аномальная и нулевая дисперсия для длин волн меньше 1,3 мкм (видимый спектр)

Высокая нелинейность специальных волокон для генерации гармоник и суперконтинуума;

Точно управляемая поляризация, дисперсия групповой скорости, спектр пропускания и двулучепреломление;

Контролируемая локализация поля в воздушных отверстиях.

Созданы интегральные волноводы на основе фотонных кристаллов ниобата лития.

На рис представлено изображение канального световода в кристалле ниобата лития. Он сформирован методом стандартной диффузии титана. В центральной части кристалла создан фотонный кристалл методом ионного травления. Диаметр отверстий 215 нм, период-413 нм. Данный световод обладает фотонной запрещенной зоной в интервале от 1200 нм до 1600 нм с коэффициентом экстинкции 12 дБ. Рис чап292

Рис Изображение интегрального волновода на основе фотонного кристалла в .