Fotonikus kristály optikai szál

A fotonikus-kristályos optikai szál (PCF, mikrostrukturált optikai szál, lyukas hullámvezető) az optikai szálak  egy osztálya , amelynek héja kétdimenziós fotonikus kristály szerkezetű .

Ennek a héjszerkezetnek köszönhetően új lehetőségek nyílnak meg a szálak diszperziós tulajdonságainak széles tartományban és az elektromágneses sugárzás lokalizációs fokának szabályozására irányított hullámvezető módokban.

A legtöbb esetben a PCF-ek készítéséhez üveget vagy olvasztott kvarcot használnak levegővel töltött lyukakkal. Néhány lyuk megtölthető más gázokkal vagy folyadékokkal, beleértve a folyadékkristályokat is. Ritkábban használatosak a két különböző típusú üvegből kialakított PCF-ek, amelyek törésmutatói nagyon eltérnek egymástól.

A fotonikus kristályszál kifejezést néha tágabb értelemben használják: szinte minden összetett héjszerkezetű száltípusra vonatkozik, beleértve a mikrostrukturált és nanostrukturált szálakat, valamint a Bragg-szálakat és a lyukas szálakat is.

Osztályozás

A PCF szál magjában a fényvisszatartás fizikai mechanizmusa szerint két nagy osztályra osztható.

Az első osztályt a PCF-ek alkotják, amelyek magjában a fény lokalizációja a fotonikus sávhézagokkal rendelkező héjról való tükörreflexió miatt következik be. Különösen fontos, hogy a sávrésű PCF magja üreges lehet, ami lehetővé teszi a beléjük juttatott sugárzás teljesítményének több nagyságrenddel történő növelését, a veszteségek és a nemlineáris hatások csökkentését.

A másodosztályú PCF fénykorlátozó mechanizmusa meglehetősen hagyományos az optikai szál teljes belső visszaverődése szempontjából . Azonban egy új elvet alkalmaznak a héj törésmutatójának szabályozására, amely a héj szerkezetétől való függésen alapul. A burkolat törésmutatójának szabályozása lehetővé teszi az úgynevezett korlátlan egymódusú szálak létrehozását . Ezekben csak egy módus terjed bármely hullámhosszon . A PCF másik jellemzője az egymódusú rendszer létezése a nagy magátmérőjű szálakban.

A levegőlyukakkal ellátott PCF gyártásához általában egy kerek vagy hatszög keresztmetszetű üreges csövekből összeállított nyersdarabból (előformából) magas hőmérsékletű rajzot használnak. A lyukakat különféle típusú anyagokkal lehet kitölteni a PCF tulajdonságainak szabályozására. Ritkábban használják az optikai szálak előformáinak előállításához az egyik hagyományos technológiával készült előforma lyukak fúrását.

Alkalmazások

A fotonikus kristályszálak felülmúlják a szabványos optikai szálak és hullámvezetők korlátait. Vannak olyan PCF-ek, amelyek számos szokatlan tulajdonsággal rendelkeznek, például:

• PCF-ek, amelyekben a fényterjedés egymódusú módja spektrálisan nem korlátozott;
• PCF tiltott sávval, amely támogatja a levegőmagban a fényterjedés hullámvezető módját;
• PCF nagy, vagy fordítva, nagyon kicsi effektív mód területtel;
• rendkívül nemlineáris PCF-ek;
• polarizációt fenntartó PCF-ek nagyon erős anizotrópiával;
• Nulla diszperziós PCF bármely hullámhosszon a látható és közeli IR tartományban .

A PCF-ek egyik legfontosabb gyakorlati alkalmazása az ezeken alapuló szuperkontinuum generátorok létrehozása (a lézersugárzás széles spektrumú sugárzássá alakítása, azaz alacsony időbeli koherenciájú, magas térbeli koherencia megőrzése mellett) és előállítása ( optikai fésűk ). A PCF-ek alkalmazása a fény hullámhosszának átalakítására, az optikai jelfeldolgozó eszközök létrehozására, a nagy teljesítményű fénysugárzás szállítására és számos egyéb probléma megoldására igen ígéretes.

A PCF-ek jövőjét nagymértékben meghatározza gyártási technológiájuk fejlődése, különösen a csillapítás csökkentésében és a mechanikai szilárdság növelésében elért előrelépés. Szintén fontos a PCV gyártási költségeinek csökkentésének kérdése.

Irodalom

• Dianov E.M. Eredmények a fotonikus kristályszálak és az ultraszéles sávú erősítők létrehozása terén // Lightwave Russian Edition. 2004. No. 1. S. 8–11.
• Naniy O. E., Pavlova E. G. Fotonikus kristályszálak // Lightwave Russian Edition. 2004. No. 3. S. 47–53.
• Zheltikov A.M. Mikrostrukturált szálak optikája. — M.: Nauka, 2004. — 281 p.
• Zheltikov A.M. Perforált hullámvezetők // UFN. 2000. T. 170. S. 1203.
• PST. J. Russell, "Photonic crystal fibers", Science 299 , 358-362 (2003). (A cikk áttekintése.)
• PST. J. Russell, "Photonic kristályszálak", J. Lightwave. Technol. , 24 (12), 4729-4749 (2006). (A cikk áttekintése.)
• 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 és Yoel Fink, "Wavelength-scalable hollow optical fibers with large photonic bandgaps for CO2 laser Transmission", Nature 420 , 650-653 (2002).
• JC Knight, J. Broeng, T. A. Birks és P. St. J. Russell, "Photonic band gap guidance in optical fibers", Science 282, 1476-1478 (1998).
• JC Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell és DM Atkin, "Teljes szilícium-dioxid egymódusú szál fotonikus kristály burkolattal", 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 és DC Allan, "Single-mode photonic band gap guidance of light in air", Science, vol. 285. sz. 5433, pp. 1537-1539, szept. 1999.
• PJ Roberts, F. Couny, H. Sabert, BJ Mangan, DP Williams, L. Farr, MW Mason, A. Tomlinson, TA Birks, JC Knight és P. St.J. Russell: "Üreges magú fotonikus kristályszálak végső alacsony vesztesége", Opt. Express, vol. 13. sz. 1, pp. 236-244, 2005.
• P. Yeh, A. Yariv és E. Marom, "Theory of Bragg fiber", J. Opt. szoc. Am. 68 , 1196-1201 (1978).
• A. Bjarklev, J. Broeng és 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 és Nicolae AP Nicorovici: „Mikrostrukturált polimer optikai szál Optics Express Vol. 9, sz. 7, pp. 319-327 (2001).
• JM Dudley, G. Genty, S. Coen, "Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fiber", Reviews of Modern Physics 78 , 1135 (2006).

Linkek

• Fotonikai és Fotonikus Anyagok Központja (CPPM), Bathi Egyetem [1]
• Prof. Fülöp St. John Russell az erlangeni Max Planck Fénytudományi Intézetben [2] néhány bevezető anyaggal, áttekintésekkel és információkkal a jelenlegi kutatásokról.
• Lézerfizika és -technológia enciklopédiája fotonikus kristályszálakkal , sok hivatkozással
• Steven G. Johnson, Photonic-crystal and microstructured fiber oktatóanyagok (2005).
• Philip Russell: Photonic Crystal Fibers, Történelmi beszámoló itt: IEEE Leo Newsletter, 2007. október  (hivatkozás nem érhető el)
• John D. Joannopoulos, Steven G. Johnson, Joshua N. Winn és Robert D. Meade, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light , második kiadás (Princeton, 2008), 9. fejezet. (Online olvasható.)