Словарь нанотехнологий
Волокно фотонно-кристаллическое

Волокно фотонно-кристаллическое

Термин

волокно фотонно-кристаллическое

Термин на английском

photonic crystal fiber

Аббревиатуры

ФКВ, PCF

Связанные термины

волновод, фотоника

Определение

класс оптических волноводов, в котором фотонные запрещенные зоны (ФЗЗ) реализованы путем создания структуры двумерного фотонного кристалла на основе композиции "кварцевое стекло - воздух", формируемой в оболочке оптического волновода

Описание

Фотонно-кристаллическое волокно (ФКВ) - это оптическое волокно (ОВ), поперечное сечение которого, постоянное по длине волокна, представляет собой двумерный фотонный кристалл (ФК) с точечным дефектом, расположенным, как правило, в центре симметрии ОВ. Структура двумерного ФК формируется в оболочке с помощью симметрично расположенных вокруг сердцевины полых капилляров в виде круглых или шестигранных плотноупакованных диэлектрических трубок, создающих периодическую двумерную макрорешетку. При определенных условиях такая структура может формировать ФЗЗ. Основная особенность ФКВ в том, что распространение энергии световой волны в таком ОВ происходит вдоль линейного дефекта, которым является, как правило, область сердцевины, а сама волна существует в виде поперечной моды TE01 или TM01, т.е. в поперечном сечении волокна (или в плоскости решетки ФК) [1].

Существует два основных типа ФКВ:

• ФКВ с сердцевиной из чистого кварцевого стекла, обладающей высоким показателем преломления, и окружающей ее оболочкой, имеющей структуру двумерного ФК и характеризующейся неким эффективным (низким) показателем преломления. Характерным для данного ФКВ является то, что оно похоже на обычное ОВ, и свет в нем направляется по сердцевине на основе закона полного внутреннего отражения, но мода - не продольная, а поперечная;
• ФКВ с полой (воздушной) сердцевиной, имеющей низкий показатель преломления, и окружающей ее оболочкой со структурой двумерного ФК, обладающей неким эффективным показателем преломления, высоким по отношению к показателю преломления сердцевины. Данное ФКВ не похоже на обычное ОВ, так как в нем не может быть полного внутреннего отражения. Определенная же световая мода направляется по полой сердцевине благодаря локализующему и направляющему свойству сформированной ФЗЗ.

ФКВ производится по технологической схеме "складывай и вытягивай" (stack and draw), существенно отличающейся от процессов производства обычного оптического волокна. По этой схеме заготовка сердечника обкладывается несколькими слоями пустотелых стеклянных трубок-заготовок круглого или шестигранного сечения. Затем полученная заготовка нагревается и подвергается двух- или трехэтапному вытягиванию, как и обычное ОВ, до приемлемых размеров оболочки (диаметром 125-400 мкм или более). Длина полученного волокна в настоящее время достигает 10-500 м.

Основные свойства ФКВ:

• формирование условий существования только фундаментальной моды, локализованной в сердцевине (для обоих типов ФКВ);
• возможность получения, аналогично брэгговскому волокну, большой эффективной площади (до нескольких сотен мкм2), позволяющей снизить уровень нелинейных искажений и увеличить передаваемую волокном оптическую мощность;
• существенное уменьшение удельного веса ОВ (удельный объем воздуха в ФКВ второго типа может быть доведен до 80-90%);
• изменение частоты отсечки, а в ФКВ первого типа - ее полное исключение; тот феномен, который приводит к появлению так называемого "бесконечно" одномодового волокна;
• достижение высоких значений дисперсии (до 2000 пс/нм/км) - как нормальной, так и аномальной, причем с практически постоянным значением дисперсионного коэффициента (наклон не более 0,002 пс/нм/км);
• формирование аномальной и нулевой дисперсии для длин волн, меньших 1300 нм;
• достижение двойного лучепреломления путем создания существенной асимметрии в структуре ФК;
• формирование волокна со многими сердечниками, что открывает широкие возможности для создания многоканальной волоконной среды с управляемым числом каналов.

Авторы

• Разумовский Алексей Сергеевич, к. ф.-м. н

Ссылки

1. Слепнев Н.Н. Оптоэлектронные системы // Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2004 - №5.

Иллюстрации

Микрофотография фотонно-кристаллического волокна, произведенного  US Naval Research Laboratory, сделанная при помощи сканирующего электронного микроскопа(слева). Диаметр твердого сердечника в центре волокна - 5 мкм, диаметр полостей (справа) - 4 мкм. Источник: Photonic-crystal_fiber / Wikipedia, the Free Encyclopedia URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Photonic-crystal_fiber

Разделы

Фотонные кристаллы

Нелинейные оптические преобразователи и волноводы

Нанотехнологии в фотонике и оптоэлектронике, компонентная база и устройства