Микроструктурированное оптическое волокно

Тип оптоволоконного волновода

Микроструктурированные оптические волокна (МОВ) представляют собой оптоволоконные волноводы , в которых направление достигается путем манипулирования структурой волновода, а не его показателем преломления .

В обычных оптических волокнах свет направляется посредством эффекта полного внутреннего отражения . Направление происходит внутри сердцевины с показателем преломления выше, чем показатель преломления окружающего материала ( оболочки ). Изменение показателя достигается посредством различного легирования сердцевины и оболочки или посредством использования различных материалов. В микроструктурированных волокнах применяется совершенно другой подход. Волокно изготовлено из одного материала (обычно кремния ), а направление света достигается посредством наличия воздушных отверстий в области, окружающей твердую сердцевину. Отверстия часто располагаются в регулярном узоре в двумерных массивах, однако существуют и другие узоры отверстий, в том числе непериодические. Хотя периодическое расположение отверстий оправдывает использование термина « фотонно-кристаллическое волокно », этот термин зарезервирован для тех волокон, где распространение происходит внутри фотонного дефекта или из-за эффекта фотонной запрещенной зоны . Таким образом, фотонно-кристаллические волокна можно считать подгруппой микроструктурированных оптических волокон.

Существует два основных класса MOF

Индексно-направленные волокна, где направление достигается за счет эффекта полного внутреннего отражения
Фотонные волокна с запрещенной зоной, в которых управление осуществляется посредством конструктивной интерференции рассеянного света (включая эффект запрещенной зоны фотонов).

Структурированные оптические волокна, основанные на каналах, проходящих по всей их длине, восходят к Kaiser and Co в 1974 году. К ним относятся оптические волокна с воздушной оболочкой, микроструктурированные оптические волокна, иногда называемые фотонно-кристаллическими волокнами, когда массивы отверстий являются периодическими и выглядят как кристалл, и многие другие подклассы. Мартелли и Каннинг поняли, что кристаллические структуры, которые имеют идентичные междоузлия, на самом деле не являются самой идеальной структурой для практического применения, и указали на апериодические структурированные волокна, такие как фрактальные волокна, которые являются лучшим вариантом для низких потерь на изгибе. ^[1] Апериодические волокна являются подклассом волокон Френеля, которые описывают оптическое распространение в аналогичных терминах для бездифракционных лучей. ^[2] Их также можно сделать, используя воздушные каналы, соответствующим образом расположенные на виртуальных зонах оптического волокна. ^[3]

Фотонно-кристаллические волокна являются вариантом микроструктурированных волокон, о которых сообщают Кайзер и др. Они представляют собой попытку воплотить идеи запрещенной зоны Йе и др. простым способом, периодически укладывая регулярный массив каналов и вытягивая их в форму волокна. Первые такие волокна распространялись не по такой запрещенной зоне, а скорее по эффективному индексу шага — однако название по историческим причинам осталось неизменным, хотя некоторые исследователи предпочитают называть эти волокна «дырявыми» волокнами или «микроструктурированными» оптическими волокнами в соответствии с уже существующей работой Bell Labs. Переход в наномасштаб ^[4] был предвосхищен более поздним обозначением «структурированные» волокна. Чрезвычайно важным вариантом было волокно с воздушной оболочкой, изобретенное ДиДжованни в Bell Labs в 1986/87 гг. на основе работы Маркатили и др. в 1984 году. ^[5] Это, пожалуй, самая успешная конструкция волокна на сегодняшний день, основанная на структурировании конструкции волокна с использованием воздушных отверстий, и имеющая важные приложения в отношении высокой числовой апертуры и сбора света, особенно при реализации в форме лазера, но с большими перспективами в таких разнообразных областях, как биофотоника и астрофотоника. ^[6]

Периодическая структура может быть не лучшим решением для многих приложений. Волокна, которые выходят далеко за рамки формирования ближнего поля, теперь могут быть намеренно разработаны для формирования дальнего поля впервые, включая фокусировку света за концом волокна. ^[7] Эти френелевские волокна используют хорошо известную оптику Френеля, которая давно применяется для проектирования линз, включая более продвинутые формы, используемые в апериодической, фрактальной и нерегулярной адаптивной оптике или зонах Френеля/фрактала. Многие другие практические преимущества дизайна включают более широкие фотонные запрещенные зоны в распространяющихся волноводах на основе дифракции и сниженные потери на изгибе, что важно для получения структурированных оптических волокон с потерями на распространение ниже, чем у волокон со ступенчатым показателем преломления.

Ссылки

^ Мартелли, C; Каннинг, J; Гибсон, B; Хантингтон, S (2007). «Потери на изгибе в структурированных оптических волокнах». Optics Express . 15 (26): 17639– 44. Bibcode : 2007OExpr..1517639M. doi : 10.1364/OE.15.017639 . PMID 19551059.
^ Каннинг, Дж. (2002). «Генерация и распространение бездифракционных мод в оптических волноводах» (PDF) . Optics Communications . 207 ( 1–6 ): 35–39 . Bibcode : 2002OptCo.207...35C. doi : 10.1016/S0030-4018(02)01418-9.^{[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]}
^ Каннинг, Дж.; Бакли, Э.; Лиютикайнен, К. (2003). «Распространение в воздухе путем наложения поля рассеянного света внутри френелевского волокна». Optics Letters . 28 (4): 230– 2. Bibcode : 2003OptL...28..230C. doi : 10.1364/OL.28.000230. PMID 12661527.
^ Хантингтон, С.; Кацифолис, Дж.; Гибсон, Б.; Каннинг, Дж.; Лиютикайнен, К.; Загари, Дж.; Кэхилл, Л.; Лав, Дж. (2003). «Сохранение и характеристика наноструктуры в конических оптических волокнах с воздушно-кремниевой структурой». Optics Express . 11 (2): 98– 104. Bibcode : 2003OExpr..11...98H. doi : 10.1364/OE.11.000098 . PMID 19461711. S2CID 46264161.
^ .J. DiGiovanni, RS Windeler, "Изделие, включающее оптическое волокно с воздушной оболочкой", патент США 5,907,652 ; G02B 006/20 (1998, подан в 1997 г.); на основе предыдущего патента: EAJ Marcatili, "Волновод с воздушным волокном", патент США 3,712,705 (1973 г.)
^ Åslund, Mattias L.; Canning, John (2009). «Воздушные волокна для астрономических приборов: ухудшение фокусного отношения». Experimental Astronomy . 24 ( 1– 3): 1– 7. Bibcode : 2009ExA....24....1A. doi : 10.1007/s10686-008-9132-7.
^ Дж. Каннинг, Оптика Френеля внутри оптических волокон, в книге «Исследования в области фотоники», глава 5, издательство Nova Science Publishers, США (2008) и ссылки в ней.

[1] Мартелли, C; Каннинг, J; Гибсон, B; Хантингтон, S (2007). «Потери на изгибе в структурированных оптических волокнах». Optics Express . 15 (26): 17639– 44. Bibcode : 2007OExpr..1517639M. doi : 10.1364/OE.15.017639 . PMID 19551059.

[2] Каннинг, Дж. (2002). «Генерация и распространение бездифракционных мод в оптических волноводах» (PDF) . Optics Communications . 207 ( 1–6 ): 35–39 . Bibcode : 2002OptCo.207...35C. doi : 10.1016/S0030-4018(02)01418-9.^{[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]}

[3] Каннинг, Дж.; Бакли, Э.; Лиютикайнен, К. (2003). «Распространение в воздухе путем наложения поля рассеянного света внутри френелевского волокна». Optics Letters . 28 (4): 230– 2. Bibcode : 2003OptL...28..230C. doi : 10.1364/OL.28.000230. PMID 12661527.

[4] Хантингтон, С.; Кацифолис, Дж.; Гибсон, Б.; Каннинг, Дж.; Лиютикайнен, К.; Загари, Дж.; Кэхилл, Л.; Лав, Дж. (2003). «Сохранение и характеристика наноструктуры в конических оптических волокнах с воздушно-кремниевой структурой». Optics Express . 11 (2): 98– 104. Bibcode : 2003OExpr..11...98H. doi : 10.1364/OE.11.000098 . PMID 19461711. S2CID 46264161.

[5] .J. DiGiovanni, RS Windeler, "Изделие, включающее оптическое волокно с воздушной оболочкой", патент США 5,907,652 ; G02B 006/20 (1998, подан в 1997 г.); на основе предыдущего патента: EAJ Marcatili, "Волновод с воздушным волокном", патент США 3,712,705 (1973 г.)

[6] Åslund, Mattias L.; Canning, John (2009). «Воздушные волокна для астрономических приборов: ухудшение фокусного отношения». Experimental Astronomy . 24 ( 1– 3): 1– 7. Bibcode : 2009ExA....24....1A. doi : 10.1007/s10686-008-9132-7.

[7] Дж. Каннинг, Оптика Френеля внутри оптических волокон, в книге «Исследования в области фотоники», глава 5, издательство Nova Science Publishers, США (2008) и ссылки в ней.