Микроструктурированное оптическое волокно - Microstructured optical fiber

Микроструктурированные оптические волокна (MOF) находятся волоконно-оптические волноводы где руководство достигается путем манипулирования волновод структура, а не ее показатель преломления.

В обычных оптических волокнах свет направляется за счет эффекта полное внутреннее отражение. Направление происходит в ядре с показателем преломления выше, чем показатель преломления окружающего материала (облицовка ). Изменение показателя достигается за счет различного легирования сердечника и оболочки или использования разных материалов. В микроструктурированных волокнах применяется совершенно другой подход. Волокно состоит из одного материала (обычно кремнезем ), а световод достигается за счет наличия воздушных отверстий в области, окружающей твердый сердечник. Отверстия часто располагаются по регулярному шаблону в двумерных массивах, однако существуют и другие шаблоны отверстий, в том числе непериодические. Хотя периодическое расположение отверстий оправдывает использование термина "фотонно-кристаллическое волокно ", этот термин зарезервирован для тех волокон, распространение которых происходит внутри фотонного дефекта или из-за фотонная запрещенная зона эффект. Таким образом, фотонно-кристаллические волокна можно рассматривать как подгруппу микроструктурированных оптических волокон.

Есть два основных класса MOF

  1. Волокна с индексированным направлением, где направление достигается за счет эффекта полного внутреннего отражения
  2. Фотонные запрещенные световоды, направление которых достигается за счет конструктивных вмешательство рассеянного света (включая фотонный эффект запрещенной зоны).

Структурированные оптические волокна, основанные на каналах, идущих по всей своей длине, были созданы 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 межузельные области, на самом деле не являются самой идеальной структурой для практических приложений, и указали, что волокна с апериодической структурой, такие как фрактальные волокна, являются лучшим вариантом для низких потерь на изгибе.[1] Апериодические волокна являются подклассом волокон Френеля, которые описывают оптическое распространение аналогично пучкам без дифракции.[2] Это также можно сделать, используя воздушные каналы, надлежащим образом расположенные в виртуальных зонах оптического волокна.[3]

Фотонно-кристаллические волокна представляют собой вариант микроструктурированных волокон, описанных Kaiser et al. Они представляют собой попытку включить запрещенная зона идеи Yeh et al. простым способом путем периодической укладки регулярного ряда каналов и вытягивания в форму волокна. Первые такие волокна распространялись не по такой ширине запрещенной зоны, а по эффективному ступенчатому показателю - однако, название по историческим причинам осталось неизменным, хотя некоторые исследователи предпочитают называть эти волокна «дырявыми» волокнами или «микроструктурированными» оптическими волокнами. ссылка на уже существующие работы Bell Labs. Переход в наномасштаб[4] была вытеснена более поздним названием «структурированные» волокна. Чрезвычайно важным вариантом было волокно с воздушной оболочкой, изобретенное ДиДжованни в Bell Labs в 1986/87 году на основе работы Marcatili et al. в 1984 г.[5] Это, пожалуй, самая успешная конструкция волокна на сегодняшний день, основанная на структурировании конструкции волокна с использованием воздушных отверстий, и имеет важные приложения, касающиеся 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 специально сконструированы так, чтобы впервые формировать дальнее поле, включая фокусировку света за пределами конца волокна.[7] В этих волокнах Френеля используется хорошо известная оптика Френеля, которая давно применяется для проектирования линз, включая более совершенные формы, используемые в апериодической, фрактальной и нерегулярной адаптивной оптике или зонах Френеля / фракталов. Многие другие практические преимущества конструкции включают более широкую запрещенную зону для фотонов в распространяющихся волноводах на основе дифракции и снижение потерь на изгибе, что важно для создания структурированных оптических волокон с потерями на распространение ниже, чем у волокон со ступенчатым показателем преломления.

Рекомендации

  1. ^ Martelli, C; Консервирование, Дж; Гибсон, В; Хантингтон, S (2007). «Потери на изгибе в структурированных оптических волокнах». Оптика Экспресс. 15 (26): 17639–44. Bibcode:2007OExpr..1517639M. Дои:10.1364 / OE.15.017639. PMID  19551059.
  2. ^ Каннинг, Дж (2002). «Генерация и распространение мод без дифракции в оптических волноводах» (PDF). Оптика Коммуникации. 207: 35–39. Bibcode:2002OptCo.207 ... 35C. Дои:10.1016 / S0030-4018 (02) 01418-9.[постоянная мертвая ссылка ]
  3. ^ Консервирование, Дж; Бакли, Э; Лытикайнен, К (2003). «Распространение в воздухе полевым наложением рассеянного света внутри волокна Френеля». Письма об оптике. 28 (4): 230–2. Bibcode:2003OptL ... 28..230C. Дои:10.1364 / OL.28.000230. PMID  12661527.
  4. ^ Хантингтон, S; Кацифолис, Дж; Гибсон, В; Консервирование, Дж; Lyytikainen, K; Загари, Дж; Кэхилл, L; Любовь, J (2003). «Сохранение и характеризация наноструктуры в конических оптических волокнах со структурой воздух-диоксид кремния» (PDF). Оптика Экспресс. 11 (2): 98–104. Bibcode:2003OExpr..11 ... 98H. Дои:10.1364 / OE.11.000098. PMID  19461711.
  5. ^ .J. ДиДжованни, Р. Винделер, "Изделие, содержащее оптическое волокно в воздушной оболочке", Патент США 5,907,652 ; G02B 006/20 (подано с 1998 г. по 1997 г.); на основе предыдущего патента: E.A.J. Marcatili, "Воздушно-оптический волоконный световод", Патент США 3712705 (1973)
  6. ^ Åslund, Mattias L .; Каннинг, Джон (2009). «Волокна в воздушной оболочке для астрономических приборов: ухудшение фокусного отношения». Экспериментальная астрономия. 24: 1–7. Bibcode:2009ExA .... 24 .... 1A. Дои:10.1007 / s10686-008-9132-7.
  7. ^ Дж. Каннинг, Оптика Френеля внутри оптических волокон, в Photonics Research Developments, Глава 5, Nova Science Publishers, США, (2008) и ссылки в нем.