Волоконно-оптические технологии создания фотонных кристаллов

5.1 Волоконно-оптические технологии создания фотонных кристаллов


Создание фотонных кристаллов и так называемых „дырчатых“ световодов на их основе является одним из наиболее значительных достижений оптических технологий последних лет. Это новое научное направление в настоящее время бурно развивается: в мире стремительно растет число научных групп, занимающихся исследованиями фотонных кристаллов, открываются новые потенциальные области их применения. В России проблемой дырчатых световодов занимается группа ученых Центра волоконной оптики ИОФАН во главе с академиком Е.М. Диановым и группа сотрудников Института радиотехники и электроники РАН.

Представления о зонной структуре твердых тел (полупроводников), согласно которым для носителей заряда (электронов), находящихся в периодическом потенциале кристаллической решетки, существуют определенные разрешенные и запрещенные энергетические состояния (зоны), обусловленные этим потенциалом, легли в основу идеи о возможности создания фотонных кристаллов. Эти представления являются основой всей современной микроэлектроники.

По аналогии с зонной структурой вещества, некоторыми учеными в середине 70-х годов прошлого столетия была высказана идея о возможности создания среды, имеющей оптическую зонную структуру, в которой существуют разрешенные и запрещенные состояния для фотонов (квантов света) с различными энергиями. Была предложена модель среды, в которой роль периодического потенциала решетки выполняют периодические изменения диэлектрической проницаемости (коэффициента преломления) в волноведущей среде. Теоретически такая среда открывала широкие перспективы для реализации целого ряда идей по разработке нового поколения оптических приборов.

Однако на пути создания данной среды стояли большие технологические трудности. Первый материал, моделирующий фотонный кристалл в миллиметровом диапазоне волн, был создан в 1991 г. и представлял собой стержень из диэлектрика с показателем преломления 3,6, в котором были просверлены отверстия диаметром 1 мм на расстоянии такого же порядка. Экспериментальные исследования подтвердили, что структура обладает свойствами фотонного кристалла в миллиметровом диапазоне волн. Для реализации фотонных кристаллов в оптическом диапазоне волн требовалось в подобном материале создать отверстия с диаметром примерно в один микрон, пространственно разделенные между собой расстоянием в один микрон. Однако оказалось, что это невозможно осуществить практически.

Тогда возникла идея использования волоконно-оптических технологий для создания фотонных кристаллов. Стандартное оптическое волокно вытягивается при температуре 2000 °С из заготовки, представляющей собой кварцевый стержень с легированной областью соответствующего диаметра в центре. При этом заготовка трансформируется в оптическое волокно с наружным диаметром 125 мкм и соответствующим размером световедущей жилы (в зависимости от типа волокна). По этому принципу было решено попробовать вытянуть волокно, имеющее структуру фотонного кристалла.

Для этого существуют два пути. Можно взять кварцевый стержень и просверлить в нем отверстия диаметром порядка одного миллиметра. Эта идея была осуществлена практически, но её реализация является довольно дорогой и малопроизводительной для создания волокна. Второй путь заключается в следующем: в кварцевую трубку диаметром 20 мм упаковываются капилляры диаметром порядка 1 мм с направляющим стержнем из того же кварцевого стекла, расположенным между капиллярами. Затем из полученной таким образом заготовки вытягивается оптическое волокно. Необходимо добавить, что в обоих случаях производится двухступенчатая перетяжка заготовки, в процессе которой все размеры уменьшаются примерно в 10000 раз.

Первое такое волокно длиной порядка 100 м было получено в 1995 г. сотрудниками фирмы Blaze Photonics, Англия. (Поперечное сечение волокна показано на рис. 20). Диаметр полых каналов, проходящих по всей длине волокна, составлял 0,3 мкм, расстояние между центрами каналов — 23 мкм. В поперечном сечении волокно имело гексагональную форму, что определялось структурой укладки капилляров в трубке.

Рис.20 Поперечное сечение дырчатого волокна
со сплошной световедущей жилой в центре

После этого появилось большое число сообщений о создании таких волокон в целом ряде научно-исследовательских центров различных стран.

<<Назад    <<Содержание>>    Вперед>>

Реклама: аренда самолета Hawker 750