Способ изготовления фотонно-кристаллического волокна

Способ изготовления фотонно-кристаллического (ФКВ) относится к области производства оптических волноводов на основе нанотехнологий, используемых в волоконно-оптических системах связи и оптоэлектронике для передачи и обработки информации. Техническая задача изобретения - упрощение технологического процесса, повышение точности изготовления отдельных элементов ФКВ, влияющих на качественные характеристики волокна. Сущностью заявляемого способа изготовления ФКВ является получение одно-, двух-, трехмерных фотонно-кристаллических решеток разных размеров, в том числе и низкоразмерных, путем облучения потоками тепловых нейтронов со строго заданной геометрией облучаемых участков заготовки из однородного химического вещества, преимущественно диоксида кремния, для изменения его изотопического состава и достижения требуемых оптических свойств. Заготовку облучают с помощью специальной центрированной установки, состоящей из нескольких облучателей, количество которых равно числу стержней в ФКВ, которые расположены по диаметру заготовки на расстояниях друг от друга, соответствующих положению стержней в волокне. Облучатели формируют пучки медленных нейтронов со строго определенными заданными параметрами. 8 ил.

 

Предлагаемый способ изготовления фотонно-кристаллического волокна (ФКВ) относится к области нанотехнологий, предназначенных для производства оптического волокна (ОВ), используемого для различных целей, в том числе передачи информации, в нано- и оптоэлектронике, а также фотонике.

Фотонно-кристаллические волокна представляют собой новый тип оптических волноводов, потенциальные возможности которых существенно выше, чем у стандартного волокна. Это достигается благодаря необычной структуре оболочки вокруг сердцевины ОВ в виде фотонно-кристаллической решетки.

Следует отметить следующие известные способы производства ФКВ [1, 2].

Первый способ предназначен для изготовления только ФКВ и состоит из трех операций:

1) изготовление заготовки ФКВ из стекла (основы волокна) путем сплавления вместе с основой центрального кварцевого стержня (будущей сердцевины) и кварцевых стержней меньшего диаметра (будущей оболочки);

2) изготовление преформы ФКВ из заготовки путем вытягивания ее из тигля;

3) изготовление ФКВ из преформы путем вытягивания фотонно-кристаллического волокна в специальной башне.

Второй способ предназначен для изготовления различных световодов методом нейтронного облучения заготовки из стекла после вытягивания ее из тигля.

Принципиальное отличие первого способа от заявляемого состоит в том, что в предлагаемом способе отсутствует первая стадия, т.е. сплавление основы заготовки ФКВ из стекла с кварцевыми стержнями и сердцевиной. Первая стадия производства ФКВ решает сложную технологическую задачу обеспечения строгой периодичности фотонной структуры оболочки OB и постоянства отношения диаметра стержней к периоду фотонно-кристаллической решетки Λ. Эта операция в заявляемом способе совмещается с изготовлением преформы ФКВ путем облучения заготовки потоком нейтронов после вытягивания ее из тигля. Ввиду того, что сердцевина ФКВ и стержни оболочки могут иметь диаметры порядка нескольких нанометров, свойства ФКВ очень чувствительны к небольшим изменениям их структуры. Это отражается, прежде всего, на энергетических потерях в волокне. Формирование сердцевины и оболочки облучением основы заготовки из диоксида кремния нейтронным пучком позволит избежать искажений размеров диаметров стержней и расстояний между ними. Кроме того, в первом способе относительная разница показателей преломления света Δn между основой волокна и стержнями обеспечивается сочетанием разных материалов (SiO₂ и Si) или легированием химическими элементами, повышающими значение коэффициента преломления n. В заявляемом способе величина Δn достигается за счет повышения концентрации тяжелых изотопов кремния в стекле для облучаемых областей заготовки.

Таким образом, к недостаткам первого способа следует отнести сложность изготовления ФКВ и трудности обеспечения геометрических соотношений между элементами ОВ из-за многократного нагрева и вытягивания заготовки.

Кроме того, в заявляемом способе преформа непосредственно получается из однородной заготовки (преимущественно диоксида кремния) путем вытягивания ее из тигля с последующим облучением нейтронами, что является экономически более эффективным. Точность изготовления диаметров отдельных элементов волокна обеспечивают современные ядерные технологии за счет высокой разрешающей способности по энергии нейтронов, обеспечиваемой последними достижениями в области нейтронной спектроскопии (монохроматорами). Поэтому заявляемый способ обеспечит более точное соблюдение размеров и пропорций структуры ФКВ, что снизит энергетические потери в волокне.

Второй способ изготовления ОВ может быть использован для производства широкого класса световодов путем облучения потоком нейтронов определенных участков однородной заготовки из стекла, полученной с помощью операции вытягивания из тигля. В результате происходят изменения изотопического состава кремния в стекле, проявляющиеся в повышении процентного содержания более тяжелых изотопов в облученных слоях заготовки, а следовательно, и показателя преломления света n.

Основные отличия второго способа от заявляемого заключаются в схеме облучения, в облучаемых областях и параметрах облучения заготовки. Во втором способе потоки нейтронов воздействуют только на центральную часть (сердцевину) заготовки, намотанную на специальную катушку. Такая схема облучения не позволяет формировать стержни оболочки и обеспечить требуемую точность изготовления периодической структуры ФКВ. Кроме того, интенсивность потока нейтронов и время облучения не соответствуют поставленной задаче изготовления ФКВ.

Таким образом, основным недостатком второго способа является его непригодность для получения ФКВ. Он предназначен для изготовления оптического волокна только простой конструкции, состоящей из сердцевины и оболочки.

Заявляемый способ предлагает схему облучения, состоящую из нескольких облучателей, каждый из которых формирует с помощью пучка нейтронов определенный стержень в оболочке и сердцевину ФКВ. В этом случае гарантируется равномерное распределение изотопов по длине заготовки с точностью изготовления размеров структурных элементов ФКВ несколько нанометров.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является второй способ, который взят за прототип.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что используют заготовку из однородного химического вещества, преимущественно диоксида кремния, и воздействуют по всей длине заготовки потоком нейтронов с заданной глубиной поглощения с помощью специальной установки, состоящей из нескольких облучателей, количество и расположение которых соответствуют формируемым структурным элементам ФКВ, и которые создают пучки тепловых нейтронов со следующими параметрами: размерами облучаемого пятна для каждого облучателя не более 0,01 мм×0,01 мм; значением разрешения по энергии нейтронов ΔЕ_н≤10^-9 эВ; величиной интегрального потока нейтронов Ф₀≥12,5·10²¹ нейтр./см².

Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение и удешевление производства ФКВ, повышение точности изготовления геометрических размеров волокна, улучшение качественных характеристик, в том числе уменьшение энергетических потерь.

Новизна заявляемого изобретения заключается в следующем: формирование фотонно-кристаллической структуры волокна из одного и того же материала (преимущественно диоксида кремния) путем нейтронного облучения. Необходимая разница в показателях преломления элементов фотонного кристалла (ФК) оболочки и основы волокна достигается благодаря повышению концентрации более тяжелых изотопов кремния в стекле. В результате можно формировать сердцевину и оболочку ОВ в виде одно-, двух-, трехмерного фотонного кристалла для удержания света в волокне [3, 4].

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

на Фиг.1а, б, в изображены типы одномерных фотонно-кристаллических волноводов, где

на Фиг.1а обозначены: планарный волновод - 1, отражающие пластины - 2; основа ФК - 3, пучок нейтронов от одного облучателя - 4;

на Фиг.1б обозначены: многослойный планарный волновод - 5, отражающие плоскости ФК - 6, пучок нейтронов - 4;

на Фиг.1в обозначены: брэгговское волокно - 7, отражающие цилиндрические слои - 8;

на Фиг.2а, б, в изображены типы двумерных фотонно-кристаллических волноводов, где

на Фиг.2а обозначены: волновод прямоугольной формы - 9, прямоугольные стержни ФК - 10, пучок нейтронов - 4;

на Фиг.2б обозначены: волновод круглой формы - 11, круглые стержни ФК - 12, пучок нейтронов - 4;

на Фиг.2в обозначены: поперечный разрез твердотельного ФКВ - 13, стержни оболочки - 14, центральный стержень (сердцевина) - 15, параметр Λ решетки ФК - 16;

на Фиг.3а, б, в изображены типы трехмерных фотонных кристаллов с разными сочетаниями коэффициентов преломления структурных элементов (кубов или параллелепипедов), где

на Фиг.3а обозначены: структурные элементы ФК из изотопов Si²⁸ - 17, из изотопов Si²⁹ - 18, из изотопов Si³⁰ - 19;

на Фиг.3б, обозначены: структурные элементы ФК из изотопов Si²⁹ - 18, из Si³⁰ - 19, пучок нейтронов - 4;

на Фиг.3в обозначены: структурные элементы ФК из изотопов Si²⁹ - 18, из изотопов Si³⁰ - 19, пучок нейтронов - 4;

на Фиг.4 представлена установка вытяжки ФКВ с помощью специальной башни [1], состоящей из стержневой заготовки (преформы) в центрирующем патроне - 20, электрической печи - 21, лазерного микрометра для контроля диаметра OB - 22, устройства нанесения первичного покрытия - 23, устройства отвердения с помощью УФ-излучения - 24, приемного устройства - 25;

на Фиг.5 изображена схема облучения заготовки с помощью способа, взятого за прототип [2], которая состоит из оболочки - 26, сердцевины - 27, потока нейтронов - 4;

на Фиг.6а, б изображена установка для облучения заготовки ФКВ заявляемым способом, где

на Фиг.6а обозначены: тигль - 28, лазерный микрометр - 22, стойка - 29, заготовка волокна - 30, приемное устройство для заготовки - 31, центрирующая система для закрепления волокна - 32, специальная установка с нейтронными облучателями - 33, стойка для установки облучателей - 34, пучки нейтронов - 4;

на Фиг.6б обозначены: пучок нейтронов - 4, стержни ФКВ - 14, сердцевина ФКВ - 15, специальная установка с нейтронными облучателями - 33;

на Фиг.7а, б, в изображены схемы облучения для получения трехмерной фотонно-кристаллической решетки, где

на Фиг.7а обозначены: потоки нейтронов - 4, прямоугольная заготовка - 35, формируемые вертикальные плоскости в форме параллелепипедов - 36;

на Фиг.7б обозначены: потоки нейтронов - 4, заготовка - 35, вертикальные плоскости - 37;

на Фиг.7в обозначены: потоки нейтронов - 4, заготовка - 35, горизонтальные плоскости - 38;

на Фиг.8 изображена зависимость сечения поглощения от энергии нейтронов σ_n=f(Е_н) для кремния [2].

Физический механизм удержания света с помощью фотонно-кристаллической решетки заключается в том, что в ФК диэлектрические частицы (стержни) располагаются на расстояниях друг от друга, сравнимых с длиной волны видимого света [3, 4]. В такой решетке показатель преломления меняется по периодическому закону и свет на границе раздела областей с разными n частично отражается, частично преломляется.

Для длин волн, удовлетворяющих условию брэгговского отражения, а именно:

,

где Λ - постоянная решетки ФК,

λ - длина волны,

θ - угол падения между волновым вектором и плоскостями ФК,

коэффициент отражения максимальный.

Зеркальный эффект создается из-за разницы в коэффициентах преломления, например, стержней из кремния и основы ФК из стекла (Si n=1,45; SiO₂ n=1,44 для λ=1,55 мкм).

Таким образом, отразившиеся от соседних стержней волны интерферируют и гасят друг друга. В зависимости от типа фотонного кристалла (1D-одномерного, 2D-двумерного, 3D-трехмерного ФК) можно получить с помощью пучков нейтронов (4) запрещенные зоны для определенных длин волн в одномерном, двухмерном и трехмерном пространстве (Фиг.1, 2, 3). Если в решетке создать дефект, то волна из запрещенного диапазона будет двигаться вдоль него, в остальных частях ФК света не будет. Дефектом можно считать изменение расстояния между сердцевиной и стержнями оболочки, разницу в их диаметрах или показателях преломления.

Таким образом, ФКВ состоит из фотонного кристалла, не пропускающего свет определенной длины, выполняющего роль оболочки волокна. В центральной части ФК создается дефект для канализации этого света по аналогии с сердцевиной OB. Параметр фотонно-кристалличекой решетки Λ, определяющий размеры структурных элементов ФК (слоев 1D, стержней 2D, кубиков 3D), зависит от длины волны света и может быть от 10 мкм до нескольких нанометров [1, 3, 4]. В последнем случае фотонные кристаллы приобретают свойства квантовых структур (квантовых ям, проволоки, точек), которые используются для создания высокоэффективных оптических устройств генерации света (лазеров), приема света (фотодетекторов), хранения информации (ячеек памяти).

Технология заявляемого изобретения основывается на том, что вещества с различными концентрациями тяжелых изотопов входящих в них химических элементов имеют разные показатели света n.

Существующий промышленный способ изготовления ФКВ основывается на операции легирования заготовки и вытягивания ее с помощью специальной вытяжной башни (Фиг.4). Однако добиться требуемого значения показателя преломления можно путем облучения потоком нейтронов определенных слоев заготовки OB и повышения в них концентрации тяжелых изотопов, как в прототипе (Фиг.5). Возможность использования нейтронов для изготовления OB объясняется их свойствами и особенностями ядерных реакций. Это высокая проникающая способность нейтронов как незаряженных частиц. При взаимодействии нейтронов с ядрами химических элементов облучаемого вещества образуются возбужденные составные ядра, которые распадаются в результате ядерных реакций [5].

В заявляемом способе изготовления ФКВ предлагается использовать, в отличие от прототипа, тепловые нейтроны, для которых принципиально меняются схемы облучения (Фиг.6, 7). Для тепловых нейтронов с энергией Е_н≤0,025 эВ наиболее вероятной является реакция поглощения (радиационного захвата), которая характеризуется параметром σ_n, называемым сечением поглощения. При столкновении нейтрон захватывается ядром и более легкий изотоп кремния превращается в более тяжелый. Величина σ_n зависит от энергии нейтронов E_н и определяется по экспериментальной кривой σ_n=f(Е_н) (Фиг.8). Величина сечения поглощения определяет глубину проникновения нейтронов l_n, захваченных ядрами кремния. Следовательно, чем однороднее нейтроны по энергии, тем точнее получаются размеры структурных элементов ФК. Однородность нейтронов определяется параметром их источника ΔЕ_н. Значение l_n зависит от распределения концентрации новых изотопов по длине облучаемого участка заготовки N(x). Функция N(x) подчиняется экспоненциальному закону:

где Ф₀=φt - интегральный поток нейтронов (нейтр./см²);

φ - интенсивность потока нейтронов (нейтр./см²·с)

t - время облучения (с);

N_o=5,04·10²² ат/см³ - число атомов кремния в 1 см³;

K_i - процентное содержание i-того изотопа;

σ_n - сечение поглощения (1 барн=10^-24 см²);

x - глубина поглощения нейтронов (см).

Для равномерного распределения новых изотопов в результате облучения размеры заготовки l должны быть меньше средней длины поглощения l_n, рассчитываемой по следующей формуле [2]:

Следовательно, для характеристики ядерной реакции при облучении тепловыми нейтронами необходимо знать сечение поглощения.

Концентрацию j-того изотопа (более тяжелого) N_oj, получаемого из i-того изотопа (более легкого), можно подсчитать следующим образом:

где m - параметр, определяющий степень повышения концентрации j-того изотопа в заготовке OB после облучения нейтронами.

Таким образом, основными расчетными параметрами нейтронного облучения для изготовления ФКВ с помощью тепловых нейтронов являются интегральный поток Ф_о, разрешающая способность по энергии нейтронов ΔЕ_н.

Схема облучения заготовки ФКВ зависит от структуры ФК (1D, 2D, 3D). Так, для одномерных и двумерных ФКВ можно использовать вертикальную схему облучения с помощью специальной установки, приведенной на Фиг.6а, б. Пучки нейтронов (4) от облучателей проникают в заготовку через торцевую часть будущего OB (30), закрепленную с помощью специального центрирующего крепления (32) после завершения процесса вытягивания из тигля (28).

В общем случае размеры и форма облучаемого пятна для каждого облучателя соответствуют формируемым слоям (1D), стержням (2D), структурным кубикам (3D) фотонных кристаллов. Число и расположение облучателей в установке на Фиг.6а определяется количеством и положением элементов в фотонном кристалле оболочки ОВ и центральной его части (сердцевине), что отмечено на Фиг.1а, б; Фиг.2а, б; Фиг.3б, в; Фиг.6б; Фиг.7а, б, в в виде стрелок (4).

Для формирования трехмерных ФК необходимо сочетать вертикальные и горизонтальные схемы облучения (Фиг.7а, б, в). На этих чертежах изображены заготовка (35), потоки нейтронов от облучателей (4), уплотненные слои (36), (37), (38), получаемые в результате облучения. Таким образом, процесс изготовления трехмерного ФК из заготовки (30) состоит из трех операций, которые осуществляются последовательно во времени: формирование уплотненных слоев в горизонтальной и двух вертикальных плоскостях.

При создании структурных элементов ФК можно получить различные сочетания изотопов кремния, их процентного содержания, и соответственно, разные показатели преломления света.

Если формируемые уплотненные слои должны быть из одного изотопа (Si²⁹ или Si³⁰), то интегральный поток рассчитывается для стопроцентного перевода Si²⁸ в Si²⁹, а затем, если потребуется, Si²⁹ в Si³⁰.

В результате структурные элементы трехмерного ФК могут состоять из следующих изотопов (Фиг.3а): (17) Si²⁸ (необлученные участки заготовки), (18) Si²⁹ (облученные участки), (19) Si³⁰ (облученные участки, находящиеся на пересечении горизонтальных и вертикальных плоскостей облучения). В местах пересечения плоскостей облучения (Фиг.7а, б, в) интегральный поток нейтронов увеличивается, и изотопы Si²⁹ переходят в Si³⁰. Похожий результат можно получить, если использовать двумерный ФК, полученный с помощью установки (Фиг.6а, б), и горизонтальную схему облучения, изображенную на Фиг.7в.

Для изготовления фотонного кристалла с сочетанием изотопов Si²⁹ и Si³⁰ операция должна проходить в два этапа: сначала вся заготовка облучается равномерно для полного перевода Si²⁸ в Si²⁹; затем с помощью схемы вертикальных и горизонтальных облучателей формируются структурные кубики путем перевода Si²⁹ в Si³⁰ (Фиг.3б). В этом случае облучение заготовки происходит симметрично со всех сторон. Расположение облучателей отмечено на Фиг.3б в виде стрелок (4). Глубина проникновения нейтронов соответствует размеру элементарного кубика. Вертикальные облучатели (4) устанавливаются сверху и снизу, например, в шахматном порядке в местах, где требуется перевести легкий изотоп в более тяжелый. Горизонтальные (4) - только по середине боковых сторон, так как каждый облучатель формирует отдельный структурный кубик.

Таким же способом можно получить структуру, в которой внутри фотонного кристалла будут находиться элементарные кубики из Si²⁹ (квантовые точки), разделенные между собой со всех сторон слоями из Si³⁰ (Фиг.3в). При этом размеры разделяющих слоев (19) могут быть больше, чем величина ребра элементарного кубика (18). В этом случае целесообразно использовать только вертикальные облучатели. Для формирования разделяющих слоев должны измениться глубина проникновения тепловых нейтронов (увеличиться в три раза) и соответственно (Фиг.8) характеристики облучателей (Е_н, σ_n). Расположение таких облучателей показана на Фиг.3в в виде пунктирных стрелок (4). Сплошными стрелками (4) обозначены пучки нейтронов, формирующие кубики из Si³⁰ с размерами квантовой точки. Облучатели для них должны быть размещены симметрично сверху и снизу заготовки.

Если фотонный кристалл имеет форму куба с ребром, в котором помещается три структурных элемента, то можно получить сочетание следующих изотопов: Si²⁸ (необлученные области) и Si²⁹ (облученные области). Схема размещения облучателей аналогична Фиг.3б.

Размеры ребра структурных кубиков фотонных кристаллов (3D) во всех случаях ограничиваются величиной l_n, точность соблюдения размеров - значением ΔЕ_н источников нейтронов. Структурные элементы трехмерных ФК могут иметь форму параллелепипеда, если того требуют параметры фотонно-кристаллической решетки.

Возможность изготовления ФКВ предложенным в заявке способом рассмотрим на конкретном примере.

Как отмечалось выше, фотонно-кристаллические решетки, формируемые в оболочках ФКВ, делятся на одномерные, двумерные, трехмерные с разными размерами параметра решетки Λ от 10 мкм до нескольких нм.

Фотонный кристалл создается внутри заготовки за счет реакции поглощения нейтронов и образования более плотных слоев с заданным коэффициентом преломления. Для этого требуется определенный интегральный поток нейтронов Ф_о=φ·t, способный формировать структурные элементы ФКВ. При изготовлении ФК необходимо учитывать возможные флуктуации размеров этих элементов. Такие флуктуации влияют на точность изготовления ФКВ и зависят от разрешающей способности по энергии ΔЕ_н монохроматоров источников нейтронов.

Для получения переменного коэффициента преломления внутри ФКВ, изменяющегося по периодическому закону, концентрацию тяжелых изотопов кремния в определенных местах следует повысить на величину .

Отсюда,

где - сечение поглощения для естественного состава (смеси изотопов) кремния; σ_n=0,08 барн для изотопа Si²⁸;

E_н=0,025 эВ - энергия тепловых нейтронов;

Учитывая, что основное влияние на коэффициент преломления оказывает изотоп Si²⁹, рассчитаем с учетом формул (3), (4) величину интегрального потока для перевода изотопа Si²⁸ в изотоп Si²⁹:

.

Для источника нейтронов с интенсивностью потока φ=10¹⁷ нейтр./см²·с время облучения составит t=34,72 час. В существующих промышленных установках для изготовления устройств микроэлектроники с помощью нейтронного облучения величина t имеет такой же порядок. Если увеличить интенсивность до φ=10¹⁸ нейтр./см²·с, то время снизится на порядок и будет равно t=3,472 час.

С учетом значений N_o и сечения поглощения по формуле (2) рассчитаем длину ФКВ l, которую можно получить путем облучения тепловыми нейтронами: l_n=1/N_o·σ_n28=2,48 м.

Используя параметры глубины поглощения нейтронов l_n и разрешающей способности по энергии ΔЕ_н, можно оценить точность формирования структурных элементов ФКВ.

Так, воспользовавшись формулой (4), рассчитаем величину σ_n для нескольких значений энергии нейтронов, а именно: Е_н=0,025эВ+ΔЕ_н. Если принять, что энергия нейтронов увеличилась на ΔЕ_н=10^-7 эВ, то получим, что сечение поглощения уменьшилась на величину Δσ_n=0,5059644257-0,5059634145=1,0112·10^-5 барн. Соответственно, значение глубины поглощения изменилось на Δl_n=783,8 нм. Если принять ΔE_н=10^-8 эВ, то порядок цифр в этом случае будет следующим: Δσ_n=0,5059644257-0,505964416=0,97·10^-8 барн, Δl_n=77,325 нм, следовательно, для достижения точности в несколько нм требуется иметь монохроматоры с ΔE_н≤10^-9 эВ. Такая разрешающая способность необходима для изготовления низкоразмерных ФКВ, где, структурные элементы ФК имеют размеры менее 100 нм. Это свидетельствует о том, что заявляемый способ изготовления ФКВ можно отнести к нанотехнологиям.

Важной характеристикой схемы облучения являются размеры облучаемого пятна. Как было отмечено выше, геометрические параметры облучателей должны соответствовать размерам формируемых структурных элементов фотонных кристаллов. Так, существующие источники нейтронов могут иметь самые разные размеры облучателей от сотых долей сантиметра до нескольких десятков сантиметров. Поэтому предложенные в заявке схемы облучения могут быть реализованы в промышленных установках. Для изготовления низкоразмерного ФКВ с параметрами фотонно-кристаллической решетки порядка нескольких нанометров потребуются специальные облучатели, например, в виде многослойных нанотрубок с повышенной радиальной жесткостью [1].

На последнем этапе расчетов оценим, как изменится показатель преломления облученных участков заготовки ФКВ. Расчеты проведем для случая, когда параметр m=3 (см. формулу (3)).

Воспользуемся формулой Лоренц-Лорентца [6], характеризующей молекулярную рефракцию:

где N_o - число атомов вещества в 1 см³,

а - величина поляризуемости молекулы вещества,

n - показатель преломления вещества.

Выражение уравнения Лоренц-Лорентца для диоксида кремния (n=1,44) имеет вид:

где а₂₈ - величина поляризуемости изотопа Si²⁸,

,

K₂₈=0,9218 - естественная концентрация изотопа Si²⁸ в стекле,

K₂₉=0,0471 - естественная концентрация изотопа Si²⁹ в стекле,

K₃₀=0,0312 - естественная концентрация изотопа Si³⁰ в стекле.

Коэффициенты Δа¹, Δа¹¹ показывают относительное изменение величин поляризуемости различных изотопов кремния. Известно, что значение а - прямо пропорционально размерам молекул вещества [6]. Сечения поглощения σ_n прямо пропорциональны размерам ядер изотопов кремния [5]. С ростом числа нейтронов в ядре изотопа размер ядра сначала увеличивается (Si²⁹), а затем снижается (Si³⁰). Поэтому коэффициенты Δа¹, Δа¹¹ имеют разные значения.

Уравнение (6) можно упростить, обозначив через В следующий постоянный множитель:

После подстановки всех коэффициентов в уравнение (6) получим значение B=0,23331.

Для составления уравнения Лоренц-Лорентца относительно облученных областей заготовки необходимо подсчитать:

1) количество изотопов Si²⁸, перешедших в результате ядерной реакции в изотопы Si²⁹;

2) количество изотопов Si²⁹, перешедших в результате ядерной реакции в изотопы Si³⁰,

3) количество изотопов Si³⁰, перешедших в результате ядерной реакции в изотопы Si³¹.

После облучения заготовки ОВ нейтронами уравнение молекулярной рефракции примет вид:

где K¹=10^-3 - коэффициент из формулы (3), характеризующий увеличение концентрации j-того изотопа в результате реакции поглощения нейтронов,

n_x - коэффициент преломления света облученных участков заготовки OB.

После подстановки значений всех коэффициентов в предыдущую формулу, получим: n_x≈1,45. Относительная разница показателей преломления облученных и необлученных областей заготовки составит что является достаточной величиной для получения ФКВ [3].

С повышением концентрации тяжелых изотопов кремния в стекле относительный коэффициент преломления увеличивается, и свойства ФКВ проявляются еще сильнее. Предложенный способ изготовления ФКВ позволяет в широких пределах изменять концентрацию тяжелых изотопов кремния и влиять на величину Δn.

Таким образом, преимущества заявляемого способа изготовления ФКВ по сравнению с прототипом заключаются в следующем:

1) с помощью одного облучателя, как в прототипе, нельзя сформировать многомерные фотонно-кристаллические решетки, для этого требуются несколько облучателей, расположенных как горизонтально, так и вертикально в соответствии с расположением структурных элементов ФКВ;

2) схема облучения заготовки в прототипе соответствует другим ядерным реакциям, характерным для медленных нейтронов с энергией Е_н≥0,1 эВ, а именно, в прототипе имеет место не только реакция поглощения, но и реакция рассеивания нейтронов, что усложняет технологию облучения;

3) в заявляемом способе используются тепловые нейтроны, технология облучения которыми наиболее приспособлена для промышленного производства;

4) точность изготовления размеров структурных элементов в заявляемом способе значительно выше, чем в прототипе по следующим причинам:

а) в заявляемом способе предполагается использование источников нейтронов с более высокой разрешающей способностью по энергии,

б) схема облучения заготовки в прототипе, скрученной в катушке приемного устройства, препятствует равномерному проникновению нейтронов, необходимому для формирования стержней ФКВ.

5) принятый в прототипе процент повышения тяжелых изотопов кремния (10^-4·100%) в результате облучения нейтронами не достаточен для ФКВ [1]. В заявляемом способе параметры облучения рассчитаны для цифры 10^-3·100%, что позволяет обеспечить большую относительную разницу показателей преломления стержней и основы ФКВ.

Описание способа изготовления ФКВ на конкретном примере

В заявке на изобретение способ изготовления состоит из следующих этапов:

1) расплавленная заготовка преимущественно из диоксида кремния (30) Фиг.6а медленно вытекает из тигля (28), постепенно охлаждаясь на воздухе и затвердевая;

2) после вытягивания заготовки ФКВ и замера размеров диаметра заготовки D=87 мкм (Фиг.2в) с помощью лазерного микрометра (25) заготовка подается через приемное устройство (31) на установку для облучения;

облучатели тепловых нейтронов (33) размещены над торцевой частью заготовки (в отличие от положения облучателей для резонансных или медленных нейтронов, которые размещены вдоль заготовки);

размещение, размеры и форма облучателей соответствуют расположению, размерам и форме структурных элементов ФКВ (поперечное сечение ФКВ, положение сердцевины и стержней изображены на Фиг.2в);

в рассматриваемом примере необходимо установить семь облучателей: один облучатель создает облучаемое пятно на торцевой части заготовки с размерами 0,008 мм×0,008 мм для формирования сердцевины, шесть облучателей аналогично формируют шесть стержней в оболочке, каждый из которых создает облучаемое пятно с размерами 0,001 мм×0,001 мм;

3) нейтроны из облучателей с интегральным потоком Ф₀=12,5·10²¹ нейтр./см² и интенсивностью φ=10¹⁹ нейтр./см²·с, проникая в заготовку, сразу вступают в реакцию поглощения, уплотняя объемы заготовки, соответствующие сердцевине и стержням оболочки с глубиной проникновения (поглощения) l_n=2,48 м;

точность изготовления структурных элементов ФКВ ±5 нм обеспечивается значением разрешения по энергии нейтронов ΔЕ_н=10^-9 эВ;

в течение времени облучения Т=0,3472 час каждое тысячное ядро изотопа Si²⁸ в стекле поглотит нейтрон и перейдет в изотоп Si²⁹;

готовое волокно обрезается в центрирующей установке (32);

следующий производственный цикл начинается с подтягивания остывшей заготовки (30) из приемного устройства (31) наверх, закрепления в системе (32) для последующего облучения нейтронами.

В результате изготовления ФКВ описанным выше способом:

а) повышается точность изготовления структурных элементов ФКВ (в прототипе точность изготовления оптического волокна равна ±0,1 мкм, в заявляемом способе точность изготовления составляет ±5 нм);

б) обеспечивается чистота исходного материала (отсутствие внутренних механических напряжений и дефектов, посторонних примесей, шероховатостей в сопряжениях сердцевины и стержней с основой оболочки), что особенно важно для низкоразмерных фотонных кристаллов;

в) указанные выше качественные изменения внутренней структуры ФКВ значительно улучшают характеристики ФКВ, уменьшают энергетические потери, повышают эффективность лазеров, фотоприемников и других оптоэлектронных устройств, построенных на основе ФКВ.

Источники информации

1. Нанотехнология в электронике. Под редакцией Ю.А.Чаплыгина. - М.: «Техносфера», 2005.

2. Журавлева Л.М., Плеханов В.Г. Способ изготовления оптического волокна. Патент на изобретение № 2302381 (прототип).

3. Слепов Н.Н. Фотонно-кристаллическое волокно - уже реальность. Новые типы оптических волокон и их применение. Электроника: Наука, Технология, Бизнес; 5/2004.

4. Наний О.Е., Павлова Е.Г. Фотонно-кристаллические волокна. LIGHTWAVE russian edition №32004.

5. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. - С-П, М., Краснодар, «Лань», 2008.

6. Ландсберг Г.В. Оптика. - М.: Физматлит, 2006.

Способ изготовления фотонно-кристаллического волокна (ФКВ) путем вытягивания заготовки из однородного химического вещества, преимущественно диоксида кремния, и воздействия по всей длине заготовки потоком нейтронов с заданной глубиной поглощения, отличающийся тем, что после вытягивания из тигля заготовку облучают с помощью специальной установки, состоящей из нескольких облучателей, количество и расположение которых соответствуют формируемым структурным элементам ФКВ, и которые создают пучки тепловых нейтронов со следующими параметрами: размер облучаемого пятна для каждого облучателя не более 0,01 мм×0,01 мм; значение разрешения по энергии нейтронов ΔЕ_н≤10^-9 эВ; величина интегрального потока нейтронов Ф_о≥12,5·10²¹ нейтр./см².