Фотонно-кристаллический волновод для селективного пропускания оптического излучения

Изобретение относится к волоконной оптике. Фотонно-кристаллический волновод гексагональной формы содержит оболочку и полую сердцевину, в которую введен мультислой капилляров. Период и диаметр каналов мультислоя капилляров, близкими или много меньшими длины волны излучения требуемого спектрального диапазона. Диаметр капилляров оболочки всегда больше диаметров каналов мультислоя. Технический результат - обеспечение возможности выделения спектральных компонент шириной менее 200 нм из потока оптического излучения широкополосного источника в пределах всего видимого диапазона длин волн. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к области нанотехнологий, предназначенных для производства оптического волокна, используемого для различных целей, в том числе передачи информации, в нано- и оптоэлектронике, а также фотонике.

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

Различные типы фотонно-кристаллических волноводов используются в оптических приложениях и, в частности, при решении задач, связанных с управлением спектральными характеристиками оптической системы. В частности, оптические устройства, способные селективно пропускать оптическое излучение в требуемых спектральных диапазонах, могут применяться в фотовольтаике для концентрации мощного потока излучения на небольшую площадь приемника без снижения КПД преобразования и предотвращения высокого нагрева полупроводниковых элементов посредством фильтрации спектральных компонент, преобразуемых в электрическую энергию с наименьшей эффективностью.

Известны патент Южной Кореи KR №20120082130 и патент Китая СН №101561535. Также известно полое фотонно-кристаллическое волокно, патент США US №8306379, обладающее волноводными свойствами. Оболочечная область, окружающая воздушную жилу, состоит из массива микрокапилляров, структура имеет шаг в 5 раз больше чем длина волны. Шаг структуры менее 10 мкм, толщина стенки в диапазоне 200 нм - 1 мкм, структура - типа кагоме. Недостатком таких решений является широкий спектр пропускания либо наличие нескольких максимумов пропускания оптического излучения в видимом диапазоне, а также невысокая интенсивность прошедшего излучения в силу малого соотношения площадей полой сердцевины и структурной оболочки.

Наиболее близким к изобретению является решение, описанное в патенте США US №2012/0206726, где для выделения узких полос из спектра излучения от широкополосных источников используются оптические волноводы, сформированные в виде дефекта в фотонном кристалле. Устройство представляет собой оптический волновод, внедренный в структуру диэлектрика с периодически расположенными отверстиями. Спектр пропускания сформированного фотонно-кристаллического волновода задается массивом полых воздушных каналов и расстоянием между каналами. Значительным минусом данного решения является зависимость коэффициента пропускания структуры в максимуме от центральной длины волны максимума (уменьшение коэффициента пропускания структуры с уменьшением длины волны максимума пропускания). Также следует отметить сложность конструкции, а следовательно, трудность в достижении воспроизводимости и точности изготовления.

Задача предлагаемого изобретения - сужение полосы пропускания фотонно-кристаллического волновода в целевом спектральном диапазоне с сохранением максимально высокой интенсивности оптического излучения.

Это достигается тем, что в фотонно-кристаллический волноводе, имеющем в сечении, перпендикулярном к оси волновода, гексагональную форму, с периодически расположенным массивом отверстий, а центральная часть представляет собой полую сердцевину, в которую введен мультислой капилляров с периодом и диаметром, близких или много меньших длины волны из требуемого спектрального диапазона максимальной интенсивности пропускания.

Кроме того, диаметр капилляров оболочки волновода может быть выполнен больше диаметра каналов мультислоя.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что за счет микро- и наноструктурирования оболочки и полой сердцевины волокна формируют частотный профиль дисперсии и пространственный профиль распределения электромагнитного поля. Период и диаметр каналов мультикапиллярной структуры волновода близки или много меньше длин волн видимого или ИК-излучения. Волноводный эффект в таких структурах возникает благодаря созданию широкой запрещенной зоны для излучения, распространяющегося вдоль такой структуры.

Предлагаемый фотонно-кристаллический волновод содержит полую сердцевину, окруженную периодическим массивом мультикапилляров, который окружен тонкостенными капиллярами большего диаметра. Для прочности конструкции снаружи уложены монолитные стеклянные штабики.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание простой, дешевой конструкции, т.к.она выполнена из многокомпонентных стекол, а не из кварца, позволяющей получить узкие полосы пропускания менее 200 нм с сохранением максимально высокой интенсивности оптического излучения.

Распространение электромагнитного излучения в фотонно-кристаллическом волноводе происходит за счет периодической структуры оболочки, т.к. лучи света, отраженные от областей с разным показателем преломления, будут интерферировать друг с другом, усиливаясь или ослабляясь в зависимости от соотношения длины волны и периода структуры.

Определенные цвета (или частоты) выделяются из белого света за счет интерференции. В фотонном кристалле интерференция гасит (запрещает распространение) для целого диапазона длин волн - в этом случае возникают «запрещенные зоны». Такие запрещенные моды (длины волн) локализованы в центральной части волокна на всем его протяжении.

Таким образом, нет необходимости создавать определенную разницу в показателях преломления между жилой и оболочкой, как в случае классического оптоволокна, - выбор материала для внутренней части ничем не ограничен. Более того, полые волокна, где свет распространяется внутри воздушной полости, имеют преимущество перед классическими волокнами со ступенчатым изменением показателя преломления - сердцевина волокна там всегда должна иметь больший показатель преломления, чем оболочка.

Преимущество полых волокон состоит в бесконечно малой дисперсии, поскольку свет распространяется в практически бездисперсионной среде - воздухе.

На Фиг.1 показан способ укладки стеклянных капилляров в пакет гексагональной формы.

На Фиг.2 схематично показана геометрия внутренней структуры фотонно-кристаллического волновода для деления широкого спектра оптического излучения на узкие диапазоны, где 1 - ряд стеклянных штабиков для прочности и жесткости конструкции, 2 - тонкостенные стеклянные трубки, наружный слой структурной оболочки, 3 - мультикапиллярный массив, геометрия и параметры обеспечивают необходимое сужение полосы пропускания.

На Фиг.3 показана микрофотография поперечного сечения фотонно-кристаллического волновода для деления широкого спектра оптического излучения на узкие диапазоны.

На Фиг.4 показаны спектры пропускания некоторых образцов фотонно-кристаллических волноводов с различными размерами внутренней структуры:

а - диаметр полой сердцевины - 125 мкм, диаметр штабиков в слое 1 и капилляров в слоях 2 - 22 мкм, диаметр капилляров в мультикапиллярном слое 3 - 3 мкм, толщина стенок капилляров в слое 3 - 0,33 мкм;

б - диаметр полой сердцевины - 137 мкм, диаметр штабиков в слое 1 и капилляров в слоях 2 - 24,2 мкм, диаметр капилляров в мультикапиллярном слое 3 - 3,3 мкм, толщина стенок капилляров в слое 3 - 0,37 мкм;

в - диаметр полой сердцевины - 147 мкм, диаметр штабиков в слое 1 и капилляров в слоях 2 - 25,9 мкм, диаметр капилляров в мультикапиллярном слое 3 - 3,5 мкм, толщина стенок капилляров в слое 3 - 0,39 мкм;

г - диаметр полой сердцевины - 151 мкм, диаметр штабиков в слое 1 и капилляров в слоях 2 - 26,6 мкм, диаметр капилляров в мультикапиллярном слое 3 - 3,6 мкм, толщина стенок капилляров в слое 3 - 0,4 мкм;

д - диаметр полой сердцевины - 152 мкм, диаметр штабиков в слое 1 и капилляров в слоях 2 - 26,8 мкм, диаметр капилляров в мультикапиллярном слое 3 - 3,6 мкм, толщина стенок капилляров в слое 3 - 0,41 мкм;

е - диаметр полой сердцевины - 157 мкм, диаметр штабиков в слое 1 и капилляров в слоях 2 - 27,7 мкм, диаметр капилляров в мультикапиллярном слое 3 - 3,73 мкм, толщина стенок капилляров в слое 3 - 0,42 мкм;

ж - диаметр полой сердцевины - 182 мкм, диаметр штабиков в слое 1 и капилляров в слоях 2 - 32,1 мкм, диаметр капилляров в мультикапиллярном слое 3 - 4,3 мкм, толщина стенок капилляров в слое 3 - 0,49 мкм.

В настоящем патенте представлена конструкция фотонно-кристаллических волноводов с полой сердцевиной, обеспечивающих возможность выделения спектральных компонент шириной 100-200 нм из потока оптического излучения от широкополосного источника в пределах всего видимого диапазона длин волн с сохранением максимально высокой интенсивности оптического излучения.

В качестве исходного материала для производства фотонно-кристаллических волноводов с полой сердцевиной используют круглые тонкостенные стеклянные капилляры. Стеклянные капилляры предварительно изготавливают из расплава стекла по классической волоконной технологии путем вытяжки на установке, состоящей из печи, фильерного узла и механизма вытяжки. В печи при нагреве (не более 1000°С) происходит размягчение стеклоблока, а форму, размер и последующую конфигурацию изделия формируют фильера, фильерный узел и работа механизма вытяжки.

После получения тонкостенных капилляров их укладывают в пакет (Фиг.1), причем геометрию структурной оболочки волновода формируют несколькими укладками и перетяжками. При необходимости осуществляют поочередную вытяжку нескольких элементов структуры промежуточных размеров из капилляров большого диаметра, а из многожильных элементов формируется структура целиком.

В центре симметрии фотонно-кристаллического волновода с полой сердцевиной нарушается периодичность воздушных каналов - таким образом формируют полый дефект решетки. Формирование полой сердцевины производят на этапе сборки структуры путем замены одного или нескольких стеклянных капилляров на такую же по геометрии направляющую втулку.

Основным геометрическим параметром структуры, оказывающим влияние на спектральные характеристики волновода, является толщина стенок капилляров в структурной оболочке. Длины волн максимумов пропускания фотонно-кристаллического волновода с полой сердцевиной зависят от толщины стенок капилляров оболочки и показателя преломления материала, из которого изготовлен волновод [1]:

λ max = 2 d 2 j + 1 n 2 2 n 1 2 ,

где d - толщина стенки капилляров оболочки, n1 - показатель преломления среды, заполняющей структуру волновода (в данном случае воздуха, т.е. n1 равно единице), n2 - показатель преломления стекла, из которого изготовлен волновод.

Геометрия поперечного сечения волновода схематично изображена на Фиг.2. В частном случае, рассмотренном ниже, преформа структуры формировалась исходя из определенных геометрических соотношений. Данные размеры структуры приведены для детальной демонстрации технологического процесса. На этапе формирования преформы ее геометрия может варьироваться.

Пример

Структура заготовки для вытяжки волновода включает один ряд стеклянных штабиков (1) диаметром 1,85 мм, два ряда стеклянных капилляров (2) с внешним диаметром 1,85 мм, один ряд мультикапилляров шестигранной формы (3). Мультикапилляры (3) состоят из 37 стеклянных капилляров диаметром 250 мкм, толщина стенок капилляров 28 мкм.

Из заготовки (Фиг.2) вытягиваются волноводы (Фиг.3) с диаметром полой сердцевины 125-182 мкм. Каждому образцу волновода соответствует собственный спектр пропускания (Фиг.4).

На Фиг.5 показаны некоторые примеры спектров пропускания ФКВ, геометрические параметры которых приведены ниже. Данные спектры и соответствующие геометрические параметры волноводов приведены исключительно с целью детальной иллюстрации работы устройства. Геометрические параметры структур могут произвольно варьироваться при производстве с целью получения требуемых спектральных характеристик оптического устройства.

Литература

1. Желтиков А.М. "Цвета тонких пленок, антирезонансные явления в оптических системах и предельные потери собственных мод полых световодов". - Успехи физических наук, т.178, №6, стр.619-620.

1. Фотонно-кристаллический волновод, имеющий в сечении, перпендикулярном к оси волновода, гексагональную форму с периодически расположенным массивом отверстий, отличающийся тем, что центральная часть представляет собой полую сердцевину, в которую введен мультислой капилляров с периодом и диаметром, близкими или много меньшими длины волны из требуемого спектрального диапазона максимальной интенсивности.

2. Фотонно-кристаллический волновод по п.1, отличающийся тем, что диаметр капилляров оболочки волновода больше диаметра каналов мультислоя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптоволоконной технике и может быть использовано в производстве микроструктурированных волоконных световодов, используемых в оптических усилителях, лазерах, спектральных фильтрах и телекоммуникационных сетях.

Изобретение относится к области измерений кинематических параметров движущейся поверхности в быстропротекающих процессах. Технический результат - обеспечение возможности производить измерения кинематических параметров фиксированного участка (точки) движущейся поверхности.
Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано для изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов. Согласно способу получают цилиндрическую заготовку MCVD методом, которая содержит сердцевину, низковязкую напрягающую оболочку и конструктивную оболочку.

Изобретение относится к инфракрасным световодам с большим диаметром поля моды. Световод включает сердцевину и оболочку, состоящую из стержней, расположенных в гексагональном порядке.
Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи, а именно к одномодовым двухслойным кристаллическим инфракрасным (ИК) световодам для спектрального диапазона от 2 до 50 мкм.

Изобретение относится к области оптоволоконной связи. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества световодов с непрозрачной защитной оболочкой и одним недоступным торцом ввода-вывода излучения.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах и других датчиках физических величин, а также в волоконных линиях связи и мощных волоконных технологических лазерах.

Изобретение относится к оптоволоконной технике и может быть использовано в оптических усилителях, лазерах, спектральных фильтрах и телекоммуникационных сетях. .

Изобретение относится к сенсорной системе, содержащей волновод. На части волновода содержится дифракционная решетка. Также волновод содержит покрытие, включающее полимер. Полимер содержит цепь, в которой присутствуют ароматическая группа и химическая группа, выбранная из группы сульфонильных групп, карбонильных групп, карбонатных групп, фторуглеродных групп, силоксановых групп, пиридиновых групп и амидных групп. Технический результат - высокая жесткость и высокая температурная стойкость. 6 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 табл., 7 ил.

Группа изобретений относится к области волоконных световодов, стойких к воздействию ядерного и/или ионизирующего излучения. Волоконный световод получают методом химического осаждения кварцевого стекла из смеси исходных газообразных реагентов. Световод имеет сердцевину из нелегированного кварцевого стекла с малым содержанием хлора в стекле сердцевины за счет значительного избытка кислорода O2 над тетрахлоридом кремния SiCl4 при изготовлении. Технический результат - обеспечение повышенной радиационной стойкости световода в ближнем ИК-диапазоне за счет подавления радиационно-наведенного поглощения света. 5 н. и 27 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к улучшенному способу получения заготовок из галогенидов серебра и их твердых растворов для волоконных инфракрасных световодов, включающему нанесение на кристалл-сердцевину из галогенида серебра кристаллической оболочки из кристаллического галогенида серебра с показателем преломления, меньшим, чем у кристалла-сердцевины, и термическую обработку. При этом оболочку на кристалл-сердцевину наносят путем ионообменной диффузии в ионообменном источнике, в качестве которого берут мелкодисперсный порошок галогенида серебра крупностью 1-20 мкм, диффузию проводят при температуре, близкой к температуре плавления кристалла-сердцевины, в атмосфере смеси паров галогенов, входящих в состав материала кристалла и порошка, взятых в равном соотношении при давлении 0,2-0,5 атм. Способ позволяет снизить оптические потери световодов, работающих в инфракрасной области спектра. 2 пр.

Изобретение относится к одномодовым оптическим волокнам, имеющим низкий коэффициент затухания. Оптическое волноводное волокно включает сердцевину и оболочку. Сердцевина включает в себя альфа-профиль, где альфа (α) больше 2,5 и меньше 3,0. Сердцевина и оболочка обеспечивают волокно с коэффициентом затухания менее 0,331 дБ/км на длине волны 1310 нм, коэффициентом затухания менее 0,328 дБ/км на длине волны 1383 нм, коэффициентом затухания менее 0,270 дБ/км на длине волны 1410 нм и коэффициентом затухания менее 0,190 дБ/км на длине волны 1550 нм. Также обеспечен способ изготовления оптического волокна. Технический результат - снижение коэффициента затухания и потерь на изгибе. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил., 5 табл.

Изобретение относится к методам химического парофазного осаждения для изготовления кварцевых световодов с малыми оптическими потерями. Согласно способу внутрь трубки заготовки волоконного световода вводят сухие, содержащие дейтерий газы, например пары диметилсульфоксида Д6. Легирование осаждаемых слоев стекла сердцевины и оболочки малыми добавками дейтерия производят как в процессе осаждения слоев, так и при высокотемпературном сжатии трубки. Технический результат - снижение оптических потерь световода и массоуноса заготовок, сокращение длительности процесса их изготовления. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к волоконной оптике. Оптическое волокно включает не содержащую Ge сердцевину с центральной областью, первой кольцевой областью, легированной фтором второй кольцевой областью и оболочкой. Профиль относительного показателя преломления оптического волокна выбран для обеспечения затухания не более 0,175 дБ/км на длине волны 1550 нм. Волокно дополнительно содержит первичное покрытие, имеющее модуль Юнга менее 1,0 Мпа, и вторичное покрытие, имеющее модуль Юнга свыше 1200 МПа. Технический результат - большая эффективная площадь и низкое затухание. 19 з.п. ф-лы, 14 табл., 23 ил.

Изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам температуры. Чувствительный элемент выполнен в виде волокна из люминесцентного стекла, которое содержит нейтральные молекулярные кластеры серебра и ионы редкоземельного металла. Технический результат - увеличение температурной чувствительности датчика. 3 ил.

Изобретение относится к оптоволоконной технике. Микроструктурированный световод содержит тонкостенные трубки, которые расположены равномерно по внутренней поверхности опорной трубы либо в соприкосновении друг с другом, либо раздельно. Тонкостенные трубки заполнены жидкокристаллическим материалом полностью или содержат слои жидкокристаллического материала на их внутренней поверхности. Технический результат - локализация излучения высокой оптической мощности в спектральном диапазоне частот от видимого до ИК-излучения с возможностью динамической перестройки волноводного режима с помощью воздействия внешних электрических и магнитных полей, оптического излучения или температуры. 8 ил.
Наверх