Оптические волокна на принципе фотонного кристалла

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.

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.

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.

Фотонный кристалл представляет собой сверхрешетку, в ко­торой искусственно создано поле, период которого на порядки превышает период основной решетки. Фотонный кристалл — это полупрозрачный диэлектрик с определенной периодической структурой и уникальными оптическими свойствами.

Периодическая структура формируется из мельчайших отверстий, которые периодически меняют диэлектрическую константу ε. Диа­метр этих отверстий такой, что через них проходят световые волны строго определенной длины. Все остальные волны поглощаются или отражаются. Образуются фотонные зоны, в которых фазовая скорость распространения света зависит от ε. В кристалле свет распространяет­ся когерентно и появляются запрещенные частоты, зависящие от направления распространения. Брэгговская дифракция для фотонных кристаллов имеет место в оптическом диапазоне длин волн.

Такие кристаллы получили название материалов с фотонной за­прещенной зоной. В фотонных кристаллах возможна 100% инверсия населенности уровней. Если на кристалл воздействовать зву­ковыми волнами, то длина световой волны и направление движения характерной для кристалла световой волны, может меняться.

Отличительным свойством фотонных кристаллов является про­порциональность коэффициента отражения R света в длинноволно­вой части спектра квадрату его частоты ω², а не как для релеевского рассеяния ω⁴. Коротковолновая компо­нента оптического спектра описывается законами геометрической оптики.

На основе фотонных кри­сталлов созданы фотонно-кристаллические волокна. В них имеется запрещенная зона в заданном диапазоне длин волн. В отличии от обычных волоконных световодов, в волокнах с фотонной запрещенной зоной есть возмож­ность сдвигать длину волны нуле­вой дисперсии в видимую область спектра.

Технология создания оптических волокон на принципе фотонного кристалла отличается от стандартной технологии. При использовании стандартной технологии оптическое волокно вытягивается при температуре 2000 ⁰С из заготовки, представляющей собой кварцевый стержень с легированной областью соответствующего диаметра в центре. В зависимости от типа волокна эта заготовка в дальнейшем трансформируется в оптическое волокно диаметром 125 мкм и соответствующим размером сердцевины.

В технологии оптического волокна на принципе фотонного кристалла в кварцевую трубку диаметром 20 мм упаковываются капилляры диаметром порядка 1 мм с направляющим стержнем из того же кварцевого стекла, расположенного между капиллярами. Из полученной заготовки производится вытяжка волокна. Подобно стандартной технологии используется двухступенчатый процесс, при этом во время повторной вытяжки характеристические поперечные размеры изделия уменьшаются примерно в 10 000 раз.

У первых волокон (разработанных в Англии, фирма Blaze Photonics) диаметр полых микроканалов состовлял 0,3 мкм при их периодическом зазоре в 2-3 мкм.

Поперечное сечение такого волокна имело гексагональную форму, определяемую структурой укладки капилляров в трубке.

Изменением размеров воздуш­ных трубок и, соответственно, размера сердцевины можно увеличить концентрацию мощности светового излучения, нелинейные свойства волокон. Меняя геометрию волокон и оболочки, можно получить оп­тимальное сочетание сильной нелинейности и малой дисперсии в нуж­ном диапазоне длин волн.

В настоящее время известны два типа таких волокон: это волокна со сплошной и полой сердцевиной (рисунок 6.7).

а) б)

Рисунок 6.7 – Фотонно-кристаллическое волокно:

а) с полой световедущей жилой, б) со сплошной световедущей жилой в центре

Волокна первого типа представляют собой сердцевину из кварцевого стекла в оболочке из фотонного кристалла, характеризуемой более низким (по отношению к сердцевине) коэффициентом преломления. Характеристики распространения излучения определяются эффектом полного внутреннего отражения (как в обычном волокне), а также зонными эффектами фотонного кристалла. Число волноводных мод в таком волокне определяется отношением диаметра воздушных микроканалов d и их периодом А. При d/А ≤0,2 такие волокна являются одномодовымив спектральном диапазоне прозрачности волокна. Зонная структура фотонного кристалла проявляется лишь косвенно, при этом оказывается необязательная строгая периодичность расположения микроканалов, т.к. определяющим фактором является средняя величина коэффициента преломления оболочки. Наличие таких микроканалов позволяет более чем на порядок увеличить относительную разность коэффициентов преломления сердцевины и оболочки по сравнению со стандартным волокном. Спектральная дисперсионная зависимость очень слабая. Поэтому в таких волокнах в широком спектральном диапазоне распространяются моды низшего порядка. Моды высокого порядка сдвигаются в оболочку и там затухают. В этом случае волноведущие свойства кристалла для мод нулевого порядка определяются эффектом полного внутреннего отражения.

При другом способе создания фотонных волокон изначально в заготовке из высококачественного кварца сверлятся отверстия, а потом производится вытяжка, причем последняя может быть выполнена в несколько шагов, так как исходные капилляры с диаметром порядка 1 мм должны быть перетянуты до примерно 1 мкм. Такой способ более трудоемкий, но позволяет создавать волокна, в принципе, с произвольной структурой показателя преломления.

Изменяя диаметры отверстий и их расположение, можно в очень широких пределах изменять оптические свойства фотонных волокон. Фотонные волокна создают с малым размером сердцевины, а (им характерна повышенная нелинейность) и, наоборот, удается сделать сердцевину намного большую по сравнению с «обычными» одномодовыми ОВ, что приводит к ослаблению нелинейных эффектов и возможности пропускания больших мощностей в одномодовом режиме.

В фотонных волокнах с «воздушной» сердцевиной излучение идет практически в воздухе, что существенно уменьшает и дисперсию, и нелинейные эффекты. В этом случае волноводный режим распространения обеспечивается зонной структурой фотонного кристалла. (Полностью не изучены). Помимо нелинейной оптики такие дисперсионные свойства фотонных волокон найдут широкое применение в телекоммуникации, например, для компенсаторов дисперсии.

Другими очень интересными типами фотонных волокон являются поляризационные волокна, в которых за счет снижения симметрии воздушных каналов можно получить двулучепреломление на порядок большее, чем в традиционных поляризационных волокон HiBi ОВ - до 10^-3 и более. Многомодовые фотонные волокна перспективны для передачи больших мощностей, а высокая чувствительность характеристик распространения фотонных волокон к параметрам их структуры открывает возможности создания волоконных датчиков на этой основе.

В настоящее время созданы волокна, имеющие потери 0,58 дБ/км на длине волны Х= 1,55 мкм, что близко к значению потерь в стандартном одномодовом волокне (0,2дБ/км).

Среди других преимуществ фотонно-кристаллических волокон отметим следующие:

- одномодовый режим для всех расчетных длин волн;

- широкий диапазон изменения пятна основной моды;

- постоянное и высокое значение коэффициента дисперсии для длин волн 1,3 - 1,5 мкм и нулевая дисперсия для длин волн в види­мом спектре;

- управляемые значения поляризации, дисперсии групповой ско­рости, спектр пропускания.

Волокна с фотонно-кристаллической оболочкой находят широкое применение для решения проблем оптики, лазерной физики и осо­бенно в системах телекоммуникаций. Дырчатые световоды с большим диаметром световедущей жилы также могут использоваться в качестве среды передачи световых потоков высокой интенсивности.

Контрольные вопросы

1.Назовите типы волокон? Покажите ход лучей.

2.Как обеспечить условие полного внутреннего отражения в оптическом волокне?

3.Назовите окна прозрачности волокна?

4.Что такое дисперсия?

5.У каких типов оптических волокон минимальная дисперсия и почему?

6.Как определяется ширина полосы пропускания?

7.Какие причины возникновения затухания в оптическом волокне?

8.Способы снижения потерь излучения при организации волоконных линий связи?

9.Какой главный недостаток многомодовых волокон?

10.Что такое фотонный кристалл и какова его структура?

11.Что представляют собой фотонно-кристаллические волокна?

12.Где используются фотонные кристаллы?

Оптические диски

7.1 Историческая справка

Развитие материальных носителей документированной информации в целом идет по пути непрерывного поиска объектов с высокой долговечностью, большой информационной емкостью при минимальных физических размерах носителя. В конце 70-х годов прошлого столетия две компании Sony и Philips серьезно занялись вопросом цифрового звуковоспроизведения. В 1982 году появились компакт-диски CD Audio, которые стали обозначаться аббревиатурой СD (Compact Disk), и была впервые осуществлена оптическая запись звуковых программ. В середине 1980-х годов были созданы компакт-диски: СD-R (CD Recordable) и CD-E (CD Erasable). Технология CD-RW была представлена в 1997 году.

В сентябре 1995 г. группой компаний Sony, Philips, Toshiba, позднее образовавших DVD Forum, была предложена спецификация оптических дисков высокой плотности -DVD. Следующим этапом развития технологий оптических дисков стало новое поколение DVD с высокой плотностью записи HD DVD и Blu-Ray. За основу технологической разработки принят новый стандарт, предусматривающий считывание информации с помощью синего лазера.

Классификация дисков

По технологии применения различают следующие виды компакт-дисков:

1. Диски с постоянной (нестираемой информацией) СD-RОМ. Это пластиковые компакт диски диаметром 4,72 дюйма и толщиной 0,05 дюйма. Они изготавливаются с помощью стеклянного диска-оригинала, на который наносится фоторегистрирующий слой. В этом слое лазерная система записи формирует систему питов (меток в виде микроскопических впадин), которая затем переносится на тиражируемые диски копии. На каждом дюйме размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Емкость СD достигает 780 Мбайт.

2. СD-R; CD-WORM (Write-Once, Read Many) - диски, допускающие однократную запись и многократное воспроизведение сигналов без возможности их стирания. Емкость СD-R – 650 Мбайт.

CD-WARM (Write and Read Many) – много раз записал и много раз считал информацию, т.е. с возможностью многократной записи, позволяющие дописывать информацию на диск.

3. CD-RW; CD-E - реверсивные оптические диски, позволяющие многократно записывать, воспроизводить и стирать записи сигналов. Это наиболее универсальные диски. Они аналогичны дискам для однократной записи, но содержат рабочий слой, в котором физические процессы записи являются обратимыми.

4. DVD диски. Изначально аббревиатура DVD расшифровывалась как "Digital Video Disk" - цифровой видеодиск. Позднее, когда на DVD стали записывать не только видео, аббревиатуру стали расшифровывать как "Digital Versatile Disk" – цифровой универсальный диск.

DVD по структуре данных бывают трех типов: DVD-Video, DVD-audio и DVD-Video-Data.

Различают следующие типы носителей DVD:

- DVD-ROM - штампованные на заводе диски для хранения разнообразной информации;

- DVD-R/RW (DL) - однократно (RW - многократно) записываемые диски, стандартизованные DVD Forum (Double Layer - двухслойные);

- DVD-RAM - многократно записываемые диски с произвольным доступом (RAM –Random Access Memory);

- DVD+R/RW (DL) - однократно (RW - многократно) записываемые диски, (Double Layer- двухслойные).

По объему выделяют следующие категории DVD-дисков:

- DVD-5 - однослойные односторонние диски с емкостью 4,7 Гб (4,38 Гб), имеют стандартные для CD – размеры: диаметр – 12 см, толщина 1,2 мм.

- DVD-9 - двухслойные односторонние диски емкостью 8,5 Гб (7,92 Гб). Имеют два информационных слоя: внутренний и внешний, который наносится на поверхность первого слоя и состоит из специального полупрозрачного материала.

- DVD-10 - однослойные двухсторонние диски емкостью 9,4 Гб (8,75 Гб).

- DVD-18 - двухслойные двухсторонние диски емкостью 17,1 Гб (15,9 Гб).