סיב גביש פוטוני

סיב גביש-פוטוני (PCF) הוא סוג של סיב אופטי המבוסס על תכונותיהם של גבישים פוטוניים. סוג סיב זה נחקר לראשונה בשנת 1996 באוניברסיטת באת', בבריטניה. בגלל יכולתו הטובה בכליאת אור בליבות החלולות ומאפייני כליאת אור שאינם אפשריים בסיבים אופטיים קונבנציונליים, סיבי גביש-פוטוני מיושמים כיום בתקשורת מבוססת סיבים אופטיים, במכונות לייזר, במערכות לשידור בהספק גבוה, בחיישני גז רגישים במיוחד ובתחומים רבים נוספים. תת-קטגוריות של סיבי גביש-פוטוני כוללות גם סיבים מבוססי פס אנרגיה פוטוני (סיבי גביש-פוטוני המגבילים אור על ידי אפקט הפער האסור), וסיבי חור (סיבי גביש-פוטוני המשתמשים בחורי אוויר בחתכים שלהם). סיבי גביש-פוטוני עשויים להיחשב כתת-קבוצה של מחלקה כללית יותר של סיבים אופטיים בעלי מיקרו-מבניים, כיוון שהאור מונחה בתווך באמצעות שינויים מבניים בצורתו של התווך, ולא רק על ידי הבדלי אינדקסי השבירה. סיבי גביש-פוטוני, כמו סיבים אופטיים קונבנציונליים, מתאפיינים בחתך רוחב אחיד לאורך הסיב, אשר מורכב מחומר אחד או יותר. בעוד שבסיבים קונבנציונליים בדרך כלל מדובר בליבה פנימית המכוסה בחיפוי, כך שהחיפוי, מקיף את הליבה (או מספר ליבות) ומגביל את יכולתו של אור בליבה לפרוץ החוצה, במקרה של סיבי גביש פוטוני מדובר במבנה פנימי מסודר של חורי אוויר שמשמש בתפקיד החיפוי ובאמצעות אפקט פס האנרגיה הפוטוני הוא מונע את בריחת האור. הסיבים שנבחנו לראשונה על ידי פיליפ ראסל כללו סיבי מסוג צורן דו- חמצני המכילים סריג משושה של חורי אוויר, עם ליבה מוצקה או חלולה שבמרכזה עובר האור. תצורות אחרות כוללות טבעות קונצנטריות עשויות משני חומרים או יותר, שהוצעו בראשונה כ"סיבי בראג" על ידי יה ויריב, מבני פרפר, פנדה ומבני חורים אליפטיים (המשמשים להשגת שבירה דו-פעמית גבוהה יותר בשל אי-סדירויות במקדם השבירה היחסי), וספירלה. כמות הקונפיגורציות הללו מאפשרות שליטה מדויקת יותר על מאפייניו האופטיים של הסיב, מאחר שניתן באמצעותן לבחור סיב מדויק למטרה או לשנות פרמטרים ספציפיים בהתנהגותו האופטית. סיבי גביש-פוטוני מיוצרים בדרך כלל באמצעות תהליך דומה לתהליך הייצור של סיבים אופטיים קונבנציונליים. תחילה, מכינים מוצק בצורת "פרפורם" בקוטר של כמה סנטימטרים, ולאחר מכן מחממים את הפרפורם ומושכים אותו לקוטר הרבה יותר קטן. תהליך זה מקטין את חתך הפרפורם, אך בדרך כלל שומר על התכונות המקוריות שלו. על ידי תהליך זה ניתן לייצר קילומטרים של סיב מפרפורם יחיד. חורי אוויר נוצרים בדרך כלל על ידי איגוד מוטות זכוכית חלולים לתוך אלומה, וחימום האלומה מאפשר להכין מוט בודד עם חורים מסודרים לפני הכיווץ. רוב סיבי הגביש-הפוטוני נוצרים מזכוכית סיליקה, אך גם נעשה שימוש בסוגי זכוכיות אחרות על מנת להשיג תכונות אופטיות מסוימות, כגון אי-ליניאריות אופטית גבוהה. יש גם עניין גובר בייצור סיבים מפולימר, ובמסגרת זו נחקרים מגוון רחב של מבנים פנימיים, כאלה כוללים מבני אינדקס מדורגים, סיבים המכילים מבנה טבעת וסיבים המכילים ליבה חלולה. סיבי גביש-פוטוני ניתנים לחלוקה לשתי קטגוריות על פי המנגנון באמצעותו הם כולאים את האור: הנחיית אינדקס ופער פס פוטוני. סיבי גביש-פוטוני מונחי-אינדקס מאופיינים בליבה המוצקה שלהם, שבה מצוי מקדם שבירה ממוצע גבוה יותר מזה של החיפוי. הדרך הפשוטה ביותר להשיג זאת היא לשמור על ליבה מוצקה, המוקפת בחיפוי המורכב מאותו חומר, אך עם חורי אוויר. זאת מכיוון שמקדם השבירה של האוויר בהכרח נמוך יותר ממקדם השבירה הממוצע של החיפוי. סיבי גביש-פוטוני מסוג זה פועלים על אותו עיקרון הנחיית אינדקס כמו סיבים אופטיים קונבנציונליים. אולם, הם יכולים להיות בעלי מקדם שבירה יעיל רב יותר בין הליבה לחיפוי, ולכן יכולים לשמש כחסמים חזקים יותר ביישומים של התקנים אופטיים לא ליניאריים. בנוסף, הם יכולים להיות גם עם ניגודיות אינדקס אפקטיבית נמוכה יותר. בנוסף, ניתן ליצור סיבי גביש-פוטוני מונחי אפקט פס אנרגיה פוטוני, שבהם האור מובל בתוך התווך באמצעות ההחזרה מסידור צינוריות אוויר היוצרות פער אנרגיה הכולא את הפוטונים בליבה. סיב כזה יכול להגביל את האור בליבה שיש לה מקדם שבירה נמוך יותר ואפילו חלול (אוויר) מהזכוכית עצמה. סיבי גביש-פוטוני מבוססי אפקט פס אנרגיה עם ליבות חלולות מאפשרים עיקול של הסיב (ומכאן, של האור) במידה רבה יותר מאשר טכנולוגיות סיבים אחרות, מה שמאפשר להשתמש בסיבים אלו במקרים בהם לא ניתן להשתמש בסיב קונבנציונלי. לדוגמה, ניתן ליצור סיבים המנחים אור באורכי גל שאין חומרים 'מספיק שקופים' עבורם, וזאת כיוון שבסיב כזה האור עובר באוויר. יתרון פוטנציאלי נוסף של הליבה החלולה במבנה סיב כזה הוא שניתן להחדיר באופן דינמי חומרים לתוך הליבה, כמו גזים מסוגים שונים, שיכולים לשמש לזיהוי נוכחותו של חומר מסוים. TA Birks, PJ Roberts, P. St. J. Russell, DM Atkin and TJ Shepherd, "Full Band 2-D photonic gaps in silica/air structures" Electronic Letters 31, 1941-1942 (1995). (הצעת PCF שדווחה לראשונה) P. St. J. Russell, "סיבי קריסטל פוטוניים", Science 299, 358-362 (2003). (סיקור מאמר. ) P. St. J. Russell, "סיבי קריסטל פוטוניים", J. Lightwave. טכנול., 24 (12), 4729–4749 (2006). (סיקור מאמר. ) F. Zolla, G. Renversez, A. Nicolet, B. Kuhlmey, S. Guenneau, D. Felbacq, "Foundations of Photonic Crystal Fibres" (Imperial College Press, London, 2005).מסת"ב 1-86094-507-4ISBN 1-86094-507-4 . RF Cregan, BJ Mangan, JC Knight, TA Birks, P. St.J. ראסל, פי.ג'יי רוברטס ו-DC Allan, "הנחיית פערי פס פוטוניים במצב יחיד של אור באוויר," Science, vol. 285, מס'. 5433, עמ'. 1537–1539, ספטמבר 1999. A. Bjarklev, J. Broeng, and AS Bjarklev, "סיבי קריסטל פוטוניים" (Kluwer Academic Publishers, Boston, MA, 2003).מסת"ב 1-4020-7610-XISBN 1-4020-7610-X . JM Dudley, G. Genty, S. Coen, "Generation Supercontinuum in Fiber Photonic Crystal," Reviews of Modern Physics 78, 1135 (2006). המרכז לפוטוניקה וחומרים פוטוניים (CPPM), אוניברסיטת באת Centre for Photonics and Photonic Materials, www.bath.ac.uk קבוצה של פרופ. פיליפ סנט ג'ון ראסל במכון מקס פלנק למדע האור בארלנגן PcFiber.com is for sale, HugeDomains (באנגלית) עם חומר מבוא, סקירות ומידע על מחקר עדכני. אנציקלופדיה לפיזיקה וטכנולוגיה של לייזר על סיבי גביש פוטוניים, עם הפניות רבות Steven G. Johnson, הדרכות פוטוני-גביש וסיבים מיקרו-מובנים (2005). פיליפ ראסל: סיבי קריסטל פוטוניים, חשבון היסטורי ב: ניוזלטר IEEE LEOS, אוקטובר 2007 John D. Joannopoulos, Steven G. Johnson, Joshua N. Winn, and Robert D. Meade, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light, מהדורה שנייה (פרינסטון, 2008), פרק 9. (ניתן לקריאה באינטרנט. ) מצגת במליאת פיליפ ראסל: יישומים מתעוררים של סיבי קריסטל פוטוניים חדר החדשות של SPIE