Footonkristallist optiline kiud

Footonkristallist optiline kiud on sellist tüüpi valgusjuhe, mis juhib valgust teatava perioodilise struktuuri tõttu. Nende kiudude südamiku ümber on footonite keelutsoonidega kristallstruktuur ehk footonkristall.

Struktuur

Footonkristallist optiline kiud on ühtlasest materjalist (enamasti klaasist) kiud, kus on pikisuunas tervet kiudu läbivad õhuga täidetud augud, mis ristlõikes moodustavad kindla struktuuri. Kõige levinum paiknemine, mis on ka kõrvaloleval pildil kujutatud, on kolmnurkne võre. Keskel on auk ära jäetud, tekitades tahke südamiku, mille ümber olevat augulist ala nimetatakse kattekihiks. Enamasti on kõige ümber veel kaitsekate. Leidub ka teistsuguseid struktuure, näiteks on olemas õõnsa südamikuga kiud.

Üks konkreetne footonkristallist optiline kiud on NKT Photonics LMA-5, mis sobib näitlikustamaks tüüpilisi kiu mõõtmeid. See on valmistatud klaasist ning eelnevas lõigus kirjeldatud struktuuriga, kusjuures augud moodustavad südamiku ümber kuus korrapärast kuusnurka. Kiu diameeter on 125 mikromeetrit ning koos kaitsekihiga on see 245 mikromeetrit. Aukude suurused ning omavahelised kaugused on paar mikromeetrit. Sellises fiibris levib suurem osa valgusest 5-mikromeetrise diameetriga südamikus.

Tööpõhimõte
Kius levivad ainult teatud võnkemoodid. Kui levivaid võnkemoode on ainult üks, siis nimetatakse kiudu ühemoodiliseks kiuks.

Lihtsustatud viis footonkristallist optilise kiu tööpõhimõtte mõistmiseks on kasutada efektiivse murdumisnäitaja mudelit: optiliselt hõredad augud vähendavad kattekihi efektiivset murdumisnäitajat, mis on seega südamiku omast väiksem ning järelikult saab footonkristallist optilise kiu tööpõhimõtet kirjeldada analoogselt valgusjuhtmega. See mudel aitab ka üldistada mitmeid teadmisi tavalise valgusjuhtme kohta footonkristallist optilistele kiududele. Samas pole see seletus väga täpne ning ei suuda seletada muuhulgas õõnsa südamikuga kiudusid.

Täpsem seletus põhineb footonkristallidel, sellest ka kiudude nimetus. Footonkristallid on perioodilised optilised nanostruktuurid, mis käituvad footonitega analoogselt nagu pooljuhtkristallid mõjutavad elektrone. Lõpmatu suurusega footonkristallis on teatud sagedustega footonitele levimine täielikult keelatud. Seda omadust ära kasutades on võimalik nende sagedustega valguse levik koondada südamikku, mis on ümbritsetud footonkristalliga. Seda saab teha suvalise murdumisnäitajaga südamiku korral, seega on võimalik teha õhust südamikuga kiude, saavutades seeläbi väikese dispersiooni ning neeldumise. Reaalsuses ei saa küll teha lõpmatu suurt footonkristalli, siis hea valguse lõksustumise saab juba mõne aukude ringiga, kuigi väga väike osa valgusest läheb lõplike mõõtmete tõttu siiski kaduma.

Ajalugu
Eli Yablonovitch lõi 1987. aastal footonkristallide teoreetilise mudeli, mis sai eksperimentaalse tõestuse 1990. aastal, kui loodi umbes tennisepallisuurune footonkristallstruktuur mikrolainetele.

Ei olnud lihtne ülesanne mõelda välja, kuidas teha footonkristallist nähtava valguse jaoks optilist kiudu, sest nõutav struktuur on väga väike: aukude diameetrid pidid olema mikromeetrite suurusjärgus. Varem oli söövitades tehtud klaasplaatidele näiteks 33-nanomeetrise diameetriga auke, kuid nende sügavus oli kõigest 1 millimeeter, mis oli selgelt ebapiisav. Prooviti veel näiteks puurimist, kuid see oli samuti ebapiisava täpsusega.

Peale mitmete meetodite proovimist õnnestus kiud luua 1995. aastal kuumutades ning seejärel venitades kuusnurkseid klaastorusid. Loodi eespool kirjeldatud struktuuriga tahke südamikuga kiud, sest aukude diameetrid olid võrreldes nendevaheliste kaugustega liiga väikesed, et selline õõnsa südamikuga kiud valgust juhiks. Esimene õõnsa südamikuga kiud valmistati neli aastat hiljem.

2000. aastal kasutati footonkristallist kiudusid esmakordselt tegemaks kitsa spektriga kiirest väga laia spektriga kiir. Samal aastal loodi esimene mitme südamikuga footonkristallist kiud ning veel ka valguse polarisatsiooni säilitav kiud.

Valmistamine
Kõige levinum viis kiudude valmistamiseks on klaastorude venitamine. Selleks võetakse umbes mõne sentimeetrise diameetriga meetripikkused klaastorud ning paigutatakse nad soovitud struktuuri. Nõutud diameetri saavutamiseks hakatakse peaaegu sulamistemperatuurini kuumutatud klaasi otsast venitama. Venitamiskiiruse muutmisega on võimalik saadud diameetrit täpselt reguleerida. Sel moel võib saada meetristest klaastorudest kilomeetrite jagu optilist kiudu. Selline meetod töötab hästi klaasist kiudude valmistamiseks, sest nendel on sobiv viskoossus laias temperatuurivahemikus. Lõpus lisatakse kiule kaitsekate.

Eelised tavaliste valgusjuhtmete ees

Tahke südamikuga kiud
Erinevalt tavalistest valgusjuhtmetest säilitavad footonkristallist optilised kiud ühemoodilisuse väga laias lainepikkuste vahemikus. See on seotud teise väga kasuliku omadusega: võimalik on luua eri moodi laiustega kiude ehk valguse leviku pindala võib eri kiududel väga erinev olla. See võimaldab jagada valguse võimsuse suurema pindala peale, mistõttu suurest kiiritustihedusest tulenevad probleemid, näiteks mittelineaarsed efektid, on oluliselt väiksemad kui tavalistes valgusjuhtmetes. Teistpidi on jälle võimalik valmistada kiude, kus valgus on koondatud väga väikesele alale, sest suudetakse teha suure südamiku ja kattekihi murdumisnäitajate erinevusega kiude. See võimaldab mittelineaarseid efekte vajadusel hoopis ära kasutada.

Nendel kiududel on palju muudetavaid parameetreid (aukude asukohad, suurused, kujud ning murdumisnäitajad), mida hoolikalt valides on võimalik tekitada anomaalse dispersiooniga või teatud lainepikkustel dispersioonivabasid kiudusid.

Auke ära jättes on võimalik teha mitme südamikuga kiudusid, mis on kui mitu sõltumatut valgusjuhet. Sama tehnikat kasutades on võimalik luua ka polarisatsiooni säilitavaid kiudusid. Täites augud vedelikega või gaasidega on võimalik teha kiudusid, mille omadusi saab kasutades jooksvalt muuta.

Samuti on võimalik saavutada väga kõrgeid numbrilise ava väärtusi.

Õõnsa südamikuga kiud
Õõnsa südamikuga kiududes tulenevad eelised asjaolust, et õhk on optiliselt hõre. Seega on nendes oluliselt väiksem dispersioon ja mittelineaarsed efektid. Aines on väike neeldumine, kuid praegu veel on valguskaod suuremad kui tavalisel valgusjuhtmel, sest väga väike osa valgusest siiski hajub kiududest välja.

Rakendused
Mõned näited footonkristallist optilise kiu rakendusest.
 Võimalus teha suure südamikuga kiudusid võimaldab kanda üle suure võimsusega valgust.
 Võimalus teha väikse südamikuga kiudusid võimaldab võimendada ning seeläbi paremini kasutada mitmeid mittelineaarseid efekte. Seeläbi saab näiteks laiendada valguskimpude spektrit või tekitada solitone.
 Suure numbrilise avaga kiud on kasulikud laseri ehituses.
 Kasutades footonkristallist optilisi kiude, saab teha erinevaid valgusjuhtmetevahelisi seadmeid, näiteks kius leviva valguskimbu diameetri muutjaid, sest footonkristallist optilisi kiude on võimalik teha väga erinevate parameetritega.
 Kiudusid on võimalik kasutada ka telekommunikatsiooni valdkonnas, kus väiksemad kaod painutamisel võivad olla kasulikud. Teised võimalused on kasutada kiudusid näiteks dispersiooni kompenseerimiseks, võimendamiseks või sageduse stabiliseerimiseks.
 Footonkristallist optilisi kiudusid on võimalik kasutada osakeste liigutamiseks ja lõksustamiseks.
 Kiudusid on võimalik kasutada mitmesugustes optilistes andurites.

Viited

Optika