ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ПРОПУСКАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
PHOTONIC CRYSTAL WAVEGUIDE FOR SELECTIVE TRANSMISSION OF OPTICAL RADIATION

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]:
<mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>d</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>j</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><msqrt><mrow><msubsup><mi>n</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>n</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow>
,
1
1
2
где d - толщина стенки капилляров оболочки, n - показатель преломления среды, заполняющей структуру волновода (в данном случае воздуха, т.е. n равно единице), n - 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.