Światłowód mikrostrukturalny

Mikrostrukturalne włókna światłowodowe (MOF) to światłowody , w których prowadzenie uzyskuje się poprzez manipulację strukturą falowodu , a nie jego współczynnikiem załamania światła .

W konwencjonalnych światłowodach światło jest kierowane dzięki efektowi całkowitego wewnętrznego odbicia . Prowadzenie zachodzi w rdzeniu o współczynniku załamania większym niż współczynnik załamania otaczającego materiału ( płaszcza ). Zmianę indeksu uzyskuje się przez różne domieszki rdzenia i płaszcza lub przez zastosowanie różnych materiałów. W przypadku włókien mikrostrukturalnych stosuje się zupełnie inne podejście. Włókno jest zbudowane z jednego materiału (zwykle krzemionki ), a przewodnictwo światła uzyskuje się dzięki obecności otworów powietrznych w obszarze otaczającym stały rdzeń. Otwory są często ułożone w regularny wzór w dwuwymiarowych układach, jednak istnieją inne układy otworów, w tym nieokresowe. Chociaż okresowe rozmieszczenie otworów uzasadniałoby użycie terminu „ światłowód fotoniczny ”, termin ten jest zarezerwowany dla tych włókien, w których propagacja zachodzi w obrębie defektu fotonicznego lub z powodu fotonicznego efektu pasma wzbronionego. Jako takie, światłowody z kryształu fotonicznego można uznać za podgrupę światłowodów mikrostrukturalnych.

Istnieją dwie główne klasy MOF

1. Włókna indeksowane, w których prowadzenie uzyskuje się dzięki efektowi całkowitego wewnętrznego odbicia
2. Światłowody fotoniczne z pasmem wzbronionym, w których prowadzenie uzyskuje się poprzez konstruktywną interferencję światła rozproszonego (w tym efekt fotonicznego pasma wzbronionego).

Strukturyzowane światłowody, oparte na kanałach biegnących wzdłuż całej ich długości, sięgają Kaiser and Co w 1974 r. Należą do nich światłowody z płaszczem powietrznym, światłowody mikrostrukturalne, czasami nazywane światłowodami fotonicznymi, gdy układy otworów są okresowe i wyglądają jak kryształ i wiele innych podklas. Martelli i Canning zdali sobie sprawę, że struktury krystaliczne, które mają identyczne obszary śródmiąższowe, w rzeczywistości nie są najbardziej idealną strukturą do praktycznych zastosowań i wskazali włókna o strukturze aperiodycznej, takie jak włókna fraktalne, są lepszą opcją w przypadku niskich strat zginania. Włókna aperiodyczne są podklasą włókien Fresnela, które opisują propagację optyczną w sposób analogiczny do wiązek bez dyfrakcji. Te również można wykonać za pomocą kanałów powietrznych odpowiednio rozmieszczonych na wirtualnych strefach światłowodu.

Fotoniczne włókna krystaliczne są wariantem mikrostrukturalnych włókien opisanych przez Kaisera i in. Są próbą włączenia pasm wzbronionych Yeh et al. w prosty sposób, okresowo układając w stos regularny układ kanałów i wciągając w postać światłowodu. Pierwsze takie światłowody nie propagowały się przez takie pasmo wzbronione, ale przez efektywny współczynnik skokowy – jednak nazwa ze względów historycznych pozostała niezmieniona, chociaż niektórzy badacze wolą nazywać te włókna światłowodami „dziurkowymi” lub światłowodami „mikrostrukturalnymi” w odniesienie do wcześniej istniejącej pracy z Bell Labs. Przejście do nanoskali zostało wyprzedzone przez nowszą etykietę „strukturalnych” włókien. Niezwykle ważnym wariantem było włókno platerowane powietrzem, wynalezione przez DiGiovanniego w Bell Labs w latach 1986/87 na podstawie prac Marcatili i in. w 1984. Jest to prawdopodobnie najbardziej udany jak dotąd projekt światłowodu oparty na strukturyzacji projektu światłowodu za pomocą otworów powietrznych i ma ważne zastosowania związane z wysoką aperturą numeryczną i zbieraniem światła, zwłaszcza gdy jest wdrażany w formie laserowej, ale z wielką obietnicą w obszarach tak różnych jak biofotonika i astrofotonika.

Struktura okresowa może nie być najlepszym rozwiązaniem dla wielu zastosowań. Włókna, które znacznie wykraczają poza kształtowanie bliskiego pola, można teraz po raz pierwszy celowo projektować w celu kształtowania dalekiego pola, w tym skupiania światła poza końcem światłowodu. Te włókna Fresnela wykorzystują dobrze znaną optykę Fresnela, która od dawna jest stosowana w projektowaniu soczewek, w tym bardziej zaawansowane formy stosowane w optyce aperiodycznej, fraktalnej i nieregularnej optyce adaptacyjnej lub strefach Fresnela / fraktali. Wiele innych praktycznych korzyści projektowych obejmuje szersze pasmo wzbronione fotoniczne w falowodach propagacyjnych opartych na dyfrakcji i zmniejszone straty na zgięciach, ważne dla uzyskania ustrukturyzowanych światłowodów ze stratami propagacji niższymi niż we włóknach o współczynniku skokowym.