(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/GB00/01249 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (1) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (1) Numer zgłoszenia: (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej () Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/GB00/0149 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , WO00/60388 PCT Gazette nr 41/00 (51) Int.Cl. G0B 6/10 (006.01) G0B 6/03 (006.01) G0B 6/036 (006.01) (54) Światłowód z kryształu fotonicznego i sposób wytwarzania światłowodu z kryształu fotonicznego oraz zastosowanie światłowodu (30) Pierwszeństwo: ,GB, ,GB, (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 04/03 (73) Uprawniony z patentu: NKT RESEARCH & INNOVATION A/S,Birkerod,DK (7) Twórca(y) wynalazku: Philip St. John Russell,Southstoke,GB Timothy Adam Birks,Combe Down,GB Jonathan Cave Knight,Wellow,GB Brian Joseph Mangan,Bath,GB (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 03/08 (74) Pełnomocnik: Piotrowicz Alicja, KULIKOWSKA & KULIKOWSKI PL B1 (57) 1. Światłowód z kryształu fotonicznego zawierający obszar o jednorodnym, mniejszym współczynniku załamania, otoczony płaszczem zawierającym obszary o większym współczynniku załamania, przy czym płaszcz jest okresowy, znamienny tym, że obszar o mniejszym współczynniku załamania ma najdłuższy wymiar poprzeczny, który jest nie mniej niż 1,5 razy dłuższy od pojedynczego najkrótszego okresu płaszcza, przy czym światło jest zamknięte w obszarze (4) o mniejszym współczynniku na zasadzie energetycznej przerwy fotonicznej materiału płaszcza i tak zamknięte jest prowadzone wzdłuż światłowodu. 1. Sposób wytwarzania światłowodu z kryształu fotonicznego z zastrz. 1 albo, znamienny tym, że (a) wytwarza się pęk prętów (5, 6), przy czym pęk zawiera nie mniej niż jeden pręt skrócony (6), tworzący wnękę (7) w tym pęku (5, 6), po czym (b) wyciąga się pęk w światłowód posiadający podłużną wnękę (7). 18. Zastosowanie światłowodu z zastrz. 1 do wykonania łącza teletransmisyjnego. 19. Zastosowanie światłowodu z zastrz. 1 do wykonania urządzenia optycznego zawierającego czujnik obejmujący światłowód z kryształu fotonicznego, przy czym obszar (4) o mniejszym współczynniku załamania obejmuje gaz oraz czujnik ma zdolność wykrywania właściwości gazu.

2 PL B1 Opis wynalazku Wynalazek dotyczy światłowodu z kryształu fotonicznego i sposobu wytwarzania światłowodu z kryształu fotonicznego oraz zastosowania światłowodu. Światłowody służą do przesyłania światła z jednego miejsca na drugie. Normalnie światłowody wytwarza się z więcej niż jednego materiału. Pierwszy materiał służy do wykonania środkowej przenoszącej światło części światłowodu, zwanej rdzeniem, natomiast drugi materiał otacza pierwszy materiał i tworzy część światłowodu nazywaną płaszczem. Światło może zostać zamknięte wewnątrz rdzenia przez całkowite odbicie wewnętrzne na powierzchni międzyfazowej rdzeń/płaszcz. Całkowite odbicie wewnętrzne na ogół nie powoduje żadnych strat poza własnymi stratami pochłaniania i rozpraszania, związanymi z samymi materiałami. Konwencjonalne i handlowe małostratne światłowody mają zwykle strukturę z całkowitym odbiciem wewnętrznym. Jednakże jedno ograniczenie mechanizmu falowodowego (który nazywamy prowadzeniem współczynnikowym) polega na tym, że współczynnik załamania materiału rdzenia musi być większy niż: współczynnik załamania materiału płaszcza, aby uzyskać całkowite odbicie wewnętrzne. Nawet jeśli płaszczem jest powietrze (o współczynniku załamania w przybliżeniu równym jedności), materiał rdzenia musi nadal być materiałem w stanie stałym, aby światłowód nadawał się do użytku. W praktyce normalnie nie zaleca się wykorzystywania powietrza jako materiału płaszcza, ponieważ nie zapewnia ono wystarczającej ochrony mechanicznej ani optycznej rdzenia falowodowego. Konwencjonalne światłowody wykonane są z materiału rdzenia w postaci ciała w stałym stanie skupienia lub cieczy, otoczonego przez płaszcz z ciała w stałym stanie skupienia. Przedstawiono falowód światłowodowy, posiadający strukturę znacznie różniącą się od struktury konwencjonalnych światłowodów, w którym jeden mikrostrukturowany materiał użyto do utworzenia rdzenia i płaszcza falowodu. Wprowadzenie mikrostruktury morfologicznej do światłowodu, zwykle w postaci pola niewielkich otworów, które przebiegają na długości falowodu, zmienia lokalne właściwości optyczne falowodu, dzięki czemu możliwe jest konstruowanie i wytwarzanie skomplikowanych struktur falowodowych o nietypowych właściwościach. Taki falowód jest przykładem falowodu z kryształu fotonicznego. W jednym rodzaju falowodu z kryształu fotonicznego falowód z okresowym polem otworów powietrznych w swym przekroju poprzecznym i z brakiem pojedynczego otworu powietrznego w środku (defekt w strukturze krystalicznej) tworzy małostratny falowód optyczny wykonany całkowicie z dwutlenku krzemu, który pozostaje jednomodowy dla wszystkich długości fal wewnątrz okna transmisji dwutlenku krzemu. Mechanizm falowodowy w tym wypadku jest ściśle związany z mechanizmem działającym w konwencjonalnych światłowodach i jest pewną postacią całkowitego odbicia wewnętrznego od materiału, który ma mniejszy efektywny współczynnik załamania niż współczynnik załamania czystego dwutlenku krzemu. Inny rodzaj działania falowodowego został również przedstawiony w falowodzie z kryształu fotonicznego z okresowym polem otworów powietrznych. Światło może zostać zamknięte w sąsiedztwie dodatkowego otworu powietrznego w fotonicznej sieci krystalicznej (to znaczy defekt sieci z małym współczynnikiem), jeżeli kryształ fotoniczny ma odpowiednią strukturę, aby wykazywał energetyczną przerwę fotoniczną. Energetyczna przerwa fotoniczna jest to pewien zakres parametrów, np. zakres częstotliwości lub wektorów falowych, w którym normalnie spodziewane będzie rozchodzenie się światła w materiale płaszcza, ale nie ma żadnych modów propagacji ze względu na detale mikrostruktury. W światłowodach tego rodzaju, które zostały przedstawione obecnie (patrz np. J.C. Knight, J. Broeng, T.A. Birks i P.St.J. Russell, Photonic Band Gap Guidance in Optical Fibres, Science (1998)), światło rozchodzące się wzdłuż światłowodu jest zamknięte w sąsiedztwie defektu o małym współczynniku wewnątrz światłowodu z plastrowym polem otworów powietrznych, jednakże jest silnie ograniczone do mającej duży współczynnik fazy mikrostrukturowanego materiału. Światło zanika w powietrzu, a więc obserwowany prowadzony mod jest skupiony w dwutlenku krzemu otaczającym dodatkowy otwór powietrzny przy rdzeniu. Prowadzenie światła poprzez wydrążone falowody w postaci kapilar szklanych zostało zaprezentowane, ale urządzenia takie są właściwie bardzo nieszczelne. Znane jest rozwiązanie przedstawione w opisie WO ujawniające światłowód jednodomowy włókna kryształu fotonicznego, z jednorodnym rdzeniem i płaszczem zawierającym cylindryczne otwory prowadzone wzdłuż rdzenia w układzie periodycznym wypełnione substancją o mniejszym współczynniku załamania niż materiał płaszcza. W tym rozwiązaniu rdzeń posiada wyższy współczynnik załamania niż płaszcz. Rdzeń i płaszcz mogą być wykonane z tego samego materiału, gdy płaszcz

3 PL B1 3 obejmuje osadzony wzdłuż jego długości rzeczywisty okresowy układ dziur ze współczynnikiem załamania mniejszym, niż otaczający materiał płaszcza, przy czym efektywny współczynnik załamania płaszcza będzie obniżony. Długoterminowym zadaniem naszych badań było opracowanie światłowodu prowadzącego energetyczną przerwę, w którym światło jest zamknięte w otworze powietrznym lub pewnym innym obszarze o mniejszym współczynniku załamania i jest prowadzone bez znacznych nieszczelności w obszarze o mniejszym współczynniku załamania. W takiej konstrukcji można w dużym stopniu uniknąć strat spowodowanych przez materiał płaszcza światłowodu. Celu tego dotychczas nie udało się jednak osiągnąć. Światłowód z kryształu fotonicznego zawierający obszar o jednorodnym, mniejszym współczynniku załamania, otoczony płaszczem zawierającym obszary o większym współczynniku załamania, przy czym płaszcz jest okresowy, charakteryzuje się tym, że obszar o mniejszym współczynniku załamania ma najdłuższy wymiar poprzeczny, który jest nie mniej niż 1,5 razy dłuższy od pojedynczego najkrótszego okresu płaszcza, przy czym światło jest zamknięte w obszarze o mniejszym współczynniku na zasadzie energetycznej przerwy fotonicznej materiału płaszcza i tak zamknięte jest prowadzone wzdłuż światłowodu. Ponadto, obszar o mniejszym współczynniku załamania stanowi gaz lub próżnia. Korzystnie, okresowy materiał płaszcza ma strukturę trójkątną sieci w płaszczyźnie przekroju prostopadłego do kierunku włókna, przy czym struktura trójkątna sieci w płaszczyźnie przekroju prostopadłego do kierunku włókna zawiera otwory powietrzne w osnowie z ciała w stałym stanie skupienia. Korzystnie, obszary o większym współczynniku załamania są wykonane z dwutlenku krzemu. Ponadto, zawartość powietrza w płaszczu jest nie mniejsza niż 15% obj. w stosunku do objętości płaszcza, zaś obszar o mniejszym współczynniku załamania stanowi powietrze. Korzystnie, obszar o mniejszym współczynniku załamania jest obszarem niskiego ciśnienia. Światłowód według wynalazku, korzystnie ma obszar o mniejszym współczynniku załamania stanowiący materiał posiadający nieliniową charakterystykę optyczną, przy czym światło jest wytwarzane przez procesy nieliniowe w obszarze o mniejszym współczynniku załamania. Korzystnie, obszar o mniejszym współczynniku załamania posiada rozmiary, które wspierają nie mniej niż jednego mod poprzeczny i ograniczają światło do tego obszaru. Światłowód według wynalazku jest światłowodem jednomodowym. Sposób wytwarzania światłowodu z kryształu fotonicznego według wynalazku, charakteryzuje tym, że (a) wytwarza się pęk prętów, przy czym pęk zawiera nie mniej niż jeden pręt skrócony, tworzący wnękę w tym pęku, po czym (b) wyciąga się pęk w światłowód posiadający podłużną wnękę. Korzystnie, tworzy się wnękę, której wymiar poprzeczny jest większy od wymiaru poprzecznych prętów oraz tworzy się wnękę, której wymiar poprzeczny jest większy od sumy wymiarów dwóch prętów. Korzystnie, tworzy się pęk prętów zawierających pręty w postaci kapilar, oraz tworzy się kapilary o strukturze trójkątnej sieci w płaszczyźnie przekroju prostopadłego do kierunku włókna. Korzystnie, kapilary wypełnia się materiałem innym niż powietrze. Zastosowanie światłowodu, według wynalazku, do wykonania łącza teletransmisyjnego, a także do wykonania urządzenia optycznego zawierającego czujnik obejmujący światłowód z kryształu fotonicznego, przy czym obszar o mniejszym współczynniku załamania obejmuje gaz, zaś czujnik ma zdolność wykrywania właściwości gazu. Stwierdziliśmy, że wykorzystanie obszaru o mniejszym współczynniku załamania, który jest stosunkowo duży, umożliwia uzyskanie prowadzenia w obszarze o mniejszym współczynniku załamania i wykonaliśmy światłowód, w którym światło jest prowadzone zasadniczo szczelnie w wydrążonym rdzeniu. Obszar o mniejszym współczynniku załamania ma współczynnik załamania, który jest mniejszy niż współczynnik załamania obszaru o większym współczynniku załamania. Światłowód taki ma zalety w porównaniu z innymi światłowodami. Przykładowo jego osiągi mogą być mniej ograniczone przez wzajemne oddziaływanie (absorpcyjne lub nieliniowe) pomiędzy przesyłanym światłem a materiałem tworzącym światłowód. Niewielka ilość światła może wchodzić w materiał o większym współczynniku załamania na znaczną głębokość, ale większość światła jest zamknięta w obszarze o mniejszym współczynniku załamania, którym może być przykładowo otwór powietrzny. Włókna według wynalazku mogą być użyteczne przykładowo w telekomunikacji, w pomia-

4 4 PL B1 rach i monitorowaniu środowiska, w transmisji laserowej dużej mocy, w transmisji w długich falowodach oraz w innych urządzeniach optycznych. Zdolność przekazywania mocy przez światłowód jest ograniczona przez nieliniowe procesy w materiałach, z których światłowody są wykonane. W światłowodzie, gdzie światło jest skupione w powietrzu, a tylko niewielka część jego energii jest w szkle, zdolność przenoszenia energii jest znacznie większa niż w konwencjonalnych światłowodach. Transmisja jednomodowa o ultra-dużej mocy, ewentualnie nawet światła, które jest silnie pochłaniane przez szkło krzemionkowe, np. światła z lasera CO, jest możliwa z zastosowaniem takiego światłowodu. Dostarczanie światła laserowego dużej mocy jest drugim zastosowaniem, gdzie również wykorzystywana jest zdolność światłowodu do przesyłania znacznie większej mocy niż w konwencjonalnym światłowodzie. Przykładowo powtarza się potrzeba dostarczania do głowicy obróbkowej mocy 100 W - 1 kw z lasera wielkokorpusowego. Lasery dużej mocy reprezentują dziedzinę o szerokich zastosowaniach, np. przy szybkim drukowaniu, laserowej obróbce materiałów i ewentualnie w chirurgii. Lasery światłowodowe są wydajne i oferują dużą moc. Ich zwarta konstrukcja i wysoka jakość wytwarzanych wiązek czynią je bardzo atrakcyjnymi we wszelkiego rodzaju przenośnych urządzeniach laserowych. Innym zastosowaniem światłowodu jest telekomunikacja. Zdolność światłowodu do przenoszenia dużych mocy pozwoliłaby na wprowadzenie więcej światła w jedną sekcję łącza telekomunikacyjnego. Łącze mogłoby zatem być dłuższe bez zmniejszenia sygnału na skutek tłumienności optycznej poniżej progu wykrywalności. Taki światłowód ze wzmocnieniem (przez domieszkowanie erbem) można by wykorzystywać jako wzmacniacz dużej mocy, działający w charakterze regeneratora, do łańcucha takich łączy. Innym zastosowaniem mogłaby być prowadnica atomowa, w której poszczególne atomy są transportowane wzdłuż wydrążonego rdzenia bez uderzania w ścianki przez przenoszenie wzdłuż silnej wiązki światła. Ultra długie odcinki drogi światła w gazach z pojedynczym modem poprzecznym stwarzają znaczące możliwości w spektroskopii o dużej rozdzielczości i w zastosowaniach czujnikowych. Odbicia Fresnela, które są problemem w urządzeniach światłowodowych, gdzie światło jest wyprowadzane ze światłowodu, a następnie z powrotem wprowadzane po modulacji lub wzmocnieniu, mogą być bardzo małe w światłowodzie, ponieważ brak ciągłości współczynnika załamania pomiędzy światem zewnętrznym a modem światłowodowym może być bardzo niewielka. Dzięki temu można po raz pierwszy realizować duże urządzenia optyczne posiadające tłumienne wtrącenia bliskie zeru. Natomiast skokowa zmiana współczynnika pomiędzy konwencjonalnym światłowodem a powietrzem zawsze powoduje odbicie pewnej ilości światła od czołowej powierzchni światłowodu. Powoduje to nie tylko straty światła, ale niepożądane odbicia mogące poważnie destabilizować wszelkie źródła promieniowania spójnego, do których powracają one, a wzmacniacze optyczne wchodzą wtedy w oscylacje jak lasery (zdarzenie wysoce niepożądane). Prowadzenie w obszarze o mniejszym współczynniku jest możliwe, ponieważ materiał z energetyczną przerwą fotoniczną, z którego wykonany jest płaszcz światłowodu, może zachowywać się w sposób podobny pod niektórymi względami do całkowicie odbijającego, doskonałego metalu w takich samych okolicznościach, ale w odróżnieniu od rzeczywistych metali taki quasi-metal wykazuje bardzo małą tłumienność przy częstotliwościach optycznych. Materiał z energetyczną przerwą fotoniczną zachowuje się podobnie jak metal, kiedy wykazuje pełną dwuwymiarową energetyczną przerwę fotoniczną, to znaczy, kiedy światło rozchodzi się z określoną składową wektora falowego wzdłuż światłowodu i przy określonej częstotliwości dociera, pod wszystkimi kątami azymutowymi, do materiału mającego energetyczną przerwę. Jedynie niektóre pasma długości fal są ograniczone i prowadzone wzdłuż światłowodu, przy czym pasma te odpowiadają istnieniu pełnych dwuwymiarowych energetycznych przerw w płaszczu z kryształu fotonicznego. Składowa wektora falowego wzdłuż falowodu, nazywana stałą propagacji β, określa czy w jakiejś części falowodu występuje rozchodzenie się światła, czy też światło zanika. Jeśli β < kn, światło rozchodzi się pod kątem θ do osi w materiale o współczynniku załamania n, gdzie β = kn.cosθ, a k oznacza stałą fali w próżni. Jeśli β > kn, θ jest liczbą urojoną, światło zanika. Konwencjonalne całkowite odbicie wewnętrzne przy rdzeniu o współczynniku n 1 większym niż współczynnik n płaszcza zapewnia istnienie pewnego zakresu β, w którym światło rozchodzi się w rdzeniu, natomiast znika w płaszczu. Światło można natomiast zamknąć pomiędzy dwoma wielowarstwowymi pękami dielektrycznymi w rdzeniu o dowolnym współczynniku załamania, jeżeli pęki te mają energetyczną przerwę foto-

5 PL B1 5 niczną dla zakresu β przy danej częstotliwości optycznej. Zidentyfikowaliśmy dwa wyraźne reżimy prowadzenia w energetycznej przerwie fotonicznej. W pierwszym reżimie rozchodzenie się światła (β < kn 1 ) odbywa się w warstwach o dużym współczynniku n 1, natomiast znika (β > kn ) w warstwach o małym współczynniku n. Warstwy o dużym współczynniku działają jako indywidualne falowody o całkowitym odbiciu wewnętrznym, wspierające związane mody przy specyficznych wartościach β = β m. Rezonansowe tunelowanie pomiędzy sąsiednimi warstwami o dużym współczynniku umożliwia uchodzenie przez nie światła, jeżeli β jest w pasmach przepustowych otwartych wokół każdego β m. Szerokości tych pasm przepustowych zależą od mocy sprzężenia pomiędzy warstwami. Pomiędzy pasmami przepustowymi usytuowane są energetyczne przerwy. Jeżeli warstwa rdzeniowa o dużym współczynniku i o innej szerokości (ewentualnie mniejszej) wspiera mod z β w energetycznej przerwie, wówczas nie jest rezonansowa w stosunku do innych warstw i uchodzenie światła przez tunelowanie jest uniemożliwione. Mod taki jest zatem ściśle prowadzony przez postać nieefektywnego tunelowania za pomocą energetycznej przerwy w paśmie fotonicznym. W drugim reżimie prowadzenia za pomocą energetycznej przerwy fotonicznej rozchodzenie się światła może odbywać się we wszystkich warstwach (β < kn ). Energetyczne przerwy występują przy spełnieniu warunku Bragga jako wynik wielokrotnego rozpraszania i interferencji, prowadząc do powstawania energetycznych przerw fotonicznych typu Bragga. W obu postaciach prowadzenia za pomocą energetycznej przerwy fotonicznej współczynnik załamania rdzenia można wybierać znacznie bardziej swobodnie niż przy prowadzeniu z całkowitym odbiciem wewnętrznym, ponieważ warunki energetycznej przerwy fotonicznej zależą tylko od właściwości pęków płaszcza. Prowadzone mody mogą istnieć przy wskaźnikach modu β/k, które są mniejsze niż średni współczynnik pęków (przypadek prowadzenia z uniemożliwionym tunelowaniem) lub nawet mniejsze niż najmniejszy współczynnik pęków (przypadek prowadzenia Bragga), zapewniając dodatkową swobodę konstruowania wobec prowadzenia z całkowitym odbiciem wewnętrznym i umożliwiając zamykanie wewnątrz wydrążonego rdzenia. Okresowy płaszcz może mieć trójkątną strukturę sieci. Sieć trójkątna może zawierać otwory powietrzne w osnowie z ciała w stałym stanie skupienia. Korzystnie, obszary o większym współczynniku załamania wykonane są zasadniczo z dwutlenku krzemu. Można również stosować materiały inne niż dwutlenek krzemu, obejmujące inne szkła krzemianowe i miękkie szkła o różnych składnikach. Udział powietrza w tej części światłowodu musi być stosunkowo duży, aby uzyskać wystarczająco szeroką energetyczną przerwę. Korzystnie, udział powietrza w płaszczu wynosi nie mniej niż 15%, a może być większy niż 30% obj. w stosunku do objętości płaszcza. Chociaż zakres wynalazku obejmuje obszar o mniejszym współczynniku załamania, który ma podłużny kształt przekroju poprzecznego, zwykle korzystne jest, by obszar ten miał zasadniczo okrągły przekrój poprzeczny. Należy przyjąć, że światłowód może zawierać więcej niż jeden obszar o mniejszym współczynniku załamania. Korzystnie, obszar o mniejszym współczynniku załamania zawiera gaz lub próżnię. Obszar o mniejszym współczynniku załamania może mieć ciśnienie atmosferyczne (lub nawet wyższe ciśnienie), ale może być również obszarem o małym ciśnieniu. Gazem jest korzystnie powietrze. Zamknięcie światła zasadniczo w obszarze o mniejszym współczynniku załamania oznacza, że światłowód z kryształu fotonicznego może być zdolny do przesyłania światła o mocach i/lub długościach fali, przy których nie ma możliwości przesyłania światła w konwencjonalnych światłowodach. W opisanym poniżej przykładzie wynalazku obszar o mniejszym współczynniku załamania ma zasadniczo okrągły przekrój poprzeczny i średnicę wynoszącą w przybliżeniu,5 najkrótszego okresu płaszcza. Można oczywiście stosować większą lub mniejszą średnicę. Korzystnie, obszar o mniejszym współczynniku załamania ma najdłuższy wymiar poprzeczny nie mniej niż 1,5 razy dłuższy, korzystnie nie mniej niż razy dłuższy niż pojedynczy najkrótszy okres płaszcza. Rzeczywiste wymiary przekroju poprzecznego obszaru o mniejszym współczynniku załamania będą zależeć od długości fal światła prowadzonego wzdłuż światłowodu, okresu płaszcza i w pewnych przypadkach od współczynnika załamania obszaru o mniejszym współczynniku załamania. W przykładzie realizacji wynalazku opisanym poniżej, obszar o mniejszym współczynniku załamania ma zasadniczo okrągły przekrój poprzeczny i średnicę około 15 μm. Zwykle obszar o mniejszym współczynniku załamania będzie korzystnie miał najdłuższy wymiar poprzeczny nie mniej niż 9 μm, korzystnie nie mniej niż 1 μm.

6 6 PL B1 Możliwe jest silne wzajemne oddziaływanie pomiędzy światłem w prowadzonym modzie a płynem, który może tworzyć falowodowy rdzeń o mniejszym współczynniku załamania. Takie wzajemne oddziaływanie może być użyteczne np. przy wykrywaniu i monitorowaniu gazu. Obszar o mniejszym współczynniku załamania może zawierać materiał posiadający nieliniową charakterystykę optyczną, przy czym światło jest wytwarzane lub modulowane przez nieliniowe procesy w tym obszarze o mniejszym współczynniku załamania. Właściwości optyczne światłowodu mogą być dokładnie obliczone po ustaleniu wymiarów światłowodu. Energetyczna przerwa fotoniczna okresowego płaszcza światłowodu może rozciągać się w szerokim zakresie częstotliwości. Jednakże, zwykle mod będzie prowadzony w obszarze o mniejszym współczynniku załamania tylko w stosunkowo wąskim zakresie częstotliwości. Wąskopasmowe działanie światłowodu sugeruje, że powinien być on użyteczny jako widmowe urządzenie filtrujące. Światłowód z kryształu fotonicznego może alternatywnie być zdefiniowany w tym sensie, by obszar o mniejszym współczynniku załamania był dostatecznie duży w celu umożliwienia propagacji nie mniej niż jednego prowadzonego modu poprzecznego. Opracowano zatem światłowód z kryształu fotonicznego zawierający obszar o zasadniczo jednorodnym mniejszym współczynniku załamania, który jest zasadniczo otoczony płaszczem, zawierającym obszary o większym współczynniku załamania i który jest zasadniczo okresowy, przy czym wynalazek charakteryzuje się tym, że obszar o mniejszym współczynniku załamania jest wystarczająco duży aby wspierać nie mniej niż jeden prowadzony mod poprzeczny. Korzystnie, światłowód z kryształu fotonicznego jest światłowodem jednomodowym. Można wyobrazić sobie wiele różnych urządzeń optycznych zawierających światłowód z kryształu fotonicznego. Jak opisano, urządzenie takie mogłoby przykładowo stanowić czujnik, który nadaje się do mierzenia pewnej właściwości gazu, z którego złożony jest obszar o mniejszym współczynniku załamania, albo też mogłoby obejmować urządzenie filtrowania widmowego. Inne urządzenia optyczne, które mogłyby zawierać taki światłowód, obejmują przykładowo wzmacniacz optyczny lub laser. Światłowody są szeroko używane w przemyśle telekomunikacyjnym. Układ telekomunikacyjny mógłby zawierać światłowód i taki układ telekomunikacyjny mógłby stanowić część sieci telekomunikacyjnej. Opracowano również sposób wytwarzania światłowodu, zawierający następujące etapy: (a) wytwarzanie pęku prętów, przy czym pęk taki zawiera nie mniej niż jeden pręt skrócony, który tworzy wnękę w tym pęku; (b) wyciąganie tego pęku w światłowód posiadający podłużną wnękę. Podejście takie stanowi modyfikację procesu wytwarzania poprzednio znanego dla światłowodów z kryształu fotonicznego. W znanym procesie nie ma skróconych prętów w pęku. Jednakże jeśli pręty są usunięte ze środka takiego pęku, a zwłaszcza jeśli usunięte są dwa lub więcej prętów sąsiadujących ze sobą, uzyskany półwyrób nie może być już stabilny i samonośny. Usunięcie nawet jednego pręta może więc spowodować problem. Zgodnie ze sposobem odcinki pręta lub pęki prętów o kształcie i wielkości potrzebnej dla końcowego otworu są wprowadzone w pęk prętów przy przeciwległych końcach tego pęku. Odcinki tych wprowadzonych prętów są takie, że nie spotykają się one w środku pęku. Długość (która może wynosić w przybliżeniu 15 cm) pomiędzy końcami półwyrobu jest pozostawiona z potrzebnym dużym otworem powietrznym wspartym przy każdym końcu w sposób stabilny. Po ciągnięciu światłowodu (w jednym lub kilku etapach) z takiego półwyrobu (pełnego) zachowuje się tylko światłowód ze środkowej części półwyrobu. Opisany sposób mógłby być użyteczny do konstruowania wielu różnych struktur światłowodowych, które inaczej trudno byłoby wytwarzać. Sposób ten nie jest zatem ograniczony tylko do sposobu wytwarzania światłowodu z kryształu fotonicznego według wynalazku. Sposób ten może obejmować tworzenie pęku prętów z więcej niż jedną wnęką w tym pęku. W ten sposób można utworzyć światłowód z więcej niż jedną podłużną wnęką. Korzystnie, wnęka ma wymiar poprzeczny większy niż odpowiedni wymiar poprzeczny każdego z prętów. Wnęka może mieć wymiar poprzeczny większy niż suma odpowiednich wymiarów dowolnych dwóch spośród prętów. Korzystnie, pęk prętów zawiera pręty, które są kapilarami i które mogą tworzyć pole trójkątne. Kapilary te mogą być wypełnione powietrzem lub materiałem innym niż powietrze. Mogą być one częściowo lub całkowicie opróżnione. Wnęka może mieć pole przekroju poprzecznego zasadniczo równe lub większe niż pole przekroju poprzecznego pęku złożonego z czterech, a korzystniej pęku złożonego z siedmiu prętów.

7 PL B1 7 Opracowano również sposób przesyłania światła wzdłuż światłowodu z kryształu fotonicznego, przy czym światłowód ma konstrukcję zdefiniowaną powyżej. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 - przedstawia schematyczny przekrój poprzeczny światłowodu, fig. - część półwyrobu nadającego się do wytwarzania światłowodu z fig. 1, fig. 3 - wykonaną za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego fotografię rzeczywistego światłowodu przedstawionego schematycznie na fig. 1, fig. 4 - widmo transmisyjne zapisane ze światłowodu pokazanego na fig. 3, fig. 5 - inne widmo transmisyjne zapisane ze światłowodu pokazanego na fig. 3, przy czym widmo w tym wypadku jest zapisane tylko w obszarze światła czerwonego. Światło jest prowadzone w modzie powietrznym w otworze światłowodu, jak pokazano na fig. 1. Światłowód zawiera płaszcz utworzony przez trójkątne ułożenie stopionych podłużnych rurek 1, które są ciągnione z krzemionkowych kapilar i zawierają podłużne powietrzne otwory. Kapilary te mają kołowy przekrój poprzeczny, na skutek czego pomiędzy rurkami 1 powstają pośrednie otwory 3. Światłowód w swym środku zawiera również rdzeń w postaci dużego powietrznego otworu 4. Ten powietrzny otwór 4 jest wykonany w tym przykładzie, jak opisano poniżej, przez pominięcie pęku siedmiu kapilar z części wstępnej kształtki światłowodu, a zatem ma wielkość siedmiu komórek jednostkowych materiału płaszcza. Otwór 4 jest zatem znacznie większy niż otwory w stopionych rurkach 1, jak również znacznie większy niż pośrednie otwory 3. Światłowody utworzone przez pominięcie tylko pojedynczego pręta nie zostały zidentyfikowane w modach prowadzonych w otworze powietrznym. Warto rozważyć, dlaczego tak jest, że światłowody z kryształu fotonicznego z podobnymi parametrami płaszcza ale z defektem utworzonym przez pominięcie tylko pojedynczego pręta nie zostały znalezione do wsparcia prowadzonych modów. Liczba prowadzonych modów, dla których konwencjonalny światłowód może wspierać jest określona przez różnicę współczynników rdzeń-płaszcz i przez wielkość rdzenia. Wynika to zasadniczo z argumentów przestrzenno-fazowych dokładnie analogicznych wobec znanych obliczeń stanów gęstości w fizyce ciała w stałym stanie skupienia i prowadzi do wyniku, że przybliżona liczba modów przestrzennych w konwencjonalnym światłowodzie wynosi: r N COAV = co k (n 1 n 4 gdzie r co jest promieniem rdzenia, n 1 i n oznaczają współczynniki załamania odpowiednio rdzenia i płaszcza, a k oznacza wektor falowy w próżni. (Oczywiście każdy mod przestrzenny ma dwa stany polaryzacji.) W światłowodzie z kryształu fotonicznego z wydrążonym rdzeniem można otrzymać podobne wyrażenie na przybliżoną liczbę modów przestrzennych występujących w wydrążonym rdzeniu: N PBG rco (β H β L ) = lub 4 ) r co (1) (k n1 β 4 gdzie β H i β L oznaczają górny i dolny kraniec energetycznej przerwy fotonicznej przy ustalonej długości fali światła, a drugie wyrażenie obowiązuje, jeżeli górna granica energetycznej przerwy fotonicznej wychodzi poza maksymalny wektor falowy rdzenia, to znaczy jeżeli k n 1 < β H. Teoria mówi, że w przypadku typowego trójkątnego ułożenia otworów powietrznych w dwutlenku krzemu szerokość energetycznej przerwy fotonicznej Δβ = β H - β L jest niewielkim ułamkiem jej średniego położenia β av = (β H + β L )/. Przykładowo przy β av Λ = 9, Δβ Λ = 0, i przyjmując r co = Λ / dla pojedynczego pręta brakującego w pęku ( Λ jest odległością pomiędzy otworami) oczekiwana liczba modów przestrzennych wynosi 0,3, co powoduje, że brak jest prawdopodobieństwa zobaczenia jakiegokolwiek modu prowadzonego w powietrzu. Z drugiej strony, jeżeli usunie się siedem prętów, wydrążony obszar rdzeniowy jest powiększony ze współczynnikiem 7, promień rdzenia ze współczynnikiem 7, a oczekiwana liczba modów przestrzennych wynosi 1,61. Sugeruje to, że wydrążony rdzeń siedmioprętowy będzie wspierał nie mniej niż jeden mod poprzeczny (dwa stany polaryzacji) i być może drugi mod poprzeczny. Przewidywania te są zgodne z obserwacjami, że światłowody wykonane z otworem powietrznym jednoprętowym nie pozwalają na wspieranie modów prowadzonych w powietrzu, natomiast światłowody z otworem siedmioprętowym prowadzą światło w jednym lub dwóch modach. Podziałka, struktura i ułamek wypełnienia obszaru płaszcza wybrane są tak, aby wykazywały dwuwymiarową energetyczną przerwę fotoniczną (patrz np. T.A. Birks, P.J. Roberts, P.St.J. Russell, D.M. Atkin i T.J. Shepherd, Full -d photonic bandgaps in silica/air structures, Electron. Lett L ) ()

8 8 PL B1 (1995)). Światło wewnątrz otworu 4 jest zamknięte przez energetyczną przerwę fotoniczna otaczającego materiału. W konsekwencji światło nie może wydostać się z rdzenia światłowodu, ale jest ograniczone do drogi wzdłuż osi światłowodu, zasadniczo zamknięty w rdzeniu, jako prowadzony mod. W opisanym powyżej procesie wytwarzania światłowodów z kryształu fotonicznego, kilkaset prętów, z których przynajmniej niektóre mogą być kapilarnymi rurkami, zestawia się razem w pęk, by utworzyć potrzebną strukturę krystaliczną w skali makroskopowej. Te pręty zwykle mają średnicę zewnętrzną rzędu milimetra. Cały pęk jest następnie trzymany razem podczas spiekania i wyciągania w światłowód za pomocą wieży do ciągnienia światłowodu. Standardowa procedura nie daje w rezultacie półproduktu, który jest stabilny i samonośny, jeżeli ma żądany duży otwór powietrzny w środku. Półwyrób pokazany częściowo na fig. przedstawia rozwiązanie tej trudności. Dwa skrócone odcinki 6 prętów ułożonych w pęk są umieszczone wewnątrz pęku prętów 5. Skrócone pręty 6 są usytuowane po obu końcach półwyrobu, ale nie spotykają się w środku pęku. Tworzą one natomiast krótką wnękę 7. Skrajne wewnętrzne pręty 5, które w przeciwnym razie zapadłyby się we wnękę, są wspierane z obu końców w sposób stabilny. Przekrój poprzeczny przez cały półwyrób i przez wnękę 7 ma zatem kształt podobny do kształtu przedstawionego schematycznie na fig. 1. Półwyrób jest wyciągany w światłowód (w jednym lub wielu etapach) w zwykły sposób. Po wyciągnięciu światłowodu zachowany jest tylko światłowód utworzony ze środkowej części półwyrobu. Światłowód z fig. 3 został wykonany przy użyciu tej techniki. Widać, że w procesie ciągnienia została zachowana integralność strukturalna otworu 4. Ogólnie uderzająca jest wysoka jakość struktury światłowodu z fig. 3, a przekrój tego światłowodu dokładnie przypomina schematyczny rysunek z fig. 1. Można zobaczyć pewne wady 9, ale ich wpływ nie jest wystarczająco szkodliwy, by uniemożliwić prowadzenie w światłowodzie modu powietrznego. W szczególnym przykładzie, światłowód jest wykonany z 331 kapilar z dwutlenku krzemu, z których każda ma kołowy przekrój poprzeczny i średnicę zewnętrzną 0,8 mm oraz średnicę wewnętrzną około 0,7 mm. Kapilary były umieszczone, jak opisano na fig., z siedmioma kapilarami z pominiętymi środkowymi częściami ich długości w centrum ułożenia, tak aby utworzyć wnękę o długości 15 cm. Z półwyrobu tego ciągnięto światłowód, jak opisano powyżej, a uzyskany światłowód miał średnicę zewnętrzną 90 μm, a otwór środkowy 4 miał średnicę 15 μm. Początkową charakteryzację przeprowadzono przez trzymanie próbek o długości około 3 cm pionowo, oświetlenie ich od dołu światłem białym (za pomocą wolframowej żarówki halogenowej) i obserwowanie światła przechodzącego przez te próbki za pomocą mikroskopu optycznego. Centralny rdzeń powietrzny był wypełniony pojedynczym płatem barwnego światła, którego profil poprzeczny był gładki ze szczytem pośrodku i z opadaniem do bardzo małych natężeń przy granicy szkło-powietrze. Znaczna ilość światła białego występowała w okresowym płaszczu, przy czym uderzające było, jak bezbarwnie wyglądało ono w porównaniu z modem zamkniętym w rdzeniu. Widoczne były różne barwy modu prowadzonego w próżni w zależności od całkowitej wielkości światłowodu i użytych warunków wyciągania. Dokładną barwę czasami trudno było ocenić okiem i w rzeczywistości w pewnych wypadkach wydawało się, że jest to mieszanina różnych barw, np. czerwonej i niebieskiej. Dla odpowiedniego pobudzenia za pomocą źródła światła białego w kilku próbkach utworzono podobnie zabarwiony mod dwupłatowy, który przypisaliśmy drugiemu prowadzonemu modowi przypadającemu w tej samej energetycznej przerwie co pierwszy mod. Widma transmisji poprzez powietrzny rdzeń odcinków falowodu mierzono przez połączenie mikroskopu za pomocą konwencjonalnego światłowodu wielomodalnego z analizatorem widma optycznego. Widmowa zależność falowodowego działania w otworze powietrznym wykazała, że występowało kilka wyraźnie określonych pasm lub transmisji obejmujących całe widmo widzialne i sięgających w podczerwień. Każde z tych pasm odpowiadało pełnej dwuwymiarowej energetycznej przerwie fotonicznej i związane jest z warunkami Bragga wyższego rzędu w płaszczu z kryształu fotonicznego. Ponieważ podziałka kryształu była duża w porównaniu z długością fali, energetyczne przerwy fotoniczne odpowiedzialne za prowadzenie fali były wysokiego rzędu. Przez wybranie odcinków światłowodu, które umożliwiały wspieranie prowadzonego modu przy odpowiednich długościach fali, pobudzaliśmy ten mod za pomocą źródeł laserowych. W każdym paśmie transmisji straty były małe lub zerowe na długościach falowodu rzędu kilku centymetrów, natomiast pomiędzy tymi pasmami straty były znacznie większe, jak tego oczekiwano przy braku efektów energetycznej przerwy fotonicznej. Długość była ograniczana przez fluktuacje parametrów światłowodu, które powodowały zmiany długości fal prowadzonych modów na długości światłowodu. W innych światłowodach, które nie pozwalały

9 PL B1 9 na wspieranie modów prowadzonych przy tej długości fali, światło laserowe całkowicie przechodziło w płaszcz po przebyciu tylko ułamka centymetra. Światło laserowe prowadzone w powietrzu tworzyło stabilny, gładko zmieniający się wzór jednopłatowy w dużej odległości od źródła promieniowania. Przez umieszczenie prowadzącego odcinka światłowodu w jednym ramieniu interferometru Mach-Zehndera potwierdziliśmy, że światło laserowe przesyłane poprzez prowadzący rdzeń miało wysoki stopień spójności przestrzennej dając na wyjściu interferometru wysokiej widzialności prążki. Nie byłoby tak, gdyby w rdzeniu światłowodu było wzbudzanych wiele modów falowodowych. Widma transmisji optycznej światłowodu zbadano i przedstawiono na fig. 4 i 5, gdzie w każdym wypadku przedstawiono wykres natężenia przesyłanego światła w funkcji długości fali. Widma transmisji światła przedstawione na fig. 4 i 5 wykazują, że światłowód umożliwia wspieranie modów powietrznych przy wielu długościach fal. Występują silne szczyty transmisji wokół 490 nm, 610 nm i 810 nm. Wydaje się również, że na fig. 4 jest dowód transmisji światła ultrafioletowego w okolicy 440 nm. Można zauważyć, że pasma transmisji są wąskie w porównaniu z pasmami konwencjonalnych światłowodów. W przykładzie wynalazku opisanym w odniesieniu do rysunków obszarem mniejszego współczynnika załamania jest powietrze, a światłowód jest wykonany przez utworzenie pęku prętów, który zawiera skrócone pręty, by utworzyć wnękę w pęku. Zakres wynalazku obejmuje częściowe lub całkowite wypełnienie wnęki w pęku materiałem innym niż powietrze i/lub jednym lub wieloma prętami o mniejszym współczynniku załamania niż pręty użyte do wykonania płaszcza. Tam, gdzie w opisie tym użyto określenia światło", należy rozumieć, że określenie to obejmuje promieniowanie elektromagnetyczne również o częstotliwościach poza widmem widzialnym. Zastrzeżenia patentowe 1. Światłowód z kryształu fotonicznego zawierający obszar o jednorodnym, mniejszym współczynniku załamania, otoczony płaszczem zawierającym obszary o większym współczynniku załamania, przy czym płaszcz jest okresowy, znamienny tym, że obszar o mniejszym współczynniku załamania ma najdłuższy wymiar poprzeczny, który jest nie mniej niż 1,5 razy dłuższy od pojedynczego najkrótszego okresu płaszcza, przy czym światło jest zamknięte w obszarze (4) o mniejszym współczynniku na zasadzie energetycznej przerwy fotonicznej materiału płaszcza i tak zamknięte jest prowadzone wzdłuż światłowodu.. Światłowód według zastrz. 1, znamienny tym, że obszar (4) o mniejszym współczynniku załamania stanowi gaz lub próżnia. 3. Światłowód według zastrz. 1 albo, znamienny tym, że okresowy materiał płaszcza (5) ma strukturę trójkątną sieci w płaszczyźnie przekroju prostopadłego do kierunku włókna. 4. Światłowód według zastrz. 3, znamienny tym, że struktura trójkątna sieci w płaszczyźnie przekroju prostopadłego do kierunku włókna zawiera otwory powietrzne w osnowie z ciała w stałym stanie skupienia. 5. Światłowód według zastrz. 1, znamienny tym, że obszary o większym współczynniku załamania (1) są wykonane z dwut1enku krzemu. 6. Światłowód według zastrz., znamienny tym, że zawartość powietrza w płaszczu (5) jest większa niż 15% obj. w stosunku do objętości płaszcza. 7. Światłowód według zastrz., znamienny tym, że obszar (4) o mniejszym współczynniku załamania stanowi powietrze. 8. Światłowód według zastrz. 7, znamienny tym, że obszar (4) o mniejszym współczynniku załamania jest obszarem niskiego ciśnienia. 9. Światłowód według zastrz. 1, znamienny tym, że obszar (4) o mniejszym współczynniku załamania stanowi materiał posiadający nieliniową charakterystykę optyczną, przy czym światło jest wytwarzane przez procesy nieliniowe w obszarze o mniejszym współczynniku załamania. 10. Światłowód według zastrz. 1, znamienny tym, że obszar (4) o mniejszym współczynniku załamania posiada rozmiary, które wspierają nie mniej niż jeden mod poprzeczny i ograniczają światło do tego obszaru. 11. Światłowód według zastrz. 10, znamienny tym, że jest światłowodem jednomodowym. 1. Sposób wytwarzania światłowodu z kryształu fotonicznego z zastrz. 1 albo, znamienny tym, że

10 10 PL B1 (a) wytwarza się pęk prętów (5, 6), przy czym pęk zawiera nie mniej niż jeden pręt skrócony (6), tworzący wnękę (7) w tym pęku (5, 6), po czym (b) wyciąga się pęk w światłowód posiadający podłużną wnękę (7). 13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tworzy się wnękę (7), której wymiar poprzeczny jest większy od wymiaru poprzecznych prętów (5). 14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że tworzy się wnękę, której wymiar poprzeczny jest większy od sumy wymiarów dwóch prętów. 15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tworzy się pęk prętów zawierających pręty w postaci kapilar. 16. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że tworzy się kapilary o strukturze trójkątnej sieci w płaszczyźnie przekroju prostopadłego do kierunku włókna. 17. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że kapilary wypełnia się materiałem innym niż powietrze. 18. Zastosowanie światłowodu z zaostrz. 1 do wykonania łącza teletransmisyjnego. 19. Zastosowanie światłowodu z zastrz. 1 do wykonania urządzenia optycznego zawierającego czujnik obejmujący światłowód z kryształu fotonicznego, przy czym obszar (4) o mniejszym współczynniku załamania obejmuje gaz oraz czujnik ma zdolność wykrywania właściwości gazu. Rysunki

11 PL B1 11

12 1 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Nakład 50 egz. Cena 4,00 zł.