Ciekłokrystaliczne światłowody fotoniczne

Transkrypt

1

2 Światło od zawsze fascynuje człowieka warunkuje ono jego istnienie. Nic więc dziwnego, że człowiek sięgnął po nie wykorzystują światło jako najszybszego posłańca promienie świetlne rozprzestrzeniają się w próżni z prędkością km na sekundę. Uwięzienie światła w światłowodzie umożliwiło, zatem skuteczne przesyłanie dużej ilości informacji z olbrzymią prędkością. Światłowody, to konstrukcje optyczne przenoszące światło drogą wielokrotnych odbić. Zbudowane są one z rdzenia, w którym rozchodzi się światło, otoczonego materiałem o niższym współczynniku załamania płaszczem. Szczególna uwaga wielu grup badawczych skupia się współcześnie na nowym rodzaju włókien optycznych światłowodach fotonicznych PCFs (ang. photonic crystal fibers). Ten typ światłowodów należy do najciekawszych odkryć optoelektroniki ostatnich lat. W 1996 roku na uniwersytecie w Bath (Wielka Brytania) zaprezentowano po raz pierwszy światłowód składający się w całości z czystego szkła krzemowego z płaszczem wykonanym z kryształu fotonicznego [1]. Kryształ fotoniczny [2] jest materiałem o uporządkowanej mikrostrukturze, w której następuje periodyczna zmiana współczynnika załamania światła w funkcji położenia. Zmiana ta powoduje, że dla określonego zakresu częstotliwości fal elektromagnetycznych materiał ten jest idealnym zwierciadłem tworząc tzw. przerwę fotoniczną PBG (ang. photonic band gap). Dla pozostałych długości fal kryształ pozostaje ośrodkiem przezroczystym. Wykorzystanie tej własności struktury kryształów fotonicznych do produkcji światłowodów, umożliwiło uzyskanie nowych właściwości propagacyjnych światła, nie obserwowanych dotychczas w światłowodach konwencjonalnych. Mianowicie, w zależności od różnicy efektywnego współczynnika załamania płaszcza n eff i współczynnika załamania rdzenia n c światło może być prowadzone w takim świałowodzie na dwa sposoby: na zasadzie całkowitego odbicia TIR (ang. Total Internal Reflection) i dzięki fotonicznej przerwie wzbronionej PBG (ang. Photonic Band Gab). PODSTAWOWE TYPY ŚWIATŁOWODÓW FOTONICZNYCH z rdzeniem pełnym (n eff < n c ) z rdzeniem powietrznym (n eff > n c ) mechanizm propagacji TIR - światło prowadzone jest na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia (podobnie jak w konwencjonalnych światłowodach). Możliwa jest wówczas propagacja każdej długości fali. mechanizm propagacji PBG światło propaguje się na zasadzie fotonicznej przerwy wzbronionej i możliwa jest propagacja tylko wybranych długości fal 2

3 Rozchodzenie się światła w PCFs silne zależne jest od geometrii samego światłowodu. Dzięki ogromnej elastyczności w projektowaniu struktury PCFs (różna średnica kanalików, współczynnika wypełnienia, ilości kręgów kanalików otaczających rdzeń, możliwość zmian kształtu rdzenia) można uzyskać kontrolę na właściwościami transmisyjnymi tego typu włókien. Otrzymujemy w ten sposób cały wachlarz potencjalnych możliwości projektowania i zastosowania PCFs do konkretnych potrzeb. PRZYKŁADOWE PROJEKTY ŚWIATŁOWODÓW FOTONICZNYCH Światłowody fotoniczne o dużej aperturze numerycznej poprzez zastosowanie odpowiedniej geometrii możliwe jest wprowadzenie dużej mocy optycznej do światłowodu [3] Światłowody fotoniczne wielordzeniowe zastosowanie kilku rdzeni w jednym światłowodzie wprowadza nowe sposoby przenoszenia i przetwarzania sygnału optycznego umożliwiając np. interferencje fali między rdzeniami, transmisję wielokanałową, multipleksowanie sygnału między rdzeniami [3] Światłowody fotniczne z rdzeniem powietrznym w tym przypadku ponad 99% mocy optycznej propaguje się w powietrzu, co znaczącą wpływa na obniżenie wartości tłumienia dla określonych długości fal należących do pasm selektywnej propagacji wytworzonych przez strukturę fotoniczną światłowodu [3] tłumienie [db/km] długość fali [nm] 3

4 Wraz z powstaniem PCFs narodziła się idea wypełnienia sieci otworków różnymi substancjami, co dodatkowo pozwoliłoby na modyfikacje właściwości optycznych takich włókien. Ze względu na unikalne właściwości ciekłych kryształów [4] substancje te wydały się być idealne do tego typu zastosowań. wpływ wypełnienia PCFs ciekłym kryształem Interesujące jest to, że po wypełnieniu ciekłym kryształem światłowodu fotonicznego można uzyskać zmianę charakteru propagacji światła w światłowodzie z pełnym rdzeniem z TIR na PBG, zaś w światłowodzie z rdzeniem powietrznym z PBG na TIR. Rys.1 Fotoniczny światłowód wielordzeniowy [5] a) pusty - możliwa jest propagacja każdej długości fali, tzn. światła białego na zasadzie TIR b) wypełniony ciekłym kryształem - decydującym mechanizmem propagacji jest mechanizm PBG. Efekt ten jest widoczny w postaci konkretnej barwy światła w rdzeniach światłowodu. Ponadto, różna barwa światła w rdzeniach światłowodu wskazuje na różną geometrię otaczających ją mikrootworków. wpływ temperatury na PCF z ciekłym kryształem Współczynniki załamania światła ciekłych kryształów odznacza się dużą wrażliwością na zmianę temperatury. Poprzez zmianę temperatury można zatem uzyskać możliwość ciągłego przestrajania pasm selektywnej propagacji w widmie spektralnym PLCF. e) Rys.2 Fotoniczny światłowód z wypełnieniem ciekłokrystalicznym [6] a) b) c) d) zdjęcia czoła światłowodu odpowiednio dla temperatury 77 0 C, 89 0 C, 91 0 C i 94 0 C e) widma spektralne światłowodu mierzone dla różnych wartości temperatur 4

5 wpływ pola elektrycznego na PCF z ciekłym kryształem Jedną z ważniejszych własności ciekłych kryształów jest dwójłomność optyczna substancje te, w zależności od kierunku obserwacji względem ustawienia molekuł ciekłokrystalicznych, charakteryzują się dwiema wartościami współczynnika załamania światła. zwyczajny n o i nadzwyczajny n e Ustawienie molekuł w ciekłym krysztale można kontrolować za pomocą pola elektrycznego (najczęściej) lub magnetycznego. Dzięki temu w wypełnionym ciekłym kryształem PCF można uzyskać dwa różne położenia pasm selektywnej propagacji światła w widmie spektralnym bez jak i w obecności pola elektrycznego. Rys.2 Molekuła ciekłokrystaliczna o charakterystycznym dla tego typu substancji wydłużonym kształcie Rys.3 Widma spektralne PCF z wypełnieniem ciekłokrystaliczny bez i w obecności pola elektrycznego [7] 5

6 PODSUMOWANIE Wykorzystanie ciekłych kryształów w technologii światłowodowej zaowocowało powstaniem nowej klasy włókien ciekłokrystalicznych światłowodów fotonicznych (PLCFs photonic liquid crystal fibers). PLCFs pozwalają na coraz bardziej wyrafinowane sposóby manipulacji światłem uznawane do niedawna za niemożliwe. Należy przy tym zwrócić uwagę na to, że prognozuje się wykorzystanie PLCFs głównie jako elementów funkcjonalnych. Obecnie sensowne wydaje się ich potencjalne zastosowanie jedynie do transmisji danych na krótkie odległości. Jest to spowodowane tym, że: cena światłowodów fotonicznych ze względu na wymagającą technologię produkcji jest wysoka w porównaniu z ceną klasycznych światłowodów, wypełnienie długich odcinków światłowodów (zarówno tych klasycznych jak i fotonicznych) ciekłym kryształem wprowadza znaczące straty rozchodzącego się w nich światła Ciekłokrystaliczne światłowody fotoniczne z powodzeniem mogą już znaleźć swoje zastosowanie m.in. w budowie przełączników, w zintegrowanych układach optycznych, w światłowodowych czujnikach wybranych parametrów zewnętrznych, w optycznych inteligentnych systemach pomiarowych czy też w budowie kompensatorów dyspersji polaryzacyjne. To właśnie m.in. dzięki tym elementom możliwy jest dalszy i coraz bardziej dynamiczny rozwój wielu obszarów nauki jak i ciągłe opracowywanie nowych technologii warunkujących tempo tego rozwoju. Autorka przekładając powyższe opracowanie wyraża nadzieję, że w najbliższej przyszłości ciekłokrystaliczne światłowody fotoniczne wejdą na stałe do codziennej praktyki, rewolucjonizując wiele dziedzin współczesnej techniki. Literatura: 1. J.C. Knight, T.A. Birks, P.St.J. Russel and D.M. Atkin, All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding, Optics Letters, 21(19), , J.D. Joannopoulos, R.D. Meade, J.N. Winn, Photonic crystal, Princeton University Press, W. Kuczyński, Niezwykłe ciekłe kryształy, Academia 4 (4), 20-2, , Sławomir Ertman, Tomasz R. Woliński, Influence of temperature and electrical fields on spectral properties of microstructured optical liquid-crystals fibers, X Scientific Conference Optical Fibres and Their Applications TAL 2006, October , Krasnobród, Poland, Proceedings SPIE, T.T. Larsen, D.S. Hermann, J. Broeng and A. Bjarklev, Tunable Photonic BandGabs In a Photonic Crystal Fiber With a Cholesteric Liquid Crystal, 29 th European Conference on Optical Communication ECOC 03, Rimini, Italy, Tomasz R. Wolinski, Sławomir Ertman, Piotr Lesiak, Andrzej W. Domanski,, Roman Dabrowski, Edward Nowinowski-Kruszelnicki, and Jan Wojcik, Photonic liquid crystal fibers - a new challenge for fiber optics and liquid crystas photonics, Opto-Electronics Review, November