Obsah

02

PCF přenosová vlákna

2.1 Myšlenka fotonického krystalu

Fotonický krystal - periodická dielektrická struktura je prostředí, ve kterém index lomu se opakovaně mění v prostoru

Dvojrozměrný fotonický krystal – příkladové uspořádání periodického střídání dvou indexů lomu.

  • Periodických struktur lze využít pro filtraci, zlepšení vlastností zesilovačů, realizaci antén, vlnovodů, prostředí se záporným efektivním indexem lomu
  • Všechny vrstvy obou skel mohou mít stejnou tloušťku
  • Index lomu se mění podle dvou souřadnic

Typická vlastnost periodických prostředí – existence propustných a zádržných pásem.

Poměr obou látek, (nikoli absolutní hodnoty tlouštěk obou materiálů) určuje přenosové vlastností.


Fotonický krystal může zachytit světlo v dutině a vest je kontrolovaným způsobem.


Mikrostrukturní vlákna jsou realizaci dvojrozměrného krystalu (existují vlákna na bází 1D krystalu, ale jelikož jsou historicky nejstarší, nelze je zařadit mezi „trendy“).


2.2 PCF přenosová vlákna

Existují dva základní typy realizace fotonického krystalu:

  1. HC PCF (Hollow Core PCF) - vlákno s dutým jádrem a mechanismem PBG (Photonic Band Gap) – energie se šíří vzduchem
  2. IG PCF (Index Guiding PCF) - hybridní vlákno s klasickým pevným jádrem, s mechanismem TIR (Total Internal Reflection), ale mikrostrukturou v plášti, - pro ladění charakteristik vlákna, energie se šíří v křemíku

Průřez PCF vláknem – v plášti je patrné mikrostrukturní uspořádání vzduchových kanálků.

  • Fotonický zakázaný pás PBG (Photonic Band Gap) určuje rozsah vln, pro který světlo se nemůže šířit
  • Fotony se mohou šířit v určitých propustných frekvenčních pásmech
  • Fotonický krystal se chova jako ideální zrcadlo
  • Světlo se pak šíři ve směru ose OZ a nevniká do pláště ve směru OX a OY

Výhoda: podmínka, že index lomu jádra musí být větší, než index lomu pláště už neplatí 􏰁

Energetický model fotonického krystalu – model PBG, ve kterém se fotony mohou šířit pouze v určitých směrech.

Průřez PCF vláknem – příklady.


2.3 HC PCF vlákna s teoreticky nulovým útlumem a vzduchovým jádrem

  • HC PCF (Hollow Core Photonic Crystal Fiber)
  • Možnost ladění spektrálních charakteristik
  • Široká možnost konfigurace mikrostruktur, plnění jádra
  • Možnost použití širokého pásma vlnových délek
  • Jádro v podobě díry naplněné vzduchem, velký počet prstenců mikrostruktur, odolné na ohyby
  • Cena: cca. 500-900 Eur (!!) za jednotku s penaltou 1 dB

Duté jádro = teoretický zanedbatelný útlum amožnost přenosu na velké vzdálenosti bez nutností opakovačů nebo zesilovačů.


V praxi zatím velký utlum kvůli stavu technologie výroby.

Útlum komerčně dostupných vláken ~ 13dB/km kvůli špatnému stavu technologie výroby. 2004: 1.7dB/km (800 m dlouhé vlákno). 2003: 0.28 dB/km na 1,55 μm.

Ideové schéma uspořádání geometrie HCPCF vlákna.

Průřez Hollow Core PCF vláknem – na obrázku je patrné vzduchové jádro.


2.4 IG PCF vlákna – hybridní vlákna s lepšími parametry

Spojují jednoduchost klasických vláken se skokovou změnou indexu lomu s kvantovou strukturou pouze v plášti.


  • Pevné jádro, chybí ústřední mikrostruktura, svazek se šíří ve skle nikoliv ve vzduchu
  • Nižší nároky na výrobu
  • Neexistuje pevná hranice mezi jádrem a plášti jako u vláken se skokovou změnou indexu lomu, část energie vytéká do pláště
  • Útlum stejný jako u klasických vláken asi 0,2 dB-km
  • Široká možnost konfigurace mikrostruktur, plnění mikrostruktur
  • Mechanismus šíření vlny: modifikovaný úplný vnitřní odraz, nikoliv zakázaný pás
  • Velikost mikrostruktur srovnatelná s vlnovou délkou, foton vnímá střední hodnotu indexu lomu obou látek – efektivní index lomu pláště, který je pořad menší než index skleněného jádra
  • Dosažitelný větší kontrast indexů lomu než umožňuje použití příměsí

Možnost ladění spektrálních charakteristik.

Mnohem vetší rozdíl hodnot indexu lomu jádra a pláště než u vláken se skokovou změnou indexu lomu.

Ideové schéma uspořádání geometrie IGPCF vlákna.

Průřez PCF vláknem s pevným jádrem SiO2 – hybridní vlákno – mikrostruktury jsou pouze v plášti pro ladění charakteristik vlákna.


2.5 Problém jednovidového režimu u konvenčních vláken

Vid optického záření je přípustná elektromagnetická struktura, která se může šířit v optickém vlákně (jeho vedení podporuje podmínka úplného vnitřního odrazu). Pojem optického vidu není totožný s pojmem paprsku, který pouze znázorňuje šíření se toku fotonů za pomocí principu geometrické optiky. Vid záření je specifický svým útlumem, disperzi nebo rychlosti, obsahuje množství frekvenčních komponent, a jeho energie může být různě rozmístěna v prostoru, přitom pokud útlum, disperze nebo rychlost jsou specifické, energie, která není soustředěna „na jednom místě může být považovaná za jeden vid. Naopak, v daném bodě se může překrývat více vidu. Tudíž rozmístění „paprsků“ v prostoru není správným kritériem pro vymezování vidů!!!!


Jednovidová vlákna vedou jeden vid, ale pozor – klasická vlákna se skokovou změnou indexu lomu reálně vedou jeden vid pouze v určitém rozsahu vlnových délek.


Na vlnové délce kratší než jistá mezní délka vlákno se stane mnohovidovým.

  • Klasická vlákna se skokovou změnou indexu lomu:
    Podmínka jednovidového režimu práce pro vlákno se skokovou změnou indexu lomu:
    • ` v=(2π*d)/λ*\sqrt((n_1^2-n_2^2)) `
    1. 2,405 je mezní kmitočet jednovidového režimu práce
    2. Omezení pro využití kratších vlnových délek
    3. Klasická jednovidová vlákna SM-SI 9/125 jsou jednovidová v určitém rozsahu vlnových délek, např. při λ=1300 nm je vlákno jednovidové, při λ = 850 nm je mnohovidové
    4. U SM-SI je neff = n2 a předpokládá se, že je konstantní


  • IGPCF vlákna - možnost nekonečně jednovidového režimu práce v širokém rozsahu vlnových délek:
    Podmínka jednovidového režimu práce pro IPGCF vlákno:
    ` v=(2π*d)/Λ*\sqrt((n_1^2-n_(eff)^2)) `
    1. Platí mezní kmitočet jednovidového režimu 2,405
    2. U IGPCF vláken je neff silně závislý na vlnové délce a velikosti mikrostruktur
    3. Co převažuje?
    4. Přímý vliv vlnové délky na mezní kmitočet
    5. Opačný vliv efektivního indexu lomu neff na mezní kmitočet
    6. Potřebujeme dostatečně velkou hodnotu neff pro plnou kompenzaci λ u jmenovatele

2.6 Nekonečně jednovidový režim u PCF

Kde d je průměr jádra, λ je vlnová délka, n1 je index lomu jádra, n2 index lomu pláště, neff je efektivní index lomu pláště u PCF vlákna.


Čím je kratší vlnová délka tím větší hodnota normalizovaná frekvence = mnohovidový režim operace po překročení ν > 2,405.

Ale...

Čím je kratší vlnová délka tím větší efektivní index lomu neff tím pádem menší hodnota odmocniny a menší hodnota normalizované frekvence.


  • d/Λ = 0,13 – malé mikrostruktury
  • d/Λ = 0,75 – velké mikrostruktury
  • neff je větší pro krátké vlnové délky
  • neff je větší pro male mikrostruktury

Vliv efektivního indexu lomu u IGPCF na nekonečně jednovidový režim práce vlákna.


Bylo prokázáno, že pro d/Λ ≤ 0,45 efektivní index je schopen plně kompenzovat přímý vliv vlnové délky tak, aby pro žádné λ nebyla překročená kritická hodnota 2,405 mezního kmitočtu


  • IGPCF vlákno je pro d/Λ ≤ 0,45 nekonečně jednovidové, v praxi je propagace omezená útlumem mimo přenosová okna
      • Pozn.: výklad plátí pro IGPCF vlákno, neplátí pro HCPCF, kde je index lomu jádra roven 1 a je menší než index lomu pláště, hodnota odmocniny není reálné číslo

Možné vidové režimy práce PCF vlákna.


2.7 Atypické a nelineární fotonické struktury

Nelineární PCF vlákno lze hledat v anglické literatuře pod pojmem HN PCF (Highly Nonlinear Photonic Crystal Fiber). Charakteristické vlastností jsou tyto:

  • Extrémně mále jádro 1-2 dotované příměsi
  • Extrémně velké mikrostruktury, d/Λ > 90%
  • Velký kontrast indexu lomu
  • Optické nelinearity (jsou funkcí prostoru, souřadnic)
  • práce primárně na vlnové délce 850 nm
  • Velký útlum >>1dB/km – až stovky dB/km
  • Cena: 1500 - 6500 Eur (!!!) za úsek s penaltou 1dB

    • Nelineární PCF vlákno s optickými nelinearitami.

  • Mírně větší, nedotované, jednovidové
  • jádro 2-5 μm
  • Velké mikrostruktury, d/Λ > 90%

„Pouze“ nelineární spektrální charakteristiky, např. parabolický průběh chromatické disperze.

Možnost kontrolování bodu nulové chromatické disperze.


Zajímavým typem vlákna je vlákno s velkou vidovou plochou pro velkokapacitní přenosy, superkontinuum nebo senzory (v tomto ohledu je obdobou mnohovidového vlákna). Na rozdíl od klasického mnohovidového vlákna, které má velké jádro toto vlákno je většinou zároveň nekonečně jednovidové protože pro velké jádra je zrovna potřeba mít malé mikrostruktury, které zaručují jednovidový režim práce.

  • Velké jádro o průměru v řadu desítek až stovek mikrometrů (díky velké konstantě mříže Λ a malým mikrostrukturám)
  • Velká plocha základního vidu (několik stovek čtverečných mikronů), několikrát větší než u klasických vláken LMA
  • Velmi často zároveň jednovidový režim práce (750 –1700 nm)
  • Citlivá na ohyb
  • Problematické svařování

2.8 Mikrostrukturní kompenzační vlákna

Zde je přehled nejpokročilejších návrhů DCF vláken. Vlákna byla publikována v řadě odborných publikací, kde lze nalézt specifikace a detailní popis [4][5][6][7][8].


Požadovaný průběh disperze vlákna lze obdržet jako výsledek optimalizace materiálového složení (materiálová disperze), které zároveň silně ovlivňuje útlum a geometrie vlákna (vlnovodná disperze).


Optimalizované parametry jsou tyto:

  • Průměr jádra
  • Průměr mikrostruktur (děr)
  • Rozteč mikrostruktur (konstanta mříže)
  • Index lomu jádra (výsledek dopování germaniem s vysokým indexem)
  • Index lomu pláště (výsledek objemu vzduchu v křemíku)
  • Index lomu prstence kolem jádra (většinou fluoridové materiály s nízkým indexem)

Vlákno se strukturou koncentrických jader – modifikace prvního prstence mikrostruktur.

Rozložení vidů v obou koncentrických jádrech.

Sfázování obou koncentrických vidů na určité vlnové délce, kde vzniká nízká vlnovodná disperze.

Průběh disperze – možnost potlačení značné disperze na určité vlnové délce.

Nedopované vlákno s nízkými ztrátami – disperze dosažena silným stlačením vidu v malém jádře.

Průběh disperze – možnost širokopásmové kompenzace disperze na několika vlnových délkách současně.


2.9 Fluoridové struktury pro materiálové inženýrství

Speciální kategorií PCF vláken tvoří dopovaná vlákna. Dopování lze docílit použitím příměsí, které vytváří větší kontrast indexu lomu mezi jádrem a pláštěm. Tento vysoký kontrast indexu lomu je podmínkou pro vznik nízké vlnovodná disperze a je nástrojem pro návrh kompenzačních vláken.


Nejčastěji používaným dopantem je GeO2 (index lomu 1.65), který je vhodný pro zvyšování hodnoty efektivního indexu lomu, tudíž se používá pro dopování jádra, které má větší index, než index lomu pláště. Na téma „germania“ nebo „oxid germaničitý“ lze v literatuře dohledat mnoho informací.



Pro snižování indexu lomu regionu kolem jádra se používají fluoridové látky, tato technika je poměrně nová. Za zmínku stoji fakt, že fluoridy jsou jedovaté, proto se tento výzkum zbrzdil o několik desítek let, kdy se předpokládalo, že tyto látky nejsou ztoho důvodu aplikovatelné. Zlepšení technologie výroby umožnilo použití i těchto látek.


Nejčastěji používané fluority jsou tyto:

  • BaF2 nebo CaF2
  • ZBLAN – ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF
  • ZBGA – ZrF4−BaF2−GdF3−AlF3

Fluoridy se vyznačují nízkým útlumem v telekomunikačním pásmu kolem 0,1 dB/km, azároveň jsou transparentní vinfračervené oblasti 2 až 5 μm. Mají poměrně nízký index lomu ve srovnání s SiO2 – konkrétně pro ZBLAN je to hodnota 1,5. (Může se lišit podle procentuálního poměru komponentů sloučeniny).

Útlum ZBLAN – patrný nízký útlum v telekomunikačním a infračerveném pásmu.

Dopované vlákno – GeO2 v jádře a fluoridy v prvním prstenci – velký kontrast indexu lomu a vytvoření struktury typu „W“.

Průběh disperze – možnost snížení, vyrovnání a přesného ladění disperze.