Optické vlákno o průměru subwavelength-diameter - Subwavelength-diameter optical fibre

Vlákno o průměru o vlnové délce obaluje světlo kolem lidských vlasů.

A optické vlákno o průměru pod vlnovou délkou (SDF nebo SDOF) je optické vlákno jehož průměr je menší než vlnová délka světla šířeného skrz něj. SDF se obvykle skládá z dlouhých tlustých částí (stejných jako u konvenčních optických vláken) na obou koncích, přechodových oblastí (zužujících se), kde se průměr vlákna postupně zmenšuje až na hodnotu subwavelength, a pasu o průměru subwavelength, což je hlavní působící část. Kvůli tak silnému geometrickému omezení je veden elektromagnetické pole v SDF je omezeno na a singl režimu volala základní.

název

Neexistuje obecná shoda o tom, jak mají být tyto optické prvky pojmenovány; různé skupiny dávají přednost zdůraznění různých vlastností těchto vláken, někdy dokonce s použitím různých termínů. Používaná jména zahrnují vlnovod o vlnové délce,[1] optický drát o vlnové délce,[2] průměr vlnové délky oxid křemičitý drát,[3] kužel vlákna o průměru vlnové délky,[4][5] (fotonický ) drát vlnovod,[6][7] fotonický drát,[8][9][10] fotonický nanodrát,[11][12][13] optické nanodráty,[14] optické vlákno nanodráty,[15] zúžené (optické) vlákno,[16][17][18][19] zúžení vláken,[20] submikron - průměr křemičitého vlákna,[21][22] ultratenká optická vlákna,[23] optický nanovlákno,[24][25] optický mikrovlákna,[26] submikronové vláknové vlnovody,[27] mikro / nano optické vodiče (MNOW).

Termín vlnovod lze aplikovat nejen na vlákna, ale také na další struktury vlnovodů, jako jsou křemíkový fotonický vlnovody o vlnové délce.[28] Termín submikron je často synonymem pro subvlnová délka, protože většina experimentů se provádí za použití světla s vlnovou délkou mezi 0,5 a 1,6 um.[11] Všechna jména s předponou nano- jsou poněkud zavádějící, protože se obvykle aplikuje na objekty s rozměry na stupnici nanometrů (např. nanočástice, nanotechnologie ). Charakteristické chování SDF se objeví, když je průměr vlákna přibližně polovina vlnové délky světla. Proto je termín subvlnová délka je pro tyto objekty nejvhodnější.[původní výzkum? ]

Výrobní

SDF se obvykle vytváří zužováním reklamy, obvykle krokový index, optické vlákno. Proces provádějí speciální tažné stroje.

Optické vlákno se obvykle skládá z jádra, a opláštění a ochranný povlak. Před natažením vlákna je odstraněn jeho povlak (tj. Vlákno je svlékl ). Konce holého vlákna jsou připevněny k pohyblivým „překladovým“ stolům na stroji. Střed vlákna (mezi fázemi) se poté zahřívá plamenem (například hoření) oxyhydrogen ) nebo a laserový paprsek; zároveň se fáze překladu pohybují v opačných směrech. Sklo se taví a vlákno je podlouhlé, zatímco jeho průměr se zmenšuje.[29]

Popsanou metodou se získají pasy mezi 1 a 10 mm na délku a průměry do 100 nm. Aby se minimalizovaly ztráty světla na nevázané režimy, je třeba řídit tahový proces tak, aby zužující se úhly vyhovovaly adiabatický stav[30] nepřekročením určité hodnoty, obvykle v řádu několika miliradián. Za tímto účelem je k taženému vláknu připojen laserový paprsek a výstupní světlo je monitorováno pomocí optický měřič výkonu během celého procesu. Kvalitní SDF by propustil více než 95% sdruženého světla,[29] většina ztrát je způsobena rozptyl na povrchových nedokonalostech nebo nečistotách v oblasti pasu.

Pokud je vlákno, které se zužuje, rovnoměrně taženo přes stacionární zdroj ohřevu, výsledný SDF má exponenciální poloměr profil.[31] V mnoha případech je vhodné mít válcovou pasovou oblast, tj. Pas konstantní tloušťky. Výroba takového vlákna vyžaduje neustálé úpravy horké zóny pohybem zdroje tepla,[29] a proces výroby se výrazně prodlouží.

Zacházení

Protože je SDF extrémně tenký, je také extrémně křehký. Proto je SDF obvykle namontován na speciální rám okamžitě po zatažení a nikdy se od tohoto rámu neoddělí. Běžným způsobem připevnění vlákna k držáku je polymerní lepidlo, například epoxidová pryskyřice nebo optické lepidlo.

Prach se však mohou připevnit k povrchu SDF. Pokud je do vlákna připojena významná laserová energie, částice prachu ano rozptyl světlo v postupné pole, zahřát a může tepelně zničit pas. Aby se tomu zabránilo, jsou SDF taženy a používány v bezprašném prostředí, jako je průtokové boxy nebo vakuové komory. U některých aplikací je užitečné ponořit čerstvě zúžený SDF do čištěná voda a tím zabránit kontaminaci pasu.

Aplikace

Aplikace zahrnují senzory,[32] nelineární optika, vazební členy vláken, zachycování a vedení atomů,[25][33][34][35] kvantové rozhraní pro zpracování kvantových informací,[36][37] plně optické spínače,[38] optická manipulace s dielektrickými částicemi.[39][40]

Viz také

Reference

  1. ^ Foster, M. A .; Gaeta, A. L. (2004). "Generování superkontinua s ultra nízkým prahem ve vlnovodech s vlnovými délkami". Optika Express. 12 (14): 3137–3143. Bibcode:2004Oexpr..12.3137F. doi:10.1364 / OPEX.12.003137. PMID  19483834. otevřený přístup
  2. ^ Jung, Y .; Brambilla, G .; Richardson, D. J. (2008). „Širokopásmový provoz v jednom režimu se standardními optickými vlákny pomocí optického drátového filtru o vlnové délce“ (PDF). Optika Express. 16 (19): 14661–14667. Bibcode:2008Oexpr..1614661J. doi:10.1364 / OE.16.014661. PMID  18795003. otevřený přístup
  3. ^ Tong, L .; Gattass, R. R .; Ashcom, J. B .; On je.; Lou, J .; Shen, M .; Maxwell, I .; Mazur, E. (2003). „Dráty z křemíku o vlnové délce o průměru pro vedení optických vln s nízkými ztrátami“ (PDF). Příroda. 426 (6968): 816–819. Bibcode:2003 Natur.426..816T. doi:10.1038 / nature02193. PMID  14685232. S2CID  15048914.
  4. ^ Mägi, E. C .; Fu, L. B .; Nguyen, H. C .; Lamont, M. R.; Yeom, D. I .; Eggleton, B. J. (2007). "Enhanced Kerr nonlinearity in sub-wavelength diameter As2Se3 chalcogenide fiber tapers". Optika Express. 15 (16): 10324–10329. Bibcode:2007Oexpr..1510324M. doi:10.1364 / OE.15.010324. PMID  19547382. S2CID  14870791. otevřený přístup
  5. ^ Zhang, L .; Gu, F .; Lou, J .; Yin, X .; Tong, L. (2008). "Rychlá detekce vlhkosti pomocí kuželu vláken o vlnové délce potaženého želatinovým filmem". Optika Express. 16 (17): 13349–13353. Bibcode:2008Oexpr..1613349Z. doi:10.1364 / OE.16.013349. PMID  18711572. otevřený přístup
  6. ^ Liang, T. K.; Nunes, L. R .; Sakamoto, T .; Sasagawa, K .; Kawanishi, T .; Tsuchiya, M .; Priem, G. R. A .; Van Thourhout, D .; Dumon, P .; Baets, R .; Tsang, H. K. (2005). „Ultrarychlé přepínání všech optik pomocí křížové absorpční modulace ve křemíkových drátových vlnovodech“. Optika Express. 13 (19): 7298–7303. Bibcode:2005Oexpr..13,7298L. doi:10.1364 / OPEX.13.007298. hdl:1854 / LU-327594. PMID  19498753. otevřený přístup
  7. ^ Espinola R, Dadap J, Osgood R Jr, McNab S, Vlasov Y (2005). "Konverze vlnových délek pásma C ve křemíkových fotonických vlnovodech". Optika Express. 13 (11): 4341–4349. Bibcode:2005Oexpr..13.4341E. doi:10.1364 / OPEX.13.004341. PMID  19495349. otevřený přístup
  8. ^ Lizé, Y. K .; Mägi, E. C .; Ta'Eed, V. G .; Bolger, J. A .; Steinvurzel, P .; Eggleton, B. (2004). "Mikrostrukturované fotonické dráty z optických vláken s průměrem jádra o vlnové délce". Optika Express. 12 (14): 3209–3217. Bibcode:2004Oexpr..12,3209L. doi:10.1364 / OPEX.12.003209. PMID  19483844. otevřený přístup
  9. ^ Zheltikov, A. (2005). "Analýza v Gaussově režimu nelineárnosti optických vláken a fotonických drátů typu Kerr s vylepšeným vlnovodem". Journal of the Optical Society of America B. 22 (5): 1100. Bibcode:2005JOSAB..22.1100Z. doi:10.1364 / JOSAB.22.001100. uzavřený přístup
  10. ^ Konorov, S.O .; Akimov, D. A .; Serebryannikov, E. E .; Ivanov, A. A .; Alfimov, M. V .; Dukel'Skii, K. V .; Khokhlov, A. V .; Shevandin, V. S .; Kondrat'Ev, Y. N .; Zheltikov, A. M. (2005). „Režimy fotonických drátů vysokého řádu buzené čerenkovskou emisí solitonů“. Laserová fyzikální písmena. 2 (5): 258–261. Bibcode:2005LaPhL ... 2..258K. doi:10.1002 / lapl.200410176. uzavřený přístup
  11. ^ A b Foster, M. A .; Turner, A. C .; Lipson, M .; Gaeta, A. L. (2008). "Nelineární optika ve fotonických nanodrátech". Optika Express. 16 (2): 1300–1320. Bibcode:2008Oexpr..16.1300F. doi:10.1364 / OE.16.001300. PMID  18542203. otevřený přístup
  12. ^ Wolchover, N. A .; Luan, F .; George, A. K .; Knight, J. C .; Omenetto, F. G. (2007). "Skleněné fotonické krystaly s vysokou nelinearitou". Optika Express. 15 (3): 829–833. Bibcode:2007Expr..15..829W. doi:10,1364 / OE.15.000829. PMID  19532307. otevřený přístup
  13. ^ Tong, L .; Hu, L .; Zhang, J .; Qiu, J .; Yang, Q .; Lou, J .; Shen, Y .; On, J .; Ye, Z. (2006). "Fotonické nanodráty přímo čerpané z hromadných brýlí". Optika Express. 14 (1): 82–87. Bibcode:2006Expr..14 ... 82T. doi:10.1364 / OPEX.14.000082. PMID  19503319. otevřený přístup
  14. ^ Siviloglou, G. A .; Suntsov, S .; El-Ganainy, R .; Iwanow, R .; Stegeman, G. I .; Christodoulides, D. N .; Morandotti, R.; Modotto, D .; Locatelli, A .; De Angelis, C .; Pozzi, F .; Stanley, C. R .; Sorel, M. (2006). „Vylepšené nelineární efekty třetího řádu v optických AlGaAs nanodrátech“. Optika Express. 14 (20): 9377–9384. Bibcode:2006Expr..14.9377S. doi:10.1364 / OE.14.009377. PMID  19529322. otevřený přístup
  15. ^ „Skupina optických vláken a souvisejících zařízení“. University of Southampton. Archivovány od originál dne 2007-02-20.
  16. ^ Dumais, P .; Gonthier, F .; Lacroix, S .; Bures, J .; Villeneuve, A .; Wigley, P. G. J .; Stegeman, G. I. (1993). "Vylepšená vlastní fázová modulace v zúžených vláknech". Optická písmena. 18 (23): 1996. Bibcode:1993OptL ... 18.1996D. doi:10.1364 / OL.18.001996. PMID  19829470. uzavřený přístup
  17. ^ Cordeiro, C. M. B .; Wadsworth, W. J .; Birks, T. A .; Russell, P. S. J. (2005). "Inženýrství disperze zúžených vláken pro generování superkontinua s 1064 nm pumpovým laserem". Optická písmena. 30 (15): 1980–1982. Bibcode:2005OptL ... 30.1980C. doi:10,1364 / OL.30.001980. PMID  16092239. uzavřený přístup
  18. ^ Dudley, J. M .; Coen, S. (2002). "Numerické simulace a koherenční vlastnosti generace superkontinua ve fotonických krystalech a zúžených optických vláknech". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 8 (3): 651–659. Bibcode:2002IJSTQ ... 8..651D. doi:10.1109 / JSTQE.2002.1016369. uzavřený přístup
  19. ^ Kolesik, M .; Wright, E. M .; Moloney, J. V. (2004). "Simulace šíření femtosekundového pulzu v zúžených vláknech o průměru pod mikrony". Aplikovaná fyzika B. 79 (3): 293–300. doi:10.1007 / s00340-004-1551-1. S2CID  123400021. uzavřený přístup
  20. ^ Wadsworth, W. J .; Ortigosa-Blanch, A .; Knight, J. C .; Birks, T. A .; Muž, T. -P. M .; Russell, P. S. J. (2002). „Generování superkontinua ve vláknech fotonických krystalů a zužujících se optických vláknech: nový světelný zdroj“. Journal of the Optical Society of America B. 19 (9): 2148. Bibcode:2002JOSAB..19.2148W. doi:10.1364 / JOSAB.19.002148. otevřený přístup
  21. ^ Shi, L .; Chen, X .; Liu, H .; Chen, Y .; Ye, Z .; Liao, W .; Xia, Y. (2006). „Výroba křemičitých vláken o průměru submikronu pomocí elektrického ohřívače pásu“. Optika Express. 14 (12): 5055–5060. Bibcode:2006Oexpr..14.5055S. doi:10.1364 / OE.14.005055. PMID  19516667. S2CID  12286605. otevřený přístup
  22. ^ Mägi, E .; Steinvurzel, P .; Eggleton, B. (2004). "Kónická vlákna fotonického krystalu". Optika Express. 12 (5): 776–784. Bibcode:2004Oexpr..12..776M. doi:10.1364 / OPEX.12.000776. PMID  19474885. otevřený přístup
  23. ^ Sagué, G .; Baade, A .; Rauschenbeutel, A. (2008). „Modře odladěné povrchové pasti evanescentního pole pro neutrální atomy založené na interferenci režimů v ultratenkých optických vláknech“. New Journal of Physics. 10 (11): 113008. arXiv:0806.3909. Bibcode:2008NJPh ... 10k3008S. doi:10.1088/1367-2630/10/11/113008. S2CID  18601905. otevřený přístup
  24. ^ Nayak, K. P .; Melentiev, P. N .; Morinaga, M .; Kien, F.L .; Balykin, V. I .; Hakuta, K. (2007). „Optické nanovlákno jako účinný nástroj pro manipulaci a zkoumání atomové fluorescence“. Optika Express. 15 (9): 5431–5438. Bibcode:2007Oexpr..15.5431N. doi:10.1364 / OE.15.005431. PMID  19532797. otevřený přístup
  25. ^ A b Morrissey, Michael J .; Deasy, Kieran; Frawley, Mary; Kumar, Ravi; Prel, Eugen; Russell, Laura; Truong, Viet Giang; Nic Chormaic, Síle (srpen 2013). „Spektroskopie, manipulace a zachycování neutrálních atomů, molekul a dalších částic pomocí optických nanovláken: recenze“. Senzory. 13 (8): 10449–10481. doi:10,3390 / s130810449. PMC  3812613. PMID  23945738.
  26. ^ Xu, F .; Horak, P .; Brambilla, G. (2007). "Refraktometrický senzor s optickou cívkou z mikrovlákna" (PDF). Optika Express. 15 (12): 7888–7893. Bibcode:2007Expr..15,7888X. doi:10.1364 / OE.15.007888. PMID  19547115. otevřený přístup
  27. ^ Leon-Saval, S. G .; Birks, T. A .; Wadsworth, W. J .; St j Russell, P .; Mason, M. W. (2004). "Generování superkontinua v submikronových vláknových vlnovodech". Optika Express. 12 (13): 2864–2869. Bibcode:2004Oexpr..12,2864L. doi:10.1364 / OPEX.12.002864. PMID  19483801. otevřený přístup
  28. ^ Koos, C .; Jacome, L .; Poulton, C .; Leuthold, J .; Freude, W. (2007). „Nelineární křemík na izolátoru pro plně optické zpracování signálu“ (PDF). Optika Express. 15 (10): 5976–5990. Bibcode:2007Oexpr..15,5976K. doi:10.1364 / OE.15.005976. hdl:10453/383. PMID  19546900. otevřený přístup
  29. ^ A b C Ward, J. M .; Maimaiti, A .; Le, Vu H .; Chormaic, S. Nic (01.11.2014). „Přispěno Recenze: Optická tahová souprava z mikro- a nanovláken“. Recenze vědeckých přístrojů. 85 (11): 111501. doi:10.1063/1.4901098. ISSN  0034-6748.
  30. ^ Love, J.D .; Henry, W.M .; Stewart, W. J.; Black, R.J .; Lacroix, S .; Gonthier, F. (1991). "Zúžená jednovidová vlákna a zařízení. Část 1: Kritéria adiabaticity". Sborník IEE J Optoelektronika. 138 (5): 343. doi:10.1049 / ip-j.1991.0060. ISSN  0267-3932.
  31. ^ kenny, R.P .; Birks, T. A.; Oakley, K.P. (1991). "Řízení tvaru kužele optického vlákna". Elektronické dopisy. 27 (18): 1654. doi:10.1049 / el: 19911034. ISSN  0013-5194.
  32. ^ Nayak, K. P .; Melentiev, P. N .; Morinaga, M .; Le Kien, Fam; Balykin, V. I .; Hakuta, K. (2007). „Optické nanovlákno jako účinný nástroj pro manipulaci a zkoumání atomové fluorescence“. Optika Express. 15 (9): 5431–5438. Bibcode:2007Oexpr..15.5431N. doi:10.1364 / OE.15.005431. PMID  19532797.
  33. ^ Dawkins, S. T .; Mitsch, R .; Reitz, D .; Vetsch, E .; Rauschenbeutel, A. (2011). „Disperzní optické rozhraní založené na atomech zachycených nanovlákny“. Phys. Rev. Lett. 107 (24): 243601. arXiv:1108.2469. Bibcode:2011PhRvL.107x3601D. doi:10.1103 / PhysRevLett.107.243601. PMID  22242999. S2CID  16246674.
  34. ^ Goban, A .; Choi, K. S .; Alton, D. J .; Ding, D .; Lacroûte, C .; Pototschnig, M .; Thiele, T .; Stern, N. P .; Kimble, H. J. (2012). „Demonstrace státem necitlivé kompenzované nanovláknové pasti“. Phys. Rev. Lett. 109 (3): 033603. arXiv:1203.5108. Bibcode:2012PhRvL.109c3603G. doi:10.1103 / PhysRevLett.109.033603. PMID  22861848. S2CID  10085166.
  35. ^ Nieddu, Thomas; Gokhroo, Vandna; Chormaic, Síle Nic (14.03.2016). „Optická nanovlákna a neutrální atomy“. Journal of Optics. 18 (5): 053001. doi:10.1088/2040-8978/18/5/053001. ISSN  2040-8978.
  36. ^ Viz například teoretická analýza s přesnými aplikacemi kvantové nedemoliční měřeníQi, Xiaodong; Baragiola, Ben Q .; Jessen, Poul S .; Deutsch, Ivan H. (2016). "Disperzní odezva atomů zachycených v blízkosti povrchu optického nanovlákna s aplikacemi pro kvantové nedemoliční měření a vymačkávání". Fyzický přehled A. 93 (2): 023817. arXiv:1509.02625. Bibcode:2016PhRvA..93b3817Q. doi:10.1103 / PhysRevA.93.023817. S2CID  17366761.
  37. ^ Solano, Pablo; Grover, Jeffrey A .; Hoffman, Jonathan E .; Ravets, Sylvain; Fatemi, Fredrik K .; Orozco, Luis A .; Rolston, Steven L. (01.01.2017), Arimondo, Ennio; Lin, Chun C .; Yelin, Susanne F. (eds.), „Kapitola sedm - Optická nanovlákna: nová platforma pro kvantovou optiku“, Pokroky v atomové, molekulární a optické fyziceAkademický tisk, 66, str. 439–505, doi:10.1016 / bs.aamop.2017.02.003 & v = 0ae9236f, vyvoláno 2020-10-15
  38. ^ Le Kien, Fam; Rauschenbeutel, A. (2016). „Celooptické přepínače na bázi nanovláken“. Phys. Rev.A. 93 (1): 013849. arXiv:1604.05782. Bibcode:2016PhRvA..93a3849L. doi:10.1103 / PhysRevA.93.013849. S2CID  119287411.
  39. ^ Brambilla, G .; Murugan, G. Senthil; Wilkinson, J. S .; Richardson, D. J. (2007-10-15). "Optická manipulace s mikrokuličkami podél optického drátu o vlnové délce". Optická písmena. 32 (20): 3041–3043. doi:10.1364 / OL.32.003041. ISSN  1539-4794.
  40. ^ Daly, Mark; Truong, Viet Giang; Chormaic, Síle Nic (2016-06-27). „Zachycování evanescentního pole nanočástic pomocí nanostrukturovaných ultratenkých optických vláken“. Optika Express. 24 (13): 14470–14482. doi:10.1364 / OE.24.014470. ISSN  1094-4087.