Fotoninių kristalų (žr:
Fotoniniai kristalai - šviesos puslaidininkiai //
Ryšių technikos naujienos, 2002, Nr.1; Skylėtosios skaidulos // Ryšių
technikos naujienos, 2002, Nr.3) arba
kiaurymėtosios skaidulos (photonic crystal
fibers - PCF) buvo sukurtos 1996 m. ir iki šiol kelia didžiulį įvairių sričių
technikos specialistų susidomėjimą.
Jos pasižymi naujais, dar neregėtais
privalumais: gebėjimu išlikti
vienmodėmis storos šerdies (~1 mm)
skaidulose bei labai plačiu dažnių intervalu
ir veikti kaip tuščiavidurės šerdies
šviesolaidžiai. Keičiant kiaurymių
sandarą, galima sukurti labai specifinių
savybių skaidulas: pav., dviejų ar
vienos nekintamos poliarizacijos plokštumos. PCF dispersinės savybės irgi
vertos dėmesio - pirmiausia dėl
galimybės jas panaudoti šviesos dispersijai
kompensuoti. Kintant šių skaidulų šerdies skersmeniui,
jų optinės savybės keičiasi
nuo tiesinių iki labai netiesinių. Visos šios
kiaurymėtųjų skaidulų savybės
paskatino kurti ateities kartos skaidulų sistemą.
Mikrostruktūrinė skaidula, kurios kiaurymės išsidėsčiusios koncentriškais žiedais, yra parabolinio lūžio rodiklio skaidula.
2002 m. Sidnėjaus universiteto Optinių
skaidulų technologijos centro mokslininkai šioje srityje
gerokai pažengė, ėmę PCF
gaminti iš polimerų. Polimerinės
fotoninių kristalų skaidulos palyginti su esamomis
stiklinėmis yra daug kuo pranašesnės. Šis pranašumas
skatins toliau tirti polimerų savybes ir šias medžiagas
tobulinti. Polimerinės PCF galėtų būti naudojamos
ten, kur labai praverčia polimerams būdingos savybės
- lankstumas, lengvumas ir galimybė lengvai sujungti
tarpusavyje. Šie privalumai gali būti
esminiai, pvz., trumpojo nuotolio ryšio
tinkluose bei automobiliuose.
Mikrostruktūrinės optinės skaidulos
Stiklinės fotoninių kristalų
skaidulos gaminamos dviem pakopomis: iš pradžių suformuojama
tvarkinga stiklinių vamzdelių ar strypukų
rietuvė, kuri ištempiama iki reikiamo
kiaurymių skersmens. Taip suformuotų
darinių kiaurymių skerspjūvis
deformuojasi arba į šešiabriaunį, arba į
kvadratą. Nors polimerinės skaidulos taip
pat formuojamos iš ruošinių rietuvės,
manoma, kad daug patogiau taikyti polimerams įprastinius liejimo ar
ekstruzijos būdus. Šių technologijų
pagrindu gaunamas pirminis norimos vidinės sandaros vientisas darinys
vėliau ištempiamas iki reikiamų matmenų.
Paraboliniam lūžio rodiklio pasiskirstymui sukurti GIMPOF naudoja persiklojančius kiaurymių žiedus.
Šiomis tradicinėmis technologijomis įmanoma suformuoti tokios
vidinės sandaros skaidulas, kokių sunku ar netgi neįmanoma pagaminti
iš vamzdelių bei strypukų rietuvių.
Pastarąja technologija formuojami dariniai atspindi jos ypatumus; pvz.,
pradžioje apskritos kiaurymės tempiant deformuojasi į šešiabriaunes.
Taikant tradicines polimerų liejimo
technologijas, nesunku suformuoti iš kiaurymių sudarytą žiedo formos ar
kitokį darinį (žr. pav.). Be abejo, tolesnio
gamybos proceso metu šie dariniai deformuojami, bet mažiau nei
stikliniai. Dėl mažesnių polimerų
paviršiaus įtempimo jėgų ir jų ilgų
molekulių tempimo deformacijos poveikis
skaidulos sandarai nėra didelis.
Polimerinės medžiagos, palyginti su kitomis,
atsparesnės tempimo deformacijoms, todėl iš
monolitinių pirminių darinių
galima gauti įvairios vidaus sandaros (periodinių ir
neperiodinių, apskritų ir
neapskritų kiaurymių) skaidulų. Yra
ir viena ypatingo dėmesio verta struktūra, kurios
kiaurymės išsidėsčiusios
koncentriškais žiedais. Įrodyta,
kad tokiomis mikrostruktūrinėmis polimerinėmis
optinėmis skaidulomis (microstructured polymer optical
fiber - MPOF) galima aproksimuoti Braggo
periodiškai kintančio lūžio rodiklio
(žr: Nauji skaiduliniai optiniai
ryšių sistemų komponentai // Ryšių technikos
naujienos, 1998, Nr.3) ir net gradientinio lūžio rodiklio
skaidulas (graded-index microstructured polymer optical
fiber - GIMPOF), kurios, kaip manoma, bus labai paklausios
polimerinių skaidulų rinkoje.
Galios nuostoliai
Nors didžiausias optinių
polimerų trūkumas - dideli galios
nuostoliai, visgi trumpojo nuotolio ryšio
tinkluose polimerinės skaidulos bus naudojamos, nes minėtą trūkumą atsvers
jų lemiamas technologinis privalumas - galimybė jas lengvai sujungti.
Įprastinės polimerinės skaidulos yra
didelio šerdies skersmens - beveik milimetro. Siekiant sumažinti jų dispersiją,
jose sudaromas lūžio rodiklio gradientas.
Naujų GIMPOF skaidulų savybės dar galutinai neištirtos, tačiau
patys pirmieji eksperimentų rezultatai džiugina. Polimerinių skaidulų
tyrimai ir jų rezultatų modeliavimas yra
gana sudėtingas, tačiau jau dabar aišku,
kad mikrostruktūrinės skaidulos,
palyginti su tradicinėmis, turi neginčijamų
pranašumų. Kad šie dariniai veiktų
kaip šviesolaidžiai, jų nereikia
legiruoti. Taip išvengiama lūžio rodiklio
fluktuacijų dėl legiruojančios priemaišos
nevienalytiškumo. Šių fluktuacijų
sukeliama šviesos sklaida yra pagrindinė polimerinių skaidulų galios
nuostolių priežastis. Pavyzdžiui, Japonijos
(Tokijo) kompanija Asahi Glass Co., gaminanti mažiausių galios
nuostolių polimerines skaidulas, oficialiai
paskelbė, kad jos gaminamų
skaidulų nuostoliai 850 nanometrų bangos
ilgiui siekia 17 dB/km, iš jų 13 dB/km
- dėl šviesos sklaidos.
Mikrostruktūrinės sandaros skaiduloms būdingi naujo tipo
nuostoliai - dėl pertvarų tarp kiaurymių ir
padidėjusios paviršinės sklaidos.
Tačiau analogiškų iš stiklo
formuojamų (PCF) skaidulų, kurių
technologija gerokai patobulinta, nuostoliai
siekia tik 0,6 dB/km ir tai nuteikia optimistiškai. Panaši polimerinių skaidulų
pažanga būtų vertinama net dar
entuziastingiau, nes, ėmus vietoj tradicinių polimerinių optinių skaidulų
naudoti mikrostruktūrines, gerokai sumažėtų nuostoliai, o dar lieka
galimybė toliau tobulinti pačius
polimerus. Svarbu, kad nuostoliai dėl vidinės
sandūros (paviršinė sklaida ir pan.)
yra gerokai mažesni nei tie, kuriuos lemia netolygiai išsidėsčiusios optinių
skaidulų priemaišos. Tyrimai šį teiginį
patvirtina. Vadinasi, tradicines optines polimerines (legiruotas) skaidulas
pakeitę mikrostruktūrinėmis, realiai
ir ženkliai sumažinsime šviesos
nuostolius. "Švarios" polimerinės
skaidulos gali veikti ir aukštesnėje
temperatūroje, nes temperatūrą paprastai
riboja priemaišų difuzija. Sidnėjaus
universiteto optinių skaidulų
technologijos centro mokslininkai tikisi pagaminti palyginti didelio skersmens
(bet mažesnio nei milimetras) GIMPOF, kurių nuostoliai būtų mažesni ir
dispersijos savybės pranašesnės už
tradicinių gradientinių polimerinių
skaidulų. Numatomų gaminti skaidulų
įtaka vietinio ryšio tinklams turėtų
būti išties ženkli.
Polimerinės medžiagos
Mikrostruktūrinės
polimerinės skaidulos gali būti tobulinamos ir
modifikuojant pačią skaidulų
medžiagą. Galimybė tokiu būdu tobulinti
stiklo skaidulas yra ribota, nes dėl
aukštos jų gamybos temperatūros
(apie 2000oC) daugelis medžiagų,
kuriomis būtų galima legiruoti švarų stiklą,
skaidosi, pvz., organiniai dažikliai
skaidosi temperatūrai viršijus
400oC.
MPOF polimerai, atvirkščiai lydomi palyginti neaukštoje
200oC temperatūroje, todėl jų gamybai
galima naudoti įvairias legiruojančias
priemaišas.
Atrodytų, kad tie patys privalumai yra būdingi ir tradicinėms
polimerinėms skaiduloms, tačiau taip
nėra, nes dėl vienmodžių
polimerinių skaidulų gamybos sunkumų šios
medžiagos naudojamos ribotai. Kita vertus, mikrostruktūrinių skaidulų
vienmodiškumas yra, galima sakyti, jų
prigimtinė savybė. Be visų
akivaizdžių MPOF skaidulų privalumų,
pastaroji savybė leidžia projektuotojams
garantuoti šių skaidulų šviesolaidinį
mechanizmą nepriklausomai nuo
priemaišų. Taigi MPOF skaidulų
projektuotojams suteikiama reta galimybė
keisti jų optines savybes atskirai -
nepriklausomai nuo kitų, pvz., dispersiją ir
optinį netiesiškumą arba šviesos
stiprinimą ir dvejopą lūžimą.
Polimerai yra medžiagų
klasė, kurių savybes ir charakteristikas
galima keisti įvairiausiomis
priemonėmis. Paviršiaus aktyviosiomis
medžiagomis ir įvairiais intarpais, įmanoma iš
esmės keisti polimerų savybes bei formuoti juose aktyviuosius
elementus. Pavyzdžiui, jau kurį laiką bandoma
sukurti polimerus, tinkamus naudoti netiesinės optikos ar
elektrooptiniams įtaisams. Minėto Sidnėjaus
technologijos centro mokslininkai parodė, kad nepažeidus mikrostruktūros, į
skaidulą galima įterpti volframo
elektrodus, kurie naudojami skaidulų
tempimo procese. MPOF pagrindu galėtų
būti kuriami optiniai jungikliai, jutikliai, poliarizacijos valdikliai ir
antrosios harmonikos generatoriai.