Fotoninių kristalų skaidulos dėl galimybės mažinti galios nuostolius atveria naujas galimybes ryšių technikoje ir kitose srityse

   Fotoninių kristalų skaidulos - tai stiklo skaidulos, kuriose išilgai skaidulos suformuotas siaurų kiaurymių rinkinys. Apie fotoninius kristalus bei jų dvimačių darinių skaidulas žurnalas jau buvo rašęs (žr.: Fotoniniai kristalai - šviesos puslaidininkiai // Ryšių technikos naujienos, 2002, Nr.1; Skylėtosios skaidulos // Ryšių technikos naujienos, 2002, Nr.3; Optinės fotoninių kristalų skaidulos // Ryšių technikos naujienos, 2003, Nr.2). Pagrindinė fotoninių kristalų ypatybė - draudžiamosios fotoninės juostos, t. y. tokios erdvės sritys, kuriomis šviesa negali sklisti. Iš esmės kiaurymėtoji fotoninė skaidula yra dvimatis fotoninis darinys, "ištemptas" kryptimi, statmena jo plokštumai. Šiame straipsnyje nagrinėjama tuščiavidurė fotoninė skaidula, kurios centrinėje dalyje suformuota didesnio skersmens kiaurymė, skirta šviesos signalui perduoti.

   Viso pasaulio universitetai, ryšio kompanijų laboratorijos bei naujai besikuriančios įmonės kuria ir tiria įvairius kiaurymėtųjų skaidulų tipus. Jau dabar aišku, kad naujojo tipo skaidulos kai kuriais požiūriais turėtų pranokti tradicines. Pavyzdžiui, dėl mažo tuščiavidurių skaidulų netiesiškumo ir valdomos dispersijos atsiranda unikali galimybė jomis perduoti trumpuosius infraraudonosios šviesos impulsus.

   Vienas pagrindinių šių tiriamųjų darbų uždavinių yra sukurti tokias tuščiavidures skaidulas, kurios, kitaip nei tradicinės, be kitų privalumų, būtų ir mažesnių galios nuostolių. Jei šis tikslas būtų pasiektas, optinio ryšio technikoje įvyktų svarbių (koncepcijos lygio) permainų. Beje, ir šiuo metu esančios kiaurymėtosios skaidulos jau taikomos įvairiose mokslo bei technikos srityse.

Veikimas

   Tradicinių optinių skaidulų veikimo principas paprastas. Skaidulos šerdies šviesos lūžio rodiklis yra didesnis už jos apvalkalo rodiklį, todėl šviesa, sklisdama šerdimi, dėl visiško atspindžio į skaidulos apvalkalą, o tuo labiau į aplinką, neprasiskverbia.

   Tuščiavidurių skaidulų apvalkalas yra iš fotoninio kristalo, kuriame susiformuoja fotoninė draudžiamoji juosta, todėl reikiamo bangos ilgio šviesa sklinda ne juo, bet centrine skaidulos sritimi. Šiuo atveju šerdis nereikalinga: vietoj jos - tuštuma (oras). Apskritai draudžiamoji fotoninė juosta susidaro tik tuomet, jei iš reikiamo lūžio rodiklio medžiagų sukursime periodinius reikiamų matmenų bei reikiamos konstrukcijos skylėtus darinius. Šis fizikinis efektas primena puslaidininkinių medžiagų energijos juostas, kurios susidaro elektrono banginei funkcijai sąveikaujant su periodine puslaidininkio kristaline gardele.

   Eksperimentai ir skaitmeniniai skaičiavimai rodo, kad draudžiamąja fotonine juosta pasižymi silicio dioksido matricoje suformuotas dvimatis trikampių kiaurymių rinkinys (1 pav.). Šio fotoninio darinio draudžiamoji juosta iš esmės "nedraudžia" šviesai sklisti visomis kryptimis: draudimas skirtas tik tam tikram šviesos sklidimo konstantos intervalui. Kai sklidimo konstanta yra šio intervalo, draudžiamoji juosta "draudžia" šviesai sklisti aplinkoje, kurios efektyvusis lūžio rodiklis mažesnis už vienetą, t. y. už vakuumo lūžio rodiklį. Fizikos požiūriu tai reiškia, kad šviesa nuo draudžiamosios juostos gali atsispindėti ir vakuume.

   Suformavę išilgai tokios skaidulos kiaurymę, galime tikėtis, kad šviesa ja sklis kaip bangolaidžiu. Apskritai šviesa apvalkalo medžiagoje irgi sklinda; ji negali sklisti tik skaidulos ašiai statmena kryptimi.

   Tuščiavidurė skaidula yra tarsi metalinių sienelių bangolaidis, kuriuo sklinda kito diapazono banga. Šiuo atveju fotoninės skaidulos apvalkalas yra bangolaidžio sienelių, atspindinčių elektromagnetinę bangą, analogas.

   Yra du esminiai tuščiavidurių fotoninių skaidulų ir analogiškų planariųjų darinių draudžiamųjų juostų skirtumai. Pirmas: draudžiamajai plokštuminių komponentų juostai suformuoti reikia labai didelio lūžio rodiklio kontrastingumo, taigi, medžiagų pasirinkimas ribotas. Fotoninėmis skaidulomis šviesa sklinda statmenai lūžio rodiklių gradientui, o ne lygiagrečiai, kaip planariaisiais fotoniniais komponentais, todėl pirmuoju atveju lūžio rodiklių santykio 1,5:1 (apvalkalo ir vakuumo) visai pakanka reikiamo pločio draudžiamajai juostai suformuoti. Tad kiaurymėtosios skaidulos gali būti gaminamos iš silicio dioksido - tradicinės optinių skaidulų medžiagos. Antras: fotoninės gardelės žingsnis turėtų būti kelis kartus didesnis už infraraudonojo diapazono bangos ilgį. Jei šviesos bangos ilgis 1550 nm, užtenka 3 µm žingsnio, o tokių struktūrinių matmenų skaidulų gamyba gana paprasta.

   Fotoninės skaidulos dažniausiai gaminamos iš pirminio ruošinio - plonasienių SiO₂ vamzdelių rietuvės (2 pav.). Centrinė kiaurymė sudaroma iš rietuvės vidurio ištraukus kelis stiklinius "šiaudelius". Paprastai pirminis skaidulos ruošinys tvarkingai sudėliojamas iš kelių šimtų "šiaudelių", kurie įvelkami į cilindrinę movą.

   Bath (UK) BlazePhotonics Ltd., laboratorijoje iš tokių ruošinių skaidulos ištempiamos dviem pakopomis; antroje - su kita mova. Papildoma mova suformuoja standartinio išorinio skersmens skaidulą. Tempimo metu tikrinamas fotoninės gardelės žingsnis, nes jis turi atitikti sklindančios šviesos bangos ilgį. Paprastai ištempiamos kelių kilometrų ilgio skaidulos, tačiau nėra esminių kliūčių jas gerokai pailginti.

Optinės savybės

    Pagrindinės modos intensyvumo pasiskirstymas. Kaip ir tradicinių, kiaurymėtųjų silicio dioksido skaidulų pagrindinės modos šviesos intensyvumas pasiskirsto pagal Gauso dėsnį. Maža to, ši moda suderinama su lazeriniais šviesos šaltiniais ir puikiai tinka prie pakopinio lūžio rodiklio vienmodžių skaidulų. Galima jas sudurti taip, kad sandūros vietoje būtų prarandamas vos vienas sklindančios šviesos galios procentas. Pagrindinės modos ir apvalkalo ryšys silpnas. Minėtos laboratorijos darbuotojai nustatė, kad skaidula, kurios pagrindinė kiaurymė suformuota 7 elementariųjų narvelių sąskaita, sklinda 95 proc. viso intensyvumo šviesa. Skaitmeniniai skaičiavimai parodė, kad platesnėmis kiaurymėmis (19 kapiliarų skersmens) gali būti perduota iki 99,5 proc. spinduliuotės galios. Apvalkalo srityje pagrindinės modos intensyvumas mažėja labai staigiai - 10 dB vienam apvalkalo gardelės žingsniui, tad pagrindinės modos išlaikymo centrinėje kiaurymėje nuostoliai yra nedideli.

    Silpimas. Tradicinių skaidulų, veikiančių 1550 nm bangos ilgiu, nuostoliai šiuo metu siekia apie 0,2 dB/km, o 1060 nm - apie 1 dB/km. Mažiausi užfiksuoti fotoninės skaidulos nuostoliai siekė 0,5 dB/km, tiesa, jų pagrindinė kiaurymė nebuvo suformuota.

   Kadangi šviesos galios nuostoliai oro dujose yra gerokai mažesni nei kietame kūne (šiuo atveju - SiO₂), logiška tikėtis, kad tuščiavidurių skaidulų jie bus mažesni. Deja, pirmųjų tuščiavidurių fotoninių skaidulų nuostoliai buvo labai dideli - apie 20 dB/m, tačiau per pastaruosius trejus metus jie ryškiai sumažėjo ir dabar siekia 13 dB/km arba mažiau kaip 30 dB/km per visą 125 nm pločio bangų juostą, kurios centre - 1450 nm bangos ilgis.

   Būdinga tuščiavidurės skaidulos, sukurtos 1060 nm sričiai, dažninė silpimo priklausomybė pavaizduota 3 pav. Mažo silpimo srities plotis siekia maždaug 15 proc. pagrindinio bangos ilgio. Kita - didelio silpimo sritis - apima visų kitų optinių dažnių diapazoną. Tokių skaidulų lenkimo nuostoliai yra nereikšmingi. Kai skaidula keliose vietose sulenkiama iki milimetro kreivumo spindulio, jų net neįmanoma išmatuoti.

   Minėti rezultatai džiugina. Silpna oro poliarizacija (tuščiavidurės skaidulos dalyje) ir maža spinduliuotės sanklota su apvalkalo stiklu teikia vilčių, kad bangos silpimas bus mažesnis, nei šiuo metu stebima šiuolaikinėse skaidulose. Visgi esama esminių silpimo veiksnių, kurių įtaką gal ir galima sumažinti, bet visai jos išvengti neįmanoma. Dėl išilgai skaidulos pasitaikančių struktūrinių netobulumų ir paviršiaus netolygumų (jie gali būti net tarpatominio atstumo dydžio) gali atsirasti aukštesniųjų apvalkalo ir kiaurymės modų, didinančių galios nuostolius. Tačiau pagrindinis šviesos galios silpimo mechanizmas yra pagrindinės modos bei apvalkalo sankloda ir spinduliuotės sąveika su kiaurymės oru. Nedideli skaidulos netobulumai, jos struktūros pokyčiai gali turėti netikėtai didelės įtakos pagrindinės modos savybėms, tad labai svarbu tobulinti šių skaidulų gamybos technologiją.

    Dispersija. Pagrindinė kiaurymėtųjų skaidulų dispersija yra ne bangolaidinė, o grupinio greičio. Priminsime, kad tradicinių SiO₂ skaidulų savybių priklausomybę nuo bangos ilgio lemia medžiagos - silicio dioksido - dispersija. Ji yra lemiamas veiksnys, ribojantis kai kurių optinių skaidulų panaudojimą bei varžantis skaidulinės optikos vystymąsi. Kiaurymėtosioms skaiduloms medžiagos dispersija teoriškai įtakos neturi.

   3 pav. parodyta tuščiavidurės skaidulos dispersijos kreivė, kuri eina per nulį skaidulos skaidrumo lange, tad skaidulų projektuotojai reikiamam bangos ilgiui gali pasirinkti normaliąją, artimą nuliui arba anomaliąją (neigiamą) dispersiją. Nemažoje kiaurymės dalyje dispersija yra maža ir anomali, tad teoriškai įmanoma sukurti sąlygas tokia skaidula sklisti solitonui (negęstančiai bangai). Kadangi šviesa sklinda oru, o ne stiklu, solitono energija čia daug didesnė nei tradicinių skaidulų. Vadinasi, tuščiavidurės skaidulos gali idealiai perduoti 100 femtosekundžių eilės šviesos impulsus.

   Šiuo metu tuščiavidurės skaidulos jau parengtos keliauti iš gamybos barų į mokslinio tyrimo laboratorijas, kur bus įvertintos jų panaudojimo perspektyvos. Vienas panaudojimo pavyzdys yra 4 pav. Neseniai nustatyta, kad vandeniliu užpildyta tuščiavidurė skaidula gali veikti kaip priverstinės sukininės apgrąžinės Ramano sklaidos dujų kiuvetė, kai yra rekordiškai mažas kaupinimo intensyvumas.

   Kita pritaikymo sritis yra "egzotinių" IR bei UV diapazonų bangų perdavimas. Labai sunku rasti medžiagų, kurios šiems dažnių diapazonams pasižymėtų mažais nuostoliais. Kol kas dar neįrodyta, kad ultravioletinis (trumpųjų bangų) diapazonas būtų "įkandamas" tuščiavidurių skaidulų technologijai dėl labai smulkios jų struktūros, bet galimybė vidutiniajam IR diapazonui panaudoti minkštus stiklus ar polimerus vilioja.