PL - PTCer
Transkrypt
PL - PTCer
MatCer NAUKA, TECHNOLOGIA Dwójomne wiatowody fotoniczne o globalnej anizotropii paszcza fotonicznego IRENEUSZ KUJAWA1, RYSZARD BUCZYSKI2, DARIUSZ PYSZ1, RYSZARD STEPIE1, ANDRZEJ LECHNA1, JANUSZ DUSZKIEWICZ1, IRENA MICHALSKA1 1 2 Instytut Technologii Materiaów Elektronicznych, Warszawa Zakad Optyki Informacyjnej, Wydzia Fizyk, Uniwersytet Warszawski, Warszawa zaamania dla modów polaryzacyjnych HE11y i HE11x, co w efekcie utrudnia ich sprzganie. Wstp Dwójomno w wiatowodzie fotonicznym powstaje w wyniku anizotropii rozkadu wspóczynnika zaamania wiata i jest moliwa do uzyskania w wiatowodach o symetrii rzdu m = 2 [1÷5]. Dla rónicy efektywnych wspóczynników dwóch podstawowych i ortogonalnie spolaryzowanych modów (HE11y i HE11x) dwójomno mona zdefiniowa nastpujco: , (1) gdzie jest dugoci fali wiata, za x i y s staymi propagacji odpowiednich modów polaryzacyjnych; warto Lb nosi nazw fazowej drogi zdudnie wzdu osi Z wiatowodu odzwierciedlajcej modulacj stanów polaryzacji podczas propagacji wiata w strukturze wiatowodu co odpowiada drodze po przejciu której , fazy ortogonalnie spolaryzowanych modów róni si o /2. Rónica efektywnych wspóczynników zaamania neff dla osi szybkiej i wolnej dwuosiowego krysztau fotonicznego silnie zaley od dugoci wiata i jest nazywana dwójomnoci fazow. Dwójomno grupowa G jest definiowana natomiast jako [5]: , (2) Rodzaje wókien fotoniczych o symetrii dwuosiowej Zasadniczo naley wyróni trzy gówne podejcia, które pozwalaj na uzyskanie dwójomnoci w dwuwymiarowych krysztaach fotonicznych: a) wprowadzenie do struktury dwóch elementów generujcych naprenia (ang. SAPs - Stress Applying Parts), które umieszcza si na skrajnych stronach paszcza fotonicznego lub te jako naprzeciwlege inkluzje zastpujce dwa otwory w pierwszym piercieniu otaczajcym rdze wókna (rys. 1a) – analogia do wiatowodów PANDA[6÷8]. b) wprowadzenie lokalnej modyfikacji rozkadu wspóczynnika zaamania w okolicach rdzenia realizowane poprzez zastosowanie niejednorodnej wielkoci otworów lub te ich anizotropowego rozmieszczenia (rys. 1b) [2, 9÷12]. c) wprowadzenie globalnej anizotropii struktury fotonicznej, któr mona uzyska poprzez zastosowanie eliptycznych otworów, prostoktnej geometrii sieci lub te obu z wymienionych rozwiza (rys. 2) [5, 11÷16]. Metod pozwalajc wzmocni wasnoci polaryzacyjne przedstawionych struktur, jest wprowadzenie powietrznego defektu w fotonicznym rdzeniu wókna[15]. Rozwizanie takie nie tylko pozwala istotnie wzmocni dwójomno wiatowodu, co dla przypadku sieci heksagonalnej bardzo gdzie L reprezentuje dugo wiatowodu, a to odlego midzy pikami zmian polaryzacji o przesuniciu fazowym 2 dwóch spolaryzowanych modów. wiatowody o duej dwójomnoci mog zachowywa polaryzacj wiata. W skrócie nazywa si je wiatowodami PMF (ang. Polarisation Maintaining Fiber) [6] lub HB (ang. High Birefringence). Zjawisko utrzymywania stanu polaryzacji wynika Rys. 1. Schematy dwójomnych struktur fotonicznych o anizotropii lokalnej: a – anizotropia generowana z faktu duej rónicy efekelementami SAP’s; b – anizotropia generowana wielkoci i rozmieszczeniem elementów sieci tywnych wspóczynników MATERIA£Y CERAMICZNE 4/2007 • tom LIX 149 NAUKA, TECHNOLOGIA dobrze ilustruje rys. 3, ale wpywa take na jego wasnoci dyspersyjne oraz stwarza szanse na prowadzenie jednego modu, polaryzacyjnego. Z punktu widzenia stosowanej przez nasz zespó technologii uzyskanie mikrootworków w rdzeniu jest jak najbardziej moliwe (rys. 4). Zalety struktur fotonicznych posiadajcych anizotropi globaln Zastosowanie eliptycznych otworów wraz z prostoktn konfiguracj siatki wzmacnia wasnoci polaryzacyjne wiatowodu ze wzgldu na globalny charakter anizotropii Rys. 2. Schematy dwójomnych struktur fotonicznych o anistruktury wókna. Dziki temu moliwe jest uzyskanie duej zotropii globalnej wartoci dwójomnoci [16÷18]. Ponadto prostoktna siatka w poczeniu z prostoktnym przekrojem caego wiatowodu fotonicznego uatwia przestrzenn identyfikacj osi gównych wókna (rys. 5) oraz jego orientacj wzgldem mierzonych parametrów zewntrznych (np. siy nacisku osiowego lub/i siy zginajcej). Wyranie okrelone osie symetrii struktury, dua warto dwójomnoci oraz ksztat otworów i geometria sieci zwikszajce podatno wókna na deformacje, czyni takie rozwizanie szczególnie atrakcyjnym dla zastosowa czujnikowych (cinie i napre mechanicznych). Jednoczenie jednorodno materiaowa eliminuje w znacznym stopniu czuo na zmiany temperatury wystpujce w klasycznych wiatowodach Rys. 3. Zaleno wartoci dwójomnoci fazowej B od stosunku wielkoci rodkowego defektu dc do staej sieci D dla rónych dwójomnych PANDA i Bow-Tie (ze wzgldu na rónic dugoci fal. Parametry struktury PCF wynosz D = 2,3 m, d = wspóczynników rozszerzalnoci termicznej szkie, 0,8·D, = 2 [15] z jakich s wykonywane). (a) (b) Rys. 5. Struktura wiatowodu o prostoktnej siatce i przekroju uatwiajcym identyfikacj osi gównych Charakterystyka struktury prostoktnej o zblionych do elipsy otworach Rys. 4. Wókno typu Air Core Solid Clad – zblienie (a); subpreforma wókna dwójomnego z zaimplementowanym otworkiem eliptycznym w czci rdzeniowej (b) 150 MATERIA£Y CERAMICZNE 4/2007 • tom LIX Geometria struktury fotonicznej na siatce prostoktnej z otworami eliptycznymi o przyblieniu prostoktnym (rys. 6) jest w peni scharakteryzowana nastpujcymi parametrami: sta sieci /x, proporcj boków sieci wyraon wspóczynnikiem U = /y//x, eliptycznoci otworów K = b/a, gdzie a b reprezentuj odpowiednio o wielk i ma elipsy oraz wspóczynnikiem wypenienia f zdefiniowanym jako: NAUKA, TECHNOLOGIA , (3) gdzie A’ i A oznaczaj odpowiednio pole powierzchni otworu oraz pole powierzchni komórki podstawowej struktury. Manipulujc tymi parametrami mona precyzyjnie modyfikowa wasnoci propagacyjne wókna takie jak: modowo, droga zdudnie i wasnoci polaryzacyjne. SKAD TLENKOWY SZKA NC-21 [%wag]: SiO2 55,0 Al2O3 1,0 B2O3 26,0 PbO - Li2O 3,0 Na2O 9,5 K2O 5,5 As2O3 0,8 Transmisja spektralna wytypowanego szka zostaa zaprezentowana na rys.10. Przeprowadzono równie pomiary wartoci wspóczynników zaamania n szka NC-21A w funkcji dugoci fali wiata. Wyniki tych pomiarów przedstawiono na rys. 11. Okrgami oznaczono zmierzone wartoci wspóczynników zaamania otrzymane dla kilku dugoci fal wiata z zakresu widma widzialnego. Na podstawie uzyskanych wartoci pomiarowych wyznaczono nastpnie wspóczynniki Sellemeir’a. Wartoci te, po podstawieniu do wzoru Sellemeiera (4), pozwoliy na estymacj zalenoci wspóczynników zaamania wiata szka, take dla dugoci fal wiata z poza zakresu Rys. 6. Przyblienie prostoktne struktury o symetrii dwuosiowej z otworami eliptycznymi widma widzialnego (rys. 11). Optymalizacja struktury wókna fotonicznego – wyniki symulacji W celu przeledzenia moliwych do uzyskania wasnoci, w oparciu o wczeniejsze szacunkowe obliczenia, przeanalizowano szereg struktur o eliptycznoci K (0,33; 0,6). W wyniku, czego do dalszych prac wybrano struktur prostoktn o staej sieci /y = 1,02 i /x = 0,72 mikrometra oraz otworach prostoktnych o eliptycznoci K= 0,5 (rys. 7). Jak pokazano na rys.8 i 9, taka struktura pozwala uzyska wókno jednomodowe, wysoko dwójomne w zakresie dugoci fali = 0,70÷1,50 m. Dwójomno dochodzi do 10-2 dla = 1,50 Pm. Powyej = 1,50 m wókno staje si struktur polaryzacyjn, gdzie moe si propagowa tylko jedna skadowa polaryzacyjna modu podstawowego. Jednoczenie wybrane parametry geometryczne struktury fotonicznej projektowanego wókna zostay zoptymalizowane pod ktem ogranicze technologicznych zwizanych z moliwociami ksztatowania otworów o eliptycznoci b/a = 0,5. Rys. 7. Schemat wiatowodu fotonicznego z siatka prostoktn o staej sieci x = 0,72 m i U= 1,417 oraz otworach prostoktnych o eliptycznoci = 0,5 Zastosowane szko Realizacja zoptymalizowanego wókna przy zaoonej niskiej tumiennoci (do 6dB/ m) wymagaa zastosowania materiau wyjciowego o wysokiej transmisji spektralnej. Wytypowano szko borowo-krzemianowe NC-21 (nD = 1,533). Rys. 8. Efektywny wspóczynnik zaamania dla modów w wiatowodzie fotonicznym o parametrach: x = 0,72 m, U= 1,417 oraz = 0,5 MATERIA£Y CERAMICZNE 4/2007 • tom LIX 151 NAUKA, TECHNOLOGIA nia si otworów w trakcie przetwarzania cieplnego. Proces ten mona kontrolowa poprzez dobór parametrów geometrycznych oraz warunków prowadzenia procesu skalowania preformy i subpreformy, ale w sposób ograniczony. Wybór symetrii m = 2 pozwala na atwiejsz kontrol eliptycznoci otworów anieli miaoby to miejsce w przypadku struktur heksagonalnych [13÷15]. Wystpujcy efekt, uwidocznia si szczególnie wyranie dla struktur o duym wspóczynniku wypenienia f = A’/A. Otwory stanowice element struktury krysztau fotonicznego przyjmuj samorzutnie dla Rys. 9. Dwójomno fazowa B wiatowodu fotonicznego o parametrach jak na sieci prostoktnej w przyblieniu ksztat rys. 7 prostoktny lub eliptyczny. Przeprowadzono próby wykonania subpreform na wókno o zoptymalizowanych wymiarach t.j. x = 0,72 m i y = 1,02 m oraz otworach prostoktnych o eliptycznoci b/a = 0,5 metod kalibracji i wielokrotnych pocienie. Wykonane preformy zaprezentowano na rys. 12. Jak wida na zaprezentowanych zdjciach, struktury preform cho z grubsza zachowuj dwuosiowo, nie s wolne od powaniejszych przypadkowych deformacji. Zalenie od parametrów procesu uzyskano prostoktne i eliptyczne otwory oraz prostoktny rdze. W dalszym etapie podjto próby wykonania wókna. W trakcie procesu przetwarzania stwierdzono wystpowanie przypadkowych deformacji. Nie uzyskano odwzorowania geometrii. Struktury utraciy eliptyczno otworów, a rdze uzyska rozmiary niepozwalajce na „wstrzelenie si” w niego wiatem. Uniemoliwio to przeRys. 10. Transmisja spektralna szka NC-21A prowadzenie pomiaru dwójomnoci grupowej. Uzyskane struktury wókien przedstawiono na rys. 13. Po zmodyfikowaniu i optymalizacji procesów przetwórczych uzyskano popraw geometrii struktur. Wyniki zaprezentowano na przykadzie wókna, dla którego wystpio prowadzenie wiata w prostoktnym rdzeniu (rys. 14 i 15). Jak mona zauway, wykonana struktura jest daleka od doskonaoci. Elementy paszcza fotonicznego s zdeformowane i poprzesuwane wzgldem siebie. Ponadto struktura nie spenia zaoonych parametrów geometrycznych: b/a Rys. 11. Zaleno wspóczynnika zaamania wiata n od dugoci fali wiata Odla szka NC-21A , (4) Wyniki prac technologicznych W wyniku przeprowadzonych bada stwierdzono, e dobór geometrii struktury sieci wpywa na sposób formowa- 152 MATERIA£Y CERAMICZNE 4/2007 • tom LIX Rys. 12. Wykonane preformy na wókno dwójomne o prostoktnych lub eliptycznych otworach i prostoktnej siatce NAUKA, TECHNOLOGIA (a) (b) Rys. 13. Wytworzone wókna o symetrii dwuosiowej m = 2 0,5; x 0,72 m i y 1,02 m, a rozmiary elementów sieci s blisko 2x wiksze ni zaoone. Pomiary dwójomnoci Po wykonaniu wókna przeprowadzono pomiary dwójomnoci grupowej w ukadzie z wóknem nieliniowym generujcym superkontinuum. Pomiary przeprowadzono dla dwóch przypadków pompowania wókna. Szczegóowy opis stanowiska i metody pomiarowej przedstawiono w jednej z publikacji autora [19]. Uzyskane wyniki przedstawiono na rys. 16 i 17. Dwójomno grupowa dla fali o = 0,725 m dla przetestowanego wókna osigna warto G = 0,84·10-4 w przypadku pompowania róda superkontinuum wiatem o dugoci 800 nm i G = 0,82·10-4 w przypadku pompowania róda superkontinuum wiatem o dugoci 740 nm. Na podstawie zdj z mikroskopu SEM policzono metod baz biortonormalnych [20] dwójomno fazow i grupow uzyskanej struktury. Wyniki symulacji pokazano na rys. 18. Wyliczona warto dwójomnoci grupowej dla = 0,725 m wyniosa G = 1,28·10-4, co mniej wicej zgadza si z uzyskan w pomiarach wartoci G = 0,82·10-4. Na podstawie tych samych zdj obliczenia powtórzono dla 2x mniejszej struktury. Wyniki symulacji pokazano na rys. 19. Dziki przeprowadzonym symulacjom mona stwierdzi, e dla elementów sieci zblionych do optimum tj. 2x mniejszych ni wykonane, dla fali o = 1,55 m dwójomno fazowa i grupowa osignie poziom rzdu 2·10-3, czyli poziom ekstremalnie duy. Jednak wci o rzd wielkoci mniejszy ni w przypadku optymalnej struktury, ze wzgldu na rónice w wielkociach x i y (rys. 7 i 9). Podsumowanie wiatowody fotoniczne o globalnej anizotropii mog wykazywa ekstremalnie wysok dwójomno rzdu 10-3÷10-2. W ramach podjtych prac znaleziono optymaln dwuosiow struktur o parametrach x=0,72 m, y=1,02 m oraz = Rys. 14. Widok wókna dwójomnego: (a) widok ogólny; (b) zblienie na struktur fotoniczn (a) (b) Rys.15. Zblienia: (a) eliptycznych otworów paszcza fotonicznego; (b) bliskiego pola czoa wiatowodu – prowadzenie wiata w prostoktnym rdzeniu 0,5 (a = 0,6 m; b = 0,3 m). Zaprezentowano pierwsze rezultaty próby wytworzenia zaprojektowanej struktury, dla której uzyskano parametry: x = 2,9 m, y = 4,8 m oraz = 0,4 (a = 0,91 m; b = 0,37 m). Dla wytworzonych wókien zmierzona dwójomno grupowa wyniosa 0,82·10-4 dla = 0,725 m. Przeprowadzone pomiary i symulacje wskazuj, e dla = 1,55 m dla wiatowodu o uzyskanych proporcjach struktury, moliwe jest osignicie zarówno dwójomnoci fazowej i grupowej przynajmniej rzdu 10-4. Zmniejszenie rozmiarów struktury powoduje zwikszenie dwójomnoci. Przy optymalnych parametrach osignita dwójomno byaby rzdu 10-2. MATERIA£Y CERAMICZNE 4/2007 • tom LIX 153 NAUKA, TECHNOLOGIA (a) (a) (b) (b) Rys. 16. Wyniki pomiaru dwójomnoci grupowej uzyskane z zastosowaniem róda superkontinuum pompowanego wiatem 800 nm pulsacyjnego lasera femtosekundowego: (a) uzyskany interferogram dla próbki wiatowodu o dugoci 325 mm; (b) obliczona w oparciu o interferogram dwójomno grupowa wiatowodu (a) Rys. 18. Wyniki oblicze zrealizowanych na podstawie zdj SEM dla uzyskanej struktury wókna o dwuosiowej symetrii i eliptycznych otworach: (a) dwójomno fazowa B; (b) dwójomno grupowa G (a) (b) (b) Rys. 17. Wyniki pomiaru dwójomnoci grupowej uzyskane z zastosowaniem róda superkontinuum pompowanego wiatem 740 nm pulsacyjnego lasera femtosekundowego: (a) uzyskany interferogram dla próbki wiatowodu o dugoci 325 mm; (b) obliczona w oparciu o interferogram dwójomno grupowa wiatowodu Prac wykonano w ramach grantu badawczego KBN 3 T11B 053 28 oraz Sieci Doskonaoci NEMO Network of Excellence in Micro Optics w 6 PR UE oraz prac statutowych ITME na rok 2006. Praca zawiera wyniki uzyskane z wykorzystaniem zasobów komputerowych Interdyscyplinarnego Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego (ICM) Uniwersytetu Warszawskiego. 154 MATERIA£Y CERAMICZNE 4/2007 • tom LIX Rys.19. Wyniki oblicze zrealizowanych na podstawie zdj SEM dla dwukrotnie mniejszej ni uzyskana struktura wókna o dwuosiowej symetrii i eliptycznych otworach: (a) dwójomno fazowa B; (b) dwójomno grupowa G NAUKA, TECHNOLOGIA Literatura [1] Steel M. J., White T. P., Martijn de Sterke C., McPhedran R. C., Botten L. C., Symmetry and degeneracy in mictrosructured optical fibers, Opt. Lett. 26, 488-490, 2001. [2] Ortigosa-Blanch A., Knight J., Wadsworth W., Arriaga J., Mangan B., Birks T., Russell P., Highly birefringent photonic crystal fiber, Opt. Lett., 25, 1325-1327, 2000. [3] Hansen T. P., Broeng J., Libori S. E. B., Knudsen E., Bjarklev A., Jensen J. R., Simonsen H., Highly birefringent index-guiding photonic crystal fiber, IEEE Phot. Techn. Lett. 13(6), 588-590, 2001. [4] Saitoh K., Koshiba M., Photonic bandgap fibers with high birefringence, IEEE Phot. Techn. Lett. 14(9), 1291-1293, 2002. [5] Tonello A., Pitois S., Wabnitz S., Millot G., Martynkien T., Urbaczyk W., Wójcik J., Locatelli A., Conforti M., De Angelis C., Frequency tunable polarization and intermodal modulation instability in high birefringence hole fiber, Opt. Express 14, No 1, 397- 404, 2006. [6] Folkenberg J. R., Nielsen M. D., Mortensen N. A., Jakobsen C., Simonsen H. R., Polarization maintaining large mode area photonic crystal fiber, Opt. Express 12, 956-960, 2004. [7] Zhu Z., Brown T.G., Stress-induced birefringence in microstructured optical fibers, Opt. Lett. 28, 2306- 2308, 2003. [8] Schreiber T., Schultz H., Schmidt O., Röser F., Limpert J., Tünnermann A., Stress induced birefringence in large-mode-area micro-structured optical fibers, Opt. Express 13, 3637-3646, 2005. [9] Suzuki K., Kubota H., Kawanishi S., Tanaka M., Fujita M., Optical properties of a low-loss polarization-maintaining photonic crystal fiber, Opt. Express, 9, 676-680, 2001. [10] Yamamoto T., Kubota H., Kawanishi S., Tanaka M., Yamaguchi S., Supercontinuum generation at 1.55 m in a dispersionflattened polarization-maintaining photonic crystal fiber, Opt. Express, 11, 1537-1540, 2003. [11] Mogilevtsev D., Broeng J., Barkou S., Bjarklev A., Design of polarization-preserving photonic crystal fibers with elliptical core, J. Opt. A – Pure Appl. Opt., 3, 6, 141-143, 2001. [12] Kotyski R., Panajotov K., Antkowiak M., Nasiowski T., Lesiak P., Wójcik J., Thienpont H., Interplay of form and material birefringence in photonic crystal fibers: application for sensing, Proc. ICTON 2004, 95-98, Warsaw, Poland, 2004. [13] Steel M., Osgood R., Elliptical-hole photonic crystal fibers, Opt. Lett., 26, 4, 229-231, 2001. [14] Steel M., Osgood R., Polarization and dispersive properties of elliptical-hole photonic crystal fibers, J. Lightwave Technol., 19, 495-503, 2001. [15] Kujawa I., Buczyski R., Pysz D., Stepie R., Highly birefringent photonic crystal fiber with shaped air holes, Proc. of X Scientific Conf. Optical Fibers and Their Applications TAL 2006, 164-170, Krasnobród, Polska, 2006. [16] Zhi W., Goubin R., Shuqin L., Shuisheng J., Dependence of mode characteristics on the central defect in elliptical hole photonic crystal fibers, Opt. Express, 11, 1966-1979, 2003. [17] Ming-Yang Chen, Rong-Jin Yu, An-Ping Zhao, Highly birefringent rectangular lattice photonic crystal fibres, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 6 997-1000, 2004. [18] Ming-Yang Chen, Rong-Jin Yu, Polarization properties of elliptical-hole rectangular lattice photonic crystal fibres, J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 6, 512-515, 2004. [19] Kujawa I., Buczyski R., Pysz D., Martynkien T., Nasiowski T., Thienpont H., Stpie R., Silicate photonic crystal fibers with rectangular lattice and elliptical holes, SPIE International Conferences: Optics and Optoelectronics PRAGA 2007, Proc. SPIE vol. 6588, 65880J, 2007. [20] Szarniak P., Saj W., Buczynski R., Pysz D., Stepien R., Szoplik T., Modelling of highly birefringent photonic fiber with rectangular air holes in square lattice, Proc. ICTON 2003, 216-219, Warsaw, Poland, 2003. i Warunki prenumeraty na 2008 r. Zamówienia na prenumerat czasopisma mona przesya poczt elektroniczn na adres: [email protected] lub faxem na numer (012) 633 46 30. Materiay Ceramiczne – kwartalnik Cena 1 egz. 20 z brutto Prenumerata roczna 80 z brutto Wpaty na prenumerat mona dokonywa na adres: Polskie Towarzystwo Ceramiczne, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków Konto: PKO BP SA I O/Kraków 31 1020 2892 0000 5402 0016 0333 z dopiskiem „Materiay Ceramiczne”, podajc liczb zamawianych egzemplarzy, okres prenumeraty oraz wasny adres. Adres do korespondencji: Polskie Towarzystwo Ceramiczne al. Mickiewicza 30, A-3, 30-059 Kraków Cennik reklam – rocznik 2008 IV okadka zewntrzna 1800 z II i III okadka wewntrzna 1600 z 1/1 strona 1200 z 1/2 strony 800 z 1/4 strony 600 z Artyku sponsorowany 1500 z Wywiad sponsorowany 1500 z Rabaty: • 50% rabatu na reklam przy zamówieniu artykuu sponsorowanego. • 30% rabatu przy emisji reklamy w 4 kolejnych numerach. • 15% rabatu przy emisji reklamy w 2 kolejnych numerach. W przypadku reklamy prenumerata na rok 2007 bezpatnie! Dodatkowe informacje mona uzyska pod adresem e-mail: [email protected] lub telefonicznie dzwonic na numer 608 024 572 – ♦– Redakcja nie bierze odpowiedzialnoci za tre publikowanych ogosze MATERIA£Y CERAMICZNE 4/2007 • tom LIX 155