1

Итретье направление охватывает изучение химических превращений,

инициируемых светом в термодинамически устойчивых наноразмерных частицах.

Оптические волокна с фотонно-кристаллической структурой

Создание фотонных кристаллов и так называемых фотонно-кристаллических или

«дырчатых» волоконных световодов на их основе является одним из наиболее значительных достижений оптических технологий последних лет.

С общей точки зрения фотонный кристалл является сверхрешеткой — средой, в

которой искусственно создано дополнительное поле с периодом, на порядки превышающим период основной решетки. Для фотонов такое поле получают периодическим изменением коэффициента преломления среды — в одном, двух или трех измерениях. Если период оптической сверхрешетки сравним с длиной электромагнитной волны, то поведение фотонов кардинально отличается от их поведения в решетке обычного кристалла, узлы которого находятся друг от друга на расстоянии, много меньшем длины волны света. Поэтому такие решетки и получили особое название — фотонные кристаллы.

Типы фотонно-кристаллических волокон

Фотонно-кристаллические волокна (ФКВ) — это волокна, оболочка которых представляет двумерный фотонный кристалл. То есть волокно в поперечном сечении обладает периодической структурой, состоящей из плотной сердцевины, окруженной множеством периодически расположенных микроскопических каналов (капилляров) (рис. 1). Эти каналы, расположенные по всей длине волокна, локально уменьшают показатель преломления вокруг сердцевины и таким образом эффективно заменяют оболочку нормального волокна. Также как и в объемных фотонных кристаллах с трехмерной периодической структурой, период и характерный размер элементов

структуры волокна должны быть близки или даже намного меньше длин волн видимого и инфракрасного излучения. Поэтому часто ко всему классу таких волокон используют термин «микроструктурированные волокна», а для их изготовления используют современные микро- и нанотехнологии.

По физическому механизму удержания света в сердцевине оптические волокна

обеспечиваются одновременно двумя эффектами: полного внутреннего отражения, как в обычных световодах, и зонными свойствами фотонного кристалла.

Рис. 1. Поперечное сечение фотонно-кристаллических волокон.

а) поперечное сечение ФКВ со сплошной световедущей жилой в центре;

б) поперечное сечение ФКВ с полой световедущей жилой.

Второй класс образуют волокна с фотонной запрещенной зоной в заданном диапазоне длин волн оптического излучения. В этом случае свет может распространяться по сердцевине волокна с показателем преломления меньшим, чем средний показатель преломления оболочки. Таким образом, возможно распространение света даже в полой сердцевине (рис. 1 б), что позволяет на несколько порядков увеличить мощность вводимого в них излучения и уменьшить потери и нелинейные эффекты.

Рис. .2. Структура ФКВ с сильной нелинейностью. Такие волокна характеризуются большим размером отверстий, тонкими кварцевыми перегородками и малым диаметром сердцевины.

Среди ФКВ можно выделить отдельный класс волокон, обладающих высокой нелинейностью. Если увеличивать размер воздушных трубок, то контраст показателей преломления сердцевины и оболочки быстро возрастает. Это позволяет уменьшать размер сердцевины (рис. .2), тем самым, увеличивая концентрацию мощности светового излучения и, следовательно, нелинейные свойства волокна.

Рис. 3. Принципиальная схема установки для вытяжки волокна.

Технология изготовления оптических волокон с фотонно-кристаллической структурой

Фотонно-кристаллическое волокно вытягивается из специальной заготовки,

которая может быть сделана путем совмещения чистых кварцевых капиллярных трубок с цельным кварцевым стержнем, расположенным вдоль оси заготовки, что позволяет сформировать сердцевину канального волокна. Поперечное сечение такой заготовки представляет увеличенную в сотни раз модель фотонно-кристаллического волокна. Для формирования цельной заготовки центрированный набор кварцевых капиллярных трубок и стержней нагревают в специальном тигле до 2000 °С — температуры, когда кварцевое стекло становится мягким. Все элементы сплавляются вместе и вытягиваются через отверстие в дне тигля, формируя заготовку в виде стержня диаметром около 1 мм с воздушными капиллярами диаметром менее 0,05мм. Затем эта готовая стержневая заготовка вытягивается в волокно. Это происходит в специальной вытяжной башне

(рис. 3).

подачиавтоматически контролируются с помощью компьютера.

Формирование фотонной запрещенной зоны с помощью субмикронных брэгговских

решеток

С практической точки зрения наибольший интерес представляет использование распределенных брэгговских отражателей (РБО) для формирования одномерных ФЗЗ-

структур в волоконных и канальных световодах. РБО являются одномерными

периодическими оптическими структурами и используются в качестве многослойных

зеркал, компрессоров оптических импульсов, узкополосных фильтров, оптических ограничителей и переключателей, логических элементов, компактных преобразователей частоты и компенсаторов хроматической дисперсии в системах дальней волоконно-

оптической связи.

57 Методы формирования индуцированных доменов и периодических доменных

структур в сегнетоэлектриках

Как известно, образование 180°-ных доменов в оксидных сегнетоэлектриках связано с нецентросимметричным расположением ионов металлов (например, Liи Nb для ниобата лития) относительно подрешетки анионов кислорода, причем направление смещения катионов определяет направление вектора поляризации в домене. Таким образом, переполяризация возникает при смещении ионов из одного нецентросимметричного положения вдоль оси спонтанной поляризации в другое нецентросимметричное положение. Поэтому все известные к настоящему времени методы по процессу переполяризации можно разделить на две группы: использующие внешние электрические поля и использующие градиенты внутренних электрических полей.

Образование сегнетоэлектрических доменов в электрических полях

Методика формирования ПДС с использованием внешнего электрического поля состоит в предварительном нанесении системы полосовых электродов на поверхности тонких образцов (толщиной < 1 мм), перпендикулярных осям поляризации. Тогда при приложении к электродам электрического поля, обратного по знаку полю поляризации и превышающего его по величине, возникаета структура инвертированных доменов,

глубина которых пропорциональна времени воздействия и напряженности приложенного поля. Грани доменов параллельны оси поляризации. Подобным образом ПДС были получены в кристаллах ниобата и танталата лития, титаната бария.

Образование ПДС во внутренних полях

Первые регулярные доменные структуры были получены в процессе обычных технологических операций по созданию монодоменных образцов: непосредственно в

процессе выращивания по методу Чохральского или термической послеростовой обработки. В первом методе доменная структура формируетсяпри охлаждении до температуры Кюри расплава, содержащего пространственные градиентные концентрации примесных ионов (например, иттрия), причем период структуры определяется градиентным распределением примеси. Во втором методе для создания области с инвертированной поляризацией одновременно с нагревом осуществляется диффузия ионов титана или протонов в кристалл или, наоборот, диффузия ионов кислорода или ионов, образующих решетку, из кристалла.

В какой-то мере близким к рассмотренному выше является способ создания ПДС с помощью сканирования поверхности сегнетоэлектрика узким электронным пучком.

Общим для этих методов является возникновение большого количества свободных электронов, которые формируют область пространственного заряда. Образующееся при этом электрическое поле, направленное навстречу полю спонтанной поляризации,

ответственно за инверсию поляризации, особенно при высоких температурах.