Photonic crystal fiber, PCF (od ang . dosłownie "światłowód z kryształu fotonicznego") – rodzina jedno- lub dwuwymiarowych dielektrycznych lub metalo-dielektrycznych struktur periodycznych.

Rozchodzenie się światła w takich strukturach zależne jest od ich geometrii i parametrów takich jak stała sieci, wielkość elementów sieci oraz kontrast między matrycą, a elementami sieci. Otrzymujemy w ten sposób cały wachlarz potencjalnych możliwości projektowania i zastosowania jedno- i dwuwymiarowych kryształów fotonicznych - tzn. światłowodów braggowskich i światłowodów fotonicznych. Światłowody bragowskie to dielektryczne jednowymiarowe struktury warstwowe o geometrii kołowej o grubości pojedynczej warstwy rzędu 1/4 długości światła.

Zależnie od wartości współczynników załamania światła dla dielektryka płaszczowego i rdzeniowego są możliwe dwa mechanizmy propagacji światła:

• gdy inkluzje tworzące sieć periodyczną mają współczynnik mniejszy niż szkło matrycy włókna możliwe jest pojawianie się efektu całkowitego wewnętrznego odbicia oraz prowadzenie światła w przerwie fotonicznej,
• gdy inkluzje mają współczynnik większy niż szkło matrycy włókna propagacja jest możliwa tylko w przerwie fotonicznej.

Propagacja światła w defekcie w oparciu o TIR (ang. Total Internal Reflection) w światłowodach fotonicznych wynika z różnicy między wartością współczynnika załamania defektu - rdzenia, a mniejszą od niego wartością efektywnego współczynnika załamania płaszcza fotonicznego. Jednak istnienie sieci periodycznej powoduje modyfikację klasycznego zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia. Dochodzi tu do przepuszczania przez płaszcz fotoniczny wysokich modów , które wyciekają – w rezultacie w rdzeniu prowadzone są tylko niższe mody, a zwłaszcza mod podstawowy o najmniejszej średnicy.

Przerwa fotoniczna PBG (ang. Photonic Bandgap) jest optycznym odpowiednikiem występujących w półprzewodnikach pasm wzbronionych . Pojawianie się pasm spowodowane jest występowaniem dyfrakcji Bragga na periodycznej strukturze dielektrycznej o stałej sieci zbliżonej do długości światła. Przerwa fotoniczna określa zakres długości fali, dla których światło nie może się rozchodzić – dla tego zakresu struktura jest idealnym zwierciadłem . Efekt ten wykorzystuje się w światłowodach fotonicznych poprzez wykonywanie struktur zarówno szklano - powietrznych jak i dwuszklanych z centrycznym obszarem zaburzającym periodyczność sieci. Zabieg ten prowadzi do lokalizacji światła odbitego od periodycznej struktury w defekcie ^[1].

Kryształy fotoniczne implementowane w światłowodach mogą pełnić szereg funkcji związanych z kształtowaniem i kierowaniem fal elektromagnetycznych . Przy projektowaniu kryształów można modyfikować kształt sieci krystalicznej oraz jej stałą, elastycznie dobierać materiały oraz ich stosunek ilościowy, a w efekcie współczynniki załamania obu materiałów, a także wprowadzać intencjonalne defekty struktury. Daje to duże możliwości dostosowania dwuwymiarowych kryształu do aktualnych potrzeb oraz dużą swobodę projektowania. Wykonuje się światłowody PCF jednomodowe w całym zakresie spektralnym, dwójłomne, nieliniowe o ultramałych rdzeniach do generacji superkontinuum, o kontrolowanej dyspersji modowej i chromatycznej, tj. światłowody LMA (ang. Large Mode Area) itp.

Przypisy

Literatura

• J. C. Knight Photonic crystal fibres Nature 424, 847-851 (2003)
• D. Pysz, R. Stępień, K. Jędrzejewski, I. Kujawa Włókna fotoniczne ze szkieł wieloskładnikowych, Materiały Elektroniczne T.30, Nr 3, 39-50 (2002)
• D. Pysz, I. Kujawa, R. Stępień, R. Dominiak, J. Pniewski, T. Szoplik Dwuwymiarowy szklano-metalowy kryształ fotoniczny, Proc. of X Scientific Conf. Optical Fibers and Their Applications TAL 2006, 208-215 (2006)
• F. Luan, A. K. George, T. D. Hendley, G. J. Pearce, D. M. Bird, J. C. Knight, P. St. J. Russell All-solid photonic band gap fiber, Opt. Lett. 29, 2369-2371 (2004)
• P. St. J. Russell, "Photonic crystal fibers", J. Lightwave. Technol., 24 (12), 4729-4749 (2006)
• J. Rüshede, J. Lægsgaard, J Broeng, A. Bjarklev All-silica photonic bandgap fibre with zero dispersion and a large mode area at 730 nm, J. Opt. A 6, 667-670 (2004)
• A. Ortigosa-Blanch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, J. Arriaga, B. J. Mangan, T. A. Birks, P. St. J. Russell Highly birefringent photonic crystal fiber, Opt. Lett. 25(18), 1325-1327 (2000)
• M. Szpulak, T. Martynkien, W. Urbanczyk Sensing capabilities of Birefringent holey fibers, Proc. ICTON 2004, 91-94, Wrocław, Poland (2004)
• R. Buczyński, P. Szarniak, P. Pysz, I. Kujawa, R. Stępień, T. Szoplik Properties of a double-core photonic crystal fibre with a square lattice, Proc. SPIE Vol. 5576, 85-91, (2004)
• P. Yeh, A. Yariv, and E. Marom Theory of Bragg fiber J. Opt. Soc. Am. 68, 1196–1201 (1978)
• J. M. Dudley, G. Genty, S. Coen, Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fiber, Reviews of Modern Physics 78, 1135 (2006)
• M. A. van Eijkelenborg, M. Large, A. Argyros, J. Zagari, S. Manos, N. A. Issa, I. Bassett, S. Fleming, R. C. McPhedran, M. de Sterke, N. Nicorovici, Microstructured polymer optical fibre, Optics Express Vol. 9, No. 7, 319-327 (2001)
• I. Kujawa, P.Szarniak , R.Buczyński, D.Pysz , R.Stępień Development of all-solid photonic crystal fibers SPIE International Congress: Photonics Europe 2006, Strasbourg, Proc. SPIE vol.6182, 61822Q1-61822Q8 (2006)