stringtranslate.com

Оптическое волокно субволнового диаметра

Волокно диаметром менее длины волны обволакивает светом человеческий волос.

Оптическое волокно с диаметром субволны ( SDF или SDOF ) — это оптическое волокно , диаметр которого меньше длины волны света, распространяющегося через него. SDF обычно состоит из длинных толстых частей (таких же, как и обычные оптические волокна) на обоих концах, переходных областей (сужений), где диаметр волокна постепенно уменьшается до значения субволны, и перетяжки с диаметром субволны, которая является основной действующей частью. Из-за такого сильного геометрического ограничения направленное электромагнитное поле в SDF ограничено одной модой , называемой фундаментальной . В обычных оптических волокнах свет как возбуждает, так и ощущает сдвиговые и продольные объемные упругие волны, вызывая рассеяние Бриллюэна с направленной вперед акустической волной и обратное стимулированное рассеяние Бриллюэна. В оптическом волокне с диаметром субволны ситуация кардинально меняется. [1]

Имя

Не существует единого мнения о том, как следует называть эти оптические элементы; разные группы предпочитают подчеркивать разные свойства таких волокон, иногда даже используя разные термины. Используемые названия включают в себя: волновод субволновой длины, [2] оптический провод субволновой длины, [3] кварцевый провод субволновой длины , [4] конус волокна субволновой длины, [5] [6] ( фотонный ) проволочный волновод , [7] [8] фотонный провод, [9] [10] [11] фотонная нанопроволока , [12] [13] [14] оптические нанопроволоки, [15] оптоволоконные нанопроволоки, [16] конусное (оптическое) волокно, [17] [18] [19] [20] конус волокна, [21] кварцевое волокно субмикронного диаметра, [22] [23] сверхтонкие оптические волокна, [24] оптическое нановолокно , [25] [26] оптические микроволокна , [27] субмикронные волоконные волноводы, [28] микро/нанооптические провода (MNOW).

Термин волновод может применяться не только к волокнам, но и к другим волноводным структурам, таким как кремниевые фотонные субволновые волноводы. [29] Термин субмикронный часто является синонимом субволновой длины , поскольку большинство экспериментов проводится с использованием света с длиной волны от 0,5 до 1,6 мкм. [12] Все названия с префиксом нано- несколько вводят в заблуждение, поскольку он обычно применяется к объектам с размерами в масштабе нанометров (например, наночастица , нанотехнология ). Характерное поведение SDF проявляется, когда диаметр волокна составляет около половины длины волны света. Вот почему термин субволновая длина является наиболее подходящим для этих объектов. [ оригинальное исследование? ]

Производство

SDF обычно создается путем сужения коммерческого, обычно ступенчатого показателя преломления , оптического волокна. Специальные тянущие машины выполняют этот процесс.

Оптическое волокно обычно состоит из сердцевины, оболочки и защитного покрытия. Перед тем, как вытянуть волокно, его покрытие удаляется (т. е. волокно зачищается ) . Концы голого волокна закрепляются на подвижных «трансляционных» этапах на машине. Затем середина волокна (между этапами) нагревается пламенем (например, горящего кислородно-водородного пламени ) или лазерным лучом ; в то же время трансляционные этапы движутся в противоположных направлениях. Стекло плавится, и волокно удлиняется, а его диаметр уменьшается. [30]

Используя описанный метод, получаются перетяжки длиной от 1 до 10 мм и диаметром до 100 нм. Чтобы минимизировать потери света на несвязанные моды , необходимо контролировать процесс вытягивания так, чтобы углы сужения удовлетворяли адиабатическому условию [31], не превышая определенного значения, обычно порядка нескольких миллирадиан . Для этой цели лазерный луч соединяется с вытягиваемым волокном, а выходной свет контролируется оптическим измерителем мощности на протяжении всего процесса. Высококачественный SDF будет пропускать более 95% связанного света, [30] большинство потерь происходит из-за рассеяния на поверхностных дефектах или примесях в области перетяжки.

Если сужающееся волокно равномерно протягивается над неподвижным источником нагрева, то полученный SDF имеет экспоненциальный профиль радиуса. [32] Во многих случаях удобно иметь цилиндрическую область талии, то есть талию постоянной толщины. Изготовление такого волокна требует постоянной регулировки горячей зоны путем перемещения источника нагрева, [30] и процесс изготовления становится значительно длиннее.

Умение обращаться

Будучи чрезвычайно тонким, SDF также чрезвычайно хрупким. Поэтому SDF обычно монтируется на специальную рамку сразу после вытягивания и никогда не отсоединяется от этой рамки. Обычный способ крепления волокна к рамке — полимерный клей, такой как эпоксидная смола или оптический клей .

Однако пыль может прилипать к поверхности SDF. Если в волокно подается значительная мощность лазера, частицы пыли будут рассеивать свет в затухающем поле , нагреваться и могут термически разрушить перетяжку. Чтобы предотвратить это, SDF вытягиваются и используются в средах без пыли, таких как флоубоксы или вакуумные камеры . Для некоторых применений полезно погрузить свежесрезанный SDF в очищенную воду и таким образом защитить перетяжку от загрязнения.

Приложения

Приложения включают датчики, [33] нелинейную оптику, волоконные соединители, захват и направление атомов, [26] [34] [35] [36] квантовый интерфейс для обработки квантовой информации, [37] [38] полностью оптические переключатели, [39] оптическое манипулирование диэлектрическими частицами. [40] [41]

Оптические волокна субволнового диаметра имеют различные применения из-за особых условий ограничения света в наномасштабных размерах. Некоторые из основных применений:

Ощущение

SDF повышают чувствительность к факторам окружающей среды, таким как температура и влажность .

Нелинейная оптика

Они играют важную роль в генерации гармоник второго порядка и в процессах полностью оптического переключения, важных в фотонике и квантовой связи.

Атомная ловушка и квантовый интерфейс

Эти волокна делают возможным манипулирование атомами и фотонами ; поэтому они крайне важны для квантовой обработки информации.

Оптическая Манипуляция

SDF используются для перемещения наночастиц в оптических пинцетах , полезных в нанотехнологиях .

Их широкое применение делает их основополагающими в передовой оптике и квантовых технологиях.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Beugnot, Jean-Charles; Lebrun, Sylvie; Pauliat, Gilles; Maillotte, Hervé; Laude, Vincent; Sylvestre, Thibaut (2014-10-24). "Бриллюэновское рассеяние света на поверхностных акустических волнах в оптическом волокне субволнового диаметра". Nature Communications . 5 (1): 5242. doi :10.1038/ncomms6242. ISSN  2041-1723. PMC  4220458 . В данной статье использован текст из этого источника, доступный по лицензии CC BY 4.0.
  2. ^ Фостер, MA; Гаэта, AL (2004). «Генерация суперконтинуума со сверхнизким порогом в волноводах субволновой длины». Optics Express . 12 (14): 3137–3143. Bibcode : 2004OExpr..12.3137F. doi : 10.1364/OPEX.12.003137 . PMID  19483834. Значок открытого доступа
  3. ^ Юнг, И.; Брамбилла, Г.; Ричардсон, DJ (2008). «Широкополосная одномодовая работа стандартных оптических волокон с использованием субволнового оптического проволочного фильтра» (PDF) . Optics Express . 16 (19): 14661–14667. Bibcode :2008OExpr..1614661J. doi :10.1364/OE.16.014661. PMID  18795003. Значок открытого доступа
  4. ^ Tong, L.; Gattass, RR; Ashcom, JB; He, S.; Lou, J.; Shen, M.; Maxwell, I.; Mazur, E. (2003). «Силиконовые провода субволнового диаметра для оптического волновода с низкими потерями» (PDF) . Nature . 426 (6968): 816–819. Bibcode :2003Natur.426..816T. doi :10.1038/nature02193. PMID  14685232. S2CID  15048914.
  5. ^ Mägi, EC; Fu, LB; Nguyen, HC; Lamont, MR; Yeom, DI; Eggleton, BJ (2007). «Повышенная нелинейность Керра в конусах волокон As2Se3 халькогенида субволнового диаметра». Optics Express . 15 (16): 10324–10329. Bibcode : 2007OExpr..1510324M. doi : 10.1364/OE.15.010324 . PMID  19547382. S2CID  14870791. Значок открытого доступа
  6. ^ Чжан, Л.; Гу, Ф.; Лу, Дж.; Инь, Х.; Тонг, Л. (2008). «Быстрое обнаружение влажности с помощью конуса волокна субволнового диаметра, покрытого желатиновой пленкой». Optics Express . 16 (17): 13349–13353. Bibcode : 2008OExpr..1613349Z. doi : 10.1364/OE.16.013349 . PMID  18711572. Значок открытого доступа
  7. ^ Лян, ТК; Нуньес, ЛР; Сакамото, Т.; Сасагава, К.; Каваниши, Т.; Цучия, М.; Прием, ГРА; Ван Турхаут, Д.; Дюмон, П.; Баец, Р.; Цанг, Гонконг (2005). «Сверхбыстрое полностью оптическое переключение за счет модуляции перекрестного поглощения в кремниевых проводных волноводах». Оптика Экспресс . 13 (19): 7298–7303. Бибкод : 2005OExpr..13.7298L. дои : 10.1364/OPEX.13.007298. hdl : 1854/LU-327594 . ПМИД  19498753. Значок открытого доступа
  8. ^ Эспинола Р., Дадап Дж., Осгуд Р.-младший, Макнаб С., Власов Ю. (2005). «Преобразование длины волны в диапазоне C в кремниевых фотонных волноводах». Optics Express . 13 (11): 4341–4349. Bibcode : 2005OExpr..13.4341E. doi : 10.1364/OPEX.13.004341 . PMID  19495349. Значок открытого доступа
  9. ^ Lizé, YK; Mägi, EC; Ta'Eed, VG; Bolger, JA; Steinvurzel, P.; Eggleton, B. (2004). «Микроструктурированные оптоволоконные фотонные провода с диаметром сердцевины меньше длины волны». Optics Express . 12 (14): 3209–3217. Bibcode : 2004OExpr..12.3209L. doi : 10.1364/OPEX.12.003209 . PMID  19483844. Значок открытого доступа
  10. ^ Желтиков, А. (2005). "Анализ гауссовой моды нелинейности типа Керра, усиленной волноводом, оптических волокон и фотонных проводов". Журнал оптического общества Америки B. 22 ( 5): 1100. Bibcode : 2005JOSAB..22.1100Z. doi : 10.1364/JOSAB.22.001100. Значок закрытого доступа
  11. ^ Коноров, С.О.; Акимов Д.А.; Серебрянников Э.Е.; Иванов А.А.; Алфимов М.В.; Дукельский, К.В.; Хохлов А.В.; Шевандин, В.С.; Кондратьев Ю.Н.; Желтиков, А.М. (2005). «Высокие моды фотонных проволок, возбуждаемые черенковским излучением солитонов». Письма по лазерной физике . 2 (5): 258–261. Бибкод : 2005LaPhL...2..258K. дои : 10.1002/lapl.200410176. S2CID  122277596. Значок закрытого доступа
  12. ^ ab Foster, MA; Turner, AC; Lipson, M.; Gaeta, AL (2008). «Нелинейная оптика в фотонных нанопроводах». Optics Express . 16 (2): 1300–1320. Bibcode : 2008OExpr..16.1300F. doi : 10.1364/OE.16.001300 . PMID  18542203. Значок открытого доступа
  13. ^ Wolchover, NA; Luan, F.; George, AK; Knight, JC; Omenetto, FG (2007). «Высоконелинейные стеклянные фотонные кристаллические нанопровода». Optics Express . 15 (3): 829–833. Bibcode : 2007OExpr..15..829W. doi : 10.1364/OE.15.000829 . PMID  19532307. Значок открытого доступа
  14. ^ Tong, L.; Hu, L.; Zhang, J.; Qiu, J.; Yang, Q.; Lou, J.; Shen, Y.; He, J.; Ye, Z. (2006). «Фотонные нанопровода, непосредственно вытянутые из объемных стекол». Optics Express . 14 (1): 82–87. Bibcode : 2006OExpr..14...82T. doi : 10.1364/OPEX.14.000082 . PMID  19503319. Значок открытого доступа
  15. ^ Сивилоглу, Джорджия; Сунцов С.; Эль-Ганайни, Р.; Иванов, Р.; Стегеман, солдат; Христодулидес, Д.Н.; Морандотти, Р .; Модотто, Д.; Локателли, А.; Де Анджелис, К.; Поцци, Ф.; Стэнли, ЧР; Сорель, М. (2006). «Усиленные нелинейные эффекты третьего порядка в оптических нанопроволоках AlGaAs». Оптика Экспресс . 14 (20): 9377–9384. Бибкод : 2006OExpr..14.9377S. дои : 10.1364/OE.14.009377 . ПМИД  19529322. Значок открытого доступа
  16. ^ "Optical Fibre Nanowires and Related Devices Group". Университет Саутгемптона. Архивировано из оригинала 20-02-2007.
  17. ^ Дюмейс, П.; Гонтье, Ф.; Лакруа, С.; Бюрес, Ж.; Вильнёв, А.; Вигли, ПГДж; Стегеман, ГИ (1993). "Улучшенная фазовая модуляция в конических волокнах". Optics Letters . 18 (23): 1996. Bibcode : 1993OptL...18.1996D. doi : 10.1364/OL.18.001996. PMID  19829470. Значок закрытого доступа
  18. ^ Cordeiro, CMB; Wadsworth, WJ; Birks, TA; Russell, PSJ (2005). «Разработка дисперсии конических волокон для генерации суперконтинуума с помощью лазера накачки 1064 нм». Optics Letters . 30 (15): 1980–1982. Bibcode : 2005OptL...30.1980C. doi : 10.1364/OL.30.001980. PMID  16092239. Значок закрытого доступа
  19. ^ Дадли, Дж. М.; Коэн, С. (2002). «Численное моделирование и свойства когерентности генерации суперконтинуума в фотонных кристаллах и конических оптических волокнах» (PDF) . IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 8 (3): 651–659. Bibcode :2002IJSTQ...8..651D. doi :10.1109/JSTQE.2002.1016369. Значок закрытого доступа
  20. ^ Колесик, М.; Райт, Э.М.; Молони, Дж.В. (2004). «Моделирование распространения фемтосекундного импульса в конических волокнах субмикронного диаметра». Applied Physics B. 79 ( 3): 293–300. doi :10.1007/s00340-004-1551-1. S2CID  123400021. Значок закрытого доступа
  21. ^ Wadsworth, WJ; Ortigosa-Blanch, A.; Knight, JC; Birks, TA; Man, T. -PM; Russell, PSJ (2002). "Генерация суперконтинуума в фотонно-кристаллических волокнах и оптоволоконных конусах: новый источник света". Журнал оптического общества Америки B . 19 (9): 2148. Bibcode :2002JOSAB..19.2148W. doi :10.1364/JOSAB.19.002148. Значок открытого доступа
  22. ^ Shi, L.; Chen, X.; Liu, H.; Chen, Y.; Ye, Z.; Liao, W.; Xia, Y. (2006). «Изготовление кварцевых волокон субмикронного диаметра с использованием электрического полосового нагревателя». Optics Express . 14 (12): 5055–5060. Bibcode : 2006OExpr..14.5055S. doi : 10.1364/OE.14.005055 . PMID  19516667. S2CID  12286605. Значок открытого доступа
  23. ^ Mägi, E.; Steinvurzel, P.; Eggleton, B. (2004). «Конические фотонно-кристаллические волокна». Optics Express . 12 (5): 776–784. Bibcode : 2004OExpr..12..776M. doi : 10.1364/OPEX.12.000776 . PMID  19474885. Значок открытого доступа
  24. ^ Sagué, G.; Baade, A.; Rauschenbeutel, A. (2008). "Ловушки поверхности затухающего поля с синей расстройкой для нейтральных атомов на основе интерференции мод в сверхтонких оптических волокнах". New Journal of Physics . 10 (11): 113008. arXiv : 0806.3909 . Bibcode : 2008NJPh...10k3008S. doi : 10.1088/1367-2630/10/11/113008. S2CID  18601905. Значок открытого доступа
  25. ^ Наяк, КП; Мелентьев, ПН; Моринага, М.; Киен, ФЛ; Балыкин, ВИ; Хакута, К. (2007). «Оптическое нановолокно как эффективный инструмент для манипулирования и зондирования атомной флуоресценции». Optics Express . 15 (9): 5431–5438. Bibcode : 2007OExpr..15.5431N. doi : 10.1364/OE.15.005431 . PMID  19532797. Значок открытого доступа
  26. ^ ab Morrissey, Michael J.; Deasy, Kieran; Frawley, Mary; Kumar, Ravi; Prel, Eugen; Russell, Laura; Truong, Viet Giang; Nic Chormaic, Síle (август 2013 г.). «Спектроскопия, манипуляция и захват нейтральных атомов, молекул и других частиц с использованием оптических нановолокон: обзор». Sensors . 13 (8): 10449–10481. arXiv : 1306.5821 . Bibcode :2013Senso..1310449M. doi : 10.3390/s130810449 . PMC 3812613 . PMID  23945738. 
  27. ^ Xu, F.; Horak, P.; Brambilla, G. (2007). "Оптический микроволоконный резонаторный рефрактометрический датчик" (PDF) . Optics Express . 15 (12): 7888–7893. Bibcode :2007OExpr..15.7888X. doi :10.1364/OE.15.007888. PMID  19547115. S2CID  42262445. Значок открытого доступа
  28. ^ Леон-Савал, SG; Биркс, TA; Уодсворт, WJ; Ст. Дж. Рассел, P.; Мейсон, MW (2004). «Генерация суперконтинуума в субмикронных волоконных волноводах». Optics Express . 12 (13): 2864–2869. Bibcode : 2004OExpr..12.2864L. doi : 10.1364/OPEX.12.002864 . PMID  19483801. Значок открытого доступа
  29. ^ Koos, C.; Jacome, L.; Poulton, C.; Leuthold, J.; Freude, W. (2007). «Нелинейные кремний-на-изоляторе волноводы для полностью оптической обработки сигналов» (PDF) . Optics Express . 15 (10): 5976–5990. Bibcode :2007OExpr..15.5976K. doi :10.1364/OE.15.005976. hdl : 10453/383 . PMID  19546900. Значок открытого доступа
  30. ^ abc Ward, JM; Maimaiti, A.; Le, Vu H.; Chormaic, S. Nic (2014-11-01). "Предоставленный обзор: установка для вытягивания оптических микро- и нановолокон". Review of Scientific Instruments . 85 (11): 111501. arXiv : 1402.6396 . Bibcode : 2014RScI...85k1501W. doi : 10.1063/1.4901098. ISSN  0034-6748. PMID  25430090. S2CID  7985175.
  31. ^ Love, JD; Henry, WM; Stewart, WJ; Black, RJ; Lacroix, S.; Gonthier, F. (1991). «Конические одномодовые волокна и устройства. Часть 1: Критерии адиабатичности». IEE Proceedings J - Optoelectronics . 138 (5): 343. doi :10.1049/ip-j.1991.0060. ISSN  0267-3932.
  32. ^ Кенни, РП; Биркс, ТА; Окли, КП (1991). «Управление формой конусности оптического волокна». Electronics Letters . 27 (18): 1654. Bibcode : 1991ElL....27.1654K. doi : 10.1049/el:19911034. ISSN  0013-5194.
  33. ^ Наяк, КП; Мелентьев, ПН; Моринага, М.; Ле Киен, Фам; Балыкин, ВИ; Хакута, К. (2007). «Оптическое нановолокно как эффективный инструмент для манипулирования и исследования атомной флуоресценции». Optics Express . 15 (9): 5431–5438. Bibcode : 2007OExpr..15.5431N. doi : 10.1364/OE.15.005431 . PMID  19532797.
  34. ^ Докинз, СТ; Митч, Р.; Рейц, Д.; Ветч, Э.; Раушенбойтель, А. (2011). «Дисперсионный оптический интерфейс на основе захваченных нановолокном атомов». Phys. Rev. Lett . 107 (24): 243601. arXiv : 1108.2469 . Bibcode :2011PhRvL.107x3601D. doi :10.1103/PhysRevLett.107.243601. PMID  22242999. S2CID  16246674.
  35. ^ Goban, A.; Choi, KS; Alton, DJ; Ding, D.; Lacroûte, C.; Pototschnig, M.; Thiele, T.; Stern, NP; Kimble, HJ (2012). «Демонстрация нечувствительной к состоянию, компенсированной нановолоконной ловушки». Phys. Rev. Lett . 109 (3): 033603. arXiv : 1203.5108 . Bibcode : 2012PhRvL.109c3603G. doi : 10.1103/PhysRevLett.109.033603. PMID  22861848. S2CID  10085166.
  36. ^ Ниедду, Томас; Гокхру, Вандна; Чормаич, Силе Ник (2016-03-14). «Оптические нановолокна и нейтральные атомы». Журнал оптики . 18 (5): 053001. arXiv : 1512.02753 . Bibcode : 2016JOpt...18e3001N. doi : 10.1088/2040-8978/18/5/053001 . ISSN  2040-8978.
  37. ^ См., например, теоретический анализ с приложениями к точным квантовым неразрушающим измерениям Qi, Xiaodong; Baragiola, Ben Q.; Jessen, Poul S.; Deutsch, Ivan H. (2016). "Дисперсионный отклик атомов, захваченных вблизи поверхности оптического нановолокна, с приложениями к квантовым неразрушающим измерениям и сжатию спина". Physical Review A . 93 (2): 023817. arXiv : 1509.02625 . Bibcode :2016PhRvA..93b3817Q. doi :10.1103/PhysRevA.93.023817. S2CID  17366761.
  38. ^ Солано, Пабло; Гровер, Джеффри А.; Хоффман, Джонатан Э.; Равец, Сильвен; Фатеми, Фредрик К.; Ороско, Луис А.; Ролстон, Стивен Л. (01.01.2017), Аримондо, Эннио; Лин, Чун К.; Йелин, Сюзанна Ф. (ред.), «Глава седьмая — Оптические нановолокна: новая платформа для квантовой оптики», Достижения в атомной, молекулярной и оптической физике , 66 , Academic Press: 439–505, arXiv : 1703.10533 , doi : 10.1016/bs.aamop.2017.02.003, S2CID  17928674 , получено 15.10.2020
  39. ^ Le Kien, Fam; Rauschenbeutel, A. (2016). «Полностью оптические переключатели на основе нановолокон». Phys. Rev. A. 93 ( 1): 013849. arXiv : 1604.05782 . Bibcode : 2016PhRvA..93a3849L. doi : 10.1103/PhysRevA.93.013849. S2CID  119287411.
  40. ^ Brambilla, G.; Murugan, G. Senthil; Wilkinson, JS; Richardson, DJ (2007-10-15). «Оптическая манипуляция микросферами вдоль субволнового оптического провода». Optics Letters . 32 (20): 3041–3043. Bibcode : 2007OptL...32.3041B. doi : 10.1364/OL.32.003041. ISSN  1539-4794. PMID  17938693.
  41. ^ Daly, Mark; Truong, Viet Giang; Chormaic, Síle Nic (2016-06-27). «Улавливание наночастиц в затухающем поле с использованием наноструктурированных ультратонких оптических волокон». Optics Express . 24 (13): 14470–14482. arXiv : 1603.00170 . Bibcode : 2016OExpr..2414470D. doi : 10.1364/OE.24.014470. ISSN  1094-4087. PMID  27410600. S2CID  19705546.