Elektronika 2009-11.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych
Elektronika 2009-11.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych
Elektronika 2009-11.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
nej i makroskopowo morficznej. Propagacja światła jest determinowana<br />
nie bezpośrednio przez refrakcję, ale przez<br />
strukturę materiału. Struktura materiału jest zdefiniowana<br />
przez periodyczny rozkład znacznego kontrastu refrakcji, na<br />
ogół między szkłem i powietrzem. Wymiar charakterystycznej<br />
struktury kontrastu refrakcji i defektów w tej strukturze jest<br />
rzędu połowy długości propagowanej fali optycznej. Fala<br />
optyczna jest propagowana mechanizmem refrakcyjnym<br />
w defekcie struktury fotonicznej lub przy pomocy mechanizmu<br />
refleksyjno-dyfrakcyjno-interferencyjnego, w tzw. tworzonym<br />
w materiale paśmie fotonicznym będącym analogiem pasma<br />
dozwolonego i zabronionego dla elektronów w półprzewodniku.<br />
Parametrami światłowodowego szkła fotonicznego jest<br />
kontrast refrakcji, okres i kształt zaburzenia fotonicznego, rodzaj<br />
defektu struktury fotonicznej, rodzaj fotonicznego pasma<br />
zabronionego, gęstość struktury fotonicznej.<br />
Istotnym parametrem jest gęstość struktury fotonicznej.<br />
W granicznym przypadku gęstości bardzo małej, fala świetlna<br />
jest prowadzona w znacznej mierze w powietrzu (próżni, impregnacie),<br />
a nie w szkle.<br />
Światłowody Bragga poprzeczne i podłużne<br />
Szklane włókna optyczne można uczulać na oddziaływanie<br />
fali UV w taki sposób, że metodą interferencyjną lub siatki fazowej<br />
tworzona jest wewnątrz włókna w miarę trwała siatka<br />
refrakcyjna Bragga o relatywnie niewielkim kontraście refrakcyjnym.<br />
Włókna z poprzeczną siatką Bragga stanowią filtry<br />
i selektywne zwierciadła rozłożone o niewielkiej szerokości<br />
spektralnej rzędu nm i znacznej wysokości rzędu kilkudziesięciu<br />
dB. Włókna szklane o podłużnej osiowo symetrycznej<br />
siatce Bragga są w pewnym sensie analogami światłowodów<br />
fotonicznych.<br />
Światłowody dużej mocy<br />
Szklane włókna optyczne o odpowiedniej konstrukcji mogą<br />
służyć do transmisji dużej mocy fali optycznej w różnych zakresach<br />
spektralnych, głównie średniej i dalekiej podczerwieni.<br />
Światłowody dużej mocy powinny posiadać relatywnie<br />
dużą średnicę rdzenia, jak najmniejsze straty, w tym brak zlokalizowanych<br />
defektów. Przy dużych poziomach transmitowanej<br />
mocy włókna szklane powinny być efektywnie<br />
chłodzone np. cieczą. Powinny być zabezpieczone przed wyjściem<br />
wiązki światła poza włókno szklane. Typowe zastosowania<br />
włókien szklanych dużej mocy to: oświetleniowe, do<br />
zdalnej detonacji, zapłonu optycznego, zasilania optycznego,<br />
spawania, cięcia, jako lancety medyczne, itp.<br />
Światłowody nieliniowe<br />
Szkło światłowodowe jest charakteryzowane przy pomocy<br />
nieliniowego współczynnika refrakcji (a także nieliniowego<br />
współczynnika absorpcji), zależnej od natężenia transmitowanej<br />
fali optycznej. Współczynnik nieliniowości włókna<br />
optycznego zależy dodatkowo od efektywnej średnicy pola<br />
modowego (w światłowodzie jednomodowym) oraz od średnicy<br />
rdzenia (w światłowodzie wielomodowym). Światłowodowe<br />
szkła niskorefrakcyjne posiadają jednocześnie<br />
niewielką wartość nieliniowego współczynnika refrakcji.<br />
Ogólnie światłowody nieliniowe można podzielić na dwie<br />
główne grupy: nierezonansowe i rezonansowe. Zjawiska nieliniowe<br />
we włóknach szklanych dzielimy ponadto na amplitudowe<br />
(niezależne od fazy) oraz fazowe (koherentne) ściśle<br />
zależne od fazy oddziaływujących czynników (kilku fal<br />
optycznych, sprzężonego fononu i fotonu, itp.). Inna klasyfikacja<br />
rozróżnia zjawiska nieliniowe refrakcyjne i absorpcyjne,<br />
wzajemnie zależne od siebie poprzez całkowe<br />
relacje Kramersa-Kroniga.<br />
W światłowodach nieliniowych nierezonansowych występują<br />
optyczne zjawiska parametryczne pierwszego i wyższych<br />
rzędów. Zjawiska nieliniowe nierezonansowe są związane<br />
z wirtualnym pobudzeniem szkła światłowodu o zakresie<br />
energetycznym nie przekraczającym pasma zabronionego.<br />
Pobudzenie może być statyczne lub dynamiczne i może mieć<br />
sprzężony charakter elektromagnetyczny, magnetyczny, elektryczny,<br />
termiczny i mechaniczny. Niektóre z tych rodzajów<br />
pobudzeń prowadzą do częściowej, chwilowej, lokalnej morfizacji<br />
szkła rdzenia światłowodu i najczęściej związane są<br />
z procesami fotonowo-fononowymi. Nieliniowe zjawiska nierezonansowe<br />
pierwszego rzędu obejmują np. optyczny efekt<br />
Kerra, mikrosoczewkowanie, samomodulację fazy, skrośną<br />
modulację fazy, mieszanie zdegenerowane i niezdegenerowane<br />
czterofalowe (ogólnie wielofalowe), przemianę częstotliwości<br />
w tym upkonwersję, nieelastyczne rozpraszanie fali<br />
spontaniczne lub stymulowane w tym rozpraszanie Brillouina<br />
i Ramana. Zjawiskiem wyższego rzędu jest np. generacja superkontinuum<br />
optycznego w światłowodzie.<br />
Jednym z fazowych zjawisk nieliniowych w szklanym<br />
włóknie optycznym jest generacja impulsu solitarnego (solitonu)<br />
z normalnego impulsu dyspersyjnego. Soliton podczas<br />
propagacji wzdłuż włókna nie podlega zmianom kształtu czyli<br />
dyspersji. Naturalne rozszerzenie impulsu optycznego jest<br />
kompensowane przez zapadanie się (zawężanie) impulsu<br />
spowodowane zjawiskiem nieliniowym. Ciekawym zagadnieniem<br />
jest propagacja we włóknie szklanym gęstego ciągu solitonów<br />
femtosekundowych.<br />
Światłowody nieliniowe rezonansowe<br />
Zjawiska nieliniowe rezonansowe wysokoenergetyczne<br />
w szkle światłowodu, związane są ze sprzężonymi procesami<br />
elektronowo-fotonowymi i ewentualnie fononowymi. Występują<br />
one w warunkach silnego lub słabego kwantowego ograniczenia<br />
objętościowego rozważanego obiektu nieliniowego.<br />
Dotyczą przejścia przez całe pasmo zabronione szkła<br />
osnowy. Związane są często z domieszką aktywującą w szkle<br />
i tworzeniem pasm pułapkowych w paśmie zabronionym szkła<br />
osnowy. Takie szkło jest w pewnym sensie materiałem kompozytowym,<br />
zawierającym np. nanokrystality lub jony (molekuły)<br />
aktywatora otoczone osnową amorficzną.<br />
Światłowody z metaszkieł<br />
Dodatkowa założona komplikacja takiej struktury amorficzno-morficznej,<br />
w celu otrzymania konkretnych właściwości<br />
refrakcyjnych, prowadzi do metamateriału i metaszkła<br />
o anomalnych właściwościach dyspersyjnych i refrakcyjnych.<br />
Komplikacja struktury metaszkła może np. polegać na otoczeniu<br />
nanokrystalitu (podlegającemu kwantowemu ograniczeniu<br />
objętościowemu) przez lokalną osnowę amorficzną<br />
o zupełnie innych właściwościach od amorficznej osnowy<br />
globalnej. Osnowa lokalna tworzy odpowiednie warunki<br />
sprzężenia fotonowo-fononowego lub plazmonowego.<br />
Osnowa globalna tworzy odpwoiednią strukturę mechaniczną<br />
i optyczną włókna, tak aby fala optyczna mogła być<br />
efektywnie transmitowana niskostratnie na odpowiednią odległość.<br />
Zjawiska nieliniowe rezonansowe są związane z rezonansami<br />
ekscytonowymi i plazmonowymi, transmisją<br />
polaronów i polarytonów, itp.<br />
ELEKTRONIKA 11/<strong>2009</strong> 121
Change language