CC BY
15
Науковий вкник НЛТУ Украши. - 2014. - Вип. 24.10
УДК 681.325.2 Проф. В.А. Павлиш, канд. техн. наук; астр. Д.В. Невтський;
доц. Л.1. Заклик, канд. техн. наук - НУ "Львiвська полтехшка";
доц. С.Ю. Лебiдь, канд. техн. наук - Львiвська фiлiя Свропейського ун-ту
МАНШУЛЯЦ1Я ОПТИЧНИМ СИГНАЛОМ У ФОТОННО-КРИСТАЛ1ЧНИХ ВОЛОКНАХ
Запропоновано для введення дефектов у фотонно-кристшпчне волокно iз змшним дiаметром метод двофотонно! полшеризаци з використанням фемтосекундного лазера з довжиною хвилi 515 нм та тривалютю iмпульсу 250 фс. Для створення дефектiв засто-совано полiмерний матерiал на основi оргашчно-модифжовано! керамики зi змiнним по-казником заломлення, вищим, нiж показник заломлення серцевини волокна. Розглянуто вплив введених дефектiв, залежно вiд !х розмiщення у волокш, на основну моду i на моду вищого порядку оптичного сигналу. Дослщжено вплив дефектiв на штенсившсть i довжину хвилi сигналу.
Ключовi слова: фотонно-крии^чна структура, полiмер, домшка, оптичний сигнал.
Вступ. Фотоннi кристали - це новий клас матерiалiв з унiкальними оп-тичними властивостями, якi пропонують для застосування у телекомушка-цiйних технологiях. Фотоннi кристали - це матерiали, в яких коефiцieнт заломлення перiодично змшюеться, та якi, залежно вiд того, з якого матерiалу вони отримаш, мають зону заборонених енергiй, тобто не пропускають оптичний сигнал у певному дiапазош частот [1]. Це, по-суп, оптична надгратка, перiод змши коефiцieнта заломлення яко1 значно бшьший, нiж вiддаль мiж вузлами звичайного кристала. Манiпуляцiю оптичним сигналом можна здшснювати, як-що в пустоти фотонно-кристалiчного волокна вводити дефекти у виглядi речо-вин iз змiнним коефiцieнтом заломлення [2-4]. Введення дефекпв чи створення домiшок, за аналопею з напiвпровiдниками, у структурi сприяе локальному по-ширенню електромагнiтноí хвилi в областi частот, заборонених для фотонного кристала. Введення таких дефекпв створюе можливкть контролю за напрямом поширення та довжиною хвилi оптичного сигналу. Можливкть машпуляцп оптичним сигналом дае надда на використання цих властивостей для створення нових оптичних волокон, сенсорiв та перемикачiв, на основi яких можна фор-мувати iнтегральнi фотоннi схеми.
Аналiз впливу дефектiв у фотонно-кристалiчних структурах. Най-грунтовшше дослiдження впливу домшок чи, так званих, дефектiв у структурi фотонно-кристалiчного волокна проведено в роботах [5-7], тому 1х дослщження взято за основу. Наприклад, розглянемо фотонно-кристалiчну структуру на ос-новi оксиду кремнiю з германiевим ядром, описану в [7], яка призначена для манiпуляцií оптичним сигналом. Основна мода ядра не буде залежати вщ повгг-ряних отворiв у немодифшованих фотонно-кристалiчних волокнах, однак моди вищого порядку мають свш розподш поля в оболонцi i е чутливими до гранич-них умов на межi оксид кремнда - повггряш отвори [8].
На рис. 1 показано теоретично отриману залежнкть впливу рiдини з ви-соким показником заломлення, якщо п ввести в повiтрянi отвори, на основну моду ЬР01 i на моду вищого порядку ЬР02 по довжиш волокна. Потужнiсть ос-новно1 моди у волокнi в основному не м^еться, i поширюеться з мшмальни-ми втратами (~0,1 дБ/см). З шшого боку, мода вищого порядку е чутливою до
3. Технологи та устаткування лковиробничого комплексу
107
Нащональний лкотехшчний унiверситет Укра'ни
показника заломлення на межi оболонки i повггряного отвору. Коли показник заломлення матерiалу, введеного в повiтряний отвiр, високий, то ця мода почи-нае мвитiкатим, тобто ii поле заломлюеться у матерiалi з високим шдексом i 11 потужнiсть зменшуеться по довжиш волокна.
Length (cm)
Рис. 1. Залежмсть rnmeHcueHocmi фундаментальное моди LP01 i моди вищого порядку LP02 оболонки вздовж модифтованого фотонно-кристалiчного волокна та рiдиною з високим показником заломлення в повШряних отворах [7]
У дослщженнях [7] як дефект застосовано рщкий метилен йодид з показником заломлення (n = ~ 1,8) у сегменл порожнини 5 см завдовжки. Для того, щоб вводити та керувати розмщенням рщини в отворах, через трубку назвали повггря в каналах i проштовхували рiдину в певному напрямку.
Основна частина. Технолопя введення дефектiв у виглядi рщини у про-аналiзованих роботах е незручною у практичному застосуваннi, оскшьки утри-мати рiдину в певному положенш важко. Пропонуемо замiсть юдщу метилену вводити полiмер iз змшним коефiцiентом заломлення та з фжсованою пози-цiею, попередньо дослiдивши, як це вплине на оптичний сигнал. За основу бе-ремо одне волокно цилшдрично! форми, а друге - iз змiнним дiаметром, виго-товлене з оксиду кремнiю з гермашевим ядром.
Як полiмер ми використали негативний фоточутливий резист на основi органiчно модифгковано! керамiки, запропонований шститутом Фраунгофера, який вводиться в натврщкому станi у пустоти волокна. Це, по суп, оргашчно-неоргашчний гiбридний полiмер з коефiцiентом заломлення 1,47-1,6 та з висо-кою передавальною властивiстю оптичного сигналу в дiапазонi хвиль 8301550 нм. Цей пол1мер можна отримати золь-гель методом. Шсля цього проводиться полiмеризацiя. Для проведення полiмеризацil вибрали метод двофотон-но! полiмеризацil [9], який схематично показано на рис. 2. Чому було вибрано метод двофотонно! полмеризацп? Оскшьки розмiри дiрок можуть мати дiаметр вiд десятюв до сотих часток мкм, то з точки зору роздтьно! здатносп i просто-ти цей метод найбтьш пiдходить. Сдиним недолiком е те, що не можна в про-цесi дослiдження змiнювати положення задубленого резиста у пустотах. Тому для дослщжень виготовляли зразки окремо для кожно! позицil.
Полiмеризацiя вибраного полiмеру залежить вiд iнтенсивностi опромь нення та вiд дiаметра волокна. За дiаметра волокна 150 мкм та дiаметра пустот 25 мкм ефективна полiмеризацiя буде при штенсивносп опромiнення в межах 0,33-0,45 мВт. Для засвггки полiмеру використовували iмпульсний фемтосекун-
108
Збiрник науково-технiчних праць
Науковий вкник НЛТУ УкраГни. - 2014. - Вип. 24.10
ра
дний лазер з довжиною хвилi 1030 нм, тривалктю iмпульсу порядку 250 фс. Для отримання довжини хвии лазера 515 нм використали свилоподшьну пластину. Пiсля засвiтки зразки витримано впродовж 5 хв за температури 950С.
Рис. 2. Схема устаткування для проведення двофотонноХ полжеризаци
Шд час дослщження зразкiв цилтдрично! форми (рис. 3, а) проходження оптичного сигналу залежить вiд положения дефекпв у пустотах волокна.
Рис. 3. Схематичне зображення фотонно-кристалгчних волокон:
а) цилшдричног форми; б) волокно iз змтним Ыаметром
У разi розмщення дефекту в пустотах посередиш волокна, оптичний сигнал буде проходити по ядру. Розмщення дефекту в юнщ волокна значно ос-лаблюе сигнал, що проходить по ядру (рис. 3, б). Це можна пояснити тим, що сигнал буде проходити по ядру i через пустоти, заповнеш полiмером.
Якщо взяти фотонно-кристаичне волокно iз змiнним дiаметром i розмю-тити дефект посередиш цилтдрично! частини, будемо мати сигнал основно'' моди, по пустотах сигнал не поширюватиметься. Але, якщо розмютити дефект у вузькiй частииi волокна, як показано на рис. 3, б, сигналу по ядру не буде, а тшьки через пустоти з дефектами, тобто буде мода вищого порядку.
Висновок. Шдсумовуючи проведет дослщження, можна зробити висно-вок, що введення дефекту у дiрки фотонного кристалу у виглядi полiмеру е бшьш практичним, оскiльки можна точно зафксувати його положення у волок-нi i яке не буде змшюватися у процесi експлуатацп. Дослiджеиня показали, що введення дефеклв у пустоти фотонно-кристалiчиих волокон створюе можли-вiсть манiпуляцií оптичним сигналом. Шдбираючи вiдповiдиу речовину з рiзни-
3. Технологiя та устаткування лковиробничого комплексу
109
Нащональний лкотехшчний ушверситет Укра'ни
ми коефщентами заломлення, вищими вiд матерiалу твердо!' частини волокна, можна змшювати довжину хвилi i iнтенсивнiсть оптичного сигналу, та на !х ос-новi формувати оптичнi перемикачi, модулятори, лопчш елементи, фшьтри та iншi оптичш пристро!
Особлива подяка колективу сшвробинитв вiддiлу нанотехнологiй лазерного центра Ганновера (LZH), Нмеччина, за можливкть проведення експе-риментiв.
Лiтература
1. Monro Т. Comptes Rendus Physigue / Т. Monro, D.. - Vol. 4 (2003). - Pp. 175-186.
2. Lee B. Current status of micro- and nano-structured optical fiber sensors / B. Lee, S. Roh, J. Park. - Optical Fiber Technology. - Vol. 15, Issue 3, June 2009. - Pp. 209-212.
3. Kerbage C. Appl. Phys. Lett / C. Kerbage, A. Hale, A. Yablon, R.S. Windeler, B.J. Eggleton. -Vol. 79 (2001). - Pp. 31-91.
4. Chau M.Ph. Three-hole microstructured optical fiber for efficient fiber Bragg grating refracto-meter / M. Chau Ph. Huy, G. Laffont, V. Dewynter, P. Ferdinand, Ph. Roy, J.-L. Auguste, D. Pagnoux, W. Blanc, B. Dussardier, Optics Letters. - Vol. 32, Issue 16 (2007). - Pp. 2390-2392.
5. Eggleton B.J. Tech / B.J. Eggleton, A. Ahuja, P.S. Westbrook, J.A. Rogers, P. Kuo, T.N. Nielsen, B. Mikkelsen, J. Lightwave. - Vol. 18 (2000) . - Pp. 1418.
6. Yamada Y. Optical Telecommunications / Y. Yamada. - Vol. 198 (2001). - Pp. 395-402.
7. Kerbagea C. Tunable devices based on dynamic positioning of micro-fluids in micro-structured optical fiber / C. Kerbagea, R.S. Windelera, B.J. Eggletona, B.-P. Machc, M. Dolinskic, J.A. Rogers. -Optics Communications. - Vol. 204 (2002). - Pp. 179-184.
8. Chandalia J. IEEE Photonics Nech. Lett / J. Chandalia, B. Tggleton, R. Windeler, S. Kosinski, X. Liu, C. Xu. - Vol. 12 (2000). - Pp. 495.
9. Reinchard A. Appl. Phys. A A. Reinchard, A. Seidel, A. Evlyukhin, W. Cheng, D. Chichkov. -Vol. 47 (2010). - Pp. 347-352.
Павлыш В.А., Невинский Д.В., Закалык Л.И., Лебидь С.Ю. Манипуляция оптическим сигналом в фотонно-кристалических структурах
Предложено для ввода дефектов в фотонно-кристалическое волокно с переменным диаметром метод двухфотонной полимеризации с использованием фемтосекун-дного лазера с длиной волны 515 нм и длительностью импульса 250 фс. Для создания дефектов применен полимерный материал на основе органически модифицированной керамики с переменным показателем преломления, выше, чем показатель преломления сердцевины волокна. Рассмотрено влияние введенных дефектов, в зависимости от их размещения в волокне, на основную моду и на моду высшего порядка оптического сигнала. Исследовано влияние дефектов на интенсивность и длину волны сигнала.
Ключевые слова: фотонно-кристалическая структура, полимер, примесь, оптический сигнал.
Pavlysh V.A., Nevinskiy D.V., Zakalyk L.I., Lebid S.Yu. Manipulation in Photonic Crystal Structures by Optical Signals
The introduction of defects into photon crystal fiber with variable diameter using two photon polymerization method with a femtosecond laser with a wavelength of 515 nm and pulse duration of 250 fs is proposed. Polymer material based on organically modified ceramics with variable refractive index higher than the refractive index of the fiber core was used to create defects in this study. The influence of introduced defects, depending on their location in the fiber, on the main and higher-order modes of the optical signal is presented. The influence of defects on the intensity and wavelength of the signal is studied.
Key words: photonic crystal structure, polymer, impurity, optical signal.
110
35ipHHK науково-техшчних праць
