CC BY
18
Щ Физико-математические науки
УДК 535; 532.783
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СВЕТОВОДА С ПОЛОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ КРИВИЗНЫ
1 9
© Д.В. Богданович1, Р.А. Магарамов2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Предлагается новый тип волоконных световодов - жидкокристаллический световод с полой сердцевиной отрицательной кривизны. Рассматриваются основные преимущества таких световодов по сравнению с традиционными телекоммуникационными световодами и фотонно-кристаллическими волноводами с полой сердцевиной. Предлагается идея заполнения полостей оболочки жидкокристаллическим материалом, что позволит управлять волноводными свойствами данных световодов за счет внешнего воздействия температурных полей или электрического напряжения. Ил. 5. Библиогр. 23 назв.
Ключевые слова: фотонные кристаллы; полые оптические волноводы; жидкие кристаллы; фотонные запрещенные зоны.
OPTICAL PROPERTIES OF NEGATIVE CURVATURE HOLLOW CORE LC LIGHT GUIDE D.V. Bogdanovich, R.A. Magaramov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper proposes a new type of optical fiber - a liquid-crystal light guide with a hollow core of negative curvature. It discusses the main advantages of such fibers as compared with the traditional telecommunication fiber optics and photonic crystal waveguides with a hollow core. It is proposed to fill the cavities of the shell with liquid crystal substance in order to control the waveguide properties of these fibers through external influences of temperature fields or voltage. 5 figures. 23 sources.
Key words: photonic crystals; hollow optical waveguides; liquid crystals; photonic band gaps.
В последнее десятилетие в волоконной оптике активно развивается новый класс световодов - фотонные жидкокристаллические световоды (ФЖКС) [1, 2], представляющие собой волоконные световоды, оболочка которых является фотонным кристаллом и частично или полностью заполнена жидкокристаллическим материалом.
Благодаря сложной конструкции оболочки (рис. 1), фотонно-кристаллические световоды (ФКС) демонстрируют ряд свойств отличающих их от традиционных телекоммуникационных световодов [3-5]: существование только фундаментальной моды, локализованной в области сердцевины (для обоих типов ФКС); возможность получения большой эффективной площади моды АЭфф (до нескольких сотен мкм2), позволяющей снизить уровень нелинейных искажений и увеличить передаваемую волокном оптическую мощность; изменение частоты отсечки или полное ее исключение; достижение высоких значений дисперсии (до 2000 пс/(нм-км)) - как нормальной, так и аномальной, причем с практически постоянным значением дисперсионного коэффициента (наклон не более 0,002 пс/(нм-км)); достижение двойного лучепреломления путем создания существенной асимметрии структуры ФКС; формирование волокна со многими сердцевинами.
Способность передачи света ФКС может быть адаптирована в широких пределах путем изменения геометрии микроструктурированной оболочки. Свет может локализоваться в области сердцевины за счет двух различных механизмов:
• механизма модифицированного полного внутреннего отражения, аналогичного эффекту, наблюдающемуся в стандартных оптических волноводах;
• механизма, основанного на эффекте фотонных запрещенных зон (ФЗЗ). Эффект ФЗЗ проявляется в том случае, когда эффективный показатель преломления оболочки больше, чем показатель преломления сердцевины.
Помимо изменения структуры, волноводные свойства ФКС могут быть произвольно изменены при помощи заполнения микроотверстий оболочки различными веществами, в том числе жидкими кристаллами (ЖК). Высокая чувствительность ЖК к внешним воздействиям, делает их весьма перспективными для волоконно-оптических приложений. Первая работа по ФЖКС была опубликована в 2003 году [6]. С этого времени наблюдается постоянное увеличение числа исследовательских групп, работающих в данном направлении.
1Богданович Денис Васильевич, кандидат физико-математических наук, начальник отдела лазерной физики и нанотехноло-гий Физико-технического института, тел.: 891494112998, e-mail: denis.bogdanovich@gmail.ru
Bogdanovich Denis, Candidate of Physical and Mathematical sciences, Head of the Department of Laser Physics and Nanotechnolo-gies, tel.: 891494112998, e-mail: denis.bogdanovich @ gmail.ru
Магарамов Ризван Алифисович, аспирант, тел.: 89641263496, e-mail: rizzvan_08@mail.ru Magaramov Rizvan, Postgraduate, tel.: 89641263496, e-mail: rizzvan_08@mail.ru
Регулировка положения и ширины запрещенных зон с помощью электрического поля была впервые продемонстрирована в 2004 году для полых ФКС [7], а в 2005 году для ФКС с сердцевиной из кварцевого стекла [8, 9]. В работе T.R. Wolinski [9] было представлено исследование температурной зависимости вол-новодных свойств ФЖКС с помощью специальной ЖК смеси с низким двулучепреломлением и обыкновенным показателем преломления ниже (в определенном диапазоне температур), чем показатель преломления кварцевого стекла. Одной из наиболее интересных особенностей ФЖКС является возможность динамической регулировки их поляризационных свойств за счет переориентации молекул ЖК вещества под воздействием внешних полей, в частности, настраиваемые, зависящие от поляризации проводимого излучения, потери [10] и регулируемое двулучепреломление [11-14].
В последнее время на основе ФЖКС было изготовлено большое число прототипов устройств с регулируемыми оптическими характеристиками [15, 16]. К таким устройствам относятся управляемые аттенюаторы, перестраиваемые широкополосные оптические фильтры, перестраиваемые поляризаторы (с произвольными, зависящими от поляризации, потерями и переменной осью поляризации), перестраиваемые фазовые пластинки. Эти компоненты могут быть дополнительно использованы для сборки более сложных устройств, таких как полностью волоконные контроллеры поляризации и поляризационные компенсаторы модовой дисперсии.
Поскольку ФКС обладают сложной конструкцией оболочки, их оптические свойства критическим образом зависят от упорядоченности структуры, малейшие неоднородности оболочки ведут к нарушению волно-водного режима и резкому росту оптических потерь. Многие исследовательские коллективы ищут новые, более простые структуры, обладающие всеми достоинствами ФКС. Так, впервые в работе Y.Wang [17] был предложен новый класс волоконных световодов - волоконный световод с полой сердцевиной, который привлек внимание многих исследовательских групп [18-20]. Обладая менее сложной структурой оболочки, данный тип световодов демонстрирует уникальные оптические свойства подобные свойствам ФКС с полой сердцевиной [21]. Так, например, в работах A.D.
Pryamikov и A.F. Kosolapov [22, 23] численно и экспериментально продемонстрировано, что простейший световод с полой сердцевиной может быть использован для достижения волноводного режима в широком диапазоне частот от видимого до ИК-излучения. Представленный световод имеет оболочку, состоящую только из восьми капилляров (рис. 2) и обеспечивает передачу излучения в спектральной области более 3,5 мкм, несмотря на то, что в данном диапазоне кварцевое стекло, из которого изготовлен световод, обладает высокими потерями. По мнению авторов, такой волноводный режим достигается во многом за счет отрицательной кривизны границы сердцевины и индивидуальных особенностей рассеяния каждого элемента оболочки.
Рис. 2. Световод с полой сердцевиной отрицательной кривизны и оболочкой, состоящей из 8 капилляров
Возможность перестройки оптических свойств данного световода в широких пределах путем заполнения капилляров оболочки ЖК представляет большой интерес для многих прикладных и исследовательских применений. Внедрение ЖК и исследование влияния внешних воздействий, таких как температура и электрическое поле, позволит внести ясность о принципах распространения света в подобных структурах, а также влияния на них геометрических и оптических параметров. В настоящей работе в качестве объекта исследований была выбрана структура световода с полой сердцевиной отрицательной кривизны, предложенная в [22] (рис. 3), волноводным режимом которой предполагается управлять путем изменения оптических свойств ЖК.
а) б)
Рис. 3. Заготовка световода (а) и изображение сечения световода с оболочкой (б), состоящей из восьми капилляров, диаметром полой сердцевины Dcore = 36 мкм
Рассчитанный спектр волноводных потерь свето- ствии с результатами, представленными в работе [22] вода с воздушным заполнением капилляров оболочки (рис. 4, 5). При расчете не учитывались материальные в диапазоне 1-4,5 мкм находится в хорошем соответ- потери кварцевого стекла.
100
ЦГП X, цт
а) б)
Рис. 4. Измеренный (а) и рассчитанный (б) спектры пропускания полого световода с внешним диаметром 206 мкм,
приведенные в работе [22]
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
X, ЦП1
Рис. 5. Рассчитанный спектр пропускания полого световода с внешним диаметром 206 мкм
Физико-математические науки
Волноводные свойства световода существенно зависят от параметров структуры - числа капилляров оболочки, их толщины и диаметра сердцевины. Поэтому подбор соответствующей геометрии световода, может обеспечить наличие ФЗЗ в рабочем диапазоне длин волн. Предполагается, что введение в состав структуры ЖК вещества, чувствительного к воздействиям внешних полей и температуры, предоставит возможность дополнительной динамической перестройки положения ФЗЗ. Однако все вышесказанное требует дополнительного изучения и станет объектом
дальнейших исследований.
Благодаря простоте конструкции и возможности динамического управления волноводными свойствами, жидкокристаллические световоды с полой сердцевиной отрицательной кривизны представляют существенный интерес для исследовательских и практических приложений. Прояснение механизма локализации света в области полой сердцевины и способов управления волноводным режимом позволит найти применение данным световодам в широком спектре устройств оптики и фотоники.
Библиографический список
1. Photonic liquid crystal fibers - а new challenge for fiber optics and liquid crystal photonics / T.R. Wolinski [and other] // Opt.-Electronics Review. 2006. Vol. 14. № 4. P. 329-334.
2. Photonic Liquid Crystal Fibersfor Sensing Applications / T. R. Wolinski [and other] // IEEE Transactions on Instrumentation and measurement. 2008. Vol. 57. № 8. P. 1796-1808.
3. Слепов Н. Новые типы оптических волокон и их применение // Электроника: наука, технология, бизнес. 2004. № 5. С. 80-84.
4. Желтиков А.М. Дырчатые волноводы // УФН. 2000. Т. 170. № 11. С. 1203-1215.
5. Zheltikov A.M. Optics of microstructure fibers // Moscow: Nauka, 2004. 144 c.
6. Optical devices based on liquid crystal photonic bandgap fibres / T.T. Larsen [and other] // Opt. Exp. 2003. Vol. 11. № 20. P. 2589-2906.
7. Lu Q., Wu S.T. Electrically tunable liquid-crystal photonic crystal fiber // Appl. Phys. Lett. 2004. № 85. P. 2181-2183.
8. Electrically tunable photonic bandgap guidance in a liquid-crystal-filled photonic crystal fiber / M.W. Haakestad [and other] // IEEE Photon. Technol. Lett. 2005. № 17. P. 819-821.
9. Influence of temperature and electrical fields on propagation properties of photonic liquid-crystal fibres / T.R. Wolinski [and other] // Meas. Sci. Technol. 2006. Vol. 985. № 17. P. 985-991.
10. Alkeskjold T.T., Bjarklev A. Electrically controlled broadband liquid crystal photonic bandgap fiber polarimeter // Opt. Lett. 2007. Vol. 1707. № 32. P. 1707-1709.
11. Photonic crystal fiber with a dual-frequency addressable liquid crystal: behavior in the visible wavelength range / A. Lorenz [and other] // Opt. Expr. 2008. Vol. 19375. № 16.
12. Tunable highly birefringent solid-core photonic liquid crystal fibers / T.R. Wolinski [and other] // Opt. Quantum Electron. 2007. Vol. 39 (12-13). P. 1021-1032.
13. Light propagation in highly birefringent photonic liquid crys-
tal fibers / S. Ertman [and other] // Opto-Electronics Review. 2009. № 17. P. 150-155.
14. Continuously tunable all-in-fiber devices based on thermal and electrical control of negative dielectric anisotropy liquid crystal photonic bandgap fibers / L.Wei [and other] // Appl. Opt. 2009. № 48. 497 p.
15. Proceeding of International Conference on Photonics, ICP 2010 / T.R. Wolinski [and other] // Art. no. 5604369, 2010.
16. Liquid crystal photonic crystal fibers and their applications / T.R. Wolinski [and other] // Proceedings of SPIE 7955, 795502, 2011.
17. Proceedings of CLEO 2010 / Y.Wang [and other] // Paper CPDB4, 2010.
18. Low loss broadband transmission in optimized core -shaped Kagome Hollow Core PCF, in Conference on Lasers and Electro-Optics / Y. Wang [and other] // Quantum Electronics and Laser Science, Postdeadline Papers (Optical Society of America, 2010), paper CPDB4.
19. Understanding origin of loss in large pitch hollow-core photonic crystal fibers and their design simplification / S. Février [and other] // Opt. Express. 2010. Vol. 18. № 5. P. 5142-5150.
20. Simplified hollow-core photonic crystal fiber / F. Gérôme [and other] // Opt. Lett. 2010. Vol. 35. № 8. P. 1157-1159.
21. Argyros A., and Pla J. Hollow-core polymer fibres with a kagome lattice: potential for transmission in the infrared // Opt. Express. 2007. Vol. 15. № 12. P. 7713-7719.
22. Demonstration of a waveguide regime for a silica hollow-core microstructured optical fiber with a negative curvature of the core boundary in the spectral region > 3.5 |jm / A.D. Pryamikov [and other] // Optical Society of America. 2011. Vol. 19. № 2.
23. Demonstration of CO2-laser power delivery through chalco-genide-glass fiber with negativecurvature hollow core / A.F. Kosolapov [and other] // Opt. Expr. 2011. Vol. 19. № 25. 25723 p.
