Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona49/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   ...   45   46   47   48   49   50   51   52   53

5.5.7 Podsumowanie


Fotoniczne światłowody kapilarne mają znaczny potencjał rozwojowy, szczególnie w aspekcie zastosowań w kablowej telekomunikacji optycznej. Obecne oceny, wynikające z intensywnych badań nad takimi strukturami, prowadzone w kilku czołowych laboratoriach uniwersyteckich i firmowych, podają następujące dane: tłumienie dla długości fali tłumienia minimalnego – rzędu 0,1 dB/km, dyspersja kilkudziesięciokrotnie mniejsza od światłowodu klasycznego w szerokim paśmie, poziom zjawisk nieliniowych – dla mocy optycznej ponad dziesięciokrotnie większej, fotoniczne pasmo przezroczystości – kilkaset nanometrów, itp. Podstawowym ograniczeniem obecnie w zastosowaniu tych światłowodów (z ultra czystego szkła krzemionkowego) w systemach telekomunikacyjnych jest poziom tłumienia rzędu 1 dB/km oraz większa długość fali minimalnego tłumienia, obecnie 1750 nm, a w przyszłości nieco większa, nawet do 1900 nm.
LITERATURA
[1] P.P.Mitra, J.B.Stark, Nonlinear limits to the information capacity of optical fibre communications, Nature, vol.411, 28 June 2001, pp.1027-1030;

[2] K. Nagayama, M. Kakui, M. Matsui, I. Saitoh and Y. Chigusa, “Ultra-low-loss (0.1484 dB/km) pure silica core fibre and extension of transmission distance,” Electron. Lett. 38, 1168-1169 (2002).

[3] P.J.Roberts, F.Couny, H.Sabert, B.J.Mangan, D.P.Williams, L.Farr, M.W.Mason, A.Tomlinson, T.A.Birks, J.C.Knight, P.St.J.Russell, Ultimate low-loss hollow core photonic crystal fibres, Optics Express, 10 January 2005, vol.13, no.1, pp.236-244;

[4] B. J. Mangan, L. Farr, A. Langford, P. J. Roberts, D. P. Williams, F. Couny, M. Lawman, M. Mason, S. Coupland, R. Flea, H. Sabert, T. A. Birks, J. C. Knight and P. St.J. Russell, “Low loss (1.7 dB/km) hollow core photonic bandgap fiber,” in Proc. Opt. Fiber. Commun. Conf. (2004), paper PDP24.

[5] J.A.West, Ch.M.Smith, N.F.Borelli, D.C.Allan, K.W.Koch, Surface modes in air-core photonic band-gap fibers, Optics Express, 19 April 2004, vol.12, no.8, pp.1485-1496;

[6]K. Saitoh, N. A. Mortensen, and M. Koshiba, "Air-core photonic band-gap fibers: the impact of surface modes," Opt. Express 12, 394-400 (2004),

[7] D. C. Allan, N. F. Borrelli, M. T. Gallagher, D. Müller, C. M. Smith, N. Venkataraman, J. A. West, P. Zhang, K.W. Koch, “Surface modes and loss in air-core photonic bandgap fibers,” in Photonic Crystal Materials and Devices, Ali Adibi, Axel Scherer, and Shawn Yu Lin;, eds. Proc. SPIE 5000, p. 161-174 (2003)

[8] J. Jäckle and K. Kawasaki, “Intrinsic roughness of glass surfaces,” J. Phys.: Condens. Matter 7, 4351-4358 (1995)

[9] A. K. Doerr, M. Tolan, W. Prange, J.-P. Schlomka, T. Seydel, W. Press, D. Smilgies and B. Struth, “Observation of capillary waves on liquid thin films from mesoscopic to atomic length scales,” Phys. Rev. Lett. 83, 3470-3473 (1999)

[10] P. K. Gupta, D. Inniss, C. R. Kurkjian and Q. Zhong, “Nanoscale roughness of oxide glass surfaces,” J. Non-Cryst. Solids 262, 200-206 (2000).

[11] A. Roder, W. Kob and K. Binder, “Structure and dynamics of amorphous silica surfaces,” J. Chem. Phys. 114, 7602-7614 (2001)

[12] T. Seydel, A. Madsen, M. Tolan, G. Grübel and W. Press, “Capillary waves in slow motion,” Phys. Rev. B 63, 073409 (2001)


5.6. Transmisja koherentnej fali deBroglie w światłowodzie kapilarnym

Optyka atomowa jest dziedziną zajmującą się propagacją pojedynczych, zimnych atomów i ich (bardziej lub mniej) uporządkowanych wiązek jako fal materialnych deBroglie. Koherentnej przestrzennie i monochromatycznej energetycznie propagacji mogą podlegać zimne atomy, nie emitujące spontanicznie fotonów. Analogicznie do optyki klasycznej wykorzystywane są takie elementy jak soczewki, pryzmaty, siatki dyfrakcyjne, polaryzatory, zwierciadła, dzielniki wiązki, światłowody. Wiązka atomowa ulega skupieniu w soczewce analogicznie do wiązki światła. Długość fali atomowej deBroglie jest relatywnie mała (i bardziej zmienna dla atomów w różnym stanie energetycznym) w porównaniu z falą optyczną. Soczewki deBroglie mają znacznie mniejszą długość ogniskową niż soczewki optyczne dla promieniowania widzialnego.


5.6.1 Optyka atomowa

Elementy optyki atomowej wykorzystują zjawisko przesunięcia i rozszczepienia linii widmowych atomów w silnym stałym lub zmiennym polu elektrycznym, tzw. przesunięcie Starka (DC/AC Stark shift). Zjawisko zachodzi np. w silnym zmiennym polu elektrycznym (np. rzędu 1010V/cm) wiązki laserowej. Tak silne pola uzyskuje się jako zmienne. Uzyskiwane pola stałe są znacznie słabsze. Elementy optyczne pracują w pobliżu częstotliwości rezonansowej absorpcji maksymalnej dla określonego przejścia energetycznego danego atomu. Przesunięcie linii widmowej jest związane z uzyskaniem przez atom dodatkowej energii i jest proporcjonalne do natężenia wiązki laserowej oraz odwrotnie proporcjonalne do odstrojenia od rezonansowego przejścia atomowego (dla dostatecznie dużego odstrojenia). Gradient silnego pola nieco odstrojonej wiązki laserowej oddziałuje na atom siłą odpychającą lub przyciągającą, w zależności od znaku odstrojenia [1]. Optyczna fala stojąca utworzona z wiązki laserowej tworzy znaczne gradienty pola i jest dla atomów liniowym falowodem cylindrycznym złożonym z soczewek. Gradient pola optycznego może działać na wiązkę atomową jak zwierciadło. Rozdzielanie wiązki atomowej otrzymywano wieloma metodami, np. poprzez wykorzystanie spolaryzowanych wiązek światła propagujących w przeciwnych kierunkach.

Do koherentnego prowadzenia atomów wykorzystuje się szklane światłowody kapilarne, początkowo wielomodowe a obecnie jednomodowe. Pierwszą pracę na ten temat opublikowano w roku 1993 [2]. Od tego momentu przedstawiono, w liczącej się literaturze światowej, ok. 50 poważniejszych prac na ten temat. Najistotniejsze prace dotyczące kolejnych etapów rozwoju i potencjalnych możliwości aplikacji nowej technologii zebrano w wykazie literatury [3-22]. W przypadku porównywalnych długości fali deBroglie i fali optycznej oraz dużego natężenia zanikającej fali optycznej na granicy szkło-powietrze skuteczność prowadzenia atomów może być znaczna. W szklanym optycznym rdzeniu pierścieniowym propagowana jest jednomodowa (najlepiej również jednopolaryzacyjna) fala odstrojona od rezonansowego przejścia atomowego w kierunku fal krótszych (przesunięcie niebieskie). Energia atomu wówczas wzrasta. Zanikająca fala optyczna w rdzeniu próżniowym stanowi odpychającą barierę potencjału dla wiązki atomów. Atomy nie stykają się ze szkłem światłowodu. W przeciwnym wypadku uległyby dezaktywacji.

Poprzeczny wymiar geometryczny układu prowadzenia atomów (tj. wnikanie fali zanikającej w obszar rdzenia kapilary) jest rzędu długości fali optycznej. Przeciwna sytuacja występuje dla odstrojenia wiązki laserowej w kierunku dłuższych fal (przesunięcie czerwone). Atomy są przyciągane w kierunku pola o dużym natężeniu. Mechanizm fizyczny tego zjawiska jest klasyczny i polega na pobudzaniu oscylatora z odstrojonego źródła energii. Energetyczne przesunięcie Starka jest niewielkie i wynosi:



ΔE=hsΓ2/8Δ, (1)

gdzie s jest parametrem nasycenia I/Io­­­, - natężenie nasycenia przejścia, Γ- odwrotność naturalnego czasu życia stanu wzbudzonego, h- stała Plancka, Δ- odstrojenie od rezonansu. Parametr nasycenia jest rzędu (10-2-10-4). Całkowite przesunięcie Starka jest rzędu 1oK dla typowych parametrów stosowanych wiązek laserowych i światłowodów kapilarnych.

Jeśli chce uniknąć się transmisji w kapilarze atomów balistycznych, to włókno optyczne musi być wygięte. Wówczas atomowa fala deBroglie jest transmitowana wyłącznie metodą całkowitego wewnętrznego odbicia od ograniczającej bariery potencjału, tworzonej przez falę optyczną wewnątrz kapilary. Podobnie jak w optyce geometrycznej i falowej, transmisja jest efektywna, tzn. małostratna, pod warunkiem padania fali deBroglia na ścianki światłowodu pod kątem mniejszym od kąta aperturowego. Ten kąt jest związany z poprzeczną składową prędkości propagacji atomów. Od klasycznego układu optycznego ten rodzaj transmisji różni metoda wprowadzania i wyprowadzania fali deBroglie ze światłowodu. Konieczne jest posiadanie dostatecznie intensywnego źródła fali materialnej o równoległym strumieniu zimnych atomów, które podlegają sprzężeniu do kapilary.

Pierścieniowy rdzeń optyczny jest jednomodowy w celu uniknięcia zjawiska mieszania modów (interferencji międzymodowej). Uzyskuje się wówczas stabilny rozkład pola zanikającego na znacznych długościach jednomodowego światłowodu kapilarnego w porównaniu ze światłowodem wielomodowym. Pole zanikające nie podlega dyfrakcji co pozwala na precyzyjną kontrolę niewielkiej ilości atomów. Pole bliskie optycznej kapilary jednomodowej ma postać dobrze zdefiniowanego geometrycznie pierścienia i ze względu na silną dyfrakcję przechodzi w plamkę gaussowską w odległości zaledwie kilkudziesięciu μm od czoła światłowodu. W światłowodzie wielomodowym na powierzchni kapilary mogą powstawać plamki interferencyjne (speckles) o niewielkim natężeniu pola na brzegach. W tych miejscach może dochodzić do zderzeń atomów z powierzchnią szkła, ich dezaktywacji i upośledzenia transmisji. Z tego względu efektywność transmisji atomów w układzie optycznym wielomodowym wynosi kilka procent. W układzie jednomodowym przewiduje się zwiększenie efektywności do poziomu kilkudziesięciu procent, uwzględniając pułapki atomów balistycznych.



Natężenie pola w światłowodowej kapilarze jednomodowej na granicy szkło-powietrze jest znacznie większe niż w przypadku światłowodu wielomodowego z powodu mniejszych rozmiarów układu optycznego. W układzie jednomodowym możliwa jest transmisja atomów o większych prędkościach poprzecznych, gdyż mogą być efektywnie odbite. Potencjał dipolowy spowodowany polem optycznym wynosi:

, (2)

gdzie: Γ-jest odwrotnością czasu życia stanu wzbudzonego, Ω=d|E|/h-jest częstotliwością Rabiego, d-jest współczynnikiem sprzężenia atomu, |E|-jest natężeniem pola elektrycznego, h-stała Plancka. Odstrojenie częstotliwości lasera od rezonansu jest Δ=ω­­­­lasat-kv, gdzie k-wektor falowy, v-prędkość atomowa, iloczyn kv-jest przesunięciem Dopplera. Dla dużego odstrojenia zachodzi w przybliżeniu U≈hΩ2/4Δ. Porównując energię kinetyczną atomu z potencjałem dipolu, otrzymuje się maksymalną dopuszczalną prędkość atomową:



. (3)

Taka ocena jest konieczna gdyż w odróżnieniu od światła, monochromatyczne źródła atomów nie istnieją. Maksymalna dopuszczalna prędkość poprzeczna transmitowanego atomu jest proporcjonalna do pola elektrycznego, a stąd do pierwiastka kwadratowego natężenia wiązki laserowej na granicy kapilara – rdzeń optyczny [15].


5.6.2. Rodzaje światłowodów kapilarnych dla optyki atomowej

Rys. 1 przedstawia przekroje poprzeczne podstawowego rozwiązania kapilary (wielomodowa) i światłowodu jednomodowego o prostym i złożonym profilu refrakcyjnym. Optyczne kapilary wielomodowe były stosowane w początkowych eksperymentach transmisji fali deBroglie. Wraz z rozwojem techniki kapilarnej transmisji fali atomowej zaczęto poszukiwać optymalnego rozwiązania dla odpowiednich światłowodów. Światłowód taki powinien umożliwiać efektywną transmisję modu LP11 przy jednoczesnym braku propagacji modu LP01. Światłowód taki powinien być pobudzany kapilarną wiązką laserową otrzymywaną np. poprzez zastosowanie maski fazowej.



Rys.1. Przekrój poprzeczny i profil refrakcyjny światłowodowej kapilary optycznej, a) wielomodowej w rozwiązaniu podstawowym, b) o złożonym profilu refrakcyjnym, jednomodowej. c) fotografie kapilary jednomodowej stosowanej do celów optyki atomowej o średnicy otworu 5 μm (szlif skośny 45o w celu ułatwienie pobudzania włókna wiązką optyczną) i przekrój podłużny [15].

1   ...   45   46   47   48   49   50   51   52   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna