Holle optische vezels

FACULTEIT INGENIEURSWETENSCHAPPEN
Optische communicatie
Holle vezels (Holey fibers)
STUDIEOPDRACHT
Fondu Jelle
De Punt Marc
A C A D E M I E J A A R
2 0 0 6 - 2 0 0 7
1
Inhoudstafel
1. Inleiding …………………………………………………… 3
2. Basiswerking van holle vezels …………………………….. 4
a) Totale interne reflectie
b) Fotonisch bandgap effect
3. Karakteristieken van holle vezels …………………………. 7
4. Productie van holle vezels ……………………………....... 11
5. Bibliografie ……………………………….………………. 14
2
Inleiding
Deze studieopdracht heeft als doel een beknopt overzicht te geven van het begrip “holey
fibers”. Er zijn al veel onderzoeksgroepen die dit topic onderzocht hebben. Hierdoor heeft
deze techniek voor optische communicatie een aantal verschillende namen gekregen zoals
“Photonic crystal fibers”, “Photonic bandgap fibers”, “omniguides”, “Random-hole optical
fibers” en natuurlijk “holey fibers” zelf. In de literatuur zijn deze namen allemaal terug te
vinden en worden ze door elkaar gebruikt.
De laatste jaren is er op het vlak van holle vezel technologie heel veel veranderd. Er heeft een
evolutie plaatsgevonden van iets dat enkel bedoeld was voor onderzoeksactiviteiten naar een
sterk commerciële technologie die toch wel wat succes kent. Vele onderzoekers menen dat
holle vezels wel eens de ultieme transmissie techniek voor elektromagnetische velden zou
kunnen worden. Als holle vezels doorgroeien tot datgene wat van hun verwacht wordt,
kunnen zij op vele verschillende gebieden hun nut bewijzen. De techniek staat echter nog niet
helemaal op punt en heeft nog vele ontwikkelingsjaren voor de boeg.
In deze opdracht zullen we starten met een algemene uitleg over de werking van holle vezels.
Verder worden de karakteristieken, de invloed van het ontwerp op de karakteristieken en het
productieproces besproken. Tot slot hebben we het over de toepassingen in verschillende
gebieden, want dit is zeker niet uitsluitend beperkt tot het transmissie of communicatie. In
deze paragraaf zullen we het brede gamma aantonen, maar we zullen niet verder ingaan op al
deze verschillende toepassingen. Het gegeven overzicht heeft zeker niet de intensie volledig te
zijn.
3
Basiswerking van holle vezels
Naar analogie met een elektronische bandgap in halfgeleidermaterialen dacht men dat er bij
holle vezels ook wel een fotonische bandgap aanwezig zou zijn. Het is eigenlijk op basis van
dit idee dat men geneigd was om verder onderzoek te gaan verrichten op vlak van holle
vezels. Men wil, in analogie met halfgeleidercomponenten, een materiaal maken dat licht van
bepaalde golflengten niet zal doorlaten. In het begin was enkel die fotonische bandgap het
leidende mechanisme voor deze nieuwe klasse van optische vezel. Pas later hebben
onderzoekers ontdekt dat, door het toepassen van microstructurering en ingebouwde
luchtgaten in de vezel, deze apparaten een nog hogere performantie kunnen bereiken. Dit
gebeurt door beroep te doen op het principe van totale interne reflectie dat later nog besproken
zal worden.
Figuur 1: Doorsnede van een holle vezel. Heel duidelijk is de microstructuur en de luchtgaten die parallel
lopen aan de vezelrichting.
Eerst een woordje uitleg over de structuur van de holle vezel. Zoals op figuur 1 en 2 duidelijk
wordt, bestaat een holle vezel net zoals een conventionele vezel uit 2 delen: de kern en een
mantel rond die kern. De kern van de vezel is meestal gemaakt van ongedopeerd silicium. In
de mantel rond de kern zijn gaten in een bepaalde driehoekige microstructuur aangebracht. Zij
liggen georiënteerd volgens de richting van de vezel zelf. Op figuur 2 is ook de brekingsindex
aangegeven van het materiaal dat gebruikt wordt voor de mantel, de kern en de beschermende
laag daar rond Opvallend is de lagere brekingsindex van de mantel t.o.v. deze van de kern, dit
is een gevolg van de aanwezigheid van de gaten in de mantel. De kern, zonder gaten, zal dus
een veel hogere brekingsindex hebben dan de mantel van de vezel. In die gaten kunnen zowel
vloeistoffen, gassen als lucht aanwezig zijn. Intuïtief wordt duidelijk dat de brekingsindex van
de mantel de algemene brekingsindex van de vezel naar beneden zal trekken.
Figuur 2: a) De vezel bestaat uit 2 basisdelen: de kern en de mantel. b) De mantel van het materiaal is vol
met gaten, in de kern van de vezel ontbreekt een gat wat de hogere brekingsindex van de kern verklaart.
4
Holle vezels kunnen uiteindelijk opgedeeld worden in 2 grote categorieën: enerzijds de hoge
index geleidende vezels en anderzijds de lage index geleidende vezels. Hoge index geleidende
vezels gaan licht geleiden via de vaste kern en zij gaan dit doen aan de hand van het totale
interne reflectie principe dat hierboven al even vermeld werd. Die totale interne reflectie
wordt veroorzaakt door de lagere effectieve index van de met lucht gevulde gebieden.
Lage index geleidende vezels gaan ook licht geleiden maar zij doen dit volledig aan de hand
van het fotonische bandgap effect. Het licht kan enkel in de kern bestaan omdat dit fotonische
bandgap effect propagatie van licht in de mantel onmogelijk maakt. In de volgende 2
paragrafen zullen de begrippen totale interne reflectie en bandgap effect bij respectievelijk
hoge en lage index geleidende vezels verder besproken worden.
a) Totale interne reflectie (hoge index geleidende vezels)
Totale interne reflectie is een optisch fenomeen dat kan optreden wanneer licht wil
overgaan van een materiaal met een hoge brekingsindex naar een materiaal met lagere
brekingsindex. In het geval van holle vezels dus van glas naar bijvoorbeeld lucht. Het licht
valt in op de scheiding van de 2 materialen en zal gedeeltelijk worden gereflecteerd en
gedeeltelijk worden doorgelaten. Als de invalshoek ten opzichte van de normale groter
wordt dan de kritische hoek, dan zal er totale interne reflectie optreden. Dit betekent dat er
geen licht meer zal worden doorgelaten maar enkel gereflecteerd. Op figuur 3 wordt dit
visueel voorgesteld. Er moet echter wel vermeld worden dat dit effect niet zal optreden bij
de overgang van een materiaal met lagere brekingsindex naar een materiaal met hogere
brekingsindex.
Figuur 3: Totale interne reflectie als θ groter dan θc. De kritische hoek ligt tussen de rode en blauwe
invallende lijn.
Buiten de brekingsindexen van beide materialen is ook de kritische hoek heel belangrijk
bij totale interne reflectie. Deze is gedefinieerd als de minimale invalshoek waar dit
fenomeen zal optreden en wordt gegeven door de formule
waarin n2 de lage brekingsindex en n1 de hoge brekingsindex voorstelt.
Dit mechanisme wordt toegepast bij holle vezels. Zoals hierboven al vermeld wordt, heeft
de kern van de vezel een hogere index dan zijn mantel. Wat de holle vezel zo interessant
maakt, is de brekingsindex van de microgestructureerde mantel. Die brekingsindex zorgt
5
ervoor dat de propagatie afhankelijk wordt van de golflengte. Dit geeft holle vezels meer
eigenschappen dan de standaard technologie.
De mantel van de vezel zal ervoor zorgen dat licht enkel op bepaalde golflengtes zal
gereflecteerd worden. De gereflecteerde golflengtes worden bepaald door de
brekingsindex en de plaatsing van de gaten in de mantel. Sommige golflengtes zullen dus
door de vezel kunnen propageren en sommige niet. Het is mogelijk om bijvoorbeeld aan
de hand van deze grote golflengteafhankelijkheid een één-mode vezel te maken waarin net
één mode zal kunnen propageren.
Eén holle vezel kan enkel mode propagatie ondersteunen over een golflengtebereik van
ongeveer 300 nm tot 2000 nm. Dit enkel om een idee te geven van de golflengtes die
gebruikt worden. Bij het bespreken van de eigenschappen zullen we zien dat dit
golflengtebereik nog veel groter kan worden.
b) ‘Fotonische bandgap’ effect (lage index geleidende vezels)
Het effect dat in deze paragraaf besproken wordt, komt voor in de natuur en meerbepaald
bij vlinders. De prachtige scherpe kleuren die voorkomen op hun vleugels zijn het
resultaat van natuurlijk opgebouwde periodische microstructuren. De ordegrootte van
deze microstructuur is rond 1 micrometer.
De periodische microstructuur is ook aanwezig in holle vezels en voor het ontstaan van
een fotonische bandgap. In deze bandgap zal licht in bepaalde golflengteregio’s niet
propageren. Het licht wordt in de vleugel van de vlinder volledig (terug)gereflecteerd
waardoor je een blinkende kleur ziet. In een holle vezel gebeurt dit licht verschilllend. Er
wordt als het ware een kern gecreëerd door een defect aan te brengen in de microstructuur.
Er wordt een gat weggelaten in de kern van het materiaal wat in figuur 4 nog eens
zichtbaar wordt. Hierdoor ontstaat er in de kern van de vezel een gebied waar het licht kan
propageren. Omdat het licht enkel in de kern kan propageren, zal deze een lage
brekingsindex hebben, wat een groot verschil is met het mechanisme van totale interne
reflectie. Dit is niet mogelijk in standaardvezels en opent dan ook veel perspectieven voor
het gebruik van holle vezels.
Figuur 4: Propagatie gebeurt in de kern van het materiaal door een defect in de microstructuur aan te
brengen.
6
Karakteristieken van holle vezels
De eigenschappen van photonic crystal fibers zijn sterk afhankelijk van het ontwerp van het
gatenpatroon. Kleine veranderingen in dit patroon kunnen grote variaties op de eigenschappen
veroorzaken en zullen dus ook aanleiding geven tot een ander gebruik van de vezels. Met
deze veranderingen in het ontwerp worden o.a. bedoeld: de basisgeometrie van de gaten, de
relatieve grootte van de gaten (‘d’ in figuur 2 en 5), kleine verschuivingen van de gaten t.o.v.
het basispatroon, het ontbreken of toevoegen van gaten en het veranderen van de
tussenafstand van de gaten (‘Λ’ in figuur 2 en 5). Zo kunnen er bvb. door het weglaten van
meerdere gaten in de kern van de vezel andere karakteristieken bekomen worden. Dit wordt
duidelijk in figuur 5 en 6. In figuur 6 zien we de sterk verschillende afsnij-karakteristieken
voor de drie verschillende vezels van figuur 5.
Figuur 5: Holle vezels met 1 (HF1), 3 (HF3) en 7 (HF7) weggelaten gaten in de kern van het gatenpatroon.
Twee belangrijke parameters waarmee holle vezels beschreven worden zijn de V-parameter,
de genormaliseerde frequentie en de W-parameter (de genormaliseerde transversale
dempingconstante). Deze worden gegeven door de volgende formules:
Met k = 2π/λ het vrije ruimte golfgetal, a de effectieve kernstraal, n(co)=n(silicium)=1.45 de brekingsindex van
de kern, n(eff) de effectieve brekingsindex van de fundamentele mode en n(fsm) de effectieve brekingsindex van
de mantel, in overeenstemming met met de fundamentele space-filling mode.
7
Figuur 6: Afsnij-karakteristieken in een λ/Λ versus d/Λ fasediagram voor HF1, HF3 en HF7. De
datapunten zijn resultaten van een eindige elementen methode, de curves stellen voorspellingen voor uit
vergelijking 1 met V(λ)=2.405.
In figuur 7 wordt de afhankelijkheid van de V- en W- parameters tot de
ontwerpeigenschappen aangetoond. Op deze figuur is duidelijk te zien dat zowel de V – als de
W parameter daalt bij een groter wordende verhouding tussen de golflengte en de
tussenafstand van de gaten.
Figuur 7: Waarden van de V- en de W-parameter in functie van de verhouding van de golflengte tot de
tussenafstand tussen de gaten, waarbij de relatieve diameter van de gaten als parameter gekozen is.
8
De verliezen in de vezels zijn uiteraard een belangrijke karakteristiek en geheel afhankelijk
van de ontwerpkeuzes. In figuur 8 worden de verliezen in functie van het gatenpatroon
weergegeven voor een gekozen golflengte en een gekozen tussenafstand. Voor het berekenen
van de verliezen zijn verschillende methodes gebruikt waar niet dieper op in gegaan wordt.
De resultaten van de doubly clad fiber benadering DCFA, de finite element methode FEM en
de
multipole
methode
MM
stemmen
vrij
goed
overeen..
Verliezen in de vezels zijn grotendeels afhankelijk van het productieproces. Met steeds
nieuwere technieken probeert men deze verliezen uiteraard zo klein mogelijk te maken.
Figuur 8: De verliezen in dB in functie van de relatieve gatendiameter bij een golflengte van 1.55
micrometer met het aantal ringen van gaten N als parameter bij een tussenafstand van 2.3 micrometer.
Een volgende belangrijke eigenschap is dat als de verhouding tussen de grootte van de gaten
en de tussenafstand van de gaten zeer klein gekozen wordt, er een zeer breed golflengte
gebied is waar er enkel monomode voortplanting zal optreden. Bij een goede keuze van de
parameters is het mogelijk om oneindige monomode geleiding te verkrijgen, ‘endlessly
single-mode guidance’ genoemd. Dit is zeer nuttig in verschillende toepassingsgebieden.
Het is eveneens mogelijk een cut-off van de fundamentele mode te verkrijgen zodat het
ontwerp van single-polarization fibers mogelijk te maken en de Raman verstrooiing te
onderdrukken. Anderzijds kunnen de vezels zo ontworpen worden dat de brekingsindex zeer
sterk afhankelijk wordt van de polarisatierichting (dubbelbreking of birefringence genoemd).
Dit verkrijgt men door het asymmetrisch plaatsen van de gaten of het toevoegen van een
spanningselement. Het gebruik van deze eigenschap ligt bij de polarisatie onderhoudende
vezels.
Een andere aanpassing om de gewenste eigenschappen te verkrijgen is het al dan niet
opvullen van de gaten met gassen of vloeistoffen. Bij het vullen van de gaten met
bijvoorbeeld lucht krijgt men de zogenaamde ‘lucht geleidende vezels’ of ‘air guiding fibers’,
welke een speciaal type zijn van fotonische bandgapvezels. Zoals de andere types zal dit type
vezel het licht slechts geleiden in een beperkt spectraal gebied, bvb. voor vezels geleidend bij
een golflengte van 1550nm zal de typische bandbreedte 200nm zijn. Buiten dit gebied zal de
vezelkern niet geleidend zijn. Toepassingen hiervan zijn er in hoog vermogen levering,
zonder het risico op de beschadiging van de vezel, of in gas sensoren.
Uit dit hoofdstuk belsoten worden dat de holle vezel in vele opzichten overeen komt met een
standaard stapindex vezel, maar dat de holle vezel meer voordelen heeft. Deze worden
9
namelijk gemaakt van niet gedopeerd silicium wat het verlies sterk beperkt en de vezel hoge
vermogens en temperaturen aankan. Een holle vezel zal ook geen nadelige invloed
ondervinden van nucleaire radiatie. Al deze voordelen maken van holle vezels een enorme
interessante materie zowel op commercieel als op experimenteel vlak.
Op dit moment wordt de haalbaarheid onderzocht van vezels met meerdere holle kernen en de
specifieke eigenschappen van deze vezel in functie van de verschillende kernstructuren
binnenin deze vezel. Er zijn nog vele uitbreidingsgebieden mogelijk met deze holle vezel.
10
Productie van holle vezels
Uiteraard moet er ook een woordje gezegd worden over de fabricage van een holle vezel. Het
is namelijk zo dat het ontwerp van deze vezels een grote invloed heeft op o.a. de
dispersiekarakteristieken. Op deze manier kunnen bvb. vezels gecreëerd worden die geen of
lage dispersie op zichtbare golflengtes hebben.
Zoals reeds besproken onder “karakteristieken van holle vezels”, zullen door de keuze van het
ontwerp of de gebruikte materialen, de eigenschappen van de holle vezels drastisch gewijzigd
worden. Het is dus relevant verder in te gaan op de productie van deze vezel. Hoe ze gemaakt
worden en in welke fase van de fabricage parameters gekozen kunnen worden, zijn vragen die
in dit hoofdstuk beantwoord zullen worden.
Figuur 9: Verschillende gatenpatronen van holle vezels.
Het is duidelijk dat het ontwerp voor holle vezels zeer flexibel is en er dus veel
mogelijkheden zijn. Holle vezels worden in verschillende toepassingen gebruikt waardoor het
bepalen van alle parameters en bijhorende karakteristieken arbeidsintensief en tijdrovend kan
zijn.
Het eigenlijke productieproces.
De eerste stap is het maken van een voorvorm. Deze vorm wordt gemaakt door een aantal
holle capillaire silicium cilinders te bundelen rond een staaf van puur silicium. Op die manier
kan de gewenste silicium/lucht structuur bereikt worden. Deze manier om de voorvorm te
maken zorgt voor een flexibel ontwerp omdat zowel de kerngrootte als het indexprofiel in de
mantel perfect gecontroleerd kunnen worden.
11
Nadat de gewenste voorvorm gemaakt is, zal deze door een trektoren getrokken worden die
zich op een heel hoge temperatuur (2000°C) bevindt zoals op figuur 10 aangegeven is.
Figuur 10: Fabricageproces: van de voorvorm tot de holle vezel.
De holle vezel zal door dit trekproces flinterdun getrokken worden (diameter 125 μm) en kan
tot meerdere kilometers lang zijn. Men moet dit proces natuurlijk wel zeer voorzichtig
uitvoeren omdat de structuur van de gaten beschadigd zou kunnen worden. Via dit proces
kunnen er gatenpatronen met een zeer complexe structuur geproduceerd worden.
Als laatste stap in het productieproces wordt de holle vezel nog voorzien van een
beschermende laag zodat je zonder enige kans op beschadiging met de vezel kan werken. Wat
opvalt, is de gelijkenis met de gewone vezelfabricatie. De uiteindelijke vorm zal identiek zijn
maar vooral de voorvorm kent grote verschillen.
De technologie rond holle vezels is de laatste tijd enorm gegroeid. Het is echter wel zo dat de
productie en de controle van de vezelparameters nog altijd niet vergelijkbaar zijn met de
standaard vezeltechnologie. Ontwerpers zouden er moeten voor zorgen dat de verliezen van
holle vezels dalen tot of onder het niveau van het niveau van standaard enkelmode vezels. Dat
is ongeveer 0,2 dB/ km bij een golflengte van 1550 nm. Het veranderen van de samenstelling
van het water tijdens het trekproces heeft het niveau van de verliezen al teruggebracht tot 1
dB/km. Het laagste verliesniveau is al bekend in theorie maar de practisch haalbare grens nog
niet. Dit zal de toekomst en veel verder onderzoek moeten uitwijzen.
12
Toepassingen
In de telecommunicatiesector worden holle vezels als communicatiemiddel gebruikt, maar
ook als filters, vezel-optische sensoren, schakelaars of voor dispersiecontrole. Het
toepassingsgebied van holle vezels beperkt zich dus zeker niet tot het transmissie- of
communicatiegebied.
O.a. op het biomedische vlak is er recentelijk een doorbraak geweest waarbij d.m.v. holle
vezels veel voorkomend laserlicht omgezet kan worden naar laserlicht met een golflengte die
tot voor kort niet beschikbaar was. Het meest typerende voorbeeld hiervan is een holle vezel
gemaakt uit een fotonisch kristal materiaal en gevuld met waterstofgas. Wanneer deze vezel
als converter achter een laser geplaatst wordt, produceert deze ultraviolet licht dat gebruikt
wordt voor kankerdetectie en andere weefselanalyses.
In het gebied van de quantum optica zijn er verschillende toepassingen zoals o.a. geleiding
van de zogenaamde ‘cold atoms’ en de generatie van gecorreleerde fotonenparen.
Holle vezels kunnen door hun aparte dispersiekarakteristieken een heel sterke niet lineaire
interactie teweegbrengen over een grote lengte van de vezel. Daarom worden holle vezels ook
gebruikt bij niet lineaire toestellen. Als er optische pulsen door zo’n niet lineair apparaat
worden gestuurd, zal het proces “supercontinuüm generatie” optreden. De coherentie die
voorkomt bij deze generatie, is zeer belangrijk voor de propagatie van optische spectra in
holle vezels. We gaan hier echter niet verder op in.
Ook al zijn holle vezels nu al enkele jaren op de markt, de enorme toepassingsmogelijheden
zijn verre van volledig ontgonnen. Verwacht wordt dat dit onderzoeksgebied zeer levendig zal
blijven in de komende jaren en veel kansen zal creëren voor verder onderzoek, zowel
betreffende het vezelontwerp als voor de applicaties.
13
Bibliografie
-
Understanding Fiber optics, fourth edition, Jeff Hecht
-
http://www.rp-photonics.com Encyclopedia of laser physics and technology
-
http://nl.wikipedia.org De vrije encyclopedie online
-
http://www.science-direct.com Scientific, medical and technical information online
-
http://oemagazine.com The SPIE magazine of photonic technologies and applications
-
http://www.crystal-fibre.com The worlds largest manufacturer of photonic crystal
fibers
14