Mikrostrukturerad optisk fiber

Mikrostrukturerade optiska fibrer (MOF) är optiska fibervågledare där styrning erhålls genom manipulering av vågledarstrukturen snarare än dess brytningsindex .

I konventionella optiska fibrer styrs ljuset genom effekten av total inre reflektion . Styrningen sker inom en kärna med brytningsindex högre än brytningsindex för det omgivande materialet ( beklädnad ). Indexförändringen erhålls genom olika dopning av kärnan och beklädnaden eller genom användning av olika material. I mikrostrukturerade fibrer tillämpas ett helt annat tillvägagångssätt. Fiber är byggd av ett material (vanligtvis kiseldioxid ) och ljusstyrning erhålls genom närvaron av lufthål i området som omger den fasta kärnan. Hålen är ofta arrangerade i det vanliga mönstret i tvådimensionella arrayer, men det finns andra mönster av hål, inklusive icke-periodiska. Medan periodiskt arrangemang av hålen skulle motivera användningen av termen " fotonisk kristallfiber ", är termen reserverad för de fibrer där utbredning sker inom en fotonisk defekt eller på grund av fotonisk bandgapeffekt . Som sådan kan fotoniska kristallfibrer betraktas som en undergrupp av mikrostrukturerade optiska fibrer.

Det finns två huvudklasser av MOF

1. Indexstyrda fibrer, där styrning erhålls genom effekt av total intern reflektion
2. Fotoniska bandgapfibrer, där styrning erhålls genom konstruktiv interferens av spritt ljus (inklusive fotonisk bandgapeffekt.)

Strukturerade optiska fibrer, de som är baserade på kanaler som löper längs hela deras längd går tillbaka till Kaiser and Co 1974. Dessa inkluderar luftklädda optiska fibrer, mikrostrukturerade optiska fibrer som ibland kallas fotoniska kristallfibrer när uppsättningarna av hål är periodiska och ser ut som en kristall , och många andra underklasser. Martelli och Canning insåg att kristallstrukturerna som har identiska interstitiella regioner faktiskt inte är den mest idealiska strukturen för praktiska tillämpningar och påpekade att aperiodiska strukturerade fibrer, såsom fraktalfibrer, är ett bättre alternativ för låga böjförluster. Aperiodiska fibrer är en underklass av Fresnelfibrer som beskriver optisk utbredning i analoga termer med diffraktionsfria strålar. Även dessa kan göras genom att använda luftkanaler på lämpligt sätt placerade på den optiska fiberns virtuella zoner.

Fotoniska kristallfibrer är en variant av de mikrostrukturerade fibrerna som rapporterats av Kaiser et al. De är ett försök att införliva bandgap- idéerna från Yeh et al. på ett enkelt sätt genom att regelbundet stapla ett regelbundet utbud av kanaler och dra till fiberform. De första sådana fibrerna fortplantade sig inte med ett sådant bandgap utan snarare genom ett effektivt stegindex – dock har namnet, av historiska skäl, förblivit oförändrat även om vissa forskare föredrar att kalla dessa fibrer för "håliga" fibrer eller "mikrostrukturerade" optiska fibrer i referens till det redan existerande arbetet från Bell Labs. Skiftet till nanoskalan föregicks av den nyare etiketten "strukturerade" fibrer. En extremt viktig variant var den luftklädda fibern som uppfanns av DiGiovanni vid Bell Labs 1986/87 baserat på arbete av Marcatili et al. 1984. Detta är kanske den enskilt mest framgångsrika fiberdesignen hittills baserad på strukturering av fiberdesignen med hjälp av lufthål och har viktiga applikationer när det gäller hög numerisk öppning och ljusinsamling, särskilt när den implementeras i laserform, men med stort lovande inom områden så olika som biofotonik och astrofotonik.

Periodisk struktur kanske inte är den bästa lösningen för många tillämpningar. Fibrer som går långt utöver att forma närfältet nu kan medvetet utformas för att forma fjärrfältet för första gången, inklusive fokusering av ljus bortom änden av fibern. Dessa Fresnelfibrer använder välkänd Fresnel-optik som länge har använts för linsdesign, inklusive mer avancerade former som används i aperiodisk, fraktal och oregelbunden adaptiv optik, eller Fresnel/fraktalzoner. Många andra praktiska designfördelar inkluderar bredare fotoniska bandgap i diffraktionsbaserade utbredningsvågledare och minskade böjförluster, viktiga för att uppnå strukturerade optiska fibrer med utbredningsförluster under stegindexfibrerna.