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À propos de la fibre à noyau creux

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A propos de HC-PBGF

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1． Fibre à cristal photonique à cœur creux

En 1987, E. Yablonovitch a proposé que des matériaux diélectriques ayant différents indices de réfraction soient disposés périodiquement en une, deux ou trois dimensions dans une fibre optique, c'est-à-dire que les capillaires en verre miniaturisés soient distribués dans un réseau périodique, qui peut être utilisé comme matériau composite pour former une gaine de fibre optique, et que le cœur de la fibre soit un trou d'air avec une structure creuse, pour réaliser un guidage optique à faible perte dans le cœur de l'air. La source de développement de la fibre à cristaux photoniques à cœur creux (HC-PCF) est la suivante :

De 1995 à 1999, les scientifiques ont lancé la vérification théorique de la fibre à cristaux photoniques à cœur creux (HC-PCF), puis les fibres à cristaux photoniques à cœur creux de diverses structures ont émergé sans fin.

2． Classification des fibres à cristaux photoniques à cœur creux

Sur la base du principe de conduction optique, les HC-PCF peuvent être divisées en deux types de fibres à cristaux photoniques : les fibres à bande creuse (HC-PBGF) et les fibres anti-résonnantes (HC-ARF).

1) Fibre à bande creuse (HC-PBGF) : Elle est basée sur le principe de la bande interdite photonique pour guider la lumière. La gaine est une structure à bande interdite photonique disposée en réseau par des trous d'air périodiques. Lorsque la partie défectueuse au centre de la structure est constituée d'air, la lumière dont la longueur d'onde se situe dans la plage de la bande interdite peut être confinée dans le noyau d'air.

2) Fibre anti-résonante à noyau creux (HC-ARF) : Son mécanisme de guidage de la lumière peut être expliqué par le principe du guide d'onde optique réfléchi anti-résonant dans un guide d'onde planaire. La figure 4 montre la fibre anti-résonante à cœur creux avec une structure simple, et sa partie de gaine est faite de matériaux de quartz à indice de réfraction élevé, et la partie noire est de l'air à indice de réfraction faible. La couche de structure capillaire en quartz entourant le noyau d'air autour de la structure de la fibre constitue la partie centrale. Cette structure peut faire résonner la lumière d'une longueur d'onde spécifique à l'extérieur de la gaine et renvoyer la lumière qui ne remplit pas la condition de résonance vers le noyau d'air, confinant ainsi la lumière dans le noyau d'air et réalisant un guide de lumière à réflexion anti-résonante. La longueur d'onde de résonance dépend de l'épaisseur et de l'ordre de résonance du capillaire de quartz.

3． Processus de production de la fibre à ruban creux

À l'heure actuelle, la production de la fibre à bande creuse peut être divisée en quatre étapes :

① Dessiner le capillaire avec un diamètre extérieur précis selon la conception structurelle, y compris le capillaire de la partie de revêtement et le capillaire central, et arranger le capillaire en un faisceau capillaire micro-structuré ;

② Insérer le faisceau capillaire dans le manchon pour l'assemblage ;

③ Dessiner la combinaison du faisceau capillaire et du manchon en une préforme microstructurée ;

④ étirer la préforme dans le fil pour former une fibre à cristaux photoniques à cœur creux.

4． Applications importantes de la fibre à bande interdite à cœur creux

La fibre à bande creuse est principalement utilisée pour la communication par fibre optique, la détection par fibre optique et les lasers à fibre optique.

1) Communication par fibre optique : La fibre à cristal photonique à bande creuse présente les caractéristiques d'une faible non-linéarité et d'un faible retard, peut effectuer des transmissions sur de grandes longueurs d'onde et présente une stabilité de phase à haute température. En outre, la transmission à faible perte des ondes lumineuses dans le noyau d'air est une caractéristique importante de la fibre à bande interdite à cœur creux. Par conséquent, dans le cadre du développement des systèmes de communication optique, elles sont d'une grande valeur en tant que support de transmission.

Capacité élevée : Le débit de transmission des données atteint 73,7 Tb/s (3MDM × 96WDM × 256 Gb/s) à travers environ 310 m de fibre à bande creuse. Le débit net est de 57,6 Tb/s.

Longue distance : La fibre à bande creuse peut assurer la transmission de données sur de longues distances à un débit de 50 Gbits/s.

Faible retard : la transmission par fibre à bande creuse de 11 km, comparée à la fibre traditionnelle, réduit le délai d'environ 16μs, et le taux d'erreur binaire <1e°, ce qui équivaut à une transmission sans erreur.

Cependant, la perte de la fibre à bande creuse sera limitée par la diffusion de l'interface verre de silice/cœur d'air, et il est nécessaire d'élargir la bande passante et de réduire la perte pour améliorer la compétitivité de la fibre de communication traditionnelle.

2) Laser à fibre (transfert d'énergie) : Transmission d'impulsions courtes à haute énergie. Les lasers à impulsions courtes à haute énergie peuvent fournir des impulsions lumineuses d'une durée inférieure à la picoseconde, d'une puissance de crête supérieure au gigawatt et d'une fréquence de répétition supérieure au MHz. Parce qu'elle permet un micro-traitement plus précis de divers matériaux tout en minimisant la taille de la zone affectée par la chaleur, cette technologie est aujourd'hui largement utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs, la gravure sur verre, l'automobile et l'électronique plastique, ainsi que pour réaliser des opérations chirurgicales complexes et mineures, telles que l'ophtalmologie, l'odontologie ou l'otologie.

3) Détection par fibre optique : La transmission à faible perte des ondes lumineuses dans le cœur d'air est une caractéristique importante des fibres à bande interdite à cœur creux. Elle crée un canal à longue distance et à haute densité énergétique pour l'interaction entre la lumière et la matière, et réduit l'influence des propriétés des matériaux de la fibre sur la lumière transmise (comme l'effet optique absorptiométrique dans l'infrarouge moyen), et fournit une nouvelle plate-forme efficace pour les applications de détection telles que la détection de traces de gaz/liquides et les gyroscopes à fibre optique de haute précision. La fine microstructure à l'intérieur de la fibre à bande creuse possède de nouvelles propriétés mécaniques et thermiques, ce qui est propice aux applications de détection telles que la détection d'ondes acoustiques et de vibrations ; elle peut également modifier la structure ou remplir le matériau de la gaine poreuse en combinant les technologies de post-chaleur des fibres optiques. Il peut également modifier la structure ou remplir le matériau de la gaine poreuse en combinant les technologies de traitement post-chaleur des fibres optiques et de remplissage sélectif, afin d'obtenir des performances supplémentaires et une expansion des fonctions.

La sensibilité du gyroscope à fibre optique à bande interdite à noyau creux à l'effet Kerr, à la dérive thermique transitoire et à l'effet Faraday est considérablement réduite. Pour un gyroscope à fibre optique à bande creuse à onde triangulaire modulée en phase, l'effet Kerr est environ 70 fois inférieur à celui d'une fibre monomode ordinaire. Cela permet d'améliorer la stabilité à long terme du gyroscope et la précision dans divers environnements d'interférence tels que la chaleur et le magnétisme, et de réduire davantage le coût du système.

5． Conclusion

Avec les progrès continus de la technologie de fabrication des fibres à bande interdite à cœur creux, ses performances peuvent être encore améliorées dans les directions suivantes : (1) réduction des pertes et de la rétrodiffusion ; (2) réduction du diamètre de la fibre optique ; (3) technologie plus efficace d'épissage par fusion des fibres optiques ; (4) élargissement de la largeur de bande de transmission. Dans l'application, avec l'amélioration des performances des fibres à bande creuse, en particulier pour les systèmes ayant des exigences plus élevées en termes de non-linéarité et de retard, les fibres à bande creuse sont devenues de plus en plus attrayantes.