RU2401814C1 - Photonic-crystal fibre production method - Google Patents

Photonic-crystal fibre production method Download PDF

Info

Publication number
RU2401814C1
RU2401814C1 RU2009120290/03A RU2009120290A RU2401814C1 RU 2401814 C1 RU2401814 C1 RU 2401814C1 RU 2009120290/03 A RU2009120290/03 A RU 2009120290/03A RU 2009120290 A RU2009120290 A RU 2009120290A RU 2401814 C1 RU2401814 C1 RU 2401814C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pcf
photonic
neutron
workpiece
fibre
Prior art date
Application number
RU2009120290/03A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Любовь Михайловна Журавлева (RU)
Любовь Михайловна Журавлева
Владимир Георгиевич Плеханов (EE)
Владимир Георгиевич Плеханов
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МИИТ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МИИТ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МИИТ)
Priority to RU2009120290/03A priority Critical patent/RU2401814C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2401814C1 publication Critical patent/RU2401814C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method of producing photonic-crystal fibre (PCF) relates to production of optical waveguides based on nanotechnology used in fibre-optic communication systems and optoelectronics for transmitting and processing information. The method of producing photonic-crystal fibre involves preparing one-, two- and three-dimensional photonic-crystal lattices of different sizes, including nanosized lattices, through exposure to streams of slow neutrons with strictly predetermined geometry of exposed sections of the workpiece which is made from a homogeneous chemical substance, mainly silicon dioxide, in order to change its isotopic composition and attain required optical properties. The workpiece is exposed using a special centralised apparatus consisting of several irradiators, the number of which is equal to the number of rods in the photonic-crystal fibres lying on the diametre of the workpiece at distances from each other corresponding to the position of the rods in the fibre. The irradiators form beams of slow neutrons with strictly predetermined parametres.
EFFECT: simplification of the technological process and more accurate production of separate elements of the photonic-crystal fibre, which has significant effect on quality characteristics of the fibre.
8 dwg

Description

Предлагаемый способ изготовления фотонно-кристаллического волокна (ФКВ) относится к области нанотехнологий, предназначенных для производства оптического волокна (ОВ), используемого для различных целей, в том числе передачи информации, в нано- и оптоэлектронике, а также фотонике.The proposed method for the manufacture of photonic crystalline fiber (PCF) relates to the field of nanotechnology intended for the production of optical fiber (S) used for various purposes, including the transmission of information in nano and optoelectronics, as well as photonics.

Фотонно-кристаллические волокна представляют собой новый тип оптических волноводов, потенциальные возможности которых существенно выше, чем у стандартного волокна. Это достигается благодаря необычной структуре оболочки вокруг сердцевины ОВ в виде фотонно-кристаллической решетки.Photonic crystal fibers represent a new type of optical waveguides, the potential of which is significantly higher than that of a standard fiber. This is achieved due to the unusual structure of the shell around the core of the OM in the form of a photonic crystal lattice.

Следует отметить следующие известные способы производства ФКВ [1, 2].It should be noted the following known methods for the production of PCF [1, 2].

Первый способ предназначен для изготовления только ФКВ и состоит из трех операций:The first method is intended for the manufacture of only PCF and consists of three operations:

1) изготовление заготовки ФКВ из стекла (основы волокна) путем сплавления вместе с основой центрального кварцевого стержня (будущей сердцевины) и кварцевых стержней меньшего диаметра (будущей оболочки);1) the manufacture of PCF blanks from glass (fiber base) by fusion together with the base of the central quartz rod (future core) and smaller diameter quartz rods (future shell);

2) изготовление преформы ФКВ из заготовки путем вытягивания ее из тигля;2) the manufacture of the PCF preform from the workpiece by pulling it from the crucible;

3) изготовление ФКВ из преформы путем вытягивания фотонно-кристаллического волокна в специальной башне.3) the manufacture of PCF from the preform by stretching the photonic crystal fiber in a special tower.

Второй способ предназначен для изготовления различных световодов методом нейтронного облучения заготовки из стекла после вытягивания ее из тигля.The second method is intended for the manufacture of various optical fibers by neutron irradiation of a glass preform after drawing it from the crucible.

Принципиальное отличие первого способа от заявляемого состоит в том, что в предлагаемом способе отсутствует первая стадия, т.е. сплавление основы заготовки ФКВ из стекла с кварцевыми стержнями и сердцевиной. Первая стадия производства ФКВ решает сложную технологическую задачу обеспечения строгой периодичности фотонной структуры оболочки OB и постоянства отношения диаметра стержней к периоду фотонно-кристаллической решетки Λ. Эта операция в заявляемом способе совмещается с изготовлением преформы ФКВ путем облучения заготовки потоком нейтронов после вытягивания ее из тигля. Ввиду того, что сердцевина ФКВ и стержни оболочки могут иметь диаметры порядка нескольких нанометров, свойства ФКВ очень чувствительны к небольшим изменениям их структуры. Это отражается, прежде всего, на энергетических потерях в волокне. Формирование сердцевины и оболочки облучением основы заготовки из диоксида кремния нейтронным пучком позволит избежать искажений размеров диаметров стержней и расстояний между ними. Кроме того, в первом способе относительная разница показателей преломления света Δn между основой волокна и стержнями обеспечивается сочетанием разных материалов (SiO2 и Si) или легированием химическими элементами, повышающими значение коэффициента преломления n. В заявляемом способе величина Δn достигается за счет повышения концентрации тяжелых изотопов кремния в стекле для облучаемых областей заготовки.The fundamental difference between the first method and the claimed one is that in the proposed method there is no first stage, i.e. fusion of the base of the PCF blank from glass with quartz rods and a core. The first stage of PCF production solves the complex technological problem of ensuring strict periodicity of the photonic structure of the OB shell and the constancy of the ratio of the diameter of the rods to the period of the photonic crystal lattice Λ. This operation in the inventive method is combined with the manufacture of the PCF preform by irradiating the workpiece with a neutron flux after drawing it from the crucible. Due to the fact that the PCF core and shell rods can have diameters of the order of several nanometers, the PCF properties are very sensitive to small changes in their structure. This is reflected primarily in the energy loss in the fiber. The formation of the core and the shell by irradiation of the base of a silicon dioxide preform with a neutron beam will allow avoiding distortions in the sizes of the diameters of the rods and the distances between them. In addition, in the first method, the relative difference in the refractive indices of light Δn between the fiber base and the rods is provided by a combination of different materials (SiO 2 and Si) or by doping with chemical elements that increase the value of the refractive index n. In the inventive method, the Δn value is achieved by increasing the concentration of heavy silicon isotopes in the glass for the irradiated areas of the workpiece.

Таким образом, к недостаткам первого способа следует отнести сложность изготовления ФКВ и трудности обеспечения геометрических соотношений между элементами ОВ из-за многократного нагрева и вытягивания заготовки.Thus, the disadvantages of the first method include the difficulty of manufacturing PCF and the difficulty of ensuring geometric relationships between the elements of the OM due to repeated heating and stretching of the workpiece.

Кроме того, в заявляемом способе преформа непосредственно получается из однородной заготовки (преимущественно диоксида кремния) путем вытягивания ее из тигля с последующим облучением нейтронами, что является экономически более эффективным. Точность изготовления диаметров отдельных элементов волокна обеспечивают современные ядерные технологии за счет высокой разрешающей способности по энергии нейтронов, обеспечиваемой последними достижениями в области нейтронной спектроскопии (монохроматорами). Поэтому заявляемый способ обеспечит более точное соблюдение размеров и пропорций структуры ФКВ, что снизит энергетические потери в волокне.In addition, in the inventive method, the preform is directly obtained from a homogeneous preform (mainly silicon dioxide) by pulling it out of the crucible, followed by irradiation with neutrons, which is more economical. The accuracy of manufacturing the diameters of individual fiber elements is ensured by modern nuclear technologies due to the high resolution of neutron energy provided by the latest advances in neutron spectroscopy (monochromators). Therefore, the inventive method will provide more accurate compliance with the size and proportions of the structure of the PCF, which will reduce energy loss in the fiber.

Второй способ изготовления ОВ может быть использован для производства широкого класса световодов путем облучения потоком нейтронов определенных участков однородной заготовки из стекла, полученной с помощью операции вытягивания из тигля. В результате происходят изменения изотопического состава кремния в стекле, проявляющиеся в повышении процентного содержания более тяжелых изотопов в облученных слоях заготовки, а следовательно, и показателя преломления света n.The second method for the fabrication of optical elements can be used for the production of a wide class of optical fibers by irradiating with a neutron flux certain sections of a uniform glass preform obtained by the operation of drawing from a crucible. As a result, changes in the isotopic composition of silicon in the glass occur, which are manifested in an increase in the percentage of heavier isotopes in the irradiated layers of the preform, and, consequently, in the light refractive index n.

Основные отличия второго способа от заявляемого заключаются в схеме облучения, в облучаемых областях и параметрах облучения заготовки. Во втором способе потоки нейтронов воздействуют только на центральную часть (сердцевину) заготовки, намотанную на специальную катушку. Такая схема облучения не позволяет формировать стержни оболочки и обеспечить требуемую точность изготовления периодической структуры ФКВ. Кроме того, интенсивность потока нейтронов и время облучения не соответствуют поставленной задаче изготовления ФКВ.The main differences of the second method from the claimed are in the irradiation scheme, in the irradiated areas and the exposure parameters of the workpiece. In the second method, neutron fluxes act only on the central part (core) of the workpiece wound on a special coil. Such an irradiation scheme does not allow the formation of shell rods and ensure the required manufacturing accuracy of the periodic PCF structure. In addition, the intensity of the neutron flux and the irradiation time do not correspond to the task of fabricating the PCF.

Таким образом, основным недостатком второго способа является его непригодность для получения ФКВ. Он предназначен для изготовления оптического волокна только простой конструкции, состоящей из сердцевины и оболочки.Thus, the main disadvantage of the second method is its unsuitability for obtaining PCF. It is intended for the manufacture of optical fiber only a simple design consisting of a core and a sheath.

Заявляемый способ предлагает схему облучения, состоящую из нескольких облучателей, каждый из которых формирует с помощью пучка нейтронов определенный стержень в оболочке и сердцевину ФКВ. В этом случае гарантируется равномерное распределение изотопов по длине заготовки с точностью изготовления размеров структурных элементов ФКВ несколько нанометров.The inventive method offers an irradiation scheme consisting of several irradiators, each of which forms with the help of a neutron beam a specific rod in the shell and the core of the PCF. In this case, a uniform distribution of isotopes along the length of the workpiece is guaranteed with an accuracy of manufacturing the dimensions of the PCF structural elements of several nanometers.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является второй способ, который взят за прототип.Closest to the technical nature of the claimed invention is the second method, which is taken as a prototype.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что используют заготовку из однородного химического вещества, преимущественно диоксида кремния, и воздействуют по всей длине заготовки потоком нейтронов с заданной глубиной поглощения с помощью специальной установки, состоящей из нескольких облучателей, количество и расположение которых соответствуют формируемым структурным элементам ФКВ, и которые создают пучки тепловых нейтронов со следующими параметрами: размерами облучаемого пятна для каждого облучателя не более 0,01 мм×0,01 мм; значением разрешения по энергии нейтронов ΔЕн≤10-9 эВ; величиной интегрального потока нейтронов Ф0≥12,5·1021 нейтр./см2.The essence of the claimed invention lies in the fact that they use a preform of a homogeneous chemical substance, mainly silicon dioxide, and act along the entire length of the preform with a neutron flux with a given absorption depth using a special installation consisting of several irradiators, the number and location of which correspond to the formed PCF structural elements , and which create thermal neutron beams with the following parameters: the size of the irradiated spot for each irradiator is not more than 0.01 mm × 0.01 mm; the value of the resolution in neutron energy ΔE n ≤10 -9 eV; the magnitude of the integral neutron flux f 0 ≥12.5 · 10 21 neutrons / cm 2 .

Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение и удешевление производства ФКВ, повышение точности изготовления геометрических размеров волокна, улучшение качественных характеристик, в том числе уменьшение энергетических потерь.The technical result of the claimed invention is to simplify and reduce the cost of production of PCF, increase the accuracy of manufacturing the geometric dimensions of the fiber, improve the quality characteristics, including reducing energy losses.

Новизна заявляемого изобретения заключается в следующем: формирование фотонно-кристаллической структуры волокна из одного и того же материала (преимущественно диоксида кремния) путем нейтронного облучения. Необходимая разница в показателях преломления элементов фотонного кристалла (ФК) оболочки и основы волокна достигается благодаря повышению концентрации более тяжелых изотопов кремния в стекле. В результате можно формировать сердцевину и оболочку ОВ в виде одно-, двух-, трехмерного фотонного кристалла для удержания света в волокне [3, 4].The novelty of the claimed invention is as follows: the formation of a photonic crystal structure of a fiber from the same material (mainly silicon dioxide) by neutron irradiation. The necessary difference in the refractive indices of the photonic crystal (FC) elements of the cladding and the base of the fiber is achieved by increasing the concentration of heavier silicon isotopes in the glass. As a result, it is possible to form the core and shell of the OM in the form of a one-, two-, and three-dimensional photonic crystal to retain light in the fiber [3, 4].

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:

на Фиг.1а, б, в изображены типы одномерных фотонно-кристаллических волноводов, гдеon figa, b, c depict the types of one-dimensional photonic crystal waveguides, where

на Фиг.1а обозначены: планарный волновод - 1, отражающие пластины - 2; основа ФК - 3, пучок нейтронов от одного облучателя - 4;on figa marked: planar waveguide - 1, reflecting plate - 2; FC base - 3, neutron beam from one irradiator - 4;

на Фиг.1б обозначены: многослойный планарный волновод - 5, отражающие плоскости ФК - 6, пучок нейтронов - 4;on figb designated: multilayer planar waveguide - 5, reflecting the plane of the FC - 6, the neutron beam - 4;

на Фиг.1в обозначены: брэгговское волокно - 7, отражающие цилиндрические слои - 8;on figv designated: Bragg fiber - 7, reflecting cylindrical layers - 8;

на Фиг.2а, б, в изображены типы двумерных фотонно-кристаллических волноводов, гдеon figa, b, c depict the types of two-dimensional photonic crystal waveguides, where

на Фиг.2а обозначены: волновод прямоугольной формы - 9, прямоугольные стержни ФК - 10, пучок нейтронов - 4;figure 2a shows: a rectangular waveguide — 9, rectangular rods FC — 10, a neutron beam — 4;

на Фиг.2б обозначены: волновод круглой формы - 11, круглые стержни ФК - 12, пучок нейтронов - 4;figure 2b marked: a waveguide of circular shape - 11, round rods FC - 12, a neutron beam - 4;

на Фиг.2в обозначены: поперечный разрез твердотельного ФКВ - 13, стержни оболочки - 14, центральный стержень (сердцевина) - 15, параметр Λ решетки ФК - 16;figure 2c shows: a transverse section of a solid-state FCV - 13, shell rods - 14, a central rod (core) - 15, lattice parameter Λ FC - 16;

на Фиг.3а, б, в изображены типы трехмерных фотонных кристаллов с разными сочетаниями коэффициентов преломления структурных элементов (кубов или параллелепипедов), гдеon figa, b, c shows the types of three-dimensional photonic crystals with different combinations of refractive indices of structural elements (cubes or parallelepipeds), where

на Фиг.3а обозначены: структурные элементы ФК из изотопов Si28 - 17, из изотопов Si29 - 18, из изотопов Si30 - 19;on figa marked: structural elements of the PC from the isotopes Si 28 - 17, from the isotopes Si 29 - 18, from the isotopes Si 30 - 19;

на Фиг.3б, обозначены: структурные элементы ФК из изотопов Si29 - 18, из Si30 - 19, пучок нейтронов - 4;Fig.3b, marked: structural elements of the PC from the isotopes Si 29 - 18, from Si 30 - 19, the neutron beam - 4;

на Фиг.3в обозначены: структурные элементы ФК из изотопов Si29 - 18, из изотопов Si30 - 19, пучок нейтронов - 4;on figv designated: structural elements of the PC from the isotopes Si 29 - 18, from the isotopes Si 30 - 19, the neutron beam - 4;

на Фиг.4 представлена установка вытяжки ФКВ с помощью специальной башни [1], состоящей из стержневой заготовки (преформы) в центрирующем патроне - 20, электрической печи - 21, лазерного микрометра для контроля диаметра OB - 22, устройства нанесения первичного покрытия - 23, устройства отвердения с помощью УФ-излучения - 24, приемного устройства - 25;figure 4 shows the installation of the extract of the PCF using a special tower [1], consisting of a core blank (preform) in the centering cartridge - 20, an electric furnace - 21, a laser micrometer for controlling the diameter of OB - 22, the primary coating device - 23, curing devices using UV radiation - 24, the receiving device - 25;

на Фиг.5 изображена схема облучения заготовки с помощью способа, взятого за прототип [2], которая состоит из оболочки - 26, сердцевины - 27, потока нейтронов - 4;figure 5 shows a diagram of the irradiation of the workpiece using the method taken as a prototype [2], which consists of a shell - 26, core - 27, neutron flux - 4;

на Фиг.6а, б изображена установка для облучения заготовки ФКВ заявляемым способом, гдеon figa, b shows the installation for irradiation of the PCF blanks of the claimed method, where

на Фиг.6а обозначены: тигль - 28, лазерный микрометр - 22, стойка - 29, заготовка волокна - 30, приемное устройство для заготовки - 31, центрирующая система для закрепления волокна - 32, специальная установка с нейтронными облучателями - 33, стойка для установки облучателей - 34, пучки нейтронов - 4;on figa marked: crucible - 28, laser micrometer - 22, stand - 29, fiber preform - 30, receiving device for preform - 31, centering system for fixing fiber - 32, special installation with neutron irradiators - 33, stand for installation irradiators - 34, neutron beams - 4;

на Фиг.6б обозначены: пучок нейтронов - 4, стержни ФКВ - 14, сердцевина ФКВ - 15, специальная установка с нейтронными облучателями - 33;Fig.6b marked: neutron beam - 4, rods ФКВ - 14, core ФКВ - 15, special installation with neutron irradiators - 33;

на Фиг.7а, б, в изображены схемы облучения для получения трехмерной фотонно-кристаллической решетки, гдеon figa, b, c depicts the irradiation scheme to obtain a three-dimensional photonic crystal lattice, where

на Фиг.7а обозначены: потоки нейтронов - 4, прямоугольная заготовка - 35, формируемые вертикальные плоскости в форме параллелепипедов - 36;on figa marked: neutron flux - 4, a rectangular blank - 35, the formed vertical plane in the form of parallelepipeds - 36;

на Фиг.7б обозначены: потоки нейтронов - 4, заготовка - 35, вертикальные плоскости - 37;on figb marked: neutron flux - 4, the workpiece is 35, the vertical plane is 37;

на Фиг.7в обозначены: потоки нейтронов - 4, заготовка - 35, горизонтальные плоскости - 38;on figv designated: neutron flux - 4, the workpiece is 35, the horizontal plane is 38;

на Фиг.8 изображена зависимость сечения поглощения от энергии нейтронов σn=f(Ен) для кремния [2].Fig. 8 shows the dependence of the absorption cross section on the neutron energy σ n = f (E n ) for silicon [2].

Физический механизм удержания света с помощью фотонно-кристаллической решетки заключается в том, что в ФК диэлектрические частицы (стержни) располагаются на расстояниях друг от друга, сравнимых с длиной волны видимого света [3, 4]. В такой решетке показатель преломления меняется по периодическому закону и свет на границе раздела областей с разными n частично отражается, частично преломляется.The physical mechanism of light retention with the help of a photonic crystal lattice is that in FC dielectric particles (rods) are located at distances from each other, comparable with the wavelength of visible light [3, 4]. In such a lattice, the refractive index varies according to the periodic law and the light at the interface between regions with different n is partially reflected, partially refracted.

Для длин волн, удовлетворяющих условию брэгговского отражения, а именно:For wavelengths satisfying the Bragg reflection condition, namely:

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где Λ - постоянная решетки ФК,where Λ is the lattice constant of the PC,

λ - длина волны,λ is the wavelength

θ - угол падения между волновым вектором и плоскостями ФК,θ is the angle of incidence between the wave vector and the FK planes,

коэффициент отражения максимальный.maximum reflection coefficient.

Зеркальный эффект создается из-за разницы в коэффициентах преломления, например, стержней из кремния и основы ФК из стекла (Si n=1,45; SiO2 n=1,44 для λ=1,55 мкм).The mirror effect is created due to the difference in the refractive indices, for example, silicon rods and glass base PCs (Si n = 1.45; SiO 2 n = 1.44 for λ = 1.55 μm).

Таким образом, отразившиеся от соседних стержней волны интерферируют и гасят друг друга. В зависимости от типа фотонного кристалла (1D-одномерного, 2D-двумерного, 3D-трехмерного ФК) можно получить с помощью пучков нейтронов (4) запрещенные зоны для определенных длин волн в одномерном, двухмерном и трехмерном пространстве (Фиг.1, 2, 3). Если в решетке создать дефект, то волна из запрещенного диапазона будет двигаться вдоль него, в остальных частях ФК света не будет. Дефектом можно считать изменение расстояния между сердцевиной и стержнями оболочки, разницу в их диаметрах или показателях преломления.Thus, the waves reflected from neighboring rods interfere and cancel each other. Depending on the type of photonic crystal (1D-one-dimensional, 2D-two-dimensional, 3D-three-dimensional photonic crystal), it is possible to obtain forbidden zones for certain wavelengths in one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional space using neutron beams (4) (Figs. 1, 2, 3 ) If a defect is created in the lattice, then the wave from the forbidden range will move along it; there will be no light in the remaining parts of the PC. A defect can be considered a change in the distance between the core and the shell rods, the difference in their diameters or refractive indices.

Таким образом, ФКВ состоит из фотонного кристалла, не пропускающего свет определенной длины, выполняющего роль оболочки волокна. В центральной части ФК создается дефект для канализации этого света по аналогии с сердцевиной OB. Параметр фотонно-кристалличекой решетки Λ, определяющий размеры структурных элементов ФК (слоев 1D, стержней 2D, кубиков 3D), зависит от длины волны света и может быть от 10 мкм до нескольких нанометров [1, 3, 4]. В последнем случае фотонные кристаллы приобретают свойства квантовых структур (квантовых ям, проволоки, точек), которые используются для создания высокоэффективных оптических устройств генерации света (лазеров), приема света (фотодетекторов), хранения информации (ячеек памяти).Thus, the PCF consists of a photonic crystal that does not transmit light of a certain length, acting as a fiber sheath. In the central part of the FC, a defect is created for the sewerage of this light by analogy with the core of the OB. The photonic crystal lattice parameter Λ, which determines the sizes of the structural elements of photonic crystals (1D layers, 2D rods, 3D cubes), depends on the wavelength of light and can be from 10 μm to several nanometers [1, 3, 4]. In the latter case, photonic crystals acquire the properties of quantum structures (quantum wells, wire, dots), which are used to create highly efficient optical devices for generating light (lasers), receiving light (photodetectors), and storing information (memory cells).

Технология заявляемого изобретения основывается на том, что вещества с различными концентрациями тяжелых изотопов входящих в них химических элементов имеют разные показатели света n.The technology of the claimed invention is based on the fact that substances with different concentrations of heavy isotopes of their constituent chemical elements have different light indices n.

Существующий промышленный способ изготовления ФКВ основывается на операции легирования заготовки и вытягивания ее с помощью специальной вытяжной башни (Фиг.4). Однако добиться требуемого значения показателя преломления можно путем облучения потоком нейтронов определенных слоев заготовки OB и повышения в них концентрации тяжелых изотопов, как в прототипе (Фиг.5). Возможность использования нейтронов для изготовления OB объясняется их свойствами и особенностями ядерных реакций. Это высокая проникающая способность нейтронов как незаряженных частиц. При взаимодействии нейтронов с ядрами химических элементов облучаемого вещества образуются возбужденные составные ядра, которые распадаются в результате ядерных реакций [5].The existing industrial method of manufacturing PCF is based on the operation of doping the workpiece and pulling it using a special exhaust tower (Figure 4). However, the desired value of the refractive index can be achieved by irradiating a neutron flux of certain layers of the workpiece OB and increasing the concentration of heavy isotopes in them, as in the prototype (Figure 5). The possibility of using neutrons for manufacturing OB is explained by their properties and features of nuclear reactions. This is the high penetrating power of neutrons as uncharged particles. When neutrons interact with the nuclei of the chemical elements of the irradiated substance, excited composite nuclei are formed, which decay as a result of nuclear reactions [5].

В заявляемом способе изготовления ФКВ предлагается использовать, в отличие от прототипа, тепловые нейтроны, для которых принципиально меняются схемы облучения (Фиг.6, 7). Для тепловых нейтронов с энергией Ен≤0,025 эВ наиболее вероятной является реакция поглощения (радиационного захвата), которая характеризуется параметром σn, называемым сечением поглощения. При столкновении нейтрон захватывается ядром и более легкий изотоп кремния превращается в более тяжелый. Величина σn зависит от энергии нейтронов Eн и определяется по экспериментальной кривой σn=f(Ен) (Фиг.8). Величина сечения поглощения определяет глубину проникновения нейтронов ln, захваченных ядрами кремния. Следовательно, чем однороднее нейтроны по энергии, тем точнее получаются размеры структурных элементов ФК. Однородность нейтронов определяется параметром их источника ΔЕн. Значение ln зависит от распределения концентрации новых изотопов по длине облучаемого участка заготовки N(x). Функция N(x) подчиняется экспоненциальному закону:In the inventive method for the manufacture of PCF, it is proposed to use, in contrast to the prototype, thermal neutrons, for which the radiation patterns fundamentally change (Fig.6, 7). For thermal neutrons with an energy of E n ≤0.025 eV, the most probable is the absorption reaction (radiation capture), which is characterized by the parameter σ n , called the absorption cross section. In a collision, a neutron is captured by the nucleus and the lighter silicon isotope becomes heavier. The value of σ n depends on the neutron energy E n and is determined by the experimental curve σ n = f (E n ) (Fig. 8). The magnitude of the absorption cross section determines the penetration depth of neutrons l n captured by silicon nuclei. Therefore, the more uniform the neutrons in energy, the more accurately the sizes of the structural elements of the photonic crystal are obtained. The homogeneity of neutrons is determined by the parameter of their source ΔE n . The value of l n depends on the distribution of the concentration of new isotopes along the length of the irradiated section of the workpiece N (x). The function N (x) obeys the exponential law:

Figure 00000002
Figure 00000002

где Ф0=φt - интегральный поток нейтронов (нейтр./см2);where Ф 0 = φt is the integral neutron flux (neutr. / cm 2 );

φ - интенсивность потока нейтронов (нейтр./см2·с)φ is the neutron flux intensity (neutr. / cm 2 · s)

t - время облучения (с);t is the exposure time (s);

No=5,04·1022 ат/см3 - число атомов кремния в 1 см3;N o = 5.04 · 10 22 at / cm 3 - the number of silicon atoms in 1 cm 3 ;

Ki - процентное содержание i-того изотопа;K i is the percentage of the i-th isotope;

σn - сечение поглощения (1 барн=10-24 см2);σ n is the absorption cross section (1 barn = 10 -24 cm 2 );

x - глубина поглощения нейтронов (см).x is the neutron absorption depth (cm).

Для равномерного распределения новых изотопов в результате облучения размеры заготовки l должны быть меньше средней длины поглощения ln, рассчитываемой по следующей формуле [2]:For a uniform distribution of new isotopes as a result of irradiation, the workpiece size l should be less than the average absorption length l n calculated by the following formula [2]:

Figure 00000003
Figure 00000003

Следовательно, для характеристики ядерной реакции при облучении тепловыми нейтронами необходимо знать сечение поглощения.Therefore, to characterize a nuclear reaction upon irradiation with thermal neutrons, it is necessary to know the absorption cross section.

Концентрацию j-того изотопа (более тяжелого) Noj, получаемого из i-того изотопа (более легкого), можно подсчитать следующим образом:The concentration of the j-th isotope (heavier) N oj obtained from the i-th isotope (lighter) can be calculated as follows:

Figure 00000004
Figure 00000004

где m - параметр, определяющий степень повышения концентрации j-того изотопа в заготовке OB после облучения нейтронами.where m is a parameter that determines the degree of increase in the concentration of the jth isotope in the OB preform after neutron irradiation.

Таким образом, основными расчетными параметрами нейтронного облучения для изготовления ФКВ с помощью тепловых нейтронов являются интегральный поток Фо, разрешающая способность по энергии нейтронов ΔЕн.Thus, the main calculated parameters of neutron irradiation for the manufacture of PCF using thermal neutrons are the integrated flux Ф о , the resolution with respect to neutron energy ΔЕ n .

Схема облучения заготовки ФКВ зависит от структуры ФК (1D, 2D, 3D). Так, для одномерных и двумерных ФКВ можно использовать вертикальную схему облучения с помощью специальной установки, приведенной на Фиг.6а, б. Пучки нейтронов (4) от облучателей проникают в заготовку через торцевую часть будущего OB (30), закрепленную с помощью специального центрирующего крепления (32) после завершения процесса вытягивания из тигля (28).The irradiation scheme of the PCF blank depends on the structure of the PC (1D, 2D, 3D). So, for one-dimensional and two-dimensional PCF, you can use the vertical irradiation scheme using a special installation, shown in Fig.6a, b. The neutron beams (4) from the irradiators penetrate the workpiece through the end part of the future OB (30), secured with a special centering mount (32) after completion of the pulling process from the crucible (28).

В общем случае размеры и форма облучаемого пятна для каждого облучателя соответствуют формируемым слоям (1D), стержням (2D), структурным кубикам (3D) фотонных кристаллов. Число и расположение облучателей в установке на Фиг.6а определяется количеством и положением элементов в фотонном кристалле оболочки ОВ и центральной его части (сердцевине), что отмечено на Фиг.1а, б; Фиг.2а, б; Фиг.3б, в; Фиг.6б; Фиг.7а, б, в в виде стрелок (4).In the general case, the size and shape of the irradiated spot for each irradiator correspond to the formed layers (1D), rods (2D), structural cubes (3D) of photonic crystals. The number and location of irradiators in the installation in FIG. 6a is determined by the number and position of elements in the photonic crystal of the OB shell and its central part (core), which is noted in FIGS. 1a, b; Figa, b; Figb, c; Fig.6b; Figa, b, c in the form of arrows (4).

Для формирования трехмерных ФК необходимо сочетать вертикальные и горизонтальные схемы облучения (Фиг.7а, б, в). На этих чертежах изображены заготовка (35), потоки нейтронов от облучателей (4), уплотненные слои (36), (37), (38), получаемые в результате облучения. Таким образом, процесс изготовления трехмерного ФК из заготовки (30) состоит из трех операций, которые осуществляются последовательно во времени: формирование уплотненных слоев в горизонтальной и двух вертикальных плоскостях.To form three-dimensional photonic crystals, it is necessary to combine vertical and horizontal irradiation schemes (Fig. 7a, b, c). In these drawings, a blank (35), neutron fluxes from irradiators (4), densified layers (36), (37), (38) obtained as a result of irradiation are shown. Thus, the process of manufacturing a three-dimensional FC from the workpiece (30) consists of three operations that are carried out sequentially in time: the formation of compacted layers in the horizontal and two vertical planes.

При создании структурных элементов ФК можно получить различные сочетания изотопов кремния, их процентного содержания, и соответственно, разные показатели преломления света.When creating the structural elements of PCs, it is possible to obtain various combinations of silicon isotopes, their percentage, and, accordingly, different refractive indices of light.

Если формируемые уплотненные слои должны быть из одного изотопа (Si29 или Si30), то интегральный поток рассчитывается для стопроцентного перевода Si28 в Si29, а затем, если потребуется, Si29 в Si30.If the compacted layers to be formed must be from one isotope (Si 29 or Si 30 ), then the integral flux is calculated for 100% transfer of Si 28 to Si 29 , and then, if necessary, Si 29 to Si 30 .

В результате структурные элементы трехмерного ФК могут состоять из следующих изотопов (Фиг.3а): (17) Si28 (необлученные участки заготовки), (18) Si29 (облученные участки), (19) Si30 (облученные участки, находящиеся на пересечении горизонтальных и вертикальных плоскостей облучения). В местах пересечения плоскостей облучения (Фиг.7а, б, в) интегральный поток нейтронов увеличивается, и изотопы Si29 переходят в Si30. Похожий результат можно получить, если использовать двумерный ФК, полученный с помощью установки (Фиг.6а, б), и горизонтальную схему облучения, изображенную на Фиг.7в.As a result, the structural elements of a three-dimensional photonic crystal can consist of the following isotopes (Fig. 3a): (17) Si 28 (unirradiated sections of the workpiece), (18) Si 29 (irradiated sections), (19) Si 30 (irradiated sections at the intersection horizontal and vertical irradiation planes). At the intersection of the irradiation planes (Fig. 7a, b, c), the integral neutron flux increases, and the Si 29 isotopes transfer to Si 30 . A similar result can be obtained if we use a two-dimensional photonic crystal obtained using the installation (Fig. 6a, b) and the horizontal irradiation scheme depicted in Fig. 7c.

Для изготовления фотонного кристалла с сочетанием изотопов Si29 и Si30 операция должна проходить в два этапа: сначала вся заготовка облучается равномерно для полного перевода Si28 в Si29; затем с помощью схемы вертикальных и горизонтальных облучателей формируются структурные кубики путем перевода Si29 в Si30 (Фиг.3б). В этом случае облучение заготовки происходит симметрично со всех сторон. Расположение облучателей отмечено на Фиг.3б в виде стрелок (4). Глубина проникновения нейтронов соответствует размеру элементарного кубика. Вертикальные облучатели (4) устанавливаются сверху и снизу, например, в шахматном порядке в местах, где требуется перевести легкий изотоп в более тяжелый. Горизонтальные (4) - только по середине боковых сторон, так как каждый облучатель формирует отдельный структурный кубик.For the manufacture of a photonic crystal with a combination of Si 29 and Si 30 isotopes, the operation must proceed in two stages: first, the entire preform is irradiated uniformly to completely transfer Si 28 to Si 29 ; then, using the scheme of vertical and horizontal irradiators, structural cubes are formed by transferring Si 29 to Si 30 (Fig. 3b). In this case, the workpiece is irradiated symmetrically from all sides. The location of the irradiators is marked in Fig.3b in the form of arrows (4). The neutron penetration depth corresponds to the size of an elementary cube. Vertical irradiators (4) are installed above and below, for example, in a checkerboard pattern in places where it is required to transfer a light isotope to a heavier one. Horizontal (4) - only in the middle of the sides, since each irradiator forms a separate structural cube.

Таким же способом можно получить структуру, в которой внутри фотонного кристалла будут находиться элементарные кубики из Si29 (квантовые точки), разделенные между собой со всех сторон слоями из Si30 (Фиг.3в). При этом размеры разделяющих слоев (19) могут быть больше, чем величина ребра элементарного кубика (18). В этом случае целесообразно использовать только вертикальные облучатели. Для формирования разделяющих слоев должны измениться глубина проникновения тепловых нейтронов (увеличиться в три раза) и соответственно (Фиг.8) характеристики облучателей (Ен, σn). Расположение таких облучателей показана на Фиг.3в в виде пунктирных стрелок (4). Сплошными стрелками (4) обозначены пучки нейтронов, формирующие кубики из Si30 с размерами квантовой точки. Облучатели для них должны быть размещены симметрично сверху и снизу заготовки.In the same way, you can get a structure in which inside the photonic crystal there will be elementary cubes of Si 29 (quantum dots), separated from each other by layers of Si 30 (Fig.3c). In this case, the dimensions of the separating layers (19) can be larger than the size of the edges of the elementary cube (18). In this case, it is advisable to use only vertical irradiators. For the formation of the separating layers, the penetration depth of thermal neutrons must change (increase three times) and, accordingly (Fig. 8), the characteristics of the irradiators (E n , σ n ). The location of such irradiators is shown in Fig. 3c in the form of dashed arrows (4). Solid arrows (4) denote neutron beams forming cubes of Si 30 with quantum dot sizes. Irradiators for them should be placed symmetrically on top and bottom of the workpiece.

Если фотонный кристалл имеет форму куба с ребром, в котором помещается три структурных элемента, то можно получить сочетание следующих изотопов: Si28 (необлученные области) и Si29 (облученные области). Схема размещения облучателей аналогична Фиг.3б.If the photonic crystal has the shape of a cube with an edge in which three structural elements are placed, then a combination of the following isotopes can be obtained: Si 28 (unirradiated regions) and Si 29 (irradiated regions). The arrangement of the irradiators is similar to Fig. 3b.

Размеры ребра структурных кубиков фотонных кристаллов (3D) во всех случаях ограничиваются величиной ln, точность соблюдения размеров - значением ΔЕн источников нейтронов. Структурные элементы трехмерных ФК могут иметь форму параллелепипеда, если того требуют параметры фотонно-кристаллической решетки.The sizes of the edges of the structural cubes of photonic crystals (3D) in all cases are limited by the value of l n , the accuracy of adherence to the dimensions - by the value ΔЕ n of neutron sources. The structural elements of three-dimensional photonic crystals can have the shape of a parallelepiped, if required by the parameters of the photonic crystal lattice.

Возможность изготовления ФКВ предложенным в заявке способом рассмотрим на конкретном примере.The possibility of manufacturing FKV proposed in the application method will consider a specific example.

Как отмечалось выше, фотонно-кристаллические решетки, формируемые в оболочках ФКВ, делятся на одномерные, двумерные, трехмерные с разными размерами параметра решетки Λ от 10 мкм до нескольких нм.As noted above, photonic crystal lattices formed in PCF shells are divided into one-dimensional, two-dimensional, three-dimensional with different sizes of the lattice parameter Λ from 10 μm to several nm.

Фотонный кристалл создается внутри заготовки за счет реакции поглощения нейтронов и образования более плотных слоев с заданным коэффициентом преломления. Для этого требуется определенный интегральный поток нейтронов Фо=φ·t, способный формировать структурные элементы ФКВ. При изготовлении ФК необходимо учитывать возможные флуктуации размеров этих элементов. Такие флуктуации влияют на точность изготовления ФКВ и зависят от разрешающей способности по энергии ΔЕн монохроматоров источников нейтронов.A photonic crystal is created inside the workpiece due to the reaction of neutron absorption and the formation of denser layers with a given refractive index. This requires a certain integral neutron flux Ф о = φ · t, capable of forming structural elements of the PCF. In the manufacture of FC, it is necessary to take into account possible fluctuations in the sizes of these elements. Such fluctuations affect the accuracy of fabrication of PCFs and depend on the energy resolution ΔE n of monochromators of neutron sources.

Для получения переменного коэффициента преломления внутри ФКВ, изменяющегося по периодическому закону, концентрацию тяжелых изотопов кремния в определенных местах следует повысить на величину

Figure 00000005
.To obtain a variable refractive index inside the PCF, which varies according to the periodic law, the concentration of heavy silicon isotopes in certain places should be increased by
Figure 00000005
.

Отсюда,

Figure 00000006
From here
Figure 00000006

где

Figure 00000007
- сечение поглощения для естественного состава (смеси изотопов) кремния; σn=0,08 барн для изотопа Si28;Where
Figure 00000007
- absorption cross section for the natural composition (mixture of isotopes) of silicon; σ n = 0.08 barn for the Si 28 isotope;

Eн=0,025 эВ - энергия тепловых нейтронов;E n = 0,025 eV is the energy of thermal neutrons;

Учитывая, что основное влияние на коэффициент преломления оказывает изотоп Si29, рассчитаем с учетом формул (3), (4) величину интегрального потока для перевода изотопа Si28 в изотоп Si29:Considering that the main influence on the refractive index is exerted by the Si 29 isotope, we calculate, taking into account formulas (3), (4), the integral flux for converting the Si 28 isotope to the Si 29 isotope:

Figure 00000008
.
Figure 00000008
.

Для источника нейтронов с интенсивностью потока φ=1017 нейтр./см2·с время облучения составит t=34,72 час. В существующих промышленных установках для изготовления устройств микроэлектроники с помощью нейтронного облучения величина t имеет такой же порядок. Если увеличить интенсивность до φ=1018 нейтр./см2·с, то время снизится на порядок и будет равно t=3,472 час.For a neutron source with a flux intensity of φ = 10 17 neutrons / cm 2 · s the irradiation time will be t = 34.72 hours. In existing industrial installations for the manufacture of microelectronic devices using neutron irradiation, the value of t has the same order. If you increase the intensity to φ = 10 18 neutrons / cm 2 · s, then the time will decrease by an order of magnitude and will be equal to t = 3.472 hours.

С учетом значений No и сечения поглощения по формуле (2) рассчитаем длину ФКВ l, которую можно получить путем облучения тепловыми нейтронами: ln=1/No·σn28=2,48 м.Taking into account the values of N o and the absorption cross section according to formula (2), we calculate the PCF length l, which can be obtained by irradiation with thermal neutrons: l n = 1 / N o · σ n28 = 2.48 m.

Используя параметры глубины поглощения нейтронов ln и разрешающей способности по энергии ΔЕн, можно оценить точность формирования структурных элементов ФКВ.Using the parameters of the neutron absorption depth l n and energy resolution ΔЕ n , one can evaluate the accuracy of the formation of structural elements of the PCF.

Так, воспользовавшись формулой (4), рассчитаем величину σn для нескольких значений энергии нейтронов, а именно: Ен=0,025эВ+ΔЕн. Если принять, что энергия нейтронов увеличилась на ΔЕн=10-7 эВ, то получим, что сечение поглощения уменьшилась на величину Δσn=0,5059644257-0,5059634145=1,0112·10-5 барн. Соответственно, значение глубины поглощения изменилось на Δln=783,8 нм. Если принять ΔEн=10-8 эВ, то порядок цифр в этом случае будет следующим: Δσn=0,5059644257-0,505964416=0,97·10-8 барн, Δln=77,325 нм, следовательно, для достижения точности в несколько нм требуется иметь монохроматоры с ΔEн≤10-9 эВ. Такая разрешающая способность необходима для изготовления низкоразмерных ФКВ, где, структурные элементы ФК имеют размеры менее 100 нм. Это свидетельствует о том, что заявляемый способ изготовления ФКВ можно отнести к нанотехнологиям.So, using the formula (4), we calculate the value of σ n for several values of the neutron energy, namely: E n = 0,025 eV + ΔE n . If we assume that the neutron energy increased by ΔE n = 10 -7 eV, we find that the absorption cross section decreased by Δσ n = 0.5059644257-0.50059634145 = 1.0112 · 10 -5 barn. Accordingly, the value of the absorption depth changed by Δl n = 783.8 nm. If we take ΔE n = 10 -8 eV, then the order of numbers in this case will be as follows: Δσ n = 0.5059644257-0.505964416 = 0.97 · 10 -8 barn, Δl n = 77.325 nm, therefore, to achieve accuracy a few nm requires monochromators with ΔE n ≤10 -9 eV. This resolution is necessary for the manufacture of low-dimensional PCFs, where the structural elements of PCs are less than 100 nm in size. This suggests that the inventive method for the manufacture of PCF can be attributed to nanotechnology.

Важной характеристикой схемы облучения являются размеры облучаемого пятна. Как было отмечено выше, геометрические параметры облучателей должны соответствовать размерам формируемых структурных элементов фотонных кристаллов. Так, существующие источники нейтронов могут иметь самые разные размеры облучателей от сотых долей сантиметра до нескольких десятков сантиметров. Поэтому предложенные в заявке схемы облучения могут быть реализованы в промышленных установках. Для изготовления низкоразмерного ФКВ с параметрами фотонно-кристаллической решетки порядка нескольких нанометров потребуются специальные облучатели, например, в виде многослойных нанотрубок с повышенной радиальной жесткостью [1].An important characteristic of the irradiation scheme is the size of the irradiated spot. As noted above, the geometric parameters of the irradiators should correspond to the sizes of the formed structural elements of photonic crystals. So, existing neutron sources can have a variety of sizes of irradiators from hundredths of a centimeter to several tens of centimeters. Therefore, the irradiation schemes proposed in the application can be implemented in industrial installations. To fabricate a low-dimensional PCF with photonic crystal lattice parameters of the order of several nanometers, special irradiators will be required, for example, in the form of multilayer nanotubes with increased radial stiffness [1].

На последнем этапе расчетов оценим, как изменится показатель преломления облученных участков заготовки ФКВ. Расчеты проведем для случая, когда параметр m=3 (см. формулу (3)).At the last stage of the calculations, we evaluate how the refractive index of the irradiated sections of the PCF blank will change. We carry out calculations for the case when the parameter m = 3 (see formula (3)).

Воспользуемся формулой Лоренц-Лорентца [6], характеризующей молекулярную рефракцию:We use the Lorentz-Lorentz formula [6], which characterizes molecular refraction:

Figure 00000009
Figure 00000009

где No - число атомов вещества в 1 см3,where N o - the number of atoms of the substance in 1 cm 3 ,

а - величина поляризуемости молекулы вещества,a is the magnitude of the polarizability of the molecule of the substance,

n - показатель преломления вещества.n is the refractive index of the substance.

Выражение уравнения Лоренц-Лорентца для диоксида кремния (n=1,44) имеет вид:The expression of the Lorentz-Lorentz equation for silicon dioxide (n = 1.44) has the form:

Figure 00000010
Figure 00000010

где а28 - величина поляризуемости изотопа Si28,where a 28 is the polarizability of the isotope Si 28 ,

Figure 00000011
,
Figure 00000011
,

Figure 00000012
Figure 00000012

K28=0,9218 - естественная концентрация изотопа Si28 в стекле,K 28 = 0.9218 is the natural concentration of the Si 28 isotope in glass,

K29=0,0471 - естественная концентрация изотопа Si29 в стекле,K 29 = 0.0471 - the natural concentration of the Si 29 isotope in glass,

K30=0,0312 - естественная концентрация изотопа Si30 в стекле.K 30 = 0.0312 - the natural concentration of the Si 30 isotope in glass.

Коэффициенты Δа1, Δа11 показывают относительное изменение величин поляризуемости различных изотопов кремния. Известно, что значение а - прямо пропорционально размерам молекул вещества [6]. Сечения поглощения σn прямо пропорциональны размерам ядер изотопов кремния [5]. С ростом числа нейтронов в ядре изотопа размер ядра сначала увеличивается (Si29), а затем снижается (Si30). Поэтому коэффициенты Δа1, Δа11 имеют разные значения.Coefficients Δa 1 , Δa 11 show the relative change in the polarizability of various silicon isotopes. It is known that the value of a is directly proportional to the size of the molecules of the substance [6]. The absorption cross sections σ n are directly proportional to the sizes of the nuclei of silicon isotopes [5]. With an increase in the number of neutrons in the isotope nucleus, the size of the nucleus first increases (Si 29 ) and then decreases (Si 30 ). Therefore, the coefficients Δa 1 , Δa 11 have different values.

Уравнение (6) можно упростить, обозначив через В следующий постоянный множитель:Equation (6) can be simplified by denoting by B the following constant factor:

Figure 00000013
После подстановки всех коэффициентов в уравнение (6) получим значение B=0,23331.
Figure 00000013
After substituting all the coefficients in equation (6), we obtain the value B = 0.23331.

Для составления уравнения Лоренц-Лорентца относительно облученных областей заготовки необходимо подсчитать:To compile the Lorentz-Lorentz equation relative to the irradiated areas of the workpiece, it is necessary to calculate:

1) количество изотопов Si28, перешедших в результате ядерной реакции в изотопы Si29;1) the number of Si 28 isotopes converted as a result of a nuclear reaction into Si 29 isotopes;

2) количество изотопов Si29, перешедших в результате ядерной реакции в изотопы Si30,2) the number of isotopes Si 29 , converted as a result of a nuclear reaction into isotopes Si 30 ,

3) количество изотопов Si30, перешедших в результате ядерной реакции в изотопы Si31.3) the number of Si 30 isotopes transferred as a result of a nuclear reaction into Si 31 isotopes.

После облучения заготовки ОВ нейтронами уравнение молекулярной рефракции примет вид:After irradiation of the OM blank with neutrons, the molecular refraction equation takes the form:

Figure 00000014
Figure 00000014

где K1=10-3 - коэффициент из формулы (3), характеризующий увеличение концентрации j-того изотопа в результате реакции поглощения нейтронов,where K 1 = 10 -3 is the coefficient from formula (3), which characterizes the increase in the concentration of the jth isotope as a result of the neutron absorption reaction,

nx - коэффициент преломления света облученных участков заготовки OB.n x is the light refractive index of the irradiated sections of the workpiece OB.

После подстановки значений всех коэффициентов в предыдущую формулу, получим: nx≈1,45. Относительная разница показателей преломления облученных и необлученных областей заготовки составит

Figure 00000015
что является достаточной величиной для получения ФКВ [3].After substituting the values of all the coefficients in the previous formula, we obtain: n x ≈ 1.45. The relative difference in the refractive indices of the irradiated and unirradiated areas of the workpiece will be
Figure 00000015
which is a sufficient value to obtain PCF [3].

С повышением концентрации тяжелых изотопов кремния в стекле относительный коэффициент преломления увеличивается, и свойства ФКВ проявляются еще сильнее. Предложенный способ изготовления ФКВ позволяет в широких пределах изменять концентрацию тяжелых изотопов кремния и влиять на величину Δn.With an increase in the concentration of heavy silicon isotopes in glass, the relative refractive index increases, and the properties of the PCF are even stronger. The proposed method for the manufacture of PCF allows a wide range to change the concentration of heavy isotopes of silicon and affect the value of Δn.

Таким образом, преимущества заявляемого способа изготовления ФКВ по сравнению с прототипом заключаются в следующем:Thus, the advantages of the proposed method for the manufacture of PCF in comparison with the prototype are as follows:

1) с помощью одного облучателя, как в прототипе, нельзя сформировать многомерные фотонно-кристаллические решетки, для этого требуются несколько облучателей, расположенных как горизонтально, так и вертикально в соответствии с расположением структурных элементов ФКВ;1) using one irradiator, as in the prototype, it is impossible to form multidimensional photonic crystal lattices, this requires several irradiators located both horizontally and vertically in accordance with the location of the structural elements of the PCF;

2) схема облучения заготовки в прототипе соответствует другим ядерным реакциям, характерным для медленных нейтронов с энергией Ен≥0,1 эВ, а именно, в прототипе имеет место не только реакция поглощения, но и реакция рассеивания нейтронов, что усложняет технологию облучения;2) the radiation pattern of the workpiece in the prototype corresponds to other nuclear reactions characteristic of slow neutrons with an energy of E n ≥0.1 eV, namely, in the prototype there is not only an absorption reaction, but also a neutron scattering reaction, which complicates the irradiation technology;

3) в заявляемом способе используются тепловые нейтроны, технология облучения которыми наиболее приспособлена для промышленного производства;3) in the claimed method uses thermal neutrons, the irradiation technology which is most suitable for industrial production;

4) точность изготовления размеров структурных элементов в заявляемом способе значительно выше, чем в прототипе по следующим причинам:4) the manufacturing accuracy of the dimensions of the structural elements in the claimed method is significantly higher than in the prototype for the following reasons:

а) в заявляемом способе предполагается использование источников нейтронов с более высокой разрешающей способностью по энергии,a) in the inventive method, it is assumed the use of neutron sources with a higher resolution in energy,

б) схема облучения заготовки в прототипе, скрученной в катушке приемного устройства, препятствует равномерному проникновению нейтронов, необходимому для формирования стержней ФКВ.b) the irradiation scheme of the workpiece in the prototype, twisted in the coil of the receiving device, prevents the uniform penetration of neutrons, necessary for the formation of PCF rods.

5) принятый в прототипе процент повышения тяжелых изотопов кремния (10-4·100%) в результате облучения нейтронами не достаточен для ФКВ [1]. В заявляемом способе параметры облучения рассчитаны для цифры 10-3·100%, что позволяет обеспечить большую относительную разницу показателей преломления стержней и основы ФКВ.5) adopted in the prototype, the percentage increase in heavy isotopes of silicon (10 -4 · 100%) as a result of irradiation with neutrons is not sufficient for PCF [1]. In the inventive method, the irradiation parameters are calculated for the number 10 -3 · 100%, which allows to provide a large relative difference in the refractive indices of the rods and the base of the PCF.

Описание способа изготовления ФКВ на конкретном примереDescription of the manufacturing method of PCF on a specific example

В заявке на изобретение способ изготовления состоит из следующих этапов:In an application for an invention, a manufacturing method consists of the following steps:

1) расплавленная заготовка преимущественно из диоксида кремния (30) Фиг.6а медленно вытекает из тигля (28), постепенно охлаждаясь на воздухе и затвердевая;1) the molten preform mainly from silicon dioxide (30) Fig.6a slowly flows out of the crucible (28), gradually cooling in air and hardening;

2) после вытягивания заготовки ФКВ и замера размеров диаметра заготовки D=87 мкм (Фиг.2в) с помощью лазерного микрометра (25) заготовка подается через приемное устройство (31) на установку для облучения;2) after pulling the PCF preform and measuring the diameter of the preform D = 87 μm (Fig.2c) using a laser micrometer (25), the preform is fed through a receiving device (31) to the irradiation unit;

облучатели тепловых нейтронов (33) размещены над торцевой частью заготовки (в отличие от положения облучателей для резонансных или медленных нейтронов, которые размещены вдоль заготовки);thermal neutron irradiators (33) are placed above the end of the workpiece (in contrast to the position of the irradiators for resonant or slow neutrons that are placed along the workpiece);

размещение, размеры и форма облучателей соответствуют расположению, размерам и форме структурных элементов ФКВ (поперечное сечение ФКВ, положение сердцевины и стержней изображены на Фиг.2в);the location, size and shape of the irradiators correspond to the location, size and shape of the structural elements of the PCF (the cross section of the PCF, the position of the core and the rods are shown in Figv);

в рассматриваемом примере необходимо установить семь облучателей: один облучатель создает облучаемое пятно на торцевой части заготовки с размерами 0,008 мм×0,008 мм для формирования сердцевины, шесть облучателей аналогично формируют шесть стержней в оболочке, каждый из которых создает облучаемое пятно с размерами 0,001 мм×0,001 мм;in this example, seven irradiators must be installed: one irradiator creates an irradiated spot on the end of the workpiece with dimensions of 0.008 mm × 0.008 mm to form a core, six irradiators similarly form six rods in the shell, each of which creates an irradiated spot with dimensions of 0.001 mm × 0.001 mm ;

3) нейтроны из облучателей с интегральным потоком Ф0=12,5·1021 нейтр./см2 и интенсивностью φ=1019 нейтр./см2·с, проникая в заготовку, сразу вступают в реакцию поглощения, уплотняя объемы заготовки, соответствующие сердцевине и стержням оболочки с глубиной проникновения (поглощения) ln=2,48 м;3) neutrons from irradiators with an integrated flux Ф 0 = 12.5 · 10 21 neutrons / cm 2 and intensity φ = 10 19 neutrons / cm 2 · s, penetrating into the workpiece, immediately enter into the absorption reaction, compacting the volumes of the workpiece, corresponding to the core and cores of the shell with a penetration depth (absorption) l n = 2.48 m;

точность изготовления структурных элементов ФКВ ±5 нм обеспечивается значением разрешения по энергии нейтронов ΔЕн=10-9 эВ;the accuracy of the manufacture of structural elements of PCF ± 5 nm is ensured by the value of the resolution in neutron energy ΔE n = 10 -9 eV;

в течение времени облучения Т=0,3472 час каждое тысячное ядро изотопа Si28 в стекле поглотит нейтрон и перейдет в изотоп Si29;during the irradiation time T = 0.3472 hours, each thousandth nucleus of the Si 28 isotope in the glass will absorb the neutron and transfer to the Si 29 isotope;

готовое волокно обрезается в центрирующей установке (32);the finished fiber is cut in a centering unit (32);

следующий производственный цикл начинается с подтягивания остывшей заготовки (30) из приемного устройства (31) наверх, закрепления в системе (32) для последующего облучения нейтронами.the next production cycle begins with pulling the cooled billet (30) from the receiving device (31) upward, fixing it in the system (32) for subsequent neutron irradiation.

В результате изготовления ФКВ описанным выше способом:As a result of the manufacture of PCF as described above:

а) повышается точность изготовления структурных элементов ФКВ (в прототипе точность изготовления оптического волокна равна ±0,1 мкм, в заявляемом способе точность изготовления составляет ±5 нм);a) increases the accuracy of the manufacture of structural elements of PCF (in the prototype, the accuracy of the manufacture of optical fiber is ± 0.1 μm, in the claimed method, the manufacturing accuracy is ± 5 nm);

б) обеспечивается чистота исходного материала (отсутствие внутренних механических напряжений и дефектов, посторонних примесей, шероховатостей в сопряжениях сердцевины и стержней с основой оболочки), что особенно важно для низкоразмерных фотонных кристаллов;b) the purity of the starting material is ensured (the absence of internal mechanical stresses and defects, extraneous impurities, roughness in the interface of the core and rods with the shell base), which is especially important for low-dimensional photonic crystals;

в) указанные выше качественные изменения внутренней структуры ФКВ значительно улучшают характеристики ФКВ, уменьшают энергетические потери, повышают эффективность лазеров, фотоприемников и других оптоэлектронных устройств, построенных на основе ФКВ.c) the above-mentioned qualitative changes in the internal structure of the PCF significantly improve the characteristics of the PCF, reduce energy losses, increase the efficiency of lasers, photodetectors and other optoelectronic devices based on the PCF.

Источники информацииInformation sources

1. Нанотехнология в электронике. Под редакцией Ю.А.Чаплыгина. - М.: «Техносфера», 2005.1. Nanotechnology in electronics. Edited by Yu.A. Chaplygin. - M.: “Technosphere”, 2005.

2. Журавлева Л.М., Плеханов В.Г. Способ изготовления оптического волокна. Патент на изобретение № 2302381 (прототип).2. Zhuravleva L.M., Plekhanov V.G. A method of manufacturing an optical fiber. Patent for invention No. 2302381 (prototype).

3. Слепов Н.Н. Фотонно-кристаллическое волокно - уже реальность. Новые типы оптических волокон и их применение. Электроника: Наука, Технология, Бизнес; 5/2004.3. Slepov N.N. Photonic crystal fiber is already a reality. New types of optical fibers and their application. Electronics: Science, Technology, Business; 5/2004.

4. Наний О.Е., Павлова Е.Г. Фотонно-кристаллические волокна. LIGHTWAVE russian edition №32004.4. Naniy O.E., Pavlova E.G. Photonic crystal fibers. LIGHTWAVE russian edition No. 32004.

5. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. - С-П, М., Краснодар, «Лань», 2008.5. Mukhin K.N. Experimental nuclear physics. - S-P, M., Krasnodar, "Doe", 2008.

6. Ландсберг Г.В. Оптика. - М.: Физматлит, 2006.6. Landsberg G.V. Optics. - M .: Fizmatlit, 2006.

Claims (1)

Способ изготовления фотонно-кристаллического волокна (ФКВ) путем вытягивания заготовки из однородного химического вещества, преимущественно диоксида кремния, и воздействия по всей длине заготовки потоком нейтронов с заданной глубиной поглощения, отличающийся тем, что после вытягивания из тигля заготовку облучают с помощью специальной установки, состоящей из нескольких облучателей, количество и расположение которых соответствуют формируемым структурным элементам ФКВ, и которые создают пучки тепловых нейтронов со следующими параметрами: размер облучаемого пятна для каждого облучателя не более 0,01 мм×0,01 мм; значение разрешения по энергии нейтронов ΔЕн≤10-9 эВ; величина интегрального потока нейтронов Фо≥12,5·1021 нейтр./см2. A method of manufacturing a photonic crystal fiber (PCF) by pulling a preform from a homogeneous chemical substance, mainly silicon dioxide, and exposing the entire length of the preform to a neutron flux with a given absorption depth, characterized in that after drawing from the crucible, the preform is irradiated using a special installation consisting of of several irradiators, the number and location of which correspond to the formed structural elements of the PCF, and which create beams of thermal neutrons with the following parameters s: the size of the irradiated spot to each illuminator is not more than 0.01 mm × 0,01 mm; the value of the resolution of neutron energy ΔE n ≤10 -9 eV; the magnitude of the integral neutron flux Ф о ≥12.5 · 10 21 neutrons / cm 2 .
RU2009120290/03A 2009-05-29 2009-05-29 Photonic-crystal fibre production method RU2401814C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009120290/03A RU2401814C1 (en) 2009-05-29 2009-05-29 Photonic-crystal fibre production method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009120290/03A RU2401814C1 (en) 2009-05-29 2009-05-29 Photonic-crystal fibre production method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2401814C1 true RU2401814C1 (en) 2010-10-20

Family

ID=44023931

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009120290/03A RU2401814C1 (en) 2009-05-29 2009-05-29 Photonic-crystal fibre production method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2401814C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716668C2 (en) * 2015-11-16 2020-03-13 Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд. Optical fibre manufacturing method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716668C2 (en) * 2015-11-16 2020-03-13 Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд. Optical fibre manufacturing method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Von Freymann et al. Three‐dimensional nanostructures for photonics
Allen et al. Overcoming the diffraction limit of imaging nanoplasmonic arrays by microspheres and microfibers
Zhang et al. Nanostructures for surface plasmons
Ferrini et al. Radiation losses in planar photonic crystals: two-dimensional representation of hole depth and shape by an imaginary dielectric constant
Yu et al. On-chip optical tweezers based on freeform optics
Alexeyev et al. Generation of optical vortices in layered helical waveguides
Ulitko et al. Opal-based terahertz optical elements fabricated by self-assembly of porous SiO 2 nanoparticles
CN101859004A (en) Design method of two-dimensional photonic crystal waveguide coupler
Slablab et al. Fabrication of ion-shaped anisotropic nanoparticles and their orientational imaging by second-harmonic generation microscopy
US20130142312A1 (en) X-ray waveguide and x-ray waveguide system
US20120269327A1 (en) X-ray waveguide
JP2013137306A (en) X-ray waveguide and x-ray waveguide system
RU2401814C1 (en) Photonic-crystal fibre production method
Zhang et al. Double line and tubular depressed cladding waveguides written by femtosecond laser irradiation in PTR glass
Harb et al. Demonstration of Type A volume Bragg gratings inscribed with a femtosecond Gaussian-Bessel laser beam
Liaw et al. Surface plasmon polaritons of higher-order mode and standing waves in metallic nanowires
Zeng et al. Integration of polymer microlens array at fiber bundle extremity by photopolymerization
RU2401813C1 (en) Photonic-crystal fibre production method
Sun et al. Vector beam generation via micrometer-scale photonic integrated circuits and plasmonic nano-antennae
Okhrimchuk et al. Inscription of a waveguide in YAG: Nd crystal with a cladding composed by crystalline hollow channels
Rahbany et al. A concentric plasmonic platform for the efficient excitation of surface plasmon polaritons
Barton et al. Preparation of Bragg mirrors on silica optical fibers and inner walls of silica capillaries by employing the sol–gel method, and titanium and silicon alkoxides
Moon et al. Microstructured void gratings for outcoupling deep-trap guided modes
Pala et al. Grism fabricated on the end-face of an optical fiber
Mizeikis et al. Direct laser writing of electromagnetic metasurfaces for infra-red frequency range

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140530