Fibra óptica de cristal fotónico

La fibra óptica de cristal fotónico  (PCF, fibra óptica microestructurada, guía de onda perforada) es una clase de fibra óptica , cuya cubierta tiene la estructura de un cristal fotónico bidimensional .

Gracias a esta estructura de capa, se abren nuevas posibilidades para controlar las propiedades de dispersión de las fibras en un amplio rango y el grado de localización de la radiación electromagnética en modos de guía de ondas guiadas.

En la mayoría de los casos, se utiliza vidrio o cuarzo fundido con orificios llenos de aire para crear PCF. Algunos de los agujeros pueden estar llenos de otros gases o líquidos, incluidos los cristales líquidos. Menos utilizados son los PCF formados por dos tipos de vidrio distintos, cuyos índices de refracción son muy diferentes entre sí.

A veces, el término fibra de cristal fotónico se usa en un sentido más amplio: se refiere a casi todos los tipos de fibras con una estructura de capa compleja, incluidas las fibras microestructuradas y nanoestructuradas, así como las fibras de Bragg y las fibras perforadas.

Clasificación

Según el mecanismo físico de retención de la luz en el núcleo de la fibra PCF, se puede dividir en dos grandes clases.

La primera clase está formada por PCF, cuya localización de la luz en el núcleo se produce debido a la reflexión especular del caparazón, que tiene brechas de banda fotónica. Es especialmente importante que el núcleo de una PCF con banda prohibida pueda ser hueco, lo que permite aumentar en varios órdenes de magnitud la potencia de la radiación que se introduce en ellas, y reducir pérdidas y efectos no lineales.

El mecanismo de confinamiento de la luz en el PCF de segunda clase es bastante tradicional para la fibra óptica: reflexión interna total . Sin embargo, utilizan un nuevo principio para controlar el índice de refracción del caparazón, basado en su dependencia de la estructura del caparazón. La capacidad de controlar el índice de refracción del revestimiento permite la creación de la llamada fibra monomodo sin restricciones . En ellos, solo un modo se propaga en cualquier longitud de onda . Otra característica de la PCF es la existencia de un régimen monomodo en fibras con un gran diámetro de núcleo.

Para la fabricación de PCF con agujeros de aire, el estirado a alta temperatura generalmente se usa a partir de una pieza en bruto (preforma) ensamblada a partir de tubos huecos de sección transversal redonda o hexagonal. Los agujeros se pueden llenar con varios tipos de sustancias para controlar las propiedades de la PCF. Menos utilizado es la perforación de agujeros en una preforma realizada según una de las tecnologías tradicionales para la producción de preformas para fibras ópticas.

Aplicaciones

Las fibras de cristal fotónico superan las limitaciones de las fibras ópticas y las guías de ondas estándar. Hay PCF que tienen muchas propiedades inusuales, por ejemplo:

• PCF, en los que el modo monomodo de propagación de la luz no está limitado espectralmente;
• PCF con una banda prohibida, compatible con el modo de guía de ondas de propagación de la luz en el núcleo de aire;
• PCF con un área modal efectiva grande o, por el contrario, muy pequeña;
• PCF ultraaltamente no lineales;
• polarización : mantenimiento de PCF con anisotropía muy fuerte;
• PCF de dispersión cero en cualquier longitud de onda en los rangos visible e IR cercano .

Una de las aplicaciones prácticas más importantes de las PCFs es la creación de generadores de supercontinuos basados ​​en ellas (convirtiendo la radiación láser en radiación con una banda de amplio espectro, es decir, baja coherencia temporal, manteniendo una alta coherencia espacial) y la obtención de ( peines ópticos ). El uso de PCF para convertir la longitud de onda de la luz, crear dispositivos para el procesamiento de señales ópticas, transportar radiación de luz de alta potencia y resolver muchos otros problemas es muy prometedor.

El futuro de los PCF estará determinado en gran medida por el desarrollo de su tecnología de producción, en particular, por el progreso en la reducción de la atenuación y el aumento de la resistencia mecánica. También es importante la cuestión de reducir el costo de producción de PCV.

Literatura

• E. M. Dianov Logros en el campo de la creación de fibras de cristal fotónico y amplificadores de banda ultra ancha // Lightwave Russian Edition. 2004. No. 1. S. 8–11.
• Naniy O. E., Pavlova E. G. Fibras de cristal fotónico // Lightwave Russian Edition. 2004. Nº 3. Art. 47–53.
• Zheltikov A. M. Óptica de fibras microestructuradas. — M.: Nauka, 2004. — 281 p.
• Zheltikov A. M. Guías de ondas perforadas // UFN. 2000. T. 170. S. 1203.
• P. St. J. Russell, "Fibras de cristal fotónico", Science 299 , 358-362 (2003). (Artículo de revisión.)
• P. St. J. Russell, "Fibras de cristal fotónico", J. Lightwave. Tecnología , 24 (12), 4729-4749 (2006). (Artículo de revisión.)
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• JM Dudley, G. Genty, S. Coen, "Generación supercontinua en fibra de cristal fotónico", Reseñas de física moderna 78 , 1135 (2006).

Enlaces

• Centro de Fotónica y Materiales Fotónicos (CPPM), Universidad de Bath [1]
• grupo del prof. san felipe John Russell en el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz en Erlangen [2] con material introductorio, reseñas e información sobre investigaciones actuales.
• Enciclopedia de Física y Tecnología Láser sobre fibras de cristal fotónico , con muchas referencias
• Steven G. Johnson, Tutoriales de fibra microestructurada y cristal fotónico (2005).
• Philip Russell: Photonic Crystal Fibers, relato histórico en: IEEE Leo Newsletter, octubre de 2007  (enlace no disponible)
• John D. Joannopoulos, Steven G. Johnson, Joshua N. Winn y Robert D. Meade, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light , segunda edición (Princeton, 2008), capítulo 9. (Legible en línea).