La fibra de cristal fotónico ( PCF ) es una clase de fibra óptica basada en las propiedades de los cristales fotónicos . Se exploró por primera vez en 1996 en la Universidad de Bath, Reino Unido. Debido a su capacidad para confinar la luz en núcleos huecos o con características de confinamiento que no son posibles en la fibra óptica convencional, PCF ahora encuentra aplicaciones en comunicaciones de fibra óptica , láseres de fibra , dispositivos no lineales, transmisión de alta potencia, sensores de gas altamente sensibles y otros. áreas. Categorías más específicas de PCF incluyen fibra de banda prohibida fotónica (PCF que confinan la luz por efectos de banda prohibida), fibra perforada (PCF que usa orificios de aire en sus secciones transversales),fibra asistida por orificios (PCF que guían la luz por un núcleo convencional de índice más alto modificado por la presencia de orificios de aire) y fibra de Bragg ( fibra fotónica con banda prohibida formada por anillos concéntricos de película multicapa). Las fibras de cristal fotónico pueden considerarse un subgrupo de una clase más general de fibras ópticas microestructuradas , donde la luz es guiada por modificaciones estructurales y no solo por diferencias de índice de refracción.
Descripción
Las fibras ópticas han evolucionado en muchas formas desde los avances prácticos que vieron su introducción más amplia en la década de 1970 como fibras de índice de pasos convencionales [1] [2] y más tarde como fibras de un solo material donde la propagación se definió por una estructura de revestimiento de aire eficaz. [3]
En general, las fibras estructuradas regulares, como las fibras de cristal fotónico, tienen una sección transversal (normalmente uniforme a lo largo de la longitud de la fibra) microestructurada a partir de uno, dos o más materiales, más comúnmente dispuestos periódicamente en gran parte de la sección transversal, generalmente como un " revestimiento "que rodea un núcleo (o varios núcleos) donde la luz está confinada. Por ejemplo, las fibras demostradas por primera vez por Philip Russell consistían en una red hexagonal de orificios de aire en una fibra de sílice , con un núcleo sólido (1996) o hueco (1998) en el centro por donde se guía la luz. Otras disposiciones incluyen anillos concéntricos de dos o más materiales, propuestos por primera vez como "fibras de Bragg" por Yeh y Yariv (1978), una variante de los cuales fue fabricada recientemente por Temelkuran et al. (2002), estructuras de pajarita, panda y agujeros elípticos utilizadas para lograr una mayor birrefringencia debido a la irregularidad en el índice de refracción relativo , diseños en espiral [4] para mayores grados de libertad en el control de las propiedades ópticas debido a la flexibilidad en el cambio de diferentes parámetros y otros tipos.
(Nota: los PCF y, en particular, las fibras de Bragg, no deben confundirse con las rejillas de Bragg de fibra , que consisten en un índice de refracción periódico o una variación estructural a lo largo del eje de la fibra, en contraposición a las variaciones en las direcciones transversales como en el PCF. Ambos PCF y las rejillas de Bragg de fibra emplean fenómenos de difracción de Bragg , aunque en diferentes direcciones).
La atenuación más baja notificada de la fibra de cristal fotónico de núcleo sólido es de 0,37 dB / km, [5] y para el núcleo hueco es de 1,2 dB / km [6]
Construcción
Por lo general, estas fibras se construyen con los mismos métodos que otras fibras ópticas: primero, se construye una " preforma " en la escala de centímetros de tamaño, y luego se calienta la preforma y se reduce a un diámetro mucho más pequeño (a menudo casi tan pequeño como un cabello humano), reduciendo la sección transversal de la preforma pero (generalmente) manteniendo las mismas características. De esta forma, se pueden producir kilómetros de fibra a partir de una única preforma. El método más común consiste en apilar, aunque se utilizó taladrado / fresado para producir los primeros diseños aperiódicos. [7] Esto formó la base posterior para producir las primeras fibras con estructura de polímero y vidrio blando.
La mayoría de las fibras de cristal fotónico se han fabricado en vidrio de sílice , pero también se han utilizado otros vidrios para obtener propiedades ópticas particulares (como una alta no linealidad óptica). También hay un interés creciente en fabricarlos a partir de polímero, donde se ha explorado una amplia variedad de estructuras, incluidas estructuras de índice graduado, fibras estructuradas en anillo y fibras de núcleo hueco. Estas fibras poliméricas se han denominado "MPOF", abreviatura de fibras ópticas poliméricas microestructuradas (van Eijkelenborg, 2001). Temelkuran et al. Utilizaron una combinación de un polímero y un vidrio de calcogenuro . (2002) para longitudes de onda de 10,6 μm (donde la sílice no es transparente).
Modos de operacion
Las fibras de cristal fotónico se pueden dividir en dos modos de funcionamiento, según su mecanismo de confinamiento. Aquellos con un núcleo sólido, o un núcleo con un índice promedio más alto que el revestimiento microestructurado, pueden operar con el mismo principio de guía de índice que la fibra óptica convencional; sin embargo, pueden tener un contraste de índice de refracción efectivo mucho más alto entre el núcleo y el revestimiento. y, por lo tanto, pueden tener un confinamiento mucho más fuerte para aplicaciones en dispositivos ópticos no lineales, fibras que mantienen la polarización (o también pueden fabricarse con un índice de contraste efectivo mucho más bajo ). Alternativamente, se puede crear una fibra de "banda prohibida fotónica", en la que la luz está confinada por una banda prohibida fotónica creada por el revestimiento microestructurado; dicha banda prohibida, correctamente diseñada, puede confinar la luz en un núcleo de índice más bajo e incluso en un hueco (aire ) centro. Las fibras de banda prohibida con núcleos huecos pueden potencialmente eludir los límites impuestos por los materiales disponibles, por ejemplo, para crear fibras que guíen la luz en longitudes de onda para las que los materiales transparentes no están disponibles (porque la luz está principalmente en el aire, no en los materiales sólidos). Otra ventaja potencial de un núcleo hueco es que se pueden introducir materiales dinámicamente en el núcleo, como un gas que se va a analizar para detectar la presencia de alguna sustancia. El PCF también se puede modificar recubriendo los orificios con sol-geles de material índice similar o diferente para mejorar su transmitancia de luz.
Historia
El término "fibra de cristal fotónico" fue acuñado por Philip Russell en 1995-1997 (afirma (2003) que la idea data de un trabajo inédito en 1991).
Ver también
Referencias
- ^ Kapron, FP (1970). "Pérdidas por radiación en guías de ondas ópticas de vidrio". Letras de Física Aplicada . 17 (10): 423. Bibcode : 1970ApPhL..17..423K . doi : 10.1063 / 1.1653255 .
- ^ Keck, DB (1973). "Sobre el último límite inferior de atenuación en guías de ondas ópticas de vidrio". Letras de Física Aplicada . 22 (7): 307. Bibcode : 1973ApPhL..22..307K . doi : 10.1063 / 1.1654649 .
- ^ Kaiser PV, Astle HW, (1974), Bell Syst. Tech. J., 53, 1021–1039
- ^ Agrawal, Arti (febrero de 2013). "Apilado de la espiral equiangular". Cartas de tecnología fotónica IEEE . 25 : 291–294 - a través de IEEE.
- ^ Tajima K, Zhou J, Nakajima K, Sato K (2004). "Pérdida ultrabaja y fibra de cristal fotónico de longitud larga" Journal of Lightwave Technology ". Journal of Lightwave Technology . 22 : 7–10. Código bibliográfico : 2004JLwT ... 22 .... 7T . Doi : 10.1109 / JLT.2003.822143 .
- ^ P. Roberts, F. Couny, H. Sabert, B. Mangan, D. Williams, L. Farr, M. Mason, A. Tomlinson, T. Birks, J. Knight y P. St. J. Russell, "Máxima pérdida mínima de fibras de cristal fotónico de núcleo hueco", Opt. Express 13, 236-244 (2005) http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-13-1-236
- ^ Canning J, Buckley E, Lyttikainen K, Ryan T (2002). "Fuga dependiente de la longitud de onda en una fibra óptica estructurada aire-sílice basada en Fresnel". Comunicaciones ópticas . 205 : 95–99. Código Bibliográfico : 2002OptCo.205 ... 95C . doi : 10.1016 / S0030-4018 (02) 01305-6 .
Otras lecturas
- TA Birks, PJ Roberts, P. St. J. Russell, DM Atkin y TJ Shepherd, "Bandgaps fotónicos 2-D completos en estructuras de sílice / aire" Electronic Letters 31 , 1941-1942 (1995). (Primera propuesta de PCF notificada)
- 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. Technol. , 24 (12), 4729–4749 (2006). (Artículo de revisión.)
- F. Zolla, G. Renversez, A. Nicolet, B. Kuhlmey, S. Guenneau, D. Felbacq, "Fundamentos de fibras de cristal fotónico" (Imperial College Press, Londres, 2005). ISBN 1-86094-507-4 .
- Burak Temelkuran, Shandon D. Hart, Gilles Benoit, John D. Joannopoulos y Yoel Fink, "Fibras ópticas huecas escalables en longitud de onda con grandes bandas fotónicas para la transmisión del láser de CO2", Nature 420 , 650–653 (2002).
- JC Knight, J. Broeng, TA Birks y P. St. J. Russell, "Guía de banda prohibida fotónica en fibras ópticas", Science 282, 1476-1478 (1998).
- JC Knight, TA Birks, P. St. J. Russell y DM Atkin, "Fibra monomodo totalmente de sílice con revestimiento de cristal fotónico", Opc. Letón. 21 , 1547-1549 (1996). Fe de erratas, ibid 22 , 484–485 (1997).
- RF Cregan, BJ Mangan, JC Knight, TA Birks, P. St.J. Russell, PJ Roberts y DC Allan, "Guía de banda prohibida fotónica monomodo de la luz en el aire", Science, vol. 285, no. 5433, págs. 1537-1539, septiembre de 1999.
- PJ Roberts, F. Couny, H. Sabert, BJ Mangan, DP Williams, L. Farr, MW Mason, A. Tomlinson, TA Birks, JC Knight y P. St.J. Russell, "Máxima pérdida mínima de fibras de cristal fotónico de núcleo hueco", Opt. Express, vol. 13, no. 1, págs. 236–244, 2005.
- P. Yeh, A. Yariv y E. Marom, "Teoría de la fibra de Bragg", J. Opt. Soc. Soy. 68 , 1196-1201 (1978).
- A. Bjarklev, J. Broeng y AS Bjarklev, "Fibras de cristal fotónico" (Kluwer Academic Publishers, Boston, MA, 2003). ISBN 1-4020-7610-X .
- Martijn A. van Eijkelenborg, Maryanne CJ Large, Alexander Argyros, Joseph Zagari, Steven Manos, Nader A. Issa, Ian Bassett, Simon Fleming, Ross C. McPhedran, C. Martijn de Sterke y Nicolae AP Nicorovici, "Fibra óptica de polímero microestructurado ", Optics Express Vol. 9, núm. 7, págs. 319–327 (2001).
- JM Dudley, G. Genty, S. Coen, "Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fiber", Reviews of Modern Physics 78 , 1135 (2006).
enlaces externos
- Centro de Fotónica y Materiales Fotónicos (CPPM), Universidad de Bath [1]
- Grupo del Prof. Philip St. John Russell en el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz en Erlangen [2] con material introductorio, reseñas e información sobre la investigación actual.
- 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 LEOS Newsletter, octubre de 2007
- John D. Joannopoulos, Steven G. Johnson , Joshua N. Winn y Robert D. Meade, Photonic Crystals: Moulding the Flow of Light , segunda edición (Princeton, 2008), capítulo 9. (Se puede leer en línea).
- Presentación plenaria de Philip Russell: Aplicaciones emergentes de las fibras de cristal fotónico Sala de prensa de SPIE