Fibra de cristal fotónico

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 imposibles en la fibra óptica convencional, la PCF está encontrando aplicaciones en comunicaciones por fibra óptica , láseres de fibra , dispositivos no lineales, transmisión de alta potencia, sensores de gas de alta sensibilidad y otras áreas. Las categorías más específicas de PCF incluyen la fibra de banda prohibida fotónica (PCF que confinan la luz mediante efectos de banda prohibida ), la fibra con agujeros (PCF que utilizan agujeros de aire en sus secciones transversales), la fibra asistida por agujeros (PCF que guían la luz mediante un núcleo convencional de índice más alto modificado por la presencia de agujeros de aire) y la fibra de Bragg (fibra de banda prohibida fotónica 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 se guía mediante modificaciones estructurales, y no solo por diferencias en el índice de refracción. Las fibras de núcleo hueco (HCF) son un tipo relacionado de fibra óptica que guarda cierta semejanza con las fibras ópticas perforadas, pero pueden ser fotónicas o no, dependiendo de la fibra. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Las fibras ópticas han evolucionado en muchas formas desde los avances prácticos que permitieron su introducción más amplia en la década de 1970 como fibras convencionales de índice escalonado ^{[ 3 ] [ 4 ]} y más tarde como fibras de un solo material donde la propagación estaba definida por una estructura de revestimiento de aire efectiva. ^{[ 5 ]}

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) que consta de uno, dos o más materiales, generalmente dispuestos periódicamente en gran parte de la sección transversal. Esta zona se conoce como "revestimiento" y rodea un núcleo (o varios núcleos) donde se confina la luz. 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 ^{[ 6 ]} o hueco ^{[ 7 ]} en el centro 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, ^{[ 8 ]} estructuras de pajarita, panda y orificios elípticos (utilizadas para lograr una mayor birrefringencia debido a la irregularidad en el índice de refracción relativo ), diseños en espiral ^{[ 9 ]} que permiten un mejor control sobre las propiedades ópticas ya que se pueden cambiar parámetros individuales.

(Nota: Las fibras de cristal fotónico (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, a diferencia de las variaciones en las direcciones transversales como en las PCF. Tanto las PCF como las rejillas de Bragg de fibra emplean fenómenos de difracción de Bragg , aunque en direcciones diferentes).

La atenuación más baja reportada para la fibra de cristal fotónico de núcleo sólido es de 0,37 dB/km, ^{[ 10 ]} y para el núcleo hueco es de 1,2 dB/km. ^{[ 11 ]}

Generalmente, estas fibras se construyen mediante los mismos métodos que otras fibras ópticas: primero, se construye una " preforma " de centímetros de tamaño, luego se calienta y se estira hasta un diámetro mucho menor (a menudo casi tan pequeño como un cabello humano), reduciendo la sección transversal de la preforma pero (generalmente) manteniendo las mismas características. De esta manera, se pueden producir kilómetros de fibra a partir de una sola preforma. Los orificios de aire se crean comúnmente agrupando varillas huecas en un haz y calentando el haz para fusionarlo en una sola varilla con orificios ordenados antes del estirado, aunque se utilizó perforación/fresado para producir los primeros diseños aperiódicos. ^{[ 12 ]} Esto constituyó la base posterior para la producción de las primeras fibras estructuradas de vidrio blando y polímero.

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 existe un creciente interés en fabricarlas a partir de polímeros, donde se ha explorado una amplia variedad de estructuras, incluidas estructuras de índice gradual, fibras con estructura de anillo y fibras de núcleo hueco. Estas fibras de polímero se han denominado "MPOF", abreviatura de fibras ópticas de polímero microestructuradas . ^{[ 13 ]} Temelkuran et al. ^{[ 14 ]} utilizaron una combinación de un polímero y un vidrio de calcogenuro en 2002 para longitudes de onda de 10,6 μm (donde la sílice no es transparente).

Las fibras de cristal fotónico se pueden dividir en dos modos de funcionamiento, según su mecanismo de confinamiento: guía de índice y banda prohibida fotónica.

Las fibras de cristal fotónico con guía de índice se caracterizan por un núcleo con un índice de refracción promedio mayor que el del revestimiento. La forma más sencilla de lograrlo es mantener un núcleo sólido, rodeado por un revestimiento del mismo material pero con orificios de aire intercalados, ya que el índice de refracción del aire necesariamente disminuirá el índice de refracción promedio del revestimiento. Estas fibras de cristal fotónico funcionan con el mismo principio de guía de índice que las fibras ópticas convencionales; sin embargo, pueden tener un contraste de índice de refracción efectivo mucho mayor entre el núcleo y el revestimiento, y por lo tanto, pueden ofrecer una confinación mucho mayor para aplicaciones en dispositivos ópticos no lineales y fibras de mantenimiento de polarización . Alternativamente, también se pueden fabricar con un contraste de índice efectivo mucho menor .

Como alternativa, se puede crear una fibra de cristal fotónico con banda prohibida fotónica , en la que la luz se confina mediante una banda prohibida fotónica creada por el revestimiento microestructurado. Dicha banda prohibida, diseñada adecuadamente, puede confinar la luz en un núcleo de índice más bajo e incluso en un núcleo hueco (de aire). Las fibras con banda prohibida y núcleo hueco pueden sortear las limitaciones impuestas por los materiales disponibles, por ejemplo, para crear fibras que guíen la luz en longitudes de onda para las que no existen materiales transparentes (ya que la luz se encuentra 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. Las fibras de cristal fotónico también se pueden modificar recubriendo los orificios con sol-geles de material con índice similar o diferente para mejorar la transmitancia de la luz.

El término "fibra de cristal fotónico" fue acuñado por Philip Russell entre 1995 y 1997 (él afirma (2003) que la idea se remonta a un trabajo no publicado de 1991).

• rejilla de Bragg de fibra
• fibra óptica
• óptica de índice de gradiente
• Modo con fugas
• Comunicación óptica
• Medio óptico
• Cristal fotónico
• fibra óptica de diámetro sublongitudinal

• TA Birks, PJ Roberts, P. St. J. Russell, DM Atkin y TJ Shepherd, "Bandas prohibidas fotónicas bidimensionales completas en estructuras de sílice/aire", Electronic Letters 31 , 1941-1942 (1995). (Primera propuesta de fibra de cristal fotónico reportada).
• 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 las fibras de cristal fotónico» (Imperial College Press, Londres, 2005). ISBN 1-86094-507-4.
• RF Cregan, BJ Mangan, JC Knight, TA Birks, P. St.J. Russell, PJ Roberts y DC Allan, "Guía de luz en el aire mediante banda prohibida fotónica monomodo", Science, vol. 285, n.º 5433, págs.  1537–1539, septiembre de 1999.
• A. Bjarklev, J. Broeng y A.S. Bjarklev, «Fibras de cristal fotónico» (Kluwer Academic Publishers, Boston, MA, 2003). ISBN 1-4020-7610-X.
• JM Dudley, G. Genty, S. Coen, "Generación de supercontinuo en fibra de cristal fotónico", Reviews of Modern Physics 78 , 1135 (2006).

• Centro de Fotónica y Materiales Fotónicos (CPPM), Universidad de Bath
• Grupo del profesor Philip St. John Russell en el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz en Erlangen.con material introductorio, reseñas e información sobre investigaciones actuales.
• Enciclopedia de física y tecnología láser sobre fibras de cristal fotónico , con numerosas referencias.
• Steven G. Johnson , Tutoriales sobre cristales fotónicos y fibras microestructuradas (2005).
• Philip Russell: Fibras de cristal fotónico, relato histórico en: Boletín informativo IEEE LEOS, octubre de 2007. Archivado el 19 de octubre de 2017 en Wayback Machine .
• John D. Joannopoulos, Steven G. Johnson , Joshua N. Winn y Robert D. Meade, Cristales fotónicos: moldeando el flujo de la luz , segunda edición (Princeton, 2008), capítulo 9. (Disponible en línea).
• Presentación plenaria de Philip Russell: Aplicaciones emergentes de las fibras de cristal fotónico. Sala de prensa de SPIE.