Una fibra óptica de diámetro inferior a la longitud de onda ( SDF o SDOF ) es una fibra óptica cuyo diámetro es menor que la longitud de onda de la luz que se propaga a través de ella. Una SDF suele constar de partes largas y gruesas (igual que las fibras ópticas convencionales) en ambos extremos, regiones de transición (conicidades) donde el diámetro de la fibra disminuye gradualmente hasta el valor de sublongitud de onda y una cintura de diámetro inferior a la longitud de onda, que es la parte principal que actúa. Debido a un confinamiento geométrico tan fuerte, el campo electromagnético guiado en una SDF está restringido a un solo modo llamado fundamental . En las fibras ópticas habituales, la luz excita y siente ondas elásticas longitudinales y de cizallamiento, dando lugar a la dispersión de Brillouin de onda acústica guiada hacia delante y a la dispersión de Brillouin estimulada hacia atrás. En una fibra óptica de diámetro inferior a la longitud de onda, la situación cambia drásticamente. [1]
Nombre
No existe un acuerdo general sobre cómo deben denominarse estos elementos ópticos; diferentes grupos prefieren enfatizar diferentes propiedades de dichas fibras, a veces incluso utilizando términos diferentes. Los nombres en uso incluyen guía de onda de sublongitud de onda, [2] cable óptico de sublongitud de onda, [3] cable de sílice de sublongitud de onda de diámetro , [4] conicidad de fibra de sublongitud de onda de diámetro, [5] [6] guía de onda de cable ( fotónico ) , [7] [8] cable fotónico, [9] [10] [11] nanocable fotónico , [12] [13] [14] nanocables ópticos, [15] nanocables de fibra óptica, [ 16] fibra cónica (óptica), [17] [18] [19] [20] conicidad de fibra, [21] fibra de sílice de diámetro submicrónico , [22] [23] fibras ópticas ultrafinas, [24] nanofibra óptica , [25] [26] microfibras ópticas , [27] guías de onda de fibra submicrónica, [28] micro/nano cables ópticos (MNOW).
El término guía de ondas se puede aplicar no sólo a las fibras, sino también a otras estructuras de guía de ondas como las guías de ondas fotónicas de silicio de sublongitud de onda. [29] El término submicrón es a menudo sinónimo de sublongitud de onda , ya que la mayoría de los experimentos se llevan a cabo utilizando luz con una longitud de onda entre 0,5 y 1,6 μm. [12] Todos los nombres con el prefijo nano- son algo engañosos, ya que se suele aplicar a objetos con dimensiones en la escala de nanómetros (p. ej., nanopartícula , nanotecnología ). El comportamiento característico de la SDF aparece cuando el diámetro de la fibra es aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la luz. Es por eso que el término sublongitud de onda es el más apropiado para estos objetos. [ investigación original? ]
Fabricación
Un SDF se crea generalmente estrechando una fibra óptica comercial, generalmente de índice escalonado . El proceso se lleva a cabo con máquinas de estirado especiales.
Una fibra óptica suele estar formada por un núcleo, un revestimiento y una capa protectora. Antes de extraer una fibra, se retira el revestimiento (es decir, se pela la fibra ). Los extremos de la fibra desnuda se fijan en etapas de "traslación" móviles en la máquina. A continuación, se calienta la parte central de la fibra (entre las etapas) con una llama (como la de un oxhídrico quemado ) o un rayo láser ; al mismo tiempo, las etapas de traslación se mueven en direcciones opuestas. El vidrio se funde y la fibra se alarga, mientras que su diámetro disminuye. [30]
Utilizando el método descrito, se obtienen cinturas entre 1 y 10 mm de longitud y diámetros de hasta 100 nm. Para minimizar las pérdidas de luz en los modos no ligados , se debe controlar el proceso de tracción de modo que los ángulos de conicidad satisfagan la condición adiabática [31] al no exceder un cierto valor, generalmente del orden de unos pocos milirradianes . Para este propósito, se acopla un haz láser a la fibra que se está tirando y la luz de salida se monitorea mediante un medidor de potencia óptica durante todo el proceso. Una SDF de buena calidad transmitiría más del 95% de la luz acoplada, [30] la mayoría de las pérdidas se deben a la dispersión en las imperfecciones o impurezas de la superficie en la región de la cintura.
Si la fibra que se está afilando se tira uniformemente sobre una fuente de calor estacionaria, la SDF resultante tiene un perfil de radio exponencial . [32] En muchos casos es conveniente tener una región de cintura cilíndrica, es decir, una cintura de espesor constante. La fabricación de una fibra de este tipo requiere ajustes continuos de la zona caliente moviendo la fuente de calor, [30] y el proceso de fabricación se vuelve significativamente más largo.
Manejo
Al ser extremadamente delgada, la fibra de vidrio también es extremadamente frágil. Por lo tanto, la fibra de vidrio suele montarse en un marco especial inmediatamente después de extraerla y nunca se separa de este marco. La forma habitual de fijar una fibra al soporte es mediante un pegamento polimérico, como una resina epoxi o un adhesivo óptico .
Sin embargo, el polvo puede adherirse a la superficie de un SDF. Si se acopla una potencia láser significativa a la fibra, las partículas de polvo dispersarán la luz en el campo evanescente , se calentarán y pueden destruir térmicamente la cintura. Para evitar esto, los SDF se extraen y se utilizan en entornos libres de polvo, como cajas de flujo o cámaras de vacío . Para algunas aplicaciones, es útil sumergir el SDF recién afilado en agua purificada y así proteger la cintura de la contaminación.
Aplicaciones
Las aplicaciones incluyen sensores, [33] óptica no lineal, acopladores de fibra, captura y guiado de átomos, [26] [34] [35] [36] interfaz cuántica para procesamiento de información cuántica, [37] [38] interruptores totalmente ópticos, [39] manipulación óptica de partículas dieléctricas. [40] [41]
Las fibras ópticas de diámetro inferior a la longitud de onda tienen diversas aplicaciones debido a las condiciones especiales de confinamiento de la luz en dimensiones de escala nanométrica. Algunos de los usos clave son:
Detección:
Los SDF aumentan la sensibilidad a factores ambientales como la temperatura y la humedad.
Óptica no lineal:
Desempeñan un papel importante en la generación de armónicos de segundo orden y en los procesos de conmutación totalmente ópticos, importantes en la fotónica y la comunicación cuántica.
Atrapamiento de átomos e interfaz cuántica:
Estas fibras hacen posible la manipulación de átomos y fotones , por lo que son muy vitales en el procesamiento de información cuántica.
^ Beugnot, Jean-Charles; Lebrun, Sylvie; Pauliat, Gilles; Maillotte, Hervé; Laude, Vincent; Sylvestre, Thibaut (24 de octubre de 2014). "Dispersión de luz de Brillouin a partir de ondas acústicas de superficie en una fibra óptica de diámetro inferior a la longitud de onda". Nature Communications . 5 (1): 5242. doi :10.1038/ncomms6242. ISSN 2041-1723. PMC 4220458 . Este artículo incorpora texto de esta fuente, que está disponible bajo la licencia CC BY 4.0.
^ Foster, MA; Gaeta, AL (2004). "Generación de supercontinuo de umbral ultrabajo en guías de onda de sublongitud de onda". Optics Express . 12 (14): 3137–3143. Bibcode :2004OExpr..12.3137F. doi : 10.1364/OPEX.12.003137 . PMID 19483834.
^ Jung, Y.; Brambilla, G.; Richardson, DJ (2008). "Operación monomodo de banda ancha de fibras ópticas estándar mediante el uso de un filtro de cable óptico de sublongitud de onda" (PDF) . Optics Express . 16 (19): 14661–14667. Bibcode :2008OExpr..1614661J. doi :10.1364/OE.16.014661. PMID 18795003.
^ Tong, L.; Gattass, RR; Ashcom, JB; He, S.; Lou, J.; Shen, M.; Maxwell, I.; Mazur, E. (2003). "Alambres de sílice de diámetro sublongitud de onda para guiado de ondas ópticas de baja pérdida" (PDF) . Nature . 426 (6968): 816–819. Bibcode :2003Natur.426..816T. doi :10.1038/nature02193. PMID 14685232. S2CID 15048914.
^ Mägi, EC; Fu, LB; Nguyen, HC; Lamont, MR; Yeom, DI; Eggleton, BJ (2007). "No linealidad de Kerr mejorada en estrechamientos de fibras de calcogenuro As2Se3 con diámetros inferiores a la longitud de onda". Optics Express . 15 (16): 10324–10329. Bibcode :2007OExpr..1510324M. doi : 10.1364/OE.15.010324 . PMID 19547382. S2CID 14870791.
^ Zhang, L.; Gu, F.; Lou, J.; Yin, X.; Tong, L. (2008). "Detección rápida de humedad con un cono de fibra de diámetro sublongitud de onda recubierto con película de gelatina". Optics Express . 16 (17): 13349–13353. Bibcode :2008OExpr..1613349Z. doi : 10.1364/OE.16.013349 . PMID 18711572.
^ Liang, TK; Nunes, LR; Sakamoto, T.; Sasagawa, K.; Kawanishi, T.; Tsuchiya, M.; Priem, GRA; Van Thourhout, D.; Dumon, P.; Baets, R.; Tsang, HK (2005). "Conmutación óptica ultrarrápida mediante modulación de absorción cruzada en guías de onda de cable de silicio". Optics Express . 13 (19): 7298–7303. Bibcode :2005OExpr..13.7298L. doi :10.1364/OPEX.13.007298. hdl : 1854/LU-327594 . PMID 19498753.
^ Espinola R, Dadap J, Osgood R Jr, McNab S, Vlasov Y (2005). "Conversión de longitud de onda de banda C en guías de onda de alambre fotónico de silicio". Optics Express . 13 (11): 4341–4349. Bibcode :2005OExpr..13.4341E. doi : 10.1364/OPEX.13.004341 . PMID 19495349.
^ Lizé, YK; Mägi, EC; Ta'Eed, VG; Bolger, JA; Steinvurzel, P.; Eggleton, B. (2004). "Cables fotónicos de fibra óptica microestructurados con diámetro de núcleo de sublongitud de onda". Optics Express . 12 (14): 3209–3217. Bibcode :2004OExpr..12.3209L. doi : 10.1364/OPEX.12.003209 . PMID 19483844.
^ Zheltikov, A. (2005). "Análisis en modo gaussiano de la no linealidad de tipo Kerr mejorada con guía de ondas de fibras ópticas y cables fotónicos". Journal of the Optical Society of America B . 22 (5): 1100. Bibcode :2005JOSAB..22.1100Z. doi :10.1364/JOSAB.22.001100.
^ Konorov, SO; Akimov, DA; Serebryannikov, EE; Ivanov, AA; Alfimov, MV; Dukel'Skii, KV; Khokhlov, AV; Shevandin, VS; Kondrat'Ev, YN; Zheltikov, AM (2005). "Modos de orden superior de cables fotónicos excitados por la emisión de solitones de Cherenkov". Letras de Física Láser . 2 (5): 258–261. Código Bib : 2005LaPhL...2..258K. doi :10.1002/lapl.200410176. S2CID 122277596.
^ ab Foster, MA; Turner, AC; Lipson, M.; Gaeta, AL (2008). "Óptica no lineal en nanocables fotónicos". Optics Express . 16 (2): 1300–1320. Bibcode :2008OExpr..16.1300F. doi : 10.1364/OE.16.001300 . PMID 18542203.
^ Wolchover, NA; Luan, F.; George, AK; Knight, JC; Omenetto, FG (2007). "Nanocables de cristal fotónico de vidrio de alta no linealidad". Optics Express . 15 (3): 829–833. Bibcode :2007OExpr..15..829W. doi : 10.1364/OE.15.000829 . PMID 19532307.
^ Tong, L.; Hu, L.; Zhang, J.; Qiu, J.; Yang, Q.; Lou, J.; Shen, Y.; He, J.; Ye, Z. (2006). "Nanocables fotónicos extraídos directamente de vidrios a granel". Optics Express . 14 (1): 82–87. Bibcode :2006OExpr..14...82T. doi : 10.1364/OPEX.14.000082 . PMID 19503319.
^ Siviloglou, GA; Suntsov, S.; El-Ganainy, R.; Iwanow, R.; Stegeman, GI; Christodoulides, DN; Morandotti, R. ; Modotto, D.; Locatelli, A.; De Angelis, C.; Pozzi, F.; Stanley, CR; Sorel, M. (2006). "Efectos no lineales de tercer orden mejorados en nanocables ópticos de AlGaAs". Optics Express . 14 (20): 9377–9384. Bibcode :2006OExpr..14.9377S. doi : 10.1364/OE.14.009377 . PMID 19529322.
^ "Grupo de nanocables de fibra óptica y dispositivos relacionados". Universidad de Southampton. Archivado desde el original el 20 de febrero de 2007.
^ Dumais, P.; Gonthier, F.; Lacroix, S.; Bures, J.; Villeneuve, A.; Wigley, PGJ; Stegeman, GI (1993). "Modulación de fase propia mejorada en fibras cónicas". Optics Letters . 18 (23): 1996. Bibcode :1993OptL...18.1996D. doi :10.1364/OL.18.001996. PMID 19829470.
^ Cordeiro, CMB; Wadsworth, WJ; Birks, TA; Russell, PSJ (2005). "Ingeniería de la dispersión de fibras cónicas para la generación de supercontinuos con un láser de bombeo de 1064 nm". Optics Letters . 30 (15): 1980–1982. Bibcode :2005OptL...30.1980C. doi :10.1364/OL.30.001980. PMID 16092239.
^ Dudley, JM; Coen, S. (2002). "Simulaciones numéricas y propiedades de coherencia de la generación de supercontinuos en cristales fotónicos y fibras ópticas cónicas" (PDF) . IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 8 (3): 651–659. Bibcode :2002IJSTQ...8..651D. doi :10.1109/JSTQE.2002.1016369.
^ Kolesik, M.; Wright, EM; Moloney, JV (2004). "Simulación de la propagación de pulsos de femtosegundos en fibras cónicas de diámetro submicrónico". Applied Physics B . 79 (3): 293–300. doi :10.1007/s00340-004-1551-1. S2CID 123400021.
^ Wadsworth, WJ; Ortigosa-Blanch, A.; Knight, JC; Birks, TA; Man, T.-PM; Russell, PSJ (2002). "Generación de supercontinuo en fibras de cristal fotónico y fibras ópticas estrechas: una nueva fuente de luz". Journal of the Optical Society of America B . 19 (9): 2148. Bibcode :2002JOSAB..19.2148W. doi :10.1364/JOSAB.19.002148.
^ Shi, L.; Chen, X.; Liu, H.; Chen, Y.; Ye, Z.; Liao, W.; Xia, Y. (2006). "Fabricación de fibras de sílice de diámetro submicrónico utilizando un calentador de banda eléctrico". Optics Express . 14 (12): 5055–5060. Bibcode :2006OExpr..14.5055S. doi : 10.1364/OE.14.005055 . PMID 19516667. S2CID 12286605.
^ Mägi, E.; Steinvurzel, P.; Eggleton, B. (2004). "Fibras de cristal fotónico cónicas". Optics Express . 12 (5): 776–784. Bibcode :2004OExpr..12..776M. doi : 10.1364/OPEX.12.000776 . PMID 19474885.
^ Sagué, G.; Baade, A.; Rauschenbeutel, A. (2008). "Trampas superficiales de campo evanescente desintonizadas en azul para átomos neutros basadas en interferencia de modos en fibras ópticas ultradelgadas". New Journal of Physics . 10 (11): 113008. arXiv : 0806.3909 . Bibcode :2008NJPh...10k3008S. doi :10.1088/1367-2630/10/11/113008. S2CID 18601905.
^ Nayak, KP; Melentiev, PN; Morinaga, M.; Kien, FL; Balykin, VI; Hakuta, K. (2007). "Nanofibras ópticas como una herramienta eficiente para manipular y sondear la fluorescencia atómica". Optics Express . 15 (9): 5431–5438. Bibcode :2007OExpr..15.5431N. doi : 10.1364/OE.15.005431 . PMID 19532797.
^ ab Morrissey, Michael J.; Deasy, Kieran; Frawley, Mary; Kumar, Ravi; Prel, Eugen; Russell, Laura; Truong, Viet Giang; Nic Chormaic, Síle (agosto de 2013). "Espectroscopia, manipulación y captura de átomos neutros, moléculas y otras partículas utilizando nanofibras ópticas: una revisión". Sensores . 13 (8): 10449–10481. arXiv : 1306.5821 . Código Bibliográfico :2013Senso..1310449M. doi : 10.3390/s130810449 . PMC 3812613 . PMID 23945738.
^ Xu, F.; Horak, P.; Brambilla, G. (2007). "Sensor refractométrico con resonador de bobina de microfibra óptica" (PDF) . Optics Express . 15 (12): 7888–7893. Bibcode :2007OExpr..15.7888X. doi :10.1364/OE.15.007888. PMID 19547115. S2CID 42262445.
^ Leon-Saval, SG; Birks, TA; Wadsworth, WJ; St j Russell, P.; Mason, MW (2004). "Generación de supercontinuo en guías de ondas de fibra submicrónica". Optics Express . 12 (13): 2864–2869. Bibcode :2004OExpr..12.2864L. doi : 10.1364/OPEX.12.002864 . PMID 19483801.
^ Koos, C.; Jacome, L.; Poulton, C.; Leuthold, J.; Freude, W. (2007). "Guías de onda no lineales de silicio sobre aislante para procesamiento de señales totalmente ópticas" (PDF) . Optics Express . 15 (10): 5976–5990. Bibcode :2007OExpr..15.5976K. doi :10.1364/OE.15.005976. hdl : 10453/383 . PMID 19546900.
^ abc Ward, JM; Maimaiti, A.; Le, Vu H.; Chormaic, S. Nic (1 de noviembre de 2014). "Revisión contribuida: equipo de tracción de micro y nanofibras ópticas". Review of Scientific Instruments . 85 (11): 111501. arXiv : 1402.6396 . Bibcode :2014RScI...85k1501W. doi :10.1063/1.4901098. ISSN 0034-6748. PMID 25430090. S2CID 7985175.
^ Love, JD; Henry, WM; Stewart, WJ; Black, RJ; Lacroix, S.; Gonthier, F. (1991). "Fibras y dispositivos monomodo cónicos. Parte 1: Criterios de adiabaticidad". IEE Proceedings J - Optoelectronics . 138 (5): 343. doi :10.1049/ip-j.1991.0060. ISSN 0267-3932.
^ kenny, RP; Birks, TA; Oakley, KP (1991). "Control de la forma cónica de la fibra óptica". Electronics Letters . 27 (18): 1654. Bibcode :1991ElL....27.1654K. doi :10.1049/el:19911034. ISSN 0013-5194.
^ Nayak, KP; Melentiev, PN; Morinaga, M.; Le Kien, Fam; Balykin, VI; Hakuta, K. (2007). "Nanofibras ópticas como herramienta eficiente para manipular y sondear la fluorescencia atómica". Optics Express . 15 (9): 5431–5438. Bibcode :2007OExpr..15.5431N. doi : 10.1364/OE.15.005431 . PMID 19532797.
^ Dawkins, ST; Mitsch, R.; Reitz, D.; Vetsch, E.; Rauschenbeutel, A. (2011). "Interfaz óptica dispersiva basada en átomos atrapados en nanofibras". Phys. Rev. Lett . 107 (24): 243601. arXiv : 1108.2469 . Código Bibliográfico :2011PhRvL.107x3601D. doi :10.1103/PhysRevLett.107.243601. PMID 22242999. S2CID 16246674.
^ Goban, A.; Choi, KS; Alton, DJ; Ding, D.; Lacroûte, C.; Pototschnig, M.; Thiele, T.; Stern, NP; Kimble, HJ (2012). "Demostración de una trampa de nanofibras compensada e insensible al estado". Phys. Rev. Lett . 109 (3): 033603. arXiv : 1203.5108 . Código Bibliográfico :2012PhRvL.109c3603G. doi :10.1103/PhysRevLett.109.033603. PMID 22861848. S2CID 10085166.
^ Nieddu, Thomas; Gokhroo, Vandna; Chormaic, Síle Nic (14 de marzo de 2016). "Nanofibras ópticas y átomos neutros". Journal of Optics . 18 (5): 053001. arXiv : 1512.02753 . Bibcode :2016JOpt...18e3001N. doi : 10.1088/2040-8978/18/5/053001 . ISSN 2040-8978.
^ Véase, por ejemplo, un análisis teórico con aplicaciones a la medición precisa de no demolición cuántica Qi, Xiaodong; Baragiola, Ben Q.; Jessen, Poul S.; Deutsch, Ivan H. (2016). "Respuesta dispersiva de átomos atrapados cerca de la superficie de una nanofibra óptica con aplicaciones a la medición de no demolición cuántica y compresión de espín". Physical Review A . 93 (2): 023817. arXiv : 1509.02625 . Bibcode :2016PhRvA..93b3817Q. doi :10.1103/PhysRevA.93.023817. S2CID 17366761.
^ Solano, Pablo; Grover, Jeffrey A.; Hoffman, Jonathan E.; Ravets, Sylvain; Fatemi, Fredrik K.; Orozco, Luis A.; Rolston, Steven L. (1 de enero de 2017), Arimondo, Ennio; Lin, Chun C.; Yelin, Susanne F. (eds.), "Capítulo siete: nanofibras ópticas: una nueva plataforma para la óptica cuántica", Advances in Atomic, Molecular, and Optical Physics , 66 , Academic Press: 439–505, arXiv : 1703.10533 , doi : 10.1016/bs.aamop.2017.02.003, S2CID 17928674 , consultado el 15 de octubre de 2020
^ Le Kien, Fam; Rauschenbeutel, A. (2016). "Interruptores totalmente ópticos basados en nanofibras". Phys. Rev. A . 93 (1): 013849. arXiv : 1604.05782 . Código Bibliográfico :2016PhRvA..93a3849L. doi :10.1103/PhysRevA.93.013849. S2CID 119287411.
^ Brambilla, G.; Murugan, G. Senthil; Wilkinson, JS; Richardson, DJ (15 de octubre de 2007). "Manipulación óptica de microesferas a lo largo de un cable óptico de sublongitud de onda". Optics Letters . 32 (20): 3041–3043. Bibcode :2007OptL...32.3041B. doi :10.1364/OL.32.003041. ISSN 1539-4794. PMID 17938693.
^ Daly, Mark; Truong, Viet Giang; Chormaic, Síle Nic (27 de junio de 2016). "Atrapamiento de campo evanescente de nanopartículas utilizando fibras ópticas ultrafinas nanoestructuradas". Optics Express . 24 (13): 14470–14482. arXiv : 1603.00170 . Código Bibliográfico :2016OExpr..2414470D. doi :10.1364/OE.24.014470. ISSN 1094-4087. PMID 27410600. S2CID 19705546.