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Fibra óptica de diámetro sublongitud de onda

Una fibra con un diámetro inferior a la longitud de onda envuelve la luz alrededor del cabello humano.

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.

Manipulación óptica:

Los SDF se utilizan para mover nanopartículas en pinzas ópticas , útiles en nanotecnología .

Sus amplias aplicaciones las hacen fundamentales en la óptica avanzada y las tecnologías cuánticas.

Véase también

Referencias

  1. ^ 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.
  2. ^ 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. Icono de acceso abierto
  3. ^ 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. Icono de acceso abierto
  4. ^ 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.
  5. ^ 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. Icono de acceso abierto
  6. ^ 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. Icono de acceso abierto
  7. ^ 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. Icono de acceso abierto
  8. ^ 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. Icono de acceso abierto
  9. ^ 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. Icono de acceso abierto
  10. ^ 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. Icono de acceso cerrado
  11. ^ 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. Icono de acceso cerrado
  12. ^ 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. Icono de acceso abierto
  13. ^ 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. Icono de acceso abierto
  14. ^ 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. Icono de acceso abierto
  15. ^ 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. Icono de acceso abierto
  16. ^ "Grupo de nanocables de fibra óptica y dispositivos relacionados". Universidad de Southampton. Archivado desde el original el 20 de febrero de 2007.
  17. ^ 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. Icono de acceso cerrado
  18. ^ 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. Icono de acceso cerrado
  19. ^ 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. Icono de acceso cerrado
  20. ^ 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. Icono de acceso cerrado
  21. ^ 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. Icono de acceso abierto
  22. ^ 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. Icono de acceso abierto
  23. ^ 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. Icono de acceso abierto
  24. ^ 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. Icono de acceso abierto
  25. ^ 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. Icono de acceso abierto
  26. ^ 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. 
  27. ^ 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. Icono de acceso abierto
  28. ^ 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. Icono de acceso abierto
  29. ^ 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. Icono de acceso abierto
  30. ^ 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.
  31. ^ 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.
  32. ^ 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.
  33. ^ 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.
  34. ^ 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.
  35. ^ 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.
  36. ^ 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.
  37. ^ 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.
  38. ^ 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
  39. ^ 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.
  40. ^ 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.
  41. ^ 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.