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, la PCF ahora encuentra aplicaciones en comunicaciones por fibra óptica , láseres de fibra , dispositivos no lineales, transmisión de alta potencia, sensores de gas altamente sensibles y otras áreas. Las categorías más específicas de PCF incluyen fibra de banda prohibida fotónica (PCF que confinan la luz por efectos de banda prohibida), fibra agujereada (PCF que utilizan agujeros de aire en sus secciones transversales), fibra asistida por agujeros (PCF que guían la luz por un núcleo convencional de índice más alto modificado por la presencia de agujeros de aire) y fibra 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 es guiada por 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 similitud con la fibra óptica perforada. [1]
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 escalonado convencionales [2] [3] y más tarde como fibras de un solo material donde la propagación estaba definida por una estructura de revestimiento de aire efectiva. [4]
En general, las fibras de estructura regular, 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, dispuestos más comúnmente de forma periódica sobre 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 agujeros de aire en una fibra de sílice , con un núcleo sólido [5] o hueco [6] 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, [7] estructuras de pajarita, panda y de agujeros elípticos (utilizadas para lograr una mayor birrefringencia debido a la irregularidad en el índice de refracción relativo ), diseños en espiral [8] que permiten un mejor control sobre las propiedades ópticas, ya que se pueden cambiar los parámetros individuales.
(Nota: las 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 diferentes direcciones).
La atenuación más baja reportada para la fibra de cristal fotónico de núcleo sólido es de 0,37 dB/km, [9] y para el núcleo hueco es de 1,2 dB/km. [10]
En general, estas fibras se construyen con los mismos métodos que otras fibras ópticas: primero, se construye una " preforma " en una escala de centímetros de tamaño, y luego se calienta la preforma y se estira hasta un diámetro mucho más pequeño (a menudo casi tan pequeño como un cabello humano), encogiendo 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 agujeros de aire se crean más comúnmente juntando varillas huecas en un haz y calentando el haz para fusionarlo en una sola varilla con agujeros ordenados antes del estirado, aunque se utilizó la perforación/fresado para producir los primeros diseños aperiódicos. [11] Esto formó la base posterior para producir las primeras fibras estructuradas de vidrio y polímero 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 existe un creciente interés en fabricarlas a partir de polímeros, donde se ha explorado una amplia variedad de estructuras, incluidas las estructuras de índice graduado, 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 . [12] Temelkuran et al. [13] utilizaron una combinación de un polímero y un vidrio calcogenuro en 2002 para longitudes de onda de 10,6 μm (donde la sílice no es transparente).
.jpg/1280px-Photonic_Crystal_Fibers_Diagram_(index_guide_and_photonic_bandgap).jpg)
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 más alto que el del revestimiento. La forma más sencilla de lograr esto es mantener un núcleo sólido, rodeado por una región de revestimiento del mismo material pero intercalada con agujeros de aire, ya que el índice de refracción del aire necesariamente reducirá el índice de refracción promedio del revestimiento. Estas fibras de cristal fotónico funcionan según 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 . Alternativamente, también pueden fabricarse 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 está confinada por una banda prohibida fotónica creada por el revestimiento microestructurado; una banda prohibida de este tipo, 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 núcleos huecos pueden eludir potencialmente los límites impuestos por los materiales disponibles, por ejemplo, para crear fibras que guíen la luz en longitudes de onda para las que no hay materiales transparentes 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 de forma dinámica en el núcleo, como un gas que se va a analizar para detectar la presencia de alguna sustancia. La PCF también se puede modificar recubriendo los agujeros con sol-geles de material de 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 (afirma (2003) que la idea se remonta a un trabajo inédito de 1991).