La fibra de cristal fotónico ( PCF ) es una clase de fibra óptica basada en las propiedades de los cristales fotónicos . Fue explorado 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, el PCF ahora está encontrando 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 fotónica de banda prohibida (PCF que confinan la luz mediante efectos de banda prohibida), fibra perforada (PCF que utilizan orificios de aire en sus secciones transversales), fibra asistida por orificios (PCF que guían la luz mediante un núcleo convencional de mayor índice). modificada por la presencia de agujeros de aire), y la fibra de Bragg (fibra fotónica de 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 se guía por modificaciones estructurales, y no solo por diferencias de índice de refracción. Las fibras de núcleo hueco son un tipo relacionado de fibra óptica que guarda cierto parecido 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 se definía por una estructura de revestimiento de aire eficaz. [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, más comúnmente dispuestos periódicamente sobre gran parte de la sección transversal. Esta zona se conoce como "revestimiento" y rodea un núcleo (o varios núcleos) donde queda confinada 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 [5] o hueco [6] 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, [7] estructuras de pajarita, panda y agujeros elípticos (utilizados 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 parámetros individuales.
(Nota: Los PCF y, en particular, las fibras de Bragg, no deben confundirse con las rejillas de fibra de Bragg , que consisten en un índice de refracción periódico o variación estructural a lo largo del eje de la fibra, a diferencia de 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 reportada para fibra de cristal fotónico de núcleo sólido es de 0,37 dB/km, [9] y para núcleo hueco es de 1,2 dB/km. [10]
Generalmente, estas fibras se construyen mediante los mismos métodos que otras fibras ópticas: primero, se construye una " preforma " en la escala de centímetros, 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 (normalmente) manteniendo las mismas características. De esta forma se pueden producir kilómetros de fibra a partir de una única preforma. Los orificios de aire se crean más comúnmente reuniendo varillas huecas en un haz y calentando el haz para fusionarlo en una sola varilla con orificios ordenados antes del dibujo, aunque se utilizó perforación/fresado para producir los primeros diseños aperiódicos. [11] Esto formó la base posterior para producir las primeras fibras estructuradas de polímeros 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 existe un interés creciente en fabricarlos a partir de polímeros, donde se ha explorado una amplia variedad de estructuras, incluidas estructuras de índice graduado, fibras con estructura de anillo y fibras de núcleo hueco. Estas fibras poliméricas se han denominado "MPOF", abreviatura de fibras ópticas poliméricas microestructuradas . [12] Temelkuran et al. utilizaron una combinación de un polímero y un vidrio de calcogenuro . [13] en 2002 para longitudes de onda de 10,6 μm (donde la sílice no es transparente).
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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 que guían el 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 intercalado con orificios de aire, ya que el índice de refracción del aire necesariamente reducirá el índice de refracción promedio del revestimiento. Estas fibras de cristal fotónico operan 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 mayor entre el núcleo y el revestimiento y, por lo tanto, pueden tener un confinamiento mucho más fuerte para aplicaciones en dispositivos ópticos no lineales, polarización . manteniendo las fibras. Alternativamente, también se pueden fabricar con un contraste de índice efectivo mucho menor .
Alternativamente, 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; dicha banda prohibida, diseñada adecuadamente, puede confinar la luz en un núcleo de índice más bajo e incluso en un núcleo 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 no hay materiales transparentes disponibles (porque 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 dinámicamente materiales 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 de índice similar o diferente para mejorar la transmitancia de la luz.
El término "fibra de cristal fotónico" fue acuñado por Philip Russell en 1995-1997 (afirma (2003) que la idea se remonta a un trabajo inédito de 1991).