As fibras de cristal fotônico (PCF) são fios de vidro, não muito mais grosso do que um cabelo humano, com uma rede de canais ocos ao longo da fibra. Se eles são continuamente distorcidos em sua produção, eles se assemelham a uma multi-hélice. PCFs torcidos mostram alguns recursos incríveis, da birrefringência circular à conservação do momento angular. A maior surpresa, Contudo, é a própria orientação de luz robusta, sem núcleo de fibra visível. A base para isso são forças que, como a gravitação, baseiam-se na curvatura do espaço.

Os materiais quirais consistem em muitas unidades idênticas (moléculas ou elementos nanoestruturados) que são orientados aleatoriamente em solução ou organizados de maneira ordenada. Eles são onipresentes na natureza, por exemplo, a maioria das moléculas biológicas vem em formas destras e canhotas - e estão encontrando um número crescente de aplicações na ciência e tecnologia. Fibra de cristal fotônico trançado (t-PCF), em contraste, consiste em uma única unidade quiral uniaxial que é infinitamente estendida na terceira dimensão - a direção da torção. O próprio PCF normalmente consiste em uma matriz hexagonal de microcanais ocos que correm ao longo do comprimento de uma fibra de vidro de aproximadamente 100 µm de espessura, de modo que, quando torcido, ele se assemelha a uma "multi-hélice" de microcanais em espiral em torno de um eixo central (Fig. 1 (a)).

Nos últimos anos, temos estudado o comportamento da luz em uma variedade de tipos diferentes de t-PCF, no processo, descobrindo alguns fenômenos surpreendentes e explorando aplicações potenciais.

Usamos duas técnicas para produzir t-PCF. Em primeiro, um PCF não torcido é pós-processado sob aquecimento a laser de CO2, a fibra sendo montada entre um estágio de rotação motorizado e um suporte rígido (Fig. 2 (a)). Conforme o motor gira, o feixe de laser focalizado de 10 µm é varrido ao longo da fibra usando um espelho de direção fixado em um estágio de tradução motorizada de precisão. Uma vez que o período de torção alvo e o comprimento da amostra são definidos, a potência do laser e a velocidade de varredura são escolhidas de modo a aquecer a fibra até a temperatura de amolecimento do vidro. O processo de escrita é controlado por computador e é capaz de atingir períodos de torção tão curtos quanto 300 μm. A segunda técnica envolve girar a pré-forma de vidro durante o estiramento da fibra, usando um motor girando a alguns milhares de rpm e uma junta rotativa com múltiplas entradas para controlar a pressão dentro dos canais ocos (Fig. 2 (b)). Tem a vantagem de que comprimentos longos (100s de metros) de PCF helicoidal com períodos de torção de alguns milímetros podem ser facilmente fabricados.

Efeitos topológicos

A propagação de ondas eletromagnéticas em estruturas helicoidais começou para valer na década de 1940, com a invenção do amplificador valvulado de ondas viajantes. Neste dispositivo, um sinal de micro-ondas é guiado ao longo de um fio helicoidal que forma uma espiral em torno de um feixe de elétrons que se propaga axialmente. Uma vez que a distância física sobre a qual o sinal de microondas em espiral viaja é maior do que a distância diretamente ao longo do eixo, suas velocidades de grupo e de fase são reduzidas efetivamente. Por um projeto apropriado, a diferença de velocidade entre as duas ondas pode ser ajustada, permitindo que o sinal de microondas seja amplificado com a energia do feixe de elétrons. De maneira semelhante, o alongamento geométrico da estrutura de revestimento em um t-PCF faz com que o comprimento do caminho óptico efetivo ao longo do eixo, e, portanto, o índice de refração eficaz, aumentar topologicamente com raio ρ seguindo a relação neff (ρ) =n0 (1 + α2ρ2) 1/2 onde n0 é o índice no caso sem torção e α a taxa de torção em rad / m (ver Fig. 1 (b)) .

Quedas espectrais em t-PCF com núcleo único

Este efeito topológico torna possível, por exemplo, combinar a fase da luz guiada em um núcleo de vidro sólido central (índice modal nc) para o modo de preenchimento do espaço fundamental no revestimento (índice de fase nSM na fibra não torcida) com o resultado de que a luz pode vazar para os modos de revestimento em certos comprimentos de onda. Isso resulta em uma série de quedas no espectro de transmissão, causado por anti-cruzamentos entre o modo de núcleo e modos de revestimento em forma de anel com vazamento (Fig. 1 (c)) carregando o momento angular orbital (OAM), cada mergulho correspondendo a uma ordem OAM diferente. Uma vez que a luz do revestimento é desviada pelos canais ocos para um caminho em espiral, o componente azimutal de seu vetor de onda deve assumir valores que gerem um avanço de fase de ida e volta que é um múltiplo inteiro de 2π, onde está o pedido OAM. Isso leva à condição:

(ℓ λℓ) / (2π) =n _az ρ =n _SM ρ sinΨ ≈ n _SM α ρ2 (1)

onde é o comprimento de onda de mergulho da ordem OAM, naz o componente azimutal do índice de refração, e o ângulo local entre os canais ocos e o eixo da fibra. Eq. (1) produz uma concordância notavelmente boa com as medições experimentais, mostrando em particular que os comprimentos de onda de mergulho escalam linearmente com a taxa de torção. Usamos a sensibilidade à torção e deformação dessas depressões para construir um transdutor de torção e deformação totalmente óptico.

Ondas Bloch helicoidais

Compreender a física da propagação da luz em t-PCF é bastante desafiador, porque o sistema de coordenadas natural - helicoidal - não é ortogonal. Isso nos levou a apresentar um novo conceito:ondas Bloch helicoidais. As ondas de Bloch ópticas de qualquer estrutura periódica não torcida são descritas pelo produto de uma função periódica P (r) (com periodicidades que correspondem à estrutura) e um termo que representa a progressão de fase da onda de Bloch. Uma imagem física conveniente para os modos guiados em um t-PCF pode ser construída generalizando o teorema de Bloch de modo que a função periódica azimutal siga a torção, tomando a forma onde está a coordenada radial e o ângulo azimutal. Em qualquer valor de z, P repetirá em intervalos angulares, onde N é o número de vezes que a estrutura se repete em uma revolução 2π. As ondas de Bloch podem então ser calculadas analiticamente usando uma expansão em termos de harmônicos azimutais de ordem OAM. Substituir este campo Ansatz nas equações de Maxwell permite que a relação de dispersão seja derivada.

Para explorar as propriedades das ondas Bloch helicoidais, fabricamos um t-PCF com um anel de seis núcleos "satélite" de vidro sólido em torno de seu eixo (Fig. 3 (a)). Os canais ocos tinham diâmetro de 2 µm, espaçado por 3 µm, e a taxa de torção foi de 2,9 rad / mm. Esta estrutura suporta 6 modos Bloch helicoidais não degenerados com diferentes valores de momento angular orbital, em estados polarizados circularmente à esquerda e à direita. Para determinar a ordem OAM dos modos guiados por meio do t-PCF, a saída foi sobreposta a um feixe gaussiano divergente e o padrão de franja resultante fotografado usando uma câmera CCD. Os padrões de interferência espiral simples e dupla na Fig. 3 (b), que foram registrados em um comprimento de onda de 632,8 nm, confirme se a fibra gera vórtices ópticos e preserva a magnitude e o sinal do OAM para todos os quatro modos. Experimentos semelhantes realizados em vários comprimentos de onda e para fibras de até 50 m de comprimento confirmaram que os t-PCFs preservam a magnitude e o sinal do OAM.

Orientação da luz no espaço retorcido

Descobrimos um novo mecanismo de orientação da luz, baseado em um t-PCF sem núcleo. A clivagem da fibra e o exame de sua seção transversal revelam a ausência completa de qualquer estrutura na qual a luz possa ser capturada (ver Fig. 4 (a)). No entanto, ele suporta um modo guiado:a torção helicoidal cria um canal topológico dentro da luz que é fortemente capturada. Isso surge do aumento quadrático no comprimento do caminho óptico com o raio (mencionado acima), que produz um gradiente radial no índice de refração axial, criando um poço de potencial dentro do qual a luz é confinada por efeitos de bandgap fotônicos. Usando ferramentas matemáticas da relatividade geral, mostramos que a geodésica da luz segue caminhos espirais fechados dentro do canal topológico, modos de formação que transportam OAM. A área efetiva desses modos diminui com a taxa de torção α, de modo que, variando a taxa de torção ao longo da fibra, seria possível criar fibras cujo diâmetro do campo de modo muda com a posição. Ao contrário das fibras guiadoras de índice convencionais, onde o modo guiado muda para fora da curva ("curva normal"), este modo altamente incomum muda para dentro em direção à curva ("curvas anômalas"). A óptica hamiltoniana mostra que o modo pode ser visto como tendo massa efetiva negativa (causada pelo sinal oposto da curvatura da superfície de dispersão), para que ele se mova na direção oposta quando sujeito a forças de flexão.

Conclusões

A capacidade do t-PCF de gerar e suportar modos OAM, além de fornecer atividade óptica e dicroísmo circular, sugere que pode ser útil em muitas aplicações. A série de quedas de transmissão em comprimentos de onda ajustáveis ​​por torção no PCF de núcleo sólido tem aplicações em detecção e filtragem. A transmissão e preservação dos estados de polarização circular tornam o t-PCF muito interessante para detecção de corrente com base na rotação de Faraday. Sua capacidade de transmitir de maneira robusta estados OAM puros por longas distâncias pode levar a aplicações em manipulação de partículas e telecomunicações. Parece provável que muitos desses efeitos e fenômenos passarão a ser aplicados no mundo real em um futuro próximo. Ainda inexplorado é o uso de t-PCF em óptica não linear e lasers de fibra, onde a combinação de birrefringência circular e OAM com controle de dispersão de velocidade de grupo pode oferecer oportunidades para novos tipos de lasers de soliton bloqueados por modo, dispositivos de conversão de comprimento de onda e fontes supercontínuas.