Cientistas do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT) e colaboradores internacionais desenvolveram um novo tipo de fibra óptica que possui um diâmetro central extremamente grande e preserva as propriedades coerentes da luz. O artigo foi publicado na revista Optics Express . Os resultados do estudo são promissores para a construção de amplificadores e lasers de fibra pulsada de alta potência, bem como sensores sensíveis à polarização.

Quando se trata de aplicações de fibra óptica, preservar as propriedades da luz é crucial. Existem dois parâmetros principais que muitas vezes precisam ser preservados:a distribuição da intensidade da luz na seção transversal e a polarização da luz (uma propriedade que especifica as direções de oscilação do campo elétrico ou magnético em um plano perpendicular à direção de propagação da onda). Em seu estudo, os pesquisadores conseguiram cumprir ambas as condições.

"A pesquisa de fibra óptica é um dos campos da óptica de desenvolvimento mais rápido. Na última década, inúmeras soluções tecnológicas foram propostas e implementadas. Por exemplo, pesquisadores e engenheiros da IRE RAS agora podem produzir fibra óptica de quase qualquer diâmetro com estrutura transversal arbitrária, "diz Vasily Ustimchik, coautor do estudo e professor do MIPT. "No decorrer deste estudo, uma estrutura específica foi formada na fibra óptica. Ele varia ao longo de dois eixos ortogonais, e seus diâmetros mudam proporcionalmente ao longo da fibra. Individualmente, tais soluções já são amplamente utilizadas, portanto, é fundamental continuar a trabalhar nessa direção. "

Uma fibra óptica é geralmente um fio flexível muito fino extraído de vidro ou plástico transparente. Mas essa simplicidade esconde uma série de questões importantes que limitam suas aplicações. O primeiro é a atenuação de sinal em linhas de fibra óptica, um problema resolvido que pavimentou o caminho para comunicações de fibra óptica.

Hoje, as fibras ópticas também são usadas na tecnologia de laser. Um laser de fibra incorpora um ressonador óptico, o que faz com que a luz viaje para frente e para trás repetidamente. Os parâmetros geométricos do ressonador de fibra permitem apenas um conjunto limitado de padrões transversais de distribuição de intensidade de luz no feixe de saída - os chamados modos transversais do ressonador (ver Fig. 1). Na prática, pesquisadores e engenheiros procuram principalmente estimular nada além de um modo fundamental puro (veja o canto superior esquerdo da Fig. 1) que não muda com o tempo.

Para manter a operação de modo único, a fibra deve consistir em um núcleo e um revestimento - materiais com diferentes índices de refração. Normalmente, a espessura do núcleo da fibra através do qual a radiação se propaga normalmente deve ser inferior a 10 micrômetros.

Um aumento na potência óptica da propagação da luz na fibra resulta em uma maior quantidade de energia sendo absorvida. Isso se traduz em uma mudança nas propriedades da fibra. Especificamente, causa variação descontrolada do índice de refração do material de fibra. Isso dá origem a efeitos não lineares parasitas, resultando em linhas espectrais adicionais de emissão etc., que limita a força dos sinais ópticos que são transmitidos. Uma solução existente para o problema - que os autores também usaram - reside na variação dos diâmetros do núcleo e externo ao longo do comprimento da fibra (ver Fig. 2).

Se a expansão da fibra ocorre adiabaticamente, isto é, relativamente devagar - é possível reduzir a quantidade de energia transferida para outros modos para menos de 1 por cento, mesmo com um diâmetro de núcleo de até 100 micrômetros (que é excepcionalmente grande para fibras monomodo). Além disso, o fato de o diâmetro do núcleo ser grande e variar ao longo da fibra aumenta o limite para a ocorrência de efeitos não lineares.

Para atingir o segundo objetivo - que era preservar o estado de polarização da luz - os autores do estudo fizeram o revestimento da fibra anisotrópica:A largura e a altura do revestimento interno são diferentes (o revestimento é elíptico), o que significa que a velocidade de propagação da luz com diferentes direções de oscilação do campo não é a mesma. Em uma estrutura como esta, o processo de transferência de energia de um modo polarizado para outro é quase totalmente interrompido.

Em seu estudo, os pesquisadores mostraram que o comprimento geométrico do caminho percorrido pela luz através da fibra, no qual as oscilações das duas polarizações diferentes estão em antifase, depende do diâmetro do núcleo da fibra:diminui à medida que o diâmetro aumenta. Este comprimento, conhecido como comprimento da batida de polarização, corresponde a uma rotação completa do estado de polarização linear na fibra. Em outras palavras, se você lançar luz polarizada linearmente em uma fibra, ele será linearmente polarizado novamente após viajar precisamente esta distância. A capacidade de medir este parâmetro é em si uma evidência do fato de que o estado de polarização na fibra é preservado.

A fim de investigar as propriedades relacionadas à polarização da luz na fibra, os cientistas usaram refletometria óptica no domínio da frequência. Envolve o lançamento de um sinal óptico na fibra e a detecção do sinal retroespalhado. O sinal refletido contém muitas informações. Este método é normalmente usado para determinar a localização de defeitos e impurezas nas fibras ópticas, mas também pode determinar o comprimento de coerência e a distribuição espacial do comprimento do batimento de polarização. As técnicas de refletometria de coerência são amplamente utilizadas para monitorar o estado das fibras ópticas. Contudo, o método utilizado neste estudo é notável por permitir a coleta de dados em alta resolução de até 20 micrômetros ao longo do comprimento da fibra.

Professor Sergey Nikitov, o líder do grupo de pesquisa, disse, "As amostras de fibra que obtivemos demonstraram ótimos resultados, indicando boas perspectivas para o desenvolvimento de tais soluções tecnológicas. Eles encontrarão uso não apenas em sistemas a laser, mas também em sensores de fibra óptica, onde a mudança das características de polarização é conhecida com antecedência, uma vez que são determinados por fatores ambientais externos, como temperatura, pressão, biológicas e outras impurezas. Adicionalmente, eles têm uma série de vantagens sobre os sensores semicondutores. Por exemplo, eles não precisam de energia elétrica e são capazes de realizar detecção distribuída, e essa não é uma lista completa. "