p As fibras ópticas feitas de cristais fotônicos topológicos permitem maior versatilidade e controle entre os modos e a polarização da luz que transmitem. Em termos de composição, os cristais fotônicos contêm bandgaps para evitar a passagem da luz em relação a energias de onda e momentos específicos, como um interruptor liga / desliga. Em um novo relatório agora publicado em Nature Light:Ciência e Aplicações , Hao Lin, e Ling Lu, do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências, transmitiu luz pura de "modo único" através de uma grande faixa de frequência por meio de uma característica topológica conhecida como "vórtice de Dirac". O conceito pode levar a aplicativos que transmitem sinais de luz de forma mais estável em longas distâncias. Embora o trabalho seja teórico no momento, os pesquisadores sugerem o uso de fibras feitas de sílica com base em métodos de empilhar e desenhar ou tecnologias de impressão tridimensional (3-D) para fabricar e testar esses conceitos teóricos. p Compreender as linhas nodais e os pontos de Weyl em uma fibra de cristal fotônico.

p As fibras de cristal fotônico contam com a variedade infinita de cristais bidimensionais (2-D) para sua funcionalidade. O conceito de fotônica topológica com base em guias de onda robustos pode inspirar novos conceitos de fibra, incluindo o desenvolvimento de uma fibra unidirecional dentro de um magnético, Cristal fotônico 3-D. Nesse trabalho, Lin e Lu introduziram uma fibra de cristal fotônico topológico (PCF) semelhante à cavidade topológica do vórtice de Dirac em sua seção transversal usando cristais fotônicos 2-D. A fibra de vórtice Dirac é um projeto ideal para desenvolver fibras ultrabroadband de polarização única de modo único (SPSM) devido à dispersão de mid-gap singlete dentro do bandgap. Os cientistas facilitaram a etapa de fabricação introduzindo um design simplificado de apenas quatro tubos de sílica capilares para finalmente atingir um SPSM de oitava.

p A equipe começou com a fibra de cristal fotônico mais comum, um cristal fotônico de sílica com uma rede triangular de orifícios de ar. O material continha duas linhas nodais de pontos 2-D Dirac na zona de Brillouin. Se eles quebrassem a simetria de inversão da fibra de cristal fotônico adicionando um orifício de ar extra pequeno na célula primitiva, cada linha nodal do construto pode se abrir em pontos Weyl ou cargas topológicas no material. Partículas de Weyl são partículas fermiônicas elusivas com massa que desaparece e não são encontradas como uma partícula elementar na natureza. Em vez disso, eles emergem em materiais de estado sólido, onde bandas 3-D podem desenvolver um cruzamento pontual protegido topologicamente, conhecido como ponto Weyl. Os pontos de Weyl fotônicos podem ser realizados em cristais fotônicos 3-D com estruturas complexas.

p Desenvolvendo uma estrutura Kekulé generalizada

p O estado de ligação topológica examinado neste trabalho também pode ser realizado em redes em favo de mel com representações alternadas de ligações simples e duplas de compostos orgânicos conhecidos como estruturas de Kekulé, em homenagem ao químico alemão August Kekulé, que originalmente propôs a representação para desenvolver o composto orgânico de benzeno. Em seguida, os pesquisadores acoplaram as duas linhas nodais de pontos de Dirac em uma supercélula ampliada e as aniquilaram em um bandgap. Cada supercélula tinha três células primitivas marcadas como um 'átomo' artificial contendo três suportes. Eles moveram cada átomo na estrutura, deslocando seu centro de massa em qualquer direção, ajustando a espessura das três hastes sem alterar a massa total do átomo. Os cientistas desenvolveram modulações Kekulé das redes e traçaram sua estrutura de bandas correspondente.

p A estabilidade da fibra de cristal fotônico do vórtice de Dirac permaneceu no próprio design, uma vez que o defeito topológico correspondente não foi formado pela adição ou remoção de material localmente. O defeito topológico foi formado pela perturbação suave de toda a rede para criar pequenas imperfeições locais. Uma característica topológica definidora da fibra de vórtice Dirac foi a facilidade de criar vários modos quase degenerados, aumentando o número de enrolamento - ou seja, um número inteiro que representa o número de vezes que as curvas viajam no sentido anti-horário em torno de um ponto, do vórtice. Em princípio, os pesquisadores podem praticamente fabricar um contínuo, fibra de cristal fotônico de vórtice Dirac monomodo ou multimodo a partir de pré-formas impressas em 3-D (uma forma ou formato), ou através do método empilhar e desenhar usado para desenvolver fibras ópticas com mais de cem tubos com diferentes espessuras de tubo. Contudo, nenhum desses métodos era conveniente, portanto, Lin e Lu et al. apresentou uma versão discreta do design de fibra.

p Design de fibra com quatro tubos para formar fibras monomodo de polarização única

p Os pesquisadores precisaram de apenas quatro tubos para empilhar e desenhar a fibra de cristal fotônico de vórtice de Dirac, o que era muito razoável para fabricação. Os quatro tubos de sílica usados ​​no processo tinham o mesmo diâmetro externo para manter a rede, mas diferentes diâmetros internos para modulação. Os pesquisadores traçaram a fibra de vórtice de Dirac discreta resultante e sua estrutura ligada na qual a não uniformidade estrutural estava presente em seis interfaces idênticas. Eles também notaram a presença de modos guiados por índice dentro da fibra de vórtice de Dirac que ocorreram sempre que um máximo local nítido da espessura da haste estava presente. Isso foi equivalente a um aumento local do índice de refração efetivo. Os cientistas também observaram a seção transversal da fibra com o tamanho do vórtice e a estrutura de banda correspondente.

p A fibra de cristal fotônico de vórtice Dirac com um diâmetro de vórtice finito manteve um monomodo de polarização única (SPSM). Lin e Lu et al. testou seu desempenho potencial em relação à perda de confinamento, dispersão e área efetiva e perda por flexão. Eles traçaram os modos com a perda de confinamento mais baixa e observaram que a perda do modo topológico era a mais baixa em toda a faixa de comprimento de onda em uma oitava. As especificações da fibra de cristal fotônico de vórtice Dirac detalhadas aqui foram semelhantes às de estudos anteriores, embora com a diferença fundamental de um modo de polarização única, usado neste trabalho.

p Outlook para fibras de cristal fotônico

p Desta maneira, Hao Lin e Ling Lu investigaram numericamente a fibra de cristal fotônico topológico do vórtice Dirac em relação ao seu princípio, construção e desempenho potencial. Eles propuseram desenvolver esta fibra usando o processo padrão de empilhar e desenhar usando tubos de vidro de sílica ou pré-formas impressas 3-D. O método é vantajoso em comparação com as fibras anteriores devido à sua capacidade de guiar à vontade qualquer número de modos quase degenerados. O design monomodo forneceu a polarização única, fibra monomodo com largura de banda de oitava para ajustar facilmente a área do modo efetivo, alterando o tamanho do vórtice no material. O trabalho sugere o uso de fibras de cristal fotônico como uma nova plataforma para fotônica topológica. p © 2020 Science X Network