Científicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) y colaboradores internacionales han desarrollado un nuevo tipo de fibra óptica que tiene un diámetro de núcleo extremadamente grande y conserva las propiedades coherentes de la luz. El artículo fue publicado en la revista Óptica Express . Los resultados del estudio son prometedores para la construcción de amplificadores y láseres de fibra pulsada de alta potencia, así como sensores sensibles a la polarización.

Cuando se trata de aplicaciones de fibra óptica, preservar las propiedades de la luz es fundamental. Hay dos parámetros principales que a menudo deben conservarse:la distribución de la intensidad de la luz en la sección transversal y la polarización de la luz (una propiedad que especifica las direcciones de oscilación del campo eléctrico o magnético en un plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda). En su estudio, los investigadores lograron cumplir ambas condiciones.

"La investigación de la fibra óptica es uno de los campos de la óptica de más rápido desarrollo. Durante la última década, Se han propuesto e implementado numerosas soluciones tecnológicas. Por ejemplo, Los investigadores e ingenieros de IRE RAS ahora pueden producir fibra óptica de casi cualquier diámetro con una estructura transversal arbitraria, "dice Vasily Ustimchik, coautor del estudio y profesor del MIPT. "En el transcurso de este estudio, se formó una estructura específica en la fibra óptica. Varía a lo largo de dos ejes ortogonales, y sus diámetros cambian proporcionalmente a lo largo de la fibra. Individualmente, tales soluciones ya se utilizan ampliamente, por lo que es fundamental seguir trabajando en esta dirección ".

Una fibra óptica es generalmente una hebra flexible muy delgada extraída de vidrio o plástico transparente. Pero esta simplicidad oculta una serie de problemas importantes que limitan sus aplicaciones. El primero es la atenuación de la señal en las líneas de fibra óptica, un problema resuelto que allanó el camino para las comunicaciones por fibra óptica.

Hoy dia, La fibra óptica también se utiliza en tecnología láser. Un láser de fibra incorpora un resonador óptico, lo que hace que la luz viaje de un lado a otro repetidamente. Los parámetros geométricos del resonador de fibra permiten solo un conjunto limitado de patrones transversales de distribución de la intensidad de la luz en el haz de salida, los llamados modos transversales del resonador (ver Fig. 1). En la práctica, Los investigadores e ingenieros buscan sobre todo excitar nada más que un modo fundamental puro (ver la esquina superior izquierda de la Fig. 1) que no cambia con el tiempo.

Para mantener el funcionamiento monomodo, la fibra debe constar de un núcleo y un revestimiento, materiales con diferentes índices de refracción. Ordinariamente, el grosor del núcleo de fibra a través del cual se propaga la radiación normalmente debe ser inferior a 10 micrómetros.

Un aumento en la potencia óptica de la luz que se propaga en la fibra da como resultado que se absorba una mayor cantidad de energía. Esto se traduce en un cambio en las propiedades de la fibra. Específicamente, provoca una variación incontrolada del índice de refracción del material de fibra. Esto da lugar a efectos parasitarios no lineales, resultando en líneas espectrales adicionales de emisión, etc. lo que limita la fuerza de las señales ópticas que se transmiten. Una solución existente al problema, que también utilizaron los autores, radica en la variación del núcleo y los diámetros exteriores a lo largo de la fibra (ver Fig. 2).

Si la expansión de la fibra ocurre adiabáticamente, es decir, relativamente lento:es posible reducir la cantidad de energía transferida a otros modos a menos del 1 por ciento, incluso con un diámetro de núcleo de hasta 100 micrómetros (que es excepcionalmente grande para fibras monomodo). Es más, el hecho de que el diámetro del núcleo sea grande y varíe a lo largo de la fibra aumenta el umbral de aparición de efectos no lineales.

Para lograr el segundo objetivo, que era preservar el estado de polarización de la luz, los autores del estudio hicieron que el revestimiento de la fibra fuera anisotrópico:el ancho y la altura del revestimiento interior son diferentes (el revestimiento es elíptico), lo que significa que la velocidad de propagación de la luz con diferentes direcciones de oscilación de campo no es la misma. En una estructura como esta, el proceso de transferencia de energía de un modo polarizado a otro se interrumpe casi por completo.

En su estudio, Los investigadores han demostrado que la longitud geométrica de la trayectoria recorrida por la luz a través de la fibra en la que las oscilaciones de las dos polarizaciones diferentes están en antifase depende del diámetro del núcleo de la fibra:disminuye a medida que aumenta el diámetro. Esta longitud, conocido como la duración del latido de polarización, corresponde a una rotación completa del estado de polarización lineal en la fibra. En otras palabras, si lanza luz linealmente polarizada en una fibra, volverá a polarizarse linealmente después de viajar precisamente esta distancia. La capacidad de medir este parámetro es en sí misma evidencia del hecho de que se conserva el estado de polarización en la fibra.

Para investigar las propiedades relacionadas con la polarización de la luz en la fibra, los científicos utilizaron reflectometría óptica en el dominio de la frecuencia. Implica lanzar una señal óptica a la fibra y detectar la señal retrodispersada. La señal reflejada contiene mucha información. Este método se utiliza normalmente para determinar la ubicación de defectos e impurezas en fibras ópticas, pero también puede determinar tanto la longitud de coherencia como la distribución espacial de la longitud del latido de polarización. Las técnicas de reflectometría de coherencia se utilizan ampliamente para controlar el estado de las fibras ópticas. Sin embargo, el método utilizado en este estudio se destaca por permitir la recopilación de datos a una alta resolución de hasta 20 micrómetros a lo largo de la longitud de la fibra.

Profesor Sergey Nikitov, el líder del grupo de investigación, dijo, "Las muestras de fibra que obtuvimos han demostrado excelentes resultados, lo que indica buenas perspectivas para un mayor desarrollo de tales soluciones tecnológicas. Encontrarán uso no solo en sistemas láser sino también en sensores de fibra óptica, cuando el cambio de las características de polarización se conozca de antemano, ya que están determinados por factores ambientales externos, como la temperatura, presión, impurezas biológicas y otras. Adicionalmente, tienen una serie de ventajas sobre los sensores semiconductores. Por ejemplo, no necesitan energía eléctrica y son capaces de realizar sensores distribuidos, y esa no es una lista completa ".