Las fibras ópticas hechas de cristales fotónicos topológicos permiten una mayor versatilidad y control a través de los modos y la polarización de la luz que transmiten. Composicionalmente, Los cristales fotónicos contienen bandas prohibidas para evitar el paso de la luz en relación con energías de onda específicas y momentos de forma muy similar a un interruptor de encendido / apagado. En un nuevo informe ahora publicado en Nature Light:ciencia y aplicaciones , Hao Lin, y Ling Lu, del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China, transmitieron luz pura de "modo único" a través de un amplio rango de frecuencias a través de una característica topológica conocida como "vórtice de Dirac". El concepto puede conducir a aplicaciones que transmitan señales de luz de manera más estable a través de largas distancias. Si bien el trabajo es teórico en la actualidad, los investigadores sugieren el uso de fibras hechas de sílice basadas en métodos de apilado y estirado o tecnologías de impresión tridimensionales (3-D) para fabricar y probar estos conceptos teóricos.

Comprender las líneas nodales y los puntos de Weyl en una fibra de cristal fotónico.

Las fibras de cristal fotónico dependen de la infinita variedad de cristales bidimensionales (2-D) para su funcionalidad. El concepto de fotónica topológica basado en guías de ondas robustas puede inspirar nuevos conceptos de fibra, incluido el desarrollo de una fibra unidireccional dentro de una fibra magnética, Cristal fotónico 3D. En este trabajo, Lin y Lu introdujeron una fibra de cristal fotónico topológico (PCF) que se asemeja a la cavidad topológica del vórtice de Dirac en su sección transversal utilizando cristales fotónicos 2-D. La fibra de vórtice Dirac es un diseño ideal para desarrollar fibras monomodo de polarización única de banda ultra ancha (SPSM) debido a la dispersión de intervalo medio singlete dentro del intervalo de banda. Los científicos facilitaron el paso de fabricación al introducir un diseño simplificado de solo cuatro tubos capilares de sílice para finalmente lograr un SPSM que abarca una octava.

El equipo comenzó con la fibra de cristal fotónico más común, un cristal fotónico de sílice con una red triangular de orificios de ventilación. El material contenía dos líneas nodales de puntos Dirac 2-D en la zona de Brillouin. Si rompieron la simetría de inversión de la fibra de cristal fotónico al agregar un orificio de aire extra pequeño en la celda primitiva, cada línea nodal de la construcción podría dividirse en puntos de Weyl o cargas topológicas en el material. Las partículas de Weyl son partículas fermiónicas esquivas con masa que se desvanece y no se encuentran como partículas elementales en la naturaleza. En cambio, se encuentran que emergen en materiales de estado sólido donde las bandas 3-D pueden desarrollar un cruce puntual protegido topológicamente, conocido como punto de Weyl. Los puntos de Weyl fotónicos se pueden realizar en cristales fotónicos tridimensionales con estructuras complejas.

El estado de enlace topológico examinado en este trabajo también se puede realizar en celosías de panal con representaciones alternas de enlaces simples y dobles de compuestos orgánicos conocidos como estructuras de Kekulé, llamado así por el químico alemán August Kekulé, quien originalmente propuso la representación para desarrollar el compuesto orgánico de benceno. A continuación, los investigadores acoplaron las dos líneas nodales de los puntos de Dirac en una supercélula ampliada y las aniquilaron en una banda prohibida. Cada supercélula tenía tres células primitivas etiquetadas como un "átomo" artificial que contenía tres puntales. Movieron cada átomo en la estructura cambiando su centro de masa en cualquier dirección ajustando el grosor de los tres puntales sin cambiar la masa total del átomo. Los científicos desarrollaron modulaciones Kekulé de las celosías y trazaron su correspondiente estructura de bandas.

La estabilidad de la fibra de cristal fotónico de vórtice de Dirac se mantuvo en el diseño mismo, ya que el defecto topológico correspondiente no se formó mediante la adición o eliminación de material localmente. El defecto topológico se formó perturbando suavemente toda la celosía para crear pequeñas imperfecciones locales. Una característica topológica definitoria de la fibra de vórtice de Dirac fue la facilidad de crear múltiples modos casi degenerados al aumentar el número de devanado, es decir, un número entero que representa el número de veces que las curvas viajan en sentido antihorario alrededor de un punto, del vórtice. En principio, los investigadores pueden prácticamente fabricar un Fibra de cristal fotónico de vórtice Dirac monomodo o multimodo, ya sea a partir de preformas impresas en 3-D (una forma o forma), o mediante el método de apilado y estirado utilizado para desarrollar fibras ópticas con más de cien tubos con diferentes espesores de tubo. Sin embargo, ninguno de estos métodos fue conveniente, por tanto, Lin y Lu et al. presentó una versión discreta de diseño de fibra.

Los investigadores solo necesitaron cuatro tubos para apilar y dibujar la fibra de cristal fotónico del vórtice de Dirac, lo cual era muy razonable para la fabricación. Los cuatro tubos de sílice utilizados en el proceso tenían el mismo diámetro exterior para mantener la celosía, pero diferentes diámetros interiores para la modulación. Los investigadores trazaron la fibra de vórtice de Dirac discreta resultante y su estructura unida en la que la falta de uniformidad estructural estaba presente en seis interfaces idénticas. También notaron la presencia de modos guiados por índice dentro de la fibra de vórtice de Dirac que ocurría donde estaba presente un máximo local agudo del grosor del puntal. Estos fueron equivalentes a un aumento local del índice de refracción efectivo. Los científicos también observaron la sección transversal de la fibra con el tamaño del vórtice y la estructura de banda correspondiente.

La fibra de cristal fotónico de vórtice de Dirac con un diámetro de vórtice finito mantuvo un modo único de polarización única (SPSM). Lin y Lu et al. probaron su desempeño potencial en relación con la pérdida por confinamiento, dispersión y área efectiva y pérdida por flexión. Trazaron los modos con la pérdida de confinamiento más baja y notaron que la pérdida del modo topológico era la más baja para todo el rango de longitud de onda en una octava. Las especificaciones de la fibra de cristal fotónico de vórtice de Dirac que se detallan aquí eran similares a las de estudios anteriores, aunque con la diferencia clave de un modo de polarización única, utilizado en este trabajo.

De este modo, Hao Lin y Ling Lu investigaron numéricamente la fibra de cristal fotónico topológico del vórtice de Dirac en relación con su principio, construcción y rendimiento potencial. Propusieron desarrollar esta fibra utilizando el proceso estándar de apilado y estirado utilizando tubos de vidrio de sílice o preformas impresas en 3D. El método es ventajoso en comparación con las fibras anteriores debido a su capacidad para guiar cualquier número de modos casi degenerados a voluntad. El diseño monomodo proporcionó la polarización única, Fibra monomodo con un ancho de banda de una octava para ajustar fácilmente el área de modo efectivo cambiando el tamaño del vórtice en el material. El trabajo sugiere el uso de fibras de cristal fotónico como una nueva plataforma para la fotónica topológica.

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