Una comprensión teórica de la relación entre la estructura geométrica de las fibras ópticas de núcleo hueco y su pérdida por fuga inspirará el diseño de nuevas fibras de baja pérdida.

En los últimos años se han hecho grandes progresos para aumentar la eficiencia de las fibras ópticas mediante el diseño de cables que permiten que los datos se transmitan más rápido y con anchos de banda más amplios. Las mayores mejoras se han realizado en el área de las fibras de núcleo hueco, un tipo de fibra que es notoriamente ‘permeable’ pero que también es esencial para muchas aplicaciones.

Ahora, por primera vez, los científicos han descubierto por qué algunos diseños de fibra llena de aire funcionan de manera mucho más eficiente que otros.

El rompecabezas ha sido resuelto por la reciente graduada de doctorado, la Dra. Leah Murphy, y el profesor emérito David Bird del Centro de Fotónica y Materiales Fotónicos de la Universidad de Bath.

El análisis teórico y computacional de los investigadores brinda una explicación clara de un fenómeno que otros físicos han observado en la práctica : que una fibra óptica de centro hueco que incorpora filamentos de vidrio en su diseño provoca una pérdida de luz ultrabaja a medida que viaja desde el origen hasta el destino.

El Dr. Murphy dijo : « El trabajo es emocionante porque agrega una nueva perspectiva a una conversación de 20 años de duración sobre cómo las fibras antirresonantes de núcleo hueco guían la luz. Soy muy optimista de que esto alentará a los investigadores a probar nuevos e interesantes huecos. -diseños de fibra de núcleo donde la pérdida de luz se mantiene ultra baja ».

La revolución de la comunicación

Las fibras ópticas han transformado las comunicaciones en los últimos años, desempeñando un papel vital para permitir el enorme crecimiento de la transmisión rápida de datos. Las fibras especialmente diseñadas también se han vuelto clave en los campos de imágenes, láseres y detección (como se ve, por ejemplo, en los sensores de presión y temperatura utilizados en entornos hostiles).

Las mejores fibras tienen algunas propiedades asombrosas; por ejemplo, un pulso de luz puede viajar más de 50 km a lo largo de una fibra de vidrio de sílice estándar y aun así retener más del 10 % de su intensidad original (un equivalente sería la capacidad de ver a través de 50 km de agua). ).

Pero el hecho de que la luz se guíe a través de un material sólido significa que las fibras actuales tienen algunos inconvenientes. El vidrio de sílice se vuelve opaco cuando la luz que intenta transmitir cae dentro de los extremos del infrarrojo medio y ultravioleta del espectro electromagnético. Esto significa que las aplicaciones que necesitan luz en estas longitudes de onda (como la espectrometría y los instrumentos utilizados por los astrofísicos) no pueden utilizar fibras estándar.

Además, los pulsos de luz de alta intensidad se distorsionan en las fibras estándar e incluso pueden destruir la propia fibra.

Los investigadores han estado trabajando arduamente para encontrar soluciones a estos inconvenientes, poniendo sus esfuerzos en desarrollar fibras ópticas que guíen la luz a través del aire en lugar del vidrio.

Esto, sin embargo, trae su propio conjunto de problemas: una propiedad fundamental de la luz es que no le gusta estar confinada en una región de baja densidad como el aire. Las fibras ópticas que usan aire en lugar de vidrio tienen fugas intrínsecas (como lo sería una manguera si el agua pudiera filtrarse por los lados).

La pérdida por confinamiento (o pérdida por fuga) es una medida de cuánta intensidad de luz se pierde a medida que se mueve a través de las fibras, y un objetivo clave de la investigación es mejorar el diseño de la estructura de la fibra para minimizar esta pérdida.

Núcleos huecos

Los diseños más prometedores implican un núcleo hueco central rodeado y confinado por un revestimiento especialmente diseñado. Ranurados dentro del revestimiento hay capilares de vidrio huecos de paredes ultradelgadas unidos a una cubierta de vidrio exterior.

Usando esta configuración, el rendimiento de pérdida de la fibra de núcleo hueco es similar al de una fibra convencional.

Una característica intrigante de estas fibras de núcleo hueco es que la comprensión teórica de cómo y por qué guían la luz tan bien no se ha mantenido al día con el progreso experimental.

Durante aproximadamente dos décadas, los científicos han tenido una buena comprensión física de cómo las paredes capilares de vidrio delgado que miran hacia el núcleo hueco (verde en el diagrama) actúan para reflejar la luz hacia el núcleo y así evitar fugas. Pero un modelo teórico que incluye solo este mecanismo sobreestima en gran medida la pérdida por confinamiento, y la pregunta de por qué las fibras reales guían la luz de manera mucho más efectiva de lo que predeciría el modelo teórico simple ha permanecido, hasta ahora, sin respuesta.

El Dr. Murphy y el profesor Bird describen su modelo en un artículo publicado esta semana en la revista líder Optica.

El análisis teórico y computacional se centra en el papel que desempeñan las secciones de las paredes de los capilares de vidrio (rojas en el diagrama) que no miran ni al núcleo interior ni a la pared exterior de la estructura de fibra.

Además de soportar los elementos del revestimiento que miran al núcleo, los investigadores de Bath muestran que estos elementos juegan un papel crucial en la guía de la luz, al imponer una estructura en los campos de ondas de la luz que se propaga (líneas curvas grises en el diagrama). Los autores han llamado al efecto de estas estructuras ‘confinamiento azimutal’.

Aunque la idea básica de cómo funciona el confinamiento azimutal es simple, se muestra que el concepto es notablemente poderoso para explicar la relación entre la geometría de la estructura del revestimiento y la pérdida por confinamiento de la fibra.

El Dr. Murphy, primer autor del artículo, dijo : « Esperamos que el concepto de confinamiento azimutal sea importante para otros investigadores que están estudiando el efecto de la fuga de luz de las fibras de núcleo hueco, así como para aquellos que están involucrados en el desarrollo y la fabricación. nuevos diseños. »

El profesor Bird, quien dirigió el proyecto, agregó : « Este fue un proyecto realmente gratificante que necesitaba tiempo y espacio para pensar en las cosas de una manera diferente y luego trabajar en todos los detalles.

« Empezamos a trabajar en el problema durante el primer confinamiento y ahora me ha mantenido ocupado durante el primer año de mi jubilación. El artículo proporciona una nueva forma para que los investigadores piensen sobre la fuga de luz en las fibras de núcleo hueco, y yo Estoy seguro de que dará lugar a que se prueben nuevos diseños ».

El Dr. Murphy fue financiado por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido.