Le fibre di cristalli fotonici (PCF) sono fili di vetro, non molto più grosso di un capello umano, con un reticolo di canali cavi che corrono lungo la fibra. Se sono continuamente distorti nella loro produzione, assomigliano a una multi-elica. I PCF intrecciati mostrano alcune caratteristiche sorprendenti, dalla birifrangenza circolare alla conservazione del momento angolare. La sorpresa più grande, però, è la guida della luce robusta stessa, senza nucleo in fibra visibile. La base di ciò sono forze che, come la gravitazione, si basano sulla curvatura dello spazio.

I materiali chirali sono costituiti da molte unità identiche (molecole o elementi nanostrutturati) che sono orientate casualmente in soluzione o disposte in modo ordinato. Sono onnipresenti in natura, ad esempio la maggior parte delle molecole biologiche si presenta in forma destrorsa e mancina e sta trovando un numero crescente di applicazioni nella scienza e nella tecnologia. Fibra a cristalli fotonici ritorta (t-PCF), in contrasto, consiste in una singola unità chirale uniassiale che è infinitamente estesa nella terza dimensione, la direzione della torsione. Lo stesso PCF consiste tipicamente in una serie esagonale di microcanali cavi che corrono lungo la lunghezza di una fibra di vetro spessa ~100 µm, in modo che quando attorcigliato assomigli a una "multi-elica" di microcanali a spirale attorno a un asse centrale (Fig. 1 (a)).

Negli ultimi anni abbiamo studiato il comportamento della luce in una gamma di diversi tipi di t-PCF, nel processo scoprendo alcuni fenomeni sorprendenti ed esplorando potenziali applicazioni.

Usiamo due tecniche per produrre t-PCF. Nel primo, un PCF non attorcigliato viene post-elaborato sotto riscaldamento laser CO2, la fibra essendo montata tra uno stadio di rotazione motorizzato ed un supporto rigido (Fig. 2(a)). Mentre il motore gira, il raggio laser focalizzato di 10 µm viene scansionato lungo la fibra mediante uno specchio orientabile fissato ad un tavolino di traslazione motorizzata di precisione. Una volta impostati il ​​periodo di torsione target e la lunghezza del campione, la potenza del laser e la velocità di scansione sono scelte in modo da riscaldare la fibra alla temperatura di rammollimento del vetro. Il processo di scrittura è controllato da computer ed è in grado di raggiungere periodi di torsione di appena 300 μm. La seconda tecnica prevede la filatura della preforma di vetro durante la trafilatura della fibra, utilizzando un motore rotante a poche migliaia di giri e un giunto rotante a più ingressi per il controllo della pressione all'interno dei canali cavi (Fig. 2(b)). Ha il vantaggio di poter facilmente fabbricare lunghezze lunghe (100 metri di PCF) elicoidali con periodi di torsione di pochi millimetri.

Effetti topologici

La propagazione delle onde elettromagnetiche in strutture elicoidali iniziò sul serio negli anni '40, con l'invenzione dell'amplificatore valvolare ad onda viaggiante. In questo dispositivo un segnale a microonde è guidato lungo un filo elicoidale che si avvolge a spirale attorno a un fascio di elettroni a propagazione assiale. Poiché la distanza fisica su cui viaggia il segnale a microonde a spirale è maggiore della distanza direttamente lungo l'asse, le sue velocità di gruppo e di fase sono entrambe effettivamente ridotte. Con una progettazione appropriata è possibile regolare la differenza di velocità tra le due onde, permettendo al segnale a microonde di essere amplificato con la potenza del fascio di elettroni. In modo simile, lo stiramento geometrico della struttura di rivestimento in un t-PCF provoca l'effettiva lunghezza del cammino ottico lungo l'asse, e quindi l'indice di rifrazione effettivo, aumentare topologicamente con raggio ρ seguendo la relazione neff(ρ) =n0(1 + α2ρ2)1/2 dove n0 è l'indice nel caso non twistato e α il tasso di torsione in rad/m (vedi Fig. 1(b)) .

Dip spettrali in t-PCF con single core

Questo effetto topologico rende possibile, ad esempio, l'adattamento di fase della luce guidata in un nucleo centrale di vetro solido (indice modale nc) alla modalità fondamentale di riempimento dello spazio nel rivestimento (indice di fase nSM nella fibra non ritorta) con il risultato che la luce può fuoriuscire in modalità di rivestimento a determinate lunghezze d'onda. Ciò si traduce in una serie di cali nello spettro di trasmissione, causati da anti-attraversamenti tra la modalità core e le modalità di rivestimento a forma di anello che perde (Fig. 1 (c)) che trasportano momento angolare orbitale (OAM), ogni dip corrispondente a un diverso ordine OAM. Poiché la luce del rivestimento viene deviata dai canali cavi in ​​un percorso a spirale, la componente azimutale del suo vettore d'onda deve assumere valori che diano un avanzamento di fase di andata e ritorno che sia un multiplo intero di 2π, dov'è l'ordine OAM. Questo porta alla condizione:

(ℓ λℓ) / (2π) =n _az =n _SM ρ peccatoΨ ≈ n _SM α 2 (1)

dove è la lunghezza d'onda di immersione dell'ordine OAM, naz la componente azimutale dell'indice di rifrazione, e l'angolo locale tra i canali cavi e l'asse della fibra. eq. (1) produce un accordo notevolmente buono con le misurazioni sperimentali, mostrando in particolare che le lunghezze d'onda dip scalano linearmente con la velocità di torsione. Abbiamo utilizzato la sensibilità alla torsione e alla deformazione di questi cali per costruire un trasduttore di deformazione a torsione completamente ottico.

Onde elicoidali di Bloch

Comprendere la fisica della propagazione della luce in t-PCF è piuttosto impegnativo, perché il sistema di coordinate naturale, elicoidale, non è ortogonale. Questo ci ha portato a introdurre un nuovo concetto:le onde elicoidali di Bloch. Le onde di Bloch ottiche di qualsiasi struttura periodica non ritorta sono descritte dal prodotto di una funzione periodica P(r) (con periodicità che corrispondono alla struttura) e un termine che rappresenta la progressione di fase dell'onda di Bloch. Un'immagine fisica conveniente per i modi guidati in un t-PCF può essere costruita generalizzando il teorema di Bloch in modo che la funzione periodica azimutale segua la torsione, prendendo la forma dove è la coordinata radiale e l'angolo azimutale. Ad ogni dato valore di z, P si ripeterà ad intervalli angolari, dove N è il numero di volte che la struttura si ripete su un giro 2π. Le onde di Bloch possono quindi essere calcolate analiticamente utilizzando un'espansione in termini di armoniche azimutali di ordine OAM. La sostituzione di questo campo Ansatz nelle equazioni di Maxwell consente di derivare la relazione di dispersione.

Per esplorare le proprietà delle onde elicoidali di Bloch, abbiamo fabbricato un t-PCF con un anello di sei nuclei "satellite" in vetro solido attorno al suo asse (Fig. 3 (a)). I canali cavi avevano un diametro di 2 µm, distanziati di 3 µm, e la velocità di torsione era di 2,9 rad/mm. Questa struttura supporta 6 modalità Bloch elicoidali non degeneri con diversi valori di momento angolare orbitale, in entrambi gli stati polarizzati circolarmente sinistro e destro. Per determinare l'ordine OAM delle modalità guidate attraverso il t-PCF, l'output è stato sovrapposto a un fascio gaussiano divergente e il modello di frangia risultante è stato ripreso utilizzando una telecamera CCD. Gli schemi di interferenza a spirale singola e doppia in Fig. 3 (b), che sono stati registrati a una lunghezza d'onda di 632,8 nm, confermare che la fibra genera vortici ottici e conserva l'ampiezza e il segno dell'OAM per tutti e quattro i modi. Esperimenti simili condotti a più lunghezze d'onda e per fibre lunghe fino a 50 m hanno confermato che i t-PCF conservano l'ampiezza e il segno dell'OAM.

Guida della luce nello spazio contorto

Abbiamo scoperto un nuovo meccanismo di guida della luce, basato su un t-PCF senza core. Tagliare la fibra ed esaminarne la sezione rivela una completa assenza di qualsiasi struttura in cui la luce potrebbe essere intrappolata (vedi Fig. 4(a)). Tuttavia, supporta una modalità guidata:la torsione elicoidale crea un canale topologico all'interno della luce intrappolata in modo robusto. Ciò deriva dall'aumento quadratico della lunghezza del percorso ottico con raggio (menzionato sopra), che produce un gradiente radiale nell'indice di rifrazione assiale, creando un potenziale pozzo all'interno del quale la luce è confinata da effetti di bandgap fotonici. Utilizzando strumenti matematici della relatività generale, abbiamo mostrato che le geodetiche della luce seguono percorsi a spirale chiusi all'interno del canale topologico, modalità di formazione che trasportano OAM. L'area effettiva di queste modalità diminuisce con la velocità di rotazione α, in modo che variando la velocità di torsione lungo la fibra, sarebbe possibile creare fibre il cui diametro del campo modale cambia con la posizione. A differenza delle fibre guida indice convenzionali, dove la modalità guidata si sposta verso l'esterno della curva ("curvatura normale"), questa modalità molto insolita si sposta verso l'interno verso la curva ("curvatura anomala"). L'ottica hamiltoniana mostra che la modalità può essere vista come avente massa effettiva negativa (causata dal segno opposto della curvatura della superficie di dispersione), in modo che si muova nella direzione opposta quando è soggetto a forze di flessione.

Conclusioni

La capacità di t-PCF di generare e supportare modalità OAM, oltre a fornire attività ottica e dicroismo circolare, suggerisce che può diventare utile in molte applicazioni. La serie di cali di trasmissione a lunghezze d'onda sintonizzabili con torsione nel PCF a nucleo solido ha applicazioni nel rilevamento e nel filtraggio. La trasmissione e la conservazione degli stati di polarizzazione circolare rende il t-PCF molto interessante per il rilevamento della corrente basato sulla rotazione di Faraday. La sua capacità di trasmettere in modo affidabile stati OAM puri su lunghe distanze può portare ad applicazioni nella manipolazione delle particelle e nelle telecomunicazioni. Sembra probabile che molti di questi effetti e fenomeni si sposteranno in applicazioni del mondo reale nel prossimo futuro. Ancora inesplorato è l'uso del t-PCF nell'ottica non lineare e nei laser a fibra, dove la combinazione di birifrangenza circolare e OAM con il controllo della dispersione della velocità di gruppo può offrire opportunità per nuovi tipi di laser solitoni con aggancio di modalità, dispositivi di conversione della lunghezza d'onda e sorgenti di supercontinuo.