Scienziati dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT) e collaboratori internazionali hanno sviluppato un nuovo tipo di fibra ottica che ha un diametro del nucleo estremamente grande e preserva le proprietà coerenti della luce. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Ottica Express . I risultati dello studio sono promettenti per la costruzione di laser a fibra pulsata ad alta potenza e amplificatori, così come sensori sensibili alla polarizzazione.

Quando si tratta di applicazioni in fibra ottica, preservare le proprietà della luce è fondamentale. Ci sono due parametri principali che spesso devono essere preservati:la distribuzione dell'intensità luminosa in sezione e la polarizzazione della luce (proprietà che specifica le direzioni di oscillazione del campo elettrico o magnetico in un piano perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda). Nel loro studio, i ricercatori sono riusciti a soddisfare entrambe le condizioni.

"La ricerca sulle fibre ottiche è uno dei campi dell'ottica in più rapido sviluppo. Nell'ultimo decennio, numerose soluzioni tecnologiche sono state proposte e implementate. Ad esempio, ricercatori e ingegneri di IRE RAS possono ora produrre fibre ottiche di quasi tutti i diametri con struttura trasversale arbitraria, "dice Vasily Ustimchik, coautore dello studio e professore al MIPT. "Nel corso di questo studio, una struttura specifica è stata formata nella fibra ottica. Varia lungo due assi ortogonali, e i suoi diametri cambiano proporzionalmente lungo la fibra. Individualmente, tali soluzioni sono già ampiamente utilizzate, quindi è fondamentale continuare a lavorare in questa direzione".

Una fibra ottica è generalmente un filo flessibile molto sottile ricavato da vetro o plastica trasparente. Ma questa semplicità smentisce una serie di importanti problemi che limitano le sue applicazioni. Il primo è l'attenuazione del segnale nelle linee in fibra ottica, un problema risolto che ha aperto la strada alle comunicazioni in fibra ottica.

Oggi, le fibre ottiche sono utilizzate anche nella tecnologia laser. Un laser in fibra incorpora un risonatore ottico, che fa sì che la luce viaggi avanti e indietro ripetutamente. I parametri geometrici del risonatore in fibra consentono solo un insieme limitato di schemi trasversali di distribuzione dell'intensità della luce nel raggio di uscita, i cosiddetti modi trasversali del risonatore (vedi Fig. 1). In pratica, ricercatori e ingegneri cercano principalmente di eccitare nient'altro che un puro modo fondamentale (vedi l'angolo in alto a sinistra della Fig. 1) che non cambia con il tempo.

Per mantenere il funzionamento in modalità singola, la fibra deve essere costituita da un nucleo e da un rivestimento, materiali con diversi indici di rifrazione. ordinariamente, lo spessore del nucleo della fibra attraverso il quale la radiazione si propaga normalmente deve essere inferiore a 10 micrometri.

Un aumento della potenza ottica della luce che si propaga nella fibra comporta un maggiore assorbimento di energia. Questo si traduce in un cambiamento nelle proprietà della fibra. Nello specifico, provoca una variazione incontrollata dell'indice di rifrazione del materiale fibroso. Ciò dà luogo a effetti parassiti non lineari, con conseguente ulteriori righe spettrali di emissione ecc., che limita la potenza dei segnali ottici trasmessi. Una soluzione esistente al problema, utilizzata anche dagli autori, risiede nella variazione del diametro interno e esterno lungo la lunghezza della fibra (vedi Fig. 2).

Se l'espansione della fibra avviene adiabaticamente, cioè relativamente lentamente:è possibile ridurre la quantità di energia trasferita ad altre modalità a meno dell'1%, anche con un diametro del nucleo fino a 100 micrometri (che è eccezionalmente grande per le fibre monomodali). Inoltre, il fatto che il diametro del nucleo sia grande e vari lungo la fibra aumenta la soglia per il verificarsi di effetti non lineari.

Per raggiungere il secondo obiettivo, che era quello di preservare lo stato di polarizzazione della luce, gli autori dello studio hanno reso anisotropo il rivestimento della fibra:la larghezza e l'altezza del rivestimento interno sono diverse (il rivestimento è ellittico), il che significa che la velocità di propagazione della luce con diverse direzioni di oscillazione del campo non è la stessa. In una struttura come questa, il processo di trasferimento di energia da un modo polarizzato a un altro è quasi completamente interrotto.

Nel loro studio, i ricercatori hanno dimostrato che la lunghezza geometrica del percorso percorso dalla luce attraverso la fibra a cui le oscillazioni delle due diverse polarizzazioni sono in antifase dipende dal diametro del nucleo della fibra:diminuisce all'aumentare del diametro. Questa lunghezza, nota come lunghezza del battito di polarizzazione, corrisponde ad una rotazione completa dello stato di polarizzazione lineare nella fibra. In altre parole, se lanci luce polarizzata linearmente in una fibra, sarà di nuovo polarizzato linearmente dopo aver percorso esattamente questa distanza. La capacità di misurare questo parametro è di per sé prova del fatto che lo stato di polarizzazione nella fibra è preservato.

Per studiare le proprietà relative alla polarizzazione della luce nella fibra, gli scienziati hanno utilizzato la riflettometria ottica nel dominio della frequenza. Implica il lancio di un segnale ottico nella fibra e il rilevamento del segnale retrodiffuso. Il segnale riflesso contiene molte informazioni. Questo metodo viene normalmente utilizzato per determinare la posizione di difetti e impurità nelle fibre ottiche, ma può anche determinare sia la lunghezza di coerenza che la distribuzione spaziale della lunghezza del battito di polarizzazione. Le tecniche di riflettometria di coerenza sono ampiamente utilizzate per monitorare lo stato delle fibre ottiche. Però, il metodo utilizzato in questo studio è notevole per consentire la raccolta di dati ad alta risoluzione fino a 20 micrometri lungo la lunghezza della fibra.

Professor Sergey Nikitov, il capogruppo di ricerca, disse, "I campioni di fibra che abbiamo ottenuto hanno dimostrato ottimi risultati, indicando buone prospettive per l'ulteriore sviluppo di tali soluzioni tecnologiche. Troveranno impiego non solo nei sistemi laser ma anche nei sensori a fibra ottica, dove il cambiamento delle caratteristiche di polarizzazione è noto in anticipo, poiché sono determinati da fattori ambientali esterni, come la temperatura, pressione, impurità biologiche e di altro tipo. Inoltre, hanno una serie di vantaggi rispetto ai sensori a semiconduttore. Per esempio, non necessitano di alimentazione elettrica e sono in grado di effettuare rilevamenti distribuiti, e questo non è un elenco completo."