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Acerca de la fibra hueca

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Acerca de HC-PBGF

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1． Fibra de cristal fotónico de núcleo hueco

En 1987, E. Yablonovitch propuso que los materiales dieléctricos con diferentes índices de refracción se dispusieran periódicamente en una, dos o tres dimensiones en una fibra óptica, es decir, los capilares de vidrio miniaturizados se distribuyen en una matriz periódica, que puede utilizarse como material compuesto para formar un revestimiento de fibra óptica, y el núcleo de la fibra es un orificio de aire con una estructura hueca, para realizar una guía óptica de bajas pérdidas en el núcleo de aire. La fuente de desarrollo de la fibra de cristal fotónico de núcleo hueco (HC-PCF) es la siguiente:

De 1995 a 1999, los científicos habían puesto en marcha la verificación teórica de la fibra de cristal fotónico de núcleo hueco (HC-PCF), y luego las fibras de cristal fotónico de núcleo hueco de diversas estructuras surgieron sin cesar.

2． Clasificación de las fibras de cristal fotónico de núcleo hueco

Basándose en el principio de conducción óptica, las HC-PCF pueden dividirse en dos tipos de fibras de cristal fotónico: fibra de núcleo hueco con bandgap (HC-PBGF) y fibra de núcleo hueco antirresonante (HC-ARF).

1) Fibra de banda prohibida de núcleo hueco (HC-PBGF): Se basa en el principio del bandgap fotónico para guiar la luz. El revestimiento es una estructura de banda prohibida fotónica dispuesta en un conjunto de orificios de aire periódicos. Cuando la parte defectuosa del centro de la estructura es aire, la luz con una longitud de onda dentro del intervalo de bandgap puede confinarse en el núcleo de aire.

2) Fibra antirresonante de núcleo hueco (HC-ARF): Su mecanismo de guiado de la luz puede explicarse por el principio de la guía de ondas óptica reflejada antirresonante en una guía de ondas plana. La figura 4 muestra la fibra antirresonante de núcleo hueco con una estructura simple, y su parte de revestimiento está hecha de materiales de cuarzo de alto índice de refracción, y la parte negra es aire de bajo índice de refracción. La capa de estructura capilar de cuarzo que rodea el núcleo de aire alrededor de la estructura de la fibra es la parte central. Esta estructura puede hacer que la luz de una longitud de onda específica resuene en el exterior del revestimiento, y reflejar la luz que no cumple la condición de resonancia de vuelta al núcleo de aire, confinando así la luz en el núcleo de aire, realizando una guía de luz de reflexión antirresonante. La longitud de onda resonante depende del grosor y del orden de resonancia del capilar de cuarzo.

3． Proceso de producción de la fibra de banda prohibida de núcleo hueco

En la actualidad, la producción de fibra de banda prohibida de núcleo hueco puede dividirse en los siguientes4 pasos:

① Dibujar el capilar con diámetro exterior preciso de acuerdo con el diseño estructural, incluyendo el capilar de la parte de revestimiento y el capilar central, y disponer el capilar en un haz capilar microestructurado;

② Introducir el haz capilar en el manguito para su montaje;

③ Dibujar la combinación del haz capilar y el manguito en una preforma microestructurada;

④ Dibujar la preforma en el alambre para formar una fibra de cristal fotónico de núcleo hueco.

4． Aplicaciones importantes de la fibra de banda prohibida de núcleo hueco

La fibra de banda prohibida de núcleo hueco se utiliza principalmente en la comunicación por fibra óptica, la detección por fibra óptica y los láseres de fibra óptica.

1) Comunicación por fibra óptica: La fibra de cristal fotónico de banda prohibida de núcleo hueco tiene las características de baja no linealidad y bajo retardo, puede realizar transmisiones de gran longitud de onda y tiene estabilidad de fase a alta temperatura. Además, la baja pérdida de transmisión de ondas de luz en el núcleo de aire es una característica importante de la fibra de cristal fotónico de banda prohibida con núcleo hueco. Por lo tanto, en el desarrollo de sistemas de comunicación óptica, son de gran valor como medios de transmisión.

Gran capacidad: La velocidad de transmisión de datos alcanza 73,7 Tb/s (3MDM × 96WDM × 256 Gb/s) a través de unos 310 m de fibra bandgap de núcleo hueco. La velocidad de transmisión neta es de 57,6 Tb/s.

Larga distancia: La fibra hueca bandgap puede transmitir datos a larga distancia a una velocidad de 50 Gbit/s.

Bajo retardo: la transmisión por fibra de banda hueca de 11 km, en comparación con la fibra tradicional, reduce el retardo en unos 16μs, y la tasa de error de bit <1e°, lo que equivale a una transmisión sin errores.

Sin embargo, la pérdida de la fibra hueca bandgap estará limitada por la dispersión de la interfaz vidrio de sílice/núcleo de aire, y es necesario ampliar el ancho de banda y reducir la pérdida para mejorar la competitividad de la fibra de comunicación tradicional.

2) Láser de fibra (transferencia de energía): Transmisión de impulsos cortos de alta energía. Los láseres de impulsos cortos de alta energía pueden proporcionar impulsos de luz con una duración inferior a picosegundos, una potencia de pico superior a gigavatios y una frecuencia de repetición superior a MHz Dado que puede proporcionar un microprocesado de mayor precisión para diversos materiales, al tiempo que minimiza el tamaño de la zona afectada por el calor, esta tecnología se utiliza ahora ampliamente en la industria de semiconductores, el grabado de vidrio, la automoción y la electrónica de plástico; y se utiliza para realizar operaciones quirúrgicas complejas y menores, como oftalmología, odontología u otología.

3)Detección por fibra óptica: La baja pérdida de transmisión de ondas de luz en el núcleo de aire es una característica importante de las fibras de banda prohibida con núcleo hueco. Aporta un canal de larga distancia y alta densidad energética para la interacción entre la luz y la materia, y reduce la influencia de las propiedades del material de la fibra en la luz transmitida (como el efecto de absorción óptica en el infrarrojo medio), además de proporcionar una nueva plataforma eficaz para aplicaciones de detección como la detección de trazas de gas/líquido y giroscopios de fibra óptica de alta precisión. La fina microestructura del interior de la fibra hueca bandgap posee novedosas propiedades mecánicas y térmicas, lo que resulta propicio para aplicaciones de detección como la detección de ondas acústicas y vibraciones; también puede modificar la estructura o rellenar el material del revestimiento poroso combinando las tecnologías de fibra óptica post-calentamiento. Tratamiento y relleno selectivo, para obtener un mayor rendimiento y ampliación de funciones.

La sensibilidad del giroscopio de fibra óptica de banda prohibida de núcleo hueco al efecto Kerr, la deriva transitoria de temperatura y el efecto Faraday se reduce considerablemente. Para un giroscopio específico de fibra óptica de banda prohibida con modulación de fase de onda triangular, el efecto Kerr es unas 70 veces menor que el de la fibra monomodo ordinaria. Esto ayuda a mejorar la estabilidad a largo plazo del giroscopio y la precisión en diversos entornos de interferencia, como el calor y el magnetismo, y a reducir aún más el coste del sistema.

5． Conclusión

Con el progreso continuo de la tecnología de fabricación de fibra de banda prohibida de núcleo hueco, su rendimiento puede mejorarse aún más en las siguientes direcciones: (1) reducción de la pérdida y la retrodispersión;(2) reducción del diámetro de la fibra óptica;(3) tecnología de empalme por fusión de fibra óptica más eficaz;(4) ampliación del ancho de banda de transmisión. En la aplicación, con la mejora del rendimiento de las fibras de banda prohibida de núcleo hueco, especialmente para sistemas con mayores requisitos en términos de no linealidad y retardo, las fibras de banda prohibida de núcleo hueco son cada vez más atractivas.