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Uma compreensão teórica da relação entre a estrutura geométrica das fibras ópticas de núcleo oco e sua perda por vazamento inspirará o projeto de novas fibras de baixa perda.
Um imenso progresso foi feito nos últimos anos para aumentar a eficiência das fibras ópticas por meio do design de cabos que permitem que os dados sejam transmitidos mais rapidamente e em larguras de banda mais amplas. As maiores melhorias foram feitas na área de fibras de núcleo oco – um tipo de fibra notoriamente ‘vazante’, mas também essencial para muitas aplicações.
Agora, pela primeira vez, os cientistas descobriram por que alguns designs de fibra preenchidos com ar funcionam com muito mais eficiência do que outros.
O quebra-cabeça foi resolvido pela recém-formada em doutorado, Dra. Leah Murphy, e pelo professor emérito David Bird, do Centro de Fotônica e Materiais Fotônicos da Universidade de Bath.
A análise teórica e computacional dos pesquisadores fornece uma explicação clara para um fenômeno que outros físicos observaram na prática: que uma fibra óptica de centro oco que incorpora filamentos de vidro em seu design causa perda ultrabaixa de luz à medida que viaja da fonte ao destino.
Murphy disse: “O trabalho é empolgante porque acrescenta uma nova perspectiva a uma conversa de 20 anos sobre como as fibras antirressonantes de núcleo oco guiam a luz. Estou realmente otimista de que isso encorajará os pesquisadores a experimentar novos e interessantes -designs de fibra de núcleo onde a perda de luz é mantida ultrabaixa.”
A revolução da comunicação
As fibras ópticas transformaram as comunicações nos últimos anos, desempenhando um papel vital para permitir o enorme crescimento da transmissão rápida de dados. Fibras especialmente projetadas também se tornaram essenciais nos campos de imagem, lasers e sensores (como visto, por exemplo, em sensores de pressão e temperatura usados em ambientes agressivos).
As melhores fibras têm algumas propriedades surpreendentes – por exemplo, um pulso de luz pode viajar mais de 50 km ao longo de uma fibra de vidro de sílica padrão e ainda reter mais de 10% de sua intensidade original (o equivalente seria a capacidade de ver através de 50 km de água ).
Mas o fato de a luz ser guiada através de um material sólido significa que as fibras atuais têm algumas desvantagens. O vidro de sílica torna-se opaco quando a luz que está tentando transmitir cai dentro das extremidades do infravermelho médio e do ultravioleta do espectro eletromagnético. Isso significa que aplicações que precisam de luz nesses comprimentos de onda (como espectrometria e instrumentos usados por astrofísicos) não podem usar fibras padrão.
Além disso, pulsos de luz de alta intensidade são distorcidos em fibras padrão e podem até mesmo destruir a própria fibra.
Os pesquisadores têm trabalhado arduamente para encontrar soluções para esses inconvenientes, colocando seus esforços no desenvolvimento de fibras ópticas que conduzem a luz através do ar em vez do vidro.
Isso, no entanto, traz seu próprio conjunto de problemas: uma propriedade fundamental da luz é que ela não gosta de ficar confinada em uma região de baixa densidade como o ar. Fibras ópticas que usam ar em vez de vidro são intrinsecamente vazadas (como seria uma mangueira se a água pudesse vazar pelas laterais).
A perda de confinamento (ou perda de vazamento) é uma medida de quanta intensidade de luz é perdida à medida que se move através das fibras, e um dos principais objetivos da pesquisa é melhorar o design da estrutura da fibra para minimizar essa perda.
Núcleos ocos
Os projetos mais promissores envolvem um núcleo oco central cercado e confinado por um revestimento especialmente projetado. Encaixados dentro do revestimento estão capilares de vidro ocos e de paredes ultrafinas presos a uma jaqueta de vidro externa.
Usando esta configuração, o desempenho de perda da fibra de núcleo oco é próximo ao de uma fibra convencional.
Uma característica intrigante dessas fibras de núcleo oco é que uma compreensão teórica de como e por que elas guiam a luz tão bem não acompanhou o progresso experimental.
Por cerca de duas décadas, os cientistas tiveram uma boa compreensão física de como as finas paredes capilares de vidro que enfrentam o núcleo oco (verde no diagrama) atuam para refletir a luz de volta ao núcleo e, assim, evitar vazamentos. Mas um modelo teórico que inclui apenas esse mecanismo superestima muito a perda de confinamento, e a questão de por que as fibras reais guiam a luz com muito mais eficiência do que o modelo teórico simples poderia prever, até agora, permaneceu sem resposta.
O Dr. Murphy e o professor Bird descrevem seu modelo em um artigo publicado esta semana no principal jornal Óptica.
A análise teórica e computacional enfoca o papel desempenhado pelas seções das paredes dos capilares de vidro (vermelho no diagrama) que não estão voltados para o núcleo interno nem para a parede externa da estrutura da fibra.
Além de apoiar os elementos voltados para o núcleo do revestimento, os pesquisadores de Bath mostram que esses elementos desempenham um papel crucial na orientação da luz, impondo uma estrutura nos campos de onda da luz propagada (linhas curvas cinzas no diagrama). Os autores denominaram o efeito dessas estruturas de ‘confinamento azimutal’.
Embora a ideia básica de como o confinamento azimutal funcione seja simples, o conceito se mostra notavelmente poderoso para explicar a relação entre a geometria da estrutura do revestimento e a perda de confinamento da fibra.
Dr. Murphy, primeiro autor do artigo, disse: “Esperamos que o conceito de confinamento azimutal seja importante para outros pesquisadores que estão estudando o efeito do vazamento de luz de fibras de núcleo oco, bem como para aqueles que estão envolvidos no desenvolvimento e fabricação novos desenhos.”
O professor Bird, que liderou o projeto, acrescentou: “Este foi um projeto realmente gratificante que precisava de tempo e espaço para pensar sobre as coisas de uma maneira diferente e depois trabalhar em todos os detalhes.
“Começamos a trabalhar no problema no primeiro confinamento e isso tem me mantido ocupado durante o primeiro ano de minha aposentadoria. O artigo fornece uma nova maneira para os pesquisadores pensarem sobre o vazamento de luz em fibras de núcleo oco, e eu Estou confiante de que isso levará a novos designs sendo testados.”
O Dr. Murphy foi financiado pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas do Reino Unido.
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