microestruturadas: princípios fundamentais e fabricação.
2. Fibras ópticas microestruturadas (MOF)
2.1. Estruturas das MOF (Fibras Óptica Microestruturada)
Para caracterizar as MOF faz-se necessário definir os seus parâmetros físicos e geométricos. Conforme apresentado na figura II.9, os parâmetros geométricos são: o diâmetro dos capilares, d, e o espaçamento entre os centros dos capilares,
Λ
, comumente chamado depitch. Na literatura encontram-se algumas outras denominações para descrever o termo
capilar, visto que nem todas as técnicas utilizam capilares para obter os furos de ar ou buracos de ar. Os parâmetros físicos atribuídos a fibra são: (i) o indice de refração do núcleo, nn, e o
ϲϬ
capilares, d, e o espaçamento,
Λ
, definida como ݂ ൌ ݀ Ȧൗ , a qual fornece a proporção entre ar e sílica presentes na estrutura.Figura II.9 Desenho esquemático de uma fibra óptica microestruturada e seus parâmetros geométricos.
De uma forma geral, a expressão fibra óptica microestruturada representa um guia de onda constituído por um arranjo regular de canais de ar ao redor de um núcleo oco (hollow
core fiber) ou sólido (holey fiber ou solide core fiber). Como visto anteriormente, as MOF se
dividem em duas grandes famílias que correspondem aos dois diferentes principios de guiamento (Figura II.10).
Figura II.10 Exemplo da sessão transversal das duas famílias de MOF: (a) fibra óptica microestruturada guiada por band-gap fotônico e (b) fibra óptica microestruturada de núcleo sólido guiada por reflexão total interna.
A primeira família agrupa as fibras ditas de banda fotônica proibida, ou do inglês
photonic band-gap fibers, onde a propagação da luz se dá pela reflexão coerente da luz pela
estrutura periódica da casca ao redor do núcleo (índice do núcleo é menor do que o índice médio da casca). A segunda família é constituída pelas fibras que guiam por reflexão interna
ϲϭ
total modificada, cujo guiamento é similar ao das fibras ópticas convencionais de índice degrau (índice de refração do núcleo é maior do que o da casca).
Variando os dois parâmetros geométricos, d e
Λ
, nas MOF, é possível obter um numero ilimitado de tipos de estrutura de fibra, e a escolha do design segue de acordo com a aplicação da pesquisa. A figura II.11 mostra alguns exemplos.Figura II.11 Fotografias de diversos tipos de fibras ópticas microestruturadas33.
2.1.1. MOF de núcleo oco: guiamento por Band-gap fotônico
Nas fibras de núcleo oco (geralmente com núcleo de ar), a luz passa de um meio menos refringente para um de maior refringência, não havendo o fenomeno de reflexão total. O guiamento então é baseado na reflexão coerente da luz na estrutura periódica da casca: o mesmo principio de guiamento observado em cristais fotonicos.
As MOF deste tipo são as fibras apresentadas nas figuras II.8 e II.10a, capazes de exibir uma banda fotônica proibida. Pode-se, então, criar um defeito nesta estrutura de forma a quebrar a periodicidade. Este defeito tem a propriedade de criar níveis permitidos de propagação dentro da banda proibida do cristal fotonico. Devido a existência da banda fotonica proibida, a luz permanece confinada dentro do defeito, mantendo o confinamento mesmo na presença de curvaturas. Assim, neste defeito, será possível guiar a luz, constituindo-se, portanto, como o núcleo da fibra. Por este motivo são denominadas de fibras com banda fotonica proibida (do inglês, PBG – photonic band-gap), como esquematizado na
figura II.1245. Estas fibras possuem características únicas devido ao mecanismo de guiamento não-usual, e a perspectiva de guiar luz na região de ar é interessante (guiamento da luz no meio de menor índice de refração), pois serão minimizados efeitos como dispersão cromática, efeitos não lineres e absorção óptica45,46.
ϲϮ
Figura II.12 Esquema do guiamento por banda fotônica proibida.
Em toda a interface núcleo-casca, a onda incidente é decomposta em uma onda refletida e outra refratada. A superposição de fase das ondas refletidas forma a onda guiada no núcleo. Devido a periodicidade da casca, as ondas refletidas apresentam uma defasagem bem definida uma em relação a outra. Dessa forma, podem interferir construtivamente ou destrutivamente, dependendendo do quanto defasada está uma da outra, o que vai depender do comprimento de onda e do ângulo de incidência da radiação. Para certos comprimentos de onda e ângulo de incidência, a estrutura multicamadas se comporta como um espelho.
2.1.2. MOF de núcleo sólido: guiamento por reflexão interna total
As MOFs de núcleo sólido são apresentadas nas figuras II.7 e II.10b, e são denominadas fibras com guiamento por índice de refração (do inglês, IG – index guiding). O guiamento da luz é obtido com base na diferença de índices de refração entre a casca e o nucleo, ou seja, o indice de refração da área central (núcleo) é maior do que o índice de refração médio do conjunto ao redor do núcleo (casca). Este guiamento é explicado por reflexão total interna, semelhante ao que ocorre nas fibras ópticas convencionais46. A figura
II.13 mostra esquematicamente o principio de reflexão total interna em uma MOF de núcleo
ϲϯ
Figura II.13 Esquema da propagação por reflexão total interna em uma MOF de núcleo solido.
Nessas fibras, os canais de ar têm a função de diminuir o índice de refração da casca. O contraste entre o índice do núcleo e da casca permite o guiamento da radiação por reflexão total interna. O índice de refração da casca microestruturada depende de sua geometria, ou seja, da distância entre os canais de ar ȁ e do seu diâmetro, d. Então, a propagação da radiação é regida por uma reflexão total interna modificada.
Dessa forma, essas fibras podem ser fabricadas a partir de um material puro, dispensando dopagens ou modificações composicionais a fim de obter a diferença de índice de refração necessário. Apesar de diversos trabalhos relatarem a produção de MOF a partir de vidros óxidos de metais pesados, calcogenetos e fluoretos, o material mais utilizado ainda são os vidros silicatos por apresentarem as menores perdas de transmissão.