Francisco Ramos Pascual. Profesor Titular
de la Universidad Politécnica de Valencia.
E-mail: framos@upvnet.upv.es

El inusual mecanismo de guiado de la luz en las fibras de cristal fotónico les confiere toda una serie de propiedades únicas que las diferencian de las fibras convencionales. Entre estas propiedades, destaca la posibilidad de construirlas con núcleos de tamaño muy pequeño para acrecentar los efectos no lineales, así como con bandas de propagación monomodo muy extensas. Además, la dispersión cromática de estas fibras puede ajustarse de forma flexible mediante el diseño adecuado de su geometría, pudiendo obtenerse valores inalcanzables con la tecnología de fibra óptica convencional.
Las fibras de cristal fotónico constituyen una nueva generación de medio de transmisión con propiedades muy distintas a las de la fibra estándar. Se caracterizan por una microestructura de material de bajo índice de refracción sobre un material de mayor índice de refracción, que suele ser sílice. La región de bajo índice de refracción se construye habitualmente mediante conductos de aire (agujeros) que se extienden a lo largo de la longitud de la fibra.
Estas fibras pueden clasificarse en dos categorías: fibras de guiado de alto índice y fibras de guiado de bajo índice. Las primeras son similares a las fibras convencionales, donde el guiado de la luz en el núcleo sólido se produce por el mecanismo de reflexión interna total. Esto se consigue gracias al menor índice de refracción de la región microestructurada con agujeros. En cambio, las fibras de guiado de bajo índice se basan en el fenómeno de “photonic bandgap”. Gracias a este fenómeno, la luz se confina en el interior del núcleo de bajo índice, siendo imposible la propagación de la luz a través de la cubierta de material microestructurado. En la figura 1 se pueden ver sendos ejemplos de este tipo de fibras.
La fuerte dependencia del índice de refracción efectivo con la longitud de onda y la gran flexibilidad que se tiene en el diseño confieren a este tipo de fibras propiedades novedosas con múltiples aplicaciones, como por ejemplo la fabricación de fibras altamente no lineales o de fibras con dispersión anómala en el rango visible de longitudes de onda. A continuación analizaremos con algo más de detalle las propiedades y aplicaciones de este nuevo tipo de fibras.

Fibras de núcleo hueco: “hollow core”
En este tipo de fibras, la luz se confina en el interior del núcleo de aire, de tal forma que la cubierta microestructurada impide la propagación a través de la misma (efecto “bandgap”). Dado que únicamente una pequeña fracción de la luz se propaga por el cristal (5% aproximadamente), el efecto de las no linealidades del material se reduce significativamente, al tiempo que puede evitarse la limitación por pérdidas de la fibra estándar. Luego estas fibras están llamadas a convertirse en la futura generación de fibras de pérdidas ultra bajas. Aunque, por el momento, encuentran aplicación en el transporte de energía, procesado óptico (conformado y compresión de pulsos) y la implementación de sensores. El hecho de disponer de conductos de aire, permite a su vez que puedan rellenarse con gases.
En la figura 2 se muestra la sección cruzada de una de estas fibras ampliada con microscopio, donde se observa claramente la microestructura de agujeros. Se trata de una fibra modelo HC-1060-02 de Blaze Photonics (Crystal Fibre A/S). Entre sus propiedades, se incluyen las siguientes:
• Bajas pérdidas por curvatura: con radios de curvatura de 3 mm (20 vueltas) no se aprecia un aumento de las pérdidas
• Reflexiones en los extremos de la fibra despreciables: el coeficiente de reflexión de Fresnel con el aire es inferior a 10-4
• Longitud de onda de funcionamiento: 1060 nm
• Ancho de la banda de transmisión: › 90 nm
• Diámetro de campo modal: 6,5 mm
• Dispersión cromática: 120 ps/nm/km
• Atenuación: ‹ 0,1 dB/m

Fibras altamente no lineales
La posibilidad de tamaños de núcleo muy reducidos (diámetros de hasta 1 micrómetro), junto con una alta relación de contraste entre los índices del núcleo y de la cubierta (hasta 0,4), permiten la fabricación de fibras de cristal fotónico con valores de área efectiva extremadamente pequeños y altos coeficientes no lineales. Adicionalmente, los perfiles de dispersión pueden diseñarse de forma específica para facilitar la presencia de determinados efectos no lineales. De este modo, se pueden inducir toda una serie de efectos no lineales para distintas aplicaciones, como por ejemplo: mezclado de cuatro ondas, amplificación Raman, amplificación paramétrica, generación de supercontinuo, tomografía de coherencia óptica, espectroscopía, etc. En la figura 3 se muestran algunos ejemplos de sección cruzada de este tipo de fibras.
Una aplicación interesante de este tipo de fibras es la generación de supercontinuo. Se trata de un efecto no lineal que ocurre en fibras ópticas altamente no lineales cuando se les inyecta pulsos ópticos de elevada potencia. Si la potencia óptica es suficiente, se produce una interacción entre distintos efectos no lineales que da como resultado un gran ensanchamiento del espectro óptico.
En la figura 4 se muestran los espectros ópticos de diferentes tipos de fuentes, con el fin de poder comparar la magnitud del fenómeno. La generación de supercontinuo es muy dependiente de la dispersión del medio, por lo que la fibra debe diseñarse cuidadosamente para este tipo de aplicaciones. En este caso se ha empleado una fibra modelo NL-1040 de Crystal Fibre A/S con un bombeo de 1064 nm. Algunas de las propiedades de esta fibra:
• Longitud de onda de dispersión nula: 1040 ± 10 nm
• Longitud de onda de corte: 880 nm
• Coeficiente no lineal (@ 1060 nm): 11 W-1km-1
• Atenuación (@ 450-1100 nm): ‹ 50 dB/km
• Diámetro de campo modal: 4,0 ± 0,2 mm
• Apertura numérica (@ 1060 nm): 0,2 ± 0,05

Proceso de fabricación
La fabricación de una fibra de cristal fotónico, al igual que en el caso de las fibras convencionales, comienza con la preparación de la preforma. Ésta se consigue apilando una combinación de tubos capilares y varillas de sílice hasta formar la estructura de aire/sílice deseada. Este método permite una alta flexibilidad en el diseño, pues tanto el tamaño y forma del núcleo como el perfil de índice de refracción de la cubierta pueden controlarse fácilmente. Esto resulta muy útil, por ejemplo, en la fabricación de fibras mantenedoras de polarización con núcleos altamente asimétricos, donde múltiples tubos capilares se sustituyen por varillas sólidas de sílice para crear la asimetría.
Una vez que se ha construido la preforma, el siguiente paso consiste en aplicarle una fuente de calor y estirar la misma uniformemente hasta conseguir el diámetro adecuado (figura 5), de forma muy similar a como se realiza en el proceso de fabricación de las fibras convencionales. Mediante un control cuidadoso del proceso, los agujeros mantienen su disposición a lo largo de toda la fibra, pudiendo obtenerse fibras del grosor de un cabello y longitudes de varios kilómetros. Por último, las fibras se recubren con una cubierta protectora para proporcionales la robustez adecuada. El resultado final son fibras con una robustez y dimensiones físicas comparables a las de la fibra estándar, pero con unas capacidades y aplicaciones no alcanzables con la tecnología de fibra óptica convencional.