Forskare vid Max Planck Institute for the Science of Light i Erlangen har upptäckt en ny mekanism för att styra ljus i fotonisk kristallfiber (PCF). PCF är en hårtunn glasfiber med en regelbunden samling av ihåliga kanaler som löper längs dess längd. När spiralformigt vrids, denna spiralformade samling av ihåliga kanaler verkar på ljusstrålar på ett analogt sätt som böjningen av ljusstrålar när de färdas genom det gravitationsmässigt krökta utrymmet runt en stjärna, som beskrivs av den allmänna relativitetsteorin.

Optiska fibrer fungerar som rör för ljus. Och precis som insidan av ett rör är omslutet av en vägg, optiska fibrer har normalt en ljusledande kärna, vars glas har ett högre brytningsindex än glaset i den omslutande yttre beklädnaden. Skillnaden i brytningsindex gör att ljuset reflekteras vid beklädnadens gränssnitt och fångas i kärnan som vatten i ett rör. Ett team som leds av Philip Russell, Direktör vid Max Planck Institute for the Science of Light, är den första som lyckats leda ljus i en PCF utan kärna.

Fotoniska kristaller ger fjärilar sin färg och kan också styra ljus

En typisk fotonisk kristall består av en glasbit med hål arrangerade i regelbundet periodiskt mönster genom hela sin volym. Eftersom glas och luft har olika brytningsindex, brytningsindex har en periodisk struktur. Detta är anledningen till att dessa material kallas kristaller - deras atomer bildar en ordnad, tredimensionellt gitter som finns i kristallint salt eller kisel, till exempel. I en konventionell kristall, den exakta utformningen av 3D-strukturen bestämmer elektronernas beteende, resulterar till exempel i elektriska isolatorer, ledare och halvledare.

På liknande sätt, de optiska egenskaperna hos en fotonisk kristall beror på den periodiska 3D-mikrostrukturen, som är ansvarig för de skimrande färgerna på vissa fjärilsvingar, till exempel. Att kunna kontrollera de optiska egenskaperna hos material är användbart i en mängd olika tillämpningar. De fotoniska kristallfibrerna som utvecklats av Philip Russell och hans team vid Erlangen-baserade Max Planck Institute kan användas för att filtrera specifika våglängder ur det synliga spektrumet eller för att producera mycket vitt ljus, till exempel.

Som är fallet med alla optiska fibrer som används inom telekommunikation, alla konventionella fotoniska kristallfibrer har en kärna och beklädnad var och en med olika brytningsindex eller optiska egenskaper. I PCF, de luftfyllda kanalerna ger redan glaset ett annat brytningsindex än det det skulle ha om det var helt fast.

Hålen definierar utrymmet i en fotonisk kristallfiber

"Vi är de första som lyckats leda ljus genom en kärnlös fiber, " säger Gordon Wong från Max Planck Institute for the Science of Light i Erlangen. Forskarna som arbetar i Philip Russells team har tillverkat en fotonisk kristallfiber vars hela tvärsnitt är tätt packad med ett stort antal luftfyllda kanaler, var och en runt en tusendels millimeter i diameter, som sträcker sig längs hela dess längd.

Medan kärnan i en konventionell PCF är massivt glas, tvärsnittsvyn av den nya optiska fibern liknar en sikt. Hålen har regelbundna separationer och är arrangerade så att varje hål omges av en regelbunden sexkant av närliggande hål. "Denna struktur definierar utrymmet i fibern, " förklarar Ramin Beravat, huvudförfattare till publikationen. Hålen kan ses som avståndsmarkörer. Fiberns inre har då en slags artificiell rumslig struktur som bildas av det regelbundna gallret av hål.

"Vi har nu tillverkat fibern i en tvinnad form, " fortsätter Beravat. Vridningen gör att de ihåliga kanalerna slingrar sig runt fiberns längd i spiralformade linjer. Forskarna överförde sedan laserljus genom fibern. När det gäller den vanliga, kärnlöst tvärsnitt, man skulle faktiskt förvänta sig att ljuset skulle fördela sig mellan hålen i sållen så jämnt som deras mönster bestämmer, dvs i kanten lika mycket som i mitten. Istället, fysikerna upptäckte något överraskande:ljuset var koncentrerat till den centrala regionen, där kärnan i en konventionell optisk fiber finns.

I en vriden PCF, ljuset följer den kortaste vägen i fiberns inre

"Effekten är analog med rymdens krökning i Einsteins allmänna relativitetsteori, " förklarar Wong. Detta förutspår att en tung massa som solen kommer att förvränga utrymmet som omger den – eller mer exakt, förvränga rumtiden, dvs kombinationen av de tre rumsliga dimensionerna med den fjärde dimensionen, tid – som ett gummiark i vilket en blykula placeras. Ljus följer denna krökning. Den kortaste vägen mellan två punkter är då inte längre en rät linje, men en kurva. Under en solförmörkelse, stjärnor som egentligen borde vara gömda bakom solen blir därmed synliga. Fysiker kallar dessa kortaste sammanbindande vägar "geodesics".

"Genom att vrida fibern, "utrymmet" i vår fotoniska kristallfiber blir också vridet, " säger Wong. Detta leder till spiralformade geodetiska linjer längs vilka ljus färdas. Detta kan intuitivt förstås genom att ta hänsyn till det faktum att ljus alltid tar den kortaste vägen genom ett medium. Glassträngarna mellan de luftfyllda kanalerna beskriver spiraler, som definierar möjliga vägar för ljusstrålarna. Banan genom de breda spiralerna vid kanten av fibern är längre än den genom de tätare lindade spiralerna i dess centrum, dock, vilket resulterar i krökta strålbanor som vid en viss radie reflekteras av en fotonisk kristalleffekt tillbaka mot fiberaxeln.

En vriden PCF som en storskalig miljösensor

Ju mer fibern vrids, desto smalare är utrymmet inom vilket ljuset koncentrerades. I analogi med Einsteins teori, detta motsvarar en starkare gravitationskraft och därmed en större avböjning av ljuset. De Erlangen-baserade forskarna skriver att de har skapat en "topologisk kanal" för ljuset (topologi handlar om rymdens egenskaper som bevaras under kontinuerlig distorsion).

Forskarna framhåller att deras arbete är grundforskning. De är en av mycket få forskargrupper som arbetar inom detta område någonstans i världen. Ändå, de kan tänka sig flera tillämpningar för sin upptäckt. En tvinnad fiber som är mindre tvinnad vid vissa intervall, till exempel, kommer att tillåta en del av ljuset att strömma ut till utsidan. Ljus kan sedan interagera med miljön på dessa definierade platser. "Detta kan användas för sensorer som mäter absorptionen av ett medium, till exempel." Ett nätverk av dessa fibrer skulle kunna samla in data över stora områden som en miljösensor.