Da mesma forma que existem fibras convencionais mantenedoras de polarização e fibras convencionais polarizadoras, descritas no capítulo anterior, existem PCFs mantenedoras de polarização e PCFs polarizadoras. As características e vantagens de cada uma são descritas nos tópicos seguintes.
3.3.1 PCFs mantenedoras de polarização
Por meio de estruturas de cristal fotônico de casca é possível modelarem-se fibras altamente birrefringentes (mantenedoras de polarização). As PCFs possibilitam um grande contraste entre o índice de refração casca-núcleo, facilitando a obtenção de altos valores de birrefringência. Além do que o processo de fabricação permite a formação da assimetria geométrica necessária na região do núcleo (SAITOH, 2003; ORTIGOSA- BLANCH, 2000).
Diversos designs de fibras mantenedoras de polarização explorando a geometria peculiar das PCFs têm sido demonstrados (ORTIGOSA-BLANCH, 2000; SUZUKI, 2001; SONG, 2010). Uma estrutura bastante comum é obtida através da diferença de diâmetros dos capilares de ar. Na Figura 16 pode-se observar a estrutura da PCF mantenedora de polarização comercial, PM-1550-01, do fabricante NKT Photonics. Essa fibra apresenta uma matriz de capilares pequenos (relação d/Λ para os capilares pequenos 0,5),
sendo que dois capilares de diâmetro maior são posicionados em lados opostos do núcleo (relação d’/Λ para os capilares grandes 1,02). A presença dos capilares grandes quebra a
simetria cilíndrica da fibra, o que faz com que a fibra se torne altamente birrefringente e que seu núcleo seja elíptico. Outro parâmetro importante para as propriedades de uma PCF é a razão Λ/λ, onde λ é o comprimento de onda no qual deseja-se utilizar a fibra. Este parâmetro
também determina as propriedades de propagação da fibra. Para a PM-1550-01 e com � = 1550 �� o valor desta razão é de 2,84.
Figura 16. Imagem de microscopia eletrônica da seção transversal da PCF mantenedora de polarização comercial PM-1550-01 (NKT PHOTONICS).
Birrefringências da ordem de 10−3 já foram reportadas em PCFs mantenedoras de polarização, uma ordem de magnitude maior do que as encontradas em fibras mantenedoras de polarização convencionais (ORTIGOSA-BLANCH, 2000). Estas fibras são vantajosas justamente pela possibilidade de se conseguir valores de birrefringência mais altos do que em fibras mantenedoras convencionais, apenas com ajuste da geometria dos capilares (diâmetro e periodicidade). Além disso, como não se usa outro material sólido além da sílica, a birrefringência tem menor dependência com a temperatura do que em fibras mantenedoras convencionais, que utilizam elementos de stress com coeficiente de dilatação térmica maior do que o da sílica.
Uma outra maneira reportada de se obterem PCFs mantenedoras de polarização é utilizando elementos de stress (FOLKENBERG, 2004), como no caso de fibras mantenedoras convencionais. Porém, com esse método se perde a vantagem das PCFs descrita no parágrafo anterior.
3.3.2 PCFs polarizadoras
Na literatura é possível encontrar diversos artigos com estudos numéricos de estruturas de PCFs para o controle de polarização. Uma possível forma de obter uma PCF polarizadora é alterando os valores de periodicidade e diâmetro dos capilares, inclusive misturando capilares de diferentes tamanhos, de forma a quebrar a degenerescência do modo fundamental (SAITOH, 2003; JU, 2006; ZHANG, 2007). Saitoh et al. (2003) reportaram um estudo numérico de uma estrutura de uma PCF polarizadora. A PCF proposta, que pode ser observada na Figura 17, possui uma matriz de capilares pequenos (relação d⁄Ʌ dos capilares
pequenos 0,5) sendo que, ao longo do eixo y, seis capilares na região do núcleo possuem diâmetro maior (relação d'⁄Ʌ para os capilares grandes 0,95); seu valor de Λ/λ é de 1,42
(metade do valor reportado para a fibra mantenedora descrita no tópico anterior, o que significa que o confinamento ao núcleo será menor). Os capilares grandes, assim como este menor confinamento, criam uma alta birrefringência (3,27 × 10−3 para o comprimento de onda de 1450 ��), quebrando a degenerescência do modo fundamental. Desta forma, modos com índices distintos são formados ao longo dos eixos lento e rápido da fibra, sendo que o primeiro apresenta maior índice.
Figura 17. Estrutura de uma PCF polarizadora proposta, onde quatro pares de capilares possuem diâmetro maior (SAITOH, 2003).
A matriz de capilares pequenos faz com que o índice efetivo da casca seja relativamente alto. Assim, na medida em que se aumenta o comprimento de onda da luz guiada, os índices dos modos de núcleo se aproximam do índice da casca, conforme pode ser visto na Figura 18. Como o índice do modo rápido é menor, observa-se que este coincide com o valor do índice da casca em um comprimento de onda mais curto do que o índice do modo lento. Quando o índice de refração do modo se torna igual ao índice de refração da casca em um determinado eixo, não há mais o confinamento da luz no núcleo e, portanto, a perda de confinamento tende ao infinito, conforme pode ser visto pela Figura 19. Desta forma, há uma região espectral (a partir de 1480 ��) em que somente um modo fundamental (o lento) é guiado na fibra, tornando-a polarizadora (SAITOH, 2003).
Figura 18. Curva dos índices de refração, modais e efetivo de casca, em função do comprimento de onda para os modos dos eixos rápido e lento (SAITOH, 2003).
Figura 19. Perda de confinamento em função do comprimento de onda para modos com polarizações ortogonais (SAITOH, 2003).
A perda de confinamento (�����) na Figura 19 é calculada por (SAITOH, 2003):
����� = 8,686 2�
� ��������, (46)
onde λ é o comprimento de onda e �������� refere-se à parte imaginária do índice de refração modal. Assim, considerando a Figura 18, pode-se afirmar que para aumentar a banda na qual a fibra tem o comportamento polarizador, deve-se aumentar a birrefringência inicial entre os eixos da mesma.
Existem, ainda, estruturas de PCFs polarizadoras propostas (e algumas demonstradas) que não se baseiam no ajuste dos diâmetros dos capilares maiores e menores, e na periodicidade da microestrutura (KUBOTA, 2004; STATKIEWICZ-BARABACH, 2010; ESPINEL, 2011; QIAN, 2011; SODRÉ JR., 2011; ZHENG, 2011; JIAN, 2012; SODRÉ JR., 2012). Espinel et al. (2011), por exemplo, propuseram uma fibra microestruturada de polímero que consegue atingir a condição de polarizadora para um determinado comprimento de onda quando pressão hidrostática externa é aplicada. A PER obtida é da ordem de 0,38 dB/cm. Já Sodré JR. et al. (2012) recentemente demonstraram uma PCF híbrida que pode apresentar PER da ordem de 0,2 a 0,5 dB/cm em diferentes bandgaps.
Qian et al. (2011) demonstraram uma PCF polarizadora utilizando uma técnica de preenchimento parcial de capilares com líquido. Uma PCF de núcleo sólido (Ʌ = 3,9 µ�; � Ʌ = 0,97⁄ ) tem parte de seus capilares preenchidos com etanol. Para realizar este
preenchimento, a PCF é fundida a uma fibra monomodo convencional (single-mode fiber - SMF), de forma que as duas não estejam posicionadas concentricamente. Conforme pode ser visto na Figura 20.a, a SMF fica ligeiramente abaixo da PCF, ou seja, a SMF não cobre todos os capilares da PCF. Os capilares da região superior da PCF ficam expostos de forma que, quando a emenda é imersa em etanol, sejam preenchidos por capilaridade. Isto é demonstrado na Figura 20.b, onde S é o deslocamento transversal entre as fibras e L é o comprimento do preenchimento. A seção transversal da PCF parcialmente preenchida pode ser vista na Figura 20.c.
Figura 20. Esquema do posicionamento das fibras PCF e SMF para o preenchimento parcial de capilares: (a) seção transversal, (b) visão lateral, (c) seção transversal da fibra parcialmente
preenchida (QIAN, 2011).
Esta técnica pode ser aplicada tanto para PCFs de núcleo sólido como de núcleo oco. O preenchimento parcial dos capilares da PCF resulta em um fraco confinamento para uma polarização, enquanto a polarização ortogonal é propagada com perda relativamente baixa (aproximadamente 1,5 dB para 6 mm de região preenchida utilizando uma PCF de núcleo oco). A PER medida foi de aproximadamente 30 dB/cm, em uma faixa de comprimentos de onda de 1480 nm a 1600 nm (QIAN, 2011).
Além das aqui descritas, diversas outras estruturas foram propostas, e algumas demonstradas. No entanto, pelo conhecimento da autora, nenhuma delas exibe ação polarizadora diretamente em uma fibra mantenedora de polarização e de forma tão local quanto na proposta do presente trabalho.
4 DESIGN DE SEÇÕES POLARIZADORAS EM FIBRAS DE CRISTAL FOTÔNICO ALTAMENTE BIRREFRINGENTES
O presente trabalho propõe e demonstra uma estrutura de PCF polarizadora obtida pelo pós-processamento de uma PCF altamente birrefringente comercial (PM-1550-01 do fabricante NKT Photonics). O trabalho é dividido em 3 fases. Na primeira fase, apresentada neste capítulo, têm-se a escolha do método de pós-processamento e o modelamento numérico da fibra comercial (com pós-processamento) no software COMSOL Multiphysics. A segunda fase (Capítulo 5) consiste na primeira tentativa de realização experimental do pós-processamento e na caracterização, experimental e numérica, das fibras obtidas, o que resultou em uma região polarizadora no comprimento de onda de 633 ��. A terceira (Capítulo 6) consiste no aprimoramento da técnica de pós-processamento visando ao funcionamento da fibra polarizadora na região de 1550 ��, bem como a caracterização óptica da fibra obtida.