Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière à Erlangen ont découvert un nouveau mécanisme de guidage de la lumière dans la fibre à cristal photonique (PCF). Le PCF est une fibre de verre très fine avec un réseau régulier de canaux creux sur toute sa longueur. Lorsqu'il est tordu en hélice, ce réseau en spirale de canaux creux agit sur les rayons lumineux d'une manière analogue à la courbure des rayons lumineux lorsqu'ils traversent l'espace incurvé gravitationnellement autour d'une étoile, tel que décrit par la théorie de la relativité générale.

Les fibres optiques agissent comme des conduits de lumière. Et tout comme l'intérieur d'un tuyau est entouré d'un mur, les fibres optiques ont normalement un noyau de guidage de lumière, dont le verre a un indice de réfraction plus élevé que le verre de la gaine extérieure enveloppante. La différence d'indice de réfraction fait que la lumière est réfléchie à l'interface de la gaine et piégée dans le noyau comme de l'eau dans un tuyau. Une équipe dirigée par Philip Russell, Directeur à l'Institut Max Planck pour la science de la lumière, est le premier à réussir à guider la lumière dans un PCF sans noyau.

Les cristaux photoniques donnent aux papillons leur couleur et peuvent également guider la lumière

Un cristal photonique typique se compose d'un morceau de verre avec des trous disposés selon un motif périodique régulier dans tout son volume. Puisque le verre et l'air ont des indices de réfraction différents, l'indice de réfraction a une structure périodique. C'est la raison pour laquelle ces matériaux sont appelés cristaux - leurs atomes forment un ensemble ordonné, réseau tridimensionnel tel que trouvé dans le sel cristallin ou le silicium, par exemple. Dans un cristal conventionnel, la conception précise de la structure 3-D détermine le comportement des électrons, aboutissant par exemple à des isolants électriques, conducteurs et semi-conducteurs.

D'une manière similaire, les propriétés optiques d'un cristal photonique dépendent de la microstructure périodique 3-D, qui est responsable des couleurs chatoyantes de certaines ailes de papillon, par exemple. Être capable de contrôler les propriétés optiques des matériaux est utile dans une grande variété d'applications. Les fibres de cristal photonique développées par Philip Russell et son équipe à l'institut Max Planck basé à Erlangen peuvent être utilisées pour filtrer des longueurs d'onde spécifiques hors du spectre visible ou pour produire une lumière très blanche, par exemple.

Comme c'est le cas pour toutes les fibres optiques utilisées dans les télécommunications, toutes les fibres à cristal photonique conventionnelles ont un noyau et une gaine chacun avec des indices de réfraction ou des propriétés optiques différents. En PCF, les canaux remplis d'air donnent déjà au verre un indice de réfraction différent de celui qu'il aurait s'il était complètement solide.

Les trous définissent l'espace dans une fibre à cristal photonique

« Nous sommes les premiers à réussir à guider la lumière à travers une fibre sans noyau, " explique Gordon Wong de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière à Erlangen. Les chercheurs travaillant dans l'équipe de Philip Russell ont fabriqué une fibre de cristal photonique dont la section transversale complète est étroitement emballée avec un grand nombre de canaux remplis d'air, chacun environ un millième de millimètre de diamètre, qui s'étendent sur toute sa longueur.

Alors que le cœur d'un PCF conventionnel est en verre solide, la vue en coupe de la nouvelle fibre optique ressemble à un tamis. Les trous ont des séparations régulières et sont disposés de sorte que chaque trou soit entouré d'un hexagone régulier de trous voisins. "Cette structure définit l'espace dans la fibre, " explique Ramin Beravat, auteur principal de la publication. Les trous peuvent être considérés comme des marqueurs de distance. L'intérieur de la fibre présente alors une sorte de structure spatiale artificielle qui est formée par le réseau régulier de trous.

« Nous avons maintenant fabriqué la fibre sous une forme torsadée, " poursuit Beravat. La torsion provoque l'enroulement des canaux creux sur toute la longueur de la fibre en lignes hélicoïdales. Les chercheurs ont ensuite transmis la lumière laser à travers la fibre. Dans le cas de la fibre régulière, section transversale sans noyau, on s'attendrait en fait à ce que la lumière se répartisse entre les trous du tamis aussi uniformément que leur motif le détermine, c'est-à-dire au bord tout autant qu'au centre. Au lieu, les physiciens ont découvert quelque chose de surprenant :la lumière était concentrée dans la région centrale, où se trouve le cœur d'une fibre optique conventionnelle.

Dans un PCF torsadé, la lumière suit le chemin le plus court à l'intérieur de la fibre

"L'effet est analogue à la courbure de l'espace dans la théorie de la relativité générale d'Einstein, " explique Wong. Cela prédit qu'une masse lourde comme le Soleil déformera l'espace qui l'entoure - ou plus précisément, déformer l'espace-temps, c'est-à-dire la combinaison des trois dimensions spatiales avec la quatrième dimension, temps – comme une feuille de caoutchouc dans laquelle une sphère de plomb est placée. La lumière suit cette courbure. Le chemin le plus court entre deux points n'est alors plus une ligne droite, mais une courbe. Lors d'une éclipse solaire, des étoiles qui devraient vraiment être cachées derrière le Soleil deviennent ainsi visibles. Les physiciens appellent ces chemins de connexion les plus courts « géodésiques ».

"En tordant la fibre, l'« espace » dans notre fibre de cristal photonique se tord également, " dit Wong. Cela conduit à des lignes géodésiques hélicoïdales le long desquelles la lumière se déplace. Cela peut être compris intuitivement en tenant compte du fait que la lumière emprunte toujours le chemin le plus court à travers un milieu. Les brins de verre entre les canaux remplis d'air décrivent des spirales, qui définissent des chemins possibles pour les rayons lumineux. Le chemin à travers les larges spirales au bord de la fibre est plus long que celui à travers les spirales plus étroitement enroulées en son centre, cependant, résultant en des trajets de rayons incurvés qui, à un certain rayon, sont réfléchis par un effet de cristal photonique vers l'axe de la fibre.

Un PCF tordu comme capteur environnemental à grande échelle

Plus la fibre est tordue, plus étroit est l'espace dans lequel se concentre la lumière. Par analogie avec la théorie d'Einstein, cela correspond à une force gravitationnelle plus forte et donc à une plus grande déviation de la lumière. Les chercheurs basés à Erlangen écrivent qu'ils ont créé un "canal topologique" pour la lumière (la topologie concerne les propriétés de l'espace qui sont conservées sous une distorsion continue).

Les chercheurs soulignent que leur travail est de la recherche fondamentale. Ils sont l'un des très rares groupes de recherche travaillant dans ce domaine partout dans le monde. Néanmoins, ils peuvent penser à plusieurs applications pour leur découverte. Une fibre torsadée qui est moins torsadée à certains intervalles, par exemple, permettra à une partie de la lumière de s'échapper vers l'extérieur. La lumière pourrait alors interagir avec l'environnement à ces emplacements définis. "Cela pourrait être utilisé pour des capteurs qui mesurent l'absorption d'un milieu, par exemple." Un réseau de ces fibres pourrait collecter des données sur de vastes zones en tant que capteur environnemental.