Les fibres optiques constituées de cristaux photoniques topologiques permettent une polyvalence et un contrôle améliorés des modes et de la polarisation de la lumière qu'elles transmettent. Composition, les cristaux photoniques contiennent des bandes interdites pour empêcher le passage de la lumière par rapport à des énergies d'ondes spécifiques et à des moments un peu comme un interrupteur marche/arrêt. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Lumière de la nature :science et applications , Hao Lin, et Ling Lu de l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences ont transmis de la lumière pure « monomode » sur une large gamme de fréquences via une caractéristique topologique connue sous le nom de « vortex de Dirac ». Le concept peut conduire à des applications qui transmettent les signaux lumineux de manière plus stable sur de longues distances. Bien que le travail soit théorique à l'heure actuelle, les chercheurs suggèrent l'utilisation de fibres à base de silice basées sur des méthodes d'empilage et d'étirage ou des technologies d'impression tridimensionnelle (3-D) pour fabriquer et tester ces concepts théoriques.

Comprendre les lignes nodales et les points de Weyl dans une fibre à cristal photonique.

Les fibres de cristal photonique s'appuient sur la variété infinie de cristaux bidimensionnels (2-D) pour leur fonctionnalité. Le concept de photonique topologique basé sur des guides d'ondes robustes peut inspirer de nouveaux concepts de fibres, notamment le développement d'une fibre unidirectionnelle à l'intérieur d'un réseau magnétique, Cristal photonique 3D. Dans ce travail, Lin et Lu ont introduit une fibre de cristal photonique topologique (PCF) ressemblant à la cavité topologique du vortex de Dirac dans sa section transversale à l'aide de cristaux photoniques 2D. La fibre vortex Dirac est une conception idéale pour développer des fibres monomodes à polarisation unique ultra large bande (SPSM) en raison de la dispersion singulet à mi-espace dans la bande interdite. Les scientifiques ont facilité l'étape de fabrication en introduisant une conception simplifiée de seulement quatre tubes de silice capillaire pour finalement obtenir un MSPS couvrant une octave.

L'équipe a commencé avec la fibre à cristal photonique la plus courante, un cristal photonique de silice avec un réseau triangulaire de trous d'air. Le matériel contenait deux lignes nodales de points Dirac 2-D dans la zone de Brillouin. S'ils brisaient la symétrie d'inversion de la fibre de cristal photonique en ajoutant un petit trou d'air supplémentaire dans la cellule primitive, chaque ligne nodale de la construction pourrait s'écarter dans des points de Weyl ou des charges topologiques sur le matériau. Les particules de Weyl sont des particules fermioniques insaisissables avec une masse nulle et ne se trouvent pas en tant que particule élémentaire dans la nature. On les trouve à la place pour émerger dans des matériaux à l'état solide où les bandes 3-D peuvent développer un croisement ponctuel topologiquement protégé, connu sous le nom de point de Weyl. Les points de Weyl photoniques peuvent être réalisés dans des cristaux photoniques 3-D avec des structures complexes.

L'état lié topologique examiné dans ce travail peut également être réalisé dans des réseaux en nid d'abeille avec des représentations alternées de liaisons simples et doubles de composés organiques connus sous le nom de structures de Kekulé, du nom du chimiste allemand August Kekulé, qui a initialement proposé la représentation pour développer le composé organique du benzène. Les chercheurs ont ensuite couplé les deux lignes nodales de points de Dirac dans une supercellule agrandie et les ont annihilées dans une bande interdite. Chaque supercellule avait trois cellules primitives étiquetées comme un « atome » artificiel contenant trois entretoises. Ils ont déplacé chaque atome de la structure en déplaçant son centre de masse dans n'importe quelle direction en ajustant l'épaisseur des trois entretoises sans changer la masse totale de l'atome. Les scientifiques ont développé des modulations de Kekulé des réseaux et tracé leur structure de bande correspondante.

La stabilité de la fibre à cristal photonique vortex de Dirac est restée dans la conception elle-même puisque le défaut topologique correspondant n'a pas été formé par l'ajout ou le retrait de matière localement. Le défaut topologique a été formé en perturbant doucement l'ensemble du réseau pour créer de petites imperfections locales. Une caractéristique topologique déterminante de la fibre vortex Dirac était la facilité de créer plusieurs modes presque dégénérés en augmentant le nombre d'enroulements - c'est-à-dire un nombre entier représentant le nombre de fois que les courbes se déplacent dans le sens antihoraire autour d'un point, du tourbillon. En principe, les chercheurs peuvent pratiquement fabriquer un continu, fibre à cristal photonique vortex monomode ou multimode Dirac soit à partir de préformes imprimées en 3D (une forme ou une forme), ou via la méthode stack-and-draw utilisée pour développer des fibres optiques avec plus d'une centaine de tubes avec différentes épaisseurs de tubes. Cependant, aucune de ces méthodes n'était pratique, donc Lin et Lu et al. a présenté une version discrète de la conception de la fibre.

Les chercheurs n'ont eu besoin que de quatre tubes pour empiler et dessiner la fibre à cristal photonique vortex Dirac, ce qui était très raisonnable pour la fabrication. Les quatre tubes de silice utilisés dans le processus avaient le même diamètre extérieur pour maintenir le réseau, mais différents diamètres intérieurs pour la modulation. Les chercheurs ont tracé la fibre vortex discrète de Dirac résultante et sa structure liée dans laquelle une non-uniformité structurelle était présente à six interfaces identiques. Ils ont également noté la présence de modes guidés par indice dans la fibre du vortex de Dirac qui se produisaient partout où un maximum local pointu de l'épaisseur de l'entretoise était présent. Celles-ci équivalaient à une élévation locale de l'indice de réfraction effectif. Les scientifiques ont également noté la section transversale de la fibre avec la taille du vortex et la structure de bande correspondante.

La fibre à cristal photonique vortex de Dirac avec un diamètre de vortex fini maintenait un monomode à polarisation unique (SPSM). Lin et Lu et al. testé leurs performances potentielles par rapport à la perte de confinement, dispersion et surface efficace et perte de flexion. Ils ont tracé les modes avec la perte de confinement la plus faible et ont noté que la perte du mode topologique était la plus faible pour toute la gamme de longueurs d'onde sur une octave. Les spécifications de la fibre à cristal photonique vortex Dirac détaillées ici étaient similaires à celles des études précédentes, bien qu'avec la différence clé d'un mode de polarisation simple, utilisé dans ce travail.

De cette façon, Hao Lin et Ling Lu ont étudié numériquement la fibre cristalline photonique topologique du vortex de Dirac par rapport à son principe, construction et les performances potentielles. Ils ont proposé de développer cette fibre en utilisant le procédé standard d'empilage et d'étirage à l'aide de tubes en verre de silice ou de préformes imprimées en 3D. Le procédé est avantageux par rapport aux fibres précédentes en raison de sa capacité à guider à volonté un nombre quelconque de modes presque dégénérés. La conception monomode a fourni la polarisation unique, fibre monomode avec une bande passante d'octave pour régler facilement la zone de mode efficace en modifiant la taille du vortex dans le matériau. Le travail suggère d'utiliser les fibres de cristal photonique comme nouvelle plate-forme pour la photonique topologique.

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