Guide d’onda ottiche a fase geometrica


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Ricercatori Cnr dimostrano la possibilità di guidare la luce mediante un meccanismo del tutto nuovo che sfrutta la cosiddetta fase geometrica, un particolare effetto di ritardo ottico generato dalla modulazione della polarizzazione della luce.

Ad oggi si riteneva che non si potesse confinare la luce in un canale senza dover alterare l’indice di rifrazione del materiale e quindi la velocità di propagazione delle onde. Una ricerca condotta in collaborazione dai gruppi di Lorenzo Marrucci (Università di Napoli Federico II e Isasi-Cnr) e di Gaetano Assanto (Università di Roma -Roma Tre, Tampere University of Technology e Isc-Cnr) ha appena scoperto un metodo del tutto nuovo per confinare e guidare la luce nei dielettrici, sfruttando la cosiddetta fase geometrica, che non richiede modulazioni dell’indice di rifrazione. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Photonics.

La fase geometrica è un ritardo che si produce nell’oscillazione elettromagnetica ma non deriva dal rallentamento nella propagazione dell’onda, bensì dalla variazione nella direzione di oscillazione dei campi elettromagnetici, ossia nella cosiddetta polarizzazione della luce. La fase che ne risulta, definita esclusivamente dalla geometria delle trasformazioni di polarizzazione, è indipendente dall’estensione (lunghezza) del materiale o dalla velocità di propagazione della luce, da cui il nome di fase geometrica. I materiali che consentono di modificare la polarizzazione della luce in propagazione al loro interno devono essere birifrangenti, ossia possedere un asse cristallino preferenziale (detto asse ottico). Il canale in cui viaggia la luce intrappolata viene realizzato modulando opportunamente l’orientazione di tale asse ottico. Quest’ultimo resta comunque perpendicolare alla direzione di propagazione della luce in tutti i punti all’interno del materiale, il che implica che l’indice di rifrazione non viene alterato e la velocità di propagazione resta uniforme. Quello che cambia da punto a punto è invece la polarizzazione della luce, producendo il ritardo di fase geometrica che a sua volta è alla base dell’effetto di confinamento.

Il sistema più ovvio per incanalare la luce, e più in generale le onde elettromagnetiche, è quello dei tubi a specchio, vere e proprie tubazioni con superfici interne riflettenti, per esempio metalliche, in cui far viaggiare la luce. Questo sistema è usato su piccole distanze e nel campo delle microonde ma, per la luce e su grandi distanze, non funziona bene perché il metallo introduce forti attenuazioni e perdite dopo poche centinaia di riflessioni. Le guide di luce più efficaci utilizzano materiali dielettrici anziché metallici, come il vetro, che sono altamente trasparenti e quindi riducono al minimo le attenuazioni.

Per mantenere la luce confinata all’interno di un canale – ossia in una guida di luce – sono stati sviluppati vari metodi, tutti basati su un’opportuna modulazione spaziale dell’indice di rifrazione del materiale, ossia della grandezza che caratterizza la ridotta velocità della luce nel materiale rispetto al vuoto. L’approccio di maggior rilievo, alla base di tutta la moderna tecnologia delle comunicazioni in fibra ottica, sfrutta il principio della riflessione totale interna, che si verifica quando la luce proveniente da un materiale con indice di rifrazione più grande (che quindi rallenta maggiormente la luce) cerca di penetrarne uno con indice più piccolo (in cui la luce è più veloce). Il canale di luce viene quindi realizzato creando una regione cilindrica (il core) con indice di rifrazione più alto che in quella circostante (il cladding), agendo sulla composizione del materiale. Altri metodi si basano invece su una modulazione periodica dell’indice di rifrazione (reticoli) nella regione circostante il canale, in modo da produrre la riflessione e quindi il confinamento mediante fenomeni di diffrazione.

Per quanto, al momento, questo nuovo metodo per guidare la luce non sembri essere un’alternativa competitiva rispetto alle normali fibre ottiche, esso consente di concepire tecnologie completamente innovative per il confinamento e la manipolazione della luce e, in generale, delle onde elettromagnetiche.

www.cnr.it

 

 

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