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Fibras ópticas de cristal fotônico

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Fibras ópticas de cristal fotônico. Gustavo Wiederhecker. Laboratório de Comunicações Ópticas Instituto de Física Gleb Wataghin Universidade Estadual de Campinas. Foto: Cristiano Cordeiro, Lab. Fenômenos Ultra-rápidos, UNICAMP. Outline. O que são fibras de cristal fotônico?

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Presentation Transcript
fibras pticas de cristal fot nico

Fibras ópticas de cristal fotônico

Gustavo Wiederhecker

Laboratório de Comunicações Ópticas

Instituto de Física Gleb Wataghin

Universidade Estadual de Campinas

Foto: Cristiano Cordeiro, Lab. Fenômenos Ultra-rápidos, UNICAMP

outline
Outline
  • O que são fibras de cristal fotônico?
  • Guiamento em fibras cilíndricas
  • Guiamento em PCFs
  • Aplicações de PCF
  • Status atual
fibras pticas hoje fora de escala

Perfis de índice de refração

mais elaborados

Núcleo de sílica dopada

n ~ 1.45

Modo óptico confinado

Diâmetro ~ 10µm

Fibras ópticas hoje(fora de escala)
  • Perda: 0.2 dB/Km
  • Amplificadores a cada 50-100 Km

Casca de sílica

n ~ 1.44

o que s o photonic cristal fibers
O que são Photonic-cristal fibers?
  • PCFs são fibras ópticas cuja casca é formada por um arranjo periódico de inclusões de um outro material (photonic crystal).
  • Philip Russell, Jonathan Knight e Tim Birks, Universidade de Bath, UK, em 1996.

[ J. C. Knight et al., Opt. Lett. 21, 1547 (1996)]

que tipos existem
Que tipos existem?

a) High NA, dupla-casca

b) Solid-core

c) Solid-core PBG

d) Hollow-core PBG

(a)

o que elas podem fazer
O que elas podem fazer ?
  • Monomodo em qualquer comprimento de onda
  • Baixíssima dispersão (D < 1 ps/nm/km de 1100-1700 nm)
  • Altíssima dispersão ( D < -1000 ps/nm/km )
  • Baixíssima perda por curvatura (5 mm)
  • Grande área efetiva > 1000 mm2 (monomodo!)
    • Redução de efeitos não-lineares
    • Transmissão de altas potências
    • Lasers a fibra de alta potência (> 50 kW cw)
  • Pequena área efetiva ~1 mm2
    • Altamente não-linear
    • Gerar novas cores (super-contínuo)
    • Amplificação óptica
fabricando uma pcf

puxamento

~mm

Fabricando uma PCF

“Stack & draw”

tubo de silica (~cm)

escalas
Escalas
  • Jupiter:

diâmetro = 133.708 km

  • Terra:

diâmetro = 12.742 km

  • Fibra standard :

MFD = 10,4 mm (l=1.55 mm)

  • PCF altamente não-linear:

MFD = 1,3 mm (l=1.55 mm)

outline1
Outline
  • O que são fibras de cristal fotônico?
  • Guiamento em fibras cilíndricas
  • Guiamento em PCFs
  • Aplicações de PCF
  • Status atual
guiamento por rit

2a

2a

Guiamento por RIT

Dn grande

Dn pequeno

manipulando a dispers o crom tica
Manipulando a dispersão cromática
  • Em fibras convencionais existem dois parâmetros livres: diâmetro e Dn
  • Nem tão livres assim! Para guiamento monomodo devemos ter V<2.4
manipulando a dispers o crom tica1
Manipulando a dispersão cromática
  • Barra de silica: nnúcleo = 1.45, ncasca = 1.0
  • Dtotal(l) = Dmaterial(l) +Dwaveguide(l)

d = 20 mm

d = 10 mm

d = 4 mm

d = 2 mm

d = 1 mm

manipulando a dispers o crom tica2
Manipulando a dispersão cromática
  • Fibra standard: nnúcleo = 1.45, ncasca = 1.44
  • Dtotal(l) = Dmaterial(l) +Dwaveguide(l)

d = 20 mm

d = 10 mm

d = 6 mm

d = 5 mm

d = 4 mm

d = 3 mm

d = 2 mm

outline2
Outline
  • O que são fibras de cristal fotônico?
  • Guiamento em fibras cilíndricas
  • Guiamento em PCFs
  • Aplicações de PCF
  • Status atual
como pcfs guiam luz
Como PCFs guiam luz?
  • Reflexão internal total modificada

n(r)

nsilica

nar

cutoff pcf e fibra convencional

2a

2L

L

Cutoff: PCF e fibra convencional
  • Fibra convencional: V( a, l ) < 2.4
    • O índice da casca não depende de l, nem do diâmetro.
  • PCF: VPCF ( d, L, l ) < p.
    • Como o índice da casca depende de ( d, L, l ) ?
cutoff a luz na casca de uma pcf
Cutoff: A luz na casca de uma PCF
  • Em uma PCF o índice de refração da casca depende do diâmetro (d) e período (L) dos buracos de ar e do comprimento do onda l!
  • Para l >> L, d, a luz penetra na casca, inclusive nos buracos de ar (difração).
  • Para l << L, d, a luz fica confinada no vidro (reflexão interna total).

L

d

cutoff em pcfs

Monomodo

Multimodo

Cutoff em PCFs
  • O aumento de ncasca quando l diminui faz com que Dn seja sempre pequeno.
  • Quando d/L<0.406, VPCF<p para qualquer l.
  • Portanto, PCFs com d/L < 0.406 são, PARA SEMPRE, monomodo.l

VPCF ( d, L, l ) = p

outline3
Outline
  • O que são fibras de cristal fotônico?
  • Guiamento em fibras cilíndricas
  • Guiamento em PCFs
  • Aplicações de PCF
  • Status atual
controle de gvd
Controle de GVD
  • Dispersão plana e baixa em toda a faixa de telecom.

D< 1ps/nm/km

[ W. Reeves et al., Nature 424, 511 (2003)]

[ W. Reeves et al., Opt. Express 10, 609 (2002)]

controle de gvd1

1 mm

100 nm

100 nm

100 nm

a

b

c

d

Wiederhecker et al, Nature Photonics 1, 115 - 118 (2007)

Controle de GVD
  • Diâmetro dos buracos: 110-205 nm
controle de gvd empurrando a luz pro ar
Controle de GVD: Empurrando a luz pro ar
  • Como a distribuição da luz em uma barra se difere de um tubo?

d/l = 0.2

d/l = 1

d = 1 mm

  • Com l pequeno, a luz se concentra no vidro
  • Com l grande, a luz se concentra no ar

Wiederhecker et al, Nature Photonics 1, 115 - 118 (2007)

controle de gvd2
Controle de GVD
  • Transição entre dispersão anômala e normal mudando o diâmetro do buraco central

dburaco=110 nm

dburaco=150 nm

dburaco=205 nm

Wiederhecker et al, Nature Photonics 1, 115 - 118 (2007)

Saitoh et al, Optics Express 13, 8365-8371 (2005)

compensa o de dispers o
Compensação de dispersão
  • PCF com perfil W
  • 1 km de PCF compensa 80 Km de fibra standard

[ P. J. Roberts et al., J. Opt. Fiber Commun. Rep. 2, 435 (2005)]

bending loss

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

l (mm)

Bending loss

n(r)

  • 20 voltas
  • Raio 10 mm.
  • Perda curvatura 10-3 dB/m

[ P. J. Roberts et al., J. Opt. Fiber Commun. Rep. 2, 435 (2005)]

emendas em pcfs
Emendas em PCFs
  • Emendas em PCF podem ser feitos com métodos tradicionais.

núcleo 4 mm

núcleo 2.1 mm

Perda na emenda (dB)

0.9 dB, 13 descargas

1 dB, 35 descargas

[ L. Xiao et al., Optics Letters 32, 1151 (2006)]

efeitos n o lineares
Efeitos não-lineares
  • A dispersão baixa e a pequena área efetiva permitiu demonstração de uma fonte a geração de uma fonte inédita de luz branca.

“They have the bandwidth of sunlightbut are 104 times brighter (>100 GW/m2/sterad)”– Philip Russell, Science 299, 5605.

contras
Contras 
  • Apesar de serem “compatíveis” com fibras convencionais, requerem tratamento especial.
    • Buracos de ar permitem entrada de água
    • Emendas dependem muito de qual fibra se utiliza
  • Flutuação da dispersão ao longo do comprimento (escala com Dn)
  • Birrefringência (altamente não-lineares)
  • Hoje em dia, ainda são muito caras. (~ 1k US$ /metro)
outline4
Outline
  • O que são fibras de cristal fotônico?
  • Guiamento em fibras cilíndricas
  • Guiamento em PCFs
  • Aplicações de PCF
  • Status atual
status no mundo
Status no mundo
  • PCF podem ser adquiridas comercialmente
    • Crystal Fibre http://www.crystal-fibre.com/
  • Brasil
    • Unicamp
      • Lab. Fenômenos Ultra-rápidos (Cristiano Cordeiro)
      • LCO (Hugo Fragnito)
      • Lab. Fibras Ópticas (L. Barbosa)
      • FEEC (Hugo Figueroa)
    • UNESP - Araraquara
    • Mackenzie (Cristiano de Matos)
    • USP – São Carlos (Murilo, Mônica)
    • UFPE – Recife (Anderson Gomes)
status
Status

[Fonte: ISI Web of Science]

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