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Fibras ópticas de cristal fotônicoGustavo 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?
• Guiamento em fibras cilíndricas
• Guiamento em PCFs
• Aplicações de PCF
• Status atual
Fibras ópticas hoje(fora de escala)
• Perda: 0.2 dB/Km
• Amplificadores a cada 50-100 Km
Casca de sílican ~ 1.44
Perfis de índice de refraçãomais elaborados
Núcleo de sílica dopadan ~ 1.45
Modo óptico confinadoDiâmetro ~ 10µm
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)]
Casca periódica
Núcleo
Casca periódica
Núcleo
Que tipos existem?
a) High NA, dupla-casca
b) Solid-corec) Solid-core PBGd) Hollow-core PBG
(a)
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 m2 (monomodo!)
– Redução de efeitos não-lineares– Transmissão de altas potências – Lasers a fibra de alta potência (> 50 kW cw)
• Pequena área efetiva ~1 m2 – Altamente não-linear – Gerar novas cores (super-contínuo)– Amplificação óptica
Fabricando uma PCF
“Stack & draw”
tubo de silica (~cm)
puxamento
~mm
Solid-core PCF: os dois extremos
10 m
Escalas
• Jupiter: diâmetro = 133.708 km
• Terra: diâmetro = 12.742 km
• Fibra standard :MFD = 10,4 m (=1.55 mm)
• PCF altamente não-linear:MFD = 1,3 m (=1.55 mm)
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• O que são fibras de cristal fotônico?
• Guiamento em fibras cilíndricas
• Guiamento em PCFs
• Aplicações de PCF
• Status atual
Guiamento de luz por reflexão interna total (RIT)
tk
/effn c
/k n c
Constante de propagação, a
Fre
qü
ênci
a,
a /c
0 2 4 6 8 100
2
4
6
8
10
Constante de propagação, a
Fre
qü
ênci
a,
a /c
0 2 4 6 8 100
2
4
6
8
10
casca eff núcleon n n
gV
Guiamento por RIT
Constante de propagação, a
Fre
qü
ênci
a,
a /c
9.5 9.52 9.54 9.56 9.58 9.66.55
6.6
6.65
6.7
Constante de propagação, a
Fre
qü
ênci
a,
a /c
9.5 9.52 9.54 9.56 9.58 9.66.55
6.6
6.65
6.7
1 cascan
1 núcleon
2a2a
1 cascan
1 núcleon
Constante de propagação, a
Fre
qü
ênci
a,
a /c
0 2 4 6 8 100
2
4
6
8
10
n grande
n pequeno
Manipulando a dispersão cromática• Em fibras convencionais existem dois
parâmetros livres: diâmetro e n
• Nem tão livres assim! Para guiamento monomodo devemos ter V<2.4
2 22núcleo cascaV a n n
d = 20 m
Manipulando a dispersão cromática
d = 10 md = 4 md = 2 md = 1 m
• Barra de silica: nnúcleo = 1.45, ncasca = 1.0
• Dtotal() = Dmaterial() + Dwaveguide()
Manipulando a dispersão cromática
• Fibra standard: nnúcleo = 1.45, ncasca = 1.44
• Dtotal() = Dmaterial() + Dwaveguide()
d = 20 md = 10 md = 6 md = 5 md = 4 md = 3 md = 2 m
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• O que são fibras de cristal fotônico?
• Guiamento em fibras cilíndricas
• Guiamento em PCFs
• Aplicações de PCF
• Status atual
Como PCFs guiam luz?
• Reflexão internal total modificada
n(r)
2 22( ) ( )PCF eff cascaV n n
nsilica
nar
Cutoff: PCF e fibra convencional
• Fibra convencional: V( a, ) < 2.4– O índice da casca não depende de , nem do diâmetro.
• PCF: VPCF ( d, , ) < – Como o índice da casca depende de ( d, , ) ?
2 222.4núcleo cascaV a n n
2 22( ) ( )PCF eff cascaV n n
a
Cutoff: A luz na casca de uma PCF• Em uma PCF o índice de refração da casca depende do diâmetro (d)
e período () dos buracos de ar e do comprimento do onda !
• Para >> , d, a luz penetra na casca, inclusive nos buracos de ar (difração).
• Para << d, a luz fica confinada no vidro (reflexão interna total).
d
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1.38
1.40
1.42
1.44
ne
ff d
a ca
sca
Comprimento de onda relativo ()
Cutoff em PCFs
• O aumento de ncasca quando diminui faz com que n seja sempre pequeno.
• Quando d/<0.406, VPCF< para qualquer .• Portanto, PCFs com d/ < 0.406 são, PARA SEMPRE, monomodo.l
Diâmetro relativo (d/)
Co
mp
rim
ento
de
on
da
( /
)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.610
-2
10-1
100
Monomodo
Multimodo
VPCF ( d, , ) =
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• O que são fibras de cristal fotônico?
• Guiamento em fibras cilíndricas
• Guiamento em PCFs
• Aplicações de PCF
• Status atual
Controle de GVD
[ W. Reeves et al., Nature 424, 511 (2003)][ W. Reeves et al., Opt. Express 10, 609 (2002)]
a
b
c
a
b
cD< 1ps/nm/km
• Dispersão plana e baixa em toda a faixa de telecom.
Controle de GVD
a b
c d
100 nm 100 nm
1 m100 nm
Wiederhecker et al, Nature Photonics 1, 115 - 118 (2007)
• Diâmetro dos buracos: 110-205 nm
Controle de GVD: Empurrando a luz pro ar• Como a distribuição da luz em uma barra se
difere de um tubo?
• Com pequeno, a luz se concentra no vidro• Com grande, a luz se concentra no ar
0
0 . 1
0 . 2
0 . 3
0 . 4
0 . 5
0 . 6
0 . 7
0 . 8
0 . 9
Wiederhecker et al, Nature Photonics 1, 115 - 118 (2007)
d/= 0.2
d =
1
m
d/= 1
Controle de GVD
• Transição entre dispersão anômala e normal mudando o diâmetro do buraco central
Wiederhecker et al, Nature Photonics 1, 115 - 118 (2007)
Saitoh et al, Optics Express 13, 8365-8371 (2005)
600 700 800 900 1000
-300
-200
-100
0
100
GV
D (
ps
nm
-1 k
m-1)
Wavelength (nm)
600 700 800 900 1000
-300
-200
-100
0
100
GV
D (
ps
nm
-1 k
m-1)
Wavelength (nm)
600 700 800 900 1000
-300
-200
-100
0
100
GV
D (
ps
nm
-1 k
m-1)
Wavelength (nm)
dburaco=150 nm
dburaco=205 nm
dburaco=110 nm
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
• 20 voltas
• Raio 10 mm.
• Perda curvatura 10-3 dB/m
n(r)
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
1.2 1.3 1.4 1.5 1.6m
[ P. J. Roberts et al., J. Opt. Fiber Commun. Rep. 2, 435 (2005)]
Emendas em PCFs
• Emendas em PCF podem ser feitos com métodos tradicionais.
0.9 dB, 13 descargas 1 dB, 35 descargas
Pe
rda
na
em
en
da
(dB
)
[ L. Xiao et al., Optics Letters 32, 1151 (2006)]
núcleo 4 m núcleo 2.1 m
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 sunlight but are 104 times brighter (>100 GW/m2/sterad)”– Philip Russell, Science 299, 5605.
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 n)
• Birrefringência (altamente não-lineares)• Hoje em dia, ainda são muito caras. (~ 1k
US$ /metro)
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• O que são fibras de cristal fotônico?
• Guiamento em fibras cilíndricas
• Guiamento em PCFs
• Aplicações de PCF
• Status atual
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)1996 1998 2000 2002 2004 2006
0
50
100
150
200
250
300
350
Photonic AND crystal AND fiberTotal de citações: 14831Média : 10.7 citações/artigo
Art
igo
s p
ub
lica
do
s/a
no
Ano
Obrigado !
Status
[Fonte: ISI Web of Science]