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Redes de Bragg em Fibras Óticas

Redes de Bragg em Fibras Óticas. Prof. Hypolito J. Kalinowski, D.Sc. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Sumário. Redes de Bragg Processos de Fabricação Aplicações em Telecomunicações Sensores de Fibra Ótica Novos Desenvolvimentos. Dispositivos Foto-refrativos.

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Redes de Bragg em Fibras Óticas

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  1. Redes de Bragg em Fibras Óticas Prof. Hypolito J. Kalinowski, D.Sc. Universidade Tecnológica Federal do Paraná

  2. Sumário • Redes de Bragg • Processos de Fabricação • Aplicações em Telecomunicações • Sensores de Fibra Ótica • Novos Desenvolvimentos CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  3. Dispositivos Foto-refrativos • Modulação longitudinal do índice de refração: • Período (espacial) curto (~500nm): Redes de Bragg (FBG) • Banda ótica refletida. • Rejeição de banda em transmissão. Redes por relevo superficial (SRG) • Período longo (~30-500µm): LPG (rede de transmissão) • Rejeição de banda em transmissão (modos de casca). • Periodicidade na Birrefringência • Filtro de ‘rocking’ • Acoplamento em banda estreita entre diferentes polarizações. CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  4. Aplicações Comuns • Espelhos seletivos, filtros espectrais óticos • Acopladores de polarização • Dispositivos para telecomunicações: filtros, inserção-retirada (OADM), equalizadores de ganho, multiplexadores em comprimento de onda... • Sensores: deformação, temperatura, pH, índice de refração, concentração de misturas, ... CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  5. Fotosensibilidade • Mudanças foto-induzidas no índice de refração. • Centros de cor associados ao Ge. • Densificação material. • Produzidos por iluminação com UV or visível (processos de 2 fótons, 2a. ordem, multi-foton). • Espectro selecionável. CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  6. Redes de Bragg em Fibra Ótica • Filtro seletivo no domínio ótico. • Características óticas determinadas pelo projeto. • Estável, confiável, flexível, baixo custo, codificado em frequência. • Parâmetros operacionais controlados por agentes físicos (p.ex., temperatura ou deformação). lB = 2 n L CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  7. Gravação das Redes • Gravação holográfica externa (interferômetro) • B= n UV / {2 sin (/2)} • Banda espectral escolhida na gravação CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  8. Interferência Direta (Máscara de Fase) • Gravação direta sob máscara de fase • Período independe do laser de gravação • Maior estabilidade mecânica (características óticas melhores) • Banda determinada pela máscara de fase • lB = neffLPM CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  9. Gravação Bobina para Bobina CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  10. Gravação na Torre de Puxamento • Laser de excímero • Pulso único para gravação • Menor refletividade • Maior resistência mecânica DTG – Draw Tower grating CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  11. Redes de Relevo Superficial • Rede definida por foto litografia • Fibra “D” como plataforma • Perfil produzido por ataque químico • Pefil na superfície atua como rede • Profundidade ~ 100 nm • Luz interfere com o perfil de forma semelhante à FBG • Pode ser recoberta ou protegida por bainha de vidro CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  12. Núcleo de Dispositivos Foto-Refrativos – UTFPR Laser Nd:YAG 266 nm, 5 ns 30 mJ, 20 Hz Máscara de Fase Fibra Espelhos ajustáveis, realce no UV CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  13. NUFORE – UTFPR Interferômetro para 1300 nm Gravação ponto a ponto de redes de período longo (não mostrado) Gravação direta sob máscara de fase CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  14. Redes de Bragg CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  15. Sintonia das FBG • Temperatura • Lento (inércia térmica) • ~ 10 pm/K • Deformação longitudinal • Rápido (inércia mecânica) • ~ 1 pm/ mstrain • Limitado pela resistência da fibra (após FBG) • Melhores resultados com redes DTG CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  16. Filtro Sintonizável DlB = lB (1 – pe)ez pe = 0.22 ~5 nm deformação longitudinal • FBG colada a barra flexível • Fibras mais resistentes a compressão • Deformação por curvatura • Raio de curvatura uniforme • Deformção uniforme na FBG • ez = -d/R • Faixa elevada, ~ 40 – 50 nm, ( aumento 10 x ) • 90nm demonstrado • Simples de implementar Go et al., Phot Tech Lett 14(9) 2002 CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  17. Desempenho • L = 5mm, Dl = 0.2nm, lB = 1551 nm • Sintonia banda C, 1525nm – 1565nm • Largura -3 dB constante • Largura -10 dB muda < 0.1 nm CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  18. Efeito na PMD • FBG sintonizável comparada a filtro sintonizável de filme fino(mesma banda passante) • Entrada do receptor (10 GHz) • Variação na penalidade em potência menor que 0.5 dB para vários l’s (raio curvatura diferente radius Þ birrefringência) • Melhoria de 0.5 dB devido a melhores características espectrais • Incremento de PMD a 10 GHz desprezável CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  19. Substrato Híbrido • Barra mono-material • Alto Y Þ retoma forma original quando livre • Grande R facilita uniformidade sobre FBGs longas • Maior faixa com grande R Þ aumento em d • Material único Þ d maior Þmaior momento de curvatura • Barra híbrida • Baixo Y sobre alto Y • Eixo neutro deslocado na direção do material de alto Y aumento ´material d • Sem aumento no momento de curvatura CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  20. Filtro sintonizável 90nm Goh et al., Phot Tech Lett 15(4) 2003 CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  21. Add – Drop Ótico • Inserção ou remoção de um dado comprimento de onda segundo a porta sendo utilizada • Dispositivo todo em fibra • Desvantagens: casamento de ambas as redes (fácil), casamento do caminho ótico/fase (difícil) CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  22. FBGs super-iluminadas NUFORE IT (ONA) meses após FWHM 6.9 nm - 2.8 ps/nm • Fibra fotosensível (Fibercore PS1250) hidrogenada, iluminação longa, máscara de fase uniforme no interferômetro • Largura de banda intermediária (para CWDM), dispersão adequada CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  23. OADM para CWDM (GIGA) CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  24. CWDM OADM Results • Perda de inserção direta 3 dB / ~10 dB no percurso completo (conectores, redução com emendas) • Inserção / retirada reconfigurada para um ou dois canais CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  25. Redes mais recentes OADM reconfigurável para 4 canais Redes mais largas (~12 – 14 nm) e com espectro mais plano CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  26. Compensando a Derivada da Dispersão • Deformação não linear na rede devido a curvatura e geometria, largura variável • Indução de gorgeio não linear • Controle da derivada da dispersão em faixa espectral definida • L=24mm, lB=1550nm, Dl=0.54nm • (13.2Û23.2) x 25 x 1.5 mm Goh et al., Phot Tech Lett 14(5) 2002 CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  27. FBG sob Curvatura • Sintonia do comprimento de onda de pico, largura e características de dispersão • Equaliza GVD residual de -55.9 e – 38.4 ps/nm • Admite pulsos ~ 1 ps • Desvios da GD linear • -18.9 ps/nm2 (270 km DSF @ 0.07 ps/nm2.km) • -8.3 ps/nm2 (120 km DSF @ 0.07 ps/nm2.km • Increased shift greater bandwidth, smaller DS • Sintonia da DS a -18.9 ps/nm2.km com Dl > 2.4nm CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  28. Set-up de teste 10-GHz, 2.65-ps CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  29. Resultados – Compensação da Dispersão CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  30. Compensador dinâmico com um elemento • Barra curva em “S” com duas FBGs com gorgeio não linear • Campo de deformações linear idêntico nas FBG • CDO central invariante • Efeito combinado na inclinação da dispersão Zhang & Ibsen, BGPP 2007 #BTuB7 CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  31. Resultados Barra com 90 mm x 1.2 mm Deflexão 0 – 6 mm DS -12 – -3 ps/nm2 FWHM > 3 nm Dlc < 0.1nm Uso a 160 Gbit/s CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  32. Compensador termicamente acionado Brass supports TEC - thermistor. CFBG L=2.35 cm CΛ=0.6 nm cm-1 Λ0=533.295 nm • Gorgeio & inclinação definidos por • Fluxo de calor entre termoelementos • Fluxo de calor ao ar (convecção) CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  33. Atraso de Grupo CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  34. Gorgeio termicamente induzido • FBG colada sobre fita de Zn • Gradiente térmico imposto por dois TEC Peltier • Deformação não linear sobre a FBG • 41.2 pm/K comparado aos 11.1 ps/K térmico puro • L=24mm, lB=1551nm, Dl=0.2nm CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  35. Gorgeio realçado por deformação • Banda passante 3 nm com gradiente ~105 C • Deslocamento do CDO central ~1.9 nm • GVD –122.5 ps/nm • GDR ± 3 ps • Maior diferença de temperaturas implica em menor GVD e bandas mais largas CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  36. Deslocamento térmico simétrico -122.5<GVG <–57ps/nm Centro em 1552.9 nm Deslocamento térmico paralelo GVD = -(105±5) ps/nm DlB ~ 2.2nm CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  37. Compensador residual intra canal a 40 Gbit/s • QPCFBG – FBG com gorgeio quase periódico • Filtros de cavidade ressonante • GD espectral periódica • Gorgeio baixo • Alto número de cavidades • Perfil projetado (!) • Gorgeio baixo + DT segmentado FSR ~100 GHz Doucett & La Rochelle, BGPP 2007 #BTuB8 CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  38. Realização e Desempenho Pior caso Desvio padrão CD ~ ± 400 ps (32 canais)- banda 60 GHz CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  39. Dynamic, acoustic-optic controlled FBG • Flexural acoustic wave couples core mode to cladding one • Re-coupling to core mode after given length • Pass over the Bragg grating • Dynamic control of the reflected optical channel • Linteraction = 28 mm, f = 46µm, RF = 2 MHz On Off CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  40. Out channel – RF OFF Out channel – RF ON Add/Drop – RF OFF Add/Drop – RF ON Diez et al., Phot Tech Lett 15(1) 2003 CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  41. Performance • Leakage in the drop signal of 5% (further reduction to –25 dB • Response time (0-90%) of 95µs, probable improvement to 50µs. Shorter lengths will reduce response time. CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  42. Variações de amplitude no sinal modulam o ganho aplicado em um de prova. Modulação de ganho cruzado (XGM) Mistura de quatro ondas (FWM) Modulação de fase cruzada (XPM) Variação amplitude sinal → Modulação de fase (efeito Kerr) → Modulação de amplitude com fase a modulação em intensidade. Geração de quarta onda a partir da mistura não linear entre outras três. Técnicas para conversão de Comprimento de Onda CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  43. w2 C2 C1 Bombeio 2 efficiency • Faixa larga de sintonia. • Eficiência constante sobre a faixa de sintonia relative freq. + BOP One pump FWM - FWM Broad Band Orthogonal Pumps Technique (BOP) Bombeio 1 Sinal Frequency wsw1 CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  44. Y X X Y Four wavelength reflection peaks at orthogonal polarizations HiBi FBG Structure CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  45. PC2 INPUT X X X Y Y Y Quatro picos de reflexão com polarizações ortogonais Implementação de Conversor de CDO com FWM BOP HiBi FBGS RSOA PC Circulador (PATENTED) PC : Controlador de Polarização; RSOA: Amplificador Ótico Semicondutor Refletivo. Nogueira et al., Electr Lett 40(10) 2004 CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  46. ≈ 30 nm Configuração alternativa usando um SOA PC2 Circulator PC1 HiBi FBGS Circulator INPUT SOA PC3 OUTPUT (PATENTED) CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  47. Configuração toda em fibra EDFA DSF PC2 SINAL HiBi FBGS Acoplador ótico Circulador PC1 (PATENTED) HiBi FBGS – FBG estrutura de FBGs escritas em fibra Hi-Bi PC – Controladores Polarização Nogueira et al., ICT-10, Papeete 2003 CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  48. Redes ponto a ponto com pulsos de femtosegundos • Mudança de índice induzida por pulsos de grande energia • Efeitos multi-fóton • Densificação • Aplicada a uma vasta gama de materiais ‘planares’ • SiO2, CaF2, LiF, ... • Polímeros • Deslocamento da amostra 0.3 – 1 mm/s • Pulsos UV (267nm, 300fs) • Período da rede 300 nm Estrutura submicrométrica , pulsos em 800nm, 150fs, marcas com 250nm (~L/2) Bennion et al., BGPP 2007 #BWB6 CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  49. Redes em fibra ótica • Lâmina + líquido C.I. para compensar curvatura • Redes de 1a. ordem com L = 536 nm • 10-15 mm, 35 ~ 40 dB corte na transmissão, Dl ~ 0.1 nm CPqD - Futuro das Comunicações 2007

  50. Guias de Onda de Bragg • Matrizes de voxels (volumetric pixel) de I.R. produzidos por pulsos 40 fs – 1 ps • Baixa perda ( < 0.5 dB/cm • Redes fortes de 1a. ordem ~ 1550 nm (> 90% reflexão) • Guias podem ser escritas em “3D” • Gorgeio pode ser imposto por meio de aceleração na varredura da amostra • ~ 20 nm CPqD - Futuro das Comunicações 2007

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