Fibras ópticas de cristal fotônico

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? • Guiamento em fibras cilíndricas • Guiamento em PCFs • Aplicações de PCF • Status atual

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 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? a) High NA, dupla-casca b) Solid-core c) Solid-core PBG d) 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 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

puxamento ~mm Fabricando uma PCF “Stack & draw” tubo de silica (~cm)

Solid-core PCF: os dois extremos 10 mm

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)

Guiamento de luz por reflexão interna total (RIT)

2a 2a Guiamento por RIT Dn grande Dn pequeno

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 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 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

Como PCFs guiam luz? • Reflexão internal total modificada n(r) nsilica nar

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 • 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

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

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)]

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 • 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 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)

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)]

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 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 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  • 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)

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)

Obrigado !

Status [Fonte: ISI Web of Science]

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