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)

Outline

• 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

Outline

• 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, , ) =

Outline

• 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)

Outline

• 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]