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

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Redes de Bragg em Fibras Redes de Bragg em Fibras ÓticasÓticas

Prof. Hypolito J. Kalinowski, D.Sc.

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

CPqD - Futuro das Comunicações 2007 2

SumárioSumárioRedes de BraggProcessos de FabricaçãoAplicações em TelecomunicaçõesSensores de Fibra ÓticaNovos Desenvolvimentos


Dispositivos Foto-refrativosDispositivos 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.


Aplicações ComunsAplicações Comuns

Espelhos seletivos, filtros espectrais óticosAcopladores de polarizaçãoDispositivos para telecomunicações: filtros,

inserção-retirada (OADM), equalizadores de ganho, multiplexadores em comprimento de onda...

Sensores: deformação, temperatura, pH, índice de refração, concentração de misturas, ...


FotosensibilidadeFotosensibilidade

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.


Redes de Bragg em Fibra ÓticaRedes 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).

ncladding

ncore

Optical fibrewith grating

B = 2 n


Gravação das Redes Gravação das Redes

Gravação holográfica externa (interferômetro) B = n UV / {2 sin (/2)}

Banda espectral escolhida na gravação


Interferência Direta Interferência Direta (Máscara de Fase)(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 B = neffPM


Gravação Bobina para BobinaGravação Bobina para Bobina


Gravação na Torre de Gravação na Torre de PuxamentoPuxamento

- Laser de excímero

- Pulso único para gravação

- Menor refletividade

- Maior resistência mecânicaDTG – Draw Tower grating


Redes de Relevo SuperficialRedes 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


Núcleo de Dispositivos Foto-Núcleo de Dispositivos Foto-Refrativos – UTFPRRefrativos – UTFPR

Laser Nd:YAG266 nm, 5 ns30 mJ, 20 Hz

Espelhos ajustáveis, realce no UV

Máscara de Fase

Fibra


NUFORE – UTFPRNUFORE – UTFPR

Gravação direta sob máscara de fase

Interferômetro para 1300 nm

Gravação ponto a ponto de redes de período longo (não mostrado)


Redes de BraggRedes de Bragg

1),(2),()(

)(2

cos)()()(1

n

ntrEnntrErP

zz

zhznnnnzn

opert

22

2

~)L(cosh

)L(sinhR

effn

zh

zn

20

)(

)(2


Sintonia das FBGSintonia das FBG

Temperatura– Lento (inércia térmica)– ~ 10 pm/K

Deformação longitudinal– Rápido (inércia mecânica)– ~ 1 pm/ strain– Limitado pela resistência da fibra (após FBG)– Melhores resultados com redes DTG


Filtro SintonizávelFiltro Sintonizável

FBG colada a barra flexível Fibras mais resistentes a

compressão Deformação por curvatura Raio de curvatura uniforme

– Deformção uniforme na FBG

– z = -d/R Faixa elevada, ~ 40 – 50 nm,

( aumento 10 x )– 90nm demonstrado

Simples de implementar

B = B (1 – pe)z

pe = 0.22~5 nm deformação longitudinal

Go et al., Phot Tech Lett 14(9) 2002


DesempenhoDesempenho

L = 5mm, = 0.2nm, B = 1551 nm

Sintonia banda C, 1525nm – 1565nm

Largura -3 dB constante

Largura -10 dB muda < 0.1 nm


Efeito na PMDEfeito 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 ’s (raio curvatura diferente radius birrefringência)

– Melhoria de 0.5 dB devido a melhores características espectrais

Incremento de PMD a 10 GHz desprezável


Substrato HíbridoSubstrato Híbrido Barra mono-material

Alto Y retoma forma original quando livre

Grande R facilita uniformidade sobre FBGs longas

Maior faixa com grande R aumento em d

Material único d maior maior 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


Filtro sintonizável 90nmFiltro sintonizável 90nmGoh et al., Phot Tech Lett 15(4) 2003


Add – Drop ÓticoAdd – 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)


FBGs super-iluminadasFBGs super-iluminadas

1540 1542 1544 1546 1548 1550

-320

-310

-300

-290

-280

-270

-50

-40

-30

-20

-10

GR

OU

P D

EL

AY

(p

s)

WAVELENGTH (nm)

RE

FL

EC

TIV

ITY

(d

B)

Fibra fotosensível (Fibercore PS1250) hidrogenada, iluminação longa, máscara de fase uniforme no interferômetro

Largura de banda intermediária (para CWDM), dispersão adequada

1540 1542 1544 1546 1548 1550

-40

-30

-20

-10

0

1272

1271

1270

1269

1268

1267

RE

FLE

CT

IVIT

Y (

dB)

WAVELENGTH (nm)

GR

OU

P D

ELA

Y (

ps)

- 2.8 ps/nm

FWHM 6.9 nm

NUFORE IT (ONA) meses após


OADM para CWDM (GIGA)OADM para CWDM (GIGA)


CWDM OADM ResultsCWDM 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


Redes mais recentesRedes mais recentes

OADM reconfigurável para 4 canais

Redes mais largas (~12 – 14 nm) e com espectro mais plano


Compensando a Derivada da Compensando a Derivada da DispersãoDispersão

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, B=1550nm, =0.54nm

(13.223.2) x 25 x 1.5 mm Goh et al., Phot Tech Lett 14(5) 2002


FBG sob CurvaturaFBG 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 > 2.4nm


Set-up de teste 10-GHz, 2.65-psSet-up de teste 10-GHz, 2.65-ps


Resultados – Compensação Resultados – Compensação da Dispersãoda Dispersão


Compensador dinâmico com um Compensador dinâmico com um elementoelemento

Zhang & Ibsen, BGPP 2007 #BTuB7

• 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


ResultadosResultados

Barra com 90 mm x 1.2 mm

Deflexão 0 – 6 mm

DS -12 – -3 ps/nm2

FWHM > 3 nm c < 0.1nm

Uso a 160 Gbit/s


Compensador termicamente Compensador termicamente acionadoacionado

TEC

- thermistor.

Brass supports

CFBGL=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)


Atraso de Grupo Atraso de Grupo

1544,25 1545,00 1545,75 1546,50 1547,25

-300

-250

-200

-150

-100

G

roup

del

ay (

ps/n

m)

Wavelength (nm)

(25, 25) ºC (0, 60) ºC (60, 0) ºC


Gorgeio termicamente induzidoGorgeio 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, B=1551nm, =0.2nm


Gorgeio realçado por deformaçãoGorgeio 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


Deslocamento térmico simétrico

-122.5<GVG <–57ps/nmCentro em 1552.9 nm

Deslocamento térmico paralelo

GVD = -(1055) ps/nmB ~ 2.2nm


Compensador residual intra canal Compensador residual intra canal a 40 Gbit/sa 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 + T segmentado

Doucett & La Rochelle, BGPP 2007 #BTuB8

FSR ~100 GHz


Realização e DesempenhoRealização e Desempenho

CD ~ ± 400 ps (32 canais)- banda 60 GHz

Pior caso

Desvio padrão


Dynamic, acoustic-optic Dynamic, acoustic-optic controlled FBGcontrolled FBG

Off

On

Flexural acoustic wave couples core mode to cladding one

Re-coupling to core mode after given lengthPass over the Bragg

grating Dynamic control of the

reflected optical channel Linteraction = 28 mm,

= 46µm, RF = 2 MHz


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


PerformancePerformance

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.


Técnicas para conversão de Técnicas para conversão de Comprimento de OndaComprimento de Onda

Modulação de ganho cruzado (XGM)

Variações de amplitude no sinal modulam o ganho aplicado em um de prova.

Modulação de fase cruzada (XPM)Variação amplitude sinal → Modulação de fase (efeito Kerr) → Modulação de amplitude com fase a modulação em intensidade.

Mistura de quatro ondas (FWM)Geração de quarta onda a partir da mistura não linear entre outras três.


FWM Broad Band Orthogonal FWM Broad Band Orthogonal Pumps Technique (BOP)Pumps Technique (BOP)

FrequencyBombeio 1

Sinal

ws w1

Bombeio 2

C1C2

w2

Faixa larga de sintonia.Faixa larga de sintonia. Eficiência constante sobre Eficiência constante sobre

a faixa de sintoniaa faixa de sintonia

effic

ienc

y

relative freq. +-

BOPOne pump FWM


HiBi FBG StructureHiBi FBG Structure

xx

yy

zz xx

yy

zz

1536 1540 1544 1548 1552

[dB

]

WAVELENGTH [nm]

1536 1540 1544 1548 1552

[dB

]

WAVELENGTH [nm]

XX YY XX YY

Four wavelength reflection peaks at orthogonal polarizations


Implementação de Conversor de Implementação de Conversor de CDO com FWM BOPCDO com FWM BOP

(PATENTED)

PC

HiBi FBGS

Circulador

RSOAPC2

INPUTINPUT

PC : Controlador de Polarização; PC : Controlador de Polarização; RSOA: Amplificador Ótico Semicondutor RSOA: Amplificador Ótico Semicondutor Refletivo.Refletivo.

1536 1540 1544 1548 1552

[dB

]WAVELENGTH [nm]

1536 1540 1544 1548 1552

[dB

]WAVELENGTH [nm]

XX YY XX YY

Quatro picos de reflexão com polarizações ortogonais

1536 1540 1544 1548 1552

Pump 2Pump 1

[dB

]WAVELENGTH [nm]

1536 1540 1544 1548 1552

Pump 2Pump 1

[dB

]WAVELENGTH [nm]

XXYY

Nogueira et al., Electr Lett 40(10) 2004


Configuração alternativa usando Configuração alternativa usando um SOAum SOA

(PATENTED)

INPUTINPUT

OUTPUTOUTPUT

PC1

PC2

PC3 SOA

HiBi FBGS

Circulator

Circulator

1536 1540 1544 1548 1552-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

EF

FIC

IEN

CY

(d

B)

CONVERTED SIGNAL WAVELENGTH [nm]

1536 1540 1544 1548 1552-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

EF

FIC

IEN

CY

(d

B)

CONVERTED SIGNAL WAVELENGTH [nm]

≈ 30 nm


Configuração toda em fibraConfiguração toda em fibra

(PATENTED)

HiBi FBGSHiBi FBGS – – FBG estrutura de FBGs escritas em fibra Hi-Bi

PC PC – – Controladores Polarização

SINALSINAL PC2

PC1

EDFA

HiBi FBGS

Circulador

DSF

Acoplador ótico

Nogueira et al., ICT-10, Papeete 2003


Redes ponto a ponto com pulsos Redes ponto a ponto com pulsos de femtosegundosde 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 (~/2)

Bennion et al., BGPP 2007 #BWB6


Redes em fibra óticaRedes em fibra ótica

Lâmina + líquido C.I. para compensar curvatura

Redes de 1a. ordem com = 536 nm

10-15 mm, 35 ~ 40 dB corte na transmissão, ~ 0.1 nm


Guias de Onda de BraggGuias 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


BGW com gorgeio BGW com gorgeio

400 fs @ 500 kHz, 1 m spot size

500 Hz AOM (burst) + 0.268 mm/s

= 536 nm a ~ 0 – 37 nm s-2

Zhang et al. , BGPP 2007 #BTuD2


Gravação com burstGravação com burst

Zhang & Herman, BGPP 2007 #BTuD4


Indução de birrefringência por Indução de birrefringência por pulsos de femtosegundopulsos de femtosegundo

Exposição de um lado do núcleo da fibra– B ~10-5 – 10-4

– fs ponto a ponto, fs + máscara de fase

Rede fraca no núcleo– Exposição na casca,

próxima ao núcleo (período diferente, PM ~ 3.1 m

– Com ou sem M.F. (DC ou AC)

║

Rede Fraca + tipo II próxima ao núcleo


Estruturas simétricasEstruturas simétricas

Gravando estruturas tipo II nos dois lados do núcleo

Alta birrefringência, comparável a fibras HiBi

– 3-4 10-4 simples– 6-8 10-4 alcançável

Fibras de sílica pura ou com menor cut-off

Sem ressonância de modo casca > distribuição de tensões induzidas pelos pulsos

Antes Após II

Grobnic et al., BGPP 2007 #BWB6

Rede forte + redes II próximasMesmo n inicial, diferente n estruturas


AgradecimentosAgradecimentos

CPqD e FAPESP pela oportunidade.Colegas e estudantes da UTFPR, IT-Aveiro,

Univ. Aveiro e OFTC/ Univ. Sydney.Apoio Financeiro ao Laboratório

– CNPq, CAPES, Fundação Araucária, FINEP– GRICES, FCT, MCT (Portugal)

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