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

Fibras ópticas hoje (fora de escala) Perda: 0.2 dB/Km Amplificadores a cada 50-100 Km Perfis de índice de refração mais elaborados Núcleo de sílica dopada n ~ 1.45 Modo óptico confinado Diâmetro ~ 10µm 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

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

Solid-core PCF: os dois extremos 10 mm

Escalas Jupiter: Terra: Fibra standard : PCF altamente não-linear: 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)

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)

Guiamento por RIT 2a 2a 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 = 1 mm d = 2 mm d = 4 mm d = 10 mm d = 20 mm

Manipulando a dispersão cromática Fibra standard: nnúcleo = 1.45, ncasca = 1.44 Dtotal(l) = Dmaterial(l) + Dwaveguide(l) d = 3 mm d = 2 mm d = 4 mm d = 6 mm d = 20 mm d = 10 mm d = 5 mm

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) nsilica nar

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

Cutoff em PCFs VPCF ( d, L, l ) = p Monomodo Multimodo 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

Outline O que são fibras de cristal fotônico? Guiamento em fibras cilíndricas Guiamento em PCFs Aplicações de PCF Status atual

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)]

Controle de GVD Diâmetro dos buracos: 110-205 nm a b c d 1 mm 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? 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)]

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 1.6 l (mm) 20 voltas Raio 10 mm. Perda curvatura 10-3 dB/m [ P. J. Roberts et al., J. Opt. Fiber Commun. Rep. 2, 435 (2005)]

[ L. Xiao et al., Optics Letters 32, 1151 (2006)] 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 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 Dn) 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 Brasil 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 !

[Fonte: ISI Web of Science] Status [Fonte: ISI Web of Science]