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
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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)
Perfis de índice de refração
mais elaborados
• Perda: 0.2 dB/Km
• Amplificadores a
cada 50-100 Km
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.
Núcleo
Casca periódica
[ J. C. Knight et al., Opt. Lett. 21, 1547 (1996)]
Que tipos existem?
a) High NA, duplacasca
b) Solid-core
c) Solid-core PBG
d) Hollow-core PBG
(a)
O que elas podem fazer ?
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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:
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)
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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)
k  n / c
kt
  neff / c
Guiamento por RIT
ncasca  neff  nnúcleo
2a
2a
1 ncasca
10
Freqüência,  a /c
Freqüência,  a /c
8
6.7
1 nnúcleo

1 ncasca
Vg 

6
6.65
4
Dn grande
1 nnúcleo
6.6
2
Dn pequeno
6.55
0
9.5
0
9.52
2
9.54
4
9.56
6
9.58
8
Constante de propagação,  a
9.6
10
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
V
2
l
2
núcleo
a n
n
2
casca
Manipulando a dispersão
cromática
• Barra de silica: nnúcleo = 1.45, ncasca = 1.0
• Dtotal(l) = Dmaterial(l) + Dwaveguide(l)
d=1
20mm
10
4
2
mm
Manipulando a dispersão
cromática
• Fibra standard: nnúcleo = 1.45, ncasca = 1.44
• Dtotal(l) = Dmaterial(l) + Dwaveguide(l)
d=2
20mm
10
6
5
4
3
mm
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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
VPCF 
2
l
nar
2
2
 neff
(l )  ncasca
(l )
Cutoff: PCF e fibra convencional
2a
2

2
2
2 2
2
VPCF

casca
ncasca(l2.4
) 
V 
a nnúcleo
eff (l ) n
l
• Fibra convencional: V( a, l ) < 2.4
– O índice da casca não depende de l, nem do diâmetro.
• PCF: VPCF ( d, , l ) < .
– Como o índice da casca depende de ( d, , l ) ?
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 l!
neff da casca
1.44
1.42
1.40

1.38
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Comprimento de onda relativo (l)
d
• Para l >> , d, a luz penetra na casca, inclusive nos buracos de ar
(difração).
• Para l << , d, a luz fica confinada no vidro (reflexão interna total).
Cutoff em PCFs
0
Comprimento de onda ( l / )
10
Monomodo
VPCF ( d, , l ) = 
-1
10
Multimodo
-2
10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Diâmetro relativo (d/ )
0.6
• O aumento de ncasca quando l diminui faz com que Dn seja sempre
pequeno.
• Quando d/<0.406, VPCF< para qualquer l.
• Portanto, PCFs com d/ < 0.406 são, PARA SEMPRE, monomodo.l
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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
a
b
c
[ W. Reeves et al., Nature 424, 511 (2003)]
[ W. Reeves et al., Opt. Express 10, 609 (2002)]
Controle de GVD
a
b
100 nm
c
100 nm
• Diâmetro dos buracos:
110-205 nm
d
100 nm
1 mm
Wiederhecker et al, Nature Photonics 1, 115 - 118 (2007)
Controle de GVD: Empurrando a
luz pro ar
• Como a distribuição da luz em uma barra se
difere de um tubo?
d/l = 1
0.2
0.9
d = 1 mm
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
• 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
-1
GVD (ps nm km )
100
0
-1
dburaco=110 nm
-100
dburaco=150 nm
-200
dburaco=205 nm
-300
600
700
800
900
1000
Wavelength (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
n(r)
10
1
• 20 voltas
10
• Raio 10 mm.
10
• Perda curvatura 10-3 10
dB/m
10
-1
-2
-3
-4
1.2
1.3
1.4
l (mm)
1.5
1.6
[ 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.
Perda na emenda (dB)
núcleo 4 mm
0.9 dB, 13 descargas
núcleo 2.1 mm
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)
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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
Photonic
AND crystal
AND fiber
– Crystal
http://www.crystal-fibre.com/
Total
de citações: 14831
350 Fibre
Artigos publicados/ano
• Brasil300
Média : 10.7 citações/artigo
– Unicamp
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–
–
250
Lab. Fenômenos Ultra-rápidos (Cristiano Cordeiro)
200 (Hugo Fragnito)
LCO
Lab.
150 Fibras Ópticas (L. Barbosa)
FEEC (Hugo Figueroa)
100 - Araraquara
UNESP
50
Mackenzie
(Cristiano de Matos)
USP –0 São Carlos (Murilo, Mônica)
UFPE – Recife
(Anderson
1996 1998
2000 Gomes)
2002 2004 2006
Ano
Obrigado !
Status
[Fonte: ISI Web of Science]