Redes de Bragg em Fibras
Óticas
Prof. Hypolito J. Kalinowski, D.Sc.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
1
Sumário

Redes de Bragg

Processos de Fabricação

Aplicações em Telecomunicações

Sensores de Fibra Ótica

Novos Desenvolvimentos
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
2
Dispositivos 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.
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
3
Aplicações Comuns

Espelhos seletivos, filtros espectrais óticos
 Acopladores de polarização
 Dispositivos para telecomunicações: filtros,
inserção-retirada (OADM), equalizadores de
ganho, multiplexadores em comprimento de
onda...
 Sensores: deformação, temperatura, pH, índice de
refração, concentração de misturas, ...
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4
Fotosensibilidade

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.
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5
Redes de Bragg em Fibra Ótica


ncladding
ncore
Optical fibre
with grating
lB = 2 n 
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).
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6
Gravação das Redes

Gravação holográfica externa (interferômetro)
– lB = n lUV / {2 sin (/2)}

Banda espectral escolhida na gravação
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7
Interferência Direta
(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
 lB = neffPM
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8
Gravação Bobina para Bobina
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
9
Gravação na Torre de
Puxamento
- Laser de excímero
- Pulso único para gravação
- Menor refletividade
DTG – Draw Tower grating
- Maior resistência mecânica
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10
Redes 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
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11
Núcleo de Dispositivos FotoRefrativos – UTFPR
Laser Nd:YAG
266 nm, 5 ns
30 mJ, 20 Hz
Máscara de Fase
Fibra
Espelhos ajustáveis, realce no UV
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12
NUFORE – UTFPR
Interferômetro para 1300 nm
Gravação ponto a ponto
de redes de período longo
(não mostrado)
Gravação direta sob máscara de fase
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13
Redes de Bragg
 2z

n1 ( z )  n  n  n  n( z )  h( z ) cos 
  ( z )
 

n
Ppert   (r ) E (r , t )  2nn o E (r , t )
 1
n
   

2


n( z )
l

  h( z )
l
  0  l  2neff 
R
sinh 2 ( L)
2
~

 
cosh 2 ( L)   

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14
Sintonia das FBG

Temperatura
– Lento (inércia térmica)
– ~ 10 pm/K

Deformação longitudinal
–
–
–
–
Rápido (inércia mecânica)
~ 1 pm/ mstrain
Limitado pela resistência da fibra (após FBG)
Melhores resultados com redes DTG
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15
Filtro Sintonizável
lB = lB (1 – pe)z
 FBG colada a barra flexível
pe = 0.22
~5 nm deformação longitudinal  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
Go et al., Phot Tech Lett 14(9) 2002

Simples de implementar
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16
Desempenho
L = 5mm, l = 0.2nm,
lB = 1551 nm
 Sintonia banda C,
1525nm – 1565nm
 Largura -3 dB
constante
 Largura -10 dB muda
< 0.1 nm

CPqD - Futuro das Comunicações 2007
17
Efeito 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 l’s
(raio curvatura diferente radius 
birrefringência)
– Melhoria de 0.5 dB devido a
melhores características espectrais

Incremento de PMD a 10 GHz
desprezável
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18
Substrato 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
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19
Filtro sintonizável 90nm
Goh et al., Phot Tech Lett 15(4) 2003
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20
Add – 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)
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
21
FBGs super-iluminadas
NUFORE
IT (ONA) meses após
1267
FWHM 6.9 nm
-10
0
-290
-30
-300
- 2.8 ps/nm
-40
-310
-10
1269
-20
1270
-30
REFLECTIVITY (dB)
-20
GROUP DELAY (ps)
1268
-280
REFLECTIVITY (dB)
GROUP DELAY (ps)
-270
1271
-50
-320
-40
1272
1540
1542
1544
1546
1548
1550
1540
WAVELENGTH (nm)


1542
1544
1546
1548
1550
WAVELENGTH (nm)
Fibra fotosensível (Fibercore PS1250) hidrogenada, iluminação longa,
máscara de fase uniforme no interferômetro
Largura de banda intermediária (para CWDM), dispersão adequada
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22
OADM para CWDM (GIGA)
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23
CWDM 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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
24
Redes mais recentes
OADM reconfigurável para 4 canais
Redes mais largas (~12 – 14 nm) e com espectro mais plano
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
25
Compensando a Derivada da
Dispersão





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, lB=1550nm,
l=0.54nm
(13.223.2) x 25 x 1.5 mm
Goh et al., Phot Tech Lett 14(5) 2002
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
26
FBG 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 l > 2.4nm
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
27
Set-up de teste 10-GHz, 2.65-ps
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
28
Resultados – Compensação
da Dispersão
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
29
Compensador dinâmico com um
elemento
• 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
Zhang & Ibsen, BGPP 2007 #BTuB7
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
30
Resultados
Barra com 90 mm x 1.2 mm
Deflexão 0 – 6 mm
DS -12 – -3 ps/nm2
FWHM > 3 nm lc < 0.1nm
Uso a 160 Gbit/s
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
31
Compensador termicamente
acionado
Brass supports
TEC
- thermistor.
CFBG
L=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)
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
32
Atraso de Grupo
Group delay (ps/nm)
-100
(25, 25) ºC
(0, 60) ºC
(60, 0) ºC
-150
-200
-250
-300
1544,25
1545,00
1545,75
1546,50
1547,25
Wavelength (nm)
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
33
Gorgeio 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, lB=1551nm,
l=0.2nm
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
34
Gorgeio 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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
35
Deslocamento térmico
simétrico
-122.5<GVG <–57ps/nm
Centro em 1552.9 nm
Deslocamento térmico
paralelo
GVD = -(1055) ps/nm
lB ~ 2.2nm
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
36
Compensador residual intra
canal a 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
FSR ~100 GHz
Doucett & La Rochelle, BGPP 2007 #BTuB8
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
37
Realização e Desempenho
Pior caso
Desvio
padrão
CD ~ ± 400 ps (32 canais)- banda 60 GHz
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
38
Dynamic, acoustic-optic
controlled FBG


On
Off


Flexural acoustic wave
couples core mode to
cladding one
Re-coupling to core mode
after given length
 Pass over the Bragg
grating
Dynamic control of the
reflected optical channel
Linteraction = 28 mm,
 = 46µm, RF = 2 MHz
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
39
Out channel – RF OFF
Add/Drop – RF OFF
Out channel – RF ON
Add/Drop – RF ON
Diez et al., Phot Tech Lett 15(1) 2003
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
40
Performance


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.
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
41
Técnicas para conversão de
Comprimento de Onda
Modulação de ganho cruzado
(XGM)
Modulação de fase cruzada (XPM)
Mistura de quatro ondas (FWM)
Variações de amplitude no sinal
modulam o ganho aplicado em um de
prova.
Variação amplitude sinal → Modulação de
fase (efeito Kerr) → Modulação de
amplitude com fase a modulação em
intensidade.
Geração de quarta onda a partir da
mistura não linear entre outras três.
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
42
FWM Broad Band Orthogonal
Pumps Technique (BOP)
Sinal
Bombeio 1
  l  3 G  2 P ump  r l
C1
0
C2
10
 ( l )
Bombeio 2
 (  l )
Ef iciência
conv ersã
20
30
efficiency
BOP
One pump FWM
40


-
1 10
9
2 10
9
3 10
l
9
4 10
Faixa larga de sintonia.
Eficiência constante sobre
a faixa de sintonia
relative freq. +
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
43
9
HiBi FBG Structure
y
x
Y X
X
Y
[dB]
z
1536
1540
1544
1548
1552
WAVELENGTH [nm]
Four wavelength reflection peaks at
orthogonal
CPqD - Futuro das Comunicações
2007 polarizations
45
Implementação de Conversor de
CDO com FWM BOP
PC2
INPUT
HiBi
FBGS
RSOA
PC
Circulador
(PATENTED)
X YY
Nogueira et al., Electr Lett 40(10) 2004
Y
10
Pump 2
Pump 1
0
Amplified Signal
Pump 2
Pump 1
-10
[dB]
POWER
[dBm]
[dB]
PC : Controlador de Polarização;
RSOA: Amplificador Ótico Semicondutor
Refletivo.
X
X
-20
-30
C
-40
-50
1536
1536
1536
1540
1540
1540
1544
1544
1544
1548
1548
1548
1552 1552 1556
1552
WAVELENGTH
[nm]
WAVELENGTH
[nm]
WAVELENGTH
[nm]
Quatro picos de reflexão com polarizações
ortogonais
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
46
Configuração alternativa usando
um SOA
PC2
Circulator
PC1
HiBi FBGS
Circulator
INPUT
PC3
SOA
OUTPUT
0
≈ 30 nm
EFFICIENCY (dB)
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
1536
1540
1544
1548
1552
CONVERTED SIGNAL WAVELENGTH [nm]
(PATENTED)
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
47
Configuração toda em fibra
EDFA
SINAL
PC2
DSF
HiBi FBGS
Acoplador ótico
Circulador
PC1
(PATENTED)
HiBi FBGS – FBG estrutura de
FBGs escritas em fibra Hi-Bi
-10
Pump 1
Pump 2
Signal
PC – Controladores Polarização
Power (dBm)
-20
-30
-40
Nogueira et al., ICT-10, Papeete 2003
C
-50
-60
1538 1540 1542 1544 1546 1548 1550 1552 1554 1556
Wavelength (nm)
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
48
Redes ponto a ponto com pulsos
de 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)
Estrutura submicrométrica , pulsos em
800nm, 150fs, marcas com 250nm
(~/2)
– Período da rede 300 nm
Bennion et al., BGPP 2007 #BWB6
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
49
Redes 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,
l ~ 0.1 nm
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
50
Guias 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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
51
BGW com gorgeio




400 fs @ 500 kHz, 1
mm spot size
500 Hz AOM (burst) +
0.268 mm/s
 = 536 nm
a ~ 0 – 37 nm s-2
Zhang et al. , BGPP 2007 #BTuD2
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
52
Gravação com burst
Zhang & Herman, BGPP 2007 #BTuD4
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
53
Indução de birrefringência por
pulsos 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 + tipo II próxima ao núcleo

Rede fraca no núcleo
– Exposição na casca,
próxima ao núcleo (período
diferente, PM ~ 3.1 mm
– Com ou sem M.F. (DC ou
AC)
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
54
Estruturas simétricas
Antes
Após II


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
Rede forte + redes II próximas
Mesmo n inicial, diferente n estruturas
Grobnic et al., BGPP 2007 #BWB6
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
55
Agradecimentos

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)
CPqD - Futuro das Comunicações 2007
56