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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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 3
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.
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 4
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, ...
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 5
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.
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 6
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 7
Gravação das Redes Gravação das Redes
Gravação holográfica externa (interferômetro) B = n UV / {2 sin (/2)}
Banda espectral escolhida na gravação
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 8
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 9
Gravação Bobina para BobinaGravação Bobina para Bobina
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 10
Gravação na Torre de Gravação na Torre de PuxamentoPuxamento
- Laser de excímero
- Pulso único para gravação
- Menor refletividade
- Maior resistência mecânicaDTG – Draw Tower grating
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 11
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 12
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 13
NUFORE – UTFPRNUFORE – UTFPR
Gravação direta sob máscara de fase
Interferômetro para 1300 nm
Gravação ponto a ponto de redes de período longo (não mostrado)
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 14
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 15
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 16
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 17
DesempenhoDesempenho
L = 5mm, = 0.2nm, B = 1551 nm
Sintonia banda C, 1525nm – 1565nm
Largura -3 dB constante
Largura -10 dB muda < 0.1 nm
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 18
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 19
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 20
Filtro sintonizável 90nmFiltro sintonizável 90nmGoh et al., Phot Tech Lett 15(4) 2003
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 21
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)
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 22
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 23
OADM para CWDM (GIGA)OADM para CWDM (GIGA)
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 24
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 25
Redes mais recentesRedes mais recentes
OADM reconfigurável para 4 canais
Redes mais largas (~12 – 14 nm) e com espectro mais plano
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 26
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 27
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 28
Set-up de teste 10-GHz, 2.65-psSet-up de teste 10-GHz, 2.65-ps
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 29
Resultados – Compensação Resultados – Compensação da Dispersãoda Dispersão
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 30
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 31
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 32
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)
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 33
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 34
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 35
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 36
Deslocamento térmico simétrico
-122.5<GVG <–57ps/nmCentro em 1552.9 nm
Deslocamento térmico paralelo
GVD = -(1055) ps/nmB ~ 2.2nm
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 37
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 38
Realização e DesempenhoRealização e Desempenho
CD ~ ± 400 ps (32 canais)- banda 60 GHz
Pior caso
Desvio padrão
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 39
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 40
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 41
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.
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 42
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.
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 43
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 45
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 46
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 47
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 48
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 49
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 50
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 51
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 52
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 53
Gravação com burstGravação com burst
Zhang & Herman, BGPP 2007 #BTuD4
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 54
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 55
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
CPqD - Futuro das Comunicações 2007 56
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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