IEAv - CTA Divisão de Física Aplicada EFA Sub-Divisão de Eletromagnetismo EFA-E Grupo de Eletromagnetismo Computacional

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Mônica Cipriano Fartaria
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1 IEAv - CTA Divisão de Física Aplicada EFA Sub-Divisão de Eletromagnetismo EFA-E Grupo de Eletromagnetismo Computacional Marcos A. R. Franco Valdir A. Serrão Francisco Sircilli Neto

2 Grupo de Eletromagnetismo Computacional Projetos Análise e Projeto de Antenas de Microfita M ulticamadas (Apoio FAPESP: Colaboração IEAv-ITA) Gerenciamento da Dispersão Cromática em Fibras Ópticas Baseadas em Cristais Fotônicos (Submetido à FAPESP)

3 Grupo de Eletromagnetismo Computacional Recursos Computacionais disponíveis no Grupo: Α Três microcomputadores Pentium IV 3.0 GHz, 2Gb de RAM, 160 Gb HD, Α LevSoft (MEF: 2D) desenvolvido no IEAv/EFA, Α Uma licença do FEMLAB 3.0 (MEF: 1D, 2D e 3D), Α Uma licença do HFSS 9.2 (MEF: 2D e 3D), Α Três licenças do Gid (Modelador geométrico, gerador de malha e ferramenta para visualização científica), Α Licenças do Matlab 6.5, Α Uma licença do BPM-CAD (2D e 3D).

4 IV WAI PROJETO DE FIBRAS ÓPTICAS BASEADAS EM CRISTAIS FOTÔNICOS MARCOS A. R. FRANCO VALDIR A. SERRÃO FRANCISCO SIRCILLI NETO NANCY M. ABE IEAv

5 Apresentação Fibras Ópticas baseadas em Cristais Fotônicos PCF Estudos realizados (PCF) Fibra PCF para Compensação de Dispersão Cromática

6 Photonic Crystal Fiber - PCF Fibras baseadas em cristais fotônicos foram primeiramente propostas em 1996 e, desde então, têm se tornado a mais promissora área de estudo para as telecomunicações ópticas. Como os cristais fotônicos, as fibras PCF têm uma microestrutura de furos preenchidos com ar, ou diferentes materiais, em sua secção transversal. As fibras PCF podem propagar a luz pelo efeito de reflexão total interna e também pelo efeito Band-Gap.

7 Photonic Crystal Fiber - PCF Núcleo: região de defeito na estrutura periódica de furos Propagação por reflexão total interna

8 Fibras Ópticas Convencional Reflexão Total Interna PCF Reflexão Total Interna Núcleo com baixo índice PCF Efeito PBG n

9 Photonic Crystal Fiber - PCF Exemplos comerciais

10 Photonic Crystal Fiber - Fabricação

11 Apresentação Fibras Ópticas baseadas em Cristais Fotônicos PCF Estudos realizados (PCF) Fibra PCF para Compensação de Dispersão Cromática

12 Photonic Crystal Fiber - Projetos 1 Quarto Λ d Ar Air y SiO 2

13 PCF Projeto Numérico Simulação com Elementos Finitos LevSoft Malha Elementos de 1 a ordem triângulos 5552 nós Geração automática de malha Zoom

14 PCF Distribuição do Campo Óptico Original Zoom 2 Zoom 1 Zoom 3 Região do núcleo

15 PCF Distribuição do Campo Óptico Furo

16 PCF Furos Largos Apresenta dispersão anômala em comprimentos de onda em que a fibra convencional apresenta apenas dispersão normal. O comprimento de onda para o qual a dispersão é zero pode ser modificado alterando-se, por exemplo, o diâmetro do núcleo de sílica pura. Possibilita o projeto de fibras com área efetiva do modo guiado extremamente pequenas.

17 PCF Furos Largos Imagem extraída da literatura Furo com Ar Núcleo da fibra (sílica pura) φ 1 µm 120 nm

19 PCF Modelo Geométrico

20 Modelo Geométrico para simulação

21 PCF Distribuição dos Materiais Ar Sílica

22 PCF Malha de Elementos Finitos

23 PCF Malha de Elementos Finitos Zoom

24 PCF Modo Fundamental Modo fundamental

25 PCF Campos modo fundamental Modo fundamental

26 Apresentação Fibras Ópticas baseadas em Cristais Fotônicos PCF Estudos realizados (PCF) Fibra PCF para Compensação de Dispersão Cromática

27 Gerenciamento da Dispersão Cromática Projeto de Fibra PCF para Compensação de Dispersão

28 Dispersão Dispersão modal Causada pelos diferentes caminhos que a luz pode seguir em uma fibra com vários modos de propagação. Dispersão Cromática Resultado das diferentes velocidades do feixe em seus vários comprimentos de onda. Ocorre em fibras monomodo e multimodo. Ambos limitam a banda passante das fibras

29 Efeitos da dispersão % nível de decisão 50% nível de decisão 1? 1? 1? 1 Dados na chegada

30 Janelas para Transmissão Atenuação db/km nm Janela 850 nm 3dB/ km 1300 nm 0,7dB/km 1550 nm 0,2dB/km 1300 nm Janela 1550 nm Janela Human Espectro Eye Response visivel Comprimento de onda (nm)

31 Compensação da Dispersão Cromática Existem cerca de uma centena de milhão de quilômetros de fibra óptica já instalada que opera em λ = 1,3 µm. Estas fibras apresentam dispersão não nula (positiva) quando utilizadas em λ = 1,55 µm. Tal dispersão pode ser compensada com a introdução de um trecho de fibra que possua dispersão negativa de valor elevado. Quanto mais alta for a dispersão negativa da fibra compensadora menor serão as perdas inseridas no sistema e menor será o comprimento de fibra a ser introduzida.

32 Compensação da Dispersão Cromática Compensação de Dispersão com fibras convencionais Fibra W (a) Fibra W (b) (c) D = 1800 Optical Fiber Technology, 8, , (2002)

33 Compensação da Dispersão Cromática Fibras PCF baseadas no conceito das fibras W convencionais D 275 ps/nm/km, para λ = 1,55 µm Patent No. US 6,445,862 B1, Sep. 3, 2002

34 Compensação da Dispersão Cromática Fibras PCF com núcleo microestruturado D 4250 ps/nm/km, para λ =1,55µm Patent No. US 2002/ A1, May 23, 2002

35 Compensação da Dispersão Cromática Fibras PCF com arranjo regular de furos D 1700 ps/nm/km o diâmetro modal é da ordem de 1 µm 2 Journal of Optic. Soc. Am. A, vol. 20, No.10, October 2003

36 Compensação da Dispersão Cromática Fibras PCF com arranjo retangular e regular de furos D 157 ps/nm/km, para λ = 1,55 µm e a área efetiva é de apenas 1,9 µm 2 IEEE Photonics Technology Letters, vol. 15, No. 4, , (2003)

37 Compensação da Dispersão Cromática Nossa proposta para configuração de fibras PCF baseadas no conceito de fibras W Secção transversal

38 Compensação da Dispersão Cromática Perfil de índices de Refração

39 Compensação da Dispersão Cromática Simulação com Elementos Finitos Distribuição de materiais Ar Sílica Malha de elementos finitos ¼ da geometria nós triângulos

40 Compensação da Dispersão Cromática Parâmetros geométricos d 8 d 7 d 6 d 5 Λ d d 1 2 d 2 d 3 d 4

41 Compensação da Dispersão Cromática Modo Fundamental, λ = 1,53 µm Fibra completa Zoom

42 Compensação da Dispersão Cromática Modo Fundamental, λ = 1,53 µm Amplitude de campo E x

43 Compensação da Dispersão Cromática Modo Fundamental, λ = 1,53 µm

44 Compensação da Dispersão Cromática Modo Fundamental, λ = 1,55 µm

45 Compensação da Dispersão Cromática Modo Fundamental, λ = 1,55 µm

46 Compensação da Dispersão Cromática Índice Efetivo Mudança de inflexão em λ=1.55 µm Comprimento de onda (µm)

47 Compensação da Dispersão Cromática Velocidade de Grupo Normalizada (Vg/c) V g c β = k Comprimento de onda (µm) 0 + n E 2 2 E dx dy 2 dx dy

48 Compensação da Dispersão Cromática 160 Área Efetiva (µm 2 ) ( x, y) A eff = + 4 E E 2 ( x, y) dx dy dx dy Comprimento de onda (µm)

49 Compensação da Dispersão Cromática Dispersão Cromática (ps/nm/km) λ D = c Comprimento de onda (µm) d 2 n dλ eff 2

50 Compensação da Dispersão Cromática Inclinação da curva de Dispersão (ps/nm 2 /km) S = d D dλ Comprimento de onda (µm)

51 Compensação da Dispersão Cromática Dispersão Cromática (ps/nm/km) Comprimento de onda (µm) Cálculo da Dispersão para 200 valores de comprimento de onda, Malha com pontos nodais, Tempo de processamento (Pentium IV 3.0 GHz, 2Gb RAM) 12 horas Desenvolvido código para processamento paralelo (em ambiente Matlab): com três computadores (P IV 3.0 GHz) CPU time 4 horas O esquema de processamento paralelo permite utilizar todos os computadores disponíveis em uma rede (Windows e Linux) + Matlab

52 Compensação da Dispersão Cromática Dispersão Cromática (ps/nm/km) Comprimento de onda (µm) No melhor do nosso conhecimento, esse resultado é o mais alto valor de dispersão o negativa jáj obtido, utilizando-se fibra PCF (D 5800 ps/nm/km). Este resultado de dispersão o negativa é 300% maior que o melhor valor medido com fibras W convencionais, 20% superior ao obtido teoricamente para este tipo de fibra e 36% acima dos valores obtidos para fibras PCF com núcleo n microestruturado.

53 Perspectivas Estudo de configurações que envolvam materiais de mais alto índice de refração (sílica + ar + outros materiais), Estudo da distribuição de furos em arranjos quadrados, Estudo de arranjos com furos elípticos, Projeto de Fibras PCF com alta Birrefringência, Parceria com Equipe Experimental para Fabricação de Fibras PCF no Brasil.

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