Fibras de cristal fotônico: novas plataformas para estudos de óptica não-linear, sensoriamento e dispositivos fotônicos

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1 Fibras de cristal fotônico: novas plataformas para estudos de óptica não-linear, sensoriamento e dispositivos fotônicos Prof. Christiano J. S. de Matos Grupo de Fotônica Universidade Presbiteriana Mackenzie cjsdematos@mackenzie.br 1

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4 Grupo de Fotônica do Mackenzie (Talvez) o mais novo grupo de fotônica do país Liderança a em fotônica na cidade de São Paulo Professores: Prof. Christiano de Matos Prof. Eunézio de Souza (Thoroh) Prof. Divanilson Campelo Prof. Sérgio S Szpigel Especialidades e Interesses Amplificadores e Lasers a fibra Sensores e dispositivos em fibras microestruturadas Sistemas de comunicação óptica Weblab Lugares disponíveis para estudantes e pós-docs 4

5 Organização do seminário Fibras ópticas convencionais Fibras microestruturadas: o que são, características gerais Fibras de núcleo sólido: propriedades e aplicações Fibras de núcleo oco: propriedades e aplicações Fibras preenchidas e aplicações Conclusões e perspectivas 5

6 Fibras ópticas convencionais Feitas de sílica ou polímero Guiam luz por reflexão interna total (n 1 > n 2 ) Freqüência normalizada : V = ρ k(n 1 2 n 22 ) ½ ρ = raio do núcleo k = 2π/λ Fibra mono-modo padrão: Casca: = 125 µm Núcleo: ~ 10 µm Tipicamente n<1% V 2,405 n >> 1% não obtenível n 2 n 1 6

7 Fibras ópticas convencionais Dispersão cromática: vel. do pulso depende da freqüência pulso alargado D>0: de maior interesse em óptica não linear (sólitons) Dopagem & perfil de índice move D=0 para λs maiores. Não é possível obter D > 0 para λ < 1,27 µm 7

8 Fibras de Cristal Fotônico Estrutura periódica de buracos longitudinais ao redor do núcleo 2 tipos distintos: núcleo de vidro núcleo oco 8

9 Fibras de Cristal Fotônico Galeria de fotos 9

10 Fibras de Cristal Fotônico Nomenclatura Photonic Crystal Fibers Holey Fibers Microstructured Fibers Em português a confusão é maior X Fibras Fotônicas Photonic Bandgap Fibers Fibras de Cristal Fotônico Fibras Microestruturadas Fibras esburcadas Fibras de Bandgap Fotônico 10

11 Fibras de Cristal Fotônico Organizando a nomenclatura Fibras Microestruturadas Fibras microestruturadas não periódicas Fibras de Cristal Fotônico 11 Fibras de Bandgap Fotônico

12 Fibras microestruturadas Fabricação Empilhamento de capilares Aquecimento e puxamento (redução do diâmetro) [ 12

13 Fibras com núcleo de vidro Microestrutura ~ λ: não é resolvida pela luz índice efetivo (médio) de casca Guiamento por reflexão interna total (n 1 > n 2 ) Índice da casca varia com o diâmetro modal (e consequentemente com a freqüência) Note que n chega facilmente a ~10%. [A. Bjarklev, J. Broeng, Photonic Crystal Fibers, Kluwer, 2008] 13

14 Fibras com núcleo de vidro Freqüência normalizada efetiva (V ef ) V ef = (2πρ/λ)(n 12 n ef2 ) ½ Certas fibras são mono-modo para todas as freqüências [A. Bjarklev, J. Broeng, Photonic Crystal Fibers, Kluwer, 2008] 14

15 Fibras com núcleo de vidro n s altíssimos núcleos muito pequenos e alto confinamento da luz Altas intensidades altas não linearidades (até 25 maior do que em fibras convencionais) Alto n também altera significativamente a dispersão cromática: f =0.75 f =0.6 f =0.12 Dispersion, ps/nm/km W avelength, µm 15

16 Fibras com núcleo de vidro Importante aplicação: geração de supercontínuo Alta NL + baixa D múltiplos efeitos NL extremo alargamento espectral Normalized power (db) Wavelength (nm) 16 [C.J.S. de Matos et al., Opt. Lett. 30, 436 (2005)]

17 Fibras com núcleo oco Índice do núcleo < índice da casca não há reflexão total interna Luz guiada por reflexão de Bragg (difração) Índice de refração: 17

18 Fibras com núcleo oco Uma visão de óptica de raios do fenômeno Luz numa faixa de λs é proibida de cruzar a casca confinamento no núcleo (indep. de n 1 ) [Cregan et al. Science 285, 1537 (1999) Fibras de Bandgap Fotônico 18

19 Fibras com núcleo oco Guiam luz através do ar Absorção substancialmente menor Não-linearidade 1000x menor Perfil de dispersão único Chirped pulse amplification totalmente a fibra ~20kW [C.J.S. de Matos et al., Opt. Express 11, 2832 (2003)], [C.J.S. de Matos et al., Opt. Lett. 30, 436 (2005)] 19

20 Fibras preenchidas Luz guiada superpõe-se com buracos Se buracos forem preenchidos interação luz guiada-material inserido Preenchendo uma fibra de núcleo oco Reflexão interna total ocorre com praticamente qualquer n 1 Volume de material necessário: πr 2.L = π(~5µm) 2.1m 80 nl índice de refração: 20

21 Fibras preenchidas Aplicações: Sensoriamento Estudo de materiais Dispositivos com propriedades especiais Material: gás, líquido, polímero curável 21

22 Fibras preenchidas Guiamento e Raman em etanol [S. Yiou et al., Opt. Express 13, 4786 (2005)] 22

23 λ λ Fibras preenchidas Geração de supercontínuo em fibras preenchidas: dispersão precisa ser baixa A água como material para o núcleo -75ps/nm.km Dispersão cromática Atenuação Zero de dispersão ~1 m =800nm 2,03x10-2 cm -1 =976nm 0,51cm -1 [A. G. V. Engen et al., Appl. Opt 37, 5679 (1998)] n 2 = 1,6x10-16 cm 2 / W 23

24 Montagem experimental Supercontínuo em fibra preenchida com água OPA Atenuador lente Fibra 5 cm lente OSA OPA: Pulsos de 60 fs, 1kHz Sintonizável: vis + NIR [ver seção de Posters, A. Bozolan] 24

25 λ λ Supercontínuo em fibra preenchida com água Comparação entre =800nm e Pot. pico de entrada: 0.9 MW =976nm 140nm 460nm 25

26 λ Supercontínuo em fibra preenchida com água Comparação entre PCF e Bulk para Pot. pico de entrada: 1.5 MW =976nm 503nm 79nm 26

27 Lasers aleatórios Um laser comum mirror gain medium mirror 27

28 Lasers aleatórios Um laser aleatório gain medium Largura de linha estreita Alguma coerência Não direcional scatterers 28

29 Um laser aleatório em fibra Um meio de ganho espalhador no núcleo de uma fibra de cristal fotônico Feedback transversal via refl. int. total (direcionalidade) Feedback axial via espalhamento Um laser aleatório quasi-1d [C. de Matos et al. Phys. Rev. Lett. 99, (2007)] 29

30 532 nm Laser aleatório em fibra Montagem experimental Atenuador Lente cilíndrica suporte Fibra Lente esférica Espectrômetro Fibra: HC >90% ar na casca Índice efetivo de casca estimado: 1.27 Meio de ganho espalhador: Rodamina 6G (10-4 M) em glicerol Partículas de rutila de 250 nm (10 8 cm -3 ) como espalhadoras 30

31 Laser aleatório em fibra Normalized intensity Normalized intensity MW/cm ,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Emission from a bulk random laser (a) 112 MW/cm 2 80,0 MW/cm 2 48,0 MW/cm 2 24,0 MW/cm 2 9,00 MW/cm Wavelength (nm) Emission from a fibre without scatterers (b) 144 MW/cm MW/cm 2 80,0 MW/cm 2 48,0 MW/cm 2 24,0 MW/cm 2 9,00 MW/cm Wavelength (nm) Normalized intensity 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Resultados Emission from the Random Fiber Laser 1,0 (c) 112 MW/cm 2 80,0 MW/cm 2 48,0 MW/cm 2 24,0 MW/cm 2 9,00 MW/cm Wavelength (nm) 31

32 Laser aleatório em fibra Linewidth (nm) w/o scatterers w/ scatterers Pump intensity (MW/cm 2 ) Resultados (b) Peak Emission intensity (arb. (a.u.) units) (a) Peak power Total power Pump intensity (MW/cm 2 ) Peak power w/o scatterers Ao menos ~100 vezes mais eficiente que lasers aleatórios volumétricos similares 32

33 Pontos quânticos coloidais Semicondutores em escala nanométrica Síntese química Podem ser dispersos em inúmeros materiais Confinamento quântico altera bandgap (i.e. espectros de absorção/emissão Níveis de energia Zona proibida Níveis de energia Zona proibida 33

34 Fibras com pontos quânticos coloidais + PbS 2,2 nm diâmetro em polímero bombeio: 633 nm emissao ~900 nm a ) b) 700 ~945 nm ~670 u.a. 600 Intensidade (u.a.) Bombeio do laser em 633 nm ~80 nm 100 [J. Ong and C. de Matos, RIAO OPTILAS, 2008] Comprimento de onda (nm) 34

35 Técnicas para preenchimento seletivo Uso de uma máquina de emendar fibras 35

36 Técnicas para preenchimento seletivo Abertura de um buraco lateral [Cordeiro et al., Opt. Express 14, 8403 (2006)] Buracos da casca se fecham! 36 Preenchimento do núcleo

37 Técnicas para preenchimento Fibra com núcleo líquido Problema: contraste de índice muito alto dezenas ou centenas de modos Uma solução: introdução de líquido de índice mais baixo na casca índice de refração: seletivo 37

38 Técnicas para preenchimento seletivo Preenchendo duplamente uma fibra de cristal fotônico de núcleo oco Líquido p/ núcleo Líquido p/ casca Buracos de casca colapsados Corte Corte Núcleo bloqueado com polímero Diâmetro do núcleo: 10.7 µm Período: 2.2 µm Diam. buracos de casca: 1.9 µm [C. de Matos et al., Opt. Express 15, (2007)] 38

39 Técnicas para preenchimento seletivo Líquido da casca: água Líquido do núcleo: água + glicerina (variação de índice de a 1.417) n núcleo = n núcleo = n núcleo = Nenhum modo para n núcleo <

40 Conclusões e perspectivas Fibras de cristal fotônico possuem propriedades singulares e úteis em diversas aplicações A estrutura das fibras pode ser escolhida de acordo com a necessidade e aplicação Elas não devem substituirão fibras convencionais para telecomunicação, mas atuarão de forma complementar Inserção de material nos buracos: sensores e dispositivos fotônicos. 40

41 Agradecimentos Pesquisadores envolvidos: Alexandre Bozolan Jackson Ong Daniel Ferreira Tilon Facincani Eliane dos Santos Giancarlo Chesini Antonio M. Brito-Silva Cristiano Cordeiro Leonardo Menezes Cid. B. de Araújo Anderson Gomes M. Alejandrina Martinez G. Apoio: CAPES (PROCAD), Fundo Mackenzie de Pesquisa (Mackpesquisa), FAPESP and CNPq 41