Politecnico di Bari Riunione SIEm, Roma 4 Dicembre 2007 SVILUPPO DI FIBRE OTTICHE MICROSTRUTTURATE...

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Riunione SIEm, Roma 4 Dicembre 2007Riunione SIEm, Roma 4 Dicembre 2007

SVILUPPO DI FIBRE OTTICHE MICROSTRUTTURATE ATTIVE E PASSIVE SVILUPPO DI FIBRE OTTICHE MICROSTRUTTURATE ATTIVE E PASSIVE

REALIZZATE CON MATRICI VETROSE INNOVATIVE PER APPLICAZIONI NEL REALIZZATE CON MATRICI VETROSE INNOVATIVE PER APPLICAZIONI NEL

CAMPO DELLA BIO-SENSORISTICA E DEL MONITORAGGIO AMBIENTALECAMPO DELLA BIO-SENSORISTICA E DEL MONITORAGGIO AMBIENTALE

A. D’Orazio, M. De Sario L. Mescia, V. PetruzzelliA. D’Orazio, M. De Sario L. Mescia, V. Petruzzelli

Dipartimento di Elettrotecnica ed ElettronicaDipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica

F. PrudenzanoF. Prudenzano

Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente e per lo Sviluppo SostenibileDipartimento di Ingegneria dell'Ambiente e per lo Sviluppo Sostenibile

e-mail:[email protected]:[email protected]

Politecnico di Bari, Via Orabona, 4, 70125 Bari, Italy, Politecnico di Bari, Via Orabona, 4, 70125 Bari, Italy,

Riunione SIEm Riunione SIEm

Università di Roma “La Sapienza”Università di Roma “La Sapienza”

Facoltà di IngegneriaFacoltà di Ingegneria

Sala del Consiglio della PresidenzaSala del Consiglio della Presidenza

4 Dicembre 2006 4 Dicembre 2006

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SommarioSommario Breve introduzione sulle proprietà delle fibre ottiche a cristallo fotonico PCF

Dispositivi basati su PCF passive

Conclusioni

Dispositivi basati su PCF attive

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J.C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russel, D. M. Aktin, “All silica single mode optical fiber with photonic crystal cladding,” Opt. Lett., vol. 21, pp. 1547-1549, 1996.

T. A. Birks, J.C. Knight, P. St. J. Russel, “Endlessly single-mode photonic crystal fiber,” Opt. Lett., vol. 22, pp. 961-963, 1997.

Monomodalità nel campo di lunghezze d’onda da 337 a 1550 nm

2cl

2co nn

2V

2eff

2oeff nn

2V

=2.3 m A= 40m

Fibre ottiche microstrutturate passiveFibre ottiche microstrutturate passive

Immagine SEM della PCFImmagine SEM della PCFFSMFSM

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0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8-120

-80

-40

0

40

Lunghezza d'onda [m]

Dis

pe

rsio

ne

cro

mat

ica

D [

ps/

nm

/Km

] =2.0=2.2=2.4

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8-80

-40

0

40

80

Lunghezza d'onda [m]

Dis

pe

rsio

ne

cro

mat

ica

D [

ps

/nm

/Km

] fibra 1fibra 2fibra 3fibra 4

Tipo fibra Λ [μm] d1[μm] d2[μm] d3[μm] d4[μm] d5[μm]

Fibra 1 2 μm 0.4 μm 0.4 μm 0.4 μm 0.4 μm 0.7 μm




Tipo fibra

Λ [μm] d1[μm] d2[μm] d3[μm] d4[μm] d5[μm]

Fibra A 2 μm 0.3 μm 0.4 μm 0.4 μm 0.4 μm 0.7 μm

FibraB 2.2 μm 0.3 μm 0.4 μm 0.4 μm 0.4 μm 0.7 μm

Fibra C 2.4 μm 0.3 μm 0.4 μm 0.4 μm 0.4 μm 0.7 μm

MOF campione di vetro

Ga5Ge20Sb10S65 calcogenuro

Hole diameterd=3.2 m

Pitch

=8 m

PCF in vetro calcogenuroPCF in vetro calcogenuro

in collaborazionein collaborazione con L’UNIVERSITÀ DI con L’UNIVERSITÀ DI

RENNES - FRANCIARENNES - FRANCIA

Controllo GVDControllo GVD PCF di SilicaPCF di Silica

in collaborazione con: in collaborazione con:

UNIVERSIDADE PAULISTA ESP, Araraquara, UNIVERSIDADE PAULISTA ESP, Araraquara,

San Paolo, BrazilSan Paolo, Brazil

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Modulo del campo elettromagntico del Modulo del campo elettromagntico del

modo fondamentale nel sensore modo fondamentale nel sensore

polimerico MOFpolimerico MOF

Assorbanza in funzione della Assorbanza in funzione della

concentrazioneconcentrazioneInoltre in fase di studio:Inoltre in fase di studio:

Sensori PCF biologiciSensori PCF biologici

MONITORAGGIO AMBIENTALE E BIOLOGICOMONITORAGGIO AMBIENTALE E BIOLOGICO

Benzene, clorobenzene, toluene…nella falda acquifera e in ariaBenzene, clorobenzene, toluene…nella falda acquifera e in aria

Schema del sensore completo di sezione di accoppiamento di ingesso e guida rastremata.

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Sensore Polimerico Biologico PCF a fluoresenza in fibra PCFSensore Polimerico Biologico PCF a fluoresenza in fibra PCF

J. B. Jensen, P. E. Hoiby, L. H. Pedersen, A. Bjarklev, Selective detection of antibodies in microstructured polymer optical fibers, OPTICS EXPRESS, Vol. 13, No. 15, 2005.

Strato di streptavidin Sandwich di α-CRP/CRP

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Progetto Amplificatori e Laser in PCF / Sensori AttiviProgetto Amplificatori e Laser in PCF / Sensori Attivi

Outer-claddingOuter-claddingDiametro Dcl-out = 122 μm Diametro hole D = 6 μm Pitch Λ = 8 μm (D/ Λ =0.75)

Parametri PCFParametri PCF

ErEr3+3+-doped core-doped core

POMPA SEGNALEPOMPA SEGNALELunghezza d’onda Lunghezza d’onda λλ 980 [nm] 1536 [nm] 980 [nm] 1536 [nm]Indice rifrazione core Indice rifrazione core 1.45167 1.44519 1.45167 1.44519 (SiO(SiO22-GeO-GeO22))

Salto dindice di rifrazioneSalto dindice di rifrazione n = nn = ncorecore - n - nsilicasilica = 0.001 = 0.001 dovuto all’erbiodovuto all’erbioperdite perdite 0.41 [dB/Km] 2 [dB/Km]0.41 [dB/Km] 2 [dB/Km]Tempo di vita medioTempo di vita medio 2121 = 10 ms = 10 ms

Inner-claddingInner-cladding

Apotema inner-cladding h = 41.57 μmApotema inner-cladding h = 41.57 μm

(a) d(a) dii=2.5 =2.5 m (i=1÷5); (d/ Λ =0.31)m (i=1÷5); (d/ Λ =0.31)

(a’) d(a’) dii=3.4 =3.4 m (i=1÷5); (d/ Λ =0.42)m (i=1÷5); (d/ Λ =0.42)

(b) d(b) d11=2 =2 m; dm; di+1i+1 - d - dii=0.8=0.8m; m;

(c) d(c) d11=2.5 =2.5 m; dm; di+1i+1 - d - di i =0.7=0.7m;m;

(d) d(d) d11=3 =3 m; dm; di+1i+1 - d - dii=0.6 =0.6 m. m.

hicic

c

AA

A

(a)(a) 0.009 0.009

(a’)(a’) 0.0098 0.0098

(b) (b)

(c) (c) 0.011 0.011

(d)(d)

Altri parametri della simulazioneAltri parametri della simulazione

Nonradiative relaxation rates ANonradiative relaxation rates A3232 = A = A4343 = 10 = 1099

[s[s-1-1];C];Cupup=C=C33=10=10-22-22 [m [m33ss-1-1], C], C1414=3.5x10=3.5x10-23-23 [m [m33ss-1-1]; ];

Er21Er21=7.9x10=7.9x10-25-25 [m [m22] and ] and Er12Er12=7.1x10=7.1x10-25-25 [m [m22] at ] at

ss = 1534 nm; = 1534 nm;Er13Er13=2.55x10=2.55x10-25-25 [m [m22] at ] at pp = 980 = 980

nm.nm.

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Modulo del campo elettrico del modo fondamentale Modulo del campo elettrico del modo fondamentale HEHEXX1111 λλss = 1536nm = 1536nm

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Modulo del campo elettrico dei modi di propagazione confinati nell’inner Modulo del campo elettrico dei modi di propagazione confinati nell’inner

cladding HEcladding HE1111x,clx,cl e HE e HE1212

x,cl x,cl alla lunghezza d’onda di pompa, alla lunghezza d’onda di pompa, = 980 nm. = 980 nm.

HEHE1111x,clx,cl

HEHE1212clcl

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Progetto dell’amplificatoreProgetto dell’amplificatore

0 2 4 6 8 1020

24

28

32

fiber (a)

fiber (b) fiber (c) fiber (d)

Concentration di erbio NEr x1024 [ions/m3]

Gu

uad

agn

o O

ttim

ale

G(L

op

t) [

dB

]

fiber (a’)

(a) G(Lopt)=32.1 dB

(b) G(Lopt)=33.4 dB

Pp(0)=3W

Ps(0)=100W

(a) (a) 0.009 0.009

(a’)(a’) 0.0098 0.0098

(b) (b)

(c) (c) 0.011 0.011

(d)(d)

Vantaggi anche in termini di figura di rumore e compattezza….Vantaggi anche in termini di figura di rumore e compattezza….

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CONCLUSIONICONCLUSIONIDai pochi esempi descritti risulta comunque evidente quanto le fibre PCF siano strutture estremamente versatili per la realizzazione di promettenti dispositivi.

Le caratteristiche dei disposistivi ottenuti impiegando le fibre ottiche microstrutturate

sembrano particolarmente interessanti anche perchè variando opportunamente la variando opportunamente la

geometria/configurazione dei forigeometria/configurazione dei fori è possibile raggiungere elevati livelli di ottimizzazione

Tecnologia disponibile in Italia: gap rispetto a diversi paesi europei.

PRIN: sperimentazione mediante acquisizione di fibra PCF commerciale

Progetti strategici: per la sintesi di nuovi vetri e filatura delle fibre PCF

APPLICAZIONIAPPLICAZIONI

MonomodalitàMonomodalità

PolarizzazionePolarizzazione

Dispersione GVD Dispersione GVD

Propagazione solitonicaPropagazione solitonica

Generazione ed amplificazioneGenerazione ed amplificazione

SensoristicaSensoristica

……………………..

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