Riunione SIEm, Roma 4 Dicembre 2007
SVILUPPO DI FIBRE OTTICHE MICROSTRUTTURATE ATTIVE E PASSIVE
REALIZZATE CON MATRICI VETROSE INNOVATIVE PER APPLICAZIONI NEL
CAMPO DELLA BIO-SENSORISTICA E DEL MONITORAGGIO AMBIENTALE
A. D’Orazio, M. De Sario L. Mescia, V. Petruzzelli
Dipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica
F. Prudenzano
Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente e per lo Sviluppo Sostenibile
e-mail:[email protected]
Politecnico di Bari, Via Orabona, 4, 70125 Bari, Italy,
Riunione SIEm
Università di Roma “La Sapienza”
Facoltà di Ingegneria
Sala del Consiglio della Presidenza
4 Dicembre 2006
Politecnico di Bari
Riunione SIEm, Roma 4 Dicembre 2007
Sommario

Breve introduzione sulle proprietà delle
fibre ottiche a cristallo fotonico PCF

Dispositivi basati su PCF passive

Dispositivi basati su PCF attive

Conclusioni
Politecnico di Bari
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Fibre ottiche microstrutturate passive
Monomodalità nel campo
di lunghezze d’onda da
337 a 1550 nm
=2.3 m
A= 40m
V
2 2
2
nco  ncl

Veff 
2 2
no  n2eff

FSM
Immagine SEM della PCF
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
Politecnico
fiber,” Opt. Lett., vol. 22, pp. 961-963, 1997.
di Bari
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Controllo GVD
PCF di Silica
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
Fibra 2
2 μm
0.3 μm
0.4 μm
0.4 μm
0.4 μm
0.7 μm
Fibra 3
2 μm
0.3 μm
0.3 μm
0.4 μm
0.4 μm
0.7 μm
Fibra 4
2 μm
0.3 μm
0.3 μm
0.3 μm
0.4 μm
0.7 μm
in collaborazione con:
UNIVERSIDADE PAULISTA ESP, Araraquara,
Tipo
fibra
Λ [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
Dispersione cromatica D [ps/nm/Km]
40
d1[μm]
d2[μm]
d3[μm]
d4[μm]
d5[μm]
Dispersione cromatica D [ps/nm/Km]
80
San Paolo, Brazil
40
0
-40
-80
0.8
 =2.0
 =2.2
 =2.4
fibra 1
fibra 2
fibra 3
fibra 4
1
1.2
1.4
1.6
Lunghezza d'onda  [m]
MOF campione di vetro
0
Ga5Ge20Sb10S65 calcogenuro
PCF
in
vetro
calcogenuro
in collaborazione con L’UNIVERSITÀ DI
RENNES - FRANCIA
-40
-80
-120
0.8
1.8
Hole diameter
d=3.2 m
Pitch
=8 m
1
1.2
1.4
1.6
Lunghezza d'onda  [m]
1.8
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MONITORAGGIO AMBIENTALE E BIOLOGICO
Benzene, clorobenzene, toluene…nella falda acquifera e in aria
Schema del sensore
completo di
sezione
accoppiamento di ingesso e guida rastremata.
Assorbanza in funzione della
concentrazione
di
Modulo del campo elettromagntico de
modo fondamentale nel sensore
polimerico MOF
Inoltre in fase di studio:
Sensori PCF biologici
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Sensore Polimerico Biologico PCF a fluoresenza in fibra PCF
Strato di streptavidin
Sandwich di α-CRP/CRP
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.
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Progetto Amplificatori e Laser in PCF / Sensori Attivi
Parametri PCF
Outer-cladding
Diametro
Dcl-out = 122 μm
D = 6 μm
Λ = 8 μm (D/ Λ =0.75)
Diametro hole
Pitch
Inner-cladding
Apotema inner-cladding h = 41.57 μm
(a) di=2.5 m (i=1÷5); (d/ Λ =0.31)
(a’) di=3.4 m (i=1÷5); (d/ Λ =0.42)
(b) d1=2 m;
di+1 - di=0.8m;
 
Ac
A ic  A hic
(a)  0.009
(a’)  0.0098
(c) d1=2.5 m; di+1 - di =0.7m;
(d) d1=3 m;
di+1 - di=0.6 m.
Er3+-doped core
Lunghezza d’onda λ
Indice rifrazione core
(SiO2-GeO2)
Salto dindice di rifrazione
dovuto all’erbio
perdite
Tempo di vita medio
(b)
(c)   0.011
(d)
POMPA
980 [nm]
1.45167
SEGNALE
1536 [nm]
1.44519
Altri parametri della simulazione
Nonradiative relaxation rates A32 = A43 = 109
n = ncore - nsilica = 0.001 [s-1];C =C =10-22 [m3s-1], C =3.5x10-23 [m3sup
3
14
1]; 
-25
2
[m ] and Er12=7.1x10-25 [m2]
Er21=7.9x10
0.41 [dB/Km]
2 [dB/Km]
at s = 1534 nm;Er13=2.55x10-25 [m2] at p =
21 = 10 ms
980 nm.
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Modulo del campo elettrico del modo fondamentale HEX11 λs = 1536nm
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Modulo del campo elettrico dei modi di propagazione confinati nell’inner
cladding HE11x,cl e HE12x,cl alla lunghezza d’onda di pompa,  = 980 nm.
HE11x,cl
HE12cl
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Guuadagno Ottimale G(Lopt) [dB]
Progetto dell’amplificatore
32
Pp(0)=3W
Ps(0)=100W
fiber (a)
fiber (a’)
28
(a)   0.009
(a’)  0.0098
fiber (b)
fiber (c)
fiber (d)
(b)
(c)   0.011
24
(a) G(Lopt)=32.1 dB
(d)
(b) G(Lopt)=33.4 dB
20
0
2
4
6
8
Concentration di erbio NEr x1024 [ions/m3]
Vantaggi anche in termini di figura di rumore e compattezza….
10
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CONCLUSIONI
Dai pochi esempi descritti risulta comunque evidente quanto le fibre
PCF siano strutture estremamente versatili per la realizzazione di
promettenti dispositivi.
APPLICAZIONI
Le
caratteristiche dei disposistivi ottenuti impiegando le fibre ottiche
Monomodalità sembrano particolarmente interessanti anche perchè
microstrutturate
variando
opportunamente la geometria/configurazione dei fori è
Polarizzazione
possibile
raggiungere
elevati livelli di ottimizzazione
Dispersione
GVD
Propagazione solitonica
Tecnologia disponibile in Italia: gap rispetto a diversi paesi europei.
Generazione ed amplificazione
Sensoristica
PRIN: sperimentazione mediante acquisizione di fibra PCF commerciale
………….
Progetti strategici: per la sintesi di nuovi vetri e filatura delle fibre PCF
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