25/03/2017 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:prudenzano@poliba.it 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

25/03/2017 Sommario Breve introduzione sulle proprietà delle fibre ottiche a cristallo fotonico PCF Dispositivi basati su PCF passive Dispositivi basati su PCF attive Conclusioni

Fibre ottiche microstrutturate passive Monomodalità nel campo di lunghezze d’onda da 337 a 1550 nm =2.3 m A= 40m 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 fiber,” Opt. Lett., vol. 22, pp. 961-963, 1997.

Tipo fibra Λ [μm] d1[μm] d2[μm] d3[μm] d4[μm] d5[μm] Fibra 1 2 μm 0.4 μm 0.7 μm Fibra 2 0.3 μm Fibra 3 Fibra 4 Controllo GVD PCF di Silica in collaborazione con: UNIVERSIDADE PAULISTA ESP, Araraquara, San Paolo, Brazil Tipo fibra Λ [μm] d1[μm] d2[μm] d3[μm] d4[μm] d5[μm] Fibra A 2 μm 0.3 μm 0.4 μm 0.7 μm FibraB 2.2 μm Fibra C 2.4 μm MOF campione di vetro Ga5Ge20Sb10S65 calcogenuro Hole diameter d=3.2 m Pitch =8 m PCF in vetro calcogenuro in collaborazione con L’UNIVERSITÀ DI RENNES - FRANCIA

MONITORAGGIO AMBIENTALE E BIOLOGICO Benzene, clorobenzene, toluene…nella falda acquifera e in aria Modulo del campo elettromagntico del modo fondamentale nel sensore polimerico MOF Schema del sensore completo di sezione di accoppiamento di ingesso e guida rastremata. Assorbanza in funzione della concentrazione Inoltre in fase di studio: Sensori PCF biologici

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.

Progetto Amplificatori e Laser in PCF / Sensori Attivi 25/03/2017 Progetto Amplificatori e Laser in PCF / Sensori Attivi Parametri PCF Outer-cladding Diametro Dcl-out = 122 μm Diametro hole D = 6 μm Pitch Λ = 8 μm (D/ Λ =0.75) 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; (c) d1=2.5 m; di+1 - di =0.7m; (d) d1=3 m; di+1 - di=0.6 m. (a)  0.009 (a’)  0.0098 (b) (c)   0.011 (d) Er3+-doped core POMPA SEGNALE Lunghezza d’onda λ 980 [nm] 1536 [nm] Indice rifrazione core 1.45167 1.44519 (SiO2-GeO2) Salto dindice di rifrazione n = ncore - nsilica = 0.001 dovuto all’erbio perdite 0.41 [dB/Km] 2 [dB/Km] Tempo di vita medio 21 = 10 ms Altri parametri della simulazione Nonradiative relaxation rates A32 = A43 = 109 [s-1];Cup=C3=10-22 [m3s-1], C14=3.5x10-23 [m3s-1]; Er21=7.9x10-25 [m2] and Er12=7.1x10-25 [m2] at s = 1534 nm;Er13=2.55x10-25 [m2] at p = 980 nm.

Modulo del campo elettrico del modo fondamentale HEX11 λs = 1536nm 25/03/2017 Modulo del campo elettrico del modo fondamentale HEX11 λs = 1536nm

25/03/2017 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

Progetto dell’amplificatore 25/03/2017 Progetto dell’amplificatore 32 Pp(0)=3W Ps(0)=100W fiber (a) fiber (a’) Guuadagno Ottimale G(Lopt) [dB] (a)   0.009 (a’)  0.0098 (b) (c)   0.011 (d) 28 fiber (b) fiber (c) fiber (d) 24 (a) G(Lopt)=32.1 dB (b) G(Lopt)=33.4 dB 20 2 4 6 8 10 Concentration di erbio NEr x1024 [ions/m3] Vantaggi anche in termini di figura di rumore e compattezza….

25/03/2017 CONCLUSIONI Dai 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 geometria/configurazione dei fori è possibile raggiungere elevati livelli di ottimizzazione APPLICAZIONI Monomodalità Polarizzazione Dispersione GVD Propagazione solitonica Generazione ed amplificazione Sensoristica …………. 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