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方法文章

在多芯光纤中写入布拉格光栅

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DOI：

10.3791/53326

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2016年4月20日

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1Sydney Institute for Astronomy, School of Physics, University of Sydney, 2Institute of Photonics and Optical Science, School of Physics, University of Sydney, 3Center for Ultrahigh Bandwidth Devices for Optical Systems, School of Physics, University of Sydney, 4Australian Astronomical Observatory

本文内容

摘要

我们介绍一种在多芯光纤的每个纤芯中刻写相同光纤布拉格光栅的技术。该技术通过在光路中引入一个额外的表面，以减轻光纤包层曲面对光束的透镜效应。

摘要

多芯光纤中的光纤布拉格光栅可作为天文及其他科研和商业应用中紧凑且坚固的滤波器。要在单一波长实现强抑制，需要所有纤芯具有匹配的透射特性。由于包层的曲面具有透镜效应，会使入射的紫外激光束聚焦，导致各纤芯之间的曝光程度不一致，因此无法采用与单芯光纤相同的方法来刻写这些光栅。为此，我们使用一种附加的光学元件，以确保激光束在穿过多芯光纤横截面时其光束形状保持不变。该元件是一个在一侧被抛光成平面的玻璃毛细管，将其套在需要刻写的光纤段上。激光束通过毛细管的平面一侧进入光纤，从而保持其原始尺寸。本文展示了采用该方法在7芯光纤中显著改善了纤芯间的一致性。该技术可推广应用于更大芯数的多芯光纤。

引言

光纤布拉格光栅（FBGs）因其可针对大量应用进行定制，而被广泛用作窄带滤波器1。它们不仅限于抑制单一波长；通过采用非周期性的折射率变化，可构建复杂的透射光谱2。一个局限在于，FBGs 只能在单模光纤（SMFs）中写入，因为给定光栅周期所抑制的波长取决于传播常数。在多模光纤（MMF）中，由于每个模式具有不同的传播常数，各模式对应的抑制波长也不同，因此光栅无法在任一波长处实现强抑制。

本实验的灵感源于天文学。在视宁度受限的条件下，将光直接耦合进单模光纤（SMF）十分困难且效率低下，需要采用极端的自适应光学系统才能实现3。因此，在从望远镜焦平面收集光信号时，通常使用多模光纤（MMF）4。为了保留仅单模光纤具备的功能，必须实现单模光纤与多模光纤之间的高效转换。光子灯笼（photonic lantern）正是实现这一目标的装置，它由一个多模端口通过锥形过渡段连接至一组单模光纤阵列构成5。在GNOSIS仪器中曾使用光子灯笼，其中单模光纤内包含光纤布拉格光栅（FBG），用于去除近红外观测中的大气发射谱线（由羟基自由基及其他分子引起）6。采用独立的单芯单模光纤完成此类任务的缺点在于，每根光纤需逐个写入光栅，并逐一熔接至光路中，耗时较长且需要大量人工操作。本文所述技术尝试通过一种更复杂的光纤结构来提供单模功能，以克服上述不足。

下一代OH抑制仪器PRAXIS7将采用多芯光纤（MCFs）。这类光纤在单个包层中包含任意数量的单模纤芯。该方法的优势在于，可将MCF锥形拉制成多模光纤（MMF），从而形成的光子灯笼是一种紧凑、坚固且自成一体的单元。在最终完成的仪器中，来自望远镜的光将耦合进入光子灯笼的MMF端口；锥形过渡段会将该光分离至各个单模纤芯中，并通过光纤布拉格光栅（FBG）。经过波长滤波后，剩余的光被色散到探测器上，进而采集光谱数据。

使用多芯光纤（MCFs）还可以加快光栅的写入过程，因为所有纤芯均可在一次扫描中完成刻写。然而，必须对写入过程进行调整，以确保所有纤芯具有相同的反射特性。这是因为在侧向写入光纤布拉格光栅（FBGs）时，包层的曲面会起到透镜作用，若采用标准的侧向写入方法，会导致每个纤芯处的紫外光场在功率和方向上各不相同。因此，每个纤芯将具有不同的透射谱型，光纤无法在单一波长处实现强抑制8。

美国海军研究实验室的一个研究团队曾尝试通过调整纤芯的分布和光敏性来抵消这种变化带来的影响9。采用这种方法的缺点是，必须针对每一种包层尺寸、纤芯尺寸、纤芯数量和化学成分的组合重新设计光纤。此外，所得设计缺乏轴对称性，导致多芯光纤无法有效拉锥成具有圆形纤芯的多模光纤。本文详细介绍了一种不同的解决方案：通过使光场经过一个平面表面，而非直接入射到弯曲的包层上，从而改变光纤内部的光场分布。该方法可适用于多种多芯光纤的设计与尺寸，尤其适用于我们希望集成到光子灯笼中的轴对称光纤。

为了形成所需的平整表面，将微结构光纤（MCF）置于一根紫外透明的毛细管内，该毛细管一侧经过研磨和抛光，以形成平坦的外壁。光纤与毛细管之间需预留微小间隙，因为毛细管的直径可能存在±10 µm的偏差。参见图1示意图。本文将描述以此方式写入光纤布拉格光栅（FBG）的实验步骤，并提供可能改进效果的示例。更多详细信息请参阅先前发表的模拟研究10和实验结果11。

用于紫外激光束吸收研究的含微结构光纤毛细管传感器示意图。
图1. 用于光纤布拉格光栅（FBG）制作的抛光毛细管示意图。 微结构光纤（MCF）被置于毛细管内部。两者之间的间隙应较小，但需允许直径存在微小变化。透过相位掩模后的紫外光从毛细管的平面侧进入系统。 请点击此处查看该图的放大版本。

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方案

1. 抛光毛细管的制备（ANFF OptoFab）

  1. 获取内径与光纤直径相近的玻璃毛细管。尺寸越接近，性能越好，但需允许毛细管尺寸存在 ±10 µm 的偏差。去除毛细管上的任何保护涂层。使用剃刀小心刮除涂层，避免损坏毛细管。
  2. 如需将毛细管拉细至更小直径，请进行拉锥处理。如有条件，使用计算机控制的自动拉锥仪。
    1. 用夹具在两端固定一段毛细管。
    2. 使用位于夹具之间的加热丝，均匀加热毛细管至熔点。
    3. 在恒定张力下将毛细管通过加热元件拉伸，直至目标长度被拉细至所需的小直径。
  3. 使用玻璃切割工具将毛细管切割成大致相等的段。确保每段长度至少比预期的光栅长度长 2 cm，同时又足够短以适配所用的抛光设备。注：本实验中使用了 7 cm 长的毛细管。
  4. 使用紫外固化胶将 8–10 段毛细管固定在玻璃载片上。将载片安装到与研磨/抛光机兼容的夹具中。
  5. 使用研磨/抛光机将毛细管暴露的管壁研磨至平整表面。注意：切勿吸入散落的磨料颗粒。注：磨料为反渗透纯化水中悬浮的 Al2O3。
    1. 先使用 25 µm 磨料研磨，直至毛细管壁剩余厚度约为 70 µm。使用千分尺测量夹具在研磨过程中的位移，从而确定已去除的材料量。
    2. 更换为 5 µm 磨料继续研磨，直至管壁剩余厚度约为 50 µm。
  6. 使用研磨/抛光机在碱性分散液（NaOH）中的高纯度胶体二氧化硅中对已平整的表面进行抛光，时间不少于 3 小时。注：此步骤可使表面恢复至光学质量。为防止二氧化硅固化，可在抛光液中每 3 份加入 1 份 0.004 M 的 NaOH 溶液。
  7. 将毛细管连同载片浸泡于丙酮中过夜，以分离毛细管与固定载片。
  8. 在显微镜下以 10X 放大倍数检查毛细管两端，观察管壁厚度。注：高质量的毛细管沿其长度方向应具有均匀且较薄（约 50 µm）的管壁。

2. 光栅的制备

  1. 氢化 MCF 以提高其光敏性。
    1. 将待氢化的光纤放入密封的密闭腔室中。警告：由于存在加压气体，务必确保腔室牢固固定。
    2. 向腔室内泵入高纯度 H2。使用 N2 气体作为增压气体以提高压力。
    3. 将光纤在腔室内放置较长时间：在 300 bar 和室温下放置 2 周，或在 380 bar 和 80 °C 下放置 3 天。
    4. 释放腔室内的气体并取出光纤。警告：确保房间通风良好。这些气体可能具有窒息性，或 H2 存在火灾风险。
    5. 将光纤保存在温度为 -70 °C 或更低的冷冻柜中，直至使用。这可以减缓氢气脱附速率，保持其增强的光敏性。
  2. 去除 MCF 的保护涂层。对于与单模光纤（SMF）尺寸相同的 MCF，使用标准的 SMF 光纤剥线钳进行剥除；否则使用剃刀片刮除涂层。将需要写入光栅区域的涂层完全去除，直至光纤末端。
  3. 将剥除涂层后的光纤端部插入毛细管中，并沿光纤滑动毛细管，使其覆盖待刻写区域。
  4. 佩戴防紫外线护目镜。将光纤安装在固定相位掩模的移动平台上，使毛细管的平面一侧朝向相位掩模。确保光纤位于掩模产生的干涉图案范围内，但不要接触掩模本身，以免造成损伤。
  5. 调整 244 nm 激光器，使激光束垂直于相位掩模的平面表面。确保光纤接收到的激光功率至少为 90 mW。
  6. 通过以 0.25 mm/min 的速度共同移动光纤和相位掩模相对于入射光束，使光纤的 4 cm 长度暴露于紫外干涉图案中。
  7. 从光纤上取下毛细管。
  8. 在 110 °C 下对光栅退火 20 小时，以稳定其波长响应。注：此步骤为可选，因为光栅在约三天内会自行稳定，但退火可加快该过程。

3. 谱图分析

  1. 将光纤两端进行切割。使用可设置光纤直径和张力的光纤切割刀，以确保端面平整。
  2. 使用可调谐激光器照射光纤一端，其中心波长应大致匹配布拉格波长。
  3. 将CCD相机连接至装有控制软件的计算机，用于显示和记录光纤输出图像。通过CCD相机对光纤输出端成像，相机前加装50倍放大倍率的显微物镜，以确保每个纤芯覆盖多个CCD像素。注意：以下步骤3.4.1–3.5.5针对作者所使用的定制软件，仅代表一种光谱采集方法。
    1. 在控制软件的图像中，通过点击纤芯中心位置，选择对应每个纤芯的圆形像素区域。在“长度或直径”字段中输入纤芯直径（单位为像素）。
    2. 记录相机对所选区域检测到的像素值。对覆盖某一特定纤芯的所有像素值求和，以量化该波长下的总透射强度。
  4. 将可调谐激光器连接至控制计算机，以便实现观测和数据采集的自动化。
    1. 在“起始波长”字段中输入比布拉格波长低约5 nm的波长值。
    2. 在“扫描-步长”字段中将激光器波长步进设为0.01 nm。注意：设置每一步之间的延迟至少为300毫秒，以确保在记录测量数据和进入下一个波长步进前，激光器在每个波长下已达到稳定状态。
    3. 在“终止波长”字段中输入比布拉格波长高约5 nm的波长值。
    4. 点击“自动扫描”按钮，使激光器设定至指定的起始波长，并以选定的步长在固定时间间隔内逐步增加波长。
    5. 记录每个波长步进下各纤芯的透射光强。通过启用“文本文件保存”选项，将计算得到的数值导出为文本文件。
  5. 至少重复扫描3次，并对所有运行的数据进行平均处理。
  6. 绘制每个纤芯的透射功率随波长变化曲线，以生成一组光谱。
    1. 比较所有纤芯的光谱，确认它们是否具有相同的抑制特性。检查每个光栅的中心波长、抑制深度和带宽是否一致。

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结果

通过比较使用和不使用毛细管曝光所制备的多芯光纤布拉格光栅（MCFBGs），可以最好地展示该技术的有效性。图2展示了采用标准单模光纤（SMF）方法曝光的7芯多芯光纤的透射特性，其中各个纤芯的光谱以不同颜色表示。被抑制的波长之间重叠极少，而第5号纤芯因曝光较弱，导致陷波深度较浅。这两种现象均源于写入过程中光纤内光功率的不均匀分布。请注意，-36 dB处的平坦截止是由于相机动态范围有限所致；所有透射值均相对于该最小值进行归一化处理。

多芯光纤传输图；光谱；波长与信号损耗（dB）关系图；示意图。
图 2. 未对透镜效应进行补偿时多芯光纤布拉格光栅（MCFBG）各纤芯的性能。该图显...

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讨论

图2 和 图3 共同表明，在刻写光栅时引入抛光毛细管（PCT）足以提高多芯光纤布拉格光栅（MCFBG）中纤芯光谱的均匀性。其余刻写过程与已建立的单模光纤（SMF）光栅制备方法基本相同，且可与大多数现有的光纤布拉格光栅（FBG）刻写系统兼容。因此，按照本方案第2节所述制备PCT是提高MCFBG均匀性的最关键步骤。当毛细管的抛光壁具有均匀且较小的厚度时，可获得最佳效果；本文选择的50 µm厚度在保持玻璃强度与最小化光纤和相位掩模之间距离之间达到了折衷。

然而，即使使用了PCT，仍存在一种附加效应，导致MCF的中心核心与其他核心的波长响应不同。我们采用了方案部分第3.1步中提到的不同氢化工艺，以探究这种差异是否由该核心氢吸收量较低所致，但未观察到任何改善。这种差异也无法通过紫外曝光过程中各核心相互遮挡造成阴影来解释，因为这将导致最外侧的6个核心也出现响应不匹配的情况。相反，这种行为可归因于中心核心具有与其他核心不同的光学特性，尽管它们在制造时是完全相同的。

除非单根...

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披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

SAIL 实验室的资金来源于澳大利亚研究理事会授予 JBH 的澳大利亚桂冠研究员奖学金。

本研究由澳大利亚研究理事会光学系统超宽带设备卓越中心（项目编号 CE110001018）资助。

部分实验工作在澳大利亚国家制造设施的OptoFab节点完成，使用了NCRIS和新南威尔士州政府的资金支持。光纤氢化服务由位于雷德芬的TE Connectivity提供。SLS谨此感谢日本藤仓有限公司光学与电子实验室，为本实验提供了所用的7芯光纤。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
多芯光纤Fujikura Ltd.7个纤芯，直径5.5 µm，纤芯间距35 µm，呈六边形排列于125 µm包层内，数值孔径NA = 0.177
玻璃拉锥机VytranGPX-3000
紫外激光器Coherent300 FreD Innova倍频输出244 nm，输出功率至少150 mW。注意：可能造成眼睛损伤，需佩戴合适的护目镜
相位掩模LasirisPM-244-1069.50-50.8定制部件，光栅周期1069.50 nm，厚度5.08 mm
毛细管PolymicroTSP200794内径200 µm，外径794 µm
研磨抛光机LogitechPM5组合式研磨/抛光设备
紫外固化胶NorlandNOA-61可快速固化，可用丙酮去除
微粒研磨粉EminessAl2O3：粒径分别为25 µm和5 µm
抛光液EminessULTRA-SOL 500SSF-500S-5，ULTRA-SOL 500S N/D，5加仑
氢氧化钠0.004 M
光纤切割刀VytranLDC-400
可调谐激光器JDS UniphaseSWS15101
红外相机XenicsXEVA-1429320×256像素，16位分辨率
烘箱Thermoline ScientificLDO-030N用于在T = 110 °C条件下退火
氢气BOC用于光纤氢化处理。注意：易燃，加压气体
氮气BOC用于增强氢化效果。注意：加压气体
丙酮
剃刀刀片

参考文献

  1. Othonos, A. Fiber Bragg gratings. Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4309-4341 (1997).
  2. Bland-Hawthorn, J., Englund, M., Edvell, G. New approach to atmospheric OH suppression using an aperiodic fiber Bragg grating. Opt. Express. 12 (24), 5902-5909 (2004).
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  4. Bland-Hawthorn, J., et al. A complex multi-notch astronomical filter to suppress the bright infrared sky. Nat. Comm. 2, 581(2011).
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