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。
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本文内容
摘要
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。
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方案
1. 抛光毛细管的制备（ANFF OptoFab）
- 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。
- 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。
- 用夹具在两端固定一段毛细管。
- 使用位于夹具之间的加热丝，均匀加热毛细管至熔点。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 更换为 5 µm 磨料继续研磨，直至管壁剩余厚度约为 50 µm。 ....
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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。
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
| 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 | Vytran | GPX-3000 | |
| 紫外激光器 | Coherent | 300 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 | Lasiris | PM-244-1069.50-50.8 | 定制部件，光栅周期1069.50 nm，厚度5.08 mm |
| 毛细管 | Polymicro | TSP200794 | 内径200 µm，外径794 µm |
| 研磨抛光机 | Logitech | PM5 | 组合式研磨/抛光设备 |
| 紫外固化胶 | Norland | NOA-61 | 可快速固化，可用丙酮去除 |
| 微粒研磨粉 | Eminess | Al2O3：粒径分别为25 µm和5 µm | |
| 抛光液 | Eminess | ULTRA-SOL 500S | SF-500S-5，ULTRA-SOL 500S N/D，5加仑 |
| 氢氧化钠 | 0.004 M | ||
| 光纤切割刀 | Vytran | LDC-400 | |
| 可调谐激光器 | JDS Uniphase | SWS15101 | |
| 红外相机 | Xenics | XEVA-1429 | 320×256像素，16位分辨率 |
| 烘箱 | Thermoline Scientific | LDO-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
- Othonos, A. Fiber Bragg gratings. Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4309-4341 (1997).
- 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).
- Jovanovic, N., Guyon, O.....
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重印与许可
